斯鈣素對哺乳動物生長發(fā)育的影響概述

楊開典，祁鈺鈺，楊躍飛，2，鞠輝明，2＊

（1.揚州大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院，江蘇揚州225000；2.江蘇省動物重要疫病與人獸共患病防控協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇揚州，225009）

斯鈣素-1（stanniocalcin-1，STC-1）是首先在魚類中被發(fā)現(xiàn)的重要的參與鈣調(diào)節(jié)的激素，血清鈣升高可以引起斯坦尼小體釋放STC-1，調(diào)節(jié)鈣離子流通過鰓和腸來保持血液中鈣濃度穩(wěn)定［1］。直到由兩個實驗室分別成功克隆老鼠和人類斯鈣素（stanniocalcin，STC）cDNA才證實了哺乳動物體內(nèi)存在STC基因［2-3］。魚類和哺乳動物表達兩種STC基因——STC-1和STC-2，它們基因結(jié)構(gòu)相似，都有4個外顯子和相對保守內(nèi)含子邊界序列［4］。哺乳動物STC-1和STC-2都屬于分泌型的磷酸化糖蛋白，它們都含有N-糖基化基序、24個氨基酸的信號肽序列和15個氨基酸前序列，上述序列經(jīng)剪切、加工產(chǎn)生成熟的蛋白［5］。

作為一種分泌型蛋白，哺乳動物STC-1mRNA在體內(nèi)多個組織中廣泛表達，在卵巢、腎、前列腺、甲狀腺等組織表達水平較高［3，6］。早前的研究發(fā)現(xiàn)，除了妊娠期及哺乳期，哺乳動物血液中檢測不到STC-1蛋白；然而，近年來發(fā)現(xiàn)哺乳動物血液中也能產(chǎn)生STC-1，它們可能黏附于一些可溶性蛋白發(fā)揮作用［7］。動物體內(nèi)各個部位STC-1mRNA表達量和檢測出的STC-1蛋白量并不一致。例如，通過原位雜交檢測腎臟STC-1mRNA的表達位置在皮質(zhì)和髓質(zhì)收集管，但STC-1蛋白卻能在整個腎單位中檢測出［8］。同樣，STC-1mRNA的表達和蛋白表達量在卵巢和子宮中也不一致［6，9］，這說明了STC-1很可能以自分泌／旁分泌的方式產(chǎn)生效應(yīng)。雖然哺乳動物STC-1的許多功能尚未得到證實，但已有研究結(jié)果表明，其表達水平受到多個信號通路調(diào)節(jié)［10］，其表達失調(diào)也和惡性腫瘤有關(guān)［11］，這也說明其在體內(nèi)許多器官的生理活動中產(chǎn)生重要作用。哺乳動物STC-2基因和STC-1一樣也在體內(nèi)廣泛表達，人類STC-2主要產(chǎn)生部位是胰腺，由胰島細胞產(chǎn)生，其可能參與動物機體葡萄糖和能量代謝［5］。其表達異常也與細胞癌變及體內(nèi)多種惡性腫瘤有關(guān)［12］。

1 STC基因參與哺乳動物骨代謝調(diào)控

隨著哺乳動物STC基因的克隆，人們開始利用多種分子生物學(xué)方法開展STC在哺乳動物骨骼發(fā)育中的研究，越來越多的研究證據(jù)表明，STC對哺乳動物的骨代謝有顯著影響。通過原位分子雜交（ISH）方法檢測出小鼠成骨細胞、軟骨細胞以及未分化椎間盤間質(zhì)細胞中STC-1基因的表達，而破骨細胞中未見STC-1表達［9］。STC-1基因在嚙齒動物成骨細胞及顱骨間質(zhì)細胞檢測出表達，另外，體外開展的顱蓋骨細胞培養(yǎng)試驗中STC-1的表達貫穿整個分化過程［13-14］。還發(fā)現(xiàn)STC-1在小鼠成骨細胞和股骨與顱骨的軟骨細胞中表達，這表明STC-1在哺乳動物局部骨骼發(fā)育中有作用。另外，在使用鼠顱骨細胞培養(yǎng)的研究中發(fā)現(xiàn)STC-1對成骨細胞分化有影響［15］。研究發(fā)現(xiàn)STC-1在體內(nèi)對大鼠妊娠E20d軟骨細胞增殖、跖骨長度的增長有抑制作用［16］。培養(yǎng)液中添加重組hSTC-1能促進顱骨成骨細胞的融合，也能通過誘導(dǎo)Na／Pi轉(zhuǎn)運子PiT1／SLC20A1的表達來增強骨鈣化，進而導(dǎo)致磷吸收增加［17］。STC-2基因也有類似的報道，其對骨骼發(fā)育有影響，在鼠類生長板中，尤其是在C型利鈉肽處理的脛骨后的肥大區(qū)域檢測出表達［18］。上述研究結(jié)果表明，STC基因是以自分泌及旁分泌的方式通過調(diào)節(jié)軟骨及骨細胞中磷的利用率在骨的形成中發(fā)揮作用。

在研究STC基因?qū)C體影響的過程中，不同研究小組制備出了相應(yīng)的STC轉(zhuǎn)基因小鼠及基因敲除小鼠，研究表明STC基因?qū)C體生長發(fā)育有直接影響。過表達hSTC-1和hSTC-2基因的轉(zhuǎn)基因小鼠顯示彼此差別不明顯但呈共同明顯的表型，主要表現(xiàn)出嚴(yán)重的產(chǎn)前和出生后生長緩慢［19-20］具有生物活性的hSTC-1和hSTC-2過表達轉(zhuǎn)基因小鼠在早期胚胎中顯示外源基因有活性（E12.5），造成明顯的胚胎生長遲緩，后代體重比非轉(zhuǎn)基因小鼠體重下降35%～45%［20-21］。Johnston J等［22］比較正常小鼠和分別過表達人STC-1、STC-2的轉(zhuǎn)基因小鼠的骨骼發(fā)育，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因小鼠骨骼生長減緩和膜內(nèi)顱骨顯示出明顯的骨縫關(guān)閉延遲，后段額骨縫在轉(zhuǎn)基因小鼠終身處于開放狀態(tài)。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，過表達STC轉(zhuǎn)基因小鼠細胞顱骨表現(xiàn)出活力減低、增殖和分化延緩，表明發(fā)育中的成骨細胞對STC比較敏感。另外，通過檢測轉(zhuǎn)基因小鼠和野生型小鼠顱骨細胞中多個和骨組織發(fā)育相關(guān)的磷酸鹽調(diào)節(jié)子的表達，發(fā)現(xiàn)STC-1轉(zhuǎn)基因小鼠體內(nèi)細胞外基質(zhì)磷酸糖蛋白（Mepe），骨基質(zhì)酸性蛋白（Dmp1），分泌型卷曲相關(guān)蛋白基因（sFRP4）表達顯著降低，這進一步說明STC在成骨細胞中起直接調(diào)節(jié)作用，并且在這些因子過度調(diào)控下會抑制正常骨骼發(fā)育。

STC主要通過調(diào)控局部組織中鈣磷水平來影響骨重建。鈣磷是動物機體主要元素之一，除了作為骨骼和牙齒的主要原料之外，還有著許多重要的生理功能，其和骨代謝有密切的聯(lián)系，在骨骼生長時，血液中鈣磷沉積于骨組織，構(gòu)成骨鹽；在骨骼更新時，骨鹽溶解，骨中鈣磷釋放入血液。骨組織是體內(nèi)最大的磷酸鹽儲存庫，同時骨骼系統(tǒng)的無機磷酸鹽是骨形成和類骨質(zhì)礦化必不可少的成分，磷酸鹽水平直接影響哺乳動物的成骨作用。在骨礦化過程中，STC作為旁分泌／自分泌型蛋白是成骨細胞無機磷（Pi）調(diào)控系統(tǒng)中主要調(diào)控因子，其通過調(diào)控磷轉(zhuǎn)運蛋白影響局部Pi代謝，進而影響骨形成。堿性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）和STC-1共同調(diào)節(jié)局部組織中Pi信號通路，它們是骨組織礦化的限速步驟，低水平的NaPi促進STC-1和ALP表達，一方面，STC-1通過自分泌／旁分泌途徑和可能存在的STC-1受體（STC-1receptor，STC-1R）促進垂體特異性轉(zhuǎn)錄因子（pituitary specific transcription factor 1，Pit1）的表達，促進 NaPi的轉(zhuǎn)運；另一方面，ALP量增加促進β-甘油磷酸脂（β-glycerophosphate，β-GP）生產(chǎn)Pi，細胞內(nèi)Pi增加促進骨橋蛋白（osteopontin，OPN）等成骨因子的表達，進而促進骨組織礦化過程［19］。也有研究發(fā)現(xiàn)大鼠STC-1對腎磷酸鹽（Pi）代謝［23］、豬及鼠腸 Ca2＋的吸收［24］中有明顯的抑制作用。盡管缺乏STC-1在Ca2＋／Pi代謝平衡中的內(nèi)分泌作用的證據(jù)，但在細胞及組織水平，一些研究已經(jīng)證明了STC-1參與局部鈣離子的調(diào)節(jié)。利用犬腎細胞開展的體外研究表明，細胞培養(yǎng)中高滲性和細胞外鈣離子的變化可以調(diào)節(jié)STC-1的表達［25］。相比之下，STC-2在 Ca2＋／Pi體內(nèi)平衡方面調(diào)控的研究信息較少，最近有研究表明STC-2被證明是一個操縱性Ca2＋通道的反向調(diào)控子，它和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的一個鈣離子傳感器——基質(zhì)相互作用分子（stromal interaction molecule，STIM）相互作用［26］，總的來說，STC-1、STC-2 在體內(nèi)都對Ca2＋／Pi代謝發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。

2 STC基因通過調(diào)控機體能量代謝對機體發(fā)育產(chǎn)生影響

已經(jīng)制備的兩個過表達STC-1基因轉(zhuǎn)基因小鼠中第1個轉(zhuǎn)基因小鼠品系由肌球蛋白輕鏈-2啟動子介導(dǎo)STC-1基因在肌肉中特異性過表達。該小鼠品系呈現(xiàn)出矮小表現(xiàn)，和同窩非轉(zhuǎn)基因小鼠相比，轉(zhuǎn)基因小鼠采食量增加（小鼠每克體重平均采食量增加32%）、耗氧量增加（每克的身體重量多消耗14%以上的氧），并且脂肪墊更薄，體內(nèi)葡萄糖代謝加快。然而，與正常野生型小鼠相比，轉(zhuǎn)基因小鼠血清中游離脂肪酸、IGF結(jié)合蛋白1、甲狀腺素（T4）和生長激素（GH）水平等生長發(fā)育相關(guān)基因表達正常。轉(zhuǎn)基因小鼠觀察到線粒體腫脹現(xiàn)象表明STC-1可能影響線粒體功能和／或結(jié)構(gòu)。第2個轉(zhuǎn)基因小鼠模型是由金屬硫蛋白I最小啟動子介導(dǎo)STC-1基因過表達，轉(zhuǎn)基因小鼠體內(nèi)STC-1基因主要在肝、心、腦、血管內(nèi)皮細胞和巨噬細胞中大量過表達。轉(zhuǎn)基因小鼠與同窩出生的非轉(zhuǎn)基因小鼠相比體重比較輕，兩者血清中GH、IGF-I、垂體TSHβ-亞單位mRNA相對穩(wěn)定，F(xiàn)SHβ-亞單元，LHβ-亞單元以及糖蛋白亞單元無明顯差異［22］。對于上述表型，有研究提出線粒體被STC-1解偶聯(lián)作用可能導(dǎo)致兩個轉(zhuǎn)基因小鼠矮小表型的觀點［10，27］。解偶聯(lián)蛋白屬線粒體內(nèi)膜載體蛋白，廣泛分布于動物各組織中，在維持體溫、機體產(chǎn)熱、能量平衡和體重調(diào)節(jié)等方面都有重要作用［28］。迄今為止，在哺乳動物體內(nèi)已發(fā)現(xiàn)5種UCP，其中UCP2能在白色脂肪組織、骨骼肌和免疫系統(tǒng)等多種組織中表達［29-30］；另外，有研究發(fā)現(xiàn)，巨噬細胞中STC-1能上調(diào)線粒體巨噬細胞中解偶聯(lián)蛋白-2（UCP2）的表達［31］，也上調(diào)了心肌細胞中UCP3表達。AMPK是一個通過感受細胞內(nèi)ATP水平來控制能量代謝的一個基因，也稱為“能量檢測器”，研究表明，STC-1在腎組織中可以通過激活A(yù)MPK進而能促進UCP2和Sirt3的表達，STC-1很有可能在肌肉等其他組織中也可能通過激活A(yù)MPK上調(diào)解偶聯(lián)蛋白的表達［32］。因為轉(zhuǎn)基因小鼠都顯示STC-1血清水平高，很有可能這些轉(zhuǎn)基因小鼠的矮小表型是由于STC-1上調(diào)不同組織中UCP造成的；因此，小鼠食欲過盛，必需消耗更多的氧氣和營養(yǎng)來彌補代謝過盛狀態(tài)引起線粒體解偶聯(lián)作用［21-22］。

3 問題與展望

作為在魚類、人體及一些模式動物上研究比較多的基因，STCs與動物生長發(fā)育及與免疫等多個系統(tǒng)有密切的關(guān)聯(lián)，其能通過參與鈣磷代謝，抑制鈣離子吸收并促進磷離子吸收，維持血清中正常鈣濃度，其對骨骼及肌肉發(fā)育也有直接抑制作用，近年來該基因?qū)C體免疫促進和機體保護機制也引起了廣泛的興趣。但是，該基因在家畜上的研究不多，該基因在家畜中的表達模式以及對家畜的生長發(fā)育尤其是鈣磷代謝、肌肉發(fā)育以及對免疫系統(tǒng)的影響如何值得深入研究，該基因在家畜代謝及免疫疾病發(fā)生中的分子機制也尚待深入研究。

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