李蓮, 鄧霞, 袁國躍, 楊玲

(江蘇大學(xué)附屬醫(yī)院內(nèi)分泌代謝病科,江蘇 鎮(zhèn)江 212001)

纖維連接蛋白Ⅲ型結(jié)構(gòu)域包含蛋白4(fibronectin type Ⅲ domain-containing protein 4, FNDC4)最初于2002年通過高通量基因組測序分析發(fā)現(xiàn),并因存在Ⅲ型纖維連接蛋白結(jié)構(gòu)域而命名為Ⅲ型重復(fù)序列蛋白1(fibronectin type Ⅲ repeat containing protein 1, FRCP1),在胚胎發(fā)育中發(fā)揮重要作用[1]。然而,直到2016年才發(fā)現(xiàn)FNDC4能夠分泌細胞外N端纖維連接蛋白Ⅲ型結(jié)構(gòu)域(sFNDC4),通過影響巨噬細胞的吞噬、存活、炎癥因子分泌以及細胞極化的狀態(tài)在炎癥性腸病中發(fā)揮抗炎作用[2]。近年來sFNDC4在多種疾病中的作用逐漸被發(fā)現(xiàn),特別是在糖脂代謝疾病中的積極效應(yīng)使其成為新的治療靶點。本文就FNDC4的發(fā)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)、分布和其在各種疾病中的作用及機制進行綜述,旨為糖脂代謝相關(guān)代謝性疾病、炎癥性腸病以及骨質(zhì)疏松癥等多種疾病的治療提供理論依據(jù)。

1 FNDC4的結(jié)構(gòu)和分布

FNDC4的基因最初于2002年由Teufel等命名為FRCP1,以含有纖維連接蛋白Ⅲ型結(jié)構(gòu)域為特征,與FRCP2即FNDC5共同被發(fā)現(xiàn)[1]。FNDC4屬于Ⅰ型跨膜蛋白,是纖維連接蛋白型結(jié)構(gòu)域蛋白家族的成員,該蛋白家族包括FNDC 1-5型 ,由信號肽、纖維連接蛋白Ⅲ型結(jié)構(gòu)域、C端胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域和疏水性跨膜結(jié)構(gòu)域組成[2]。其中FNDC4和FNDC5的N端胞外纖維連接蛋白Ⅲ型結(jié)構(gòu)域被水解并分泌到血液中發(fā)揮生物學(xué)功能,即sFNDC4和鳶尾素,兩者的氨基酸同源性高達57%。FNDC4在哺乳動物物種間高度保守,人和小鼠同源性高達100%。

FNDC4在肝臟和腦中高度表達,在骨骼肌、心臟、肺、腎臟、睪丸、脂肪等其他組織中低表達,而在巨噬細胞中幾乎不表達。肝臟FNDC4 轉(zhuǎn)錄水平的降低導(dǎo)致小鼠循環(huán)在血清中的sFNDC4水平相應(yīng)減少,表明肝臟是sFNDC4的主要來源[3]。關(guān)于sFNDC4受體的研究目前尚少,在脂肪細胞中G蛋白偶聯(lián)受體116(G protein-coupled receptor 116,GPR116)是sFNDC4的功能性受體,激活G蛋白-cAMP-PKA通路可促進葡萄糖攝取,并參與脂代謝[3]；在牛骨髓間充質(zhì)干細胞中篩選出整合素β1為sFNDC4的受體,兩者相互作用促進骨骼肌源性衛(wèi)星細胞的分化和遷移；而在小鼠成肌細胞(C2C12)中sFNDC4與低密度脂蛋白相關(guān)受體6相互作用,促進肌源性分化和修復(fù)[4-5]；巨噬細胞中尚未明確相關(guān)受體。

2 FNDC4在多種疾病中的作用及機制

2.1 FNDC4與炎癥性腸病

炎癥性腸病以腸道免疫功能過度活躍和失調(diào)為特征,巨噬細胞在其中發(fā)揮重要作用[6]?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn),FNDC4能夠調(diào)節(jié)巨噬細胞的功能和極化狀態(tài),改善炎癥性腸病的炎癥；FNDC4在人炎癥性腸病炎癥部位表達升高,主要分布在腸上皮細胞和富集免疫細胞的淋巴組織,且與炎癥指標呈正相關(guān)；注射重組FNDC4蛋白干預(yù)右旋糖酐硫酸鈉誘導(dǎo)的結(jié)腸炎小鼠模型后,發(fā)現(xiàn)腸道炎癥明顯改善,其疾病活動指數(shù)評分降低,結(jié)腸長度縮短程度減少,炎癥因子表達下降,評估結(jié)腸炎嚴重程度的組織病理學(xué)評分也明顯降低,提示FNDC4可明顯改善小鼠結(jié)腸炎的嚴重程度[2,7]。

Bosma等[2]進一步研究明確,FNDC4與巨噬細胞/單核細胞強特異性結(jié)合,部分可以通過JNK/STAT3通路,使STAT3 DNA與細胞因子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制因子3(suppressors of cytokine signaling 3, Socs3)啟動子區(qū)域結(jié)合,促進其下游靶基因Socs3表達升高,從而調(diào)節(jié)巨噬細胞如下功能:① 通過抑制造血細胞激酶、CD36等吞噬相關(guān)基因的表達抑制巨噬細胞的吞噬功能。② 抑制C-C配體3、C-C配體4和C-C配體10等促炎性趨化因子調(diào)節(jié)巨噬細胞細胞因子的分泌。③ 增強巨噬細胞的存活。此外,FNDC4能夠調(diào)節(jié)巨噬細胞的極化使其處于相對靜止、抗炎的狀態(tài)。巨噬細胞的表型和功能受周圍微環(huán)境的調(diào)節(jié),其表型主要分為兩種:M1型,在機體受到感染過程中被脂多糖極化后促進炎癥,分泌IL-1β, IL-6, IL-12, IL-23 和腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)等促炎因子[8]；M2型,具有抗炎和免疫調(diào)節(jié)功能,參與炎癥相關(guān)損傷的修復(fù)過程,被Th2細胞因子(IL-4、IL-13)極化后分泌IL-10 和TGF-β等抗炎因子。然而,FNDC4干預(yù)脂多糖或IL-4誘導(dǎo)的M1、M2巨噬細胞后各表型的標志物表達降低,提示FNDC4抑制巨噬細胞的功能并非是通過促進M1向M2表型的轉(zhuǎn)化,而是在受到刺激時使巨噬細胞處于抗炎、靜止的狀態(tài),從而在炎癥性腸病中發(fā)揮抗炎作用。

2.2 FNDC4與肥胖癥

肥胖是機體能量攝入長期超過消耗量,導(dǎo)致體內(nèi)脂肪積聚過多和(或)分布不均的疾病,其營養(yǎng)攝入過多促進脂肪細胞的脂質(zhì)合成,脂肪細胞數(shù)目增多。現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)FNDC4通過直接參與脂肪細胞的脂代謝從而影響肥胖相關(guān)的病理生理狀態(tài)[3,9-10]。Frühbeck等[9]研究顯示,病態(tài)肥胖人群血清FNDC4濃度比健康人群低,而對應(yīng)的內(nèi)臟脂肪組織和皮下脂肪組織中FNDC4表達升高,且與體重、BMI和體脂等水平呈正相關(guān)。作者進一步研究表明,FNDC4以GPR116為受體,通過下調(diào)過氧化物酶體增殖物激活受體γ2抑制人脂肪組織來源間充質(zhì)干細胞——血管基質(zhì)部分細胞分化為脂肪細胞,并下調(diào)下游靶基因脂肪酸結(jié)合蛋白4和脂聯(lián)素的表達抑制脂肪生成,從而降低三酰甘油的含量,抑制細胞內(nèi)脂質(zhì)的累積。這些結(jié)果提示在肥胖狀態(tài)下FNDC4總體水平降低,而在內(nèi)臟脂肪組織中反應(yīng)性升高,可部分抑制脂肪過度生成,從而改善過度脂質(zhì)累積所致慢性炎癥和胰島素抵抗等病理狀態(tài)。

脂肪組織在能量平衡和穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用,白色脂肪組織主要儲存能量,在特定刺激下經(jīng)歷褐變轉(zhuǎn)化為褐色脂肪,使能量平衡從儲存轉(zhuǎn)向消耗,從而有望成為肥胖的重要治療策略[11-12]。棕色脂肪組織通過解偶聯(lián)蛋白(uncoupling protein 1,UCP1)介導(dǎo)的ATP合成中氧化磷酸化的解偶聯(lián)促進能量的消耗,以線粒體中UCP1表達增加、多腔室脂滴的生成和線粒體數(shù)量的增加為特征。Frühbeck等[9]研究顯示,FNDC4干預(yù)人脂肪細胞后促進適應(yīng)性產(chǎn)熱標志物UCP1蛋白的表達,并上調(diào)棕色和褐色脂肪細胞標志物PR結(jié)構(gòu)域蛋白16(PR domain containing 16,PRDM16), 跨膜蛋白26(transmembrane protein 26,TMEM26), CD137和UCP1的轉(zhuǎn)錄水平；同時發(fā)現(xiàn)FNDC4干預(yù)后人脂肪細胞中線粒體DNA含量約增加2倍,提示FNDC4能促進脂肪細胞線粒體的生成和白色脂肪細胞的褐變,從而參與機體的能量代謝。

肥胖是2型糖尿病、非酒精性脂肪肝和心血管疾病的危險因素,與全身性慢性炎癥及胰島素抵抗等病理狀態(tài)密切相關(guān)[13-14]。檢測接受減重手術(shù)的肥胖人群術(shù)前和術(shù)后6個月的血清FNDC4水平,發(fā)現(xiàn)手術(shù)前后FNDC4水平無明顯變化,但其術(shù)前水平與全身炎癥指標C反應(yīng)蛋白呈正相關(guān),隨著肥胖相關(guān)代謝紊亂和炎癥改善,術(shù)后FNDC4水平與C反應(yīng)蛋白的相關(guān)性隨之消失,提示FNDC4可能通過抗炎作用參與肥胖相關(guān)代謝。在肥胖人群內(nèi)臟脂肪組織中FNDC4的表達與基質(zhì)血管成分細胞中的巨噬細胞泛標志物CD68表達呈負相關(guān),進一步提示FNDC4在肥胖人群中發(fā)揮抗炎作用[9]。由此表明,FNDC4水平與體脂、體重及全身炎癥狀態(tài)等肥胖相關(guān)因素密切相關(guān),可能成為改善肥胖相關(guān)代謝異常疾病的新的治療靶點。

2.3 FNDC4與2型糖尿病

胰島素抵抗是2型糖尿病的重要病理生理特征,其與脂毒性、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、線粒體功能障礙等密切相關(guān)?，F(xiàn)有研究提示FNDC4通過改善胰島素抵抗從而參與機體的糖代謝[15-16]。健康人群接受高脂飲食后隨著胰島素抵抗系數(shù)的增加血清FNDC4水平降低；長期注射長效重組FNDC4的高脂喂養(yǎng)小鼠葡萄糖耐量明顯改善,表明FNDC4水平與胰島素抵抗密切相關(guān)[3]。Nie等[17]研究也發(fā)現(xiàn),脂肪組織選擇性敲除GPR116的小鼠更容易受到高脂飲食誘導(dǎo)的糖耐量受損和胰島素抵抗的影響,且表現(xiàn)出循環(huán)三酰甘油水平升高,肝臟和骨骼肌異位脂質(zhì)增多,炎癥因子水平的升高,提示FNDC4-GPR116軸與全身胰島素抵抗密切相關(guān)。然而Georgiadi等[3]研究發(fā)現(xiàn),高脂喂養(yǎng)小鼠長期注射FNDC4后其肝臟、肌肉、脂肪組織重量以及三酰甘油含量無明顯改變,表明代謝組織中脂質(zhì)含量的變化不能完全解釋FNDC4對葡萄糖耐量的改善。為了研究sFNDC4影響胰島素抵抗的機制,作者進一步研究明確,sFNDC4與白色脂肪中的GPR116特異性結(jié)合,通過激活Gs-cAMP-PKA信號通路使cAMP反應(yīng)原件蛋白(cAMP-response element binding protein,CREB)磷酸化,促進胰島素的信號通路活化。另外,在胰島素刺激時串聯(lián)pAKT-pAS160-GLUT4通路,促進白色脂肪組織中的葡萄糖攝取,由此參與機體糖耐量的調(diào)節(jié)。

已知脂肪組織的胰島素抵抗與葡萄糖轉(zhuǎn)運、脂質(zhì)攝取和脂肪分解相關(guān),其中慢性炎癥與脂肪胰島素抵抗有著密切的聯(lián)系[18]。脂肪組織中活化的巨噬細胞通過趨化因子信號招募并釋放促進脂肪分解的細胞因子,如TNF-α、IL-6等,從而導(dǎo)致脂肪組織的胰島素抵抗。注射FNDC4的高脂喂養(yǎng)小鼠血清和脂肪組織中炎癥指標TNF-α和單核細胞趨化蛋白-1水平降低,且巨噬細胞浸潤減少[3]。Lee等[10]研究表明,棕櫚酸酯誘導(dǎo)的3T3-L1脂肪細胞胰島素抵抗模型中,sFNDC4的干預(yù)促進腺苷酸活化蛋白激酶磷酸化,增強核因子E2相關(guān)因子2(nuclear factor-E2-related factor 2, Nrf2)信號反應(yīng),使血紅素加氧酶-1(heme oxygenase-1,HO-1)表達增加,抑制核轉(zhuǎn)錄因子κB(nuclear factor κB, NF-κB)核移位和核轉(zhuǎn)錄因子κB抑制蛋白(inhibitor of nuclear factor κB,IκB)磷酸化,減少炎癥因子的表達。同時,HO-1的表達升高能夠抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激標志物肌醇需求酶1、真核細胞翻譯起始因子2a和 CCAAT增強子結(jié)合蛋白同源蛋白的表達,從而改善脂肪細胞的胰島素抵抗,參與機體的糖耐量調(diào)節(jié)。然而,FNDC4是否通過改善內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激參與胰島素抵抗尚有爭議。Georgiadi等[3]的實驗得出不同的結(jié)論,FNDC4干預(yù)棕櫚酸酯誘導(dǎo)3T3-L1脂肪細胞后不影響肌醇需求酶1蛋白的磷酸化,同時FNDC4的干預(yù)對高脂喂養(yǎng)小鼠白色脂肪中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激標志物和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)調(diào)控因子HO-1的轉(zhuǎn)錄水平無明顯改變,提示FNDC4并不參與脂肪細胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。兩種不同的結(jié)果可能與FNDC4的來源和劑量不同相關(guān)。因此,需要更多的實驗來探索FNDC4對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的效應(yīng),從而探究FNDC4是否進一步影響凋亡、應(yīng)激細胞的轉(zhuǎn)歸等與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)的病理生理過程。

現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn),健康受試者肝臟組織中FNDC4轉(zhuǎn)錄水平與空腹血糖和口服葡萄糖耐量試驗2 h的血糖水平呈負相關(guān)；與正常糖耐量、非肥胖的健康人群相比,糖耐量受損或胰島素耐量受損的肥胖人群和合并有2型糖尿病的肥胖人群肝臟組織中FNDC4轉(zhuǎn)錄水平下降,提示FNDC4水平與糖耐量和胰島素敏感性密切相關(guān)；另外,FNDC4干預(yù)不影響胰島素的分泌[3]。然而,在肥胖人群中,血糖正常組和糖耐量異常或2型糖尿病組血清FNDC4水平無明顯差異[9]。因此,需要進一步探索FNDC4是否直接參與糖原分解、糖異生等糖代謝,從而更深入了解FNDC4影響糖代謝的具體機制。

2.4 FNDC4與骨質(zhì)疏松癥

骨質(zhì)疏松癥以骨強度和骨質(zhì)量的降低為病理生理特征,造成骨脆性增加,容易發(fā)生骨折。其中,破骨細胞介導(dǎo)的骨吸收和成骨細胞介導(dǎo)的骨生成共同維持骨穩(wěn)態(tài)[19]。破骨細胞形成的過程中巨噬細胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor,M-CSF)和核因子κB受體活化因子配體(receptor activator for nuclear factor-κB ligand,RANKL)發(fā)揮重要作用。M-CSF負責(zé)維持破骨細胞前體細胞的增殖和存活,而RANKL通過激活其受體NF-κB受體激活劑(receptor activator for nuclear factor-κB,RANK)使破骨細胞前體分化為成熟破骨細胞。RANKL與RANK結(jié)合后,腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子6被招募,進而激活NF-κB通路,促進IκB磷酸化、泛素化和降解,使NF-κB因子自由轉(zhuǎn)移到細胞核調(diào)節(jié)破骨細胞分化相關(guān)基因的表達[20]。Lv等[21]研究顯示,FNDC4可延緩RANKL誘導(dǎo)的IκB降解,減少NF-κB p65的核移位,同時抑制CXCL10的生成,從而以劑量依賴的方式抑制RANKL誘導(dǎo)的破骨細胞的分化,抑制破骨細胞的骨吸收。因此,FNDC4作為破骨細胞形成的新調(diào)節(jié)因子,可能對骨質(zhì)疏松癥具有治療潛力。

肌肉和骨骼作為運動系統(tǒng)的重要組成部分,兩者的功能密切相關(guān)[22-23]。從機械角度來看,適當(dāng)?shù)臋C械刺激能夠促進骨生成,當(dāng)肌肉質(zhì)量及功能低下時體力活動減少從而影響骨密度；從內(nèi)分泌功能角度來看,肌肉作為體內(nèi)最大的內(nèi)分泌器官能夠分泌多種細胞因子,如鳶尾素、胰島素樣生長因子-1等調(diào)控骨代謝。Li等[4]研究表明,C2C12肌細胞分化過程中FNDC4和肌細胞分化標志物肌細胞生成素(myogenin,MYOG)逐漸升高,且FNDC4過表達后肌管融合率增加5倍,提示FNDC4促進肌細胞的分化與生成。同時在布比卡因誘導(dǎo)的小鼠肌肉損傷模型中,隨著肌纖維的再生FNDC4和MYOG的水平逐漸增加,修復(fù)為成熟肌纖維后恢復(fù)基線水平,提示FNDC4參與肌損傷的修復(fù)過程。作者進一步研究明確,FNDC4可通過磷酸化低密度脂蛋白相關(guān)受體6,激活經(jīng)典的Wnt/β-catenin信號通路,促進β-catenin表達和核移位,促進肌源性分化、肌管融合,參與肌損傷的修復(fù)。另外,細胞骨架銜接蛋白黏著斑蛋白通過調(diào)節(jié)樁蛋白和黏著斑激酶的相互作用影響細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶1/2活性,從而控制運動和存活[24]。Wang等[5]在牛骨髓間充質(zhì)細胞中的研究提示,sFNDC4與整合素β1相互作用,通過黏著斑蛋白影響?zhàn)ぶ呒っ?樁蛋白相互作用促進細胞遷移,從而參與肌源性衛(wèi)星細胞的遷移和分化。上述研究表明,FNDC4參與骨骼肌分化、形成和損傷的修復(fù),由此為骨骼肌減少及損傷等疾病提供新的治療方向。

2.5 FNDC4與腫瘤

Wang等[25]對接受肝臟切除術(shù)的205例肝細胞癌患者進行信息收集,包括腫瘤大小、TNM分期、分化程度、肝內(nèi)轉(zhuǎn)移、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移、微血管浸潤等病理,并術(shù)后隨訪5年,記錄了患者腫瘤復(fù)發(fā)和死亡情況。腫瘤組織免疫染色評分顯示,FNDC4的高表達與組織分化程度和微血管浸潤程度呈正相關(guān),且FNDC4高表達組的術(shù)后總生存期較短、復(fù)發(fā)率高,提示高水平FNDC4與肝細胞癌的不良預(yù)后密切相關(guān)；在體外研究中,慢病毒轉(zhuǎn)染的FNDC4過表達和TGF-β1誘導(dǎo)的內(nèi)源性FNDC4增加均促進HepG2和Huh-7等肝癌細胞的遷移和侵襲,干擾FNDC4表達可抑制其遷移和侵襲；在細胞實驗中進一步驗證,FNDC4過表達后的肝癌細胞中p-AKT 明顯升高,提示FNDC4通過PI3K/AKT通路參與肝癌細胞的遷移和侵襲。另外,GEO數(shù)據(jù)分析顯示,人類微衛(wèi)星不穩(wěn)定結(jié)直腸癌樣本(n=34)的數(shù)據(jù)集(GDS4515)中,受累及的結(jié)腸黏膜與未受累及的結(jié)腸黏膜相比FNDC4水平明顯降低,而其受體GPR116明顯升高[7]。上述結(jié)果提示FNDC4在不同腫瘤中的表達不盡相同,需要擴大臨床樣本提高可靠性。

3 總結(jié)

FNDC4作為一種新型肝臟因子,在調(diào)節(jié)炎癥、骨代謝、骨骼肌分化以及糖脂代謝等方面發(fā)揮積極的生物學(xué)效應(yīng),在糖脂代謝性疾病、炎癥性疾病以及骨質(zhì)疏松癥中發(fā)揮重要的功能。近年來多項研究顯示,sFNDC4在肝臟-脂肪內(nèi)分泌軸中傳遞信息,調(diào)節(jié)全身葡萄糖穩(wěn)態(tài),抑制脂質(zhì)合成,有望成為新型代謝性疾病的標志物和治療靶點。盡管FNDC4在多種系統(tǒng)疾病中取得了一定進展,但其具體機制尚未得到充分闡明,仍需進一步研究和完善。