胰島素樣生長因子Ⅰ受體與生長發(fā)育的相關(guān)性研究

宋姍姍，王雷，榮敏，邢秀梅，楊福合

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所特種經(jīng)濟(jì)動(dòng)物分子生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130112)

胰島素樣生長因子(Insulin-like growth factors，IGFs)是機(jī)體最重要的生長因子之一。胰島素樣生長因子家族由兩類生長因子(IGF-Ⅰ、IGF-Ⅱ)、兩類生長因子受體(IGF-IR、IGF-IIR)和6種結(jié)合蛋白(IGFBP1-IGFBP6)組成。它們之間的相互作用對機(jī)體組織、細(xì)胞的生長發(fā)育具有廣泛而重要的調(diào)節(jié)作用。IGFs的生物學(xué)功能主要是通過刺激有絲分裂、誘導(dǎo)細(xì)胞分化或促進(jìn)分化，IGF-Ⅰ受體和IGF-Ⅰ的結(jié)合可以促使細(xì)胞成熟，從而促進(jìn)機(jī)體生長發(fā)育[1]。

1 胰島素樣生長因子Ⅰ受體結(jié)構(gòu)、功能

1.1 胰島素樣生長因子Ⅰ受體的結(jié)構(gòu)

胰島素樣生長因子Ⅰ受體(IGF-IR)是一種跨膜酪氨酸蛋白受體，與胰島素受體相似，都是單鏈多肽。2008年，李艷梅[2]等在鹿茸頂端組織中克隆到1203bp的IGF-IR基因序列，該序列包含基因的部分編碼序列，編碼401個(gè)氨基酸的多肽。

IGF-IR在核糖體中合成，它有一個(gè)由30個(gè)氨基酸殘端組成的信號(hào)肽，隨后經(jīng)過蛋白水解酶的裂解去掉信號(hào)肽形成受體前體，再進(jìn)一步糖基化后裂解成亞單位(α亞基、β亞基)。α亞基由706個(gè)氨基酸組成，分子量為100Ku～135Ku。β亞基由626個(gè)氨基酸組成，分子量為90Ku～95Ku[3]。膜外α亞基和膜內(nèi)跨膜的β亞基通過二硫鍵結(jié)合形成四聚體糖蛋白，這個(gè)四聚體蛋白為成熟的IGF-IR。IGF-IR與配體的親和性為IGF-Ⅰ>IGF-Ⅱ>胰島素，IGF-IR受體與胰島素受體有30%～60%同源性，所以與胰島素的親和力最低。配體與半胱氨酸富含區(qū)結(jié)合引起酪氨酸殘基自身磷酸化，激活細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)通路(MAPK和P13K-KT通路)，對生長發(fā)育進(jìn)行調(diào)控，控制細(xì)胞凋亡、增殖、分化[1]，因此，IGF-IR是生長發(fā)育極為關(guān)鍵的因子之一。

1.2 胰島素樣生長因子Ⅰ受體的功能

胰島素樣生長因子Ⅰ受體(IGF-IR)是IGFs功能的主要介導(dǎo)者，存在于動(dòng)物大部分器官(如肝臟、大腦、腎臟、心臟、肺臟等)中，也存在于不同類型的細(xì)胞(如單核細(xì)胞、成骨細(xì)胞、TB細(xì)胞等)中，其中在肝臟中分布最多。IGF-IR的廣泛分布決定它是一種多功能的受體，在多種生物過程起關(guān)鍵作用，包括調(diào)節(jié)體細(xì)胞有絲分裂、調(diào)節(jié)增殖和抗凋亡、參與葡萄糖穩(wěn)定調(diào)控、神經(jīng)保護(hù)和調(diào)控神經(jīng)可塑性、參與長壽的分子通路、調(diào)節(jié)性腺軸功能。

2 胰島素樣生長因子Ⅰ受體與機(jī)體生長發(fā)育相關(guān)性研究

研究發(fā)現(xiàn)，許多生物的卵母細(xì)胞和受精卵中均發(fā)現(xiàn)有IGF-Ⅰ的結(jié)合位點(diǎn)和IGF-IR mRNA。說明該基因與機(jī)體的發(fā)育緊密相關(guān)。

2.1 胰島素樣生長因子Ⅰ受體對細(xì)胞增殖的影響

機(jī)體的生長發(fā)育最基本條件之一是細(xì)胞能不斷地進(jìn)行分裂增殖。通常細(xì)胞周期分為4個(gè)主要時(shí)期：G1期(合成前期)、S期(DNA合成期)、G2期(有絲分裂前期)和M期(有絲分裂期)。生長因子在細(xì)胞周期進(jìn)行過程中起到重要的作用，如IGF-IR能發(fā)揮有絲分裂原作用，影響成纖維細(xì)胞增殖和分泌。在哺乳動(dòng)物中，細(xì)胞周期由G1期進(jìn)入S期存在一個(gè)特殊的G1/S限制點(diǎn)，只有當(dāng)細(xì)胞越過這個(gè)限制點(diǎn)才能進(jìn)入S期，進(jìn)而增殖，否則細(xì)胞將處于停滯狀態(tài)[4]。Lovschall等[5]發(fā)現(xiàn)，胰島素樣生長因子使成纖維細(xì)胞增殖分裂的G1期向S期轉(zhuǎn)變。張紹昆等[6]研究顯示，IGF-IR作用于鼠成纖維細(xì)胞后，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)限制點(diǎn)蛋白合成迅速增加。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)限制點(diǎn)蛋白濃度迅速增加達(dá)到某一閾值，細(xì)胞就通過限制點(diǎn)進(jìn)入S期。因此，IGF-IR起到了促進(jìn)成纖維細(xì)胞的分裂、增殖的作用。同時(shí)信號(hào)通路在促進(jìn)細(xì)胞增殖過程中也起到重要作用，IGF-IR表達(dá)和受體的自身磷酸化作用能激活RAS/RAF/MAPK通路，這一通路能抑制細(xì)胞凋亡、促進(jìn)細(xì)胞增殖[6]。

2.2 胰島素樣生長因子Ⅰ受體對子宮發(fā)育的影響

子宮作為生殖過程中的重要器官，它對胚胎的著床起到重要作用。大量研究顯示，IGF-IR基因與哺乳動(dòng)物子宮的發(fā)育及高繁殖力密切相關(guān)。不同年齡段子宮腺管均有IGF-IR免疫陽性細(xì)胞分布，且隨著發(fā)育時(shí)期的不同，免疫陽性細(xì)胞所在部位也有所不同[7]。IGF-IR在子宮的生長發(fā)育過程中起著重要作用，表達(dá)量高，動(dòng)物發(fā)育快；表達(dá)量低，動(dòng)物發(fā)育慢。在新生羊子宮內(nèi)，IGF-IR在新形成的腺上皮周圍固有層內(nèi)有表達(dá)。因此，對IGF-IR的研究將有助于闡釋動(dòng)物子宮發(fā)育機(jī)制和繁殖性能高低的遺傳機(jī)制。

2.3 胰島素樣生長因子Ⅰ受體對早期胚胎發(fā)育的影響

IGF-IR促進(jìn)體外培養(yǎng)的卵母細(xì)胞成熟、參與卵裂過程的有絲分裂、增加蛋白質(zhì)合成、加速胚胎發(fā)育、抑制細(xì)胞凋亡、刺激卵巢顆粒細(xì)胞及卵泡膜細(xì)胞合成分泌性腺激素，促進(jìn)卵泡的發(fā)育、胚胎的生長和植入。2005年，倉明等[8]研究綿羊早期胚胎中IGF-IR的表達(dá)結(jié)果顯示，IGF-IR分布于卵子和植入前胚胎細(xì)胞膜中，這與在人類胚胎的分布相似。研究同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，在綿羊早期胚胎發(fā)育全程均有IGF-IR的表達(dá)而無IGF-Ⅰ的表達(dá)，推測IGF-Ⅰ可能由母體輸卵管、子宮分泌后進(jìn)入管腔液中，與卵源性的和胚胎自身分泌的IGF-IR的結(jié)合，通過旁分泌的方式來促進(jìn)細(xì)胞分裂、增加蛋白質(zhì)的合成、抑制細(xì)胞凋亡進(jìn)而促進(jìn)胚胎的發(fā)育。這與張梅等[9]研究結(jié)果一致。通過以上的研究，可以給我們這樣的提示，在體外受精研究中，由于體外培養(yǎng)環(huán)境缺乏某些生長因子，造成胚胎的生長速度和發(fā)育潛能滯后(胎兒發(fā)育遲緩)，這一研究為改善體外受精技術(shù)提供依據(jù)。

胎兒宮內(nèi)發(fā)育遲緩(IUGR)這一癥狀的出現(xiàn)與胰島素樣生長因子受體I的表達(dá)密切相關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，IGF-IR在所有的胎兒組織及胎盤中均有表達(dá)。在2011年對胎盤中IGF-IR與胎盤生長發(fā)育及巨大兒發(fā)生的關(guān)系進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，IGF-IR mRNA的過度表達(dá)造成巨大兒的產(chǎn)生[10]。IGF-IR mRNA的表達(dá)量與胎兒發(fā)育有關(guān)。運(yùn)用基因探針研究表明，IGF-IR缺失的小鼠會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的胎兒生長遲緩，說明IGF-IR在胚胎發(fā)育中的重要作用。以上2個(gè)研究推測，IGF-IR mRNA的表達(dá)量的多少影響胎兒的體型大小。而Barker[11]研究認(rèn)為，胎盤生長遲緩主要因缺失IGF-Ⅱ，而并非缺失IGF-Ⅰ或者IGF-IR。這與上面的研究結(jié)果相反。由此可見，IGF-IR主要有在胎兒組織中介導(dǎo)IGFs的作用，而在胎盤中作用尚不清楚。

現(xiàn)已證實(shí)，人類IGF-IR的基因位于15號(hào)染色體長臂25區(qū)帶～26區(qū)帶，15號(hào)染色體長臂遠(yuǎn)端缺失將使IGFs受體的復(fù)制缺失，從而導(dǎo)致IUGR[12]。Abu等[13]比較了正常出生與IUGR者出生時(shí)胎盤中胰島素樣生長因子及其受體的表達(dá)情況，結(jié)果顯示，IUGR胎盤中IGF-Ⅱ和IGF-IR的水平明顯高于正常兒胎盤中IGF-Ⅱ和IGF-IR的水平[14]?？梢奍GF-IR在胚胎、胎兒正常發(fā)育中起著重要的作用，這種機(jī)制不論是在胎兒組織還是胎盤上均存在。

2.4 胰島素樣生長因子Ⅰ受體對出生后個(gè)體生長發(fā)育的影響

生長激素-胰島素樣生長因子(GH-IGF)軸是調(diào)節(jié)兒童生長發(fā)育中最重要的神經(jīng)內(nèi)分泌軸[15～17]。IGF-IR調(diào)節(jié)該軸的激素受體級聯(lián)反應(yīng)，如果它的分子結(jié)構(gòu)或功能發(fā)生異常，就無法與靶基因IGF-Ⅰ結(jié)合并作用，進(jìn)而引起生長障礙，這可能與特發(fā)性矮小癥(idiopathic short stature，ISS)(身高低于同年齡同性別人群平均值2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差以上) 的發(fā)生有一定關(guān)系。最新研究發(fā)現(xiàn)，人IGF-IR基因的rs1 976 667、rs2 684 788位點(diǎn)可能與不同性別ISS的遺傳易感性有關(guān)[18]。另外一些研究顯示，ISS抵抗GH和IGF-Ⅰ這一現(xiàn)象可能與IGF-IR基因異常有關(guān)[19]。而且敲除IGF-IR系統(tǒng)大鼠模型顯示，IGF-IR單個(gè)基因敲除后出生小鼠的體重為正常小鼠的45%，且健康狀況不佳，如肌肉發(fā)育不全、毛色暗淡、骨生長遲緩、表皮變薄等[20]。綜上研究說明，ISS的發(fā)生與IGF-IR的異常有相關(guān)性。雞的生長發(fā)育受到下丘腦-垂體-生長激素IGFs的高度調(diào)控。雷明明等[21]以雞的IGF-IR多態(tài)性為基礎(chǔ)，進(jìn)一步研究該基因多態(tài)性與雞體型的相關(guān)性，結(jié)果表明，IGF-IR中的SNP位點(diǎn)與雞的胸深、胸角寬具有顯著相關(guān)性。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，IGF-IR的SNP位點(diǎn)與雞屠體性狀的不同部位和屠宰重的比值有顯著相關(guān)。2012年，金崇福[22]等以京海黃雞為研究對象，檢測到京海黃雞IGFIR的AluⅠ、HinⅠ位點(diǎn)具有多態(tài)性，并對京海黃雞的生長和繁殖性狀進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，IGF-IR對雞的早期和成年體重有一定影響，這與雷明明等[23]的研究結(jié)果相一致。隨著IGF-IR結(jié)構(gòu)與機(jī)體生長發(fā)育的相關(guān)性機(jī)制的了解，可將其應(yīng)用于育種方面，培育出體型大、繁殖力高、生命力和適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)良種群。

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