胰岛素样生长因子Ⅰ受体与生长发育的相关性研究

宋姗姗，王雷，荣敏，邢秀梅，杨福合

(中国农业科学院特产研究所特种经济动物分子生物学国家重点实验室，长春 130112)

胰岛素样生长因子(Insulin-like growth factors，IGFs)是机体最重要的生长因子之一。胰岛素样生长因子家族由两类生长因子(IGF-Ⅰ、IGF-Ⅱ)、两类生长因子受体(IGF-IR、IGF-IIR)和6种结合蛋白(IGFBP1-IGFBP6)组成。它们之间的相互作用对机体组织、细胞的生长发育具有广泛而重要的调节作用。IGFs的生物学功能主要是通过刺激有丝分裂、诱导细胞分化或促进分化，IGF-Ⅰ受体和IGF-Ⅰ的结合可以促使细胞成熟，从而促进机体生长发育[1]。

1 胰岛素样生长因子Ⅰ受体结构、功能

1.1 胰岛素样生长因子Ⅰ受体的结构

胰岛素样生长因子Ⅰ受体(IGF-IR)是一种跨膜酪氨酸蛋白受体，与胰岛素受体相似，都是单链多肽。2008年，李艳梅[2]等在鹿茸顶端组织中克隆到1203bp的IGF-IR基因序列，该序列包含基因的部分编码序列，编码401个氨基酸的多肽。

IGF-IR在核糖体中合成，它有一个由30个氨基酸残端组成的信号肽，随后经过蛋白水解酶的裂解去掉信号肽形成受体前体，再进一步糖基化后裂解成亚单位(α亚基、β亚基)。α亚基由706个氨基酸组成，分子量为100Ku～135Ku。β亚基由626个氨基酸组成，分子量为90Ku～95Ku[3]。膜外α亚基和膜内跨膜的β亚基通过二硫键结合形成四聚体糖蛋白，这个四聚体蛋白为成熟的IGF-IR。IGF-IR与配体的亲和性为IGF-Ⅰ>IGF-Ⅱ>胰岛素，IGF-IR受体与胰岛素受体有30%～60%同源性，所以与胰岛素的亲和力最低。配体与半胱氨酸富含区结合引起酪氨酸残基自身磷酸化，激活细胞内信号传导通路(MAPK和P13K-KT通路)，对生长发育进行调控，控制细胞凋亡、增殖、分化[1]，因此，IGF-IR是生长发育极为关键的因子之一。

1.2 胰岛素样生长因子Ⅰ受体的功能

胰岛素样生长因子Ⅰ受体(IGF-IR)是IGFs功能的主要介导者，存在于动物大部分器官(如肝脏、大脑、肾脏、心脏、肺脏等)中，也存在于不同类型的细胞(如单核细胞、成骨细胞、TB细胞等)中，其中在肝脏中分布最多。IGF-IR的广泛分布决定它是一种多功能的受体，在多种生物过程起关键作用，包括调节体细胞有丝分裂、调节增殖和抗凋亡、参与葡萄糖稳定调控、神经保护和调控神经可塑性、参与长寿的分子通路、调节性腺轴功能。

2 胰岛素样生长因子Ⅰ受体与机体生长发育相关性研究

研究发现，许多生物的卵母细胞和受精卵中均发现有IGF-Ⅰ的结合位点和IGF-IR mRNA。说明该基因与机体的发育紧密相关。

2.1 胰岛素样生长因子Ⅰ受体对细胞增殖的影响

机体的生长发育最基本条件之一是细胞能不断地进行分裂增殖。通常细胞周期分为4个主要时期：G1期(合成前期)、S期(DNA合成期)、G2期(有丝分裂前期)和M期(有丝分裂期)。生长因子在细胞周期进行过程中起到重要的作用，如IGF-IR能发挥有丝分裂原作用，影响成纤维细胞增殖和分泌。在哺乳动物中，细胞周期由G1期进入S期存在一个特殊的G1/S限制点，只有当细胞越过这个限制点才能进入S期，进而增殖，否则细胞将处于停滞状态[4]。Lovschall等[5]发现，胰岛素样生长因子使成纤维细胞增殖分裂的G1期向S期转变。张绍昆等[6]研究显示，IGF-IR作用于鼠成纤维细胞后，导致细胞内限制点蛋白合成迅速增加。当细胞内限制点蛋白浓度迅速增加达到某一阈值，细胞就通过限制点进入S期。因此，IGF-IR起到了促进成纤维细胞的分裂、增殖的作用。同时信号通路在促进细胞增殖过程中也起到重要作用，IGF-IR表达和受体的自身磷酸化作用能激活RAS/RAF/MAPK通路，这一通路能抑制细胞凋亡、促进细胞增殖[6]。

2.2 胰岛素样生长因子Ⅰ受体对子宫发育的影响

子宫作为生殖过程中的重要器官，它对胚胎的着床起到重要作用。大量研究显示，IGF-IR基因与哺乳动物子宫的发育及高繁殖力密切相关。不同年龄段子宫腺管均有IGF-IR免疫阳性细胞分布，且随着发育时期的不同，免疫阳性细胞所在部位也有所不同[7]。IGF-IR在子宫的生长发育过程中起着重要作用，表达量高，动物发育快；表达量低，动物发育慢。在新生羊子宫内，IGF-IR在新形成的腺上皮周围固有层内有表达。因此，对IGF-IR的研究将有助于阐释动物子宫发育机制和繁殖性能高低的遗传机制。

2.3 胰岛素样生长因子Ⅰ受体对早期胚胎发育的影响

IGF-IR促进体外培养的卵母细胞成熟、参与卵裂过程的有丝分裂、增加蛋白质合成、加速胚胎发育、抑制细胞凋亡、刺激卵巢颗粒细胞及卵泡膜细胞合成分泌性腺激素，促进卵泡的发育、胚胎的生长和植入。2005年，仓明等[8]研究绵羊早期胚胎中IGF-IR的表达结果显示，IGF-IR分布于卵子和植入前胚胎细胞膜中，这与在人类胚胎的分布相似。研究同时还发现，在绵羊早期胚胎发育全程均有IGF-IR的表达而无IGF-Ⅰ的表达，推测IGF-Ⅰ可能由母体输卵管、子宫分泌后进入管腔液中，与卵源性的和胚胎自身分泌的IGF-IR的结合，通过旁分泌的方式来促进细胞分裂、增加蛋白质的合成、抑制细胞凋亡进而促进胚胎的发育。这与张梅等[9]研究结果一致。通过以上的研究，可以给我们这样的提示，在体外受精研究中，由于体外培养环境缺乏某些生长因子，造成胚胎的生长速度和发育潜能滞后(胎儿发育迟缓)，这一研究为改善体外受精技术提供依据。

胎儿宫内发育迟缓(IUGR)这一症状的出现与胰岛素样生长因子受体I的表达密切相关。有研究发现，IGF-IR在所有的胎儿组织及胎盘中均有表达。在2011年对胎盘中IGF-IR与胎盘生长发育及巨大儿发生的关系进行研究发现，IGF-IR mRNA的过度表达造成巨大儿的产生[10]。IGF-IR mRNA的表达量与胎儿发育有关。运用基因探针研究表明，IGF-IR缺失的小鼠会发生严重的胎儿生长迟缓，说明IGF-IR在胚胎发育中的重要作用。以上2个研究推测，IGF-IR mRNA的表达量的多少影响胎儿的体型大小。而Barker[11]研究认为，胎盘生长迟缓主要因缺失IGF-Ⅱ，而并非缺失IGF-Ⅰ或者IGF-IR。这与上面的研究结果相反。由此可见，IGF-IR主要有在胎儿组织中介导IGFs的作用，而在胎盘中作用尚不清楚。

现已证实，人类IGF-IR的基因位于15号染色体长臂25区带～26区带，15号染色体长臂远端缺失将使IGFs受体的复制缺失，从而导致IUGR[12]。Abu等[13]比较了正常出生与IUGR者出生时胎盘中胰岛素样生长因子及其受体的表达情况，结果显示，IUGR胎盘中IGF-Ⅱ和IGF-IR的水平明显高于正常儿胎盘中IGF-Ⅱ和IGF-IR的水平[14]。可见IGF-IR在胚胎、胎儿正常发育中起着重要的作用，这种机制不论是在胎儿组织还是胎盘上均存在。

2.4 胰岛素样生长因子Ⅰ受体对出生后个体生长发育的影响

生长激素-胰岛素样生长因子(GH-IGF)轴是调节儿童生长发育中最重要的神经内分泌轴[15～17]。IGF-IR调节该轴的激素受体级联反应，如果它的分子结构或功能发生异常，就无法与靶基因IGF-Ⅰ结合并作用，进而引起生长障碍，这可能与特发性矮小症(idiopathic short stature，ISS)(身高低于同年龄同性别人群平均值2个标准差以上) 的发生有一定关系。最新研究发现，人IGF-IR基因的rs1 976 667、rs2 684 788位点可能与不同性别ISS的遗传易感性有关[18]。另外一些研究显示，ISS抵抗GH和IGF-Ⅰ这一现象可能与IGF-IR基因异常有关[19]。而且敲除IGF-IR系统大鼠模型显示，IGF-IR单个基因敲除后出生小鼠的体重为正常小鼠的45%，且健康状况不佳，如肌肉发育不全、毛色暗淡、骨生长迟缓、表皮变薄等[20]。综上研究说明，ISS的发生与IGF-IR的异常有相关性。鸡的生长发育受到下丘脑-垂体-生长激素IGFs的高度调控。雷明明等[21]以鸡的IGF-IR多态性为基础，进一步研究该基因多态性与鸡体型的相关性，结果表明，IGF-IR中的SNP位点与鸡的胸深、胸角宽具有显著相关性。同时还发现，IGF-IR的SNP位点与鸡屠体性状的不同部位和屠宰重的比值有显著相关。2012年，金崇福[22]等以京海黄鸡为研究对象，检测到京海黄鸡IGFIR的AluⅠ、HinⅠ位点具有多态性，并对京海黄鸡的生长和繁殖性状进行分析发现，IGF-IR对鸡的早期和成年体重有一定影响，这与雷明明等[23]的研究结果相一致。随着IGF-IR结构与机体生长发育的相关性机制的了解，可将其应用于育种方面，培育出体型大、繁殖力高、生命力和适应性强的优良种群。

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