[教育]胰島素樣生長因子1的相關研究

1、胰島素樣生長因子-Ⅰ( IGF-Ⅰ)的發(fā)現(xiàn)及相關研究,,目錄,IGF-Ⅰ的發(fā)現(xiàn),IGF-Ⅰ的結構,Click to add title in here,1,2,3,4,IGF-Ⅰ的生物學功能,IGF-Ⅰ的分泌調節(jié),IGF-Ⅰ的應用,5,GH,,血清能刺激S滲入體外培養(yǎng)的軟骨中,,GH,,沒有作用,培養(yǎng)液,,GH本身不能直接刺激軟骨生長，而是通過一種“硫酸化因子”起作用的,無垂體,,,一. IGF-Ⅰ的發(fā)現(xiàn),1957年Salmon和Dau

2、ghaday,,一. IGF-Ⅰ的發(fā)現(xiàn),1963年Froesh等發(fā)現(xiàn)血清中對肌肉和脂肪細胞的胰島素樣作用只有小部分被胰島素的抗血清抑制，剩下不被抑制的胰島素樣活性可溶于酸化的乙醇中，并命名為NSILAS即不被抑制的胰島素樣活性(nonsuppressible insulin-like activity)。 1972年Pieron和Temin從牛血清中純化出一種能刺激細胞分裂的因子，命名為“增殖刺激活性”。,一. IGF-Ⅰ

3、的發(fā)現(xiàn),在上述三個實驗完成后，人們發(fā)現(xiàn)了上面三種物質所具有的不可抑制的胰島素樣活性及生長刺激作用。隨著分子生物學技術的發(fā)展，1978年人們純化了兩種形式的NSILA(Ⅰ、Ⅱ)并發(fā)現(xiàn)其結構與胰島素原相似，分別命名為胰島素樣生長因子Ⅰ、Ⅱ(IGFⅠ、Ⅱ)以強調它們與胰島素結構的同源性。同時證實了“硫酸化因子”和“增殖刺激活性”與IGF為同一蛋白多肽家族IGFs的成員。,二. IGF-Ⅰ的結構,,,,,IGFs家族IGFBPGH-

4、IGF軸IGF-Ⅰ,,,,,,二. IGF-Ⅰ的結構,IGFs家族： IGFs家族由兩種低分子多肽(IGF-Ⅰ、IGF-Ⅱ)、兩類特異性受體及六種結合蛋白組成。許多組織可以合成、分泌IGFs，但循環(huán)中的IGFs則主要是由肝臟分泌的。IGFs的生物學功能是通過與特異性的靶細胞表面的受體結合而實現(xiàn)的。已發(fā)現(xiàn)結構完全不同的兩種IGF受體：IGF-Ⅰ受體和IGF-Ⅱ受體(即甘露糖-6磷酸受體)分別又稱Ⅰ型受體，Ⅱ

5、型受體。,,IGFBP： IGFs與其它的生長因子不同，在細胞外液、細胞培養(yǎng)液中都與特異性的結合蛋白(Binding Proteins,BPs)結合，以無活性的復合物形式存在。到目前為止，已發(fā)現(xiàn)6種IGFBP1，2，3，4，5，6，其特征性的結構構成了一個相關性分泌蛋白家族，均為低分子肽類，50%結構相似。它們與兩種IGF都具高親和力，而不與胰島素結合。正常情況下，IGF與其結合蛋白的親和力大于或近似等于與

6、其受體的結合，加之高親和力受體低表達，使少量游離IGF與大量IGF/IGFBP復合物處于平衡狀態(tài)。,二. IGF-Ⅰ的結構,,GH-IGF軸： IGFs的合成與分泌受血液中生長激素水平的控制，循環(huán)中IGFs對GH的分泌具有負反饋調節(jié)作用，從而形成了一個生長激素—胰島素樣生長因子軸（GH-IGF axis），對機體組織的分化、增殖及物質代謝具有重要的調節(jié)作用。,二. IGF-Ⅰ的結構,二. IGF-Ⅰ的結構,胰

7、島素在循環(huán)中的濃度在pmol水平；IGF-Ⅰ在循環(huán)中的濃度在nmol水平（人約為25nmol/L）。IGF-Ⅱ在人血清中的濃度更高（約100nmol/L）。血中IGFs只1%左右是游離的，其余都和胰島素樣生長因子結合蛋白（IGFBP）結合，這種蛋白調節(jié)IGFs作用的發(fā)揮。 某些IGFBP和胰島素樣生長因子的親和力要比IGF受體更強，因而可阻止IGFs的作用。磷酸化蛋白水解酶能降低IGFBP對IGFs的親和力，增加游離IG

8、Fs濃度，這樣IGFs和IGF受體結合也隨之增加，其生物學作用便也增加。,,IGF-Ⅰ ： IGF-Ⅰ是70個氨基酸的單鏈多肽，分子質量7649D，廣泛分布于卵巢、輸卵管、子宮內膜和胎盤等組織中。血液中的IGF-Ⅰ主要由肝細胞合成和分泌，是一種重要的生長刺激因子。IGF-Ⅰ通過其類胰島素樣作用，促進組織攝取葡萄糖，通過增加細胞對氨基酸和糖原的吸收，刺激糖異生和糖酵解進而促進蛋白質和脂肪合成，其生物學活性主要受IGF-ⅠR及

9、IGFBPs的調節(jié)，在體內IGF-Ⅰ通過內分泌、旁分泌和自分泌方式發(fā)揮生物學作用：調節(jié)物質代謝；促進生長、免疫調節(jié)及參與神經(jīng)元保護和突觸重建等。,二. IGF-Ⅰ的結構,IGF-Ⅰ和胰島素原有50%的序列相同。但和胰島素不同的是，它在循環(huán)中仍保留相應于胰島素C肽的那部分，并有一延長的羧基端。IGF-Ⅰ和IGF-Ⅱ有70%的序列相同。,胰島素原,二. IGF-Ⅰ的結構,GH是血液中IGF-Ⅰ濃度的主要調節(jié)物。垂體切除后，血清中IGF- Ⅰ

10、的濃度降至正常水平的3%，而周邊組織中的IGF- I降至12%~79%，表明肝IGF-Ⅰ的合成量顯著下降，肝臟對GH的敏感性顯著高于其他組織，IGF表現(xiàn)出GH依賴。 盡管GH素是肝臟分泌IGF-Ⅰ的主要調控者。然而肝臟GH受體數(shù)量是實現(xiàn)GH對IGF-Ⅰ調控的保證。 對于家畜，外源性GH可通過上調肝臟受體而提高IGF-Ⅰ的濃度，促進動物生長。而禽類屬非生長激素依賴型，慢性注射GH并不提高血漿IGF的水平和動

11、物生長速度。,三. IGF-Ⅰ的分泌調節(jié),,GH對IGF分泌的影響,將IGF-Ⅰ引入絕食小鼠，使IGF-Ⅰ的量與非絕食的對照小鼠相當，則絕食小鼠的體重顯著減少，而注射GH沒有效果，表明營養(yǎng)狀況可以直接影響IGF-Ⅰ的合成與分泌。 牛血中IGF濃度與日糧營養(yǎng)物質的攝入和營養(yǎng)狀況有關，血清中IGF- I的短期變化主要由氨的攝入量引起。IGF-Ⅰ的濃度隨著日糧酪 蛋 白 濃 度 的 增 加 （l0 ～2 500 mg/kgw0

12、.75)而線性增加。 也有報導粗蛋白是影響血中IGF-Ⅰ濃度的主要因素。低營養(yǎng)水平能削弱IGF對GH 的反應，使IGF-Ⅰ不能正常的受到GH的調節(jié)。蛋白質不足(能量不變) 抑制IGF- I的表達，年齡越小，抑制作用越強。氨基酸的充足供應是肝臟IGF-Ⅰ基因表達的必需條件。 研究發(fā)現(xiàn)，隨著日糧中蛋白質濃度的升高，脂肪組織中IGF-ⅠmRNA的表達量升高，若用結合GH處理作用效果更加明顯。而日糧蛋白質對肝臟

13、、骨骼肌IGF- ⅠmRNA無效果或效果不明顯。,三. IGF-Ⅰ的分泌調節(jié),,營養(yǎng)水平對IGF分泌的影響,性激素并不直接促進IGF的分泌。然而可通過影響GH或其它的激素間接影響IGF的分泌。研究發(fā)現(xiàn)，雌（甾）二醇（Oestradiol）處理的牛GH分泌加強，GH受體數(shù)量增加，調節(jié)生長軸相應的增加IGF-Ⅰ和IGF- Ⅱ分泌，實現(xiàn)促生長作用。這說明性激素可通過GH 對IGF的調控實現(xiàn)促生長作用。,三. IGF-Ⅰ的分泌調節(jié),,性激素對I

14、GF分泌的影響,四. IGF-Ⅰ的生物學功能,,,,,,,IGF-Ⅰ與生長發(fā)育,IGF-Ⅰ與蛋白代謝,IGF-Ⅰ與脂代謝,IGF-Ⅰ與乳腺及泌乳,IGF-Ⅰ與糖尿病,IGF-Ⅰ與腫瘤,四. IGF-Ⅰ的生物學功能,IGF- I與生長發(fā)育,IGF-Ⅰ作為一個重要的有絲分裂原，在機體中的主要作用是促進細胞的生長分化。IGF是動物生長的直接調節(jié)物，可以刺激多種細胞的增殖與分化，促進蛋白質的合成和結締組織及骨髓的產生。 妊娠小鼠缺

15、乏IGF-Ⅰ和IGF- Ⅱ時，仔鼠的初生重降低40%，這種生前的受阻可持續(xù)到成年期。而IGF-Ⅰ過度表達的轉基因小鼠，其肌肉和結締組織的量顯著提高。,,四. IGF-Ⅰ的生物學功能,一定量的IGF-Ⅰ 促進大鼠 BMSCs 向成骨細胞分化。在成骨培養(yǎng)基中添加50~200 ng/ml 的 IGF-Ⅰ可以促進大鼠 BMSCs 向成骨細胞分化。并存在劑量反應關系，其產生最大效應的濃度為 100~200 ng/ml。（BMSCs：髓間充質干

16、細胞——在骨髓中存在的一種具有多向分化潛能的干細胞。）,IGF-Ⅰ對 BMSCs 向成骨細胞分化的影響和機制研究,PDGF與IGF-Ⅰ聯(lián)合應用可顯著促進成骨細胞DNA、膠原蛋白、堿性磷酸酶的合成，對促進成骨細胞的增殖與分化功能具有協(xié)同作用。 PDGF可間接增加膠原蛋白的合成，它是通過刺激細胞增殖數(shù)目來增加膠原合成，而IGF-1是通過提高1型膠原mRNA表達水平來增加成骨細胞膠原蛋白的合成。 將PDGF用于體

17、外培養(yǎng)的牛骨組織中，發(fā)現(xiàn)PDGF可增加膠原蛋白的降解，而將PDGF與IGF-1聯(lián)合應用，一方面可加強成骨細胞膠原蛋白的合成，另一方面由于IGF-Ⅰ的存在可減少PDGF對膠原的降減作用，從而維持骨膠原含量的穩(wěn)定，增加骨膠原的總量。 PDGF與IGF-Ⅰ的聯(lián)合促進了ALP合成，可明顯促進成骨細胞由不成熟型向成熟型分化，這對骨基質的礦化以及骨折中硬骨痂的形成具有積極意義。（PDGF：血小板衍生生長因子——存在于多種組織中的促

18、細胞有絲分裂的多肽生長因子，能刺激多種細胞分裂增殖）（ALP：堿性磷酸酶——成熟骨細胞的標志之一，其活性高低可反映成骨細胞的成熟狀況。）,四. IGF-Ⅰ的生物學功能,血小板衍生性生長因子（PDGF）與胰島素樣生長因子IGF-Ⅰ對成骨細胞增殖及分化的影響,四. IGF-Ⅰ的生物學功能,IGF-Ⅰ與蛋白代謝,早期研究顯示，蛋白性營養(yǎng)不良的患者，總是伴隨著低水平的IGF-Ⅰ。同樣，體外培養(yǎng)的肝細胞，在氨基酸濃度只有正常20% 的條

19、件下培養(yǎng)，IGF-Ⅰ的表達量只有正常對照的一半。經(jīng)觀察，大鼠經(jīng)過12h和24 h的蛋白限制，血清IGF-Ⅰ分別下降58%和66%。,,四. IGF-Ⅰ的生物學功能,IGF-Ⅰ的合成作用明顯不同于胰島素。胰島素可抑制蛋白質降解，但不影響蛋白質合成。GH則可促進蛋白質合成，不影響蛋白質的降解。IGF-Ⅰ在低濃度[15 μg/(kg·h)]尚未影響到糖代謝時，就已對蛋白代謝產生了作用。因此，血清IGF-Ⅰ水平可以反映機體氮平衡的變化

20、。目前，血清IGF-Ⅰ的測定已被作為了解蛋白- 能量代謝的一個指標應用于臨床。,四. IGF-Ⅰ的生物學功能,IGF-Ⅰ與脂代謝,IGF-Ⅰ除能維持人體正常的生長發(fā)育外，還與脂質代謝有關。1989年Salomom等發(fā)現(xiàn)，GH缺乏的患者，血清膽固醇(Tc)水平明顯升高，經(jīng)補充GH之后，血清Tc又顯著降低。該研究提示，GH可以調節(jié)Tc的代謝。隨后認識到，這除了GH本身的作用以外，IGF-Ⅰ的參與可能也是一個重要原因。動物實驗證實，IGF-Ⅰ

21、能明顯降低血清Tc水平。給健康人補充IGF-Ⅰ，血漿脂蛋白LD(a)、Tc、甘油三酯均明顯下降。,,四. IGF-Ⅰ的生物學功能,,,,,IGF-Ⅰ與乳腺及泌乳,IGF可通過相應受體直接作用于乳腺。乳尤其是初乳中含有高濃度的IGF-Ⅰ，這對乳腺最終分化完全、發(fā)育成熟與生成乳汁有決定性作用。IGF-Ⅰ強有力地刺激乳腺癌細胞的生長。乳腺上皮細胞產生和分泌IGFBP，結合蛋白可能調控著IGF-Ⅰ的活性。,,四. IGF-Ⅰ的

22、生物學功能,奶牛的產奶量取決于乳腺細胞的數(shù)量及泌乳能力，IGF-Ⅰ可以促進奶牛乳腺細胞的增殖、分化和調節(jié)泌乳功能，從而提高奶牛的產奶量。,IGF-ⅠmRNA的表達在青春期和妊娠期顯著高于泌乳期和退化期，IGF-Ⅰ對維持乳腺上皮細胞的增殖和存在起重要作用，特別是在青春期和妊娠期。,IGF-1在奶牛乳腺的表達及其對乳腺上皮細胞泌乳功能的影響,四. IGF-Ⅰ的生物學功能,添加外源性 IGF-Ⅰ能顯著促進乳腺上皮細胞 IGF-ⅠR的表達

23、，并通過IGF-ⅠR介導促進乳腺上皮細胞的增殖和β-酪蛋白的表達，其中以添加選取50µg/mL的IGF-Ⅰ作用48h檢測乳腺上皮細胞增殖為宜，以添加50µg/mL的IGF-I作用24h檢測最佳。,在導管形態(tài)發(fā)生的青春期乳腺發(fā)育階段主要是乳腺產生的局部IGF-Ⅰ起作用，即使缺少來自內分泌途徑的IGF-Ⅰ，小鼠乳腺導管分支也不受影響 。,四. IGF-Ⅰ的生物學功能,IGF-Ⅰ與糖尿病,近年的研究表明,糖尿病時存在生長激

24、素(GH) /胰島素樣生長因子-Ⅰ(IGF-Ⅰ)軸的異常,表現(xiàn)為循環(huán)中GH升高、IGF-Ⅰ水平低下,并伴有胰島素樣生長因子結合蛋白(IGFBPs)的改變,這些異常改變與胰島素缺乏、GH分泌調節(jié)紊亂、高血糖等有關。 1型糖尿病和控制不良的2型糖尿病患者,普遍存在IGF-Ⅰ水平的降低,這與肝臟GH抵抗有關。,糖尿?。?GH↑ 肝臟對GH的抵抗↑ IGF-Ⅰ↓ 對垂體GH

25、分泌的負反饋作用↓ GH的過度分泌。,,,,,,四. IGF-Ⅰ的生物學功能,95%以上的IGF-Ⅰ與IGFBP-3結合,其余的主要與IGFBP-Ⅰ和IGFBP-∥結合。IGF-Ⅰ、IGFBP-3與酸不穩(wěn)定亞單位(ALS)形成穩(wěn)定的相對分子量為150 kD的三聚體,該復合物是IGF-Ⅰ的主要儲備方式,使其免受降解,延長IGF-Ⅰ的半衰期,調節(jié)到達組織的IGF-Ⅰ的活性。因此, IGFBP-3對調節(jié)IGF-Ⅰ的生物

26、活性具有重要作用。肝臟IGFBP-3的合成受GH、胰島素、IGF-Ⅰ、飲食等的調節(jié),其水平與IGF-Ⅰ呈正相關。,四. IGF-Ⅰ的生物學功能,有研究發(fā)現(xiàn), 1型糖尿病患者ALS水平較正常人下降30%。因此,糖尿病時循環(huán)中IGFBP-3和ALS水平的降低將使IGF-Ⅰ的水平進一步降低。1型糖尿病和控制不良的2型糖尿病患者,循環(huán)中IGFBP-1水平顯著升高,過多的IGFBP-1多以磷酸化形式存在,磷酸化的IGFBP-1與IGF-Ⅰ的親和力

27、較非磷酸化者高4~6倍,因此減少了游離IGF-Ⅰ的水平,降低其生物活性,加重GH高分泌。,四. IGF-Ⅰ的生物學功能,胎盤中 IGF-1表達水平與妊娠期糖尿病巨大兒的相關性研究,全球妊娠期糖尿?。ê喎Q GDM）：不同于1、2 型糖尿病，但其發(fā)病病因及機理與 2 型糖尿病有許多相似之處，指懷孕前并未患糖尿病，但懷孕期間首次出現(xiàn)或發(fā)生的不同程度的糖代謝異常的現(xiàn)象。,通過檢測 GDM 孕婦及非 GDM孕婦血清 IGF 含量，發(fā)現(xiàn) GDM

28、孕婦血清 IGF-Ⅰ水平明顯低于非 GDM 組，但GDM 孕婦分娩新生兒臍血 IGF 含量卻高于非 GDM 母親分娩新生兒。,四. IGF-Ⅰ的生物學功能,血清中 IGF-Ⅰ水平可能與 GDM 發(fā)生有著密切的關系，母血和臍血中 IGF 是兩個互不相干的系統(tǒng)，母血的 IGF-Ⅰ不能通過胎盤屏障，臍血中 IGF 可能直接由胎盤及胎兒自身產生。,IGF-Ⅰ水平增加可能與GDM 孕婦巨大兒的形成密切相關，其機制可能與以下幾點有關：①IGF-Ⅰ能

29、促進細胞生長、分裂，抑制細胞凋亡，這可能是巨大兒形成的最主要機制；②IGF-Ⅰ能加速糖原、脂肪及蛋白質合成，抑制蛋白質降解，促進胎兒生長發(fā)育；③IGF-Ⅰ能影響胎盤的轉運功能，降低胎盤對氨基酸的需求而影響胎盤代謝，從而促進胎兒生長。,四. IGF-Ⅰ的生物學功能,IGF-Ⅰ與腫瘤,IGF-Ⅰ能通過腫瘤細胞自分泌或旁分泌產生，促進腫瘤細胞分化、生長。許多流行病學研究表明，循環(huán)中IGF-Ⅰ水平升高與前列腺癌、乳腺癌、結腸癌及肺癌等惡性腫瘤的

30、發(fā)病率呈明顯正相關。 通過檢測肝癌患者血清IGF-Ⅰ水平發(fā)現(xiàn)，血清IGF-Ⅰ水平降低組患者的總生存期明顯低于IGF-Ⅰ水平升高組。血清IGF-Ⅰ水平可作為影響肝癌患者預后的獨立因素，在肝癌形成及增殖過程中發(fā)揮重要作用。,,四. IGF-Ⅰ的生物學功能,IGF-Ⅰ可以明顯誘導肝癌細胞生長，且促生長作用呈濃度及時間依賴性。,四. IGF-Ⅰ的生物學功能,IGF-Ⅰ可以誘導肝癌細胞克隆形成的發(fā)生，即誘導肝癌細胞增殖。,五. I

31、GF-Ⅰ的應用,血清中IGF- I濃度可作為改善生長和飼料效率的選擇目標,在育種中有所應用。血漿中IGF- I的變化可作為外源蛋白質和能量攝入量的一項敏感指標?？诜蘒GF可使其受體數(shù)目增加，從而更有效地發(fā)揮作用。另外，口服IGF- I只在腸道局部發(fā)揮作用，不影響血液IGF- I或IGF- Ⅱ水平。在對豬的飼料轉化效率、繁殖性能及胴體瘦肉率等的遺傳選育，IGF- l和IGF- Ⅱ的循環(huán)濃度可以作為重要的選育指標。對于幼畜，尤其