《Molecular Biomedicine》：Engineered fibroblast growth factor 1 variants uncouple glucose-lowering effects from mitogenic activity with therapeutic potential for type 2 diabetes
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本研究针对FGF1治疗2型糖尿病时存在的促增殖风险，通过理性设计突变策略开发出Q40P/S47I/H93G/L135D与Q40P/S47I/H93G/S99A/K118E两种变体。实验证实这些变体在db/db小鼠模型中完全保留降血糖效能，同时显著降低FGFR介导的促增殖活性，并展现优越的热稳定性与药代动力学特征，为开发安全高效的蛋白类药物提供了新范式。
在糖尿病治疗领域，成纤维细胞生长因子1（FGF1）因其强大的降血糖能力备受关注。然而，这个充满潜力的治疗分子却携带着一把“双刃剑”——其强烈的促细胞分裂活性可能诱发肿瘤风险，严重阻碍了临床转化。如何精准剥离FGF1的降糖功能与促增殖副作用，成为困扰研究人员十余年的科学难题。
以往研究多聚焦于内分泌型FGF家族成员（如FGF19、FGF21），但它们在代谢调节中常伴随电解质紊乱、体重增加等副作用。相比之下，FGF1展现出独特优势：不仅能有效降低血糖，还能避免常规降糖药物的不良反应。更引人注目的是，FGF1可通过独立于胰岛素的信号通路促进脂肪细胞葡萄糖摄取，这为胰岛素抵抗患者提供了新的治疗希望。然而，FGF1与FGFR（成纤维细胞生长因子受体）结合后形成的稳定复合物，正是激活下游促增殖信号的关键。因此，调控FGF1与受体相互作用强度，可能成为解偶联其代谢功能与促增殖活性的突破口。
在此背景下，波兰弗罗茨瓦夫大学Malgorzata Zakrzewska团队在《Molecular Biomedicine》发表重要研究成果。研究团队运用蛋白质工程策略，通过对FGF1进行精准突变改造，成功开发出两种核心变体：一种通过L135D突变削弱与FGFR1结合能力，另一种通过K118E突变降低肝素亲和力。这两种变体在保留全效降糖活性的同时，将促增殖风险降至最低。
关键技术方法
研究采用理性设计策略构建FGF1突变体，通过BLI（生物层干涉技术）分析变体与FGFR1（IIIc）亲和力，利用NIH 3T3和3T3-L1细胞模型评估促增殖活性和葡萄糖摄取能力，在db/db小鼠模型中验证体内降糖效果，并采用圆二色谱和荧光光谱测定蛋白质热稳定性参数。
工程化FGF1变体的理性设计与制备
研究团队基于FGF1-FGFR1-肝素复合物晶体结构分析，精准定位了参与受体结合和肝素相互作用的关键残基。通过系统性地引入点突变（包括V51A、V54A、L89A等），并整合已知稳定性增强突变（Q40P/S47I/H93G），成功构建了系列FGF1变体。所有变体均在大肠杆菌表达系统中高效表达，通过肝素亲和层析纯化获得高纯度蛋白。荧光光谱分析证实这些变体均保持了正确的三维折叠构象。
点突变对FGF1促增殖活性的影响
在NIH 3T3细胞模型中，研究人员详细评估了各变体的促增殖能力。数据显示，L135D和K118E单点突变变体的EC50值较野生型分别提高279倍和1000倍以上，而双突变变体Y94A/N95A的EC50值更是增加了近640倍。这些结果明确表明，针对受体结合界面和肝素结合域的突变能显著削弱FGF1的促增殖潜能。
变体的生物活性特征
值得注意的是，虽然某些变体（如Q40P/S47I/H93G/L135D）在低浓度（10 ng/mL）下几乎不激活ERK1/2磷酸化，但在3T3-L1脂肪细胞中仍能有效刺激葡萄糖摄取。当浓度提高至50 ng/mL时，该变体可恢复部分信号激活能力，提示即使微弱的FGFR激活也足以引发代谢效应。这一发现证实了代谢信号通路对受体激活的阈值要求远低于促增殖通路。
变体与FGFR结合特性分析
BLI结合实验揭示，L135D突变几乎完全消除了FGF1与FGFR1（IIIc）的结合能力，而K118E突变则主要通过影响肝素介导的复合物稳定性来减弱信号传导。这种差异解释了为何两种变体虽都降低促增殖活性，但信号激活模式存在显著区别。
蛋白质稳定性对细胞效应的调控
热稳定性测定显示，S99A和K118E单点突变会轻微降低蛋白稳定性，而引入稳定性增强突变后，Q40P/S47I/H93G/S99A/K118E变体的变性温度（Tden）提升至约60°C。在3T3-L1细胞中，稳定性增强的变体能更持久地维持活性，有效诱导葡萄糖转运蛋白1（Glut1）表达，而未稳定性优化的变体则快速降解。
不同细胞类型中促增殖活性验证
为全面评估变体的安全性，研究在C2C12（小鼠成肌细胞）、MCF7（人乳腺上皮细胞）和4MBr-5（猴支气管上皮细胞）三种细胞系中测试了优选变体的促增殖活性。结果显示，Q40P/S47I/H93G/L135D变体在所有细胞系中均表现出显著的促增殖活性减弱，而Q40P/S47I/H93G/S99A/K118E变体的活性减弱程度因细胞类型而异，这可能与不同细胞表达的硫酸乙酰肝素蛋白聚糖（HSPGs）组成差异有关。
体内代谢效能与药代动力学评价
在db/db糖尿病模型小鼠中，单次皮下注射1 mg/kg的优选变体可产生持续168小时的降糖效果，且不引发低血糖或体重变化。药代动力学研究显示，两种优选变体的血药浓度-时间曲线下面积（AUC）分别为野生型的1.9倍和4.5倍，最大血药浓度（Cmax）也显著提高，表明其具有更优越的药物动力学特征。
研究结论与意义
本研究通过精巧的蛋白质工程设计，成功实现了FGF1代谢功能与促增殖活性的解偶联。Q40P/S47I/H93G/L135D变体通过直接削弱与FGFR结合能力，几乎完全消除了促增殖风险；而Q40P/S47I/H93G/S99A/K118E变体则通过调控肝素亲和力，选择性减弱促增殖信号传导。两种变体均保留完好的降糖效能，并展现出增强的热稳定性和药代动力学特性。
这一研究成果不仅提供了具有临床转化潜力的FGF1变体候选药物，更深化了对FGFR信号传导特异性的理解。研究表明，受体激活的强度和时间动态可能是决定代谢效应与促增殖效应分化的关键因素：相对较弱的FGF1-FGFR相互作用足以激活代谢信号通路，而强烈持久的受体激活则驱动细胞增殖。这种信号阈值的差异为开发选择性受体调节剂提供了重要理论依据。
该研究的创新性在于同时解决了FGF1临床应用面临的安全性、稳定性和药代动力学三大挑战。相较于以往研究中的FGF1变体（如S116R或△HBS变体），本次开发的变体在促增殖活性降低程度和代谢效能保持方面表现更为优越。这些工程化变体为2型糖尿病治疗提供了新一代蛋白类药物候选，也为生长因子功能选择性调控策略提供了典范案例。
尽管研究成果显著，作者也指出未来研究需进一步阐明FGF1调控葡萄糖摄取的具体分子机制，尤其是在不同组织中的信号传导差异。同时，这些变体的长期安全性和免疫原性仍需系统的临床前评估。总体而言，这项研究标志着FGF1为基础糖尿病治疗药物开发迈出了关键一步，为代谢性疾病治疗策略创新提供了重要参考。
