曾永芬 黃義德

摘要：胰島素樣生長因子1（IGF1），具有調(diào)節(jié)組織細胞增殖、分化、有絲分裂等功能。研究表明IGF1不僅參與眾多疾病的發(fā)生，還參與了不同組織和器官的發(fā)育過程。對IGF1信號通路及其在機體發(fā)育中的作用進行了綜述。關鍵詞：胰島素樣生長因子1；胰島素樣生長因子1受體；胰島素樣生長因子結(jié)合蛋白；信號通路；發(fā)育 中圖分類號：Q71 文獻標識碼：A 文章編號：1007-7847（2015）02-0165-04Insulin-like Growth Factor 1 and its Roles in the Development of Tissues and OrgansZENG Yong-fen，HUANG Yi-de*（College of Life Sciences， Fujian Normal University， Fuzhou 350108，F(xiàn)ujian， China）Abstract ： Insulin-like growth factor 1 （IGF1） is a multi-functional protein which plays the important roles in regulating cell proliferation， differentiation and mitosis. Studies have shown that IGF1 is not only involved in the occurrence of many diseases， but also participated in the development process of different tissues and organs. The IGF1 signaling pathway and its roles in the development of tissues and organs are reviewed.Key words： insulin-like growth factor 1（IGF1）；insulin-like growth factor 1 receptor （IGF1R）；insulin-like growth factor-binding protein （IGFBP）； signaling pathway； development（Life Science Research， 2015， 19（2）： 165-168 ） 1957年，Salmon和Daughaday推測在骨生長過程中，垂體生長激素應該通過一類中間促生長肽來起作用。通過進一步鑒定發(fā)現(xiàn)這類中間促生長肽是兩種不同的分子，并且它們可以在體外軟骨移植過程中起到生長激素樣的作用[1]。之后，Rinderkneclit等通過序列分析發(fā)現(xiàn)這兩種分子與胰島素前體有很高的同源性，便分別將它們命名為膜島素樣生長因子1（insulin-likegrowthfactorsI，ICF1）和膜島素樣生長因子2（insulin-like growthfactors2，IGF2）[2]。IGF1和IGF2雖具有相似的生物學效應，它們也存在許多差異。比如IGF2主要在哺乳動物早期胚胎的肝臟和大腦生成后起作用。IGF1則是在胎兒出生前后，由垂體生長激素的信號刺激產(chǎn)生，然后通過內(nèi)分泌、自分泌或旁分泌的方式作用于靶細胞而發(fā)揮功能：同時IGF1和IGF2在哺乳動物體內(nèi)的染色體定位也不同，例如在人類中IGF1定位于12號染色體，IGF2則位于11號染色體上。IGF1，也被稱為生長調(diào)節(jié)素C，是一種多功能蛋白質(zhì)。IGF1的氨基末端與胰島素B鏈高度同源，這使得它具有通過Insulin/IGFl軸促進脂肪組織消耗葡萄糖的作用，因此在由于胰島素缺陷引起的糖尿病及糖尿病并發(fā)癥中具有重要的臨床效用[2、8]。IGF1除了以Insulin/IGFl軸起作用外，還以GH/IGH軸對多種臨床疾病和組織器官的發(fā)育起重要的調(diào)節(jié)作用。本文就1GF1信號通路中的蛋白組成及其在不同組織和器官生長發(fā)育中的作用進行了綜述。1IGF1信號l.1基因結(jié)構IGF1，基因結(jié)構高度保守，在小鼠和人類中IGF1均包含6個外顯子（圖1），成熟的IGF1由70個氨基酸組成，包含B、C、A、D4個結(jié)構域[3]。IGF1基因通過多轉(zhuǎn)錄起始位點、選擇性剪接和選擇性多聚腺苷酸化等方式加工形成多種不同的亞型（圖1）。在小鼠中目前已發(fā)現(xiàn)5種亞型，并且均可翻譯成蛋白質(zhì)。在人類中發(fā)現(xiàn)4種亞型[4、5]。通過不同轉(zhuǎn)錄起始位點的選擇，可以產(chǎn)生不同IGF1亞型。IGF1的轉(zhuǎn)錄起始位點分布在外顯子1和2上，其中外顯子1中已發(fā)現(xiàn)4個轉(zhuǎn)錄起始位點，外顯子2中發(fā)現(xiàn)3個[4，5]。IGF1轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生多種mRNA的另一重要原因是選擇性剪接。首先由于轉(zhuǎn)錄起始位點的不同使得前體mRNA缺少外顯子1或者2，之后發(fā)生在外顯子4、5、6上的選擇性剪接，使之形成不同的mRNAw。小鼠中外顯子4與外顯子6拼接形成IGF1EamRNA產(chǎn)物（含亞型4和5），外顯子4、5和6拼接形成IGF1EbmRNA產(chǎn)物（含亞型1、2和3）（圖1A）。人類中外顯子4與外顯子6拼接形成的IGF1EamRNA產(chǎn)物（含亞型2和4），外顯子4與外顯子5拼接形成IGF1EbmRNA產(chǎn)物（亞型3）和外顯子4、5和6拼接形成IGF1EcmRNA產(chǎn)物（亞型1）（圖1B）。多聚腺苷酸化位點主要對IGF1的翻譯過程有影響，在外顯子6的3'-UTRs巳經(jīng)發(fā)現(xiàn)4個多聚腺苷酸化位點，分別產(chǎn)生不同長度的3'-UTRs.無論在體內(nèi)還是在體外，這些不同的3'-UTRs都影響mRAN的翻譯效率[5]。1.2IGF結(jié)合蛋白IGF1在體內(nèi)以分泌蛋白的形式起作用。IGF1在血液中很不穩(wěn)定，容易降解。為了實現(xiàn)功能穩(wěn)定，IGF1需要與特定的IGF結(jié)合蛋白（IGFbindingproteinsIGFBPs）結(jié)合使其半衰期延長而能在血液中長時間運輸，最終發(fā)揮作用。IGFBPs由6種氨基酸序列高度同源的成員（IGFBP1?6）組成，其中IGFBP3最重要也是研究得最多的，且IGF-BP3參與IGF1在機體生長發(fā)育中的多種作用。在人類，IGFBPs對IGF1信號有雙向調(diào)節(jié)作用，不同細胞類型會產(chǎn)生抑制或促進兩種結(jié)果，比如在肝臟細胞，IGFBPs與IGF1結(jié)合后，使生長激素（GH）持續(xù)作用于肝臟而產(chǎn)生更多的IGFU而在生長激素引起的細胞過度增殖中，IGFBPs與受體（IGF1R）結(jié)合可以減少下游信號通路的激活，產(chǎn)生負調(diào)控作用[6]。1.3IGF1受體在細胞膜上存在兩種類塑的受體（IGFIR和胰島素受體）可以結(jié)合IGFl。IGF1R和胰島素受體具有結(jié)構同源性，均是跨膜的酪氨酸激酶受體亞家族的成員，與酪氨酸激酶結(jié)構域有84%的序列相同。而且在C羧基端和近膜區(qū)，IGFW和胰島素受體也各有44%和61%的同源序列。在人類，IGFlR和胰島素受體都是由兩個分別連著一個β亞基的α亞基組成，且亞基之間由二硫鍵相連（圖2）。酪氨酸激酶的活性部位位于亞基上。當IGF1結(jié)合到受體α亞基上時，使得受體位于細胞內(nèi)的β亞基催化區(qū)激活，增強酪氨酸激酶的自磷酸化和磷酸化作用而使之激活[7]。1.4IGF1信號通路IGFI起作用的信號通路主要是由IRS-I介異的PI3-K/Akt和絲裂原激活的蛋白激酶（mito-gen-activatedproteinkinases，MAPK）兩條途徑組成，這與胰島素的作用途徑相似。在IRS-1介導的P13-K/Akt途徑中，IGF1配體與受體結(jié)合之后，通過IKS、CRK、SHC等蛋白質(zhì)激活下游信號通路，最后通過下游PI3K（磷脂酰肌醇3-激酶）/PKB（蛋激酶B）途徑誘導代謝活動[8]。MAPK途徑也由IKS介導，主要調(diào)節(jié)組織細胞的增殖和分化等[9]。此外，IGF1還可通過JAK/STAT途徑產(chǎn)生作用，JAK即JanusKinase，是一種非受體型酪氨酸蛋白激酶，STAT是信號傳導及轉(zhuǎn)錄激活因子，可與特定的禽磷酸化酪氨酸的肽段結(jié)合，當STAT被磷酸化后，以活化的轉(zhuǎn)錄激活因子形式進入胞核內(nèi)，促進靶基因的轉(zhuǎn)錄[10]（圖2）。JAK/STAT途徑的活化常常作隨著MAPK途徑的激活，兩者間的復雜聯(lián)系目前還不清楚[11]。2IGF1在生長發(fā)育中的作用2.1IGF1對運動系統(tǒng)生長發(fā)育的影響2.1.1骨骨是機體的主要支架，對內(nèi)臟器官有保護作用，所以骨發(fā)育的正常進行對于機體至關重要。IGF1及其信號通路廣泛參與骨的生長發(fā)育。IGF1基閔敲除的小鼠與野生型小鼠相比在整體尺寸上減小了30%，股骨變短而且畸形，皮質(zhì)骨的大小也縮短。IGT1基因敲除鼠骨發(fā)育異常與骨形成和骨吸收下調(diào)有關。在/CF1基因缺失的小鼠骨髓中，成骨細胞和破骨細胞的數(shù)量減少，成骨發(fā)生和破骨發(fā)生的能力降低。研究表明，1GF1信號通路異常造成的以h現(xiàn)象的原因可能與Ihh-FrHrP反饋回路活性減弱有關[12]。IGF1R缺失的小鼠同樣顯示骨發(fā)育異常，主要表現(xiàn)為顱和面部的骨化延遲[13]。此外，在過表達IGFBPs的轉(zhuǎn)基因小鼠中，表現(xiàn)出骨形成率降低和骨質(zhì)疏松的癥狀在人類的研究中，嚴重IGF1缺陷的病人會導致身材矮小，而IGF1可以明顯改善這種癥狀，這也證明了IGFI在骨骼發(fā)育中的關鍵作用。另外，減少IGF1的產(chǎn)生和/或活性會造成年齡相關性的骨量減少和低水平的骨形成[14]。這些研究都證明1GFI信號通路在骨的合成代謝、生長發(fā)育中扮演著重要的角色2.1.2軟骨IGF1除對骨發(fā)育產(chǎn)生影響外，也影響軟骨的發(fā)育。IGF1對軟骨的影響主要在調(diào)節(jié)軟骨細胞的生長過程。在對大鼠甲狀腺激素與WNT信號共同作用調(diào)控的生長板軟骨細胞的增殖和分化的研究中發(fā)現(xiàn)，IGF-1/IGF1R介導的PI3K/Akt/GSK3/3通路可以激發(fā)軟骨細胞分化，且IGF1信號和IGF-1/IGF1R介導的PI3K/Akt/GSK3β通路可以激活Wntβ-catenin信號通路而使軟骨細胞肥大[15]。誘導分泌蛋白3（Wntinducedsecretedpro?tein3，WISP3）是一種間充質(zhì)來源的蛋白，WISP3幾個區(qū)域突變會導致進行性假性類風濕性發(fā)育不良（progressive pseudorheumatoiddysplasia，PPD），該疾病與軟骨缺失和抑制軟骨骨骼發(fā)育有關。Srinivasa等在軟骨發(fā)育完整的條件下對WISP3進行功能分析，研究表明WISP3能1IGF1結(jié)合并抑制IGF1分泌。此外，WISP3限制IGF1介導的膠原蛋白X的表達、積累活性氧（R0S）和激活堿性磷酸酶，所有這些都會誘導軟骨細胞肥大有趣的是，IGF1和R0S反過來正調(diào)控WISP3的表達丨'目前IGF1信號對軟骨發(fā)育調(diào)節(jié)作用的研究主要集中在與Wntβ-catenin信號通路的相互作用上。2.1.3骨骼肌IGF1在骨骼肌發(fā)育過程中的作用也很廣泛。Yang等發(fā)現(xiàn)受到拉仲刺激的骨骼肌中1GF1Eh表達上調(diào)，因而也將IGFIEb命名為力生長因子（mechano-growthfactor，MGF）[17]。XianCY等在另一種力效應細胞——成骨細胞中也發(fā)現(xiàn)，在拉伸刺激的情況下該因子的表達上調(diào)。由此可見，IGF1在骨骼肌中常常會作為一種力應激因子而發(fā)揮作用。此外，研究還發(fā)現(xiàn)IGF1與肌肉的肥大和再生有關。存在于肌膜與基膜之間的肌衛(wèi)星細胞（satellitecells，SCs）和來源于骨髓干細胞的側(cè)群細胞（sidepopulationstemcells，SPs）是兩種肌肉干細胞，IGFlEa和IGFlEb在骨骼肌損傷再生過程中能夠增強這兩種肌肉干細胞的增殖和分化，但是具體機制尚不清楚。近來，Sandri等在研究控制老化小鼠骨骼肌纖維大小的信號通路時發(fā)現(xiàn)，IGFl-Akt-mTOR-FoxO通路以及一些涉及纖溶酶原激活物1型抑制劑（PAI-1）和肌肉生長抑制素的途徑對骨骼肌纖維的大小都有重要影響[18]。Nielsen等還發(fā)現(xiàn)通過改變GH/IGF1信號會影響小鼠肌腱膠原的合成，從而影響骨骼肌在骨的附著[19]。2.2IGF1對牙齒發(fā)育的影響IGF1與牙齒發(fā)育關系密切，影響牙胚的發(fā)育和牙齒的正確萌出，這些影響與IGF1對骨、軟骨生長發(fā)育的作用密不可分。Catherine在對體內(nèi)牙本質(zhì)分化和體外誘導的牙本質(zhì)分化研究中發(fā)現(xiàn)，IGF1能夠通過促進牙本質(zhì)樣基質(zhì)在牙乳頭的聚集并極化而有助于小鼠牙乳頭細胞向成牙本質(zhì)細胞分化[20]。此外，IGFl還參與牙髓干細胞和牙周組織的牙本質(zhì)分化和成骨分化。例如Onishi等就發(fā)現(xiàn)IGF1和IGF2能夠提高犬牙齒中牙髓來源的纖維細胞的增殖和堿性磷酸酶（ALP）活性[21]。最近Wang等發(fā)現(xiàn)，IGFl能夠激活人牙乳頭干細胞來源細胞的分化、ALP活性和礦化，但牙原性標志蛋白——牙本質(zhì)涎磷蛋白和牙本質(zhì)唾液蛋白表達均下降。他們也發(fā)現(xiàn)IGF1在人牙齒牙乳頭干細胞的成骨分化中扮演重要角色[22]。在骨化癥無牙大鼠的頜骨內(nèi)，破骨細胞中IGF1和GHR的表達下調(diào)，添加集落刺激因子-1（colony—stimulatingfactor-1，CSF-1）后，增加了表達IGF1和GHR蛋白的破骨細胞的數(shù)量，牙齒得以正常萌出，表明IGF1影響牙齒的萌出[23]。還有研究證明，大鼠切牙的不斷生長依賴于IGH，另外，GH和IGF1各自都能將BMP2和BMP4的表達提高5倍，說明在大鼠切牙發(fā)育過程中這兩種生長激素對牙周組織或牙槽骨的成骨的影響可能通過這些BMPs介導[24]。2.3IGF1對神經(jīng)系統(tǒng)的影響年老的秀麗桿隱線蟲表現(xiàn)出神經(jīng)元收縮能力減小，對刺激的反應下降，對神經(jīng)損傷的反應減弱，軸突再生能力也變?nèi)?，研究表明胰島素/IGF1軸的受體daf-2及轉(zhuǎn)錄因子daf-16/FOXO參與了這些現(xiàn)象的調(diào)控[25]。也有報道，雌二醇通過海馬體神經(jīng)兀突觸后密度蛋白95（postsynapticdensityprotein95，PSD-95）與IGFl信號通路相互作用可引起大鼠海馬體神經(jīng)元突觸結(jié)構的改變，增強空間記憶[26]。此外，IGF1不僅影響神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育，還能通過神經(jīng)系統(tǒng)影響其他器官的正常發(fā)育。在小鼠中，用功能缺失的方法使IGF1基因突變會導致胚胎期和產(chǎn)后胎兒生長缺陷和嚴重的神經(jīng)性耳聾。研究表明IGF1是通過RAF、AKT、MAPK等相互作用影響API、MEF2、FoxMl和FoxP3等轉(zhuǎn)錄因子的表達，從而影響細胞周期和代謝，導致耳蝸發(fā)育異常形成神經(jīng)性耳聾[27]。由此可見，IGF1在神經(jīng)系統(tǒng)也有著廣譜而重要的作用。2.4IGF1對肺發(fā)育的影響IGF1缺陷的鼠胚肺形態(tài)發(fā)生異常，表現(xiàn)為間質(zhì)增厚，細胞外基質(zhì)沉積改變，平滑肌變薄和血管擴張，延遲遠端肺器官形成，肺泡發(fā)育異常，最終導致鼠胚的不對稱肺發(fā)育，使得新生小鼠呼吸窘迫[9-11]。近期，Pais等通過基因芯片等方法，發(fā)現(xiàn)了在IGF1—小鼠鼠胚遠端肺中表達下調(diào)的基因與MAPK，WNT信號通路，細胞黏著等相關，在IGF1+小鼠鼠胚的肺體外培養(yǎng)中通過加入IGH蛋白可以增加肺部的氣道隔膜重構和遠端上皮細胞的成熟，并伴隨著遠端上皮成熟的標志物，如NFIB和KLF2轉(zhuǎn)錄因子及Cyr61基質(zhì)細胞蛋白的上調(diào)[28]。已有的研究均表明IGF1對肺的發(fā)育有著重要的作用。3小結(jié)IGF1作為重要的信號分子，除參與了糖尿病、侏儒癥等疾病的發(fā)生外，還參與了機體多種組織和器官的發(fā)育，尤其是在運動系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、肺和牙齒等發(fā)育過程中扮演著重要角色，但其具體作用機制還有待今后進一步研究。參考文獻（References）：[1]SALMON 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