生長分化因子11在延緩衰老中的作用

劉曉光趙淋淋田向陽肖衛(wèi)華

(上海體育學(xué)院運動科學(xué)學(xué)院，上海200438)

關(guān)鍵詞〔〕生長分化因子11；大腦；心臟；骨骼肌；衰老

中圖分類號〔〕R34〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕A〔

基金項目：國家自然科學(xué)基金(No.31300975)；教育部博士點基金(No.20133156120004)

通訊作者：肖衛(wèi)華(1981-)，男，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事運動健身與疾病康復(fù)的生物學(xué)機(jī)制研究。

第一作者：劉曉光(1990-)，男，碩士，主要從事運動健身與疾病康復(fù)的生物學(xué)機(jī)制研究。

人體的衰老表現(xiàn)為肌肉質(zhì)量和數(shù)量減少，肌力下降，骨基質(zhì)減少，骨密度降低，骨骼變的脆而薄，大腦記憶等功能減退，視聽覺能力減弱，心臟收縮力量下降，心輸出量減少等〔1～4〕。最新的研究表明生長分化因子(GDF)11可以逆轉(zhuǎn)增齡引起的骨骼肌功能紊亂〔5〕，逆轉(zhuǎn)因增齡引起的心臟肥大〔6〕，改善大腦的脈管系統(tǒng)和神經(jīng)發(fā)生能力，使大腦年輕化〔7〕，促進(jìn)成骨細(xì)胞的形成，抑制骨質(zhì)疏松等〔8〕。目前國外對GDF11延緩衰老作用的研究大多是從單一角度進(jìn)行的。本文將國外關(guān)于GDF11延緩衰老方面的最新進(jìn)展加以梳理，使之系統(tǒng)化，為老年人健康促進(jìn)提供理論支持。

1GDF11的結(jié)構(gòu)與表達(dá)

1.1GDF11的結(jié)構(gòu)GDF11也叫骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP11)，人體GDF11蛋白包括407個氨基酸，大鼠有405個，都具有BMP家族成員的特征，有分泌型信號肽序列，有一個RXXR蛋白酶剪切位點，羧基末端有高度保守的半胱氨酸殘基，C末端有9個半胱氨酸殘基〔9〕。GDF11包含3個外顯子和2個內(nèi)含子，GDF11羧基端成熟區(qū)肽鏈有111個氨基酸〔10〕。GDF11和肌生成抑制蛋白(MSTN/GDF8)非常相似，他們來源于同一個祖先基因，在羧基末端有90%的氨基酸序列相同〔9〕。GDF11最先作為前體蛋白表達(dá)，然后經(jīng)蛋白酶水解，才能生成GDF11蛋白與GDF11前肽〔11,12〕。GDF11屬于轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)-β超家族中的一員,TGF-β超家族包括50多種結(jié)構(gòu)相關(guān)的分泌蛋白，在細(xì)胞的增殖、分化和維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的過程中發(fā)揮著重要的作用。

1.2GDF11的表達(dá)小鼠GDF11基因的表達(dá)非常豐富，在脾臟中的表達(dá)量最高，它廣泛存在于肌肉、腦、腎臟、腸胃、胰腺、尾芽、牙髓、神經(jīng)組織、嗅覺上皮等〔5,6,9,13〕。Gamer等〔9〕發(fā)現(xiàn)在胚胎發(fā)育的過程中，小鼠的胚胎原位雜交發(fā)現(xiàn)GDF11的轉(zhuǎn)錄主要在三個地方，尾芽、四肢和脊背神經(jīng)組織，另外在腎臟中也可以檢測到GDF11的強(qiáng)烈表達(dá)。GDF11在胚胎期大腦和成體大腦中都表達(dá)，包括在丘腦、海馬、紋狀體、視前區(qū)、下丘的外層、中腦腹部的各種核團(tuán)及后腦前部都可檢測到GDF11〔13〕。在小鼠視網(wǎng)膜的發(fā)育過程中，GDF11的表達(dá)始于胚胎期，這時的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(RGCs)剛剛開始分化。從此時起至出生后第1天，整個視網(wǎng)膜區(qū)域內(nèi)均可檢測到GDF11的表達(dá)〔14〕。Jeanplong〔15〕發(fā)現(xiàn)在小鼠腓腸肌快速增長期，GDF11的表達(dá)量明顯升高。此外他還發(fā)現(xiàn)GDF11存在性別的差異性，其中雄性小鼠高于雌性小鼠。GDF11存在種屬間的差異性，其中小鼠GDF11水平明顯高于人類，斑馬魚體內(nèi)GDF11水平明顯的大于哺乳動物〔16〕。GDF11的表達(dá)有年齡的差異性，研究發(fā)現(xiàn)小鼠和人體GDF11的水平在老年時明顯低于年輕時的水平〔8〕。

2GDF11對老年心臟的影響

2.1GDF11可逆轉(zhuǎn)增齡引起的心臟肥大心臟是人體最重要的器官之一，主要負(fù)責(zé)提供血液流動的動力，使其流向全身各處。但是隨著年齡的增長，心臟的功能也在減退，可能出現(xiàn)增齡性心肌肥大，使心肌收縮功能受損，甚至危及生命〔3,17〕。

Loffredo等〔6〕通過外科手術(shù)將兩個小鼠連接在一起，使他們的血液能夠相互循環(huán)，叫做異種同生〔18〕。如果這一對小鼠是相同年齡，那么他們叫做異種同時共生，如果是不同的年齡，就叫做異時異種共生。經(jīng)過4w后發(fā)現(xiàn)，異時異種共生的老齡鼠和同時異種共生的老齡鼠相比心臟質(zhì)量/脛骨長度明顯變小，心肌細(xì)胞明顯變小，心房利鈉肽(ANP)和腦鈉素(BNP)在心臟的轉(zhuǎn)錄水平明顯降低，而心肌漿網(wǎng)鈣ATP酶(SERCA-2)轉(zhuǎn)錄水平明顯較高〔19，20〕。他們認(rèn)為可能是年輕小鼠的某種系統(tǒng)因子抑制老年鼠心臟的肥大。隨后他們發(fā)現(xiàn)老年小鼠和年輕小鼠相比機(jī)體GDF11的水平下降。異時異種共生的老齡鼠比異種同時共生的老齡鼠機(jī)體GDF11的水平高,且機(jī)體GDF11的水平隨著老年人不斷的衰老而持續(xù)下降。他們猜測可能是系統(tǒng)因子GDF11在對老年心臟起作用。于是他們給23個月的高齡小鼠注射rGDF11或者生理鹽水，30d后發(fā)現(xiàn)，心臟重量和脛骨長度的比值明顯比注射生理鹽水的低，標(biāo)志心臟肥大的分子明顯比注射生理鹽水組增高。這個結(jié)果和異時異種共生老齡鼠表現(xiàn)一致。這就表明，恢復(fù)機(jī)體GDF11水平，可以明顯改善老年鼠心臟肥大，恢復(fù)老年鼠機(jī)體GDF11的水平可以延緩增齡引起的心臟肥大，因此GDF11作為預(yù)防和治療增齡引起的老年人心臟肥大的藥物具有很高的應(yīng)用前景。

2.2心臟功能改善的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)心肌細(xì)胞是組成心臟的基礎(chǔ)。Loffredo等〔6〕實驗發(fā)現(xiàn)GDF11可以直接作用于心肌細(xì)胞，抑制叉頭狀轉(zhuǎn)錄因子的磷酸化。他們用亮氨酸滲入法培養(yǎng)新生的心肌細(xì)胞，在血清饑餓后，新生的小鼠心肌細(xì)胞用3種不同濃度的rGDF11或者M(jìn)STN處理24h，接著用3H標(biāo)記亮氨酸和苯福林處理24h。發(fā)現(xiàn)加入50nmol/L的rGDF11和苯福林誘導(dǎo)的3H亮氨酸混合液抑制了心肌細(xì)胞分化，但是用相同濃度的MSTN處理并不能產(chǎn)生相同的結(jié)果。心肌細(xì)胞用無血清培養(yǎng)基培養(yǎng)15min，或者用含有rGDF11或者M(jìn)STN的培養(yǎng)基激活。GDF11和MSTN激活細(xì)胞表現(xiàn)為Psmad2和Psmad3大幅度增加，和激活TGF-β途徑一致，抑制了叉頭狀轉(zhuǎn)錄因子的磷酸化。而且組織學(xué)研究發(fā)現(xiàn)GDF11存在于相鄰的心肌細(xì)胞間的閏盤〔21,22〕。

3GDF11對老年大腦的影響

3.1GDF11可改善老年大腦脈管系統(tǒng)和神經(jīng)再發(fā)生能力老年人大腦的功能會下降，可出現(xiàn)大腦動脈血管硬化，供血不足〔4〕、神經(jīng)元數(shù)量降低，神經(jīng)系統(tǒng)功能衰退等等，使肢體反應(yīng)遲鈍〔23〕。

Katsimpardi等〔7〕發(fā)現(xiàn)與同時異種聯(lián)體共生的老年小鼠相比，異時異種聯(lián)體共生的老年小鼠大腦神經(jīng)干細(xì)胞再生能力和脈管系統(tǒng)都得到改善，促進(jìn)了嗅覺神經(jīng)發(fā)生，并且提高了嗅覺能力。而且發(fā)現(xiàn)注射GDF11的老齡鼠血管容量比注射PBS的老齡鼠增加了50%。

3.2老年大腦脈管系統(tǒng)和神經(jīng)再發(fā)生能力改善的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)GDF11改善老年大腦脈管系統(tǒng)功能可能與血管內(nèi)皮細(xì)胞有關(guān)。體外實驗證明，GDF11可作用于大腦毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞，或者至少可部分作用于毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞。Katsimpardi等〔7〕發(fā)現(xiàn)，用rGDF11作用于內(nèi)皮細(xì)胞,可激活這些細(xì)胞TGF-β信號通路，表現(xiàn)為SMAD級聯(lián)磷酸化增加。然后用rGDF11(40ng/ml)作用于初級的大腦毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)rGDF11可促進(jìn)大腦毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖。Katsimpardi等〔7〕的研究表明，GDF11能夠直接作用于大腦毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞，并促進(jìn)毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞的增殖，改善老年大腦的脈管系統(tǒng)，還能在一定程度上修復(fù)增齡引起的神經(jīng)發(fā)生功能損害。

4GDF11對老年骨骼肌的影響

4.1GDF11可改善增齡引起的骨骼肌功能紊亂肌肉對維持人體穩(wěn)定性和提供人類運動所需的動力發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，而且肌肉組織占人體體重的大部分。隨著年齡的增加，肌肉的機(jī)構(gòu)和功能會發(fā)生改變，表現(xiàn)為肌肉質(zhì)量和肌纖維數(shù)量減少，肌纖維向I型肌纖維轉(zhuǎn)化，肌肉中線粒體的數(shù)量減少，功能紊亂〔1〕。肌衛(wèi)星細(xì)胞的數(shù)量減少，功能下降〔24〕，從而影響老年人骨骼肌再生能力。

哈佛大學(xué)的Sinha教授發(fā)現(xiàn)，恢復(fù)老年小鼠機(jī)體GDF11的水平可以逆轉(zhuǎn)因增齡引起的骨骼肌功能紊亂〔5〕。他們給小鼠注射rGDF11，28d后低溫凍傷脛骨前肌，然后連續(xù)7d注射rGDF11。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)充rGDF11的老齡鼠的損傷肌肉中，再生肌纖維的數(shù)量和橫斷面積與對照組相比均增加。但在老年未損傷組，補(bǔ)充5wrGDF11，并未引起年輕和老年未損傷鼠肌纖維橫斷面積的增加。而且實驗發(fā)現(xiàn)，用rGDF11治療的老年鼠的耐力和握力明顯比未接受rGDF11的老年鼠提高。40min劇烈運動后他們表現(xiàn)出清除機(jī)體乳酸的能力有所提高，和較低的血糖水平。

4.2骨骼肌功能改善的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)骨骼肌損傷的修復(fù)主要與肌衛(wèi)星細(xì)胞有關(guān)〔25,26〕，GDF11對老年鼠骨骼肌的影響可能與肌衛(wèi)星細(xì)胞有關(guān)。Sinha等〔5〕給老年鼠注射重組rGDF11,4w后用流式細(xì)胞術(shù)檢測肌衛(wèi)星細(xì)胞。發(fā)現(xiàn)肌衛(wèi)星細(xì)胞的數(shù)量與注射前相比明顯增加，且提高了DNA的完整性，但年輕小鼠則無此顯著變化。體外用rGDF11培養(yǎng)老年肌衛(wèi)星細(xì)胞發(fā)現(xiàn)多細(xì)胞核的肌管數(shù)量增加，線粒體的數(shù)量增多，功能增強(qiáng)。這說明恢復(fù)老年機(jī)體GDF11水平可以直接或者間接對肌衛(wèi)星細(xì)胞起作用，使肌衛(wèi)星細(xì)胞的數(shù)量增加?；謴?fù)機(jī)體的GDF11水平還能夠改善線粒體的功能與結(jié)構(gòu)，提高肌肉的持久性和耐力。但并非所有研究都認(rèn)為GDF11可改善骨骼肌功能，如Jeanplong〔15〕發(fā)現(xiàn)GDF11可以通過自分泌或者旁分泌的形式抑制成肌細(xì)胞的分化，發(fā)揮著和MSTN相似的功能。表明GDF11在骨骼肌具有多重功能，對它的研究還有待進(jìn)一步深入。

5GDF11對老年骨質(zhì)的影響

5.1GDF11可促進(jìn)成骨細(xì)胞形成，抑制老年鼠骨質(zhì)疏松隨著年齡的增加，老年人骨的骨質(zhì)丟失，容易引起骨質(zhì)疏松〔2〕。骨質(zhì)疏松在老年人群中屬于多發(fā)性疾病，會嚴(yán)重影響老年人的生活質(zhì)量，并且增加死亡率〔27〕。老年人骨質(zhì)疏松大部分是因為年齡的增加而引起的，主要表現(xiàn)為骨質(zhì)減少，骨強(qiáng)度變低，骨的脆性增大〔28〕。

Zhang等〔8〕研究發(fā)現(xiàn)患有骨質(zhì)疏松的患者機(jī)體GDF11的水平較正常人低，小鼠模型中也是這樣。隨著老年化的進(jìn)行，在血漿和骨髓中GDF11水平急劇下降，獲得骨質(zhì)疏松的概率增加。藥理學(xué)補(bǔ)充GDF11，恢復(fù)機(jī)體GDF11水平，GDF11能夠促進(jìn)過氧化物酶體增生物激活受體(PPAR)-γSUMO化修飾，抑制了PPAR-γ的活性，使骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化，成骨細(xì)胞數(shù)量顯著增加，抑制了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞形成脂肪。

5.2骨質(zhì)改善的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)Zhang等〔8〕用DMI做脂肪分化分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過GDF11作用，抑制了MDI混合液脂肪的分化，減少了脂肪特異性基因的表達(dá)。他們發(fā)現(xiàn)通過GDF11作用能夠提高PPAR-γ的SUMOylation的水平〔29〕。他們發(fā)現(xiàn)通過GDF11作用能夠抑制PPAR-γ作為一個轉(zhuǎn)錄因子的活性，因為GDF11過度表達(dá)抑制了PPAR-γ誘導(dǎo)激活293Tcell中的ACC和FABP4使他們的表達(dá)下降。因此GDF11通過促進(jìn)PPAR-γSUMOylation抑制PPAR-γ的活性，進(jìn)而抑制了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化成脂肪，促進(jìn)成骨細(xì)胞的形成，延緩了骨質(zhì)疏松。

6總結(jié)

GDF11在體內(nèi)發(fā)揮了多重生物學(xué)作用：GDF11可作用于心臟，延緩增齡引起的心臟肥大，提高老年鼠心臟功能；作用于大腦毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞，可改善大腦的脈管系統(tǒng)和神經(jīng)發(fā)生能力；作用于骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞，可促進(jìn)老年鼠肌衛(wèi)星細(xì)胞的增殖，提高老年鼠的握力和耐力；作用于骨骼，可促進(jìn)成骨細(xì)胞的發(fā)生，抑制脂肪細(xì)胞的形成，延緩骨質(zhì)疏松。因此，GDF11在衰老組織器官的修復(fù)方面能夠發(fā)揮非常重要的作用，在老年人健康促進(jìn)方面具有極好的應(yīng)用價值?？梢怨烙?，GDF11將成為下一步科學(xué)研究的新熱點，隨著對它研究的深入，GDF11將為人類在抗衰老和治療因衰老相關(guān)的疾病方面提供新思路、新策略。

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〔2015-01-11修回〕

(編輯滕欣航)