胰岛素样生长因子1及其在组织和器官 生长发育中的作用

曾永芬 黄义德

摘要：胰岛素样生长因子1（IGF1），具有调节组织细胞增殖、分化、有丝分裂等功能。研究表明IGF1不仅参与众多疾病的发生，还参与了不同组织和器官的发育过程。对IGF1信号通路及其在机体发育中的作用进行了综述。关键词：胰岛素样生长因子1；胰岛素样生长因子1受体；胰岛素样生长因子结合蛋白；信号通路；发育 中图分类号：Q71 文献标识码：A 文章编号：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，Fujian， 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推测在骨生长过程中，垂体生长激素应该通过一类中间促生长肽来起作用。通过进一步鉴定发现这类中间促生长肽是两种不同的分子，并且它们可以在体外软骨移植过程中起到生长激素样的作用[1]。之后，Rinderkneclit等通过序列分析发现这两种分子与胰岛素前体有很高的同源性，便分别将它们命名为膜岛素样生长因子1（insulin-likegrowthfactorsI，ICF1）和膜岛素样生长因子2（insulin-like growthfactors2，IGF2）[2]。IGF1和IGF2虽具有相似的生物学效应，它们也存在许多差异。比如IGF2主要在哺乳动物早期胚胎的肝脏和大脑生成后起作用。IGF1则是在胎儿出生前后，由垂体生长激素的信号刺激产生，然后通过内分泌、自分泌或旁分泌的方式作用于靶细胞而发挥功能：同时IGF1和IGF2在哺乳动物体内的染色体定位也不同，例如在人类中IGF1定位于12号染色体，IGF2则位于11号染色体上。IGF1，也被称为生长调节素C，是一种多功能蛋白质。IGF1的氨基末端与胰岛素B链高度同源，这使得它具有通过Insulin/IGFl轴促进脂肪组织消耗葡萄糖的作用，因此在由于胰岛素缺陷引起的糖尿病及糖尿病并发症中具有重要的临床效用[2、8]。IGF1除了以Insulin/IGFl轴起作用外，还以GH/IGH轴对多种临床疾病和组织器官的发育起重要的调节作用。本文就1GF1信号通路中的蛋白组成及其在不同组织和器官生长发育中的作用进行了综述。1IGF1信号l.1基因结构IGF1，基因结构高度保守，在小鼠和人类中IGF1均包含6个外显子（图1），成熟的IGF1由70个氨基酸组成，包含B、C、A、D4个结构域[3]。IGF1基因通过多转录起始位点、选择性剪接和选择性多聚腺苷酸化等方式加工形成多种不同的亚型（图1）。在小鼠中目前已发现5种亚型，并且均可翻译成蛋白质。在人类中发现4种亚型[4、5]。通过不同转录起始位点的选择，可以产生不同IGF1亚型。IGF1的转录起始位点分布在外显子1和2上，其中外显子1中已发现4个转录起始位点，外显子2中发现3个[4，5]。IGF1转录产生多种mRNA的另一重要原因是选择性剪接。首先由于转录起始位点的不同使得前体mRNA缺少外显子1或者2，之后发生在外显子4、5、6上的选择性剪接，使之形成不同的mRNAw。小鼠中外显子4与外显子6拼接形成IGF1EamRNA产物（含亚型4和5），外显子4、5和6拼接形成IGF1EbmRNA产物（含亚型1、2和3）（图1A）。人类中外显子4与外显子6拼接形成的IGF1EamRNA产物（含亚型2和4），外显子4与外显子5拼接形成IGF1EbmRNA产物（亚型3）和外显子4、5和6拼接形成IGF1EcmRNA产物（亚型1）（图1B）。多聚腺苷酸化位点主要对IGF1的翻译过程有影响，在外显子6的3'-UTRs巳经发现4个多聚腺苷酸化位点，分别产生不同长度的3'-UTRs.无论在体内还是在体外，这些不同的3'-UTRs都影响mRAN的翻译效率[5]。1.2IGF结合蛋白IGF1在体内以分泌蛋白的形式起作用。IGF1在血液中很不稳定，容易降解。为了实现功能稳定，IGF1需要与特定的IGF结合蛋白（IGFbindingproteinsIGFBPs）结合使其半衰期延长而能在血液中长时间运输，最终发挥作用。IGFBPs由6种氨基酸序列高度同源的成员（IGFBP1?6）组成，其中IGFBP3最重要也是研究得最多的，且IGF-BP3参与IGF1在机体生长发育中的多种作用。在人类，IGFBPs对IGF1信号有双向调节作用，不同细胞类型会产生抑制或促进两种结果，比如在肝脏细胞，IGFBPs与IGF1结合后，使生长激素（GH）持续作用于肝脏而产生更多的IGFU而在生长激素引起的细胞过度增殖中，IGFBPs与受体（IGF1R）结合可以减少下游信号通路的激活，产生负调控作用[6]。1.3IGF1受体在细胞膜上存在两种类塑的受体（IGFIR和胰岛素受体）可以结合IGFl。IGF1R和胰岛素受体具有结构同源性，均是跨膜的酪氨酸激酶受体亚家族的成员，与酪氨酸激酶结构域有84%的序列相同。而且在C羧基端和近膜区，IGFW和胰岛素受体也各有44%和61%的同源序列。在人类，IGFlR和胰岛素受体都是由两个分别连着一个β亚基的α亚基组成，且亚基之间由二硫键相连（图2）。酪氨酸激酶的活性部位位于亚基上。当IGF1结合到受体α亚基上时，使得受体位于细胞内的β亚基催化区激活，增强酪氨酸激酶的自磷酸化和磷酸化作用而使之激活[7]。1.4IGF1信号通路IGFI起作用的信号通路主要是由IRS-I介异的PI3-K/Akt和丝裂原激活的蛋白激酶（mito-gen-activatedproteinkinases，MAPK）两条途径组成，这与胰岛素的作用途径相似。在IRS-1介导的P13-K/Akt途径中，IGF1配体与受体结合之后，通过IKS、CRK、SHC等蛋白质激活下游信号通路，最后通过下游PI3K（磷脂酰肌醇3-激酶）/PKB（蛋激酶B）途径诱导代谢活动[8]。MAPK途径也由IKS介导，主要调节组织细胞的增殖和分化等[9]。此外，IGF1还可通过JAK/STAT途径产生作用，JAK即JanusKinase，是一种非受体型酪氨酸蛋白激酶，STAT是信号传导及转录激活因子，可与特定的禽磷酸化酪氨酸的肽段结合，当STAT被磷酸化后，以活化的转录激活因子形式进入胞核内，促进靶基因的转录[10]（图2）。JAK/STAT途径的活化常常作随着MAPK途径的激活，两者间的复杂联系目前还不清楚[11]。2IGF1在生长发育中的作用2.1IGF1对运动系统生长发育的影响2.1.1骨骨是机体的主要支架，对内脏器官有保护作用，所以骨发育的正常进行对于机体至关重要。IGF1及其信号通路广泛参与骨的生长发育。IGF1基闵敲除的小鼠与野生型小鼠相比在整体尺寸上减小了30%，股骨变短而且畸形，皮质骨的大小也缩短。IGT1基因敲除鼠骨发育异常与骨形成和骨吸收下调有关。在/CF1基因缺失的小鼠骨髓中，成骨细胞和破骨细胞的数量减少，成骨发生和破骨发生的能力降低。研究表明，1GF1信号通路异常造成的以h现象的原因可能与Ihh-FrHrP反馈回路活性减弱有关[12]。IGF1R缺失的小鼠同样显示骨发育异常，主要表现为颅和面部的骨化延迟[13]。此外，在过表达IGFBPs的转基因小鼠中，表现出骨形成率降低和骨质疏松的症状在人类的研究中，严重IGF1缺陷的病人会导致身材矮小，而IGF1可以明显改善这种症状，这也证明了IGFI在骨骼发育中的关键作用。另外，减少IGF1的产生和/或活性会造成年龄相关性的骨量减少和低水平的骨形成[14]。这些研究都证明1GFI信号通路在骨的合成代谢、生长发育中扮演着重要的角色2.1.2软骨IGF1除对骨发育产生影响外，也影响软骨的发育。IGF1对软骨的影响主要在调节软骨细胞的生长过程。在对大鼠甲状腺激素与WNT信号共同作用调控的生长板软骨细胞的增殖和分化的研究中发现，IGF-1/IGF1R介导的PI3K/Akt/GSK3/3通路可以激发软骨细胞分化，且IGF1信号和IGF-1/IGF1R介导的PI3K/Akt/GSK3β通路可以激活Wntβ-catenin信号通路而使软骨细胞肥大[15]。诱导分泌蛋白3（Wntinducedsecretedpro?tein3，WISP3）是一种间充质来源的蛋白，WISP3几个区域突变会导致进行性假性类风湿性发育不良（progressive pseudorheumatoiddysplasia，PPD），该疾病与软骨缺失和抑制软骨骨骼发育有关。Srinivasa等在软骨发育完整的条件下对WISP3进行功能分析，研究表明WISP3能1IGF1结合并抑制IGF1分泌。此外，WISP3限制IGF1介导的胶原蛋白X的表达、积累活性氧（R0S）和激活碱性磷酸酶，所有这些都会诱导软骨细胞肥大有趣的是，IGF1和R0S反过来正调控WISP3的表达丨'目前IGF1信号对软骨发育调节作用的研究主要集中在与Wntβ-catenin信号通路的相互作用上。2.1.3骨骼肌IGF1在骨骼肌发育过程中的作用也很广泛。Yang等发现受到拉仲刺激的骨骼肌中1GF1Eh表达上调，因而也将IGFIEb命名为力生长因子（mechano-growthfactor，MGF）[17]。XianCY等在另一种力效应细胞——成骨细胞中也发现，在拉伸刺激的情况下该因子的表达上调。由此可见，IGF1在骨骼肌中常常会作为一种力应激因子而发挥作用。此外，研究还发现IGF1与肌肉的肥大和再生有关。存在于肌膜与基膜之间的肌卫星细胞（satellitecells，SCs）和来源于骨髓干细胞的侧群细胞（sidepopulationstemcells，SPs）是两种肌肉干细胞，IGFlEa和IGFlEb在骨骼肌损伤再生过程中能够增强这两种肌肉干细胞的增殖和分化，但是具体机制尚不清楚。近来，Sandri等在研究控制老化小鼠骨骼肌纤维大小的信号通路时发现，IGFl-Akt-mTOR-FoxO通路以及一些涉及纤溶酶原激活物1型抑制剂（PAI-1）和肌肉生长抑制素的途径对骨骼肌纤维的大小都有重要影响[18]。Nielsen等还发现通过改变GH/IGF1信号会影响小鼠肌腱胶原的合成，从而影响骨骼肌在骨的附着[19]。2.2IGF1对牙齿发育的影响IGF1与牙齿发育关系密切，影响牙胚的发育和牙齿的正确萌出，这些影响与IGF1对骨、软骨生长发育的作用密不可分。Catherine在对体内牙本质分化和体外诱导的牙本质分化研究中发现，IGF1能够通过促进牙本质样基质在牙乳头的聚集并极化而有助于小鼠牙乳头细胞向成牙本质细胞分化[20]。此外，IGFl还参与牙髓干细胞和牙周组织的牙本质分化和成骨分化。例如Onishi等就发现IGF1和IGF2能够提高犬牙齿中牙髓来源的纤维细胞的增殖和碱性磷酸酶（ALP）活性[21]。最近Wang等发现，IGFl能够激活人牙乳头干细胞来源细胞的分化、ALP活性和矿化，但牙原性标志蛋白——牙本质涎磷蛋白和牙本质唾液蛋白表达均下降。他们也发现IGF1在人牙齿牙乳头干细胞的成骨分化中扮演重要角色[22]。在骨化症无牙大鼠的颌骨内，破骨细胞中IGF1和GHR的表达下调，添加集落刺激因子-1（colony—stimulatingfactor-1，CSF-1）后，增加了表达IGF1和GHR蛋白的破骨细胞的数量，牙齿得以正常萌出，表明IGF1影响牙齿的萌出[23]。还有研究证明，大鼠切牙的不断生长依赖于IGH，另外，GH和IGF1各自都能将BMP2和BMP4的表达提高5倍，说明在大鼠切牙发育过程中这两种生长激素对牙周组织或牙槽骨的成骨的影响可能通过这些BMPs介导[24]。2.3IGF1对神经系统的影响年老的秀丽杆隐线虫表现出神经元收缩能力减小，对刺激的反应下降，对神经损伤的反应减弱，轴突再生能力也变弱，研究表明胰岛素/IGF1轴的受体daf-2及转录因子daf-16/FOXO参与了这些现象的调控[25]。也有报道，雌二醇通过海马体神经兀突触后密度蛋白95（postsynapticdensityprotein95，PSD-95）与IGFl信号通路相互作用可引起大鼠海马体神经元突触结构的改变，增强空间记忆[26]。此外，IGF1不仅影响神经系统的发育，还能通过神经系统影响其他器官的正常发育。在小鼠中，用功能缺失的方法使IGF1基因突变会导致胚胎期和产后胎儿生长缺陷和严重的神经性耳聋。研究表明IGF1是通过RAF、AKT、MAPK等相互作用影响API、MEF2、FoxMl和FoxP3等转录因子的表达，从而影响细胞周期和代谢，导致耳蜗发育异常形成神经性耳聋[27]。由此可见，IGF1在神经系统也有着广谱而重要的作用。2.4IGF1对肺发育的影响IGF1缺陷的鼠胚肺形态发生异常，表现为间质增厚，细胞外基质沉积改变，平滑肌变薄和血管扩张，延迟远端肺器官形成，肺泡发育异常，最终导致鼠胚的不对称肺发育，使得新生小鼠呼吸窘迫[9-11]。近期，Pais等通过基因芯片等方法，发现了在IGF1—小鼠鼠胚远端肺中表达下调的基因与MAPK，WNT信号通路，细胞黏着等相关，在IGF1+小鼠鼠胚的肺体外培养中通过加入IGH蛋白可以增加肺部的气道隔膜重构和远端上皮细胞的成熟，并伴随着远端上皮成熟的标志物，如NFIB和KLF2转录因子及Cyr61基质细胞蛋白的上调[28]。已有的研究均表明IGF1对肺的发育有着重要的作用。3小结IGF1作为重要的信号分子，除参与了糖尿病、侏儒症等疾病的发生外，还参与了机体多种组织和器官的发育，尤其是在运动系统、神经系统、肺和牙齿等发育过程中扮演着重要角色，但其具体作用机制还有待今后进一步研究。参考文献（References）：[1]SALMON 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