脂肪细胞因子Isthmin-1 研究新进展

曹琨琨， 刘凯月， 杨露露， 卢荣华＊

(河南师范大学水产学院， 河南新乡 453007)

2002年，在非洲爪蟾（Xenopus laevis）中发现一种分泌蛋白Isthmin （Ism）， 将其命名为Xenopus Isthmin（xIsm）[1]。 Ism蛋白家族包括Ism-1和Ism-2，二者均由三部分组成，即含疏水信号的N端信号肽、血小板反应 蛋 白1 型 重 复 结 构 域 （Thrombospondin type 1 repeat, TSR1） 以及被称为MUC4和其他蛋白的黏附相关结构域 （Adhesion-associated domain in MUC4 and other proteins, AMOP）的C端结构域[1-3]。 Ism-2主要集中在胎盘，与绒毛膜癌等相关[4]，而Ism-1表现出更广泛的表达模式，在肺、脑、肝、乳腺、胃、肌肉、皮肤、骨髓和结肠等不同组织中均有表达[2]，这预示其具有多种生物学功能。 2021年，Jiang等[5]利用生物信息学以及Ism-1在棕色脂肪和白色脂肪组织中的表达变化，将其定义为一种脂肪细胞因子。

目前，对Ism-1生物学功能的研究主要集中在免疫和炎症、细胞凋亡及肿瘤发生与癌症、糖脂代谢、调节肌纤维发育与蛋白质合成等许多病理生理方面[6]。 鉴于Ism-1的广泛分布和作用，本文就Ism-1的分布、结构、受体及其生物学功能等方面的研究进展进行概述。

1 Ism-1的结构特征

人类（Homo sapiens）的Ism-1基因位于20号染色体上，编码499个氨基酸，蛋白质分子量约60 kDa；小鼠Ism-1基因位于2号染色体上， 编码461个氨基酸，预测蛋白质分子量为52 kDa； 鸡Ism-1基因位于3号染色体上[2,7]。 斑马鱼（Danio rerio）Ism-1基因位于13号染色体上，与鸡Ism-1相似，均编码443个氨基酸的蛋白质[2]。草鱼（Ctenopharyngodon idella）Ism-1的ORF开放读码框为1380 bp，编码459个氨基酸，预测蛋白质相对分子量为50.96 kDa[8]。 由于Ism-1的分子量在不同物种中存在差异， 因此推测其可能存在翻译后修饰现象。

氨基酸同源性分析发现， 小鼠与蛙、 鸡、 人的Ism-1氨基酸序列存在高度同源性，分别为78%、80%和93%。草鱼Ism-1与其他鱼类Ism-1的同源性均达到90%以上，与黑头软口鲦（Pimephales promelas）的同源性最高， 其蛋白包含3个α-螺旋和2个β-折叠，具有1个跨膜结构域，还包含TSR1和AMOP两个主要的保守结构域[2-3]，这也表明Ism-1在硬骨鱼类中的进化相对保守[8]。

2 Ism-1的受体

目前发现Ism-1有两个潜在受体，即低亲和力的整合素αvβ5 和高亲和力的葡萄糖调节蛋白78（Glucose regulated protein 78，GRP78）[9]。 整合素是细胞表面信号受体，可激活细胞内多种信号通路，参与细胞与外基质和邻近细胞的黏附， 在抑制血管生成及降低炎症中发挥重要作用。 Zhang等[10]使用酶联免疫吸附法证明了Ism-1可通过AMOP结构域与内皮细胞表面的整合素αvβ5结合。 GRP78是内质网伴侣蛋白，属于热休克蛋白家族，可促进蛋白质的折叠并介导细胞应激反应，该蛋白在黑色素瘤、乳腺癌、前列腺癌、 肺癌和卵巢癌等多种人类癌症中高表达[11]。Ism-1可通过调节小鼠黑色素瘤细胞、 人肾癌细胞、人肝癌细胞表面GRP78蛋白的高表达， 诱导细胞凋亡，从而发挥其抗肿瘤特性[11]。

3 Ism-1的生物学功能

自2002年Ism-1首次被发现以来，相继报道其在诸多生理和病理过程中发挥不可或缺的作用， 可能参与多种生理病理过程，具有多重生物学功能。

3.1 Ism-1参与免疫和炎症反应

有研究发现，Ism-1可能是抗病毒免疫反应中控制病毒感染的新靶点。 Valle-Rios等[7]发现Ism-1在人和小鼠的黏膜、皮肤及一些淋巴细胞群中显著表达。 在小鼠肺中发现Ism-1可能是激活淋巴细胞功能的中间物质，从而参与机体的免疫反应[7]。 Lam等[9]研究发现，Ism-1可选择性地触发肺泡巨噬细胞的凋亡， 缺失Ism-1的小鼠肺泡巨噬细胞的数量增加，并伴有肺部炎症、肺气肿和显著的肺功能下降等问题。 本实验室前期研究结果也显示，Ism-1在鳃中表达量高，而鳃是鱼体的免疫器官，表明其可能参与鱼体的免疫应答反应[8]。 在斑马鱼中的研究显示，Ism-1重组蛋白可降低草鱼呼肠孤病毒胁迫下的细胞病变效应和病毒数量， 其机制可能是通过TBK1-IRF3-IFN信号通路促进干扰素和Mx等抗病毒基因的表达来实现的[12]。

3.2 Ism-1调节细胞凋亡

Ism-1可以促进两种受体GRP78与整合素αvβ5介导的细胞凋亡，且两种受体之间不存在相互作用，其调控机制也不同。Xiang等[13]发现Ism-1在机体内存在两种形式，即溶于血液的可溶性Ism-1和存在于组织细胞外基质的不溶性Ism-1。 研究发现它们发挥完全相反的作用，可溶性Ism-1以整合素αvβ5依赖的方式激活，通过体外途径诱导内皮细胞凋亡，可作为一种拮抗剂； 而不溶性Ism-1是整合素αvβ5的激动剂，可促进内皮细胞的黏附和存活。 因此根据可溶或不可溶的状态，推测Ism-1可能具有双重作用[10,13]。

Ism-1与GRP78结合后，通过网格蛋白依赖的内吞作用内化到内皮细胞中，进一步进入线粒体内，然后与线粒体内膜的关键转运蛋白ACC相结合， 阻断ATP从线粒体到细胞质的转运， 从而导致细胞凋亡[6]。 另外，在Ism-1 AMOP结构域中发现一种新的环状肽BC71，它是细胞表面GRP78的促凋亡配体，两者结合可以激活人脐静脉内皮细胞中的p53和caspase-8等凋亡信号，进而导致癌细胞凋亡[6]。

3.3 Ism-1在肿瘤与癌症中的作用

Xiang等[13]发现Ism-1是一种新型的血管生成抑制剂，可通过其C端AMOP结构域抑制毛细血管网的形成，并可能影响细胞迁移、黏附和凋亡。 Wang等[14]在肝癌细胞中发现Ism-1可通过hsa_circ_0091570/miR1307抑制细胞的增殖和迁移。 在结肠癌细胞中，miR-1307-3p 通 过 靶 向 下 调Ism-1 的 表 达， 抑 制Wnt3a/β-catenin信号通路的激活进而抑制细胞增殖并促进其凋亡[15]；过表达Ism-1可激活结肠癌细胞中Wnt3a/β-catenin信号通路， 同时促进细胞增殖抑制细胞凋亡[15]。 此外，有研究也报道了在结肠癌患者组织中Ism-1的表达升高， 并与缺氧、KRAS、Notch和Hedgehog等癌症相关信号通路呈正相关[16]。

3.4 Ism-1在糖脂代谢中的作用

2021年，Jiang 等将Ism-1定义为一种脂肪细胞因子，发现其可独立于胰岛素和胰岛素样生长因子1受体，既能以自分泌方式作用于脂肪细胞，又能以内分泌方式作用于肝细胞， 在葡萄糖摄取和降脂方面具有双重有益作用[5]。 Ism-1重组蛋白显著增加小鼠和人脂肪细胞以及人原代肌细胞中的葡萄糖摄取，这可能和其促进了GLUT4转运到细胞表面有关；而敲除Ism-1的脂肪细胞摄取葡萄糖减少，胰岛素依赖性蛋白激酶AKT丝氨酸残基在473位点（pAKTS473）的磷酸化水平也降低[5]。 此外，在小鼠中完全敲除Ism-1导致葡萄糖耐量下降， 棕色脂肪和肌肉组织中葡萄糖的摄取也减少，而在小鼠中过表达Ism-1则导致脂肪组织中脂质含量减少，增加胰岛素敏感性，并提高了葡萄糖耐量，同时抑制了肝脏中脂肪的合成[5]，表明Ism-1在增加脂肪组织葡萄糖摄取的同时可抑制肝脏脂肪的合成。

Ism-1在肥胖小鼠和人体中的表达和循环水平明显升高，在高脂饲喂的小鼠白色脂肪组织中，其表达量就增加了约30倍，提示我们Ism-1参与了小鼠和人的肥胖调节[5,17]。 一项对西班牙青春期男女的研究发现，青春期的肥胖男孩的Ism-1水平高于正常体重和超重的男孩，而青春期女孩的Ism-1水平则没有明显变化，这表明Ism-1作为儿童肥胖的新生标志物可能具有特殊性[17]。

3.5 Ism-1调节肌纤维发育与蛋白质合成

Zhao等人[18]比较了野生型（WT）和Ism-1-/-两组小鼠的体重及血糖水平， 发现Ism-1-/-小鼠的肌纤维大小和强度均有所降低， 且正常情况下骨骼肌的生长信号也减少， Ism-1可以通过pAKT-pS6S235/S236直接作用于骨骼肌细胞来诱导蛋白质合成。 敲除Ism-1后，骨骼肌纤维尺寸变小，蛋白降解增加，肌肉力量下降， 且与肌肉萎缩相关的FOXO1靶基因水平升高[18]，表明Ism-1可通过代谢途径调节骨骼肌的大小。Jiang 等发现在肝细胞中，Ism-1也可激活pS6S235/S236蛋白，Ism-1和胰岛素的共同作用可使pS6S235/S236的合成增加2.9倍[5]。进一步研究发现，Ism-1可将肝细胞中的脂肪合成代谢状态转换为蛋白质合成状态来抑制脂肪生成[5]。以上结果表明，Ism-1可通过调节骨骼肌蛋白质合成影响骨骼肌的大小与强度， 也可将肝细胞中的脂肪合成状态转换成蛋白质的合成状态， 进而影响机体蛋白质的合成过程。

4 结论与展望

综上所述，Ism-1作为一种新的脂肪细胞因子，广泛分布于机体的各个组织， 在多种生理病理过程中都发挥重要的作用。然而，目前对其生物学功能的研究仍不完善，还需进一步探索。 比如，在调节糖脂代谢方面，由于鱼类具有“糖不耐受”的特性，我们应该如何调控Ism-1使鱼类可以更好的利用糖类物质，同时减少营养性脂肪肝的形成？ 在蛋白质代谢中，Ism-1通过将肝细胞中脂肪合成代谢状态转换为蛋白质合成状态来抑制脂肪生成， 其具体机制仍不清晰；另外，Ism-1作为一个潜在的癌症治疗靶点，确定其作用过程中的识别受体、 受体间的相互作用及下游信号通路的变化对于临床研究也至关重要。