肥胖問題的蔓延導(dǎo)致了代謝性疾病、心血管疾病乃至癌癥等健康隱患的急劇增加，全球范圍內(nèi)已有超過9億人受影響。鍛煉和服用抗肥胖藥物的減肥效果和安全性并不理想，于是飲食調(diào)節(jié)作為肥胖管理的有效策略和基石備受關(guān)注。在這一背景下，生酮飲食（KD）嶄露頭角，成為肥胖管理的一種備受關(guān)注的替代選擇。生酮飲食以高脂肪、充足蛋白質(zhì)和極低碳水化合物（甚至無碳水化合物）為特點(diǎn)。其在調(diào)整身體代謝方面表現(xiàn)出潛在的益處。在動物模型中，生酮飲食已被證實(shí)具有降低血糖、增強(qiáng)胰島素敏感性，甚至延長壽命和“健康壽命”的潛在效果。目前，生酮飲食正在被廣泛評估其在多囊卵巢綜合征、多囊腎病、慢性疼痛、神經(jīng)退行性疾病、流感病毒感染、腫瘤生長和癌癥等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。然而，盡管其受到熱切關(guān)注，其潛在機(jī)制仍未知。

生長分化因子15（Growth differentiation factor 15, GDF15）屬于轉(zhuǎn)化生長因子TGF-β超家族中的成員，首次發(fā)現(xiàn)于1997年。血液中GDF15的升高與多種疾病密切相關(guān)，包括癌癥，心血管疾病、肥胖、糖尿病等，是監(jiān)測病程進(jìn)展的可靠預(yù)測因子。研究表明GDF15主要是通過抑制食欲發(fā)揮其生物學(xué)作用，而生酮飲食能顯著降低機(jī)體的食物（能量）攝入，那么生酮飲食與GDF15 在體重管理中是否存在潛在關(guān)聯(lián)？

西北農(nóng)林科技大學(xué)吳江維教授團(tuán)隊聯(lián)合多家單位近日在《Cell Metabolism》雜志上發(fā)表論文，首次揭示了GDF15是生酮飲食發(fā)揮體重管理作用的主要決定因素，并進(jìn)一步揭示了其作用機(jī)制。
 

圖片來源：《Cell Metabolism》
（https://doi.org/10.1016/j.cmet.2023.11.003）

研究材料與方法
此次研究以高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖小鼠為模型，探究了生酮飲食對體重管理的作用。研究者還使用了小型豬模型和檢測肥胖人群進(jìn)食生酮飲食前后的GDF15水平。在分析GDF15作用時，研究人員使用了賽業(yè)生物提供的Gdf15 KO（產(chǎn)品編號：S-KO-07013）和Gfral KO（產(chǎn)品編號：S-KO-09987）小鼠。研究者還是用了轉(zhuǎn)錄組測序，免疫熒光染色等方法。

技術(shù)路線
01 通過小鼠模型探究GDF15在生酮飲食發(fā)揮體重管理功能中的作用
02 在小型豬和肥胖人群中進(jìn)一步驗(yàn)證
03 通過轉(zhuǎn)錄組測序，熒光染色等方法明確了肝臟PPARγ調(diào)控GDF15
04 通過小鼠模型明確生酮飲食下肝臟組織PPARγ與GDF15之間的關(guān)系

研究結(jié)果
1 .生酮飲食條件可降低小鼠、豬和人類的體重，并導(dǎo)致循環(huán)GDF15升高

生酮飲食喂養(yǎng)可降低體重，同時循環(huán)GDF1水平升高[1]

為深入了解生酮飲食（KD）在體重管理中的作用，研究者首先在肥胖小鼠中進(jìn)行了為期15天的KD和對照飲食喂養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。研究者觀察到，與高脂飲食（HFD）組相比，KD組的小鼠體重自第6天開始逐漸下降。研究者同時發(fā)現(xiàn)從第3天開始，KD組小鼠的累積能量攝入量開始減少，同時循環(huán)GDF15增加了約2倍。

為驗(yàn)證生酮飲食誘導(dǎo)的GDF15是否相對特異性，研究者測量了幾種廣泛使用的肥胖管理飲食的小鼠中的循環(huán)GDF15，包括地中海飲食、低脂肪飲食、高蛋白飲食、低血糖飲食和指數(shù)飲食，以及兩種禁食方式：每隔一天禁食和限時進(jìn)食。結(jié)果表明，在測試時間內(nèi)，這些飲食類型無法提高小鼠循環(huán)中的GDF15水平。為進(jìn)一步探究KD和GDF15之間關(guān)系，研究者在巴馬小型豬模型上進(jìn)行了進(jìn)一步的驗(yàn)證。最后，研究人員對一組肥胖參與者進(jìn)行為期2周的KD干預(yù)，發(fā)現(xiàn)在干預(yù)結(jié)束時，個體體重減輕，GDF15循環(huán)水平升高。綜上所述，這些結(jié)果表明KD喂養(yǎng)可減輕體重并增加循環(huán)GDF15水平。

2.生酮飲食的體重管理效果需要GDF15
接下來研究人員試圖研究GDF15在生酮飲食體重管理中的作用。為此，使用賽業(yè)生物提供的Gdf15全身性敲除（Gdf15^−/−）小鼠并給予30天的生酮飲食。與上述短期喂養(yǎng)一致，30天的KD治療顯著增加了野生型（WT）小鼠中GDF15的循環(huán)水平，但在Gdf15^−/−小鼠中則沒有。KD喂養(yǎng)降低了WT鼠的累積能量攝入量和體重，但Gdf15^−/−小鼠則沒有。同樣，生酮飲食喂養(yǎng)減少了WT小鼠的脂肪量和肝臟重量，但Gdf15^−/−組的脂肪量和肝臟重量沒有減少（圖 2D和2E）。與體重減輕一致，生酮飲食降低了血漿甘油三酯（TG）（圖2F）、丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶（ALT）和天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶（AST）（圖2G）以及肝臟TG含量（圖2H）的血漿水平，并改善了葡萄糖耐量以及WT小鼠的胰島素敏感性（圖 2K-2L），而這些有益作用在缺乏GDF15的情況下并未顯示出來。總的來說，這些結(jié)果表明 GDF15對于KD介導(dǎo)的小鼠肥胖管理是不可或缺的。
 

生酮飲食的體重管理效果需要GDF15^[1]

3.生酮飲食誘導(dǎo)的GDF15產(chǎn)生源自肝臟
為了探究生酮飲食介導(dǎo)的GDF15產(chǎn)生主要來自哪個器官，研究者檢查了組織組中的Gdf15基因表達(dá)，包括肝臟、腎臟、心臟、骨骼肌、回腸和結(jié)腸。與對照相比，在生酮飲食喂養(yǎng)的小鼠肝臟中觀察到Gdf15 mRNA表達(dá)顯著增加。值得注意的是，KD喂養(yǎng)的豬的肝臟中GDF15表達(dá)也顯著增加。進(jìn)一步的原位雜交研究表明，小鼠肝細(xì)胞中Gdf15表達(dá)升高，表明KD誘導(dǎo)的GDF15升高主要來自肝臟。

4.肝臟PPARγ直接調(diào)節(jié)Gdf15的轉(zhuǎn)錄
為了研究KD誘導(dǎo)的肝臟GDF15的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，研究者對生酮飲食喂養(yǎng)的小鼠的肝臟進(jìn)行了RNA測序（RNA-seq）分析。KEGG通路分析揭示了多個通路中差異表達(dá)基因（DEG）的富集，特別是PPAR信號通路，其中包括PPARγ及其靶標(biāo)在內(nèi)的15個基因在KD喂養(yǎng)后顯著上調(diào)。這些結(jié)果通過qPCR分析進(jìn)行了驗(yàn)證。此外，研究者發(fā)現(xiàn)生酮飲食喂養(yǎng)的豬肝臟中PPARγ mRNA顯著增加。總之，這些結(jié)果表明PPARγ和GDF15之間可能存在相關(guān)性。進(jìn)一步的雙熒光素酶報告試驗(yàn)等發(fā)現(xiàn)PPARγ作為轉(zhuǎn)錄因子促進(jìn)Gdf15轉(zhuǎn)錄和表達(dá)。

5.肝臟Gdf15過表達(dá)或重組GDF15給藥可挽救Pparγ▵Hep小鼠中KD的代謝益處缺陷
為了確定生酮飲食對肝細(xì)胞PPARγ敲除小鼠的有益作用被消除是否是由于肝臟Gdf15表達(dá)減少和低循環(huán)GDF15所致，研究者進(jìn)行了體內(nèi)回補(bǔ)實(shí)驗(yàn)以恢復(fù)肝臟中的Gdf15表達(dá)。與接受AAV載體的Pparγ▵Hep小鼠相比，Gdf15的肝臟過表達(dá)引起小鼠GDF15分泌增加，恢復(fù)了KD喂養(yǎng)對能量攝入、體重減輕和脂肪減少的缺陷抑制。同樣，肝臟中GDF15功能的增強(qiáng)可恢復(fù)KD喂養(yǎng)的Pparγ▵Hep小鼠受損的糖耐量并降低肝臟TG含量。
 

生酮飲食對PPARγ敲除小鼠的體重失效作用可以通過肝臟Gdf15過表達(dá)或rGDF15來恢復(fù)^[1]

研究結(jié)論

Gdf15 KO小鼠

品系名稱：
C57BL/6N-Gdf15^em1C/Cya
產(chǎn)品編號：
S-KO-07013
應(yīng)用方向：
神經(jīng)系統(tǒng),眼科,皮膚,遺傳,癌癥,骨骼,代謝,腎臟,血液,肌肉

Gdf15 flox小鼠

品系名稱：
C57BL/6N-Gdf15^em1Cflox/Cya
產(chǎn)品編號：
S-CKO-08066
應(yīng)用方向：
神經(jīng)系統(tǒng),眼科,皮膚,遺傳,癌癥,骨骼,代謝,腎臟,血液,肌肉
 

Gfral KO小鼠

品系名稱：
C57BL/6N-Gfral^em1C/Cya
產(chǎn)品編號：
S-KO-09987
應(yīng)用方向：
代謝研究,發(fā)育生物學(xué),神經(jīng)系統(tǒng),信號轉(zhuǎn)導(dǎo),代謝,神經(jīng),分子生物學(xué)