GFRAL:前景可期的代謝靶點,改善肥胖或癌癥相關厭食/惡病質綜合征(CACS)

瀏覽次數:74      日期:2021-10-22 09:56:32

根據世界衛生組織的統計,全球大約有四億人是肥胖癥患者,而且這一數字還在增長。全球確診癌癥患者數量達1930萬。每年,上萬人遭受腫瘤誘發的癌癥相關厭食/惡病質綜合征(Cancer-Related Anorexia/Cachexia Syndrome,CACS)。然而,目前針對腫瘤惡病質的治療幾乎是空白。2017年10月,科學家們首次鑒定出GFRAL為GDF-15的受體,并且證明GFRAL/GDF-15介導的信號通路可減少機體的食物攝入量,進而能夠改善代謝相關性疾病。最近的研究還表明,GFRAL可能是治療腫瘤患者惡病質的靶點。GFRAL作為新興的潛力靶點,有望為干預肥胖癥或改善癌癥誘發的厭食癥提供啟發。那么,GFRAL及其配體介導的信號通路是什么?GFRAL與哪些疾病相關以及其靶向治療的潛在價值如何?今天,我們一起來了解一下。

1、GFRAL的結構和表達

GDNF-family receptor α-like,GFRAL(也稱為GRAL)屬于膠質細胞源性神經營養因子(Glial Cell Line Derived Neurotrophic Factor,GDNF)家族α樣受體。GFRAL基因定位于人6號染色體,含有9個外顯子,且存在可變剪切體。GFRAL是一種I型跨膜蛋白,分子量約為44 kDa [1]。如圖1所示,全長GFRAL蛋白由395個氨基酸殘基組成,C-末端有20-30個可伸縮的疏水性氨基酸,N-末端存在一個信號肽。GFRAL蛋白通過糖基磷脂酰肌醇(GPI)錨定在細胞膜上 [1-3]。GFRAL作為一種單次跨膜蛋白,GFRAL位于細胞內的結構域較短,缺乏向細胞內傳導信號的能力?,F有研究發現,GFRAL特有的疏水口袋可介導GFRAL和特異性配體GDF-15之間的相互作用 [1-3]。GFRAL受體結合配體,且在酪氨酸激酶輔助受體RET協助下,介導下游信號的傳導,從而發揮生物學作用 。

GFRAL結構示意圖

圖1. GFRAL結構示意圖

*圖片來源于Annual Review of Physiology出版物 [1]

GFRAL局限地表達于小鼠腦干最后區以及孤束核的神經細胞上。GFRAL最高表達僅限于腦干后區的大腦。越來越多的數據表明,GFRAL的激活可調節新陳代謝,降低體重,改善血糖,將可用于嚴重肥胖、2型糖尿病以及厭食/惡病質治療 [4]。近年研究表明GFRAL介導的信號機制與癌癥相關。GFRAL或可作為潛在病變初始階段的生物標志物,用于諸多疾病的診斷、治療和療效評估。

2、GFRAL的配體

GFRAL最近被鑒定為配體GDF-15分子的受體,兩者具有較高親和力,能夠特異性結合,介導控制能量攝入和能量代謝調節的生物學效應。GDF-15是轉化生長因子 β (transforming growth factor β,TGF-β)超家族的成員之一。GDF-15最初發現于活化的巨噬細胞中,亦被稱為巨噬細胞抑制性細胞因子-1(macrophage inhibitory cytokine-1,MIC-1) [5]。在生理狀況下,GDF-15在除胎盤組織以外的其他組織中不表達或者少量表達。然而,在病理狀況下,GDF-15作為一種應激反應性細胞因子,在多種疾病中高表達,與許多生物學過程和疾病有關,包括肥胖,心血管疾病,炎癥反應和自身免疫疾病以及癌癥 [6]。

早期,GDF-15由于缺乏其確定的受體,其生物學功能的深入研究受到了限制。然而受體GFRAL的發現為肥胖等代謝相關疾病的治療提供了新的思路。有研究提示,GFRAL與GDF-15共同作用改善肥胖癥。陸續有實驗表明,GFRAL與GDF-15可結合神經元表面的受體酪氨酸激酶RET形成復合物共同介導的下游信號的反應,打開身體能量代謝通路,參與許多病理生理過程 [4-6]。

3、GFRAL介導的信號通路機制

GFRAL通過結合GDF-15,激活GDF-15的活性。GFRAL/GDF-15再結合RET,介導下游的通路。也就是說GDF-15通過GFRAL依賴結合成多聚體,誘導一系列復雜的細胞內信號傳導途徑。目前,研究者對GFRAL/GDF-15或GFRAL/GDF-15/RET軸的生理功能在人類疾病中的作用和認識仍處于初級階段,許多關鍵問題仍未得到解答。

現有的證據已明確GDF-15與GFRAL結合是募集RET的必要條件。同時,GFRAL/GDF-15發揮活性的基礎依賴同RET結合成三聚體,進而傳導信號。但GFRAL/GDF-15/RET信號傳導的具體機制以及進一步生理作用尚待確定。如圖2所示,綜合應激反應(ISR)誘導人和小鼠的GDF-15應激性高表達,與后腦干產生的GFRAL和循環中的RET結合,形成三聚體 [1]。三聚體激活多個下游通路,在不同組織和器官中發揮生物效應。識別這些作用并確定它們是否能解釋先前歸因于GDF-15外周作用的一些表型,將為GFRAL/GDF-15/RET軸在人類疾病中的作用機制提供進一步的見解。

GFRAL/GDF-15信號通路機制

圖2. GFRAL/GDF-15信號通路機制

*圖片來源于Annual Review of Physiolog出版物 [1]

4、GFRAL在肥胖癥和CACS等疾病中的作用

盡管GFRAL和配體GDF-15之間的復雜機制尚未明確,但GFRAL與GDF-15結合RET,形成的GFRAL/GDF-15/RET復合物,可激活胞內信號通路,參與調節新陳代謝。越來越多的研究發現,GFRAL有望作為嚴重肥胖 [7]、厭食癥 [8]、腫瘤相關惡病質 [9] 治療的潛在靶標。

肥胖癥是一種由于營養物質過剩導致體內脂肪堆積而引起的代謝性疾病,與糖尿病、心臟病等一系列疾病相關。有研究者們分析了GDF-15對小鼠攝食量的影響,通過GFRAL基因敲除小鼠和普通實驗小鼠的實驗中發現,在缺乏GDF-15刺激時,敲除GFRAL與否對小鼠的攝食與體重并不產生明顯影響。當在GDF-15刺激的條件下,攜帶GFRAL基因的野生型小鼠的攝食與體重明顯降低。實驗證實GFRAL對肥胖癥的作用是GDF-15所介導的,也證明了GFRAL同樣對肥胖癥和能量代謝起舉足輕重的作用 [10]。此外,在野生型小鼠中,口服二甲雙胍增加循環中的GDF-15,可預防野生型小鼠高脂飲食引起的體重增加,但對缺乏GDF-15或其受體GFRAL的小鼠中不起作用。并在高脂飲食的肥胖小鼠中,二甲雙胍減輕體重的作用被GFRAL拮抗劑抗體逆轉 [10, 11]。由此說明,GDF-15與GFRAL結合可以激活下游能量代謝信號通路,起到提高代謝水平、降低體重的作用。因此,針對GDF-15與GFRAL互相作用機制的研究,有望為肥胖癥治提供更多的可能性。

最新的研究發現,GFRAL/GDF-15/RET信號通路的激活,可引起惡心和嘔吐,進而誘導厭食。在鼩鼱和大鼠中進行的實驗發現,通過GDF-15外源性給藥,GDF-15/GFRAL信號傳導可引起厭食癥發作前出現的嘔吐和惡心行為 [12]。另有研究分析,持續營養過剩引起的“營養應激”會導致循環GDF-15水平升高,從而向大腦發出令人厭惡的內分泌信號 [13]。

GFRAL/GDF-15通路在癌癥相關厭食或惡病質綜合征,以及腫瘤方面也有一定的潛力。一方面,癌癥相關厭食或惡病質綜合征是指腫瘤患者在患病過程中不可控制的體重減輕,其癥狀包括厭食,肌肉量和脂肪組織減少引起的體重減輕。增加這類患者的體重則能顯著改善腫瘤患者的存活率。研究人員發現,GFRAL受體拮抗單克隆抗體可抑制共表達RET和GFRAL的細胞中GDF-15誘導的信號轉導。在小鼠模型中,該抗體給藥可防止腫瘤誘導的體重減輕 [14]。另一方面,GDF-15/GFRAL通路與腫瘤相關,比如,在胰腺癌細胞中,有研究指出,胰腺導管腺癌細胞能夠自分泌分化生長因子GDF-15,作用于胰腺癌細胞自身膜上GFRAL受體,通過GDF-15/GFRAL信號通路,促進胰腺癌細胞增殖及侵襲轉移 [15]。但GFRAL/GDF-15在腫瘤中的具體作用仍未闡明,部分研究認為在腫瘤早期,GFRAL/GDF-15可能抑制腫瘤;然而在腫瘤中后期,GDF-15/GFRA卻可能促進腫瘤 [1]。由此看出,GFRAL在腫瘤方面的調控極有可能是雙面性的,正如硬幣的正反面一樣,GFRAL/GDF-15在疾病中的機制和治療作用,還需開展更深入而精準的研究。

5、靶向GFRAL的臨床應用前景

隨著GFRAL作為GDF-15的受體被發現,其介導的信號參與調控肥胖及改善癌癥引起的惡病質綜合征等功能逐步被揭示。一方面,GFRAL/GDF-15信號是人體內存在的天然應激通路,具有較高的安全性。另一方面,在細胞毒性化療、癌癥和其他嚴重全身疾病的背景下,GFRAL/GDF-15的升高很可能積極參與了惡心、嘔吐和惡病質綜合征的發病。大量的證據表明,GFRAL與GDF-15在部分疾病引起的病理性預警中扮演著重要的角色,尤其是肥胖癥,使得GFRAL/GDF-15正成為潛在疾病的生物標志物。

GFRAL作為一個新的潛力靶標分子,目前暫無靶向GFRAL的臨床在研藥,但已有若干靶向GDF-15的藥物處于臨床階段。無論如何,GFRAL在代謝中的重要作用將給未來研究帶來新的啟迪,是否可能通過注射外源性的GFRAL治療代謝相關疾病,如肥胖,厭食癥,糖尿病等,這些都需要進一步探索。僅管GFRAL/GDF-15信號通路已有諸多研究報道,但在不同疾病中的機制有待進一步闡明。因此,GFRAL用于代謝綜合征的診斷和治療之前,需更加全面的了解GFRAL/GDF-15信號機制以及GFRAL在代謝紊亂中扮演的積極或消極作用。從而進一步研發以GFRAL為靶點,兼顧安全與療效的治療措施。

參考文獻:

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