GDF11在细胞增殖及细胞分化中的作用

张枫，保志军

1.复旦大学附属华东医院老年病科，消化内科，上海市老年医学临床重点实验室，上海200040；2.复旦大学附属华山医院老年病科，上海200040

2013年哈佛大学进行的连体共生实验让我们看到了逆 转衰老的希望[1]，连体共生实验是两种生物经外科手术腹侧皮肤切开血管缝合后成为共用血液循环的共生体，最早是由一位法国动物学家Paul Bert 于1864年首次描述[2]。2013年哈佛大学Loffredo 等进行了改良版连体共生实验，将青年小鼠（2月龄）及老年小鼠（23月龄）缝合形成连体共生系统，1 个月后他们发现连体共生的老年小鼠体力充沛，与对照组小鼠相比，增龄相关性心肌肥大出现缩小，不仅如此，心衰指标及心肌收缩力都有不同程度的恢复[1]。此外，Katsimpardi 等发现连体共生的老年小鼠海马区神经干细胞、神经祖细胞、新生神经元及血管内皮细胞数量均较对照组增多[3]。Rebo 等[4]发现与青年小鼠交换血液的老年小鼠肝纤维化和脂肪肝逐渐恢复。以上一系列实验说明与青年小鼠连体共生的老年小鼠，心肌、神经、肝脏等器官均出现逆龄性变化，那么是何原因导致这一惊人的抗衰老作用，经过比对青年小鼠及老年小鼠血液循环中的分子，人们将目光聚焦于在不同年龄组血液中含量相差最大的生长分化因子11（growth differentiation factor 11,GDF11），这是一种可以调控机体生长分化的蛋白质。而后专家学者们向老年生物体内注射GDF11，成功复制出了心脏、大脑等多器官的逆龄性改变[3,5-7]，这是令人惊喜的，说明GDF11具有抗衰老作用。

不仅动物实验，临床也发现在人类体内GDF11 随着年龄增长而逐渐上升，在中年期达到峰值，然后在老年期快速下降（18～29 岁774.8pg/mL、30～39 岁1176.7pg/mL、40～49 岁963.8pg/mL、50～59 岁177.4pg/mL、大于60 岁52.5pg/mL）[8]。并且Elliott 等发现GDF11 在长期运动的老年人体内更高，对比不运动的老年人，GDF11 在基线时就较高，并且运动后更高。他们测定了11 名终身锻炼的老年男性和13名终身久坐不动的老年男性在基线时和短期运动后GDF11的数值变化，基线时锻炼组对比不锻炼组（272.7pg/mL .70.7pg/mL）,运动后更高（305.0pg/mL .77.1pg/mL），并且短期运动可以使GDF11 升高[9]。适当运动是抗衰老机制之一，运动的人GDF11 升高，可以从侧面反映GDF11 与抗衰老之间具有相关性。但是GDF11 到底因什么机制逆转衰老，目前还是未知。为了寻找GDF11 抗衰老机制，本文对GDF11 相关论文进行综述，以期明确GDF11 功能以及可能的抗衰老机制。

目前对于GDF11 功能研究比较清晰的是促进组织发育，在神经发生过程中，脊髓祖细胞数量和增殖能力的降低发生在GDF11 表达和神经元分化的高峰期。在没有GDF11 的情况下，神经发生的进展被延迟，并且祖细胞在更长的时间内维持其增殖能力，导致产生更多的祖细胞[10]。由此，GDF11 的作用主要是抑制细胞增殖促进细胞分化，并且这是两个耦合的过程，GDF11 抑制细胞增殖是为了促进细胞分化。

1 GDF11 与细胞增殖

GDF11 在各系统有抑制细胞增殖的作用。在视网膜，Gdf11（-/-）小鼠视网膜神经节细胞增加50%；GDF11 抑制剂卵泡抑素（follistatin,FST）缺乏的小鼠Fst（-/-），相当于GDF11 过表达，视网膜神经节细胞减少26%；同时体外实验也出现同样结果，加入GDF11 培养的视网膜外植体神经节细胞减少[11]。在嗅觉神经元发育中，Gdf11（-/-）小鼠嗅觉受体神经元及其直接神经祖细胞数量增加，体外GDF11培养直接神经祖细胞，数量不像对照组那样成指数增长，而是没有变化[12]。在脊髓神经发育中，与对照组相比，Gdf11（-/-）祖细胞数量较多（27% .40%），并且12.5 d 时Gdf11（-/-）脊髓中分裂期祖细胞百分比较高，说明在没有GDF11情况下祖细胞增殖增加[10]。GDF11 在胰岛 细胞同样起抑制作用，Gdf11（-/-）小鼠胰岛前体细胞数量增加300%[13]。

GDF11 对于细胞增殖的抑制作用有以下几个特点：

1.1 GDF11 对于细胞周期的抑制是剂量依赖性的，并且是可逆的 在嗅觉神经元发育实验中，外源性应用GDF11 培养直接神经祖细胞，细胞停止增殖，细胞数量没有变化，去除一半GDF11 后，细胞再次出现增长，说明GDF11 对于细胞增殖的抑制作用是剂量依赖性的并且是可逆的[12]。

1.2 GDF11 抑制细胞增殖有选择性GDF11 并非作用于原始干细胞，而是作用于较成熟的多能干细胞或祖细胞[13]。体外，GDF11 完全但可逆地阻止直接神经祖细胞分裂，但它对原始神经干细胞的增殖没有影响，Gdf11（-/-）小鼠观察到的神经元数量的增加伴随着直接神经祖细胞的增加，但是Mash1+神经祖细胞或Sox2+神经干细胞数量不增加，说明GDF11 对于原始干细胞没有细胞增殖抑制作用。这些数据意味着GDF11 主要抑制中间阶段祖细胞的增殖[14]。

1.3 GDF11 抑制细胞增殖的机制GDF11 对于细胞周期的可逆性抑制是通过上调细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂p21Cip1/p27Kip1 使细胞周期停止于G1 期[12]。Gdf11（-/-）小鼠胰腺p21Cip1/p27Kip1 表达减少[13]。嗅觉神经培养物加入GDF11 观察p21Cip1/p27Kip1 免疫反应性的实验中，对照组仅有2.5%的神经元细胞显示出p21Cip1/p27Kip1 免疫反应性，相比之下，GDF11 处理的培养物中p21Cip1/p27Kip1 免疫反应性增加了5 倍以上（14.3% 2.5%），说明GDF11 会导致嗅觉神经细胞中p21Cip1/p27Kip1 表达的增加[15]。另一个实验中用GDF11siRNA 感染骨骼肌来源的干细胞后16 h，p21Cip1/p27Kip1 水平明显下调并与细胞周期蛋白依赖性激酶（cyclin-dependent kinase,CDK）2/4 活性增加一致，并且细胞周期蛋白D1 的蛋白质水平显著增加，说明GDF11 存在利用p21Cip1/p27Kip1 抑制细胞周期蛋白D1-CDK2/4 复合物，使细胞周期停滞于G1 期[16]。

2 GDF11 与细胞分化

很多研究发现GDF11 在神经、胰腺、血管等组织系统有促进细胞分化的作用。在小鼠视网膜神经节细胞刚刚分化并开始延长生长时，编码GDF11 的mRNA 在整个神经节细胞层上表达，说明GDF11 促进神经树突的分化；体外实验也得到相同结果，向解离的视网膜培养物中加入GDF11可以刺激体外神经节细胞树突起始分化[17]。在视网膜中，视网膜神经节细胞是视网膜神经发生过程中最早分化的细胞类型，其后还有棒状光感受器和无长突细胞等。缺乏GDF11 导致视网膜神经节细胞数量增加，但是这种增加是以减少晚期分化细胞棒状光感受器和无长突细胞为代价的[18]。说明GDF11 有抑制中间阶段祖细胞增殖，促进晚期成熟细胞分化的功能。在胰腺中缺乏GDF11 或GDF11 下游SMAD2的小鼠中，观察到与缺乏GDF11 膜受体类似的胰岛分化缺陷，包括 细胞发育不全和胰岛素合成受损[14]。在血管系统，给21～23月龄老年小鼠每天注射重组GDF11（0.1mg/kg），与PBS 处理的对照组小鼠相比，GDF11 处理组的血管体积增加了50%[3]。另外一个实验也证实GDF11 处理增加了内皮祖细胞体外萌芽形成[19]。

GDF11 细胞分化的促进功能有以下特点：

2.1 细胞分化的浓度依赖性 过高或过低浓度GDF11 都会抑制神经前体细胞分化，只有适当的浓度才可以激活祖细胞分化。在GDF11 体外刺激神经节细胞树突分化实验中观察到GDF11 剂量-反应曲线，低（1ng/mL）和高（100ng/mL）GDF11 浓度树突分化都没有显著变化，而10～50ng/mL 浓度显然刺激了树突分化[17]。在嗅觉神经分化体外实验中也有类似现象，在GDF11 含量较低的情况下（10ng/mL），高达75%直接神经祖细胞分化为嗅觉神经元细胞，但是在高浓度GDF11（60ng/mL）该比例下降至10%以下[14]。

2.2 GDF11 信号通路 SMAD 信号通路是GDF11 经典信号通路，GDF11 是细胞外信号分子，需要通过细胞膜上的受体将信号传导入细胞内，SMAD 是GDF11 的胞内信使,通过将GDF11 的信号传递进细胞核，指导某些基因的转录和翻译，调控细胞功能[20]。SMAD 是转录激活因子，结合某些基因启动子附近的SMAD 结合原件（SMAD binding element,SBE），指导转录[21]。通常情况下，多数与分化发育相关的基因处于抑制状态，需要在特定的发育阶段激活，基因调节蛋白或转录因子便充当这种激活物。GDF11 下游SMAD 信号通路可通过协同不同转录因子调控细胞特异性基因表达，指导细胞分化。

GDF11 调节细胞分化的下游效应物可经GDF11 信号通路磷酸化抗体阵列检测分析鉴定。有实验分别鉴定了GDF11下游SMAD信号通路磷酸化水平增加或降低了50%以上的蛋白质谱，这些蛋白质对于细胞增殖和分化是重要的，包括MYC、ERK1/2、SMAD1、AKT 和细胞周期蛋白D1[22]，这些因子是GDF11/SMAD 信号通路的重要下游效应物。

3 小结

综上，GDF11 抑制细胞增殖促进细胞分化的作用，主要通过上调p21cip1/p27kip1 抑制细胞周期进程于G1 期并促进细胞分化。GDF11 实际上通过降低祖细胞的自体复制比率并提高其分化的比率起作用[14]。并且GDF11 促进细胞分化的作用是通过SMAD 信号通路及下游转录因子调控细胞特异性基因表达，指导细胞分化。

GDF11 抑制细胞增殖促进细胞分化的作用可能可以部分解释其逆转衰老的作用，但是具体的抗衰老机制还需进一步研究探索，不过作为新一代抗衰老因子，GDF11 具有很好的应用前景，希望通过更深入的研究，可以早日服务于临床造福广大老年患者。