IGFBP—1的生理功能及其表达调控的研究进展

赵艳　卢玲　刘云章等

摘要： IGFBPs（Insulin-like growth factor-binding proteins，胰岛素样生长因子结合蛋白）在进化上是高度保守的，在IGF（Insulin-like growth factor，胰岛素样生长因子）系统中共有6种形式的IGFBPs，分别为IGFBP-1～IGFBP-6，它们与配体IGFs具有高度的亲和性，能够调节IGFs与IGF-R（Insulin-like growth factor receptor，胰岛素样生长因子受体）的结合，这为IGF信号通路的调节提供了灵活的方式。其中，IGFBP-1是IGF结合蛋白家族中第一个被发现和鉴定的成员，一些分解代谢胁迫条件会诱导IGFBP-1 mRNA的高量表达。近年来体内的研究表明IGFBP-1被喻为是限制IGF信号系统功能的“分子开关”。在胁迫条件出现时，IGFBP-1通过限制能量的使用，将生命过程由高耗能的生长发育状态切换到仅能满足生物体生存的基本的低耗能状态。本文就近年来在哺乳类和鱼类模型中IGFBP-1调控的分子机制以及生物学功能的研究进展作一综述。

关键词：IGFBP-1；生长；IGF信号通路；发育；代谢条件

中图分类号：Q753 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2015）01-0139-05

Abstract The insulin-like growth factor-binding proteins （IGFBPs） are evolutionarily conserved components of the insulin-like growth factor （IGF） system. There are six forms of IGFBPs， IGFBP-1～IGFBP-6. They have high affinity with IGFs and can regulate the combination of IGFs with their receptors， which provide additional flexibilities in regulating IGF signaling. IGFBP-1， the first identified member of the IGFBP family， is highly inducible under a variety of catabolic conditions. Recent in vivo studies have indicated that the IGFBP-1 serves as a molecular switch restricting IGF signaling and diverts the limited energy resources from growth and development towards metabolic processes essential for survival under stress conditions. This article reviewed the recent understandings of the molecular mechanism of IGFBP-1 regulation and its biological functions.

Key words IGFBP-1； Growth； IGF signaling； Development； Catabolic conditions

IGFs在进化上是一个相对保守的信号系统，由配体IGF-1和IGF-2、受体IGF-1R和IGF-2R、IGF结合蛋白IGFBPs共同组成。其中，IGFBP-1是IGF结合蛋白家族中第一个被发现和鉴定的成员，近年来研究表明IGFBP-1在分解代谢胁迫条件下能够从多方面调节IGF信号通路。本文对IGFBPs尤其是IGFBP-1调控的分子机制以及生物学功能的研究进展作一综述。

1 IGFBPs对IGFs活性的影响

研究表明胰岛素样生长因子（IGF-1和IGF-2）在调节细胞生长、增殖、存活、迁移等多种细胞进程中发挥重要作用。IGFs的生物活性主要是通过细胞表面的IGF-1R起作用，首先导致受体的β区域酪氨酸磷酸化，随后激活MAPK-PI3K-AKT信号通路[1]。IGF-2R则定义为非阳离子依赖型甘露糖-6-磷酸受体，无酪氨酸激酶活性，IGF-2R缺乏可识别的催化区并且结合IGF-2的能力要比IGF-1强[2]。

IGFs与IGF-Rs的相互作用受6种不同形式的IGFBPs（IGFBP-1～IGFBP-6）严格调控。IGFBPs是分泌型蛋白，其分子大小为24～44 kD，它们具有高度保守的N端和C端以及可变的L区。IGFBPs与IGF-Rs相比，对IGF具有更高的亲和性，在胞外液中IGFBPs能够与高达95%的IGFs形成复合体。目前认为，IGF/IGFBP复合体具有以下方面的作用：（1）通过交叉激活胰岛素受体，抑制低血糖的发生；（2）介导IGFs从血管向细胞表面传递；（3）形成的复合体不易被蛋白酶降解，延长IGFs的半衰期[3]。因此，IGFBPs在时空上对具有生物活性的IGFs信号分子向特定靶细胞的传递提供了灵活的调控方式。它们在调控IGF信号通路中都具有各自的特点和功能。如IGFBP-3和IGFBP-5都含有肝素结合基序，在胞外基质中能够结合糖胺多糖侧链和其他组分，从而与IGFs的结合力下降，随后IGFs从复合体上释放继而与靶细胞相互作用，由此说明IGFBPs能够增强IGFs的作用。同时IGFBPs对IGFs活性具有抑制作用，如IGFBP-1通过与IGF-1R竞争性结合IGF-1从而抑制IGF-1的活性。另外IGFBP-1能够被IGFBP蛋白酶水解随后降低与IGFs的亲和性，释放的IGFs就能够与活化的IGF-1R相互作用。最新研究表明在FGR（Fetal growth restriction，胎儿营养不良综合症）中IGFBP-1呈现高磷酸化水平，并通过mTOR与CK2（Casein kinase-2，酪蛋白激酶2）共同介导调节IGF-1的生物活性[4]。虽然所有的IGFBPs都是分泌型蛋白，但是IGFBP-3和IGFBP-5可以通过C端的核定位信号定位于核内[5]。有报道称，在前列腺癌细胞中核内的IGFBP-3能够与维甲酸X受体α相互作用，这种相互作用对IGFBP-3诱导的细胞凋亡是非常重要的。另外，IGFBP-3能够与RNA聚合酶Ⅱ结合亚基3相互作用，说明IGFBP-3可能与基因转录相关[6]。目前的研究也表明核内的IGFBP-5形成的复合体中包含组蛋白H3，说明IGFBBP-3和IGFBP-5的N端有不依赖于配体的反式激活活性[7]。因此，IGFBPs具有独立于配体的分子网络功能，这为转录活动提供了新的发生机制，是对IGFBPs作为IGF调节因子这一传统功能的补充。endprint

2 IGFBP-1的结构以及生化特性

人的IGFBP-1（图1）由234个氨基酸组成，其中在N端含有12个半胱氨酸残基，在C端含有6个半胱氨酸残基，IGFBP-1通过N端和C端与IGF-1直接作用，但不与胰岛素直接作用。其铰链区（L区域）富含脯氨酸、谷氨酸、丝氨酸和苏氨酸（PEST），该区域能增加蛋白酶水解的敏感性，IGFBP-1蛋白的不稳定性是由PEST序列引起的[8]。IGFBP-1基序还包括其他的结构特点：其C端还含有Arg-Gly-Asp （RGD）序列。研究表明IGFBP-1的RGD基序可以与α5β1整合蛋白结合从而影响细胞的粘附和转移。

有研究称IGFBP-1翻译后修饰包括聚合和磷酸化作用。Sakai发现IGFBP-1在谷氨酰胺转氨酶2的作用下发生聚合，其中未磷酸化的IGFBP-1聚合得更快，并在很大程度上削弱了IGFBP-1对IGF-1的抑制作用。IGFBP-1蛋白结构中的3个丝氨酸位点（Ser101、Ser119、Ser169）的磷酸化使IGFBP-1与IGF-1的结合力提高6倍。Abu Shehab研究发现IGFBP-1通过这3个丝氨酸位点，尤其是Ser119的磷酸化能够显著增强IGFBP-1对IGF的亲和性，从而增强IGF-IGFBP-1复合体的稳定性[9]。Gibson之前的研究报道称磷酸化的IGFBP-1在胎盘碱性磷酸酶的作用下去磷酸化，由于去磷酸化的形式更易受蛋白酶水解降解的影响，因此磷酸酶可以通过翻译后修饰来控制IGFBP-1的量从而实现对IGFs生物活性的调节[10]。另外，有研究表明IGFBP-1的磷酸化作用与病理状态间也存在一定的关系。然而与人的IGFBP-1不同的是，小鼠的IGFBP-1与IGF-1的亲和性并不依赖于IGFBP-1磷酸化位点Ser107、Ser132的磷酸化水平。硬骨鱼类中，已知多个物种的血清中含有至少三种主要的IGFBPs，大小在20～25、40～45 kD之间[11]。基于分子大小和哺乳动物的激素指标，在30 kD以下的IGFBPs被认为是鱼类的IGFBP-1。在斑马鱼中发现了IGFBP-1的倍增基因：IGFBP-1a和IGFBP-1b，分别编码263个氨基酸和244个氨基酸。和人的IGFBP-1一样，在IGFBP-1a发现两个高度保守的区域，一个在N端含有12个半胱氨酸残基，另一个在C端含有6个半胱氨酸残基，并不含PEST、RGD基序。IGFBP-1b中在N端和C端也存在这两个高度保守的区域，不含RGD基序，但含有PEST序列[12，13]。另外，在斑马鱼的IGFBP-1中没有发现任何保守的磷酸化位点，而这些位点在人类和小鼠中是保守的。

3 IGFBP-1表达的调控

早期研究揭示出IGFBP-1的磷酸化水平是一个动态变化的过程，这种快速高度诱导性的特点区别于其它的IGFBPs。IGFBP-1的半衰期约为7～13 min，IGFBP-1蛋白稳定性及其mRNA的稳定性受PEST序列影响。另外IGFBP-1 mRNA中的3′UTR含有‘ATTTA序列，该序列对mRNA的稳定性的调节具有重要作用[15]。

IGFBP-1的表达易受营养条件和胰岛素水平的影响，其中胰岛素是调节IGFBP-1转录的主要激素。哺乳动物的IGFBP-1启动子区域包含一段IRE（Insulin response elements 胰岛素响应元件）回文序列[T（G/A）TTT（T/G）（T/G）]，它能够调节胰岛素对IGFBP-1转录的抑制作用。糖皮质激素也能够调节IGFBP-1的表达，糖皮质激素在转录水平能够诱导IGFBP-1的表达，然而胰岛素在这一过程中占主导地位，它能够抑制本底以及糖皮质激素诱导的IGFBP-1的表达。糖皮质激素主要是通过直接与GR（Glucocorticoid receptor，糖皮质激素受体）结合，继而GR又与IGFBP-1启动子上的GRE（Glucocorticoid response elements，糖皮质激素响应元件）相互结合来发挥其生物活性，其中GRE与IREs在启动子上是相邻的[16]。另外有报道称一些内分泌因子，包括胰高血糖素、黄体酮、白介素-6以及维生素D能够调节IGFBP-1基因的表达。IGFBP-1的启动子区域上的这些顺式作用元件分别称之为cAMP响应元件（CRE）、黄体酮受体响应元件、HNF-1结合位点以及维他命受体响应元件。

研究发现，一些分解代谢胁迫条件（如禁食、营养不良蛋白质限制、缺氧）会在转录水平上诱导IGFBP-1的高量表达。体外试验表明，缺乏单一氨基酸（精氨酸、半胱氨酸或其它重要氨基酸）能够诱导IGFBP-1的表达。根据Takenaka的试验研究证明，小鼠IGFBP-1基因的启动子区域包含有IRE、GRE元件，这些元件对氨基酸缺乏有响应，在氨基酸缺乏的条件下，IGFBP-1的表达量增高[17]。由于氨基酸缺乏自身能够下调mTOR信号通路，mTOR信号通路可能通过IRE与糖皮质激素介导的信号通路共同作用来调节具有营养依赖性的IGFBP-1的表达，其中单一氨基酸缺乏如何调节IGFBP-1的表达这一潜在的分子机制目前并不清楚。

其它分解代谢胁迫条件包括ER（Endoplasmic reticulum，内质网）应激以及缺氧能够调节IGFBP-1的表达。在ER应激条件下，未折叠的IGFBP-1蛋白在细胞中积累。作为一种自主的调节方式，未折叠的IGFBP-1通过与其它蛋白相互作用减轻ER压力，其中包括活化的ATF-4（Activating Transcription Factor-4，转录激活因子4），它能够调节ER应激诱导的基因表达。Marchand等已经阐述了人的IGFBP-1末端调节区域（-6481/-6473区域）包括一个ATF-4结合位点[（R/C）TT（R/T）CRTCA，R=G/A]。研究表明突变或是敲降内源的ATF-4，能够削弱由ER压力引起的IGFBP-1的表达上调。由此说明ER压力诱导IGFBP-1的表达是通过ATF-4介导的[18]。另外，IGFBP-1表达也受缺氧环境的调节。缺氧能够诱导很多基因在转录水平上发生改变，从而提高O2交换和无氧呼吸并抑制多种能量需求的进程。缺氧条件下，多数发生在转录水平上的响应是通过HIF-1（Hypoxia-inducible factor-1，缺氧诱导因子1）介导的，它是一个异源二聚体，主要由HIF-1α以及芳香烃受体核转运子HIF-1β两个亚单位组成。在氧气充足的条件下，HIF-1α很快被泛素-蛋白酶水解途径降解；在缺氧条件下，HIF-1α的降解被抑制并在核内积累，然后直接与顺式作用元件HRE（Hypoxia response element，缺氧响应元件，A/GCGTG）结合并活化靶基因的表达[19]。Tazuke在培养的人体肝脏细胞中发现在IGFBP-1的内含子2上含有一个HRE元件。这些研究证明IGFBP-1是缺氧诱导基因。同样目前斑马鱼胚胎研究表明IGFBP-1a和IGFBP-1b都是缺氧诱导性基因，并且是通过HIF-1介导的，其中HIF-1信号通路在胚胎早期就已经建立起来了，辅助顺式作用元件HAS（HIF-1 ancillary sequence，HIF-1辅助序列）对HIF以及缺氧的响应是必需的。在哺乳类中，和其它缺氧响应基因（如VEGF、EPO、LDH-A）一样，IGFBP-1基因上HAS与HRE位点非常靠近，由此说明在缺氧应答过程中IGFBP-1和其它的缺氧诱导基因都需要HAS[20]。HAS结构的鉴定和功能需要进一步的研究。endprint

在哺乳类和硬骨鱼类中激素调节IGFBP-1基因表达的机制是保守的。IGFBP-1或者是低分子量（20～30 kD）的IGFBPs受饥饿、压力、缺氧以及盐度改变的诱导[11，12，21]。在罗非鱼肝脏细胞中发现，雌二醇-17β和5α-二氢睾酮能够调节IGFBP-1的释放。研究发现斑马鱼IGFBP-1的启动子区域包含多个GRE、CRE激素调节顺式作用元件，表明在分解代谢胁迫条件下的调节机制具有一定的保守性。Pierce等报道称在鲑鱼肝细胞中胰岛素对IGFBP-1的转录水平以及蛋白水平没有抑制作用，胰岛素抑制作用的缺失这一机制目前还不清楚[22]。对激素、环境刺激有响应的顺式作用元件的鉴定是将来的研究方向。

4 IGFBP-1的生理机能

大量体外研究证明IGFBP-1具有抑制IGFs活性的作用，其功能的发挥主要是通过与IGF-R竞争IGFs配体上的同一个结合位点。一些体内模型也充分证明了这一观点，过量表达IGFBP-1会影响胚胎生长发育：导致生长发育迟缓（转基因动物）；血糖升高（用磷酸甘油激酶启动子连接IGFBP-1的转基因鼠模型）；骨骼单位的多效性缺陷、矿化延迟、产前发育迟缓、生殖缺陷（肝脏特异性启动子连接IGFBP-1的转基因鼠模型）；妊娠中期胎儿发育迟缓、胎盘发育缺陷（用IGFBP-1自身启动子的转基因鼠模型）等。同样在斑马鱼胚胎中过表达IGFBP-1，导致胚胎发育延缓[22]。这些研究均证明IGFBP-1在胚胎发育程中具有重要作用。

IGFBP-1敲除的小鼠在产前和产后时期生长发育并没有出现明显的表型变化，这可能是不同IGFBPs在功能和表达方式上的冗余性，补偿了缺失的IGFBP-1的功能。类似的发现也出现在其它IGFBP成员中，IGFBP-2敲除的小鼠仅表现出肾脏变小、肝脏增大的轻微表型[23]。IGFBP-3、-5、-6敲除的小鼠在体型和大小方面均表现正常。同样用MO敲降斑马鱼的IGFBP-1a后，斑马鱼胚胎并未出现任何发育缺陷，但在某些胁迫条件下则表现出明显的缺陷。IGFBP-1基因缺陷的小鼠在肝脏局部切除手术之后经过肝脏再生，当肝脏基本恢复正常后，肝细胞DNA合成依然受损[24]。这种损伤与参与肝脏再生过程的丝裂原活化蛋白激酶MAPK和转录因子C/EBP β的反应降低相关。另外，用脂肪酸合成酶配体处理肝脏或者肝损伤过后会导致大量细胞凋亡，但用IGFBP-1预处理则能够营救这一损伤[25]。这些结果表明IGFBP-1作为存活因子扮演着重要角色。另外，在斑马鱼中长期的缺氧处理导致胚胎生长严重阻滞并且伴随发育迟缓，与此同时IGFBP-1a的mRNA以及蛋白质表达量均显著增加，MO靶向敲降IGFBP-1a能够部分营救（43%～65%）这一表型。若在敲降IGFBP-1a的胚胎中再次引入MO拮抗的IGFBP-1a后由缺氧引起的缺陷表型得到恢复，然而在过量IGF-1或IGF-2的存在下，IGFBP-1对细胞增殖的抑制作用则消失[12]。由此说明IGFBP-1作为细胞增殖的调节因子，其功能的发挥依赖于IGFs的作用。在缺氧条件下，IGFBP-1的作用模式是通过与IGFs结合，降低自由的IGFs与活化的IGF的比例随之抑制IGFs信号通路，导致生长阻滞和发育迟缓。

5 总结

大量的研究充分证明在多种分解代谢胁迫条件下IGFBP-1能够调节IGFs的活性。在正常环境下，IGFBP-1对IGF信号通路的抑制作用处于“OFF”模式，使生物体趋向于快速生长和发育。而在胁迫条件下，IGFBP-1的分子调节作用处于“ON”的模式，通过与自由的IGFs结合来抑制IGF信号通路，从而抑制生物体的生长和发育。在无脊椎动物中，胰岛素/IGF信号通路在胁迫条件下也能发挥相同的作用。例如，在线虫中发现，缺氧环境下野生型的线虫不能存活，而daf-2（胰岛素受体）突变体则对缺氧具有高度耐受力[26]。由此IGFBP-1的生物学意义可被喻为限制IGF信号系统功能的“分子开关”，在胁迫条件出现时将生命过程由高耗能的生长发育状态切换到仅能满足生物体生存的基本的低耗能状态。

参 考 文 献：

[1]Le Roith D， Bondy C， Yakar S， et al. The somatomedin hypothesis：2001 [J]. Endocr. Rev.， 2001， 22（1）： 53-74.

[2]Zha J， Lackner M R. Targeting the insulin-like growth factor receptor-1R pathway for cancer therapy [J]. Clin. Cancer Res.， 2010， 16（9）： 2512-2517.

[3]Duan C， Xu Q. Roles of insulin-like growth factor （IGF） binding proteins in regulating IGF actions [J]. Gen. Comp. Endocrinol.， 2005， 142（1/2）： 44-52.

[4]Abu Shehab M， Damerill I， Shen T， et al. Liver mTOR controls IGF-I bioavailability by regulation of protein kinase CK2 and IGFBP-1 phosphorylation in fetal growth restriction[J]. Endocrinology，2014， 155（4）： 1327-1339.

[5]Xu Q， Li S， Zhao Y， et al. Evidence that IGF binding protein-5 functions as a ligand-independent transcriptional regulator in vascular smooth muscle cells [J]. Circ. Res.， 2004， 94（5）： E46-54.endprint

[6]Oufattole M， Lin S W， Liu B， et al. Ribonucleic acid polymerase II binding subunit 3 （Rpb3）， a potential nuclear target of insulin-like growth factor binding protein-3 [J]. Endocrinology， 2006， 147（5）： 2138-2146.

[7]Zhao Y， Yin P， Bach L A， et al. Several acidic amino acids in the N-domain of insulin-like growth factor-binding protein-5 are important for its transactivation activity [J]. J. Biol. Chem.， 2006， 281（20）： 14184-14191.

[8]Lee P D， Giudice L C， Conover C A， et al. Insulin-like growth factor binding protein-1： recent findings and new directions [J]. Proc. Soc. Exp. Biol. Med.， 1997， 216（3）： 319-357.

[9]Abu Shehab M， Iosef C， Wildgruber R， et al. Phosphorylation of IGFBP-1 at discrete sites elicits variable effects on IGF-I receptor autophosphorylation[J]. Endocrinology， 2013，154（3）： 1130-1143.

[10]Gibson J M， Aplin J D， White A， et al. Regulation of IGF bioavailability in pregnancy [J]. Mol. Hum. Reprod.， 2001， 7（1）： 79-87.

[11]Davis K B， Peterson B C. The effect of temperature， stress， and cortisol on plasma IGF-I and IGFBPs in sunshine bass [J]. Gen. Comp. Endocrinol.， 2006， 149（3）： 219-225.

[12]Kajimura S， Aida K， Duan C. Insulin-like growth factor-binding protein-1 （IGFBP-1） mediates hypoxia-induced embryonic growth and developmental retardation [J]. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A， 2005， 102（4）： 1240-1245.

[13]Kamei H， Lu L， Jiao S， et al. Duplication and diversification of the hypoxia-inducible IGFBP-1 gene in zebrafish [J]. PLoS One， 2008， 3（8）： e3091.

[14]Kajimura S， Duan C. Insulin-like growth factor-binding protein-1： an evolutionarily conserved fine tuner of insulin-like growth factor action under catabolic and stressful conditions [J]. Journal of Fish Biology， 2007， 71：309-325.

[15]Gay E， Babajko S. AUUUA sequences compromise human insulin-like growth factor binding protein-1 mRNA stability [J]. Biochem. Biophys. Res. Commun.， 2000， 267（2）： 509-515.

[16]Gan L， Pan H， Unterman T G. Insulin response sequence-dependent and -independent mechanisms mediate effects of insulin on glucocorticoid-stimulated insulin-like growth factor binding protein-1 promoter activity [J]. Endocrinology， 2005， 146（10）： 4274-4280.

[17]Takenaka A， Komori K， Morishita T， et al. Amino acid regulation of gene transcription of rat insulin-like growth factor-binding protein-1 [J]. J. Endocrinol.， 2000， 164（3）： R11-R16.

[18]Marchand A， Tomkiewicz C， Magne L， et al. Endoplasmic reticulum stress induction of insulin-like growth factor-binding protein-1 involves ATF4 [J]. J. Biol. Chem.， 2006， 281（28）： 19124-19133.endprint

[19]Bruick R K. Oxygen sensing in the hypoxic response pathway： regulation of the hypoxia-inducible transcription factor [J]. Genes Dev.， 2003， 17（21）： 2614-2623.

[20]Kajimura S， Aida K， Duan C. Understanding hypoxia-induced gene expression in early development： in vitro and in vivo analysis of hypoxia-inducible factor 1-regulated zebra fish insulin-like growth factor binding protein 1 gene expression [J]. Mol. Cell. Biol.， 2006， 26（3）： 1142-1155.

[21]Shepherd B S， Drennon K， Johnson J， et al. Salinity acclimation affects the somatotropic axis in rainbow trout [J]. Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol.， 2005， 288（5）： R1385-R1395.

[22]Pierce A L， Shimizu M， Felli L， et al. Metabolic hormones regulate insulin-like growth factor binding protein-1 mRNA levels in primary cultured salmon hepatocytes； lack of inhibition by insulin [J]. J. Endocrinol.， 2006， 191（2）： 379-386.

[23]Wood T L， Rogler L E， Czick M E， et al. Selective alterations in organ sizes in mice with a targeted disruption of the insulin-like growth factor binding protein-2 gene [J]. Mol. Endocrinol.， 2000， 14（9）： 1472-1482.

[24]Leu J I， Crissey M A， Craig L E， et al. Impaired hepatocyte DNA synthetic response posthepatectomy in insulin-like growth factor binding protein 1-deficient mice with defects in C/EBP beta and mitogen-activated protein kinase/extracellular signal-regulated kinase regulation [J]. Mol. Cell Biol.， 2003， 23（4）： 1251-1259.

[25]Leu J I， Crissey M A， Taub R. Massive hepatic apoptosis associated with TGF-beta1 activation after Fas ligand treatment of IGF binding protein-1-deficient mice [J]. J. Clin. Invest.， 2003， 111（1）： 129-139.

[26]Scott B A， Avidan M S， Crowder C M. Regulation of hypoxic death in C. elegans by the insulin/IGF receptor homolog DAF-2 [J]. Science， 2002， 296（5577）： 2388-2391.endprint