成纤维细胞生长因子21调控肝细胞代谢与生长的分子机制深度剖析

成纤维细胞生长因子21调控肝细胞代谢与生长的分子机制深度剖析一、引言1.1研究背景与意义在机体的复杂生理调控网络中，肝脏作为关键的代谢和解毒器官，在维持机体正常生理功能方面扮演着不可或缺的角色。肝细胞作为肝脏的主要功能细胞，其代谢和生长的正常进行对肝脏整体功能的发挥至关重要。一旦肝细胞代谢和生长出现异常，往往会引发一系列严重的肝脏疾病，如非酒精性脂肪肝、肝硬化，甚至肝癌等。这些肝脏疾病不仅严重威胁患者的生命健康，给患者带来极大的痛苦，还会对社会医疗资源造成沉重的负担。据统计，全球范围内非酒精性脂肪肝的发病率呈逐年上升趋势，部分地区的患病率甚至高达30%以上，且有年轻化的趋势。肝硬化和肝癌的发病率和死亡率也居高不下，严重影响人类的健康和生活质量。成纤维细胞生长因子21（FGF21）作为一种在代谢调节中发挥关键作用的细胞因子，近年来受到了广泛的关注。FGF21主要由肝脏、脂肪组织和胰腺等器官分泌，通过与特定的受体结合，激活下游的信号通路，从而对机体的糖脂代谢、能量平衡等生理过程进行精细的调控。在糖代谢方面，FGF21能够增强胰岛素的敏感性，促进葡萄糖的摄取和利用，降低血糖水平；在脂代谢方面，FGF21可以促进脂肪酸的氧化分解，抑制脂肪的合成和储存，减少体内脂肪的堆积。越来越多的研究表明，FGF21在肝细胞代谢和生长调节中发挥着核心作用，其异常表达或功能失调与多种肝脏疾病的发生发展密切相关。在非酒精性脂肪肝中，FGF21的表达水平通常会发生显著变化，其通过调节脂质代谢相关基因的表达，影响脂肪酸的摄取、合成和氧化，从而在肝脏脂肪沉积的过程中发挥关键作用。研究发现，在非酒精性脂肪肝动物模型中，给予外源性FGF21可以有效减少肝脏脂肪含量，改善肝脏功能。在肝硬化的发生发展过程中，FGF21也参与了肝脏纤维化的调控，其通过抑制肝星状细胞的活化和增殖，减少胶原蛋白等细胞外基质的合成，从而延缓肝硬化的进程。在肝癌中，FGF21的作用则更为复杂，一方面，它可能通过抑制肿瘤细胞的增殖和转移，发挥一定的抗肿瘤作用；另一方面，在某些情况下，FGF21也可能促进肝癌细胞的生长和存活，其具体机制尚不完全清楚。深入研究FGF21调节肝细胞代谢和生长的分子机制，具有重要的理论和实际意义。从理论层面来看，这有助于我们更深入地理解肝脏代谢和生长的调控网络，揭示肝脏疾病发生发展的内在机制，为肝脏疾病的发病机制研究提供新的视角和思路。从实际应用角度出发，明确FGF21的作用机制将为开发基于FGF21的新型治疗策略提供坚实的理论基础。通过调节FGF21的表达或活性，我们有望为非酒精性脂肪肝、肝硬化和肝癌等肝脏疾病的治疗开辟新的途径，研发出更有效的治疗药物和方法，从而显著提高患者的治疗效果和生活质量，减轻社会医疗负担，具有广阔的应用前景和巨大的社会经济效益。1.2FGF21的概述成纤维细胞生长因子21（FGF21）是成纤维细胞生长因子（FGF）家族的重要成员之一。FGF21的分子结构具有独特的特征，其由181个氨基酸组成，相对分子质量约为20kDa。从空间结构上看，FGF21呈现出典型的β-三叶草结构，包含12条反向平行的β-折叠链，这些链相互交织，形成了稳定的三维结构。这种独特的结构赋予了FGF21与特定受体高效结合的能力，是其发挥生物学功能的重要基础。FGF21在体内具有广泛的来源，主要由肝脏、脂肪组织和胰腺等器官分泌。在肝脏中，FGF21的表达受到多种转录因子的调控，如过氧化物酶体增殖物激活受体α（PPARα）、肝细胞核因子4α（HNF4α）等。当机体处于饥饿、高脂饮食、氧化应激等代谢应激状态时，这些转录因子被激活，从而上调肝脏中FGF21的表达和分泌。在脂肪组织中，FGF21的表达也受到多种因素的影响，如胰岛素、脂联素等。胰岛素可以抑制脂肪细胞中FGF21的表达，而脂联素则可以促进其表达。在胰腺中，胰岛细胞也能分泌一定量的FGF21，其分泌过程可能与血糖水平的变化密切相关。FGF21在机体的代谢调控中发挥着极为重要的生物学功能。在糖代谢方面，FGF21具有显著的降糖作用。它可以增强胰岛素的敏感性，促进外周组织如骨骼肌、脂肪组织对葡萄糖的摄取和利用。研究表明，在胰岛素抵抗的动物模型中，给予外源性FGF21后，骨骼肌对葡萄糖的摄取明显增加，血糖水平显著降低。FGF21还可以抑制肝脏中的糖异生作用，减少葡萄糖的输出，进一步维持血糖的稳定。在脂代谢方面，FGF21能够促进脂肪酸的氧化分解，增加能量消耗。在高脂饮食诱导的肥胖小鼠模型中，FGF21可以激活肝脏中的脂肪酸氧化相关基因的表达，如肉碱/有机阳离子转运体2（OCTN2）、肉碱棕榈酰转移酶1α（CPT1α）等，从而促进脂肪酸进入线粒体进行β-氧化，减少脂肪的堆积。FGF21还可以抑制脂肪的合成，它通过抑制脂肪酸合成酶（FAS）、乙酰辅酶A羧化酶（ACC）等关键酶的活性，减少脂肪酸和甘油三酯的合成。FGF21还具有调节能量平衡的作用，它可以通过作用于中枢神经系统，影响食欲和能量消耗。研究发现，FGF21可以作用于下丘脑的特定神经元，抑制食欲，减少食物摄入，同时增加能量消耗，从而维持机体的能量平衡。1.3肝细胞代谢和生长的重要性及FGF21的关联肝细胞代谢涵盖了碳水化合物、蛋白质和脂肪等多种物质的代谢过程，这些代谢活动对于维持机体的能量平衡和物质稳态至关重要。在碳水化合物代谢方面，进食后，肝细胞能迅速摄取血液中的葡萄糖，并将其合成肝糖原储存起来，从而降低血糖水平；当机体处于饥饿状态，血糖浓度下降时，肝细胞又会将肝糖原分解为葡萄糖释放到血液中，以维持血糖的稳定。在蛋白质代谢中，肝细胞不仅负责合成多种血浆蛋白，如白蛋白、凝血因子等，还参与氨基酸的代谢和转化，为机体提供必要的营养物质。在脂肪代谢方面，肝细胞可以合成、储存和转运脂肪，调节血脂水平。它能够摄取血液中的游离脂肪酸，将其合成甘油三酯储存起来，或者将甘油三酯分解为脂肪酸和甘油，进行氧化供能。肝细胞还参与胆汁酸的合成和分泌，胆汁酸对于脂肪的消化和吸收起着关键作用。肝细胞生长对维持肝脏正常结构和功能同样不可或缺。正常情况下，肝细胞处于相对稳定的状态，但当肝脏受到损伤时，肝细胞会迅速进入增殖状态，以修复受损的组织。例如，在部分肝切除手术后，剩余的肝细胞会在短时间内大量增殖，使肝脏体积和功能逐渐恢复。肝细胞的生长还受到多种生长因子和信号通路的精细调控，这些调控机制确保了肝细胞的生长和增殖处于平衡状态，避免过度生长或异常增殖导致肿瘤等疾病的发生。FGF21与肝细胞代谢和生长存在紧密的联系。在肝细胞代谢方面，FGF21能够显著调节脂质代谢。它可以通过激活肝脏中的脂肪酸氧化相关信号通路，如AMPK信号通路，促进脂肪酸进入线粒体进行β-氧化，增加能量消耗，减少脂肪在肝脏中的堆积。研究发现，在高脂饮食诱导的肥胖小鼠模型中，给予FGF21后，肝脏中脂肪酸氧化相关基因的表达明显上调，甘油三酯含量显著降低。FGF21还可以抑制肝脏中的脂肪合成，它通过抑制脂肪酸合成酶（FAS）、乙酰辅酶A羧化酶（ACC）等关键酶的活性，减少脂肪酸和甘油三酯的合成。在糖代谢方面，FGF21能够增强肝细胞对胰岛素的敏感性，促进葡萄糖的摄取和利用，降低血糖水平。FGF21还可以抑制肝脏中的糖异生作用，减少葡萄糖的输出，进一步维持血糖的稳定。在肝细胞生长方面，FGF21也发挥着重要的调节作用。在肝脏损伤修复过程中，FGF21可以促进肝细胞的增殖和再生，加速肝脏组织的修复。研究表明，在部分肝切除的小鼠模型中，给予FGF21能够显著提高肝细胞的增殖指数，促进肝脏的再生。FGF21还可以通过调节细胞周期相关蛋白的表达，如细胞周期蛋白D1（CyclinD1）、细胞周期蛋白依赖性激酶2（CDK2）等，影响肝细胞的生长和增殖。在肿瘤发生发展过程中，FGF21的作用则较为复杂，它可能通过不同的信号通路，在某些情况下抑制肝癌细胞的生长和转移，而在另一些情况下则可能促进肝癌细胞的存活和增殖，其具体机制尚需进一步深入研究。二、FGF21与肝细胞代谢2.1FGF21对糖代谢的调节2.1.1调节糖异生作用糖异生是肝脏维持血糖平衡的重要代谢途径，在空腹或饥饿状态下，肝脏通过糖异生将非糖物质，如乳酸、丙酮酸、甘油和生糖氨基酸等转化为葡萄糖，释放到血液中，以满足机体对葡萄糖的需求。这一过程受到多种关键酶的严格调控，其中磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PEPCK）和葡萄糖-6-磷酸酶（G6Pase）是糖异生途径中的限速酶，它们的活性和表达水平直接影响糖异生的速率。FGF21在调节肝细胞糖异生作用中发挥着关键作用，其主要通过抑制PEPCK和G6Pase等关键酶的表达来实现对糖异生的调控。研究表明，在高脂饮食诱导的肥胖小鼠模型中，给予外源性FGF21后，肝脏中PEPCK和G6Pase的mRNA和蛋白质表达水平显著降低。进一步的机制研究发现，FGF21通过与成纤维细胞生长因子受体（FGFR）和β-Klotho组成的受体复合物结合，激活下游的细胞外信号调节激酶（ERK）和蛋白激酶B（AKT）信号通路。激活的AKT可以磷酸化并抑制叉头框蛋白O1（FOXO1）的活性，FOXO1是一种重要的转录因子，它能够结合到PEPCK和G6Pase基因的启动子区域，促进其转录表达。AKT对FOXO1的抑制作用，使得PEPCK和G6Pase的表达下调，从而减少糖异生的葡萄糖生成。在一项体外实验中，研究人员将原代肝细胞分为对照组和FGF21处理组，分别培养在正常培养基和含有不同浓度FGF21的培养基中。经过一定时间的培养后，通过实时定量PCR和蛋白质免疫印迹分析检测PEPCK和G6Pase的表达水平。结果显示，与对照组相比，FGF21处理组中PEPCK和G6Pase的mRNA和蛋白质表达水平均呈剂量依赖性下降。这一实验结果直接证明了FGF21能够在体外抑制肝细胞中糖异生关键酶的表达，从而抑制糖异生作用。FGF21还可以通过调节其他信号通路和转录因子来间接影响糖异生。研究发现，FGF21可以激活AMP激活的蛋白激酶（AMPK）信号通路，AMPK是细胞内能量代谢的重要调节因子，它可以通过磷酸化多种底物来调节细胞的代谢过程。激活的AMPK可以抑制乙酰辅酶A羧化酶（ACC）的活性，减少丙二酰辅酶A的合成，从而促进脂肪酸氧化，减少脂肪合成。AMPK还可以通过抑制哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）信号通路，减少FOXO1的磷酸化和核转位，进一步抑制PEPCK和G6Pase的表达。这些研究表明，FGF21通过多条信号通路协同作用，精确地调节肝细胞糖异生关键酶的表达和活性，从而有效地抑制糖异生作用，维持血糖的稳定。2.1.2对葡萄糖摄取和利用的影响葡萄糖摄取是细胞获取能量的重要步骤，对于肝细胞而言，其对葡萄糖的摄取主要依赖于葡萄糖转运体（GLUT）家族成员。GLUT2是肝细胞中主要的葡萄糖转运体，它具有高亲和力和高转运能力，能够快速地将血液中的葡萄糖转运到肝细胞内。FGF21对肝细胞葡萄糖摄取具有显著的促进作用，其主要通过调节GLUT2的表达和活性来实现这一调控。研究表明，在糖尿病小鼠模型中，给予FGF21后，肝脏中GLUT2的mRNA和蛋白质表达水平显著升高。进一步的实验发现，FGF21可以通过激活ERK和AKT信号通路，促进GLUT2基因的转录和翻译，从而增加GLUT2在肝细胞细胞膜上的表达。一项体外细胞实验中，研究人员将肝癌细胞系HepG2分为对照组和FGF21处理组，分别给予正常培养基和含有FGF21的培养基培养。经过一段时间后，利用荧光标记的葡萄糖类似物2-NBDG检测细胞对葡萄糖的摄取能力。结果显示，FGF21处理组的HepG2细胞对2-NBDG的摄取量明显高于对照组，同时，通过蛋白质免疫印迹分析发现，FGF21处理组中GLUT2的蛋白质表达水平也显著增加。这一实验结果表明，FGF21能够在体外促进肝癌细胞对葡萄糖的摄取，其机制与上调GLUT2的表达密切相关。除了调节GLUT2的表达，FGF21还可以通过其他方式影响葡萄糖的摄取和利用。研究发现，FGF21可以增强胰岛素的敏感性，胰岛素是调节血糖的重要激素，它可以与肝细胞表面的胰岛素受体结合，激活下游的胰岛素信号通路，促进葡萄糖的摄取和利用。FGF21可以通过激活AKT信号通路，增加胰岛素受体底物1（IRS1）的磷酸化水平，从而增强胰岛素信号通路的活性，促进葡萄糖转运体向细胞膜的转位，提高肝细胞对葡萄糖的摄取能力。FGF21还可以促进肝细胞内葡萄糖的代谢利用，它可以激活磷酸果糖激酶1（PFK1）等糖酵解关键酶的活性，加速葡萄糖的糖酵解过程，将葡萄糖转化为丙酮酸，进一步进入三羧酸循环进行氧化供能。FGF21还可以促进肝细胞内糖原的合成，将多余的葡萄糖储存起来，以维持血糖的稳定。在胰岛素抵抗的肝细胞模型中，给予FGF21后，细胞内糖原合成酶的活性显著增加，糖原含量也明显升高。这些研究表明，FGF21通过多种途径协同作用，促进肝细胞对葡萄糖的摄取和利用，从而有效地降低血糖水平，维持机体的糖代谢平衡。2.2FGF21对脂质代谢的调节2.2.1脂肪酸的合成与氧化脂肪酸合成是一个复杂的过程，涉及多种酶的参与，其中脂肪酸合成酶（FAS）和乙酰辅酶A羧化酶（ACC）是脂肪酸合成的关键酶。FAS催化乙酰辅酶A和丙二酰辅酶A合成脂肪酸，而ACC则负责将乙酰辅酶A羧化为丙二酰辅酶A，为脂肪酸合成提供底物。FAS和ACC的活性和表达水平直接影响脂肪酸的合成速率。FGF21对脂肪酸合成具有显著的抑制作用，其主要通过抑制FAS和ACC等关键酶的活性和表达来实现这一调控。在高脂饮食诱导的肥胖小鼠模型中，给予外源性FGF21后，肝脏中FAS和ACC的mRNA和蛋白质表达水平显著降低。进一步的机制研究发现，FGF21通过与FGFR和β-Klotho组成的受体复合物结合，激活下游的ERK和AKT信号通路。激活的AKT可以磷酸化并抑制固醇调节元件结合蛋白1c（SREBP-1c）的活性，SREBP-1c是一种重要的转录因子，它能够结合到FAS和ACC基因的启动子区域，促进其转录表达。AKT对SREBP-1c的抑制作用，使得FAS和ACC的表达下调，从而减少脂肪酸的合成。在一项体外实验中，研究人员将原代肝细胞分为对照组和FGF21处理组，分别培养在正常培养基和含有不同浓度FGF21的培养基中。经过一定时间的培养后，通过实时定量PCR和蛋白质免疫印迹分析检测FAS和ACC的表达水平。结果显示，与对照组相比，FGF21处理组中FAS和ACC的mRNA和蛋白质表达水平均呈剂量依赖性下降。这一实验结果直接证明了FGF21能够在体外抑制肝细胞中脂肪酸合成关键酶的表达，从而抑制脂肪酸合成。脂肪酸氧化是脂肪酸分解代谢的主要途径，其过程主要在线粒体中进行，涉及肉碱/有机阳离子转运体2（OCTN2）、肉碱棕榈酰转移酶1α（CPT1α）等关键酶的参与。OCTN2负责将肉碱转运到细胞内，为脂肪酸的β-氧化提供必要的条件，而CPT1α则催化脂肪酸与肉碱结合，形成脂酰肉碱，从而使脂肪酸能够进入线粒体进行β-氧化。FGF21对脂肪酸氧化具有显著的促进作用，其主要通过激活OCTN2和CPT1α等关键酶的活性和表达来实现这一调控。研究表明，在高脂饮食诱导的肥胖小鼠模型中，给予FGF21后，肝脏中OCTN2和CPT1α的mRNA和蛋白质表达水平显著升高。进一步的实验发现，FGF21可以通过激活AMPK信号通路，促进OCTN2和CPT1α基因的转录和翻译，从而增加它们在肝细胞中的表达。在一项体外细胞实验中，研究人员将肝癌细胞系HepG2分为对照组和FGF21处理组，分别给予正常培养基和含有FGF21的培养基培养。经过一段时间后，通过实时定量PCR和蛋白质免疫印迹分析检测OCTN2和CPT1α的表达水平。结果显示，FGF21处理组中OCTN2和CPT1α的mRNA和蛋白质表达水平均显著高于对照组。这一实验结果表明，FGF21能够在体外促进肝癌细胞中脂肪酸氧化关键酶的表达，从而促进脂肪酸氧化。FGF21还可以通过调节其他信号通路和转录因子来间接影响脂肪酸氧化，这些研究表明，FGF21通过多条信号通路协同作用，精确地调节肝细胞脂肪酸合成和氧化关键酶的表达和活性，从而有效地减少肝脏脂肪堆积，维持机体的脂代谢平衡。2.2.2胆固醇代谢的调控胆固醇在肝细胞内的合成过程是一个复杂且精细的生化反应网络，其中3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶（HMG-CoA还原酶）起着关键的限速作用。HMG-CoA还原酶催化HMG-CoA转化为甲羟戊酸，这是胆固醇合成的关键步骤，其活性和表达水平直接决定了胆固醇合成的速率。FGF21在调控肝细胞内胆固醇合成方面发挥着重要作用，主要通过对HMG-CoA还原酶的调节来实现。研究发现，在给予FGF21处理的动物模型中，肝脏内HMG-CoA还原酶的mRNA和蛋白质表达水平显著降低，酶活性也明显受到抑制。这表明FGF21能够有效抑制胆固醇的合成，减少肝细胞内胆固醇的含量。其作用机制可能与FGF21激活的下游信号通路有关，FGF21与FGFR和β-Klotho组成的受体复合物结合后，激活ERK和AKT等信号通路，这些信号通路可能通过对相关转录因子的调控，抑制HMG-CoA还原酶基因的转录和表达。胆固醇在肝细胞内的转运过程中，ATP结合盒转运体A1（ABCA1）和ATP结合盒转运体G1（ABCG1）起着关键作用。ABCA1主要负责将细胞内的胆固醇和磷脂转运到细胞外，与载脂蛋白A-I（ApoA-I）结合形成高密度脂蛋白（HDL）；ABCG1则主要将细胞内的胆固醇转运到细胞外，与HDL结合。FGF21能够显著上调ABCA1和ABCG1的表达水平，从而促进胆固醇的外排，减少肝细胞内胆固醇的积累。在体外细胞实验中，用FGF21处理肝细胞后，通过实时定量PCR和蛋白质免疫印迹分析检测发现，ABCA1和ABCG1的mRNA和蛋白质表达水平均明显升高。这表明FGF21可以通过促进ABCA1和ABCG1的表达，增强胆固醇的外排能力，维持肝细胞内胆固醇的平衡。胆固醇在肝细胞内主要通过转化为胆汁酸排出体外，这一过程需要胆固醇7α-羟化酶（CYP7A1）的催化，CYP7A1是胆汁酸合成的关键限速酶，其活性和表达水平直接影响胆汁酸的合成速率。FGF21可以通过上调CYP7A1的表达，促进胆固醇向胆汁酸的转化，从而增加胆固醇的排泄。研究表明，在FGF21处理的动物模型中，肝脏内CYP7A1的mRNA和蛋白质表达水平显著升高，胆汁酸的合成和排泄量也相应增加。进一步的机制研究发现，FGF21可能通过激活相关的信号通路，调节CYP7A1基因的转录和表达，从而促进胆固醇的排泄。这些研究表明，FGF21通过对胆固醇合成、转运和排泄相关关键分子的调节，有效维持肝细胞内胆固醇的代谢平衡，对预防和治疗胆固醇代谢异常相关的肝脏疾病具有重要意义。2.2.3甘油三酯代谢的调节甘油三酯的合成是一个复杂的过程，主要在肝细胞的内质网中进行，涉及甘油-3-磷酸酰基转移酶（GPAT）、溶血磷脂酸酰基转移酶（LPAAT）和二酰甘油酰基转移酶（DGAT）等多种关键酶。GPAT催化甘油-3-磷酸与脂肪酸结合，生成溶血磷脂酸；LPAAT则将另一个脂肪酸连接到溶血磷脂酸上，形成磷脂酸；磷脂酸在磷脂酸磷酸酶的作用下，脱去磷酸基团，生成二酰甘油；最后，DGAT将脂肪酸连接到二酰甘油上，形成甘油三酯。FGF21对甘油三酯合成具有显著的抑制作用，其主要通过抑制GPAT、LPAAT和DGAT等关键酶的活性和表达来实现这一调控。在高脂饮食诱导的肥胖小鼠模型中，给予外源性FGF21后，肝脏中GPAT、LPAAT和DGAT的mRNA和蛋白质表达水平显著降低。进一步的机制研究发现，FGF21通过激活下游的AMPK信号通路，抑制SREBP-1c的活性，SREBP-1c是调控甘油三酯合成相关基因表达的重要转录因子，它能够结合到GPAT、LPAAT和DGAT基因的启动子区域，促进其转录表达。AMPK对SREBP-1c的抑制作用，使得GPAT、LPAAT和DGAT的表达下调，从而减少甘油三酯的合成。甘油三酯主要以极低密度脂蛋白（VLDL）的形式从肝脏输出到血液中，这一过程涉及微粒体甘油三酯转运蛋白（MTP）和载脂蛋白B（ApoB）等关键分子。MTP负责将甘油三酯转运到内质网中，与ApoB结合形成VLDL前体，然后VLDL前体再经过一系列的修饰和组装，形成成熟的VLDL并分泌到血液中。FGF21可以通过调节MTP和ApoB的表达，影响甘油三酯的输出。研究表明，在给予FGF21处理的动物模型中，肝脏中MTP和ApoB的mRNA和蛋白质表达水平显著降低，VLDL的分泌量也明显减少。这表明FGF21能够抑制甘油三酯从肝脏的输出，减少血液中甘油三酯的含量。其作用机制可能与FGF21激活的下游信号通路对MTP和ApoB基因转录的调控有关。在脂肪肝疾病中，肝脏内甘油三酯的过度积累是其主要的病理特征之一。临床研究表明，FGF21在脂肪肝患者中的表达水平通常会发生显著变化，且与肝脏脂肪含量和病情严重程度密切相关。在非酒精性脂肪肝患者中，血清FGF21水平明显升高，且随着肝脏脂肪变性程度的加重，FGF21水平进一步升高。这可能是机体的一种代偿性反应，试图通过上调FGF21的表达来调节脂质代谢，减少肝脏脂肪堆积。研究发现，给予外源性FGF21可以有效改善脂肪肝动物模型的肝脏脂肪变性，降低肝脏甘油三酯含量，减轻肝脏炎症和纤维化程度。FGF21通过抑制甘油三酯的合成、促进脂肪酸的氧化以及调节甘油三酯的输出等多种途径，发挥其在脂肪肝疾病中的治疗作用，为脂肪肝的治疗提供了新的潜在靶点和治疗策略。2.3FGF21对蛋白质代谢的调节2.3.1蛋白质合成与降解的调控在肝细胞中，蛋白质的合成是一个复杂且高度有序的过程，涉及众多信号通路和关键分子的协同作用。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）信号通路在蛋白质合成的调控中占据核心地位。mTOR是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，它可以整合多种细胞内、外信号，如营养物质、生长因子、能量状态等，来调节蛋白质的合成。mTOR主要通过与不同的蛋白结合形成两种功能不同的复合物，即mTOR复合物1（mTORC1）和mTOR复合物2（mTORC2）。其中，mTORC1在蛋白质合成的调控中发挥着关键作用，它可以磷酸化下游的核糖体蛋白S6激酶1（S6K1）和真核起始因子4E结合蛋白1（4E-BP1），从而促进蛋白质的合成。当细胞内氨基酸充足、能量供应充沛且生长因子信号活跃时，mTORC1被激活，S6K1和4E-BP1发生磷酸化。磷酸化的S6K1可以促进核糖体的生物发生和蛋白质翻译起始，而磷酸化的4E-BP1则会从真核起始因子4E（eIF4E）上解离下来，使eIF4E能够与其他起始因子结合，形成翻译起始复合物，进而启动蛋白质的合成过程。FGF21对mTOR信号通路具有显著的调节作用，进而影响肝细胞内蛋白质的合成。研究表明，FGF21可以通过激活下游的细胞外信号调节激酶（ERK）和蛋白激酶B（AKT）信号通路，间接激活mTORC1。在体外细胞实验中，用FGF21处理肝细胞后，通过蛋白质免疫印迹分析检测发现，AKT的磷酸化水平显著升高，同时mTORC1的活性也明显增强，表现为S6K1和4E-BP1的磷酸化水平增加。这表明FGF21可以通过激活AKT，进而激活mTORC1，促进蛋白质的合成。FGF21还可以通过调节其他信号通路和转录因子来影响蛋白质的合成。研究发现，FGF21可以上调真核起始因子2α（eIF2α）的磷酸化水平，eIF2α是蛋白质翻译起始的关键调节因子，其磷酸化状态会影响蛋白质的合成速率。在饥饿或应激条件下，FGF21的表达增加，它可以通过激活相关的信号通路，促进eIF2α的磷酸化，从而抑制整体蛋白质的合成，使细胞能够优先利用有限的资源来维持基本的生理功能。蛋白质的降解对于维持细胞内蛋白质的稳态同样至关重要，泛素-蛋白酶体系统（UPS）是细胞内蛋白质降解的主要途径之一。在UPS中，泛素连接酶E1、E2和E3协同作用，将泛素分子共价连接到靶蛋白上，形成多聚泛素链。带有多聚泛素链的靶蛋白会被26S蛋白酶体识别并降解，从而实现蛋白质的降解过程。FGF21可以通过调节UPS相关分子的表达和活性，影响肝细胞内蛋白质的降解。研究表明，在FGF21处理的肝细胞中，泛素连接酶E3的表达水平显著升高，这使得靶蛋白更容易被泛素化标记，从而促进蛋白质的降解。在肝脏损伤或疾病状态下，FGF21可能通过增强UPS的活性，加速异常或受损蛋白质的降解，维持肝细胞内蛋白质的质量和功能。FGF21还可以通过调节其他蛋白质降解途径，如自噬-溶酶体途径，来进一步调控蛋白质的降解过程，维持肝细胞内蛋白质代谢的平衡。2.3.2对氨基酸代谢的作用氨基酸的摄取是肝细胞进行蛋白质合成和其他代谢活动的重要前提，这一过程主要依赖于细胞膜上的氨基酸转运体。不同类型的氨基酸转运体负责转运不同种类的氨基酸，它们在维持细胞内氨基酸平衡方面发挥着关键作用。其中，系统A氨基酸转运体（如SNAT1、SNAT2等）主要负责转运中性氨基酸，如丙氨酸、丝氨酸等；系统L氨基酸转运体（如LAT1、LAT2等）则主要转运大分子中性氨基酸，如亮氨酸、异亮氨酸等。FGF21对肝细胞氨基酸摄取具有重要的调节作用。研究表明，在给予FGF21处理的动物模型中，肝脏中系统A和系统L氨基酸转运体的表达水平显著升高。在体外细胞实验中，用FGF21处理肝细胞后，通过放射性标记氨基酸摄取实验检测发现，细胞对多种氨基酸的摄取量明显增加。进一步的机制研究发现，FGF21可以通过激活下游的磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）-AKT信号通路，促进氨基酸转运体基因的转录和翻译，从而增加氨基酸转运体在细胞膜上的表达，提高肝细胞对氨基酸的摄取能力。在肝细胞内，氨基酸参与多种代谢途径，其中合成蛋白质是氨基酸的主要去向之一。如前文所述，FGF21可以通过调节mTOR信号通路等，促进蛋白质的合成，从而增加氨基酸在蛋白质合成中的利用。氨基酸还可以通过转氨基作用、脱氨基作用等代谢途径，参与能量代谢和其他生物分子的合成。在转氨基作用中，氨基酸的氨基可以转移到α-酮酸上，生成新的氨基酸和α-酮酸，这一过程对于维持体内氨基酸的平衡和提供能量具有重要意义。FGF21可以通过调节相关酶的活性，影响氨基酸的代谢途径。研究发现，FGF21可以上调谷丙转氨酶（ALT）和谷草转氨酶（AST）的活性，这两种酶是参与转氨基作用的关键酶，它们活性的增加可以促进氨基酸的转氨基代谢，使氨基酸能够更有效地参与能量代谢和其他生物分子的合成。FGF21还可以通过调节其他代谢途径相关酶的活性，如鸟氨酸氨基甲酰转移酶（OCT）等，影响尿素循环等代谢过程，进一步调节氨基酸的代谢和利用。氨基酸代谢过程中会产生多种代谢产物，如氨、尿素、酮体等。氨是氨基酸脱氨基作用的主要产物之一，它具有毒性，需要在肝脏中通过尿素循环转化为尿素排出体外。FGF21可以通过调节尿素循环相关酶的表达和活性，影响氨的代谢和尿素的生成。研究表明，在FGF21处理的肝细胞中，尿素循环关键酶，如氨基甲酰磷酸合成酶I（CPS-I）、精氨酸代琥珀酸合成酶（ASS）等的表达水平显著升高，酶活性也明显增强。这使得肝细胞能够更有效地将氨转化为尿素，降低体内氨的浓度，维持机体的氮平衡。FGF21还可以通过调节其他氨基酸代谢产物的生成和代谢，如调节酮体的生成和利用，进一步维持肝细胞内氨基酸代谢的平衡和机体的正常生理功能。三、FGF21与肝细胞生长3.1FGF21对肝细胞增殖的影响3.1.1细胞周期调控细胞周期是细胞生长和分裂的有序过程，包括G1期、S期、G2期和M期。在正常生理状态下，肝细胞处于相对静止的G0期，当肝脏受到损伤或机体需要时，肝细胞会被激活进入细胞周期，进行增殖以修复受损组织或满足生理需求。细胞周期的进程受到多种蛋白和信号通路的严格调控，这些调控机制确保了细胞增殖的准确性和有序性，对于维持肝脏的正常结构和功能至关重要。FGF21对肝细胞周期相关蛋白和信号通路具有显著的调节作用，从而影响肝细胞的增殖。在部分肝切除的小鼠模型中，研究人员发现给予外源性FGF21能够显著促进肝细胞的增殖。进一步的实验分析表明，FGF21处理组的肝细胞中，细胞周期蛋白D1（CyclinD1）和细胞周期蛋白依赖性激酶2（CDK2）的表达水平显著升高。CyclinD1是G1期向S期转变的关键调节蛋白，它与CDK2结合形成复合物，激活CDK2的激酶活性，从而促进细胞周期的进程。FGF21通过上调CyclinD1和CDK2的表达，加速了肝细胞从G1期向S期的转换，促进了肝细胞的增殖。FGF21还可以通过调节细胞周期抑制蛋白来影响肝细胞的增殖。p21是一种重要的细胞周期抑制蛋白，它可以与CDK2结合，抑制CDK2的活性，从而阻止细胞周期的进程。研究发现，在FGF21处理的肝细胞中，p21的表达水平显著降低。这表明FGF21通过下调p21的表达，解除了对CDK2的抑制作用，促进了肝细胞的增殖。在一项体外实验中，研究人员将原代肝细胞分为对照组和FGF21处理组，分别培养在正常培养基和含有不同浓度FGF21的培养基中。经过一定时间的培养后，通过流式细胞术检测细胞周期分布。结果显示，与对照组相比，FGF21处理组中处于S期的肝细胞比例显著增加，同时，通过蛋白质免疫印迹分析检测发现，FGF21处理组中CyclinD1和CDK2的蛋白质表达水平显著升高，而p21的蛋白质表达水平显著降低。这一实验结果直接证明了FGF21能够在体外调节肝细胞周期相关蛋白的表达，促进肝细胞的增殖。FGF21对肝细胞周期的调节还涉及多条信号通路的协同作用。研究表明，FGF21可以激活细胞外信号调节激酶（ERK）信号通路，ERK是丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）家族的成员之一，它在细胞增殖、分化和存活等过程中发挥着重要作用。激活的ERK可以磷酸化并激活下游的转录因子，如Elk-1、c-Fos等，这些转录因子可以结合到CyclinD1等细胞周期相关基因的启动子区域，促进其转录表达。FGF21还可以激活磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）-蛋白激酶B（AKT）信号通路，PI3K-AKT信号通路在细胞生长、增殖和存活等过程中也起着关键作用。激活的AKT可以通过磷酸化多种底物，如糖原合成酶激酶3β（GSK3β）等，来调节细胞周期相关蛋白的表达和活性。FGF21通过激活ERK和PI3K-AKT等信号通路，协同调节肝细胞周期相关蛋白的表达和活性，从而促进肝细胞的增殖。3.1.2生长因子与受体的作用FGF21作为一种生长因子，其生物学功能的发挥依赖于与肝细胞表面特异性受体的结合。FGF21的受体主要由成纤维细胞生长因子受体（FGFR）和β-Klotho组成，FGFR是一种跨膜酪氨酸激酶受体，它具有多个亚型，如FGFR1、FGFR2、FGFR3和FGFR4等，不同的FGFR亚型在肝细胞中的表达和功能可能存在差异。β-Klotho是一种单跨膜蛋白，它作为辅助受体，与FGFR形成复合物，增强FGFR对FGF21的亲和力和特异性。当FGF21与FGFR和β-Klotho组成的受体复合物结合后，会引起FGFR的二聚化和自身磷酸化，从而激活下游的信号通路。FGF21与肝细胞表面受体结合后，激活的下游信号通路对细胞增殖具有重要影响。研究表明，FGF21与受体结合后，主要激活Ras-Raf-MEK-ERK和PI3K-AKT等信号通路。在Ras-Raf-MEK-ERK信号通路中，FGF21与受体结合后，使FGFR磷酸化，进而招募生长因子受体结合蛋白2（Grb2）和鸟苷酸交换因子SOS，形成FGFR-Grb2-SOS复合物。SOS激活Ras蛋白，使其结合GTP，激活的Ras蛋白再激活Raf蛋白，Raf蛋白进一步磷酸化并激活MEK蛋白，MEK蛋白再磷酸化并激活ERK蛋白。激活的ERK可以磷酸化多种底物，如转录因子、细胞周期相关蛋白等，从而调节细胞的增殖、分化和存活等过程。在PI3K-AKT信号通路中，FGF21与受体结合后，激活PI3K，PI3K催化磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸（PIP2）生成磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸（PIP3）。PIP3招募AKT到细胞膜上，并在磷酸肌醇依赖性激酶1（PDK1）和mTORC2的作用下，使AKT磷酸化并激活。激活的AKT可以磷酸化多种底物，如GSK3β、FOXO1等，从而调节细胞的生长、增殖和存活等过程。在一项体外实验中，研究人员利用RNA干扰技术敲低肝细胞中FGFR或β-Klotho的表达，然后给予FGF21处理。结果发现，敲低FGFR或β-Klotho的表达后，FGF21对肝细胞增殖的促进作用显著减弱，同时，Ras-Raf-MEK-ERK和PI3K-AKT等信号通路的激活也受到明显抑制。这一实验结果表明，FGF21与肝细胞表面受体的结合是其激活下游信号通路、促进肝细胞增殖的关键步骤。FGF21与受体结合后激活的下游信号通路之间还存在相互作用和交叉调控。研究发现，ERK信号通路可以激活PI3K-AKT信号通路，而PI3K-AKT信号通路也可以通过磷酸化某些蛋白来调节ERK信号通路的活性。这些信号通路之间的协同作用和交叉调控，共同调节着肝细胞的增殖过程，确保肝细胞的生长和增殖能够适应机体的生理需求。3.2FGF21对肝细胞凋亡的影响3.2.1凋亡相关基因和蛋白的调控细胞凋亡是一种受到严格调控的程序性细胞死亡过程，对于维持肝脏的正常生理功能和组织稳态至关重要。在细胞凋亡过程中，Bcl-2家族蛋白和Caspase家族蛋白发挥着关键的调控作用。Bcl-2家族蛋白包括抗凋亡成员如Bcl-2、Bcl-xl等，以及促凋亡成员如Bax、Bak等。这些蛋白通过相互作用，调节线粒体膜的通透性，进而影响细胞色素C等凋亡因子的释放，启动细胞凋亡的级联反应。Caspase家族蛋白是细胞凋亡的主要执行者，它们以无活性的酶原形式存在于细胞中，在凋亡信号的刺激下被激活，通过级联反应切割多种底物，导致细胞凋亡的发生。FGF21对Bcl-2家族和Caspase等凋亡相关基因和蛋白的表达具有显著的调节作用。在急性肝损伤的小鼠模型中，给予FGF21处理后，肝脏中抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-xl的表达水平显著升高，而促凋亡蛋白Bax和Bak的表达水平则明显降低。进一步的实验分析表明，FGF21可以通过激活下游的细胞外信号调节激酶（ERK）和蛋白激酶B（AKT）信号通路，上调Bcl-2和Bcl-xl的表达，同时下调Bax和Bak的表达。在一项体外实验中，研究人员将原代肝细胞分为对照组和FGF21处理组，分别培养在正常培养基和含有不同浓度FGF21的培养基中。经过一定时间的培养后，通过实时定量PCR和蛋白质免疫印迹分析检测Bcl-2家族蛋白的表达水平。结果显示，与对照组相比，FGF21处理组中Bcl-2和Bcl-xl的mRNA和蛋白质表达水平均呈剂量依赖性升高，而Bax和Bak的mRNA和蛋白质表达水平则呈剂量依赖性降低。这一实验结果直接证明了FGF21能够在体外调节肝细胞中Bcl-2家族蛋白的表达，抑制细胞凋亡。FGF21还可以通过调节Caspase家族蛋白的活性和表达来影响肝细胞凋亡。研究表明，在FGF21处理的肝细胞中，Caspase-3、Caspase-8和Caspase-9等凋亡执行蛋白的活性显著降低，其蛋白表达水平也明显下降。这表明FGF21能够抑制Caspase家族蛋白的激活，从而阻断细胞凋亡的执行。在一项体内实验中，研究人员通过构建FGF21基因敲除小鼠模型，观察其在肝损伤条件下肝细胞凋亡的情况。结果发现，与野生型小鼠相比，FGF21基因敲除小鼠在肝损伤后肝细胞凋亡明显增加，Caspase-3、Caspase-8和Caspase-9的活性和表达水平也显著升高。给予外源性FGF21后，FGF21基因敲除小鼠肝细胞凋亡明显减少，Caspase家族蛋白的活性和表达水平也恢复到正常水平。这一实验结果表明，FGF21在体内可以通过抑制Caspase家族蛋白的活性和表达，发挥抗肝细胞凋亡的作用。3.2.2抗氧化应激与凋亡的关系氧化应激是指机体在遭受各种有害刺激时，体内氧化与抗氧化系统失衡，导致活性氧（ROS）产生过多，从而对细胞和组织造成损伤的一种状态。在肝脏中，氧化应激是导致肝细胞凋亡的重要因素之一。当肝脏受到氧化应激损伤时，会产生大量的ROS，如超氧阴离子（O2-）、过氧化氢（H2O2）和羟自由基（・OH）等。这些ROS可以攻击细胞膜、蛋白质和核酸等生物大分子，导致细胞膜脂质过氧化、蛋白质变性和DNA损伤，从而激活细胞凋亡信号通路，诱导肝细胞凋亡。FGF21具有强大的抗氧化应激作用，其通过多种途径减轻氧化应激对肝细胞的损伤，从而抑制肝细胞凋亡。FGF21可以上调抗氧化酶的表达，增强肝细胞的抗氧化能力。在氧化应激损伤的肝细胞模型中，给予FGF21处理后，细胞内超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）和过氧化氢酶（CAT）等抗氧化酶的活性显著升高，其mRNA和蛋白质表达水平也明显增加。SOD可以催化超氧阴离子转化为过氧化氢，GSH-Px和CAT则可以将过氧化氢分解为水和氧气，从而清除细胞内的ROS，减轻氧化应激损伤。在一项体外实验中，研究人员将肝癌细胞系HepG2分为对照组和FGF21处理组，分别给予正常培养基和含有FGF21的培养基培养，同时用过氧化氢诱导氧化应激损伤。经过一段时间后，通过检测细胞内ROS水平和抗氧化酶活性发现，FGF21处理组细胞内ROS水平明显降低，SOD、GSH-Px和CAT的活性显著升高。这一实验结果表明，FGF21能够在体外上调抗氧化酶的活性，减轻氧化应激对肝细胞的损伤。FGF21还可以通过调节细胞内的氧化还原信号通路，抑制氧化应激诱导的细胞凋亡。研究发现，FGF21可以激活核因子E2相关因子2（Nrf2）信号通路，Nrf2是细胞内重要的抗氧化转录因子，它可以与抗氧化反应元件（ARE）结合，上调一系列抗氧化基因的表达。在FGF21处理的肝细胞中，Nrf2的核转位明显增加，其下游抗氧化基因如血红素加氧酶1（HO-1）、NAD（P）H醌氧化还原酶1（NQO1）等的表达水平也显著升高。这些抗氧化基因的产物可以进一步增强肝细胞的抗氧化能力，抑制氧化应激诱导的细胞凋亡。FGF21还可以抑制丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号通路的激活，MAPK信号通路在氧化应激诱导的细胞凋亡中起着重要作用。在氧化应激损伤的肝细胞中，MAPK信号通路被激活，导致细胞凋亡相关蛋白的表达增加。而FGF21可以通过抑制MAPK信号通路的激活，减少细胞凋亡相关蛋白的表达，从而抑制肝细胞凋亡。这些研究表明，FGF21通过抗氧化应激途径，有效抑制了氧化应激对肝细胞的损伤，进而抑制了肝细胞凋亡，对肝脏起到了重要的保护作用。3.3FGF21对肝细胞分化的影响3.3.1分化相关基因的表达调控白蛋白是肝细胞分化的重要标志蛋白之一，它主要在肝脏中合成，其表达水平能够反映肝细胞的分化程度。在胚胎发育过程中，随着肝脏的逐渐发育，白蛋白基因的表达逐渐上调，标志着肝细胞向成熟肝细胞分化。细胞色素P450是一类参与药物代谢和内源性物质代谢的关键酶系，在肝细胞中具有多种亚型，如CYP1A2、CYP2E1等。不同亚型的细胞色素P450在肝细胞分化过程中的表达模式和功能各异，它们的表达水平和活性也与肝细胞的分化状态密切相关。FGF21对肝细胞分化相关基因如白蛋白、细胞色素P450等的表达具有显著的调节作用。在一项体外实验中，研究人员将人肝癌细胞系HepG2诱导分化为肝细胞样细胞，同时给予不同浓度的FGF21处理。经过一段时间的培养后，通过实时定量PCR和蛋白质免疫印迹分析检测发现，随着FGF21浓度的增加，白蛋白的mRNA和蛋白质表达水平均显著升高。这表明FGF21能够促进肝细胞样细胞中白蛋白的表达，增强肝细胞的分化特征。在细胞色素P450方面，研究发现FGF21处理后，肝细胞样细胞中CYP1A2和CYP2E1的mRNA和蛋白质表达水平也发生了明显变化。FGF21可以上调CYP1A2的表达，增强其活性，从而提高肝细胞对药物的代谢能力；同时，FGF21还可以调节CYP2E1的表达，减少其对氧化应激的敏感性，保护肝细胞免受损伤。FGF21调节分化相关基因表达的机制可能与多种信号通路和转录因子有关。研究表明，FGF21可以激活细胞外信号调节激酶（ERK）和蛋白激酶B（AKT）信号通路，这些信号通路可以通过磷酸化下游的转录因子，如肝细胞核因子4α（HNF4α）、CCAAT增强子结合蛋白α（C/EBPα）等，促进它们与白蛋白、细胞色素P450等基因的启动子区域结合，从而调节这些基因的转录表达。在一项体内实验中，研究人员构建了FGF21基因敲除小鼠模型，观察其肝脏中分化相关基因的表达情况。结果发现，与野生型小鼠相比，FGF21基因敲除小鼠肝脏中白蛋白、CYP1A2和CYP2E1的mRNA和蛋白质表达水平均显著降低。这进一步证明了FGF21在体内对肝细胞分化相关基因表达的重要调节作用。3.3.2在肝脏发育和再生中的作用在胚胎发育过程中，肝脏的发育是一个复杂而有序的过程，涉及多个阶段和多种细胞类型的相互作用。在肝脏发育的早期阶段，内胚层细胞逐渐分化为肝祖细胞，肝祖细胞进一步分化为肝细胞和胆管细胞。在这个过程中，多种生长因子和信号通路发挥着关键作用，如肝细胞生长因子（HGF）、成纤维细胞生长因子（FGF）等。FGF21在肝脏发育过程中对肝细胞分化起着重要的调控作用。研究表明，在胚胎肝脏发育过程中，FGF21的表达水平逐渐升高，与肝细胞的分化进程密切相关。在FGF21基因敲除的胚胎中，肝脏发育出现明显异常，肝细胞的分化受到抑制，肝祖细胞向成熟肝细胞的分化过程受阻。这表明FGF21是肝脏发育过程中肝细胞分化所必需的重要因子，它可以促进肝祖细胞的增殖和分化，推动肝脏的正常发育。肝脏再生是肝脏在受到损伤后恢复其结构和功能的重要过程，肝细胞的分化在肝脏再生中起着关键作用。当肝脏受到损伤时，残存的肝细胞会被激活，进入细胞周期进行增殖，同时，一些肝祖细胞也会被激活并分化为肝细胞，以补充受损的肝细胞。FGF21在肝脏再生过程中对肝细胞分化具有显著的影响。在部分肝切除的小鼠模型中，研究人员发现给予外源性FGF21能够显著促进肝脏的再生，增加肝细胞的增殖和分化。进一步的实验分析表明，FGF21处理后，肝脏中与肝细胞分化相关的基因表达显著上调，如白蛋白、细胞色素P450等。这表明FGF21可以通过促进肝细胞分化相关基因的表达，加速肝细胞的分化，从而促进肝脏的再生。FGF21在肝脏发育和再生中影响肝细胞分化的机制可能与多种因素有关。一方面，FGF21可以通过激活下游的信号通路，如ERK、AKT等，调节细胞周期相关蛋白和转录因子的表达，促进肝细胞的增殖和分化。另一方面，FGF21还可以调节细胞外基质的组成和结构，为肝细胞的分化提供适宜的微环境。研究发现，FGF21可以上调基质金属蛋白酶（MMPs）的表达，促进细胞外基质的降解和重塑，从而有利于肝细胞的迁移和分化。FGF21还可以通过调节炎症反应和免疫细胞的功能，为肝脏发育和再生创造有利的条件，间接促进肝细胞的分化。四、FGF21调节肝细胞代谢和生长的分子机制4.1FGF21的信号传导通路4.1.1FGFR-Klotho复合物介导的信号通路FGF21的信号传导主要依赖于成纤维细胞生长因子受体（FGFR）与Klotho蛋白形成的复合物。FGFR属于受体酪氨酸激酶家族，包含多个亚型，如FGFR1、FGFR2、FGFR3和FGFR4等，不同亚型在肝细胞中的表达和功能存在一定差异。β-Klotho是一种单跨膜蛋白，作为FGF21信号传导的必需共受体，与FGFR形成复合物，极大地增强了FGFR对FGF21的亲和力和特异性。当FGF21与FGFR和β-Klotho组成的受体复合物结合后，会引发FGFR的二聚化和自身磷酸化，从而启动下游信号转导过程。在这一过程中，受体复合物激活的关键激酶包括丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）家族成员细胞外信号调节激酶（ERK）和磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）-蛋白激酶B（AKT）等。在ERK信号通路中，FGF21与受体复合物结合后，使FGFR磷酸化，进而招募生长因子受体结合蛋白2（Grb2）和鸟苷酸交换因子SOS，形成FGFR-Grb2-SOS复合物。SOS激活Ras蛋白，使其结合GTP，激活的Ras蛋白再激活Raf蛋白，Raf蛋白进一步磷酸化并激活MEK蛋白，MEK蛋白再磷酸化并激活ERK蛋白。激活的ERK可以磷酸化多种底物，如转录因子、细胞周期相关蛋白等，从而调节细胞的增殖、分化和存活等过程。在PI3K-AKT信号通路中，FGF21与受体复合物结合后，激活PI3K，PI3K催化磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸（PIP2）生成磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸（PIP3）。PIP3招募AKT到细胞膜上，并在磷酸肌醇依赖性激酶1（PDK1）和mTORC2的作用下，使AKT磷酸化并激活。激活的AKT可以磷酸化多种底物，如糖原合成酶激酶3β（GSK3β）、叉头框蛋白O1（FOXO1）等，从而调节细胞的生长、增殖和存活等过程。4.1.2下游信号分子的激活与作用ERK信号通路被激活后，会对肝细胞代谢和生长相关基因的表达产生重要影响。激活的ERK可以磷酸化并激活下游的转录因子，如Elk-1、c-Fos等。这些转录因子可以结合到特定的基因启动子区域，调节基因的转录表达。在肝细胞代谢方面，ERK信号通路可以调节脂肪酸代谢相关基因的表达。研究表明，激活的ERK可以上调肉碱棕榈酰转移酶1α（CPT1α）等脂肪酸氧化关键酶的基因表达，促进脂肪酸进入线粒体进行β-氧化，增加能量消耗，减少脂肪在肝脏中的堆积。在肝细胞生长方面，ERK信号通路可以促进细胞周期相关基因的表达。它可以结合到细胞周期蛋白D1（CyclinD1）等基因的启动子区域，促进其转录表达，加速肝细胞从G1期向S期的转换，促进肝细胞的增殖。AKT信号通路的激活同样对肝细胞代谢和生长相关基因的表达有着显著的调节作用。激活的AKT可以磷酸化并抑制GSK3β的活性，GSK3β是一种蛋白激酶，它可以磷酸化并抑制CyclinD1等细胞周期蛋白的表达。AKT对GSK3β的抑制作用，使得CyclinD1的表达增加，促进肝细胞的增殖。AKT还可以磷酸化并抑制FOXO1的活性，FOXO1是一种重要的转录因子，它可以结合到糖异生关键酶磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PEPCK）和葡萄糖-6-磷酸酶（G6Pase）等基因的启动子区域，促进其转录表达。AKT对FOXO1的抑制作用，使得PEPCK和G6Pase的表达下调，从而抑制糖异生作用，减少葡萄糖的生成，维持血糖的稳定。在蛋白质代谢方面，AKT可以通过激活mTOR信号通路，促进蛋白质的合成。AKT还可以调节其他代谢途径相关基因的表达，如通过调节脂肪酸合成酶（FAS）等基因的表达，影响脂肪酸的合成。4.2转录因子的调控作用4.2.1PPARα等转录因子的调节过氧化物酶体增殖物激活受体α（PPARα）是一种核受体转录因子，在肝细胞代谢中发挥着核心作用，尤其是在脂肪酸代谢和能量稳态的维持方面。在禁食或高脂饮食等代谢应激状态下，肝脏中PPARα被激活，其激活机制主要是通过与内源性配体如脂肪酸及其衍生物结合，从而发生构象变化，招募共激活因子，形成转录激活复合物。激活的PPARα可以结合到靶基因启动子区域的特定DNA序列，即过氧化物酶体增殖物反应元件（PPRE）上，启动靶基因的转录。FGF21与PPARα之间存在紧密的相互调节关系。一方面，PPARα可以直接调控FGF21的表达。研究表明，在禁食或给予PPARα激动剂处理的动物模型中，肝脏中FGF21的mRNA和蛋白质表达水平显著升高。进一步的机制研究发现，PPARα可以结合到FGF21基因启动子区域的PPRE上，促进FGF21基因的转录。在一项体外实验中，研究人员将含有FGF21基因启动子区域的报告基因载体转染到肝细胞中，同时过表达PPARα。结果发现，与对照组相比，过表达PPARα组的报告基因荧光素酶活性显著增强，表明PPARα可以直接激活FGF21基因的转录。另一方面，FGF21也可以通过激活下游信号通路，反馈调节PPARα的活性。研究发现，FGF21可以激活AMPK信号通路，激活的AMPK可以磷酸化PPARα，增强其与PPRE的结合能力，从而进一步上调PPARα靶基因的表达。除了PPARα，肝细胞核因子4α（HNF4α）也是一种重要的转录因子，在肝细胞代谢和生长中发挥着关键作用。HNF4α可以调控肝细胞中多种代谢酶和转运蛋白的表达，维持肝细胞的正常代谢功能。FGF21与HNF4α之间也存在相互调节关系。研究表明，FGF21可以通过激活下游的ERK和AKT信号通路，促进HNF4α的表达和活性。在一项体内实验中，给予FGF21处理的小鼠肝脏中，HNF4α的mRNA和蛋白质表达水平显著升高，同时，HNF4α靶基因如白蛋白、细胞色素P450等的表达也明显上调。这表明FGF21可以通过调节HNF4α的表达和活性，间接影响肝细胞的代谢和生长。4.2.2对代谢和生长相关基因表达的影响PPARα作为关键的转录因子，在FGF21调节肝细胞代谢和生长过程中，对众多代谢和生长相关基因的表达发挥着重要的调控作用。在脂肪酸代谢方面，PPARα可以调控肉碱棕榈酰转移酶1α（CPT1α）基因的表达。CPT1α是脂肪酸β-氧化过程中的关键酶，它催化脂肪酸与肉碱结合，形成脂酰肉碱，从而使脂肪酸能够进入线粒体进行β-氧化。研究表明，在FGF21处理的肝细胞中，PPARα被激活，结合到CPT1α基因启动子区域的PPRE上，促进CPT1α基因的转录，使CPT1α的mRNA和蛋白质表达水平显著升高。这使得脂肪酸能够更有效地进入线粒体进行β-氧化，增加能量消耗，减少肝脏脂肪堆积。在一项体内实验中，给予FGF21处理的高脂饮食诱导的肥胖小鼠，肝脏中CPT1α的表达明显上调，甘油三酯含量显著降低。这表明FGF21通过激活PPARα，上调CPT1α的表达，促进了脂肪酸的氧化代谢，改善了肝脏的脂肪代谢紊乱。PPARα还可以调控脂肪酸转运蛋白1（FATP1）基因的表达。FATP1负责将脂肪酸转运到肝细胞内，其表达水平直接影响脂肪酸的摄取。研究发现，在FGF21激活PPARα的情况下，FATP1基因的转录被促进，FATP1的mRNA和蛋白质表达水平升高。这使得肝细胞能够摄取更多的脂肪酸，为脂肪酸氧化提供充足的底物，同时也避免了脂肪酸在细胞外的堆积，维持了脂肪酸代谢的平衡。在一项体外实验中，用FGF21处理原代肝细胞，检测发现FATP1的表达明显增加，细胞对脂肪酸的摄取能力增强。这表明FGF21通过PPARα调控FATP1的表达，影响了肝细胞对脂肪酸的摄取和代谢。在肝细胞生长方面，PPARα对细胞周期蛋白D1（CyclinD1）基因的表达具有重要的调控作用。CyclinD1是G1期向S期转变的关键调节蛋白，它与细胞周期蛋白依赖性激酶2（CDK2）结合形成复合物，激活CDK2的激酶活性，从而促进细胞周期的进程。研究表明，在FGF21处理的肝细胞中，PPARα可以结合到CyclinD1基因启动子区域的PPRE上，促进CyclinD1基因的转录，使CyclinD1的mRNA和蛋白质表达水平升高。这加速了肝细胞从G1期向S期的转换，促进了肝细胞的增殖。在一项体内实验中，给予FGF21处理的部分肝切除小鼠，肝脏中CyclinD1的表达明显上调，肝细胞的增殖指数显著增加。这表明FGF21通过激活PPARα，上调CyclinD1的表达，促进了肝细胞的增殖，有利于肝脏的再生和修复。4.3非编码RNA的参与4.3.1miRNA对FGF21信号通路的调控微小RNA（miRNA）是一类长度约为22个核苷酸的非编码RNA分子，在基因表达调控中发挥着至关重要的作用。它们通过与靶mRNA的互补序列结合，抑制靶基因的翻译或诱导其降解，从而实现对基因表达的精细调控。在FGF21信号通路中，特定的miRNA对关键分子的靶向调控作用逐渐受到关注。研究发现，miR-149是潜在靶向调控FGF21的miRNA之一。在胰岛β细胞中，miR-149的过表达可显著抑制FGF21的荧光素酶活性，当FGF21的3'非翻译区（3'UTR）中miR-149结合位点突变后，荧光素酶活性恢复。这表明miR-149能够通过直接结合FGF21的3'UTR，抑制FGF21的翻译过程，从而降低FGF21的表达水平。进一步的研究发现，在大鼠胰岛素瘤细胞株（INS-1）胰岛β细胞中，过表达miR-149不仅靶向抑制FGF21mRNA与蛋白表达，还会进而降低细胞内胰岛素含量及分泌量。而当外源过表达FGF21时，miR-149对胰岛素分泌的抑制作用得以恢复。这一系列实验结果表明，miR-149通过靶向抑制FGF21的表达，影响了胰岛β细胞中胰岛素的分泌，揭示了miR-149在FGF21信号通路中对胰岛素分泌的调控作用。在肝细胞中，也存在一些miRNA对FGF21信号通路关键分子的调控作用。研究表明，miR-34a可以靶向抑制FGFR1的表达，FGFR1是FGF21信号通路中的重要受体。在体外实验中，过表达miR-34a后，肝细胞中FGFR1的mRNA和蛋白质表达水平显著降低，同时，FGF21激活下游ERK和AKT信号通路的能力也受到明显抑制。这表明miR-34a通过靶向FGFR1，干扰了FGF21信号通路的正常传导，从而影响了肝细胞的代谢和生长。在肝脏疾病状态下，如非酒精性脂肪肝中，miR-34a的表达水平发生明显变化，其对FGFR1的调控作用可能进一步影响FGF21信号通路，参与肝脏疾病的发生发展过程。4.3.2lncRNA在肝细胞代谢和生长中的作用长链非编码RNA（lncRNA）是一类长度超过200个核苷酸的非编码RNA，虽然它们不具备蛋白质编码能力，但在基因表达调控、细胞分化和发育等多种生物过程中发挥着重要作用。在肝细胞中，lncRNA与FGF21相互作用，共同调节肝细胞的代谢和生长。研究发现，某些lncRNA可以通过与FGF21及其信号通路中的关键分子相互作用，影响肝细胞的代谢和生长。例如，lncRNA-H19在肝脏中高表达，它可以与FGF21的mRNA结合，影响FGF21的稳定性和翻译效率。在体外实验中，敲低lncRNA-H19的表达后，肝细胞中FGF21的mRNA和蛋白质表达水平显著降低，同时，脂肪酸氧化相关基因的表达也受到抑制，肝细胞的脂肪代谢出现紊乱。这表明lncRNA-H19通过与FGF21相互作用，参与了肝细胞脂肪代谢的调节。进一步的机制研究发现，lncRNA-H19可以招募相关的RNA结合蛋白，形成RNA-蛋白复合物，影响FGF21mRNA的稳定性和翻译起始过程。lncRNA还可以通过调节FGF21信号通路中的关键信号分子，间接影响肝细胞的代谢和生长。例如，lncRNA-MALAT1可以通过激活JAK/STAT信号通路，促进肝细胞的增殖和再生。研究表明，在部分肝切除的小鼠模型中，lncRNA-MALAT1的表达显著上调，同时，FGF21信号通路中的关键分子如STAT3的磷酸化水平也明显增加。敲低lncRNA-MALAT1的表达后，肝细胞的增殖能力显著降低，FGF21对肝细胞增殖的促进作用也受到抑制。这表明lncRNA-MALAT1通过激活JAK/STAT信号通路，增强了FGF21对肝细胞增殖的促进作用，参与了肝脏再生过程中肝细胞生长的调节。在肝脏疾病中，如肝癌中，lncRNA-MALAT1的表达异常升高，其与FGF21信号通路的相互作用可能进一步影响肝癌细胞的增殖和转移，为肝癌的治疗提供了新的潜在靶点和研究方向。五、基于FGF21的疾病与治疗策略5.1FGF21与肝脏疾病的关联5.1.1非酒精性脂肪肝（NAFLD）非酒精性脂肪肝（NAFLD）是一种与胰岛素抵抗和遗传易感性密切相关的代谢应激性肝脏损伤，其病理特征主要表现为肝脏脂肪过度沉积，可进一步发展为非酒精性脂肪性肝炎（NASH）、肝硬化甚至肝癌。近年来，大量临床研究表明，FGF21水平与NAFLD的发病、病情进展及严重程度存在紧密的相关性。众多临床研究显示，NAFLD患者的血清FGF21水平显著高于健康人群，且随着病情的进展，FGF21水平呈逐渐升高的趋势。一项纳入了200例NAFLD患者和100例健康对照者的临床研究发现，NAFLD患者血清FGF21水平明显高于对照组，且与肝脏脂肪含量、丙氨酸氨基转移酶（ALT）、天门冬氨酸氨基转移酶（AST）等肝功能指标呈正相关。在另一项对不同程度NAFLD患者的研究中，轻度NAFLD患者血清FGF21水平为（150.2±30.5）pg/mL，中度患者为（205.6±40.8）pg/mL，重度患者则高达（280.5±50.2）pg/mL，呈现出明显的剂量依赖性升高。这表明FGF21水平可作为评估NAFLD病情严重程度的潜在生物标志物。FGF21水平与NAFLD患者的胰岛素抵抗程度密切相关。胰岛素抵抗是NAFLD发病的重要机制之一，它会导致肝脏对胰岛素的敏感性降低，从而促进肝脏脂肪的合成和沉积。研究发现，NAFLD患者血清FGF21水平与胰岛素抵抗指数（HOMA-IR）呈显著正相关，即胰岛素抵抗越严重，FGF21水平越高。在一项针对2型糖尿病合并非酒精性脂肪肝患者的研究中，通过多元线性回归分析发现，血清FGF21水平是影响HOMA-IR的独立危险因素。这提示FGF21可能在NAFLD患者胰岛素抵抗的发生发展过程中发挥重要作用，其升高可能是机体对胰岛素抵抗的一种代偿性反应。FGF21还与NAFLD患者的血脂代谢紊乱密切相关。NAFLD患者常伴有血脂异常，如甘油三酯（TG）升高、高密度脂蛋白胆固醇（HDL-C）降低等。临床研究表明，血清FGF21水平与NAFLD患者的TG、总胆固醇（TC）水平呈正相关，与HDL-C水平呈负相关。在一项对150例NAFLD患者的研究中，发现血清FGF21水平与TG水平的相关系数为0.56，与HDL-C水平的相关系数为-0.48。这表明FGF21可能参与了NAFLD患者血脂代谢的调节，其水平的变化可能反映了血脂代谢紊乱的程度。5.1.2肝硬化和肝癌肝硬化是一种常见的慢性进行性肝病，由一种或多种病因长期或反复作用形成的弥漫性肝损害，其病理特征主要为肝细胞广泛坏死、残存肝细胞结节性再生、结缔组织增生及纤维隔形成，导致肝脏正常结构和血供遭到破坏。肝癌则是指发生于肝脏的恶性肿瘤，包括原发性肝癌和转移性肝癌两种，其中原发性肝癌是临床上最常见的恶性肿瘤之一，其发病与肝硬化、病毒性肝炎、黄曲霉毒素等多种因素密切相关。FGF21在肝硬化和肝癌的发生发展过程中发挥着重要作用，其潜在机制涉及多个方面。在肝硬化的发生发展过程中，FGF21可能通过调节肝星状细胞的活化和增殖来影响肝脏纤维化的进程。肝星状细胞是肝脏纤维化的主要细胞来源，在正常情况下，肝星状细胞处于静止状态，当肝脏受到损伤时，肝星状细胞被激活，转化为肌成纤维细胞，大量合成和分泌胶原蛋白等细胞外基质，导致肝脏纤维化的发生。研究表明，FGF21可以抑制肝星状细胞的活化和增殖，减少胶原蛋白的合成和分泌，从而延缓肝硬化的进展。在一项体外实验中，用FGF21处理肝星状细胞后，发现细胞的增殖能力明显受到抑制，α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）和Ⅰ型胶原蛋白等纤维化标志物的表达水平显著降低。这表明FGF21可以直接作用于肝星状细胞，抑制其活化和增殖，发挥抗肝脏纤维化的作用。FGF21还可以通过调节肝脏的氧化应激和炎症反应来影响肝硬化的发生发展。氧化应激和炎症反应在肝硬化的发病机制中起着重要作用，它们会导致肝细胞损伤、坏死，促进肝星状细胞的活化和增殖，进而加速肝脏纤维化的进程。FGF21具有强大的抗氧化应激和抗炎作用，它可以上调抗氧化酶的表达，增强肝细胞的抗氧化能力，减少氧化应激对肝细胞的损伤。FGF21还可以抑制炎症因子的释放，减轻肝脏的炎症反应。在一项体内实验中，给予肝硬化小鼠模型FGF21治疗后，发现肝脏中丙二醛（MDA）含量显著降低，超氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）等抗氧化酶的活性明显增强，同时，肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素-6（IL-6）等炎症因子的表达水平也显著降低。这表明FGF21可以通过抗氧化应激和抗炎作用，减轻肝脏损伤，延缓肝硬化的发展。在肝癌的发生发展过程中，FGF21的作用较为复杂，其既可能发挥抗肿瘤作用，也可能在某些情况下促进肿瘤的生长和转移，具体取决于肿瘤的类型、微环境以及相关信号通路的激活状态。一方面，FGF21可以通过抑制肝癌细胞的增殖和转移，发