GFRAL：前景可期的代謝靶點(diǎn)，改善肥胖或癌癥相關(guān)厭食/惡病質(zhì)綜合征（CACS）
日期：2021-10-22 09:56:32
根據(jù)世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計(jì)，全球大約有四億人是肥胖癥患者，而且這一數(shù)字還在增長(zhǎng)。全球確診癌癥患者數(shù)量達(dá)1930萬(wàn)。每年，上萬(wàn)人遭受腫瘤誘發(fā)的癌癥相關(guān)厭食/惡病質(zhì)綜合征（Cancer-Related Anorexia/Cachexia Syndrome，CACS）。然而，目前針對(duì)腫瘤惡病質(zhì)的治療幾乎是空白。2017年10月，科學(xué)家們首次鑒定出GFRAL為GDF-15的受體，并且證明GFRAL/GDF-15介導(dǎo)的信號(hào)通路可減少機(jī)體的食物攝入量，進(jìn)而能夠改善代謝相關(guān)性疾病。最近的研究還表明，GFRAL可能是治療腫瘤患者惡病質(zhì)的靶點(diǎn)。GFRAL作為新興的潛力靶點(diǎn)，有望為干預(yù)肥胖癥或改善癌癥誘發(fā)的厭食癥提供啟發(fā)。那么，GFRAL及其配體介導(dǎo)的信號(hào)通路是什么？GFRAL與哪些疾病相關(guān)以及其靶向治療的潛在價(jià)值如何？今天，我們一起來(lái)了解一下。
1. GFRAL的結(jié)構(gòu)和表達(dá)
GDNF-family receptor α-like，GFRAL（也稱(chēng)為GRAL）屬于膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子（Glial Cell Line Derived Neurotrophic Factor，GDNF）家族α樣受體。GFRAL基因定位于人6號(hào)染色體，含有9個(gè)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(zhǎng)GFRAL蛋白由395個(gè)氨基酸殘基組成，C-末端有20-30個(gè)可伸縮的疏水性氨基酸，N-末端存在一個(gè)信號(hào)肽。GFRAL蛋白通過(guò)糖基磷脂酰肌醇（GPI）錨定在細(xì)胞膜上 [1-3]。GFRAL作為一種單次跨膜蛋白，GFRAL位于細(xì)胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)域較短，缺乏向細(xì)胞內(nèi)傳導(dǎo)信號(hào)的能力。現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，GFRAL特有的疏水口袋可介導(dǎo)GFRAL和特異性配體GDF-15之間的相互作用 [1-3]。GFRAL受體結(jié)合配體，且在酪氨酸激酶輔助受體RET協(xié)助下，介導(dǎo)下游信號(hào)的傳導(dǎo)，從而發(fā)揮生物學(xué)作用 。
圖1. GFRAL結(jié)構(gòu)示意圖
*圖片來(lái)源于Annual Review of Physiology出版物 [1]
GFRAL局限地表達(dá)于小鼠腦干最后區(qū)以及孤束核的神經(jīng)細(xì)胞上。GFRAL最高表達(dá)僅限于腦干后區(qū)的大腦。越來(lái)越多的數(shù)據(jù)表明，GFRAL的激活可調(diào)節(jié)新陳代謝，降低體重，改善血糖，將可用于嚴(yán)重肥胖、2型糖尿病以及厭食/惡病質(zhì)治療 [4]。近年研究表明GFRAL介導(dǎo)的信號(hào)機(jī)制與癌癥相關(guān)。GFRAL或可作為潛在病變初始階段的生物標(biāo)志物，用于諸多疾病的診斷、治療和療效評(píng)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(jié)合，介導(dǎo)控制能量攝入和能量代謝調(diào)節(jié)的生物學(xué)效應(yīng)。GDF-15是轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子 β （transforming growth factor β，TGF-β）超家族的成員之一。GDF-15最初發(fā)現(xiàn)于活化的巨噬細(xì)胞中，亦被稱(chēng)為巨噬細(xì)胞抑制性細(xì)胞因子-1（macrophage inhibitory cytokine-1，MIC-1） [5]。在生理狀況下，GDF-15在除胎盤(pán)組織以外的其他組織中不表達(dá)或者少量表達(dá)。然而，在病理狀況下，GDF-15作為一種應(yīng)激反應(yīng)性細(xì)胞因子，在多種疾病中高表達(dá)，與許多生物學(xué)過(guò)程和疾病有關(guān)，包括肥胖，心血管疾病，炎癥反應(yīng)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(xué)功能的深入研究受到了限制。然而受體GFRAL的發(fā)現(xiàn)為肥胖等代謝相關(guān)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(xù)有實(shí)驗(yàn)表明，GFRAL與GDF-15可結(jié)合神經(jīng)元表面的受體酪氨酸激酶RET形成復(fù)合物共同介導(dǎo)的下游信號(hào)的反應(yīng)，打開(kāi)身體能量代謝通路，參與許多病理生理過(guò)程 [4-6]。
3. GFRAL介導(dǎo)的信號(hào)通路機(jī)制
GFRAL通過(guò)結(jié)合GDF-15，激活GDF-15的活性。GFRAL/GDF-15再結(jié)合RET，介導(dǎo)下游的通路。也就是說(shuō)GDF-15通過(guò)GFRAL依賴(lài)結(jié)合成多聚體，誘導(dǎo)一系列復(fù)雜的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)途徑。目前，研究者對(duì)GFRAL/GDF-15或GFRAL/GDF-15/RET軸的生理功能在人類(lèi)疾病中的作用和認(rèn)識(shí)仍處于初級(jí)階段，許多關(guān)鍵問(wèn)題仍未得到解答。
現(xiàn)有的證據(jù)已明確GDF-15與GFRAL結(jié)合是募集RET的必要條件。同時(shí)，GFRAL/GDF-15發(fā)揮活性的基礎(chǔ)依賴(lài)同RET結(jié)合成三聚體，進(jìn)而傳導(dǎo)信號(hào)。但GFRAL/GDF-15/RET信號(hào)傳導(dǎo)的具體機(jī)制以及進(jìn)一步生理作用尚待確定。如圖2所示，綜合應(yīng)激反應(yīng)（ISR）誘導(dǎo)人和小鼠的GDF-15應(yīng)激性高表達(dá)，與后腦干產(chǎn)生的GFRAL和循環(huán)中的RET結(jié)合，形成三聚體 [1]。三聚體激活多個(gè)下游通路，在不同組織和器官中發(fā)揮生物效應(yīng)。識(shí)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(lèi)疾病中的作用機(jī)制提供進(jìn)一步的見(jiàn)解。
圖2. GFRAL/GDF-15信號(hào)通路機(jī)制
*圖片來(lái)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(fù)雜機(jī)制尚未明確，但GFRAL與GDF-15結(jié)合RET，形成的GFRAL/GDF-15/RET復(fù)合物，可激活胞內(nèi)信號(hào)通路，參與調(diào)節(jié)新陳代謝。越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)，GFRAL有望作為嚴(yán)重肥胖 [7]、厭食癥 [8]、腫瘤相關(guān)惡病質(zhì) [9] 治療的潛在靶標(biāo)。
肥胖癥是一種由于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)過(guò)剩導(dǎo)致體內(nèi)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(guān)。有研究者們分析了GDF-15對(duì)小鼠攝食量的影響，通過(guò)GFRAL基因敲除小鼠和普通實(shí)驗(yàn)小鼠的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在缺乏GDF-15刺激時(shí)，敲除GFRAL與否對(duì)小鼠的攝食與體重并不產(chǎn)生明顯影響。當(dāng)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(shí)驗(yàn)證實(shí)GFRAL對(duì)肥胖癥的作用是GDF-15所介導(dǎo)的，也證明了GFRAL同樣對(duì)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(huán)中的GDF-15，可預(yù)防野生型小鼠高脂飲食引起的體重增加，但對(duì)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(zhuǎn) [10, 11]。由此說(shuō)明，GDF-15與GFRAL結(jié)合可以激活下游能量代謝信號(hào)通路，起到提高代謝水平、降低體重的作用。因此，針對(duì)GDF-15與GFRAL互相作用機(jī)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(fā)現(xiàn)，GFRAL/GDF-15/RET信號(hào)通路的激活，可引起惡心和嘔吐，進(jìn)而誘導(dǎo)厭食。在鼩鼱和大鼠中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)GDF-15外源性給藥，GDF-15/GFRAL信號(hào)傳導(dǎo)可引起厭食癥發(fā)作前出現(xiàn)的嘔吐和惡心行為 [12]。另有研究分析，持續(xù)營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩引起的“營(yíng)養(yǎng)應(yīng)激”會(huì)導(dǎo)致循環(huán)GDF-15水平升高，從而向大腦發(fā)出令人厭惡的內(nèi)分泌信號(hào) [13]。
GFRAL/GDF-15通路在癌癥相關(guān)厭食或惡病質(zhì)綜合征，以及腫瘤方面也有一定的潛力。一方面，癌癥相關(guān)厭食或惡病質(zhì)綜合征是指腫瘤患者在患病過(guò)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(lèi)患者的體重則能顯著改善腫瘤患者的存活率。研究人員發(fā)現(xiàn)，GFRAL受體拮抗單克隆抗體可抑制共表達(dá)RET和GFRAL的細(xì)胞中GDF-15誘導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。在小鼠模型中，該抗體給藥可防止腫瘤誘導(dǎo)的體重減輕 [14]。另一方面，GDF-15/GFRAL通路與腫瘤相關(guān)，比如，在胰腺癌細(xì)胞中，有研究指出，胰腺導(dǎo)管腺癌細(xì)胞能夠自分泌分化生長(zhǎng)因子GDF-15，作用于胰腺癌細(xì)胞自身膜上GFRAL受體，通過(guò)GDF-15/GFRAL信號(hào)通路，促進(jìn)胰腺癌細(xì)胞增殖及侵襲轉(zhuǎn)移 [15]。但GFRAL/GDF-15在腫瘤中的具體作用仍未闡明，部分研究認(rèn)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(jìn)腫瘤 [1]。由此看出，GFRAL在腫瘤方面的調(diào)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(jī)制和治療作用，還需開(kāi)展更深入而精準(zhǔn)的研究。
5. 靶向GFRAL的臨床應(yīng)用前景
隨著GFRAL作為GDF-15的受體被發(fā)現(xiàn)，其介導(dǎo)的信號(hào)參與調(diào)控肥胖及改善癌癥引起的惡病質(zhì)綜合征等功能逐步被揭示。一方面，GFRAL/GDF-15信號(hào)是人體內(nèi)存在的天然應(yīng)激通路，具有較高的安全性。另一方面，在細(xì)胞毒性化療、癌癥和其他嚴(yán)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(zhì)綜合征的發(fā)病。大量的證據(jù)表明，GFRAL與GDF-15在部分疾病引起的病理性預(yù)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(biāo)志物。
GFRAL作為一個(gè)新的潛力靶標(biāo)分子，目前暫無(wú)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(wú)論如何，GFRAL在代謝中的重要作用將給未來(lái)研究帶來(lái)新的啟迪，是否可能通過(guò)注射外源性的GFRAL治療代謝相關(guān)疾病，如肥胖，厭食癥，糖尿病等，這些都需要進(jìn)一步探索。僅管GFRAL/GDF-15信號(hào)通路已有諸多研究報(bào)道，但在不同疾病中的機(jī)制有待進(jìn)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(hào)機(jī)制以及GFRAL在代謝紊亂中扮演的積極或消極作用。從而進(jìn)一步研發(fā)以GFRAL為靶點(diǎn)，兼顧安全與療效的治療措施。
6. GFRAL相關(guān)科研產(chǎn)品
為鼎力協(xié)助科研和藥企人員針對(duì)GFRAL在肥胖、厭食癥、腫瘤相關(guān)惡病質(zhì)（CACS）等疾病中的臨床應(yīng)用研究，CUSABIO推出GFRAL活性蛋白（Code: CSB-MP750964MO1），助力您在GFRAL機(jī)制方面的研究或其潛在臨床價(jià)值的探索。
GFRAL蛋白
● Recombinant Mouse GDNF family receptor alpha-like(Gfral),partial (Active) (Code: CSB-MP750964MO1)
The high purity was greater than 95% as determined by SDS-PAGE.
Immobilized Mouse Gfral at 5 μg/ml can bind Mouse Gdf15 (CSB-MP859530MO), the EC50 is 7.926-10.52 ng/mL
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