胰岛素样生长因子的相关研究

胰岛素样生长因子-( IGF-)的发现及相关研究,基础兽医李源,目录,IGF-的发现,IGF-的结构,Click to add title in here,1,2,3,4,IGF-的生物学功能,IGF-的分泌调节,IGF-的应用,5,GH,血清能刺激S渗入体外培养的软骨中,GH,没有作用,培养液,GH本身不能直接刺激软骨生长，而是通过一种“硫酸化因子”起作用的,无垂体,一. IGF-的发现,1957年Salmon和Daughaday,一. IGF-的发现,1963年Froesh等发现血清中对肌肉和脂肪细胞的胰岛素样作用只有小部分被胰岛素的抗血清抑制，剩下不被抑制的胰岛素样活性可溶于酸化的乙醇中，并命名为NSILAS即不被抑制的胰岛素样活性(nonsuppressible insulin-like activity)。 1972年Pieron和Temin从牛血清中纯化出一种能刺激细胞分裂的因子，命名为“增殖刺激活性”。,一. IGF-的发现,在上述三个实验完成后，人们发现了上面三种物质所具有的不可抑制的胰岛素样活性及生长刺激作用。随着分子生物学技术的发展，1978年人们纯化了两种形式的NSILA(、)并发现其结构与胰岛素原相似，分别命名为胰岛素样生长因子、(IGF、)以强调它们与胰岛素结构的同源性。同时证实了“硫酸化因子”和“增殖刺激活性”与IGF为同一蛋白多肽家族IGFs的成员。,二. IGF-的结构,IGFs家族IGFBPGH-IGF轴IGF-,二. IGF-的结构,IGFs家族： IGFs家族由两种低分子多肽(IGF-、IGF-)、两类特异性受体及六种结合蛋白组成。许多组织可以合成、分泌IGFs，但循环中的IGFs则主要是由肝脏分泌的。IGFs的生物学功能是通过与特异性的靶细胞表面的受体结合而实现的。已发现结构完全不同的两种IGF受体：IGF-受体和IGF-受体(即甘露糖-6磷酸受体)分别又称型受体，型受体。,IGFBP： IGFs与其它的生长因子不同，在细胞外液、细胞培养液中都与特异性的结合蛋白(Binding Proteins,BPs)结合，以无活性的复合物形式存在。到目前为止，已发现6种IGFBP1，2，3，4，5，6，其特征性的结构构成了一个相关性分泌蛋白家族，均为低分子肽类，50%结构相似。它们与两种IGF都具高亲和力，而不与胰岛素结合。正常情况下，IGF与其结合蛋白的亲和力大于或近似等于与其受体的结合，加之高亲和力受体低表达，使少量游离IGF与大量IGF/IGFBP复合物处于平衡状态。,二. IGF-的结构,GH-IGF轴： IGFs的合成与分泌受血液中生长激素水平的控制，循环中IGFs对GH的分泌具有负反馈调节作用，从而形成了一个生长激素胰岛素样生长因子轴（GH-IGF axis），对机体组织的分化、增殖及物质代谢具有重要的调节作用。,二. IGF-的结构,二. IGF-的结构,胰岛素在循环中的浓度在pmol水平；IGF-在循环中的浓度在nmol水平（人约为25nmol/L）。IGF-在人血清中的浓度更高（约100nmol/L）。血中IGFs只1%左右是游离的，其余都和胰岛素样生长因子结合蛋白（IGFBP）结合，这种蛋白调节IGFs作用的发挥。 某些IGFBP和胰岛素样生长因子的亲和力要比IGF受体更强，因而可阻止IGFs的作用。磷酸化蛋白水解酶能降低IGFBP对IGFs的亲和力，增加游离IGFs浓度，这样IGFs和IGF受体结合也随之增加，其生物学作用便也增加。,IGF- ： IGF-是70个氨基酸的单链多肽，分子质量7649D，广泛分布于卵巢、输卵管、子宫内膜和胎盘等组织中。血液中的IGF-主要由肝细胞合成和分泌，是一种重要的生长刺激因子。IGF-通过其类胰岛素样作用，促进组织摄取葡萄糖，通过增加细胞对氨基酸和糖原的吸收，刺激糖异生和糖酵解进而促进蛋白质和脂肪合成，其生物学活性主要受IGF-R及IGFBPs的调节，在体内IGF-通过内分泌、旁分泌和自分泌方式发挥生物学作用：调节物质代谢；促进生长、免疫调节及参与神经元保护和突触重建等。,二. IGF-的结构,IGF-和胰岛素原有50%的序列相同。但和胰岛素不同的是，它在循环中仍保留相应于胰岛素C肽的那部分，并有一延长的羧基端。IGF-和IGF-有70%的序列相同。,胰岛素原,二. IGF-的结构,GH是血液中IGF-浓度的主要调节物。垂体切除后，血清中IGF- 的浓度降至正常水平的3%，而周边组织中的IGF- I降至12%79%，表明肝IGF-的合成量显著下降，肝脏对GH的敏感性显著高于其他组织，IGF表现出GH依赖。 尽管GH素是肝脏分泌IGF-的主要调控者。然而肝脏GH受体数量是实现GH对IGF-调控的保证。 对于家畜，外源性GH可通过上调肝脏受体而提高IGF-的浓度，促进动物生长。而禽类属非生长激素依赖型，慢性注射GH并不提高血浆IGF的水平和动物生长速度。,三. IGF-的分泌调节,GH对IGF分泌的影响,将IGF-引入绝食小鼠，使IGF-的量与非绝食的对照小鼠相当，则绝食小鼠的体重显著减少，而注射GH没有效果，表明营养状况可以直接影响IGF-的合成与分泌。 牛血中IGF浓度与日粮营养物质的摄入和营养状况有关，血清中IGF- I的短期变化主要由氨的摄入量引起。IGF-的浓度随着日粮酪 蛋 白 浓 度 的 增 加 （l0 2 500 mg/kgw0.75)而线性增加。 也有报导粗蛋白是影响血中IGF-浓度的主要因素。低营养水平能削弱IGF对GH 的反应，使IGF-不能正常的受到GH的调节。蛋白质不足(能量不变) 抑制IGF- I的表达，年龄越小，抑制作用越强。氨基酸的充足供应是肝脏IGF-基因表达的必需条件。 研究发现，随着日粮中蛋白质浓度的升高，脂肪组织中IGF-mRNA的表达量升高，若用结合GH处理作用效果更加明显。而日粮蛋白质对肝脏、骨骼肌IGF- mRNA无效果或效果不明显。,三. IGF-的分泌调节,营养水平对IGF分泌的影响,性激素并不直接促进IGF的分泌。然而可通过影响GH或其它的激素间接影响IGF的分泌。研究发现，雌（甾）二醇（Oestradiol）处理的牛GH分泌加强，GH受体数量增加，调节生长轴相应的增加IGF-和IGF- 分泌，实现促生长作用。这说明性激素可通过GH 对IGF的调控实现促生长作用。,三. IGF-的分泌调节,性激素对IGF分泌的影响,四. IGF-的生物学功能,IGF-与生长发育,IGF-与蛋白代谢,IGF-与脂代谢,IGF-与乳腺及泌乳,IGF-与糖尿病,IGF-与肿瘤,四. IGF-的生物学功能,IGF- I与生长发育,IGF-作为一个重要的有丝分裂原，在机体中的主要作用是促进细胞的生长分化。IGF是动物生长的直接调节物，可以刺激多种细胞的增殖与分化，促进蛋白质的合成和结缔组织及骨髓的产生。 妊娠小鼠缺乏IGF-和IGF- 时，仔鼠的初生重降低40%，这种生前的受阻可持续到成年期。而IGF-过度表达的转基因小鼠，其肌肉和结缔组织的量显著提高。,四. IGF-的生物学功能,一定量的IGF- 促进大鼠 BMSCs 向成骨细胞分化。在成骨培养基中添加50200 ng/ml 的 IGF-可以促进大鼠 BMSCs 向成骨细胞分化。并存在剂量反应关系，其产生最大效应的浓度为 100200 ng/ml。（BMSCs：髓间充质干细胞在骨髓中存在的一种具有多向分化潜能的干细胞。）,IGF-对 BMSCs 向成骨细胞分化的影响和机制研究,PDGF与IGF-联合应用可显著促进成骨细胞DNA、胶原蛋白、碱性磷酸酶的合成，对促进成骨细胞的增殖与分化功能具有协同作用。 PDGF可间接增加胶原蛋白的合成，它是通过刺激细胞增殖数目来增加胶原合成，而IGF-1是通过提高1型胶原mRNA表达水平来增加成骨细胞胶原蛋白的合成。 将PDGF用于体外培养的牛骨组织中，发现PDGF可增加胶原蛋白的降解，而将PDGF与IGF-1联合应用，一方面可加强成骨细胞胶原蛋白的合成，另一方面由于IGF-的存在可减少PDGF对胶原的降减作用，从而维持骨胶原含量的稳定，增加骨胶原的总量。 PDGF与IGF-的联合促进了ALP合成，可明显促进成骨细胞由不成熟型向成熟型分化，这对骨基质的矿化以及骨折中硬骨痂的形成具有积极意义。（PDGF：血小板衍生生长因子存在于多种组织中的促细胞有丝分裂的多肽生长因子，能刺激多种细胞分裂增殖）（ALP：碱性磷酸酶成熟骨细胞的标志之一，其活性高低可反映成骨细胞的成熟状况。）,四. IGF-的生物学功能,血小板衍生性生长因子（PDGF）与胰岛素样生长因子IGF-对成骨细胞增殖及分化的影响,四. IGF-的生物学功能,IGF-与蛋白代谢,早期研究显示，蛋白性营养不良的患者，总是伴随着低水平的IGF-。同样，体外培养的肝细胞，在氨基酸浓度只有正常20% 的条件下培养，IGF-的表达量只有正常对照的一半。经观察，大鼠经过12h和24 h的蛋白限制，血清IGF-分别下降58%和66%。,四. IGF-的生物学功能,IGF-的合成作用明显不同于胰岛素。胰岛素可抑制蛋白质降解，但不影响蛋白质合成。GH则可促进蛋白质合成，不影响蛋白质的降解。IGF-在低浓度15 g/(kgh)尚未影响到糖代谢时，就已对蛋白代谢产生了作用。因此，血清IGF-水平可以反映机体氮平衡的变化。目前，血清IGF-的测定已被作为了解蛋白- 能量代谢的一个指标应用于临床。,四. IGF-的生物学功能,IGF-与脂代谢,IGF-除能维持人体正常的生长发育外，还与脂质代谢有关。1989年Salomom等发现，GH缺乏的患者，血清胆固醇(Tc)水平明显升高，经补充GH之后，血清Tc又显著降低。该研究提示，GH可以调节Tc的代谢。随后认识到，这除了GH本身的作用以外，IGF-的参与可能也是一个重要原因。动物实验证实，IGF-能明显降低血清Tc水平。给健康人补充IGF-，血浆脂蛋白LD(a)、Tc、甘油三酯均明显下降。,四. IGF-的生物学功能,IGF-与乳腺及泌乳,IGF可通过相应受体直接作用于乳腺。乳尤其是初乳中含有高浓度的IGF-，这对乳腺最终分化完全、发育成熟与生成乳汁有决定性作用。IGF-强有力地刺激乳腺癌细胞的生长。乳腺上皮细胞产生和分泌IGFBP，结合蛋白可能调控着IGF-的活性。,四. IGF-的生物学功能,奶牛的产奶量取决于乳腺细胞的数量及泌乳能力，IGF-可以促进奶牛乳腺细胞的增殖、分化和调节泌乳功能，从而提高奶牛的产奶量。,IGF-mRNA的表达在青春期和妊娠期显著高于泌乳期和退化期，IGF-对维持乳腺上皮细胞的增殖和存在起重要作用，特别是在青春期和妊娠期。,IGF-1在奶牛乳腺的表达及其对乳腺上皮细胞泌乳功能的影响,四. IGF-的生物学功能,添加外源性 IGF-能显著促进乳腺上皮细胞 IGF-R的表达，并通过IGF-R介导促进乳腺上皮细胞的增殖和-酪蛋白的表达，其中以添加选取50g/mL的IGF-作用48h检测乳腺上皮细胞增殖为宜，以添加50g/mL的IGF-I作用24h检测最佳。,在导管形态发生的青春期乳腺发育阶段主要是乳腺产生的局部IGF-起作用，即使缺少来自内分泌途径的IGF-，小鼠乳腺导管分支也不受影响 。,四. IGF-的生物学功能,IGF-与糖尿病,近年的研究表明,糖尿病时存在生长激素(GH) /胰岛素样生长因子-(IGF-)轴的异常,表现为循环中GH升高、IGF-水平低下,并伴有胰岛素样生长因子结合蛋白(IGFBPs)的改变,这些异常改变与胰岛素缺乏、GH分泌调节紊乱、高血糖等有关。 1型糖尿病和控制不良的2型糖尿病患者,普遍存在IGF-水平的降低,这与肝脏GH抵抗有关。,糖尿病： GH 肝脏对GH的抵抗 IGF- 对垂体GH分泌的负反馈作用 GH的过度分泌。,四. IGF-的生物学功能,95%以上的IGF-与IGFBP-3结合,其余的主要与IGFBP-和IGFBP-结合。IGF-、IGFBP-3与酸不稳定亚单位(ALS)形成稳定的相对分子量为150 kD的三聚体,该复合物是IGF-的主要储备方式,使其免受降解,延长IGF-的半衰期,调节到达组织的IGF-的活性。因此, IGFBP-3对调节IGF-的生物活性具有重要作用。肝脏IGFBP-3的合成受GH、胰岛素、IGF-、饮食等的调节,其水平与IGF-呈正相关。,四. IGF-的生物学功能,有研究发现, 1型糖尿病患者ALS水平较正常人下降30%。因此,糖尿病时循环中IGFBP-3和ALS水平的降低将使IGF-的水平进一步降低。1型糖尿病和控制不良的2型糖尿病患者,循环中IGFBP-1水平显著升高,过多的IGFBP-1多以磷酸化形式存在,磷酸化的IGFBP-1与IGF-的亲和力较非磷酸化者高46倍,因此减少了游离IGF-的水平,降低其生物活性,加重GH高分泌。,四. IGF-的生物学功能,胎盘中 IGF-1表达水平与妊娠期糖尿病巨大儿的相关性研究,全球妊娠期糖尿病（简称 GDM）：不同于1、2 型糖尿病，但其发病病因及机理与 2 型糖尿病有许多相似之处，指怀孕前并未患糖尿病，但怀孕期间首次出现或发生的不同程度的糖代谢异常的现象。,通过检测 GDM 孕妇及非 GDM孕妇血清 IGF 含量，发现 GDM 孕妇血清 IGF-水平明显低于非 GDM 组，但GDM 孕妇分娩新生儿脐血 IGF 含量却高于非 GDM 母亲分娩新生儿。,四. IGF-的生物学功能,血清中 IGF-水平可能与 GDM 发生有着密切的关系，母血和脐血中 IGF 是两个互不相干的系统，母血的 IGF-不能通过胎盘屏障，脐血中 IGF 可能直接由胎盘及胎儿自身产生。,IGF-水平增加可能与GDM 孕妇巨大儿的形成密切相关，其机制可能与以下几点有关：IGF-能促进细胞生长、分裂，抑制细胞凋亡，这可能是巨大儿形成的最主要机制；IGF-能加速糖原、脂肪及蛋白质合成，抑制蛋白质降解，促进胎儿生长发育；IGF-能影响胎盘的转运功能，降低胎盘对氨基酸的需求而影响胎盘代谢，从而促进胎儿生长。,四. IGF-的生物学功能,IGF-与肿瘤,IGF-能通过肿