掉書袋 - FGF21、FGF19

催熟狀態下卵巢發育和肌肉、肝臟中FGF21與FGF19的表現量關係

動物生殖啟動和體脂肪累積有關(reviewed by Frisch 1987)，因為在生殖期間，動物所貯藏的能量必須足夠分配到性腺的發育 (包括配子細胞及性腺細胞本身的發育)、哺乳與育幼，才能確保生殖的成功。魚類被認為具有血糖不耐性(glucose intolerant)的特性，脂肪是魚類的主要能量來源，尤其是洄游魚類，其中鰻魚被歸為洄游魚類，鰻魚在產卵前需要進行長達數千公里的生殖洄游，日本鰻 (Anguilla japonica) 需要洄游四仟公里才能到達產卵海域 (Tsukamoto, 1992)。在鰻魚，小鰻(黃鰻)主要以肝醣儲備能量(Barni et al., 1985)，成鰻(銀鰻)比黃鰻體成份中含更高量的脂肪，銀鰻的體脂肪含量可高達 30% 以上 (Boetius and Boetius, 1985)，體脂肪的累積在黃鰻和銀鰻之間(銀化過程)可從8% 提高到28% (Degani et al., 1986；Bergersen and Klemetsen 1988; Larsson et al.,1990; Han et al., 2001；Lin et al., 2011)，這些脂肪夾在肌肉細胞之間，也可存儲在皮膚下或在肝臟中（Fontaine 1975; Pankhurst 1982），報告指出在低水溫(低於攝氏25度時)，歐洲鰻可禁食達1594天 (Boetius and Boetius, 1985)，或4年 (Olivereau and Olivereau, 1997)。。這種現象使學者提出: 體脂肪的堆積到某一個臨界量，是推動鰻魚銀化(進入生殖發動期)的重要因素 (Larsson et al., 1990)，但並不是所有洄游鰻魚都有如此高的體脂肪比例（Svedäng and Wickström 1997; Han et al., 2001）。脂肪主要儲存在脂肪細胞(adipocytes)。長久以來脂肪細胞被認定只是具有儲能量的功用，然而近年的研究發現，脂肪細胞可製造與釋放一群稱為脂肪細胞素(adipocytokines或adipokines) 的因子，能夠影響其他組織的生理功能，因此脂肪組織也被界定為分泌器官(reviewed by Galic et al., 2010)。一般相信鰻魚在洄游與生殖期是處在斷食狀態的 (Tesch, 2003)，故鰻魚的生殖應該和能量(體脂肪)的累積有必然的相關。生理性斷食是銀鰻的特徵之一，而性成熟的雌銀鰻其性腺體重比 (GSI) 可由原來的 2 % 成長到 40 % 以上 (Boetius and Boetius, 1980)，而這現象發生於鰻魚的洄游過程中，鰻魚身體所貯藏的能量機乎完全轉移到性腺的發育與洄游所需 (Boetius and Boetius, 1980; van Ginneken and van den Thillart, 2000)，銀鰻基本上是靠氧化存儲的脂肪與分解自體蛋白質而來的胺基酸進行糖質新生以維持生存與進行生殖 (reviewed by Bar, 2014)，估計脂肪提供20%至80%的能量來源 (Boetius and Boetius, 1980)，而生殖消耗67%的儲存脂肪 (Palstra and van den Thillart, 2010)。有趣的是，與兩棲動物和玻璃鰻變態時期的禁食行為相比，銀鰻禁食行為出現似乎更明確。在這過程中如果我們能了解鰻魚體脂肪如何堆積、體脂肪和生殖啟動的關係、脂肪組織如何和生殖內分泌對話，另一方面則研究在禁食狀態下所儲存的脂肪能量如提供洄游運動與卵細胞發育所需，以及這些關係(生殖、運動、禁食與能量)的化學訊息關係，那將可對鰻魚的人工生殖奠立更穩固的基礎。

由於繁殖作用位於能量分配位階的末端，能量不足時，能量優先用於維持其他生理需要，並抑制繁殖活動，可能飢餓和能量不足常常相伴發生，故飢餓或禁食抑制生殖。但這一點和鰻魚的生殖並不相符! 因為鰻魚的生殖是在長期禁食下發生的。脊椎動物對禁食的反應是複雜的，當從動物從營養變為禁食狀態，肝臟代謝反應會從葡萄糖分解轉換成糖質新生作用，並降低脂肪酸的合成。不同的激素對反應禁食有不同的效果，禁食過程中激素的變化與效果如下表所示 (Reviewed by Finn and Dice, 2006)。

一般控制血糖的激素主要為胰島素(insulin) 與升糖素(glucagon)，但兩者在循環系統的半生期分別為4分鐘與5分鐘，為維持長期的能量平衡，理論上應該有”後期作用激素(late acting hormones)”，以接續恆定的任務。FGF19 (fibroblast growth factor 19) 和 FGF21 (fibroblast growth factor 21)，兩種新的脂肪細胞素，被界定為”後期作用激素(late acting hormones)” (reviewed by by Potthoff et al., 2012)，因為FGF19和FGF21的功能發揮在胰島素(insulin)和升糖激素(glucagon)已經完成其作用後 (reviewed by Zhang et al., 2015)，其中FGF19在哺乳動物有類似胰島素的效果，反應於進食後(Kir et al., 2011)，而FGF21具有類似升糖素的效果，反應於長期禁食，可以促進脂肪分解 (Badman et al., 2007; Mai et al., 2009)，但FGF19、FGF21、胰島素與升糖素四者作用的差別與互補如下圖所示 (reviewed by Potthoff et al., 2012)。

小鼠在長期禁食狀態下，FGF21可增加能量的產生和利用，FGF21影響以脂肪為基礎的能量代謝 (Cuevas-Ramos et al., 2012; reviewed by Owen et al. 2015 )；相反的，FGF19在肝臟能够產生類似胰島素的效果(Kir et al., 2011)。

纖維母細胞成長因子（fibroblast growth factors, FGFs）是由20多個成員所組成的細胞因子家族，具有促進細胞增殖、發育、血管增生、創傷修復等多種生理功能(Itoh and Ornitz, 2004; Kharitonenkov et al., 2005; Goetz et al., 2007)。其中，FGF19、FGF21及FGF23與大多數 FGFs只具局部作用的功能不同，FGF19、FGF21及FGF23是一群參與代謝調節的内分泌因子(Fukumoto, 2008)，FGF19、FGF21和FGF23因缺乏與肝素特異性结合的區域，故其具有較弱的肝素結合能力，可擴散至其他部位發揮作用，但它們没有刺激細胞分裂的能力(Kharitonenkov et al., 2005; Goetz et al., 2007)。FGF15/19和FGF21是FGF19家族的重要成員。FGF19和FGF21的表現是受多種刺激(如營養壓力，PPARs)所刺激的。FGF19為進食狀態下的激素，而FGF21則為禁食狀態的激素。FGF19和FGF21互補，協同維護碳水化合物和脂質代謝和體內能量平衡 (Zhang et al., 2015)。

FGF19基因最早從人類胎兒的腦中選殖而出，但成體中FGF19主要在腸道中表現 (Nishimura et al., 1999)。人類FGF19是由216個胺基酸所組成。人類和小鼠的FGF 家族基因成員大多有 90%的同源性，但人類FGF19 基因與小鼠FGF15 基因大約有51% 的胺基酸是相同的，且兩者編碼的蛋白相似，故FGF15 可視為FGF19 的同源基因 (Nishimura et al., 1999; Itoh and Ornitz, 2004)。

FGF21基因最早從老鼠胚胎中選殖而出，FGF21主要在肝臟與脂肪組織中表現 (Nishimura et al., 2000; Fon Tacer et al., 2010)。FGF21屬於FGF19的次家族 (Itoh and Ornitz, 2004)，老鼠的FGF21蛋白由210個胺基酸組成，人類cDNA編碼的FGF21蛋白質由209個胺基酸組成，但人類成熟FGF21蛋白有181個胺基酸 (Nishimura et al., 2000)。FGF21 在魚類中研究的不多，斑馬魚FGF21蛋白由194個胺基酸組成，和人類只有34%的相似度(Yamauchi et al., 2006); 尖嘴鱸 (Lates calcarifer) FGF21蛋白由206個胺基酸組成，分別和人類、老鼠與斑馬魚有65.7%、65.6% 和69.7% 的相似性(Wang et al., 2014)。

FGF19和 FGF21的受體為纖維母細胞成長因子受體(fibroblast growth factor receptor，FGFR)，雖然FGF19和FGF21可活化FGFR1和FGFR2，但其活性必須依賴與單跨膜蛋白Klotho受體 (KLB) 的共同結合 (Wente et al., 2006; Ogawa et al., 2007; Micanovic et al., 2009; Yie et al., 2009)，單獨的 b Klotho或FGFR皆無法發揮FGF19或FGF21的作用，是利用FGF19/21-FGFR-b Klotho複合體形式發揮作用 (Wu et al., 2007; Kharitonenkov et al., 2008)，由於FGFRs廣泛分布於各個組織，因此β Klotho的特異性存在決定了FGF16與FGF21生理功能的組織特異性 (Wu et al., 2007; Adams et al., 2012)，如下圖所示(reviewed by Kuro-o, 2008)。

(from Kuro-o, 2008)

FGF19在哺乳動物肝臟能够產生類似胰島素的效果，可抑制進食後肝臟糖質新生的速率 (Woerle et al., 2003)，也能促進食後肝臟蛋白質和肝醣合成，但不會刺激肝臟合成脂質 (Kir et al., 2011b)，實驗結果也證明，在缺乏胰島素的情况下，FGF19仍可刺激小鼠肝醣合成 (Kir et al., 2011b)。FGF19 具有調節脂質代謝的功能，FGF19基因轉殖的小鼠其脂肪含量减少，其血清膽固醇與三酸甘油酯含量也减少 (Jones, 2008)。FGF19 可以抑制進食後血清膽汁酸( bile acids) 的濃度 (Lundasen et al., 2006)。進食後，膽汁釋放進入腸道，血清膽汁酸也濃度升高，膽汁酸活化腸道細胞FXR (farnesoid X receptor)，刺激FGF19 的合成和分泌，抑制膽汁酸的合成與運輸，使血清膽汁酸濃度降低 (Holt et al., 2003)。FGF19的生理功能和胰島素有許多類似之處，兩者均能促進肝臟肝醣和蛋白質合成並抑制糖質新生作用，但兩者不同之處在FGF19能調節進食後些血液中膽汁酸的平衡，並抑制肝臟脂質(三酸甘油酯與膽固醇)的合成，而胰島素則不具此功能 (Kir et al., 2011a, 2011b)。因此FGF19被認為作用在胰島素之後作用在進食與禁食之間的過渡期 (reviewed by Potthoff et al., 2012)。

FGF19/15的作用機制與生理效果如下圖所示 (reviewed by Potthoff et al., 2012)。

(from Potthoff et al., 2012)

直接腦部注射，可增加小鼠新陳代謝率，故FGF19可直接作用於中樞神經系統 (Fu et al., 2004)。尚未有FGF19對於魚類新陳代謝的研究，在斑馬魚，FGF19已被證明參與視網膜與眼球水晶體的發育 (Nakayama et al., 2008)，可能是因為FGF19和哺乳類胚胎階段的神經發育有關(Nishimura et al., 1999)。

肝臟是FGF21表現的主要器官 (Nishimura et al., 2000 )，接著發現FGF21在脂肪 ( Wang et al., 2008 )、肌肉 (Izumiya et al., 2008 )、胰臟和精巢 (Fon Tacer et al., 2010 ) 也有表現，在正常狀態下, 血液循環中的FGF21都由肝臟所分泌 (Markan et al., 2014)。長期的禁食可刺激肝臟中FGF21的表現，FGF21能够刺激肝臟脂肪酸的氧化和酮體生成、抑制脂肪生成 (Badman et al., 2009; Potthoff et al., 2009)，FGF21在肝臟中的表現影響禁食期間的能量調節。而FGF21在硬骨魚類的潛在功能，還尚未清楚，在尖嘴鱸中顯示FGF21是特異在腸道和腎臟表現 (Wang et al., 2014)，這和哺乳動物在肝臟與脂肪組織的表現特性不同，禁食狀態尖嘴鱸FGF21的表現是被下調的，注射重組FGF21蛋白顯著抑制尖嘴鱸的攝食，推測FGF21在魚類或哺乳動物的生理功能並不完全一致，但對尖嘴鱸也具能量調節的作用 (Wang et al., 2014)。在哺乳動物進一步證明，FGF21在肝臟的表現受核內受體、營養和激素等多重因子所控制，長期的禁食可刺激肝臟PPARa (peroxisome proliferator-activated receptor a)的表現，PPARa 可刺激FGF21的製造 (Badman et al., 2007; Lundåsen et al., 2007)，已證明PPARα能够直接合FGF21啟動子上的PPRE (peroxisome proliferator response element) (Inagaki et al., 2007)，因此推論 PPARa 的生理效果是經由FGF21來執行的。老鼠肝臟的FGF21表現量可被高脂肪低碳水化合物的食物所刺激 (Badman et al., 2007)，推測這是肝臟誤認為處於禁食的結果。有趣的是脂肪和蛋白質是魚類飼料的主要成份，因為魚類對碳水化合物的消化與利用能力不佳，但我們不知道魚類FGF21表現是否也具有特種特性。

FGF21也可以在PPARg 的作用下，調控脂肪細胞中脂肪的合成與分解，穩定的脂肪與能量的代謝 (Inagaki et al., 2007)。PPARg 經由基因起始子直接控制脂肪細胞的FGF21基因活性，PPARg 拮抗劑可使的脂肪組織的FGF21蛋白含量增加 (Hong et al., 2008) ，但脂肪組織製造的FGF21並不會提高循環系統中FGF21的濃度 (reviewed by Zhang et al., 2015)。PPARg 刺激白色脂肪組織FGF21的表現 (Muise et al., 2008)，反之， PPARg 在脂肪組織中的生理和藥物學作用是經由FGF21所作用的 (Dutchak et al., 2012)。在進食狀態下，FGF21為脂肪細胞的自泌因子(autocrine factor)，以前饋迴路(feedforward loop)的機制調節PPAR-g的活性 (reviewed by Woo et al., 2013)。FGF21在肝臟和脂肪組織中的表現分别受PPARα和PPARγ的調控 (Inagaki et al., 2007; Badman et al., 2007; Muise et al., 2008; Wang et al., 2008)，如下圖所示 (reviewed by Potthoff et al., 2012)。

 (from Potthoff et al., 2012)

肝臟可在飢餓時維持血糖的平穩，在禁食初期，肝臟將肝醣分解為葡萄糖，並輸出為血糖 (Corssmit et al., 2001)，但在長期禁食下，生物體需要啟動脂肪利用以維持血糖濃度。在禁食狀態下，FGF21增加能量的產生和利用 (Cuevas-Ramos et al., 2012 )。FGF21影響以脂肪為基礎的能量代謝，禁食時肝臟PPARa可被脂肪酸活化，進而刺激肝臟FGF21的表現，分泌的FGF21作用在白色脂肪組織促進脂肪分解 (Badman et al., 2007; Kuro et al., 2008; Hotta et al., 2009; Mai et al., 2009)，脂肪分解是脂肪組織三酸甘油酯(triglyceride，TG)水解、脂肪酸釋放的過程，肝臟吸收從脂肪組織被釋放的脂肪酸，脂肪酸被肝臟氧化或轉化為酮體，大腦可利用肝臟釋放的酮體，FGF21也可刺激肝臟的糖質新生卻不會刺激肝醣合成(Potthoff et al., 2009)，同時FGF21可抑制成長和促使大腦反應遲緩，利用短期休眠來保存能量。而肝臟本身為耗能較高的器官，主要以氧化脂肪酸為能源來源 (Finn et al., 2006; Zechner et al., 2005)，FGF21能够刺激PGC1a（Peroxisome proliferator-activated receptor g coactivator 1-a）和它下游基因的表現來增强肝臟脂肪酸的氧化 (Potthoff et al., 2009)。FGF21對肝臟和脂肪組織的作用如下圖所示(reviewed by Domouzoglou et al., 2015)。

(from Domouzoglou et al., 2015)

附帶一提，FGF21在骨骼肌中的表現則是由磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)/蛋白激脢B (protein kinase B，Akt) 所刺激 (Izumiya et al., 2008)。也證明視黃酸受體b (retinoic acid receptor b, RAR b)可以增加肝臟FGF21的生成和分泌 (Li et al., 2013)。

我們在鰻魚的研究結果指出：體脂肪含量和PPARγ與RXRα的基因表現量呈正相關，而PPARγ與RXRα兩者的的基因表現量呈顯著正相關　(Lin et al., 2011)，從日本鰻得到的結果暗示PPARγ與RXRα在脂肪生成功能的保守性。同時，我們實驗室也證明：在鰻魚在斷食期間，PPARg激動劑(pioglitazone)，與對照組相比，可降血糖濃度與抑制體脂肪含量的降低，但其平均體重較控制組的輕。在肝臟中，PPARa 與 PPARb/d 的表現是被抑制的，但 PPARg 的表現量卻是被刺激的。在肌肉組織中，PPARa 的表現受抑制，但 PPARb/d 與 PPARg 的表現量受刺激。推測活化PPARg 的活化可影響體脂肪含量，而體重的降低可能和肌肉組織 PPARb/d 表現量升高有關；PPARa 的降低顯示脂肪氧化代謝的作用降低 (張　等，2011)。以已有的實驗數據與結果，我們將繼續研究FGF19與FGF21在此過程所扮演的功能。

FGF19和FGF21除了影響能量代謝外，FGF19和FGF21也可影響其他神經內分泌的功能。FGF19腦室注射，可增加小鼠新陳代謝率 (Fu et al., 2004)；以同樣的方法，發現FGF19 可降低循環系統中腎上腺皮質刺激素(ACTH)的濃度，進而抑制血液中可體素的升高 (Perry et al., 2015)。。已證明FGF21可通過哺乳動物血腦障蔽(BBB)，推測FGF21可以作用於大腦 (Hsuchou et al., 2007)。營養不足時能量優先用於維持其他生理需要，並抑制繁殖活動，由於繁殖作用位於能量分配位階的末端。小鼠的研究指出: FGF21是營養不足情况下肝臟所分泌的訊號，此時FGF21抑制下視丘kisspeptin 的分泌，進而抑制生殖作用(Owen et al., 2013)。FGF21影響下視丘腎上腺皮質刺激素釋放因子(corticotropin-releasing factor, CRF)和精氨酸血管增壓素(arginine vasopressin, AVP)的製造。FGF21的處理能誘導下視丘中CRF的表現 (Liang et al., 2014; Owen et al., 2014; Bookout et al., 2013)，藉由CRF進而刺激腎上腺皮質刺激素(ACTH)的分泌。值得注意的是，CRF受體拮抗劑能够阻斷FGF21對交感神經的興奮作用 (Owen et al.,2014)。所以FGF21可能經由CRF-ACTH-Cortisol提供壓力下經由體重的減少而提供能量來源。可體素 (cortisol) 由腎上腺皮質所製造分泌，和能量代謝有關，包括屯積脂肪的運用及刺激糖質新生作用，些作用在脊椎動物中是共通的。

已證明在歐洲鰻銀鰻在生殖洄游之前，循環系統內可體素(cortisol)濃度升高 (van Ginneken et al., 2007)，這現象與鰻魚生殖洄游期間是禁食的有關，因為禁食或飢餓(逆境)會誘導可體素的製造，而可體素可能在斷食銀鰻體內扮演脂質分解的功能 (Fontaine 1975)。同時已證明腦下垂體 – 間腎組織軸 (pituitary-interrenal axis) 對魚類適應海水環境的重要性(Martinez et al., 2005, references therein)，而且可體素已經被認定為海水適應激 (Hazon and Balment, 1998)。在哺乳動物中，可體素除了被證明和壓力的有關，會抑制生殖作用之外，同時也被證明和青春的啟動(puberty)有關；可體素能刺激魚類在禁食的狀態所儲存能量(脂質)的移動和海水環境的適應，也證明在歐洲鰻，在離體或活體實驗條件下，可體素刺激腦下垂體黃體激素(LH)的產生(Huang et al., 1999）；對活體鰻魚，可體素和雄性激素的聯合處理可刺激腦下垂體黃體激素的產生與外觀銀化程度 (Huang 1998; Sbaihi 2001)。但對小鼠而言，FGF21是肝臟所分泌的禁食訊號，經由抑制kisspeptin的分泌而抑制生殖 (Owen et al., 2013)。但這一點和鰻魚的生殖並不相符! 因為鰻魚的生殖是在長期禁食下發生的 (Tesch, 2003)。

鰻魚在到達產卵場之前需洄游好幾仟公里，在這過程雌鰻的性腺體重比(GSI)可增加到到 40 %以上，相信游泳(運動)和性腺成熟應該有某些關係。事實上，已有實驗證明游泳可刺激雄鰻精巢的成熟 (Palstra et al., 2008)，但在雌鰻卻得到游泳會抑制腦下垂體促性腺激素的表現與卵細胞卵黃生成的結果 (Palstra and van den Thillart, 2010)。原因不明! 我們思考能否從內分泌觀點來解釋運動對鰻魚性腺發育的影響? 在老鼠已證明運動可增加血液中FGF21的濃度，刺激肝臟FGF21的製造，卻對肌肉與脂肪組織的FGF21表現無影響 (Kim et al., 2013)，運動同時增加老鼠肝臟中PPARa 的表現 (Kim et al., 2013)，我們已知在肝臟中PPARa 和FGF21 的關係 (Potthoff et al., 2012; Domouzoglou et al., 2015)，只有極少的報告指出FGF21和卵巢發育的關係，在多囊性卵巢症候群(PCOS)的狀況下，血液中FGF21的濃度和黃體激素和雄性素的濃度呈正相關 (Gorar et al., 2010)，暗示FGF21可能和黃體激素的製造有關。這一點值得在鰻魚中試驗，看看刺激FGF21 的增加 (利用禁食、運動、施以PPARs增強劑…)是否能提高促性腺激素的製造或卵巢人工催熟的效果。