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促進(jìn)減肥的熱量限制是治療非酒精性脂肪性肝病和改善2型糖尿病患者胰島素敏感性的有效策略。盡管它有效，但在大多數人中，體重減輕通常不會(huì )維持，部分原因是抑制能量消耗的生理適應，這一過(guò)程稱(chēng)為適應性產(chǎn)熱，其機制基礎尚不清楚。用重組生長(cháng)分化因子15 （GDF15）喂養高脂肪飲食的嚙齒動(dòng)物可減少肥胖并改善血糖控制，通過(guò)神經(jīng)膠質(zhì)細胞衍生的神經(jīng)營(yíng)養因子家族受體α樣（GFRAL）依賴(lài)性抑制食物攝入來(lái)改善血糖控制。研究發(fā)現，除了抑制食欲外，GDF15還抵消了能量消耗的補償性減少，與單獨的熱量限制相比，引起更大的體重減輕和非酒精性脂肪性肝?。∟AFLD）的減少。GDF15在卡路里限制期間維持能量消耗的這種作用需要一個(gè)GFRAL-β-腎上腺素能依賴(lài)性信號軸，該信號軸增加小鼠骨骼肌中的脂肪酸氧化和鈣徒勞循環(huán)。這些數據表明，GDF15-GFRAL通路的治療靶向可能有助于在熱量限制期間維持骨骼肌的能量消耗。
GDF15在肝臟和腎臟中高表達，并在所有細胞類(lèi)型中誘導，以響應線(xiàn)粒體毒素和內質(zhì)網(wǎng)應激。GDF15首次被確定為巨噬細胞分泌的可溶性因子和癌細胞后來(lái)被證明會(huì )誘發(fā)惡病質(zhì)，并保護小鼠免受肥胖和胰島素抵抗。在喂食高脂肪飲食的嚙齒動(dòng)物中，用重組GDF15治療可減輕體重，減少肝脂肪變性并改善血糖控制。這些減肥效果已被證明需要后腦。更具體地說(shuō)，GDF15受體GFRAL在跨越7-10天的短期實(shí)驗中，載體處理小鼠的配對喂養（熱量匹配）表明，GDF15引起的體重減輕是由于食物攝入量減少。重要的是，種系Gdf15-null小鼠，肝臟靶向Gdf15-空小鼠和種系Gfral-null小鼠，當喂食高脂肪飲食時(shí)，所有人都有適度增加的食物攝入量和肥胖，支持該途徑在調節能量平衡中的生理作用。這些研究得出的概念是，通過(guò)GFRAL的GDF15信號減少體重并改善血糖控制，主要是通過(guò)抑制食欲，同時(shí)對能量消耗的影響最小。
肥胖是由能量攝入和消耗之間的熱量失衡引起的。盡管GDF15抑制嚙齒動(dòng)物和非人靈長(cháng)類(lèi)動(dòng)物的能量攝入是眾所周知的，在得出結論這是導致減肥的唯一機制之前，需要考慮三個(gè)重要的區別。首先也是最重要的是，能量攝入、能量消耗和體重是相互關(guān)聯(lián)的相互依賴(lài)的變量，它們相互動(dòng)態(tài)地聯(lián)系在一起，因為能量攝入的減少和體重減輕都會(huì )導致能量消耗的減少。其次，在Gfral-null小鼠中進(jìn)行重組GDF15的研究在相對較短的時(shí)間內（7-10天），這可能不足以檢測與減少能量消耗（即適應性產(chǎn)熱）相關(guān)的反調節反應，這些反應通常在長(cháng)時(shí)間的熱量限制后發(fā)生在嚙齒動(dòng)物中。最后，現在認識到在室溫（21°C）下飼養的小鼠中進(jìn)行能量平衡實(shí)驗，該實(shí)驗低于嚙齒動(dòng)物的熱中性區，刺激交感神經(jīng)驅動(dòng)。這可能會(huì )抑制誘導徒勞循環(huán)或通過(guò)β腎上腺素能信號通路刺激能量消耗的藥物引起的體重減輕。總的來(lái)說(shuō)，這些研究表明，在研究小鼠的體重減輕和藥物干預時(shí)，考慮熱量攝入、干預持續時(shí)間和住房溫度之間的相互關(guān)系非常重要。
為了更好地了解GDF15可能促進(jìn)減肥的機制，我們研究了以熱中性（29°C）飼養的小鼠，這些小鼠被喂食高脂肪和果糖的西式飲食，促進(jìn)肥胖，胰島素抵抗和非酒精性脂肪性肝炎（NASH），其病理，組織學(xué)和轉錄特征與人類(lèi)疾病發(fā)展相似。由于小鼠的肝臟脂肪變性對熱量攝入的變化非常敏感，我們假設，鑒于天然人GDF1的半衰期短（小鼠2小時(shí)），光周期開(kāi)始時(shí)（小鼠攝入較少卡路里的時(shí)間段）的治療對食物消耗的影響將小于我們之前的研究，當時(shí)在黑暗周期開(kāi)始時(shí)注射小鼠。與該假設一致，與載體處理的對照組相比，在光周期開(kāi)始時(shí)用GDF15（每公斤5nmol）注射小鼠導致每日食物攝入量減少30%，而黑暗周期開(kāi)始時(shí)減少43%（差異約40%;擴展數據圖隨后，我們在光周期開(kāi)始時(shí)每天一次向小鼠注射載體或重組GDF1，三種不同劑量（每公斤15.0，3和1nmol），持續5周。每天測量個(gè)體食物攝入量，并與配對喂養的對照相匹配。注射GDF6迅速且劑量依賴(lài)性地升高了GDF15的血清水平，然后在黑暗周期開(kāi)始時(shí)下降到基線(xiàn)。正如預期的那樣，GDF15的長(cháng)期日常治療導致食物攝入量的劑量依賴(lài)性減少，與先前使用相同的重組蛋白制劑的觀(guān)察結果一致。
與載體處理或配對喂養的對照相比，以每公斤15.0nmol提供的GDF3沒(méi)有顯著(zhù)降低體重。當GDF15以每公斤1和5nmol的速度給藥時(shí)，前10天，GDF15治療和成對喂養對照之間的體重減輕軌跡相似，反映了這段時(shí)間內以前的實(shí)驗和擴展數據圖。然而，2天后，成對喂養的對照組的體重沒(méi)有進(jìn)一步減少，而GDF10處理的小鼠繼續減肥和擴展數據圖到實(shí)驗結束時(shí)，用GDF1以每公斤2和15nmol處理的小鼠分別損失了1.5%和13.6%的體重，而配對喂養的對照小鼠的體重約為23%。
重要的是，這種體重減輕歸因于脂肪量的減少，而不是體重的減少。已知這對維持能量消耗很重要。與體重和肥胖的減少一致，GDF15在每公斤1和5nmol時(shí)降低了血清胰島素，而與載體處理的對照相比，GDF15每公斤5nmol改善了葡萄糖耐量和胰島素敏感性。這些數據表明，GDF15在慢性環(huán)境中促進(jìn)體重減少，降低胰島素抵抗的程度比單獨的熱量限制更大。
GDF15通過(guò)GFRAL增加能量消耗并減少體重
a, Experimental schematic. Mice were housed at room temperature (RT; 21 °C) or thermoneutrality (TN, 29 °C). CLAMS,Comprehensive Laboratory Animal Monitoring System. b, Cumulative food intake. Data are mean ± s.e.m. n = 10 mice per group at room temperature. n = 7 mice per group at thermoneutrality. P values were calculated using two-way ANOVA with Tukey’s multiple-comparison test. c, Percentage body weight change. Data are mean ± s.e.m. n = 10 mice per group. P values were calculated using one-way ANOVA with Tukey’s multiple-comparison test. d, Average energy expenditure. Data are mean ± s.e.m. n = 10 mice per group at room temperature. n = 6 mice per group at thermoneutrality. P values were calculated using one-way ANOVA with Šidák’s multiple-comparison test. e, ANCOVA using body mass as a covariate (two-sided without adjustment). n = 10 mice per group at room temperature and n = 6 mice per group at thermoneutrality. f, Experimental schematic for the effect of GDF15 on WT and Gfral-KO mice. EE, energy expenditure. g, Cumulative food intake. Data are mean ± s.e.m. n = 10 mice per group. P values were calculated using two-way ANOVA with Tukey’s multiple-comparison test. h, Body weight and percentage change over time. Data are mean ± s.e.m. n = 10 mice per group. P values were calculated using two-way ANOVA with Tukey’s multiple-comparison test. i, Experimental schematic for the effects of GDF15 and matched caloric restriction on energy expenditure in WT and Gfral-KO mice. j, The average energy expenditure during a 12 h–12 h light–dark cycle. Data are mean ± s.e.m. n = 10 (WT, vehicle; WT, GDF15; and WT pair-fed), n = 7 (KO, pair-fed) and n = 6 (KO, GDF15) mice. P values were calculated using one-way ANOVA with Šidák’s multiple-comparison test. NS, not significant. k, ANCOVA using body mass as a covariate and treatment as a fixed factor (two-sided without adjustment). n = 10 (WT, vehicle; WT, GDF15; and WT, pair-fed (PF)), n = 7 (KO, pair-fed) and n = 6 (KO, GDF15) mice.
