IGFBP—1的生理功能及其表達調控的研究進展

趙艷　盧玲　劉云章等

摘要： IGFBPs（Insulin-like growth factor-binding proteins，胰島素樣生長因子結合蛋白）在進化上是高度保守的，在IGF（Insulin-like growth factor，胰島素樣生長因子）系統中共有6種形式的IGFBPs，分別為IGFBP-1～IGFBP-6，它們與配體IGFs具有高度的親和性，能夠調節IGFs與IGF-R（Insulin-like growth factor receptor，胰島素樣生長因子受體）的結合，這為IGF信號通路的調節提供了靈活的方式。其中，IGFBP-1是IGF結合蛋白家族中第一個被發現和鑒定的成員，一些分解代謝脅迫條件會誘導IGFBP-1 mRNA的高量表達。近年來體內的研究表明IGFBP-1被喻為是限制IGF信號系統功能的“分子開關”。在脅迫條件出現時，IGFBP-1通過限制能量的使用，將生命過程由高耗能的生長發育狀態切換到僅能滿足生物體生存的基本的低耗能狀態。本文就近年來在哺乳類和魚類模型中IGFBP-1調控的分子機制以及生物學功能的研究進展作一綜述。

關鍵詞：IGFBP-1；生長；IGF信號通路；發育；代謝條件

中圖分類號：Q753 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2015）01-0139-05

Abstract The insulin-like growth factor-binding proteins （IGFBPs） are evolutionarily conserved components of the insulin-like growth factor （IGF） system. There are six forms of IGFBPs， IGFBP-1～IGFBP-6. They have high affinity with IGFs and can regulate the combination of IGFs with their receptors， which provide additional flexibilities in regulating IGF signaling. IGFBP-1， the first identified member of the IGFBP family， is highly inducible under a variety of catabolic conditions. Recent in vivo studies have indicated that the IGFBP-1 serves as a molecular switch restricting IGF signaling and diverts the limited energy resources from growth and development towards metabolic processes essential for survival under stress conditions. This article reviewed the recent understandings of the molecular mechanism of IGFBP-1 regulation and its biological functions.

Key words IGFBP-1； Growth； IGF signaling； Development； Catabolic conditions

IGFs在進化上是一個相對保守的信號系統，由配體IGF-1和IGF-2、受體IGF-1R和IGF-2R、IGF結合蛋白IGFBPs共同組成。其中，IGFBP-1是IGF結合蛋白家族中第一個被發現和鑒定的成員，近年來研究表明IGFBP-1在分解代謝脅迫條件下能夠從多方面調節IGF信號通路。本文對IGFBPs尤其是IGFBP-1調控的分子機制以及生物學功能的研究進展作一綜述。

1 IGFBPs對IGFs活性的影響

研究表明胰島素樣生長因子（IGF-1和IGF-2）在調節細胞生長、增殖、存活、遷移等多種細胞進程中發揮重要作用。IGFs的生物活性主要是通過細胞表面的IGF-1R起作用，首先導致受體的β區域酪氨酸磷酸化，隨后激活MAPK-PI3K-AKT信號通路[1]。IGF-2R則定義為非陽離子依賴型甘露糖-6-磷酸受體，無酪氨酸激酶活性，IGF-2R缺乏可識別的催化區并且結合IGF-2的能力要比IGF-1強[2]。

IGFs與IGF-Rs的相互作用受6種不同形式的IGFBPs（IGFBP-1～IGFBP-6）嚴格調控。IGFBPs是分泌型蛋白，其分子大小為24～44 kD，它們具有高度保守的N端和C端以及可變的L區。IGFBPs與IGF-Rs相比，對IGF具有更高的親和性，在胞外液中IGFBPs能夠與高達95%的IGFs形成復合體。目前認為，IGF/IGFBP復合體具有以下方面的作用：（1）通過交叉激活胰島素受體，抑制低血糖的發生；（2）介導IGFs從血管向細胞表面傳遞；（3）形成的復合體不易被蛋白酶降解，延長IGFs的半衰期[3]。因此，IGFBPs在時空上對具有生物活性的IGFs信號分子向特定靶細胞的傳遞提供了靈活的調控方式。它們在調控IGF信號通路中都具有各自的特點和功能。如IGFBP-3和IGFBP-5都含有肝素結合基序，在胞外基質中能夠結合糖胺多糖側鏈和其他組分，從而與IGFs的結合力下降，隨后IGFs從復合體上釋放繼而與靶細胞相互作用，由此說明IGFBPs能夠增強IGFs的作用。同時IGFBPs對IGFs活性具有抑制作用，如IGFBP-1通過與IGF-1R競爭性結合IGF-1從而抑制IGF-1的活性。另外IGFBP-1能夠被IGFBP蛋白酶水解隨后降低與IGFs的親和性，釋放的IGFs就能夠與活化的IGF-1R相互作用。最新研究表明在FGR（Fetal growth restriction，胎兒營養不良綜合癥）中IGFBP-1呈現高磷酸化水平，并通過mTOR與CK2（Casein kinase-2，酪蛋白激酶2）共同介導調節IGF-1的生物活性[4]。雖然所有的IGFBPs都是分泌型蛋白，但是IGFBP-3和IGFBP-5可以通過C端的核定位信號定位于核內[5]。有報道稱，在前列腺癌細胞中核內的IGFBP-3能夠與維甲酸X受體α相互作用，這種相互作用對IGFBP-3誘導的細胞凋亡是非常重要的。另外，IGFBP-3能夠與RNA聚合酶Ⅱ結合亞基3相互作用，說明IGFBP-3可能與基因轉錄相關[6]。目前的研究也表明核內的IGFBP-5形成的復合體中包含組蛋白H3，說明IGFBBP-3和IGFBP-5的N端有不依賴于配體的反式激活活性[7]。因此，IGFBPs具有獨立于配體的分子網絡功能，這為轉錄活動提供了新的發生機制，是對IGFBPs作為IGF調節因子這一傳統功能的補充。endprint

2 IGFBP-1的結構以及生化特性

人的IGFBP-1（圖1）由234個氨基酸組成，其中在N端含有12個半胱氨酸殘基，在C端含有6個半胱氨酸殘基，IGFBP-1通過N端和C端與IGF-1直接作用，但不與胰島素直接作用。其鉸鏈區（L區域）富含脯氨酸、谷氨酸、絲氨酸和蘇氨酸（PEST），該區域能增加蛋白酶水解的敏感性，IGFBP-1蛋白的不穩定性是由PEST序列引起的[8]。IGFBP-1基序還包括其他的結構特點：其C端還含有Arg-Gly-Asp （RGD）序列。研究表明IGFBP-1的RGD基序可以與α5β1整合蛋白結合從而影響細胞的粘附和轉移。

有研究稱IGFBP-1翻譯后修飾包括聚合和磷酸化作用。Sakai發現IGFBP-1在谷氨酰胺轉氨酶2的作用下發生聚合，其中未磷酸化的IGFBP-1聚合得更快，并在很大程度上削弱了IGFBP-1對IGF-1的抑制作用。IGFBP-1蛋白結構中的3個絲氨酸位點（Ser101、Ser119、Ser169）的磷酸化使IGFBP-1與IGF-1的結合力提高6倍。Abu Shehab研究發現IGFBP-1通過這3個絲氨酸位點，尤其是Ser119的磷酸化能夠顯著增強IGFBP-1對IGF的親和性，從而增強IGF-IGFBP-1復合體的穩定性[9]。Gibson之前的研究報道稱磷酸化的IGFBP-1在胎盤堿性磷酸酶的作用下去磷酸化，由于去磷酸化的形式更易受蛋白酶水解降解的影響，因此磷酸酶可以通過翻譯后修飾來控制IGFBP-1的量從而實現對IGFs生物活性的調節[10]。另外，有研究表明IGFBP-1的磷酸化作用與病理狀態間也存在一定的關系。然而與人的IGFBP-1不同的是，小鼠的IGFBP-1與IGF-1的親和性并不依賴于IGFBP-1磷酸化位點Ser107、Ser132的磷酸化水平。硬骨魚類中，已知多個物種的血清中含有至少三種主要的IGFBPs，大小在20～25、40～45 kD之間[11]。基于分子大小和哺乳動物的激素指標，在30 kD以下的IGFBPs被認為是魚類的IGFBP-1。在斑馬魚中發現了IGFBP-1的倍增基因：IGFBP-1a和IGFBP-1b，分別編碼263個氨基酸和244個氨基酸。和人的IGFBP-1一樣，在IGFBP-1a發現兩個高度保守的區域，一個在N端含有12個半胱氨酸殘基，另一個在C端含有6個半胱氨酸殘基，并不含PEST、RGD基序。IGFBP-1b中在N端和C端也存在這兩個高度保守的區域，不含RGD基序，但含有PEST序列[12，13]。另外，在斑馬魚的IGFBP-1中沒有發現任何保守的磷酸化位點，而這些位點在人類和小鼠中是保守的。

3 IGFBP-1表達的調控

早期研究揭示出IGFBP-1的磷酸化水平是一個動態變化的過程，這種快速高度誘導性的特點區別于其它的IGFBPs。IGFBP-1的半衰期約為7～13 min，IGFBP-1蛋白穩定性及其mRNA的穩定性受PEST序列影響。另外IGFBP-1 mRNA中的3′UTR含有‘ATTTA序列，該序列對mRNA的穩定性的調節具有重要作用[15]。

IGFBP-1的表達易受營養條件和胰島素水平的影響，其中胰島素是調節IGFBP-1轉錄的主要激素。哺乳動物的IGFBP-1啟動子區域包含一段IRE（Insulin response elements 胰島素響應元件）回文序列[T（G/A）TTT（T/G）（T/G）]，它能夠調節胰島素對IGFBP-1轉錄的抑制作用。糖皮質激素也能夠調節IGFBP-1的表達，糖皮質激素在轉錄水平能夠誘導IGFBP-1的表達，然而胰島素在這一過程中占主導地位，它能夠抑制本底以及糖皮質激素誘導的IGFBP-1的表達。糖皮質激素主要是通過直接與GR（Glucocorticoid receptor，糖皮質激素受體）結合，繼而GR又與IGFBP-1啟動子上的GRE（Glucocorticoid response elements，糖皮質激素響應元件）相互結合來發揮其生物活性，其中GRE與IREs在啟動子上是相鄰的[16]。另外有報道稱一些內分泌因子，包括胰高血糖素、黃體酮、白介素-6以及維生素D能夠調節IGFBP-1基因的表達。IGFBP-1的啟動子區域上的這些順式作用元件分別稱之為cAMP響應元件（CRE）、黃體酮受體響應元件、HNF-1結合位點以及維他命受體響應元件。

研究發現，一些分解代謝脅迫條件（如禁食、營養不良蛋白質限制、缺氧）會在轉錄水平上誘導IGFBP-1的高量表達。體外試驗表明，缺乏單一氨基酸（精氨酸、半胱氨酸或其它重要氨基酸）能夠誘導IGFBP-1的表達。根據Takenaka的試驗研究證明，小鼠IGFBP-1基因的啟動子區域包含有IRE、GRE元件，這些元件對氨基酸缺乏有響應，在氨基酸缺乏的條件下，IGFBP-1的表達量增高[17]。由于氨基酸缺乏自身能夠下調mTOR信號通路，mTOR信號通路可能通過IRE與糖皮質激素介導的信號通路共同作用來調節具有營養依賴性的IGFBP-1的表達，其中單一氨基酸缺乏如何調節IGFBP-1的表達這一潛在的分子機制目前并不清楚。

其它分解代謝脅迫條件包括ER（Endoplasmic reticulum，內質網）應激以及缺氧能夠調節IGFBP-1的表達。在ER應激條件下，未折疊的IGFBP-1蛋白在細胞中積累。作為一種自主的調節方式，未折疊的IGFBP-1通過與其它蛋白相互作用減輕ER壓力，其中包括活化的ATF-4（Activating Transcription Factor-4，轉錄激活因子4），它能夠調節ER應激誘導的基因表達。Marchand等已經闡述了人的IGFBP-1末端調節區域（-6481/-6473區域）包括一個ATF-4結合位點[（R/C）TT（R/T）CRTCA，R=G/A]。研究表明突變或是敲降內源的ATF-4，能夠削弱由ER壓力引起的IGFBP-1的表達上調。由此說明ER壓力誘導IGFBP-1的表達是通過ATF-4介導的[18]。另外，IGFBP-1表達也受缺氧環境的調節。缺氧能夠誘導很多基因在轉錄水平上發生改變，從而提高O2交換和無氧呼吸并抑制多種能量需求的進程。缺氧條件下，多數發生在轉錄水平上的響應是通過HIF-1（Hypoxia-inducible factor-1，缺氧誘導因子1）介導的，它是一個異源二聚體，主要由HIF-1α以及芳香烴受體核轉運子HIF-1β兩個亞單位組成。在氧氣充足的條件下，HIF-1α很快被泛素-蛋白酶水解途徑降解；在缺氧條件下，HIF-1α的降解被抑制并在核內積累，然后直接與順式作用元件HRE（Hypoxia response element，缺氧響應元件，A/GCGTG）結合并活化靶基因的表達[19]。Tazuke在培養的人體肝臟細胞中發現在IGFBP-1的內含子2上含有一個HRE元件。這些研究證明IGFBP-1是缺氧誘導基因。同樣目前斑馬魚胚胎研究表明IGFBP-1a和IGFBP-1b都是缺氧誘導性基因，并且是通過HIF-1介導的，其中HIF-1信號通路在胚胎早期就已經建立起來了，輔助順式作用元件HAS（HIF-1 ancillary sequence，HIF-1輔助序列）對HIF以及缺氧的響應是必需的。在哺乳類中，和其它缺氧響應基因（如VEGF、EPO、LDH-A）一樣，IGFBP-1基因上HAS與HRE位點非常靠近，由此說明在缺氧應答過程中IGFBP-1和其它的缺氧誘導基因都需要HAS[20]。HAS結構的鑒定和功能需要進一步的研究。endprint

在哺乳類和硬骨魚類中激素調節IGFBP-1基因表達的機制是保守的。IGFBP-1或者是低分子量（20～30 kD）的IGFBPs受饑餓、壓力、缺氧以及鹽度改變的誘導[11，12，21]。在羅非魚肝臟細胞中發現，雌二醇-17β和5α-二氫睪酮能夠調節IGFBP-1的釋放。研究發現斑馬魚IGFBP-1的啟動子區域包含多個GRE、CRE激素調節順式作用元件，表明在分解代謝脅迫條件下的調節機制具有一定的保守性。Pierce等報道稱在鮭魚肝細胞中胰島素對IGFBP-1的轉錄水平以及蛋白水平沒有抑制作用，胰島素抑制作用的缺失這一機制目前還不清楚[22]。對激素、環境刺激有響應的順式作用元件的鑒定是將來的研究方向。

4 IGFBP-1的生理機能

大量體外研究證明IGFBP-1具有抑制IGFs活性的作用，其功能的發揮主要是通過與IGF-R競爭IGFs配體上的同一個結合位點。一些體內模型也充分證明了這一觀點，過量表達IGFBP-1會影響胚胎生長發育：導致生長發育遲緩（轉基因動物）；血糖升高（用磷酸甘油激酶啟動子連接IGFBP-1的轉基因鼠模型）；骨骼單位的多效性缺陷、礦化延遲、產前發育遲緩、生殖缺陷（肝臟特異性啟動子連接IGFBP-1的轉基因鼠模型）；妊娠中期胎兒發育遲緩、胎盤發育缺陷（用IGFBP-1自身啟動子的轉基因鼠模型）等。同樣在斑馬魚胚胎中過表達IGFBP-1，導致胚胎發育延緩[22]。這些研究均證明IGFBP-1在胚胎發育程中具有重要作用。

IGFBP-1敲除的小鼠在產前和產后時期生長發育并沒有出現明顯的表型變化，這可能是不同IGFBPs在功能和表達方式上的冗余性，補償了缺失的IGFBP-1的功能。類似的發現也出現在其它IGFBP成員中，IGFBP-2敲除的小鼠僅表現出腎臟變小、肝臟增大的輕微表型[23]。IGFBP-3、-5、-6敲除的小鼠在體型和大小方面均表現正常。同樣用MO敲降斑馬魚的IGFBP-1a后，斑馬魚胚胎并未出現任何發育缺陷，但在某些脅迫條件下則表現出明顯的缺陷。IGFBP-1基因缺陷的小鼠在肝臟局部切除手術之后經過肝臟再生，當肝臟基本恢復正常后，肝細胞DNA合成依然受損[24]。這種損傷與參與肝臟再生過程的絲裂原活化蛋白激酶MAPK和轉錄因子C/EBP β的反應降低相關。另外，用脂肪酸合成酶配體處理肝臟或者肝損傷過后會導致大量細胞凋亡，但用IGFBP-1預處理則能夠營救這一損傷[25]。這些結果表明IGFBP-1作為存活因子扮演著重要角色。另外，在斑馬魚中長期的缺氧處理導致胚胎生長嚴重阻滯并且伴隨發育遲緩，與此同時IGFBP-1a的mRNA以及蛋白質表達量均顯著增加，MO靶向敲降IGFBP-1a能夠部分營救（43%～65%）這一表型。若在敲降IGFBP-1a的胚胎中再次引入MO拮抗的IGFBP-1a后由缺氧引起的缺陷表型得到恢復，然而在過量IGF-1或IGF-2的存在下，IGFBP-1對細胞增殖的抑制作用則消失[12]。由此說明IGFBP-1作為細胞增殖的調節因子，其功能的發揮依賴于IGFs的作用。在缺氧條件下，IGFBP-1的作用模式是通過與IGFs結合，降低自由的IGFs與活化的IGF的比例隨之抑制IGFs信號通路，導致生長阻滯和發育遲緩。

5 總結

大量的研究充分證明在多種分解代謝脅迫條件下IGFBP-1能夠調節IGFs的活性。在正常環境下，IGFBP-1對IGF信號通路的抑制作用處于“OFF”模式，使生物體趨向于快速生長和發育。而在脅迫條件下，IGFBP-1的分子調節作用處于“ON”的模式，通過與自由的IGFs結合來抑制IGF信號通路，從而抑制生物體的生長和發育。在無脊椎動物中，胰島素/IGF信號通路在脅迫條件下也能發揮相同的作用。例如，在線蟲中發現，缺氧環境下野生型的線蟲不能存活，而daf-2（胰島素受體）突變體則對缺氧具有高度耐受力[26]。由此IGFBP-1的生物學意義可被喻為限制IGF信號系統功能的“分子開關”，在脅迫條件出現時將生命過程由高耗能的生長發育狀態切換到僅能滿足生物體生存的基本的低耗能狀態。

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