1、胰島素樣生長因子-Ⅰ( IGF-Ⅰ)的發(fā)現(xiàn)及相關(guān)研究,,目錄,IGF-Ⅰ的發(fā)現(xiàn),IGF-Ⅰ的結(jié)構(gòu),Click to add title in here,1,2,3,4,IGF-Ⅰ的生物學(xué)功能,IGF-Ⅰ的分泌調(diào)節(jié),IGF-Ⅰ的應(yīng)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(xì)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P(guān)ieron和Temin從牛血清中純化出一種能刺激細(xì)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(gè)實(shí)驗(yàn)完成后，人們發(fā)現(xiàn)了上面三種物質(zhì)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(xué)技術(shù)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(jié)構(gòu)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(qiáng)調(diào)它們與胰島素結(jié)構(gòu)的同源性。同時(shí)證實(shí)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(jié)構(gòu),,,,,IGFs家族IGFBPGH-

4、IGF軸IGF-Ⅰ,,,,,,二. IGF-Ⅰ的結(jié)構(gòu),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(jié)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(xué)功能是通過與特異性的靶細(xì)胞表面的受體結(jié)合而實(shí)現(xiàn)的。已發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(xì)胞外液、細(xì)胞培養(yǎng)液中都與特異性的結(jié)合蛋白(Binding Proteins,BPs)結(jié)合，以無活性的復(fù)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(jié)構(gòu)構(gòu)成了一個(gè)相關(guān)性分泌蛋白家族，均為低分子肽類，50%結(jié)構(gòu)相似。它們與兩種IGF都具高親和力，而不與胰島素結(jié)合。正常情況下，IGF與其結(jié)合蛋白的親和力大于或近似等于與

6、其受體的結(jié)合，加之高親和力受體低表達(dá)，使少量游離IGF與大量IGF/IGFBP復(fù)合物處于平衡狀態(tài)。,二. IGF-Ⅰ的結(jié)構(gòu),,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(fù)反饋調(diào)節(jié)作用，從而形成了一個(gè)生長激素—胰島素樣生長因子軸（GH-IGF axis），對機(jī)體組織的分化、增殖及物質(zhì)代謝具有重要的調(diào)節(jié)作用。,二. IGF-Ⅰ的結(jié)構(gòu),二. IGF-Ⅰ的結(jié)構(gòu),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(jié)合蛋白（IGFBP）結(jié)合，這種蛋白調(diào)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(qiáng)，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(jié)合也隨之增加，其生物學(xué)作用便也增加。,,IGF-Ⅰ ： IGF-Ⅰ是70個(gè)氨基酸的單鏈多肽，分子質(zhì)量7649D，廣泛分布于卵巢、輸卵管、子宮內(nèi)膜和胎盤等組織中。血液中的IGF-Ⅰ主要由肝細(xì)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(jìn)組織攝取葡萄糖，通過增加細(xì)胞對氨基酸和糖原的吸收，刺激糖異生和糖酵解進(jìn)而促進(jìn)蛋白質(zhì)和脂肪合成，其生物學(xué)活性主要受IGF-ⅠR及

9、IGFBPs的調(diào)節(jié)，在體內(nèi)IGF-Ⅰ通過內(nèi)分泌、旁分泌和自分泌方式發(fā)揮生物學(xué)作用：調(diào)節(jié)物質(zhì)代謝；促進(jìn)生長、免疫調(diào)節(jié)及參與神經(jīng)元保護(hù)和突觸重建等。,二. IGF-Ⅰ的結(jié)構(gòu),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(yīng)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(jié)構(gòu),GH是血液中IGF-Ⅰ濃度的主要調(diào)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(diào)控者。然而肝臟GH受體數(shù)量是實(shí)現(xiàn)GH對IGF-Ⅰ調(diào)控的保證。 對于家畜，外源性GH可通過上調(diào)肝臟受體而提高IGF-Ⅰ的濃度，促進(jìn)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(diào)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(dāng)，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(zhì)的攝入和營養(yǎng)狀況有關(guān)，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(bào)導(dǎo)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(yīng)，使IGF-Ⅰ不能正常的受到GH的調(diào)節(jié)。蛋白質(zhì)不足(能量不變) 抑制IGF- I的表達(dá)，年齡越小，抑制作用越強(qiáng)。氨基酸的充足供應(yīng)是肝臟IGF-Ⅰ基因表達(dá)的必需條件。 研究發(fā)現(xiàn)，隨著日糧中蛋白質(zhì)濃度的升高，脂肪組織中IGF-ⅠmRNA的表達(dá)量升高，若用結(jié)合GH處理作用效果更加明顯。而日糧蛋白質(zhì)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(diào)節(jié),,營養(yǎng)水平對IGF分泌的影響,性激素并不直接促進(jìn)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(qiáng)，GH受體數(shù)量增加，調(diào)節(jié)生長軸相應(yīng)的增加IGF-Ⅰ和IGF- Ⅱ分泌，實(shí)現(xiàn)促生長作用。這說明性激素可通過GH 對IGF的調(diào)控實(shí)現(xiàn)促生長作用。,三. IGF-Ⅰ的分泌調(diào)節(jié),,性激素對I

14、GF分泌的影響,四. IGF-Ⅰ的生物學(xué)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(xué)功能,IGF- I與生長發(fā)育,IGF-Ⅰ作為一個(gè)重要的有絲分裂原，在機(jī)體中的主要作用是促進(jìn)細(xì)胞的生長分化。IGF是動物生長的直接調(diào)節(jié)物，可以刺激多種細(xì)胞的增殖與分化，促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成和結(jié)締組織及骨髓的產(chǎn)生。 妊娠小鼠缺

15、乏IGF-Ⅰ和IGF- Ⅱ時(shí)，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(dá)的轉(zhuǎn)基因小鼠，其肌肉和結(jié)締組織的量顯著提高。,,四. IGF-Ⅰ的生物學(xué)功能,一定量的IGF-Ⅰ 促進(jìn)大鼠 BMSCs 向成骨細(xì)胞分化。在成骨培養(yǎng)基中添加50~200 ng/ml 的 IGF-Ⅰ可以促進(jìn)大鼠 BMSCs 向成骨細(xì)胞分化。并存在劑量反應(yīng)關(guān)系，其產(chǎn)生最大效應(yīng)的濃度為 100~200 ng/ml。（BMSCs：髓間充質(zhì)干

16、細(xì)胞——在骨髓中存在的一種具有多向分化潛能的干細(xì)胞。）,IGF-Ⅰ對 BMSCs 向成骨細(xì)胞分化的影響和機(jī)制研究,PDGF與IGF-Ⅰ聯(lián)合應(yīng)用可顯著促進(jìn)成骨細(xì)胞DNA、膠原蛋白、堿性磷酸酶的合成，對促進(jìn)成骨細(xì)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(xì)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(dá)水平來增加成骨細(xì)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(yīng)用，一方面可加強(qiáng)成骨細(xì)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(jìn)了ALP合成，可明顯促進(jìn)成骨細(xì)胞由不成熟型向成熟型分化，這對骨基質(zhì)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(xì)胞有絲分裂的多肽生長因子，能刺激多種細(xì)胞分裂增殖）（ALP：堿性磷酸酶——成熟骨細(xì)胞的標(biāo)志之一，其活性高低可反映成骨細(xì)胞的成熟狀況。）,四. IGF-Ⅰ的生物學(xué)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(xì)胞增殖及分化的影響,四. IGF-Ⅰ的生物學(xué)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(xì)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(dá)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(xué)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(zhì)降解，但不影響蛋白質(zhì)合成。GH則可促進(jìn)蛋白質(zhì)合成，不影響蛋白質(zhì)的降解。IGF-Ⅰ在低濃度[15 μg/(kg·h)]尚未影響到糖代謝時(shí)，就已對蛋白代謝產(chǎn)生了作用。因此，血清IGF-Ⅰ水平可以反映機(jī)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(gè)指標(biāo)應(yīng)用于臨床。,四. IGF-Ⅰ的生物學(xué)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(zhì)代謝有關(guān)。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(bǔ)充GH之后，血清Tc又顯著降低。該研究提示，GH可以調(diào)節(jié)Tc的代謝。隨后認(rèn)識到，這除了GH本身的作用以外，IGF-Ⅰ的參與可能也是一個(gè)重要原因。動物實(shí)驗(yàn)證實(shí)，IGF-Ⅰ

21、能明顯降低血清Tc水平。給健康人補(bǔ)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(xué)功能,,,,,IGF-Ⅰ與乳腺及泌乳,IGF可通過相應(yīng)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(qiáng)有力地刺激乳腺癌細(xì)胞的生長。乳腺上皮細(xì)胞產(chǎn)生和分泌IGFBP，結(jié)合蛋白可能調(diào)控著IGF-Ⅰ的活性。,,四. IGF-Ⅰ的

22、生物學(xué)功能,奶牛的產(chǎn)奶量取決于乳腺細(xì)胞的數(shù)量及泌乳能力，IGF-Ⅰ可以促進(jìn)奶牛乳腺細(xì)胞的增殖、分化和調(diào)節(jié)泌乳功能，從而提高奶牛的產(chǎn)奶量。,IGF-ⅠmRNA的表達(dá)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(xì)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(dá)及其對乳腺上皮細(xì)胞泌乳功能的影響,四. IGF-Ⅰ的生物學(xué)功能,添加外源性 IGF-Ⅰ能顯著促進(jìn)乳腺上皮細(xì)胞 IGF-ⅠR的表達(dá)

23、，并通過IGF-ⅠR介導(dǎo)促進(jìn)乳腺上皮細(xì)胞的增殖和β-酪蛋白的表達(dá)，其中以添加選取50µg/mL的IGF-Ⅰ作用48h檢測乳腺上皮細(xì)胞增殖為宜，以添加50µg/mL的IGF-I作用24h檢測最佳。,在導(dǎo)管形態(tài)發(fā)生的青春期乳腺發(fā)育階段主要是乳腺產(chǎn)生的局部IGF-Ⅰ起作用，即使缺少來自內(nèi)分泌途徑的IGF-Ⅰ，小鼠乳腺導(dǎo)管分支也不受影響 。,四. IGF-Ⅰ的生物學(xué)功能,IGF-Ⅰ與糖尿病,近年的研究表明,糖尿病時(shí)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(jié)合蛋白(IGFBPs)的改變,這些異常改變與胰島素缺乏、GH分泌調(diào)節(jié)紊亂、高血糖等有關(guān)。 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(guān)。,糖尿病： GH↑ 肝臟對GH的抵抗↑ IGF-Ⅰ↓ 對垂體GH

25、分泌的負(fù)反饋?zhàn)饔谩?GH的過度分泌。,,,,,,四. IGF-Ⅰ的生物學(xué)功能,95%以上的IGF-Ⅰ與IGFBP-3結(jié)合,其余的主要與IGFBP-Ⅰ和IGFBP-∥結(jié)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(fù)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(diào)節(jié)到達(dá)組織的IGF-Ⅰ的活性。因此, IGFBP-3對調(diào)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(diào)節(jié),其水平與IGF-Ⅰ呈正相關(guān)。,四. IGF-Ⅰ的生物學(xué)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(shí)循環(huán)中IGFBP-3和ALS水平的降低將使IGF-Ⅰ的水平進(jìn)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(xué)功能,胎盤中 IGF-1表達(dá)水平與妊娠期糖尿病巨大兒的相關(guān)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(jī)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(xué)功能,血清中 IGF-Ⅰ水平可能與 GDM 發(fā)生有著密切的關(guān)系，母血和臍血中 IGF 是兩個(gè)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(chǎn)生。,IGF-Ⅰ水平增加可能與GDM 孕婦巨大兒的形成密切相關(guān)，其機(jī)制可能與以下幾點(diǎn)有關(guān)：①IGF-Ⅰ能

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

30、發(fā)病率呈明顯正相關(guān)。 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(yù)后的獨(dú)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(xué)功能,IGF-Ⅰ可以明顯誘導(dǎo)肝癌細(xì)胞生長，且促生長作用呈濃度及時(shí)間依賴性。,四. IGF-Ⅰ的生物學(xué)功能,IGF-Ⅰ可以誘導(dǎo)肝癌細(xì)胞克隆形成的發(fā)生，即誘導(dǎo)肝癌細(xì)胞增殖。,五. I

31、GF-Ⅰ的應(yīng)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(biāo),在育種中有所應(yīng)用。血漿中IGF- I的變化可作為外源蛋白質(zhì)和能量攝入量的一項(xiàng)敏感指標(biāo)?？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(zhuǎn)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(biāo)。對于幼畜，尤其