肥胖問題的蔓延導致了代謝性疾病、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，于是飲食調節作為肥胖管理的有效策略和基石備受關注。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注的替代選擇。生酮飲食以高脂肪、充足蛋白質和極低碳水化合物（甚至無碳水化合物）為特點。其在調整身體代謝方面表現出潛在的益處。在動物模型中，生酮飲食已被證實具有降低血糖、增強胰島素敏感性，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、神經退行性疾病、流感病毒感染、腫瘤生長和癌癥等領域的潛在應用。然而，盡管其受到熱切關注，其潛在機制仍未知。

生長分化因子15（Growth differentiation factor 15, GDF15）屬于轉化生長因子TGF-β超家族中的成員，首次發現于1997年。血液中GDF15的升高與多種疾病密切相關，包括癌癥，心血管疾病、肥胖、糖尿病等，是監測病程進展的可靠預測因子。研究表明GDF15主要是通過抑制食欲發揮其生物學作用，而生酮飲食能顯著降低機體的食物（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聯？

西北農林科技大學吳江維教授團隊聯合多家單位近日在《Cell Metabolism》雜志上發表論文，首次揭示了GDF15是生酮飲食發揮體重管理作用的主要決定因素，并進一步揭示了其作用機制。
 

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生物提供的Gdf15 KO（產品編號：S-KO-07013）和Gfral KO（產品編號：S-KO-09987）小鼠。研究者還是用了轉錄組測序，免疫熒光染色等方法。

技術路線
01 通過小鼠模型探究GDF15在生酮飲食發揮體重管理功能中的作用
02 在小型豬和肥胖人群中進一步驗證
03 通過轉錄組測序，熒光染色等方法明確了肝臟PPARγ調控GDF15
04 通過小鼠模型明確生酮飲食下肝臟組織PPARγ與GDF15之間的關系

研究結果
1 .生酮飲食條件可降低小鼠、豬和人類的體重，并導致循環GDF15升高

生酮飲食喂養可降低體重，同時循環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行了為期15天的KD和對照飲食喂養實驗。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。研究者同時發現從第3天開始，KD組小鼠的累積能量攝入量開始減少，同時循環GDF15增加了約2倍。

為驗證生酮飲食誘導的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、低血糖飲食和指數飲食，以及兩種禁食方式：每隔一天禁食和限時進食。結果表明，在測試時間內，這些飲食類型無法提高小鼠循環中的GDF15水平。為進一步探究KD和GDF15之間關系，研究者在巴馬小型豬模型上進行了進一步的驗證。最后，研究人員對一組肥胖參與者進行為期2周的KD干預，發現在干預結束時，個體體重減輕，GDF15循環水平升高。綜上所述，這些結果表明KD喂養可減輕體重并增加循環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。與上述短期喂養一致，30天的KD治療顯著增加了野生型（WT）小鼠中GDF15的循環水平，但在Gdf15^−/−小鼠中則沒有。KD喂養降低了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）、丙氨酸轉氨酶（ALT）和天冬氨酸轉氨酶（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，這些結果表明 GDF15對于KD介導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.生酮飲食誘導的GDF15產生源自肝臟
為了探究生酮飲食介導的GDF15產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，包括肝臟、腎臟、心臟、骨骼肌、回腸和結腸。與對照相比，在生酮飲食喂養的小鼠肝臟中觀察到Gdf15 mRNA表達顯著增加。值得注意的是，KD喂養的豬的肝臟中GDF15表達也顯著增加。進一步的原位雜交研究表明，小鼠肝細胞中Gdf15表達升高，表明KD誘導的GDF15升高主要來自肝臟。

4.肝臟PPARγ直接調節Gdf15的轉錄
為了研究KD誘導的肝臟GDF15的轉錄調控，研究者對生酮飲食喂養的小鼠的肝臟進行了RNA測序（RNA-seq）分析。KEGG通路分析揭示了多個通路中差異表達基因（DEG）的富集，特別是PPAR信號通路，其中包括PPARγ及其靶標在內的15個基因在KD喂養后顯著上調。這些結果通過qPCR分析進行了驗證。此外，研究者發現生酮飲食喂養的豬肝臟中PPARγ mRNA顯著增加。總之，這些結果表明PPARγ和GDF15之間可能存在相關性。進一步的雙熒光素酶報告試驗等發現PPARγ作為轉錄因子促進Gdf15轉錄和表達。

5.肝臟Gdf15過表達或重組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胞PPARγ敲除小鼠的有益作用被消除是否是由于肝臟Gdf15表達減少和低循環GDF15所致，研究者進行了體內回補實驗以恢復肝臟中的Gdf15表達。與接受AAV載體的Pparγ▵Hep小鼠相比，Gdf15的肝臟過表達引起小鼠GDF15分泌增加，恢復了KD喂養對能量攝入、體重減輕和脂肪減少的缺陷抑制。同樣，肝臟中GDF15功能的增強可恢復KD喂養的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過表達或rGDF15來恢復^[1]

研究結論

Gdf15 KO小鼠

品系名稱：
C57BL/6N-Gdf15^em1C/Cya
產品編號：
S-KO-07013
應用方向：
神經系統,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
產品編號：
S-CKO-08066
應用方向：
神經系統,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
產品編號：
S-KO-09987
應用方向：
代謝研究,發育生物學,神經系統,信號轉導,代謝,神經,分子生物學