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疾病与药物研究

西北农林科技大学团队首次揭示GDF15在生酮饮食中发挥体重管理作用的具体机制

2024年01月10日来源：赛业生物作者：校审李意祥责任编辑：lascn

摘要：肥胖问题的蔓延导致了代谢性疾病、心血管疾病乃至癌症等健康隐患的急剧增加，全球范围内已有超过9亿人受影响。锻炼和服用抗肥胖药物的减肥效果和安全性并不理想，于是饮食调节作为肥胖管理的有效策略和基石备受关注。在这一背景下，生酮饮食（KD）崭露头角，成为肥胖管理的一种备受关注的替代选择。生酮饮食以高脂肪、充足蛋白质和极低碳水化合物（甚至无碳水化合物）为特点。其在调整身体代谢方面表现出潜在的益处。

肥胖问题的蔓延导致了代谢性疾病、心血管疾病乃至癌症等健康隐患的急剧增加，全球范围内已有超过9亿人受影响。锻炼和服用抗肥胖药物的减肥效果和安全性并不理想，于是饮食调节作为肥胖管理的有效策略和基石备受关注。在这一背景下，生酮饮食（KD）崭露头角，成为肥胖管理的一种备受关注的替代选择。生酮饮食以高脂肪、充足蛋白质和极低碳水化合物（甚至无碳水化合物）为特点。其在调整身体代谢方面表现出潜在的益处。在动物模型中，生酮饮食已被证实具有降低血糖、增强胰岛素敏感性，甚至延长寿命和“健康寿命”的潜在效果。目前，生酮饮食正在被广泛评估其在多囊卵巢综合征、多囊肾病、慢性疼痛、神经退行性疾病、流感病毒感染、肿瘤生长和癌症等领域的潜在应用。然而，尽管其受到热切关注，其潜在机制仍未知。

生长分化因子15（Growth differentiation factor 15, GDF15）属于转化生长因子TGF-β超家族中的成员，首次发现于1997年。血液中GDF15的升高与多种疾病密切相关，包括癌症，心血管疾病、肥胖、糖尿病等，是监测病程进展的可靠预测因子。研究表明GDF15主要是通过抑制食欲发挥其生物学作用，而生酮饮食能显著降低机体的食物（能量）摄入，那么生酮饮食与GDF15 在体重管理中是否存在潜在关联？

西北农林科技大学吴江维教授团队联合多家单位近日在《Cell Metabolism》杂志上发表论文，首次揭示了GDF15是生酮饮食发挥体重管理作用的主要决定因素，并进一步揭示了其作用机制。

图片来源：《Cell Metabolism》

（https://doi.org/10.1016/j.cmet.2023.11.003）

研究材料与方法

此次研究以高脂饮食诱导的肥胖小鼠为模型，探究了生酮饮食对体重管理的作用。研究者还使用了小型猪模型和检测肥胖人群进食生酮饮食前后的GDF15水平。在分析GDF15作用时，研究人员使用了赛业生物提供的Gdf15 KO（产品编号：S-KO-07013）和Gfral KO（产品编号：S-KO-09987）小鼠。研究者还是用了转录组测序，免疫荧光染色等方法。

技术路线

01 通过小鼠模型探究GDF15在生酮饮食发挥体重管理功能中的作用

02 在小型猪和肥胖人群中进一步验证

03 通过转录组测序，荧光染色等方法明确了肝脏PPARγ调控GDF15

04 通过小鼠模型明确生酮饮食下肝脏组织PPARγ与GDF15之间的关系

研究结果

1 .生酮饮食条件可降低小鼠、猪和人类的体重，并导致循环GDF15升高

生酮饮食喂养可降低体重，同时循环GDF1水平升高[1]

为深入了解生酮饮食（KD）在体重管理中的作用，研究者首先在肥胖小鼠中进行了为期15天的KD和对照饮食喂养实验。研究者观察到，与高脂饮食（HFD）组相比，KD组的小鼠体重自第6天开始逐渐下降。研究者同时发现从第3天开始，KD组小鼠的累积能量摄入量开始减少，同时循环GDF15增加了约2倍。

为验证生酮饮食诱导的GDF15是否相对特异性，研究者测量了几种广泛使用的肥胖管理饮食的小鼠中的循环GDF15，包括地中海饮食、低脂肪饮食、高蛋白饮食、低血糖饮食和指数饮食，以及两种禁食方式：每隔一天禁食和限时进食。结果表明，在测试时间内，这些饮食类型无法提高小鼠循环中的GDF15水平。为进一步探究KD和GDF15之间关系，研究者在巴马小型猪模型上进行了进一步的验证。最后，研究人员对一组肥胖参与者进行为期2周的KD干预，发现在干预结束时，个体体重减轻，GDF15循环水平升高。综上所述，这些结果表明KD喂养可减轻体重并增加循环GDF15水平。

2.生酮饮食的体重管理效果需要GDF15

接下来研究人员试图研究GDF15在生酮饮食体重管理中的作用。为此，使用赛业生物提供的Gdf15全身性敲除（Gdf15^−/−）小鼠并给予30天的生酮饮食。与上述短期喂养一致，30天的KD治疗显着增加了野生型（WT）小鼠中GDF15的循环水平，但在Gdf15^−/−小鼠中则没有。KD喂养降低了WT鼠的累积能量摄入量和体重，但Gdf15^−/−小鼠则没有。同样，生酮饮食喂养减少了WT小鼠的脂肪量和肝脏重量，但Gdf15^−/−组的脂肪量和肝脏重量没有减少（图 2D和2E）。与体重减轻一致，生酮饮食降低了血浆甘油三酯（TG）（图2F）、丙氨酸转氨酶（ALT）和天冬氨酸转氨酶（AST）（图2G）以及肝脏TG含量（图2H）的血浆水平，并改善了葡萄糖耐量以及WT小鼠的胰岛素敏感性（图 2K-2L），而这些有益作用在缺乏GDF15的情况下并未显示出来。总的来说，这些结果表明 GDF15对于KD介导的小鼠肥胖管理是不可或缺的。

生酮饮食的体重管理效果需要GDF15^[1]

3.生酮饮食诱导的GDF15产生源自肝脏

为了探究生酮饮食介导的GDF15产生主要来自哪个器官，研究者检查了组织组中的Gdf15基因表达，包括肝脏、肾脏、心脏、骨骼肌、回肠和结肠。与对照相比，在生酮饮食喂养的小鼠肝脏中观察到Gdf15 mRNA表达显着增加。值得注意的是，KD喂养的猪的肝脏中GDF15表达也显着增加。进一步的原位杂交研究表明，小鼠肝细胞中Gdf15表达升高，表明KD诱导的GDF15升高主要来自肝脏。

4.肝脏PPARγ直接调节Gdf15的转录

为了研究KD诱导的肝脏GDF15的转录调控，研究者对生酮饮食喂养的小鼠的肝脏进行了RNA测序（RNA-seq）分析。KEGG通路分析揭示了多个通路中差异表达基因（DEG）的富集，特别是PPAR信号通路，其中包括PPARγ及其靶标在内的15个基因在KD喂养后显着上调。这些结果通过qPCR分析进行了验证。此外，研究者发现生酮饮食喂养的猪肝脏中PPARγ mRNA显著增加。总之，这些结果表明PPARγ和GDF15之间可能存在相关性。进一步的双荧光素酶报告试验等发现PPARγ作为转录因子促进Gdf15转录和表达。

5.肝脏Gdf15过表达或重组GDF15给药可挽救Pparγ▵Hep小鼠中KD的代谢益处缺陷

为了确定生酮饮食对肝细胞PPARγ敲除小鼠的有益作用被消除是否是由于肝脏Gdf15表达减少和低循环GDF15所致，研究者进行了体内回补实验以恢复肝脏中的Gdf15表达。与接受AAV载体的Pparγ▵Hep小鼠相比，Gdf15的肝脏过表达引起小鼠GDF15分泌增加，恢复了KD喂养对能量摄入、体重减轻和脂肪减少的缺陷抑制。同样，肝脏中GDF15功能的增强可恢复KD喂养的Pparγ▵Hep小鼠受损的糖耐量并降低肝脏TG含量。