類胰島素生長因子結合蛋白IGFBP-3的研究進展*

李 筠,鐘英斌,盧 玲,陳 晨,段存明,2**

(1.中國海洋大學醫藥學院,海洋藥物教育部重點實驗室,山東青島266003;2.Department of Molecular,Cellular,and Developmental Biology,University of Michigan,Ann A rbor,Michigan 48109)

類胰島素生長因子結合蛋白IGFBP-3的研究進展*

李 筠1,鐘英斌1,盧 玲1,陳 晨1,段存明1,2**

(1.中國海洋大學醫藥學院,海洋藥物教育部重點實驗室,山東青島266003;2.Department of Molecular,Cellular,and Developmental Biology,University of Michigan,Ann A rbor,Michigan 48109)

類胰島素生長因子(Insulin-like grow th factor,IGF)信號系統是進化上非常保守的信號轉導途徑,包括2個IGF配體、2個IGF受體和6個IGF結合蛋白(IGF binging protein,IGFBP)。IGFBP能結合IGF并調節其作用。IGFBP-3是血液中主要的IGF載體蛋白。離體(in vitro)實驗研究發現,IGFBP-3可以抑制或促進IGF的作用,在缺乏IGF受體的細胞中IGFBP-3仍然具有活性。由此可見,IGFBP-3除了具有IGF依賴性作用,還具有IGF非依賴性作用。此外還發現IGFBP-3能定位于細胞核并與類視黃醇X受體-α(Retinoid X recep to r-α,RXRα)結合。越來越多的研究結果顯示出IGFBP-3在生物體內作用的復雜性,使探討IGFBP-3體內(in vivo)作用機制的研究成為熱點。本文綜述了IGFBP-3的功能、作用機制,與腫瘤、血管生成的關系,以及正常狀態下IGFBP-3的生理功能。

胰島素樣生長因子;IGFBP-3;IGF依賴性;IGF非依賴性

類胰島素生長因子(Insulin-like grow th factors,IGF,或被譯為胰島素樣生長因子、類胰島素樣生長因子)信號系統以其在生命活動中的重要作用而被廣泛重視。臨床醫學研究中發現,很多疾病的發生、發展與該信號系統有關,如惡性腫瘤、矮小癥、糖尿病、胎兒宮內生長遲緩、老年骨質疏松癥、結核性腦膜炎、病毒性腦膜炎、兒童生長激素缺乏癥、肝硬化、兒童白血病、老年肺部感染、兒童單純性肥胖癥、創傷感染、缺氧缺血性腦損傷、性早熟等。這一進化上保守的IGF信號系統,是由IGF配體(IGF-1與IGF-2)、IGF受體(IGF-1R與IGF-2R)和IGF結合蛋白(IGF binding p roteins,IGFBPs)組成(見圖1)。IGF配體通過與細胞表面2種類型的IGF受體(IGF-1R和IGF-2R)結合激發β亞基的酪氨酸磷酸化,進而導致多種內源物質(如胰島素受體底物IRS)結合到β亞基上特定的酪氨酸位點。這些物質的結合導致下一級的磷酸化反應,涉及多個二級信號分子,例如,通過含SH2結構域的蛋白(Shc)或通過IRS最終激活單體G蛋白Ras,進而激活促有絲分裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號通路。或者,受體的磷酸化可以激活磷酸肌醇-3-激酶(PI3-激酶)或蛋白激酶B(PKB/A kt)信號轉導通路。IGF信號系統在調節細胞的增殖、生長、分化、凋亡和遷移等方面發揮其重要的生物學作用,在人生長、發育和生理過程中發揮關鍵作用[1-2]。體液中存在著已知的6種IGF結合蛋白(IGFBPs),分別為IGFBP-1、IGFBP-2、IGFBP-3、IGFBP-4、IGFBP-5、IGFBP-6,這些IGFBP與IGF的親和力高于IGF受體與IGF的親和力,對IGF生物活性具有重要的調控作用。

在這些結合蛋白中,IGFBP-3因其與腫瘤關系密切而成為研究熱點,并在其臨床診斷意義、癌癥預警預后、癌癥治療、分子作用機制等方面取得了一些研究進展。

1 IGFBP-3與惡性腫瘤

近年來關于IGFBP-3的研究發展很快,有2個特別值得關注的進展,即血液中IGFBP-3的含量與許多惡性腫瘤的發生存在統計學上的相關性,以及IGFBP-3具有抗癌活性。

1.1 血液中IGFBP-3的含量與許多惡性腫瘤的發生存在統計學上的相關性

臨床研究發現,血液中IGFBP-3的含量與許多惡性腫瘤的發生存在統計學上的相關性。例如,Ren等[3]發現IGFBP-3 m RNA的表達水平與乳腺腫瘤形成有關;Peeters等[4]報道血液中IGF-1和IGFBP-3的水平與更年期前和更年期后婦女的卵巢癌的發生均有相關性;Baglietto等[5]研究認為血液中IGFBP-3的含量可以作為乳腺癌的預警指標。除此之外,許多研究還發現血液中IGFBP-3的水平或IGF和IGFBP-3的比例(IGF∶IGFBP-3)與乳腺癌、前列腺癌、非小型肺癌、肝癌、胰腺癌、結直腸癌、子宮癌、骨肉瘤癌、膀胱癌等多種腫瘤的發生率存在相關性[6-11]。

圖1 IGF信號途徑的組分和作用模式示意圖(根據Duan&Xu發表的圖[1]進行了修飾)Fig.1 Schematic diagram show ing components and action modesof the IGF signaling pathway

1.2 IGFBP-3抗腫瘤作用

自1990年代發現IGFBP-3對小鼠纖維原細胞[12]、人乳腺癌細胞的生長具有明顯抑制作用以來,使IGFBP-3的抗癌活性受到更多的關注。體外培養細胞實驗證實,IGFBP-3對乳腺癌細胞、人的直腸癌細胞、前列腺癌細胞、肺癌細胞等都有明顯的抑制生長作用[13];IGFBP-3還可能介導由TGF-β(Transforming Grow th Factor-β)、p53、TNF-α(Tumor Necrosis Factor-α)、視黃酸(Retinoic Acid)誘導的對癌細胞的生長抑制和細胞凋亡[13-15]。

在人前列腺異種移植腫瘤的小鼠模型中,證實了IGFBP-3可以抑制小鼠體內的異種移植腫瘤的生長[16]。在LPB-Tag/CMVBP-3和LPB-Tag/PGKBP-3(IGFBP-3野生型)轉基因小鼠中,與LPB-Tag/w ildtype(W t)野生型小鼠相比,其前列腺腫瘤被縮小,p53的穩定的水平被減弱;腫瘤形成早期,LPB-Tag/PGK-mBP-3(不與IGF結合的IGFBP-3突變體)鼠的腫瘤生長沒有衰減,表明在腫瘤發生的初始階段,IGFBP-3的抑制作用很可能依賴于IGF;15周齡以后的LPBTag/PGKmBP-3鼠,表現出腫瘤生長顯著減慢,表明IGFBP-3的IGF非依賴性作用在抑制腫瘤發展方面可能發揮了重要作用。

上述研究結果顯示血液中IGFBP-3的水平在作為多種腫瘤診斷和預警的指標方面具有應用前景;IGFBP-3在臨床診斷、癌癥預警預后、癌癥治療等具有重要作用。

2 IGFBP-3的作用機制

IGFBP-3抗癌功能的發現,使探討其抗腫瘤作用機制進一步成為研究熱點,人們嘗試從不同角度去探尋其作用機制,發現IGFBP-3既具有IGF依賴性(IGF-dependent)作用,又具有IGF非依賴性(IGF-independent)作用。

2.1 IGFBP-3在IGF信號系統中的功能地位及其IGF依賴性作用(見圖2)

已知在哺乳動物中有6個IGFBP,命名為IGFBP-1到-6,各自代表1個獨立的基因產物,目前已經從人和多種脊椎動物中分離和克隆了這6種IGFBP基因。IGFBP-3是血液中含量最豐富的IGFBP,是IGF的主要載體,IGFBP-3通過與IGF結合,調控IGF的生物活性[1-2,14]。

作為IGF信號系統中重要的配體IGF-1,在游離狀態下,可以與其受體(IGF-1R)結合,發揮其促進細胞生長、抑制細胞凋亡的生物活性。而生物體內IGF-1多以非游離狀態存在,如血液中約70%～90%的IGF-1是和IGFBP-3與酸不穩定性亞基(ALS)形成150 kD的三聚體復合物,停留在毛細血管壁上,其作用是作為IGF-1的循環貯備庫,有效地延長IGF-1的半衰期;另有一小部分IGF-1與其它IGFBP結合成50 kD的較小復合物,能穿越毛細血管壁進入組織;還有約1%游離的IGF-1不與任何IGFBP結合,能通過內皮屏障,迅速與IGF-1R結合,發揮其促進有絲分裂及細胞生長、抑制凋亡的生物活性。因此游離的IGF-1更能代表IGF-1的生物活性作用。IGF-1通過與IGF-1R結合(見圖1),激活酪氨酸激酶,啟動絲裂原激活蛋白酶(MA PK)途徑和磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)途徑,促進細胞的增殖、遷移、存活,并抑制細胞凋亡,故對腫瘤細胞而言,IGF-1是很強的促有絲分裂原。

IGFBP-3與IGF-1的親和力高于IGF-1與其受體的親和力,因此IGFBP-3可以通過與IGF受體競爭結合IGF,而阻滯了IGF與它們的受體結合,進而抑制IGF的活性發揮。體外試驗研究發現,在胚胎發育階段和成體階段,IGFBP-3在許多外周組織中表達。用體外培養的哺乳動物細胞實驗表明,IGFBP-3既能抑制又能促進IGFs行為:在人類皮膚成纖維細胞中同時加入IGFBP-3和IGF-1,會明著阻遏IGF-1刺激的DNA合成;但是,當IGFBP-3預先與這些細胞孵育后,再加入IGF-1,IGFBP-3則會加強IGF-1的作用。研究認為,細胞表面締合的IGFBP-3與IGF的親和力比溶液中的IGFBP-3與IGF親和力低,這種親和力的轉換會使IGF-1更容易與它的受體結合,這也許正是IGFBP-3對IGF的增強效應的原因所在[14]。

IGFBP-3的水解片斷與IGF-1的親和力低于完整的IGFBP-3與IGF-1的親和力,所以IGFBP-3的部分水解,也許與IGFBP-3對IGF活性的增強效應有關[17]。IGFBP-3的水解主要是由IGFBP蛋白酶調節的,與IGF-1活性關系最密切的蛋白酶是IGFBP-3蛋白酶。在孕婦血清、手術后病人、危重病人、癌癥病人、I型糖尿病及營養不良等病人血清中發現IGFBP-3蛋白酶活性增強。已經發現能水解IGFBP-3的蛋白酶至少有3類[18]:第一類是裂解IGFBP-3的激肽釋放酶樣絲氨酸蛋白酶,包括PSA、γ-神經生長因子、血纖維蛋白溶酶、血栓素;第二類是組織蛋白酶,能夠在酸性環境下活化,在腫瘤浸潤中可能發揮作用;第三類是基質金屬蛋白酶,通過降解細胞外基質成分(如膠原和蛋白多糖)而在組織重建過程中發揮作用的水解酶。IGFBP-3蛋白酶可將IGFBP-3水解成與IGF-1低親和力或無親和力的片斷,使游離IGF-1水平相應增加,從而在組織的增生、分化中發揮作用。有研究報道[19]在進行結腸癌腫瘤切除手術時和手術后,患者血漿中IGFBP-3顯著降低,而基質金屬蛋白酶MM P-9(可水解IGFBP-3)明顯增加,術后促進了腫瘤的增長,通過動物模型試驗證實了這種相關性。這個研究結果可以解釋為由于金屬蛋白酶MM P-9的增加,促使更多的IGFBP-3水解成為與IGF-1低親和力或無親和力的片斷,釋放出IGF-1,使游離IGF-1水平相應增加,從而促進了腫瘤增長。在這種情況下,手術不利于癌癥患者的康復。

總之,IGFBP-3能以多種方式轉換與IGF親和力,通過與IGF受體競爭IGF配體來改變游離的IGF的水平,以此調控IGF配體與IGF受體的結合而發揮其生物活性。這就是IGFBP-3所發揮的IGF依賴性作用。

2.2 IGFBP-3的IGF非依賴性作用

Valentinis等[20]研究發現,定向阻斷了IGF與其受體IGF-1R的作用后,IGFBP-3仍然對纖維原細胞的生長具有抑制作用,因此提出了IGF非依賴性作用。隨后在眾多哺乳類細胞中證實了IGFBP-3的這種作用[14],有些細胞自身不能合成IGF或IGF-1R有缺陷,但IGFBP-3對該細胞的生長具有抑制作用并加速其凋亡;一個IGFBP-3片段,雖然喪失了與IGF-1的結合作用,仍能抑制IGF-1誘導的雞胚纖維原細胞和鼠的纖維原細胞的有絲分裂生長;IGFBP-3可以抑制由不能與IGFBP結合的IGF-1突變體所促進的細胞的生長;用對IGF作用沒有響應的細胞進行研究,發現IGFBP-3對其生長具有抑制作用;一個不能與IGF結合的IGFBP-3突變體具有同樣的促凋亡活性。這些研究結果強有力地證明了IGFBP-3具有不依賴于IGF、直接抑制生長的作用,即IGF非依賴性生長抑制作用(IGF-independent grow th inhibition),而且IGFBP-3的促細胞凋亡活性可能直接來自于IGF非依賴性作用。

IGFBP-3的IGF非依賴性作用的機制的研究,也取得了一定進展,其作用方式可以概括為以下幾個方面:

(1)IGFBP-3可直接與細胞膜上的一些相關蛋白結合[14],如轉鐵蛋白(Transferrin)或小窩蛋白(Caveolin),或與細胞膜上的受體(如type V TGF-β受體或LRP-1)、自分泌運動因子/磷酸葡萄糖異構酶(autocrine motility factor/phosphoglucose is omerase,AM F/PGI)、N-乙酰氨基半乳糖轉移酶(N-Acetylgalactosam inyltransferase)、以及細胞膜上的其它未知蛋白之間相互作用(見圖2)。

(2)進入細胞核并與核內視黃醛X受體α結合,通過調節細胞核與線粒體RXR與Nur77之間的轉運誘導細胞凋亡[14](見圖2)。

(3)與一些生存因子(如humanin)產生拮抗作用[14]。

(4)其它的不通過與細胞表面結合和不進入細胞核而起到抑制癌細胞生長和誘導凋亡[21-22]。

(5)IGFBP-3可以磷酸化Smad2、Sam d3以及I型TGF-β受體,通過Smad信號通路起作用[14]。

(6)作者最近發現IGFBP-3在斑馬魚體內可以通過拮抗BM P信號而發揮IGF非依賴性作用[23](見圖2)。IGFBP-3結合BM P-2從而抑制BM P-2與它的受體結合以及BM P下游Smad信號的轉導。由于BM P-2信號的減少,解除了BM P-2對chord in表達的負調控,從而導致了chordin表達的的上調。上調的Cho rdin反過來和IGFBP-3一起,進一步拮抗BM P-2的活性。

(7)與其它的一些信號通路相互作用[24-25]。

3 調控IGFBP-3作用的因子

許多因子(如轉錄因子HoxC6、融合蛋白EWS/FL I-1、乳頭瘤病毒基因產物E7等)以及IGFBP-3啟動子多態性,都會影響IGFBP-3的循環量。IGFBP-3啟動子多態性導致循環的IGFBP-3減少,進而提高了前列腺癌細胞的浸潤和轉移[26-27]。前列腺癌細胞通常過表達HoxC6轉錄因子[28],Ew ing腫瘤中經常過表達EWS/FL I-1融合蛋白[29],此時的IGFBP-3轉錄水平下調。在無限增殖細胞中,隨著乳頭瘤病毒基因產物E7因蛋白酶體的降解,IGFBP-3減少[30]。

很多抗增殖因子(如TGF-β、retinoic acid、TNF-α和p53)可誘導IGFBP-3的表達[14]。通過反意寡核苷酸或免疫中和作用降低TGF-β、retinoids、和TNF-α抗增殖活性,可抑制IGFBP-3的合成或抑制IGFBP-3的活性,說明上述抗增殖因子活性作用的發揮需要IGFBP-3參加。

4 IGFBP-3對血管生成的作用

血管生成不僅存在于胚胎發育時期,在整個生命周期均有重要的生理、病理意義,對于成年人,腫瘤、炎癥、缺血性疾病、糖尿病視網膜病、創傷愈合等諸多病理過程均涉及血管生成問題。血管生成是腫瘤生長的限速因素,通過抑制或阻斷腫瘤血管生成,有望阻止腫瘤的生長、轉移,甚至可以導致腫瘤細胞凋亡,從而達到治療腫瘤的目的。

4.1 IGFBP-3對血管生成的抑制作用

體外研究發現,IGFBP-3可以抑制由Runx1誘導的小鼠內皮前體細胞[31]以及由血管內皮生長因子VEGF(Vascular Endothelial Grow th Factor)、IGF介導的人臍靜脈細胞的血管生成[16];體內實驗揭示,IGFBP-3可以抑制雞胚尿囊膜、小鼠的人前列腺異種移植瘤以及flk1:GFP轉基因斑馬魚胚胎的血管生成[16]。這些實驗證實了IGFBP-3具有體內、體外直接的、IGF非依賴性地影響血管生成的功能,發揮其抗腫瘤的作用。

4.2 IGFBP-3對血管生成的促進作用

2007年研究報道[32]IGFBP-3可以正向調控促血管生成因子VEGF、MM P-2和-9(M atrix metallop roteiases-2,-9)的表達,促進人內皮細胞的血管生成。該過程與IGF-1/IGF-1R信號通路、以及Sph K磷酸化和S1P的形成有關。

出現以上IGFBP-3對血管生成的作用的不一致,可能與實驗材料以及實驗條件有關,也可能IGFBP-3本身就是多功能蛋白,具有雙重作用。事實如此,在高氧誘導的視網膜病(oxygen induced retinopathy,O IR)模型中,IGFBP-3可以通過IGF非依賴性作用抑制高氧過程中誘導的視網膜血管缺失,促進血管生成;而在低氧過程中抑制低氧誘導的血管生成,促進血管修復,保護視網膜血管系統免受損傷[33-34]。IGFBP-3的表達可能代表了缺血狀態下的1種生理適應反應,有望成為缺血性損傷的潛在治療靶點。

5 IGFBP-3潛在的醫用價值

體內、體外研究結果均顯示IGFBP-3可抑制多種人類腫瘤細胞的生長,并可提高癌細胞對放化療藥物的敏感性,提示IGFBP-3可能在腫瘤治療方面具有極大的潛力。IGFBP-3能以IGF依賴性作用和IGF非依賴性作用2種方式,促進細胞凋亡[35-36],導致腫瘤細胞死亡。IGFBP-3與視黃醛X受體的配體聯合使用對誘導前列腺癌細胞凋亡具有增效作用[37]。IGFBP-3與IGF-1的復合物作為治療藥物比單獨使用IGF-1更有效,IGF-1和IGFBP-3結合后可以延長IGF-1的作用持續時間,也可消除或降低IGF-1單獨治療引起的不良反應[38]。此外,IGF-1/IGFBP-3復合物可明顯降低I型糖尿病患者的胰島素需要量,提高胰島素敏感性[39]。IGFBP-3在作為藥物篩選的靶點進行抗腫瘤藥物篩選、臨床監測指標用于癌癥的預警、抗腫瘤藥物開發等方面具有潛在的應用前景。

6 展望

隨著研究的不斷深入,與IGFBP-3相互作用的信號傳遞網絡系統變得更為復雜,雖然發現了很多相關因子、相關通路,被關注的多是在病理條件下的反應,IGFBP-3在生物體內對腫瘤生長的抑制作用仍不很清楚。特別是在正常生理條件下,IGFBP-3的生理功能研究存在明顯不足。IGFBP-3作為IGF信號系統中重要的1個蛋白分子,除了依賴IGF,通過IGF-1/IGF-1R發揮其在生物體內正常生長發育、維持正常生命活動的體內生理功能外,IGFBP-3的IGF非依賴性作用對生物體正常生長發育、維持正常生命活動的體內生理功能和作用機制仍然不很清楚。

以小鼠進行體內試驗,敲除了IGFBP-3以后,并沒有出現明顯的表型變化[40],有2個主要原因:首先,在嚙齒動物的不同的IGFBP之間的表達方式的冗余性(redundancy),敲除其中的某種IGFBP,也許會導致其它IGFBPs的表達改變,來補償缺失的IGFBP的功能,從而使表型不發生改變,或表型改變不顯著,如在IGFBP-2基因敲除小鼠的血清中,IGFBP-1、-3、-4的表達增加;其次,通過胎盤循環,在基因敲除的子代存在母體補償的可能性。基于上述原因,往往會使得對研究結果的解釋變得更加復雜。斑馬魚在研究早期胚胎發育IGF信號通路方面,已經證明是一個有著較好研究基礎的模式生物[41]。Duan首次以斑馬魚為模型通過體內實驗開始探索抗腫瘤基因IGBFBP-3體內正常生理功能,取得了一些進展,用反義嗎啉寡核苷酸(Antisense morpholino oligonucleotides,MO)敲降斑馬魚的IGFBP-3,會導致內耳、骨骼發育缺陷;重新導入MO-resistant IGFBP-3,會使缺陷得到營救[42]。最新研究[23]證實IGFBP-3在斑馬魚體內通過拮抗BM P信號來發揮IGF非依賴作用。斑馬魚是便于遺傳學研究的體外發育的脊椎動物,提供了進行基因和蛋白功能研究時沒有母體補償作用的極好的條件。身體透明的斑馬魚胚胎也允許實時觀察組織和器官形成,加之斑馬魚主要的IGF信號通路成分,包括IGF配體、IGF受體和細胞外信號轉導網絡已經被分離和鑒定,并發現它們在進化上高度保守[42],因此,從斑馬魚研究中獲得的研究數據,還可以為其它模式動物、經濟種類和人類醫藥提供重要的補充,為基礎生物學、醫學等領域的發展提供重要的理論基礎。

以小鼠、斑馬魚和其它模式動物,通過體外培養細胞、動物體內實驗,從細胞水平、分子水平上對IGFBP-3抗腫瘤作用機制進一步闡明,將會為IGFBP-3在腫瘤干預、診斷、抗腫瘤藥物的設計、抗腫瘤藥物的篩選等方面的開發利用提供重要的理論依據。

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Research Progress of Insulin-Like Grow th Factor Binding Protein IGFBP-3

LI Yun1,ZHONG Ying-Bin1,LU Ling1,CHEN Chen1,DUAN Cun-M ing1,2
(1.The Key Laboratory of Marine Drugs,Ministry of Education,School of Medicine and Pharmacy,Ocean University of China,Qingdao 266003,China;2.Department of Molecular,Cellular,and Developmental Biology,University of Michigan,Ann Arbor,Michigan 48109,US)

The insulin-like grow th facto r(IGF)system is an evolutionarily conserved signaling pathway that is composed of two IGF ligands,two IGF recep tors,and six IGF binging proteins(IGFBPs).The IGFBPs bind IGF and modulate IGF activities.IGFBP-3 is the major IGF carrier p rotein in the bloodstream.In vitro,IGFBP-3 can inhibit or potentiate IGF actions and even possesses the activities in IGF receptor null cells,suggesting that IGFBP-3 have both IGF-dependent and independent actions.In addition,IGFBP-3 is localized in the nucleus and can interact with retinoid X recep tor-α.The functions of IGFBP-3 in vivo,how ever,are not clear.In this article,we summarize the function,mechanistic basis,relations with tumor,angiogenesis,as well as physiological function of IGFBP-3.

IGF;IGFBP-3;IGF-dependent;IGF-independent

Q71

A

1672-5174(2011)09-041-07

高等學校科技創新工程重大項目培育資金項目(070742);國家自然科學基金項目(40876064)資助

2010-12-03;

2011-03-09

李 筠(1967-),女,博士,教授。E-mail:yunlisun@ouc.edu.cn

**通訊作者:duancunming@ouc.edu.cn;cduan@umich.edu

責任編輯 朱寶象