脂肪細(xì)胞因子Isthmin-1 研究新進(jìn)展

曹琨琨， 劉凱月， 楊露露， 盧榮華＊

(河南師范大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院， 河南新鄉(xiāng) 453007)

2002年，在非洲爪蟾（Xenopus laevis）中發(fā)現(xiàn)一種分泌蛋白Isthmin （Ism）， 將其命名為Xenopus Isthmin（xIsm）[1]。 Ism蛋白家族包括Ism-1和Ism-2，二者均由三部分組成，即含疏水信號(hào)的N端信號(hào)肽、血小板反應(yīng) 蛋 白1 型 重 復(fù) 結(jié) 構(gòu) 域 （Thrombospondin type 1 repeat, TSR1） 以及被稱(chēng)為MUC4和其他蛋白的黏附相關(guān)結(jié)構(gòu)域 （Adhesion-associated domain in MUC4 and other proteins, AMOP）的C端結(jié)構(gòu)域[1-3]。 Ism-2主要集中在胎盤(pán)，與絨毛膜癌等相關(guān)[4]，而Ism-1表現(xiàn)出更廣泛的表達(dá)模式，在肺、腦、肝、乳腺、胃、肌肉、皮膚、骨髓和結(jié)腸等不同組織中均有表達(dá)[2]，這預(yù)示其具有多種生物學(xué)功能。 2021年，Jiang等[5]利用生物信息學(xué)以及Ism-1在棕色脂肪和白色脂肪組織中的表達(dá)變化，將其定義為一種脂肪細(xì)胞因子。

目前，對(duì)Ism-1生物學(xué)功能的研究主要集中在免疫和炎癥、細(xì)胞凋亡及腫瘤發(fā)生與癌癥、糖脂代謝、調(diào)節(jié)肌纖維發(fā)育與蛋白質(zhì)合成等許多病理生理方面[6]。 鑒于Ism-1的廣泛分布和作用，本文就Ism-1的分布、結(jié)構(gòu)、受體及其生物學(xué)功能等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行概述。

1 Ism-1的結(jié)構(gòu)特征

人類(lèi)（Homo sapiens）的Ism-1基因位于20號(hào)染色體上，編碼499個(gè)氨基酸，蛋白質(zhì)分子量約60 kDa；小鼠Ism-1基因位于2號(hào)染色體上， 編碼461個(gè)氨基酸，預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)分子量為52 kDa； 雞Ism-1基因位于3號(hào)染色體上[2,7]。 斑馬魚(yú)（Danio rerio）Ism-1基因位于13號(hào)染色體上，與雞Ism-1相似，均編碼443個(gè)氨基酸的蛋白質(zhì)[2]。草魚(yú)（Ctenopharyngodon idella）Ism-1的ORF開(kāi)放讀碼框?yàn)?380 bp，編碼459個(gè)氨基酸，預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)相對(duì)分子量為50.96 kDa[8]。 由于Ism-1的分子量在不同物種中存在差異， 因此推測(cè)其可能存在翻譯后修飾現(xiàn)象。

氨基酸同源性分析發(fā)現(xiàn)， 小鼠與蛙、 雞、 人的Ism-1氨基酸序列存在高度同源性，分別為78%、80%和93%。草魚(yú)Ism-1與其他魚(yú)類(lèi)Ism-1的同源性均達(dá)到90%以上，與黑頭軟口鰷（Pimephales promelas）的同源性最高， 其蛋白包含3個(gè)α-螺旋和2個(gè)β-折疊，具有1個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域，還包含TSR1和AMOP兩個(gè)主要的保守結(jié)構(gòu)域[2-3]，這也表明Ism-1在硬骨魚(yú)類(lèi)中的進(jìn)化相對(duì)保守[8]。

2 Ism-1的受體

目前發(fā)現(xiàn)Ism-1有兩個(gè)潛在受體，即低親和力的整合素αvβ5 和高親和力的葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78（Glucose regulated protein 78，GRP78）[9]。 整合素是細(xì)胞表面信號(hào)受體，可激活細(xì)胞內(nèi)多種信號(hào)通路，參與細(xì)胞與外基質(zhì)和鄰近細(xì)胞的黏附， 在抑制血管生成及降低炎癥中發(fā)揮重要作用。 Zhang等[10]使用酶聯(lián)免疫吸附法證明了Ism-1可通過(guò)AMOP結(jié)構(gòu)域與內(nèi)皮細(xì)胞表面的整合素αvβ5結(jié)合。 GRP78是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)伴侶蛋白，屬于熱休克蛋白家族，可促進(jìn)蛋白質(zhì)的折疊并介導(dǎo)細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)，該蛋白在黑色素瘤、乳腺癌、前列腺癌、 肺癌和卵巢癌等多種人類(lèi)癌癥中高表達(dá)[11]。Ism-1可通過(guò)調(diào)節(jié)小鼠黑色素瘤細(xì)胞、 人腎癌細(xì)胞、人肝癌細(xì)胞表面GRP78蛋白的高表達(dá)， 誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，從而發(fā)揮其抗腫瘤特性[11]。

3 Ism-1的生物學(xué)功能

自2002年Ism-1首次被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，相繼報(bào)道其在諸多生理和病理過(guò)程中發(fā)揮不可或缺的作用， 可能參與多種生理病理過(guò)程，具有多重生物學(xué)功能。

3.1 Ism-1參與免疫和炎癥反應(yīng)

有研究發(fā)現(xiàn)，Ism-1可能是抗病毒免疫反應(yīng)中控制病毒感染的新靶點(diǎn)。 Valle-Rios等[7]發(fā)現(xiàn)Ism-1在人和小鼠的黏膜、皮膚及一些淋巴細(xì)胞群中顯著表達(dá)。 在小鼠肺中發(fā)現(xiàn)Ism-1可能是激活淋巴細(xì)胞功能的中間物質(zhì)，從而參與機(jī)體的免疫反應(yīng)[7]。 Lam等[9]研究發(fā)現(xiàn)，Ism-1可選擇性地觸發(fā)肺泡巨噬細(xì)胞的凋亡， 缺失Ism-1的小鼠肺泡巨噬細(xì)胞的數(shù)量增加，并伴有肺部炎癥、肺氣腫和顯著的肺功能下降等問(wèn)題。 本實(shí)驗(yàn)室前期研究結(jié)果也顯示，Ism-1在鰓中表達(dá)量高，而鰓是魚(yú)體的免疫器官，表明其可能參與魚(yú)體的免疫應(yīng)答反應(yīng)[8]。 在斑馬魚(yú)中的研究顯示，Ism-1重組蛋白可降低草魚(yú)呼腸孤病毒脅迫下的細(xì)胞病變效應(yīng)和病毒數(shù)量， 其機(jī)制可能是通過(guò)TBK1-IRF3-IFN信號(hào)通路促進(jìn)干擾素和Mx等抗病毒基因的表達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)的[12]。

3.2 Ism-1調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡

Ism-1可以促進(jìn)兩種受體GRP78與整合素αvβ5介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡，且兩種受體之間不存在相互作用，其調(diào)控機(jī)制也不同。Xiang等[13]發(fā)現(xiàn)Ism-1在機(jī)體內(nèi)存在兩種形式，即溶于血液的可溶性Ism-1和存在于組織細(xì)胞外基質(zhì)的不溶性Ism-1。 研究發(fā)現(xiàn)它們發(fā)揮完全相反的作用，可溶性Ism-1以整合素αvβ5依賴(lài)的方式激活，通過(guò)體外途徑誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞凋亡，可作為一種拮抗劑； 而不溶性Ism-1是整合素αvβ5的激動(dòng)劑，可促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的黏附和存活。 因此根據(jù)可溶或不可溶的狀態(tài)，推測(cè)Ism-1可能具有雙重作用[10,13]。

Ism-1與GRP78結(jié)合后，通過(guò)網(wǎng)格蛋白依賴(lài)的內(nèi)吞作用內(nèi)化到內(nèi)皮細(xì)胞中，進(jìn)一步進(jìn)入線(xiàn)粒體內(nèi)，然后與線(xiàn)粒體內(nèi)膜的關(guān)鍵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ACC相結(jié)合， 阻斷ATP從線(xiàn)粒體到細(xì)胞質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)， 從而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[6]。 另外，在Ism-1 AMOP結(jié)構(gòu)域中發(fā)現(xiàn)一種新的環(huán)狀肽BC71，它是細(xì)胞表面GRP78的促凋亡配體，兩者結(jié)合可以激活人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞中的p53和caspase-8等凋亡信號(hào)，進(jìn)而導(dǎo)致癌細(xì)胞凋亡[6]。

3.3 Ism-1在腫瘤與癌癥中的作用

Xiang等[13]發(fā)現(xiàn)Ism-1是一種新型的血管生成抑制劑，可通過(guò)其C端AMOP結(jié)構(gòu)域抑制毛細(xì)血管網(wǎng)的形成，并可能影響細(xì)胞遷移、黏附和凋亡。 Wang等[14]在肝癌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)Ism-1可通過(guò)hsa_circ_0091570/miR1307抑制細(xì)胞的增殖和遷移。 在結(jié)腸癌細(xì)胞中，miR-1307-3p 通 過(guò) 靶 向 下 調(diào)Ism-1 的 表 達(dá)， 抑 制Wnt3a/β-catenin信號(hào)通路的激活進(jìn)而抑制細(xì)胞增殖并促進(jìn)其凋亡[15]；過(guò)表達(dá)Ism-1可激活結(jié)腸癌細(xì)胞中Wnt3a/β-catenin信號(hào)通路， 同時(shí)促進(jìn)細(xì)胞增殖抑制細(xì)胞凋亡[15]。 此外，有研究也報(bào)道了在結(jié)腸癌患者組織中Ism-1的表達(dá)升高， 并與缺氧、KRAS、Notch和Hedgehog等癌癥相關(guān)信號(hào)通路呈正相關(guān)[16]。

3.4 Ism-1在糖脂代謝中的作用

2021年，Jiang 等將Ism-1定義為一種脂肪細(xì)胞因子，發(fā)現(xiàn)其可獨(dú)立于胰島素和胰島素樣生長(zhǎng)因子1受體，既能以自分泌方式作用于脂肪細(xì)胞，又能以?xún)?nèi)分泌方式作用于肝細(xì)胞， 在葡萄糖攝取和降脂方面具有雙重有益作用[5]。 Ism-1重組蛋白顯著增加小鼠和人脂肪細(xì)胞以及人原代肌細(xì)胞中的葡萄糖攝取，這可能和其促進(jìn)了GLUT4轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞表面有關(guān)；而敲除Ism-1的脂肪細(xì)胞攝取葡萄糖減少，胰島素依賴(lài)性蛋白激酶AKT絲氨酸殘基在473位點(diǎn)（pAKTS473）的磷酸化水平也降低[5]。 此外，在小鼠中完全敲除Ism-1導(dǎo)致葡萄糖耐量下降， 棕色脂肪和肌肉組織中葡萄糖的攝取也減少，而在小鼠中過(guò)表達(dá)Ism-1則導(dǎo)致脂肪組織中脂質(zhì)含量減少，增加胰島素敏感性，并提高了葡萄糖耐量，同時(shí)抑制了肝臟中脂肪的合成[5]，表明Ism-1在增加脂肪組織葡萄糖攝取的同時(shí)可抑制肝臟脂肪的合成。

Ism-1在肥胖小鼠和人體中的表達(dá)和循環(huán)水平明顯升高，在高脂飼喂的小鼠白色脂肪組織中，其表達(dá)量就增加了約30倍，提示我們Ism-1參與了小鼠和人的肥胖調(diào)節(jié)[5,17]。 一項(xiàng)對(duì)西班牙青春期男女的研究發(fā)現(xiàn)，青春期的肥胖男孩的Ism-1水平高于正常體重和超重的男孩，而青春期女孩的Ism-1水平則沒(méi)有明顯變化，這表明Ism-1作為兒童肥胖的新生標(biāo)志物可能具有特殊性[17]。

3.5 Ism-1調(diào)節(jié)肌纖維發(fā)育與蛋白質(zhì)合成

Zhao等人[18]比較了野生型（WT）和Ism-1-/-兩組小鼠的體重及血糖水平， 發(fā)現(xiàn)Ism-1-/-小鼠的肌纖維大小和強(qiáng)度均有所降低， 且正常情況下骨骼肌的生長(zhǎng)信號(hào)也減少， Ism-1可以通過(guò)pAKT-pS6S235/S236直接作用于骨骼肌細(xì)胞來(lái)誘導(dǎo)蛋白質(zhì)合成。 敲除Ism-1后，骨骼肌纖維尺寸變小，蛋白降解增加，肌肉力量下降， 且與肌肉萎縮相關(guān)的FOXO1靶基因水平升高[18]，表明Ism-1可通過(guò)代謝途徑調(diào)節(jié)骨骼肌的大小。Jiang 等發(fā)現(xiàn)在肝細(xì)胞中，Ism-1也可激活pS6S235/S236蛋白，Ism-1和胰島素的共同作用可使pS6S235/S236的合成增加2.9倍[5]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，Ism-1可將肝細(xì)胞中的脂肪合成代謝狀態(tài)轉(zhuǎn)換為蛋白質(zhì)合成狀態(tài)來(lái)抑制脂肪生成[5]。以上結(jié)果表明，Ism-1可通過(guò)調(diào)節(jié)骨骼肌蛋白質(zhì)合成影響骨骼肌的大小與強(qiáng)度， 也可將肝細(xì)胞中的脂肪合成狀態(tài)轉(zhuǎn)換成蛋白質(zhì)的合成狀態(tài)， 進(jìn)而影響機(jī)體蛋白質(zhì)的合成過(guò)程。

4 結(jié)論與展望

綜上所述，Ism-1作為一種新的脂肪細(xì)胞因子，廣泛分布于機(jī)體的各個(gè)組織， 在多種生理病理過(guò)程中都發(fā)揮重要的作用。然而，目前對(duì)其生物學(xué)功能的研究仍不完善，還需進(jìn)一步探索。 比如，在調(diào)節(jié)糖脂代謝方面，由于魚(yú)類(lèi)具有“糖不耐受”的特性，我們應(yīng)該如何調(diào)控Ism-1使魚(yú)類(lèi)可以更好的利用糖類(lèi)物質(zhì)，同時(shí)減少營(yíng)養(yǎng)性脂肪肝的形成？ 在蛋白質(zhì)代謝中，Ism-1通過(guò)將肝細(xì)胞中脂肪合成代謝狀態(tài)轉(zhuǎn)換為蛋白質(zhì)合成狀態(tài)來(lái)抑制脂肪生成， 其具體機(jī)制仍不清晰；另外，Ism-1作為一個(gè)潛在的癌癥治療靶點(diǎn)，確定其作用過(guò)程中的識(shí)別受體、 受體間的相互作用及下游信號(hào)通路的變化對(duì)于臨床研究也至關(guān)重要。