中国生物工程杂志  2017, Vol. 37 Issue (4): 110-114

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郑婕, 姜潮, 李校堃, 田海山.
ZHENG Jie, JIANG Chao, LI Xiao-kun, TIAN Hai-shan.
成纤维细胞生长因子6(FGF6(的研究进展
The Progression of Fibroblast Growth Factor 6
中国生物工程杂志, 2017, 37(4): 110-114
China Biotechnology, 2017, 37(4): 110-114
http://dx.doi.org/DOI:10.13523/j.cb.20170415

文章历史

收稿日期: 2016-10-18
修回日期: 2016-11-26
成纤维细胞生长因子6(FGF6(的研究进展
郑婕1, 姜潮1,2, 李校堃1,2, 田海山1     
1. 温州医科大学药学院 温州 325035
2. 温州大学生物医药协同创新中心 温州 325035
摘要: 成纤维细胞生长因子6(fibroblast growth factor 6,FGF6)是成纤维细胞生长因子家族(FGFs)的成员之一,主要通过与酪氨酸激酶受体(fibroblast growth factor receptor,FGFR)1和4结合发挥其生物学活性。研究发现,人FGF6几乎都积聚在肌源性细胞系中,参与肌源性细胞系的增殖及分化,在肌肉修复和再生过程中起重要作用,同时它还是一个重要的调节骨生成和骨重建的因子;FGF6在心脏中也有表达,进一步试验结果表明其具有促进心肌细胞增殖及保护心肌细胞凋亡的作用;在成体睾丸和乳腺癌中也检测到有FGF6的转录物,表明其在肿瘤发生发展中的作用。目前,FGF6在多种疾病中的功能和相关机制仍有待进一步研究和确认,但其所具备的生物学活性尤其是在肌肉再生方面具有重要的意义和巨大的应用潜力。
关键词: 成纤维细胞生长因子6     酪氨酸激酶受体     肌源性细胞     肌肉再生    
The Progression of Fibroblast Growth Factor 6
ZHENG Jie1, JIANG Chao1,2, LI Xiao-kun1,2, TIAN Hai-shan1     
1. School of Pharmaceutical Science, Wenzhou Medical University, Whenzhou 325035, China;
2. Biomedicine Collaborative Innovation Center, Wenzhou University, Wenzhou 325035, China
Abstract: Fibroblast growth factor 6 (FGF6) is a member of the fibroblast growth factor family (FGFs), induces a transduction signal preferentially via FGFR1 and FGFR4. It has been found, the human FGF6 participates in the proliferation and differentiation of muscle-derived cell lines, accumulated almost exclusively in the myogenic lineage, playing an important role in muscle repair and regeneration. At the same time, FGF6 is an important regulator of bone formation and bone remodeling; it also expressed in the heart, indicating that it can promote myocardial cell proliferation and protect the apoptosis of myocardial cells; in the adult testis FGF6 transcript is also detected, indicating that it plays a role in prostate cancer. At present, it remained to be further studied and confirmed the function and the related mechanisms of FGF6 in a variety of diseases, but its biological activity especially in muscle regeneration has important significance and great potential application.
Key words: Fibroblast growth factor 6     Fibroblast growth factor receptor     Muscle-derived cell lines     Muscle regeneration    

成纤维细胞生长因子 (fibroblast growth factor,FGF) 又称肝素结合因子,是一个多基因家族,在促进胚胎发育、组织形成与修复、血管形成、肿瘤发生与转移等生理及病理过程中有着重要作用[1]。它是一类通过与靶细胞膜表面受体结合发挥其生物学效应、调节细胞生长的肽类分子[2]。FGF家族 (FGFs) 有23个成员,大多数都能特异性结合酪氨酸激酶受体 (fibroblast growth factor receptor,FGFR),从而启动FGFR的信号转导途径,发挥相关生物学功能。脊椎动物FGF家族分子量在17~34kDa之间不等,并在结构上都有120个氨基酸残基组成的保守核心,家族成员间有30%~70%的序列同源性。23个FGFs分为旁分泌 (FGF 1-10、16-18、20、22)、内分泌 (FGF 15/19、21、23) 和胞分泌 (FGF 11-14)3种类型[3-4]。FGF1、FGF2、FGF4和FGF6等FGFs作为卫星细胞的分裂素,可以促进卫星细胞增殖,并在成体骨骼肌的转录和蛋白质水平上能够检测到[5-6]

成纤维细胞生长因子6(fibroblast growth factor 6,FGF6) 是成纤维细胞生长因子家族 (FGFs) 的成员之一,对肌生成起作用,主要表达在骨骼肌组织中[7]。FGF6能促进肌肉再生,加速肌细胞的增殖和分化,具有潜在的临床价值。研究发现FGF6在嘴、舌、咽和颈部肌肉中也有表达[8-9]。在成体睾丸中也检测到其转录物的存在,但FGF6对人类前列腺癌的重要作用仍需进一步研究。另外,还有研究发现FGF6基因可促进心肌细胞的增殖及保护心肌细胞的凋亡。作为FGF家族成员之一,FGF6具有多种生物学功能,在血管再生、骨生成、舌头发育等方面也有一定的功效。

1 FGF6的结构

鼠FGF6的基因定位于6号染色体的F3-G1区域,人类FGF6基因定位于染色体12p13,共有约15 kb的3个外显子,其编码的蛋白由208个氨基酸残基组成单链多肽,N端约有37个氨基酸残基的疏水信号肽序列,成熟蛋白有171个氨基酸 (38~208氨基酸残基),其理论分子质量为19 kDa,等电点约为9.73。人类和小鼠FGF6的氨基酸序列如图 1所示,呈现出93.3%的序列相似性[12],图中阴影部分为人类FGF6的信号肽。哺乳动物FGF6位点上的比较基因组学显示出人类、大鼠和小鼠FGF6启动子是高度保守的[10]。FGF6在结构上与FGF基因家族的其它成员是非常相似的,尤其与FGF4(70%)、FGF5(49%) 具有高度的序列同源性,三者共同组成一个亚家族。

图 1 人类和鼠FGF6氨基酸序列之间的同源性 Figure 1 The Homology between the amino acid sequence of the human and mouse FGF6
2 FGF6的受体

FGF6和其他FGF家族成员类似,都是通过与FGFR结合后进行细胞信号转导的[11]。作为FGF4亚家族中的一员,有报道表明FGF6的受体亲和力与FGF5的相近[12]。在这4个FGFRs中,通常认为FGFR1和FGFR4与成体肌细胞生成有关,观察到它们在刚分离的卫星细胞中有相对较高的转录水平[13],此外在蛋白水平上也已有所发现[14-15]

FGF6传导信号,优先通过与FGFR1和FGFR4的结合[14]。在体内及体外,高浓度的重组FGF6分别上调和下调FGFR1和FGFR4的表达:FGF6参与控制肌生成的不同阶段 (增殖和分化),取决于浓度和受体的利用。肌细胞中FGFR1介导ERK1/2信号通路主要是用于维持细胞的增殖,抑制细胞的分化[16]。肌肉再生过程中FGFR4是主要受体,因为抑制FGFR4会导致肌肉祖细胞分化的停滞,并且在分化的成肌细胞中能够检测到其强烈表达。

3 FGF6的作用机制

Armand等[17]提出FGF6在肌肉再生中有双重作用,既可以刺激成肌细胞增殖、迁移,又可以促进肌肉分化、肥大。目前,对FGF6在肌肉生成中的作用机制有如下观点:首先,肌肉损伤之后,FGF6的瞬时上调刺激了肌源性干细胞的增殖和迁移;其次FGF6下调,通过钙调神经磷酸酶信号传导通路[18]调节肌肉分化和肌肉表型,通过IGF-Ⅱ/IGF2R途径[19]调节肌纤维的大小。

4 FGF6的生物学功能 4.1 FGF6与骨骼肌再生

骨骼肌损伤是运动医学的常见损伤之一,损伤后再生修复过程中的许多机制性问题并未得到很好的解决。对骨骼肌的修复和再生的研究在骨骼肌损伤后的治疗和康复领域有很重要的临床意义。

受到严重损害的骨骼肌具有显著的再生能力[20],骨骼肌的再生是由卫星细胞所维持的[21]。成熟的骨骼肌卫星细胞 (satellite cells) 通常情况下是静止的,但发生损伤之后会被激活[22]。卫星细胞活化增殖之后,会演变成肌肉前体细胞 (muscle precursor cells,Mpc),存在细胞周期和融合,形成多核的肌管,进而发育成肌纤维,完成修复损伤的过程。如图 2所示,生长因子、转录因子和信号分子都会影响卫星细胞增殖和分化成肌纤维[23]。在骨骼肌细胞中,Ras/ MAPK信号通路在FGFR介导的促增殖和抗分化作用中起作用[24]

有研究表明,肌肉受到机械应力损伤时,FGF6能维持再生肌肉的完整性[25]。另外,FGF6在损伤的肌肉中表达上调,成肌调节因子 (myogenic regulatory factors,MRFs) 即MyoD和Myogenin的表达也有明显上调。在FGF6基因敲除小鼠中发现有严重的卫星细胞增殖缺陷,肌肉损伤后再生能力减弱,并伴有纤维化、肌管退化等症状。因此FGF6能够诱导静息的卫星细胞活化增殖,并分化成肌纤维,最终取代损坏的肌肉[26]

4.2 FGF6与心肌发育

先天性心脏病是指在胚胎发育时期由于心脏发育障碍而导致心脏形态、功能异常的疾病,主要是由遗传因素和环境因素造成的。Pax-8基因在调节心脏发育和心肌细胞凋亡的中有着重要作用[27]。在Pax-8基因敲除小鼠的心脏中发现FGF6的表达上调,可能是因为FGF6是Pax-8的下游基因而受到其调控,从而影响肌再生过程[28]。林素等[29]将携带FGF6基因的重组真核表达载体转染至大鼠H9c2心肌细胞中,使其得到有效过表达,测得心肌细胞的增殖能力变强,活化Caspase-3蛋白的表达下调,这说明FGF6能抵抗由血清饥饿引起的细胞凋亡,证实FGF6基因可促进心肌细胞的增殖及保护心肌细胞的凋亡。然而,目前此方面的研究较少,还需要进一步明确该基因与先天性心脏病的相关性。

图 2 多种因子对卫星细胞的调节作用 Figure 2 Regulation of various factors on the satellite cells
4.3 FGF6与骨生成

关节软骨损伤的修复是一个亟需解决的问题,通过软骨组织工程的治疗修复在临床试验研究中似乎得到了有希望的结果,但仍存在一个关键的问题:合适的细胞类型的选择。使用自体软骨细胞作为终末分化细胞是有限制的,因为它们的增殖潜力较低,但是培养的未分化的干细胞具有较高的增殖能力和分化潜力[30]。骨髓是最常用的组织源用来分离人间质干细胞 (human mesenchymal stem cells,hMSC),再以适当的条件进行诱导,就能分化成成骨细胞、软骨细胞或形成脂肪。

Grass等[31]已经发现FGF和TGFβ对骨节形成具有潜在作用,可以协同刺激软骨结节的形成。FGF6与TGFβ-2的结合可以提供一种新颖的手段来诱导hMSC的定向分化与增殖,以应用到软骨组织修复中。

有研究发现,FGF6诱导信号转导优先通过FGFR1(由成骨细胞和破骨细胞表达) 和FGFR4(由原代成骨细胞和成骨前体细胞表达)[32]。因此,在骨骼肌再生期间,FGF6可能是一个重要的调节骨生成和骨重构的因子,其在成骨细胞和破骨细胞中的活性证明了这一点。FGF6对破骨细胞分化的促进作用是通过MAP激酶的活化进行的。因此,研究推测FGF6是通过RANKL激活MAP激酶的信号传导途径,随后激活破骨细胞,完成骨生成[32]

4.4 FGF6与肿瘤

研究发现,FGF6与肿瘤细胞的发育密切相关,在肿瘤细胞的发育、凋亡过程中起重要作用[33]。Ropiguet等[34]已经发现,大约有半数的人类前列腺癌存在FGF6的增加。Penault-Llorca等[35]研究表明,3/10的乳腺癌细胞系和15%的原发性乳腺癌组织中也有FGF6的表达。而在正常前列腺和乳腺组织中则没有检测到FGF6的表达[36],而且FGF6可以促进正常的及肿瘤前列腺上皮细胞的增殖。因此,FGF6作为一种旁分泌生长因子在人类前列腺癌的研究进程中可能起着重要作用。

4.5 FGF6的其它生物学活性

有研究表明,FGF6具有很强的血管再生功能,它可以促进血管内皮细胞的生成,是血管新生诱导因子之一,注射FGF6还能使小鼠造成血管肿瘤[37]

另外,FGF6在小鼠的胚胎期第11.5天和12.5天时表达很低,从13.5天开始表达显著上调,这表明了FGF6在舌部的分化期间起作用[38]。这一结果与以前的研究成果相一致:在舌头肌肉发生期间,FGF6作为Smad4介导的TGFβ信号的下游来控制成肌分化和成肌细胞融合[39]

5 结语

综上所述,FGF6作为成纤维细胞生长因子家族中的一员,具有多种生物学功能。在肌肉再生、心肌发育、血管形成、骨生成等方面有着潜在的临床应用价值,尤其是在肌肉再生方面具有重要的意义和巨大的潜力。同时,多种临床资料与实验数据表明,FGF6在前列腺癌和乳腺癌的发生中可能起着重要作用,这亟需作进一步的确认。

迄今为止,关于FGF6的各种疾病的研究仍处于起始阶段,进一步明确其在不同组织中所发挥的作用及疾病过程中的基因调控机制,对人类相关疾病的临床治疗具有重要的意义。基于此,进一步研究及阐明其特定功能和作用机制已迫在眉睫。

参考文献
[1] Beenken A, Mohammadi M. The FGF family:biology, pathophysiology and therapy. Nat Rev Drug Discov, 2009, 8(3) : 235–253. DOI:10.1038/nrd2792
[2] 于欣, 张建中. 成纤维细胞生长因子及其受体研究进展. 宁夏医学院学报, 2004, 26(2) : 132–135. Yu X, Zhang J Z. The research progress of fibroblast growth factors and resceptors. Journal of Ningxia Medical University, 2004, 26(2) : 132–135.
[3] Itoh N, Ornitz D M. Fibroblast growth factors:from molecular evolution to roles in development, metabolism and disease. J Biochem, 2011, 149(2) : 121–130. DOI:10.1093/jb/mvq121
[4] Ohta H, Itoh N. Roles of FGFs as adipokines in adipose tissue development, remodeling, and metabolism. Front Endocrinol (Lausanne), 2014, 5(18) : 1–4.
[5] Fon Tacer K, Bookout A L, Ding X, et al. Research resource:comprehensive expression atlas of the fibroblast growth factor system in adult mouse. Mol Endocrinol, 2010, 24(10) : 2050–2064. DOI:10.1210/me.2010-0142
[6] Chakkalakal J V, Jones K M, Basson M A, et al. The aged niche disrupts muscle stem cell quiescence. Nature, 2012, 490(7420) : 355–360. DOI:10.1038/nature11438
[7] Armand A S, Laziz I, Chanoine C. FGF6 in myogenesis. Biochim Biophys Acta, 2006, 1763(8) : 773–778. DOI:10.1016/j.bbamcr.2006.06.005
[8] Kumar M, Chapman S C. Cloning and expression analysis of Fgf5, 6 and 7 during early chick development. Gene Expr Patterns, 2012, 12(7-8) : 245–253. DOI:10.1016/j.gep.2012.05.002
[9] Han A, Zhao H, Li J, et al. ALK5-mediated transforming growth factor β signaling in neural crest cells controls craniofacial muscle development via tissue-tissue interactions. Mol Cell Biol, 2014, 34(16) : 3120–3131. DOI:10.1128/MCB.00623-14
[10] Katoh Y, Katoh M. Comparative genomics on mammalian Fgf6-Fgf23 locus. Int J Mol Med, 2005, 16(2) : 355–358.
[11] 时小燕, 郭靓. 成纤维细胞生长因子家族:生物学特性, 病理生理学作用及相关治疗方法. 国际药学研究杂志, 2009, 36(5) : 376–379. Shi X Y, Guo L. Fibroblast growth factor family:biological characteristics, pathophysiological role and related treatment methods. Journal of International Pharmaceutical Research, 2009, 36(5) : 376–379.
[12] Zhang X, Ibrahimi O A, Olsen S K, et al. Receptor specificity of the fibroblast growth factor family. The complete mammalian FGF family. J Biol Chem, 2006, 281(23) : 15694–15700. DOI:10.1074/jbc.M601252200
[13] Jump S S, Childs T E, Zwetsloot K A, et al. Fibroblast growth factor 2-stimulated proliferation is lower in muscle precursor cells from old rats. Exp Physiol, 2009, 94(6) : 739–748. DOI:10.1113/expphysiol.2008.046136
[14] Kwiatkowski B A, Kirillova I, Richard R E, et al. FGFR4 and its novel splice form in myogenic cells:Interplay of glycosylation and tyrosine phosphorylation. J Cell Physiol, 2008, 215(3) : 803–817. DOI:10.1002/(ISSN)1097-4652
[15] Cassano M, Dellavalle A, Tedesco F S, et al. Alpha sarcoglycan is required for FGF-dependent myogenic progenitor cell proliferation in vitro and in vivo. Development, 2011, 138(20) : 4523–4533. DOI:10.1242/dev.070706
[16] Jones N C, Fedorov Y V, Rosenthal R S, et al. ERK1/2 is required for myoblast proliferation but is dispensable for muscle gene expression and cell fusion. J Cell Physiol, 2001, 186(1) : 104–115. DOI:10.1002/(ISSN)1097-4652
[17] Armand A S, Launay T, Pariset C, et al. Injection of FGF6 accelerates regeneration of the soleus muscle in adult mice. Biochim Biophys Acta, 2003, 1642(1) : 97–105.
[18] Armand A S, Pariset C, Laziz I, et al. FGF6 regulates muscle differentiation through a calcineurin-dependent pathway in regenerating soleus of adult mice. J Cell Physiol, 2005, 204(1) : 297–308. DOI:10.1002/(ISSN)1097-4652
[19] Armand A S, Lécolle S, Launay T, et al. IGF-Ⅱ is up-regulated and myofibres are hypertrophied in regenerating soleus of mice lacking FGF6. Exp Cell Res, 2004, 297(1) : 27–38. DOI:10.1016/j.yexcr.2004.02.021
[20] Yu X W, Dumont N A, Rudnicki M A. Muscle stem cells at a glance. J Cell Sci, 2014, 127(21) : 4543–4548. DOI:10.1242/jcs.151209
[21] Francesco Saverio T, Arianna D, Jordi D M, et al. Repairing skeletal muscle:regenerative potential of skeletal muscle stem cells. J Clin Invest, 2010, 120(1) : 11–19. DOI:10.1172/JCI40373
[22] Montarras D, L'honoré A, Buckingham M. Lying low but ready for action:the quiescent muscle satellite cell. FEBS J, 2013, 280(17) : 4036–4050. DOI:10.1111/febs.2013.280.issue-17
[23] Seale P, Rudnicki M A. A new look at the origin, function, and "stem-cell" status of muscle satellite cells. Dev Biol, 2000, 218(2) : 115–124. DOI:10.1006/dbio.1999.9565
[24] Yin H, Price F, Rudnicki M A. Satellite cells and the muscle stem cell niche. Physiol Rev, 2013, 93(1) : 23–67. DOI:10.1152/physrev.00043.2011
[25] Laziz I, Ferry A, Armand A S, et al. Eccentric stimulation reveals an involvement of FGF6 in muscle resistance to mechanical stress. Eur J Appl Physiol, 2011, 111(7) : 1507–1515. DOI:10.1007/s00421-010-1784-0
[26] Zammit P S, Partridge T A, Yablonka-Reuveni Z. The skeletal muscle satellite cell:the stem cell that came in from the cold. J Histochem Cytochem, 2006, 54(11) : 1177–1191. DOI:10.1369/jhc.6R6995.2006
[27] 高瞻, 来丹丹, 张敏, 等. Pax-8基因在大鼠心肌细胞凋亡中的作用. 解放军医学杂志, 2009, 34(9) : 1082–1084. Gao Z, Lai D D, Zhang M, et al. The role of Pax-8 gene in apoptosis in rat myocardium. PLA Medical Journal, 2009, 34(9) : 1082–1084.
[28] 周希, 黄晓燕, 陈长曦, 等. Pax-8基因真核表达载体的构建及其功能的初步研究. 中国病理生理杂志, 2011, 27(3) : 430–436. Zhou X, Huang X Y, Chen C X, et al. Preliminary research of the construction of Pax-8 gene eukaryotic expression vector and its functions. Chinese Journal of Pathophysiology, 2011, 27(3) : 430–436.
[29] 林素, 黄晓燕, 王本极, 等. FGF6基因高表达对鼠心肌细胞凋亡和增殖的影响. 温州医学院学报, 2013, 43(1) : 9–14. Lin S, Huang X, Wang B J, et al. The effect of the overexpression of FGF6 gene on apoptosis and proliferation of rat cardiomyocytes. Journal of Wenzhou Medical College, 2013, 43(1) : 9–14.
[30] Jiang Y, Jahagirdar B N, Reinhardt R L, et al. Pluripotency of mesenchymal stem cells derived from adult marrow. Nature, 2002, 418(6893) : 41–49. DOI:10.1038/nature00870
[31] Grass S, Arnold H H, Braun T. Alterations in somite patterning of Myf-5-deficient mice:a possible role for FGF-4 and FGF-6. Development, 1996, 122(1) : 141–150.
[32] Bosetti M, Leigheb M, Brooks R A, et al. Regulation of osteoblast and osteoclast functions by FGF-6. J Cell Physiol, 2010, 225(2) : 466–471. DOI:10.1002/jcp.22225
[33] Herrmann A, Haake A, Ammerpohl O, et al. Pipeline for large-scale microdroplet bisulfite PCR-based sequencing allows the tracking of hepitype evolution in tumors. PLoS One, 2011, 6(7) : e21332. DOI:10.1371/journal.pone.0021332
[34] Ropiquet F, Giri D, Kwabi-Addo B, et al. Increased expression of fibroblast growth factor 6 in human prostatic intraepithelial neoplasia and prostate cancer. Cancer Res, 2000, 60(15) : 4245–4250.
[35] Penault-Llorca F, Bertucci F, Adélaïde J, et al. Expression of FGF and FGF receptor genes in human breast cancer. Int J Cancer, 1995, 61(2) : 170–176. DOI:10.1002/(ISSN)1097-0215
[36] Kwabi-Addo B, Ozen M, Ittmann M. The role of fibroblast growth factors and their receptors in prostate cancer. Endocr Relat Cancer, 2005, 11(4) : 709–724.
[37] Bosetti M, Boccafoschi F, Leigheb M, et al. Chondrogenic induction of human mesenchymal stem cells using combined growth factors for cartilage tissue engineering. J Tissue Eng Regen Med, 2012, 6(3) : 205–213. DOI:10.1002/term.v6.3
[38] Du W, Prochazka J, Prochazkova M, et al. Expression of FGFs during early mouse tongue development. Gene Expr Patterns, 2016, 20(2) : 81–87. DOI:10.1016/j.gep.2015.12.003
[39] Han D, Zhao H, Parada C, et al. A TGFβ-Smad4-Fgf6 signaling cascade controls myogenic differentiation and myoblast fusion during tongue development. Development, 2012, 139(9) : 1640–1650. DOI:10.1242/dev.076653