胰岛素样生长因子结构与生理功能

摘要：胰岛素样生长因子(IGF)促进组织细胞分裂分化，调节生物体代谢、生长和繁殖，在生物间普遍存在。IGF已从多种物种分离得到，包括鱼类、两栖类、爬行类、鸟类和哺乳类等，且在各种属间具有很高的同源性。IGF在哺乳动物中的研究已经比较深入，但对鱼类IGF还主要集中在鲑鳟鱼类、鲤科、鲈形目、日本鳗鲡、胭脂鱼、斑马鱼、大菱鲆等几个品种。该文从分子结构、生理功能、影响因素及研究前景等方面对鱼类IGF的研究进展作一综述。

关键词：IGF　结构　生理功能

中图分类号：R3　文献标识码：A　文章编号：1007-3973(2011)003－059-02

IGF是一类进化上保守的具有胰岛素样代谢和促有丝分裂功能的多肽，在许多组织中均有表达，但肝脏中表达量最高。IGF-I和IGF-2因结构上与胰岛素原相似，且氨基酸序列与胰岛索有近50％的同源性，在分子进化上有共同的祖先，因此IGF与胰岛素(INS)合称为INS／IGF家族，与IGF受体(IGF－1R、1GF-2R)及IGF结合蛋白(IGFBP)统称为IGF系统。IGF-3是在罗非鱼性腺中发现的IGF新成员，主要表达于鱼类精巢和卵巢中，在鳃、肾、脑等器官中也有少量表达。通常认为IGF－1主要在出生后及成年期发挥介导生长激素(GH)的促生长效应，但也可以独立作用。IGF-2主要在胚胎时期调节生长和发育，不同种类的鱼中GH对IGF-2基因表达的作用模式有所不同。IGF-3表达模式具有显著的性别差异，可能参与了雄鱼原始生殖细胞的发生、卵母细胞的获能或成熟，但作用机制尚不明确。

1、IGF的分子结构

IGF-1和IGF-2前体都包括一信号肽以及A、B、C、D、E五个结构区域(图1)。形成成熟肽时，信号肽和E区域被切除，从N端到C端依次形成B-C-A-D的单链结构，与胰岛素原不同的是保留了胰岛素原的C链并在其羧基端多了一个D区域。

成熟的IGF-1约70个氨基酸残基。B、C、A区域分别与胰岛素原的B、C、A区域同源。各种鱼类IGF-1的A、B区域氨基酸序列高度保守，而C、D区域的保守性较低。B、A区域有几个比较保守的半胱氨酸，与其高级结构的形成有关。B区域有Phe-Try-Phe残基，是IGF-1R的识别序列。大麻哈鱼和罗非鱼的IGF-1基因可以转录出多种产物，但都含有B、C、A、D四个区域。差异只是E区域的插入或缺失，且不同鱼类所含的IGF-1转录本类型也不同，如鲑鳟鱼类1GF-1 mRNA经过选择性拼接后存在四种转录本，按照E区域的不同可分别命名为Ea-1、Ea-2、Ea-3、Ea-4，而鲤鱼、黑鲷、澳洲肺鱼等体内检测到Ea-4、Ea-2中的一种或两种。眼斑拟石首鱼IGF-1的四种转录本出现在整个个体发育时期，但Ea-1只出现在仔鱼期，而成年期仅有Ea-2、Ea-3、Ea-4，说明同一个体内不同发育期可能有不同的IGF-1转录本[2]，同时提示不同的E肽可能具有不同的作用。

成熟的IGF-2含有67个氨基酸残基，同样由B、C、A、D四个区域构成。在罗非鱼中可以检测到IGF-2基因的三种转录产物，而大麻哈鱼中只检测到一种。通过对不同转录产物的结构分析后表明造成这种现象的原因很可能是由于不同的剪接方式以及对应mRNA上具有多个多聚腺苷酸位点引起的。

1.2　IGF-1的高级结构

IGF-1的C、D结构域为高度柔性结构，A、B结构域为含有α螺旋的刚性结构。其中B区域中第8-18位氨基酸残基组成螺旋Ⅰ，A区域中第42-49、54-61位氨基酸残基组成螺旋Ⅱ和螺旋Ⅲ，为整个分子提供支架。IGF-1分子中三个二硫键Cys47-Cys52、Cys6-Cys48、Cysl8-Cys61，一个为高能键。该高能键断裂会引起整体二硫键的重排，从而使得IGF-1同时具有两种热力学稳定的高级结构，但仅一种结构有生物活性。

2、IGF的生理功能及其表达调控

2.1　IGF-1

GH／IGF轴是一个重要的内分泌生理轴，而IGF-1是中心。IGF-1选择性地与IGF-1R结合，通过促进细胞分裂、分化和抑制凋亡来调节生长、分化和繁殖等生理过程。IGF-1R的敲除增加Caspase-3活性和细胞凋亡数目，且后G1期细胞比例增加而S期细胞比例明显减少，说明IGF-1具有抗细胞凋亡作用。虹鳟局部组织产生的IGF-1可以刺激氯细胞的分化，接着系统IGF-1作用于分化的氯细胞，调节渗透压。近年来国外学者对IGF-1在鱼类生殖方面的研究证实IGF-1存在于许多鱼类的性腺细胞中。Sang等研究发现1GF-1受体突变体在原始生殖细胞(PGC)内过量表达可阻断PGC的迁移。IGF-1的表达不影响PGCs的存活，而能显著增加异位PGCs的数量，即IGF-1有助于促进PGC的迁移，同时IGF-1信号通路异常会阻断PGCs的迁移。自鲈和狼鲈中IGF-1能够介导卵母细胞的获能，而在条纹鲈中能独立于激素介导卵泡膜破裂，罗非鱼IGF-1 mRNA和IGF-1在两种性别鱼生长发育过程中首次被检测到的时间和第一次减数分裂开始的时间相吻合，提示IGF-1可能参与了卵(精)母细胞减数分裂的启动。

GH能够显著促进肝脏和血清中的IGF-1mRNA的表达，且呈剂量依赖性反应。有学者认为IGF-1mRNA的表达受GH的调控，对虹鳟胚胎的研究发现在GH／IGF轴形成之前IGF-1mRNA已有转录，说明IGF-1在胚胎发育早期一段时间内不受GH影响而是独立发挥作用的。有学者进提出GH的促生长效应可能主要在出生后发挥作用，而胚胎时期则是由IGF-1来完成。长时间饥饿会导致肝组织GH受体数量下降，从而从某种程度上阻断GH效应，以至于肝组织中的IGF-1mRNA的丰度下降。研究发现禁食期间罗非鱼肌肉中IGF-1的表达迅速减少，回复进食2周后恢复到正常水平。饥饿可引起虹鳟生长停滞，伴随着肝脏、腮等部位IGF-1表达和血清IGF-1水平的下降，因此血清中IGF-1的含量常作为判定营养状况的指标。另外，IGFBPs可以通过影响其转运、在血液中的分配等调节IGF-1表达。激素E2对IGF-1的表达也起到调控作用。用EE2按一定浓度处理鱼的养殖用水发现所有鱼脑中的IGF-1表达都有明显的变化。

2.2　IGF-2

IGF-2又称生长调节素A，对细胞增殖、分化、细胞凋亡和转化具有重要作用。IGF-2在很多方面表现出与IGF-1相似的功能，都可以通过同种受体发挥生理功能。IGF-2也具有保守的“Phe-Try-Phe”氨基酸序列。IGF-2是一个较早得到证实的内源性印迹基因，对哺乳动物的研究提示IGF-2基因的印迹性具有组织特异性，主要在胚胎、胚外细胞和胎盘中。对胎生硬骨鱼IGF-2的比较进化分析表明IGF-2与IGF-1一样几乎

在所有组织中都有表达，但肝外组织中IGF-2的表达量相对更多，且IGF-1的表达主要集中在胚胎时期。IGF-2的表达在哺乳动物中出生后急剧下降并表现很强的组织特异性，然而鱼类IGF-2的表达则贯穿整个胚胎发育和个体发育期。鱼类存在两个IGF-2基因，胚胎时期IGF-2a只表达于脊索和大脑，而IGF-2b在多种组织中表达。成年时期IGF-2a获得了广泛表达，而IGF-2b仅在肝脏表达。

IGF-2促进虹鳟鱼肌肉细胞有丝分裂，显示IGF-2具有促进细胞增殖的作用。IGF-2也能促进脊椎动物体细胞的生长和分化，是胚胎发育过程中的一个重要调控因子，如Yvonne等发现斑马鱼背中线组织的发育依赖于IGF-2信号。敲除IGF-2b基因会使胚胎严重水肿，而同时敲除IGF-2a和b会加重背中线组织的发育不全，提示IGF-2b对肾和脑组织发育具有重要作用。IGF-2能够介导条纹鲈、斑马鱼、底鲻等卵母细胞的成熟，且斑马鱼的IGF-2b在原生殖细胞的发育过程中呈现持续的旁泌性作用，表明IGF-2对细胞增殖、胚胎发育和生殖起重要作用。

IGF-2的表达受到GH的调控，但具有种间差异性。研究证实GH能够提高鲤鱼肝脏和脑部IGF-2 mRNA水平。禁食对罗非鱼肌肉中IGF-2的表达并无影响，但在恢复喂食1-2周后会减少，提示IGF-2的表达对营养条件敏感。

2.3　IGF-3

Wang等研究罗非鱼时发现IGF家族的新成员IGF-3，只存在于鱼类基因组中。IGF-3在罗非鱼个体发育早期便开始表达，具有性腺特异性，对硬骨鱼的性腺发育和繁殖具有重要作用。IGF-3在精巢中的表达量要高于卵巢中的表达量，而且精巢中的表达量在各个时期都比较稳定，但在卵巢中却在出生后表现出随着时间的增长而明显减少。性腺外组织中也检测到IGF-3的表达，但表达量较低。斑马鱼卵巢中IGF-3表达量在排卵前期明显降低且局限于滤泡细胞，参与了卵母细胞获能或成熟。最近发现斑马鱼卵巢中存在两种IGF-3转录本，一个仅在性腺中表达，而另也个仅在发育早期表达，且IGF-3仅对卵母细胞表现免疫活性。GH不影响罗非鱼卵巢和精巢中IGF-3的表达，而E、EE显著下调罗非鱼精巢中IGF-3的表达，但不影响卵巢中IGF-3的表达。

3、研究展望

近年来随着研究的不断深入，国内外对鱼类IGF的研究已向分子调控、信号转导、胚胎发育以及生殖等方面渗透，尤其是在生殖方面取得了一定成效。今后的研究将集中在IGFs成员的生理生化功能和表达调控的分子机制等，逐步阐明IGFs在生物学效应中的重要性和作用机理。另一方面是要将研究成果和水产人工养殖、鱼类人工育种、研制开发新型鱼类促生长添加剂等应用技术相结合，通过提高免疫力、产籽数量和质量、幼体存活率，缩短生长周期等而降低养殖成本，提高经济效益，对促进水产养殖业的进一步发展具有十分重要的意义。