类胰岛素生长因子结合蛋白IGFBP-3的研究进展*

李 筠,钟英斌,卢 玲,陈 晨,段存明,2**

(1.中国海洋大学医药学院,海洋药物教育部重点实验室,山东青岛266003;2.Department of Molecular,Cellular,and Developmental Biology,University of Michigan,Ann A rbor,Michigan 48109)

类胰岛素生长因子结合蛋白IGFBP-3的研究进展*

李 筠1,钟英斌1,卢 玲1,陈 晨1,段存明1,2**

(1.中国海洋大学医药学院,海洋药物教育部重点实验室,山东青岛266003;2.Department of Molecular,Cellular,and Developmental Biology,University of Michigan,Ann A rbor,Michigan 48109)

类胰岛素生长因子(Insulin-like grow th factor,IGF)信号系统是进化上非常保守的信号转导途径,包括2个IGF配体、2个IGF受体和6个IGF结合蛋白(IGF binging protein,IGFBP)。IGFBP能结合IGF并调节其作用。IGFBP-3是血液中主要的IGF载体蛋白。离体(in vitro)实验研究发现,IGFBP-3可以抑制或促进IGF的作用,在缺乏IGF受体的细胞中IGFBP-3仍然具有活性。由此可见,IGFBP-3除了具有IGF依赖性作用,还具有IGF非依赖性作用。此外还发现IGFBP-3能定位于细胞核并与类视黄醇X受体-α(Retinoid X recep to r-α,RXRα)结合。越来越多的研究结果显示出IGFBP-3在生物体内作用的复杂性,使探讨IGFBP-3体内(in vivo)作用机制的研究成为热点。本文综述了IGFBP-3的功能、作用机制,与肿瘤、血管生成的关系,以及正常状态下IGFBP-3的生理功能。

胰岛素样生长因子;IGFBP-3;IGF依赖性;IGF非依赖性

类胰岛素生长因子(Insulin-like grow th factors,IGF,或被译为胰岛素样生长因子、类胰岛素样生长因子)信号系统以其在生命活动中的重要作用而被广泛重视。临床医学研究中发现,很多疾病的发生、发展与该信号系统有关,如恶性肿瘤、矮小症、糖尿病、胎儿宫内生长迟缓、老年骨质疏松症、结核性脑膜炎、病毒性脑膜炎、儿童生长激素缺乏症、肝硬化、儿童白血病、老年肺部感染、儿童单纯性肥胖症、创伤感染、缺氧缺血性脑损伤、性早熟等。这一进化上保守的IGF信号系统,是由IGF配体(IGF-1与IGF-2)、IGF受体(IGF-1R与IGF-2R)和IGF结合蛋白(IGF binding p roteins,IGFBPs)组成(见图1)。IGF配体通过与细胞表面2种类型的IGF受体(IGF-1R和IGF-2R)结合激发β亚基的酪氨酸磷酸化,进而导致多种内源物质(如胰岛素受体底物IRS)结合到β亚基上特定的酪氨酸位点。这些物质的结合导致下一级的磷酸化反应,涉及多个二级信号分子,例如,通过含SH2结构域的蛋白(Shc)或通过IRS最终激活单体G蛋白Ras,进而激活促有丝分裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号通路。或者,受体的磷酸化可以激活磷酸肌醇-3-激酶(PI3-激酶)或蛋白激酶B(PKB/A kt)信号转导通路。IGF信号系统在调节细胞的增殖、生长、分化、凋亡和迁移等方面发挥其重要的生物学作用,在人生长、发育和生理过程中发挥关键作用[1-2]。体液中存在着已知的6种IGF结合蛋白(IGFBPs),分别为IGFBP-1、IGFBP-2、IGFBP-3、IGFBP-4、IGFBP-5、IGFBP-6,这些IGFBP与IGF的亲和力高于IGF受体与IGF的亲和力,对IGF生物活性具有重要的调控作用。

在这些结合蛋白中,IGFBP-3因其与肿瘤关系密切而成为研究热点,并在其临床诊断意义、癌症预警预后、癌症治疗、分子作用机制等方面取得了一些研究进展。

1 IGFBP-3与恶性肿瘤

近年来关于IGFBP-3的研究发展很快,有2个特别值得关注的进展,即血液中IGFBP-3的含量与许多恶性肿瘤的发生存在统计学上的相关性,以及IGFBP-3具有抗癌活性。

1.1 血液中IGFBP-3的含量与许多恶性肿瘤的发生存在统计学上的相关性

临床研究发现,血液中IGFBP-3的含量与许多恶性肿瘤的发生存在统计学上的相关性。例如,Ren等[3]发现IGFBP-3 m RNA的表达水平与乳腺肿瘤形成有关;Peeters等[4]报道血液中IGF-1和IGFBP-3的水平与更年期前和更年期后妇女的卵巢癌的发生均有相关性;Baglietto等[5]研究认为血液中IGFBP-3的含量可以作为乳腺癌的预警指标。除此之外,许多研究还发现血液中IGFBP-3的水平或IGF和IGFBP-3的比例(IGF∶IGFBP-3)与乳腺癌、前列腺癌、非小型肺癌、肝癌、胰腺癌、结直肠癌、子宫癌、骨肉瘤癌、膀胱癌等多种肿瘤的发生率存在相关性[6-11]。

图1 IGF信号途径的组分和作用模式示意图(根据Duan&Xu发表的图[1]进行了修饰)Fig.1 Schematic diagram show ing components and action modesof the IGF signaling pathway

1.2 IGFBP-3抗肿瘤作用

自1990年代发现IGFBP-3对小鼠纤维原细胞[12]、人乳腺癌细胞的生长具有明显抑制作用以来,使IGFBP-3的抗癌活性受到更多的关注。体外培养细胞实验证实,IGFBP-3对乳腺癌细胞、人的直肠癌细胞、前列腺癌细胞、肺癌细胞等都有明显的抑制生长作用[13];IGFBP-3还可能介导由TGF-β(Transforming Grow th Factor-β)、p53、TNF-α(Tumor Necrosis Factor-α)、视黄酸(Retinoic Acid)诱导的对癌细胞的生长抑制和细胞凋亡[13-15]。

在人前列腺异种移植肿瘤的小鼠模型中,证实了IGFBP-3可以抑制小鼠体内的异种移植肿瘤的生长[16]。在LPB-Tag/CMVBP-3和LPB-Tag/PGKBP-3(IGFBP-3野生型)转基因小鼠中,与LPB-Tag/w ildtype(W t)野生型小鼠相比,其前列腺肿瘤被缩小,p53的稳定的水平被减弱;肿瘤形成早期,LPB-Tag/PGK-mBP-3(不与IGF结合的IGFBP-3突变体)鼠的肿瘤生长没有衰减,表明在肿瘤发生的初始阶段,IGFBP-3的抑制作用很可能依赖于IGF;15周龄以后的LPBTag/PGKmBP-3鼠,表现出肿瘤生长显著减慢,表明IGFBP-3的IGF非依赖性作用在抑制肿瘤发展方面可能发挥了重要作用。

上述研究结果显示血液中IGFBP-3的水平在作为多种肿瘤诊断和预警的指标方面具有应用前景;IGFBP-3在临床诊断、癌症预警预后、癌症治疗等具有重要作用。

2 IGFBP-3的作用机制

IGFBP-3抗癌功能的发现,使探讨其抗肿瘤作用机制进一步成为研究热点,人们尝试从不同角度去探寻其作用机制,发现IGFBP-3既具有IGF依赖性(IGF-dependent)作用,又具有IGF非依赖性(IGF-independent)作用。

2.1 IGFBP-3在IGF信号系统中的功能地位及其IGF依赖性作用(见图2)

已知在哺乳动物中有6个IGFBP,命名为IGFBP-1到-6,各自代表1个独立的基因产物,目前已经从人和多种脊椎动物中分离和克隆了这6种IGFBP基因。IGFBP-3是血液中含量最丰富的IGFBP,是IGF的主要载体,IGFBP-3通过与IGF结合,调控IGF的生物活性[1-2,14]。

作为IGF信号系统中重要的配体IGF-1,在游离状态下,可以与其受体(IGF-1R)结合,发挥其促进细胞生长、抑制细胞凋亡的生物活性。而生物体内IGF-1多以非游离状态存在,如血液中约70%～90%的IGF-1是和IGFBP-3与酸不稳定性亚基(ALS)形成150 kD的三聚体复合物,停留在毛细血管壁上,其作用是作为IGF-1的循环贮备库,有效地延长IGF-1的半衰期;另有一小部分IGF-1与其它IGFBP结合成50 kD的较小复合物,能穿越毛细血管壁进入组织;还有约1%游离的IGF-1不与任何IGFBP结合,能通过内皮屏障,迅速与IGF-1R结合,发挥其促进有丝分裂及细胞生长、抑制凋亡的生物活性。因此游离的IGF-1更能代表IGF-1的生物活性作用。IGF-1通过与IGF-1R结合(见图1),激活酪氨酸激酶,启动丝裂原激活蛋白酶(MA PK)途径和磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)途径,促进细胞的增殖、迁移、存活,并抑制细胞凋亡,故对肿瘤细胞而言,IGF-1是很强的促有丝分裂原。

IGFBP-3与IGF-1的亲和力高于IGF-1与其受体的亲和力,因此IGFBP-3可以通过与IGF受体竞争结合IGF,而阻滞了IGF与它们的受体结合,进而抑制IGF的活性发挥。体外试验研究发现,在胚胎发育阶段和成体阶段,IGFBP-3在许多外周组织中表达。用体外培养的哺乳动物细胞实验表明,IGFBP-3既能抑制又能促进IGFs行为:在人类皮肤成纤维细胞中同时加入IGFBP-3和IGF-1,会明著阻遏IGF-1刺激的DNA合成;但是,当IGFBP-3预先与这些细胞孵育后,再加入IGF-1,IGFBP-3则会加强IGF-1的作用。研究认为,细胞表面缔合的IGFBP-3与IGF的亲和力比溶液中的IGFBP-3与IGF亲和力低,这种亲和力的转换会使IGF-1更容易与它的受体结合,这也许正是IGFBP-3对IGF的增强效应的原因所在[14]。

IGFBP-3的水解片断与IGF-1的亲和力低于完整的IGFBP-3与IGF-1的亲和力,所以IGFBP-3的部分水解,也许与IGFBP-3对IGF活性的增强效应有关[17]。IGFBP-3的水解主要是由IGFBP蛋白酶调节的,与IGF-1活性关系最密切的蛋白酶是IGFBP-3蛋白酶。在孕妇血清、手术后病人、危重病人、癌症病人、I型糖尿病及营养不良等病人血清中发现IGFBP-3蛋白酶活性增强。已经发现能水解IGFBP-3的蛋白酶至少有3类[18]:第一类是裂解IGFBP-3的激肽释放酶样丝氨酸蛋白酶,包括PSA、γ-神经生长因子、血纤维蛋白溶酶、血栓素;第二类是组织蛋白酶,能够在酸性环境下活化,在肿瘤浸润中可能发挥作用;第三类是基质金属蛋白酶,通过降解细胞外基质成分(如胶原和蛋白多糖)而在组织重建过程中发挥作用的水解酶。IGFBP-3蛋白酶可将IGFBP-3水解成与IGF-1低亲和力或无亲和力的片断,使游离IGF-1水平相应增加,从而在组织的增生、分化中发挥作用。有研究报道[19]在进行结肠癌肿瘤切除手术时和手术后,患者血浆中IGFBP-3显著降低,而基质金属蛋白酶MM P-9(可水解IGFBP-3)明显增加,术后促进了肿瘤的增长,通过动物模型试验证实了这种相关性。这个研究结果可以解释为由于金属蛋白酶MM P-9的增加,促使更多的IGFBP-3水解成为与IGF-1低亲和力或无亲和力的片断,释放出IGF-1,使游离IGF-1水平相应增加,从而促进了肿瘤增长。在这种情况下,手术不利于癌症患者的康复。

总之,IGFBP-3能以多种方式转换与IGF亲和力,通过与IGF受体竞争IGF配体来改变游离的IGF的水平,以此调控IGF配体与IGF受体的结合而发挥其生物活性。这就是IGFBP-3所发挥的IGF依赖性作用。

2.2 IGFBP-3的IGF非依赖性作用

Valentinis等[20]研究发现,定向阻断了IGF与其受体IGF-1R的作用后,IGFBP-3仍然对纤维原细胞的生长具有抑制作用,因此提出了IGF非依赖性作用。随后在众多哺乳类细胞中证实了IGFBP-3的这种作用[14],有些细胞自身不能合成IGF或IGF-1R有缺陷,但IGFBP-3对该细胞的生长具有抑制作用并加速其凋亡;一个IGFBP-3片段,虽然丧失了与IGF-1的结合作用,仍能抑制IGF-1诱导的鸡胚纤维原细胞和鼠的纤维原细胞的有丝分裂生长;IGFBP-3可以抑制由不能与IGFBP结合的IGF-1突变体所促进的细胞的生长;用对IGF作用没有响应的细胞进行研究,发现IGFBP-3对其生长具有抑制作用;一个不能与IGF结合的IGFBP-3突变体具有同样的促凋亡活性。这些研究结果强有力地证明了IGFBP-3具有不依赖于IGF、直接抑制生长的作用,即IGF非依赖性生长抑制作用(IGF-independent grow th inhibition),而且IGFBP-3的促细胞凋亡活性可能直接来自于IGF非依赖性作用。

IGFBP-3的IGF非依赖性作用的机制的研究,也取得了一定进展,其作用方式可以概括为以下几个方面:

(1)IGFBP-3可直接与细胞膜上的一些相关蛋白结合[14],如转铁蛋白(Transferrin)或小窝蛋白(Caveolin),或与细胞膜上的受体(如type V TGF-β受体或LRP-1)、自分泌运动因子/磷酸葡萄糖异构酶(autocrine motility factor/phosphoglucose is omerase,AM F/PGI)、N-乙酰氨基半乳糖转移酶(N-Acetylgalactosam inyltransferase)、以及细胞膜上的其它未知蛋白之间相互作用(见图2)。

(2)进入细胞核并与核内视黄醛X受体α结合,通过调节细胞核与线粒体RXR与Nur77之间的转运诱导细胞凋亡[14](见图2)。

(3)与一些生存因子(如humanin)产生拮抗作用[14]。

(4)其它的不通过与细胞表面结合和不进入细胞核而起到抑制癌细胞生长和诱导凋亡[21-22]。

(5)IGFBP-3可以磷酸化Smad2、Sam d3以及I型TGF-β受体,通过Smad信号通路起作用[14]。

(6)作者最近发现IGFBP-3在斑马鱼体内可以通过拮抗BM P信号而发挥IGF非依赖性作用[23](见图2)。IGFBP-3结合BM P-2从而抑制BM P-2与它的受体结合以及BM P下游Smad信号的转导。由于BM P-2信号的减少,解除了BM P-2对chord in表达的负调控,从而导致了chordin表达的的上调。上调的Cho rdin反过来和IGFBP-3一起,进一步拮抗BM P-2的活性。

(7)与其它的一些信号通路相互作用[24-25]。

3 调控IGFBP-3作用的因子

许多因子(如转录因子HoxC6、融合蛋白EWS/FL I-1、乳头瘤病毒基因产物E7等)以及IGFBP-3启动子多态性,都会影响IGFBP-3的循环量。IGFBP-3启动子多态性导致循环的IGFBP-3减少,进而提高了前列腺癌细胞的浸润和转移[26-27]。前列腺癌细胞通常过表达HoxC6转录因子[28],Ew ing肿瘤中经常过表达EWS/FL I-1融合蛋白[29],此时的IGFBP-3转录水平下调。在无限增殖细胞中,随着乳头瘤病毒基因产物E7因蛋白酶体的降解,IGFBP-3减少[30]。

很多抗增殖因子(如TGF-β、retinoic acid、TNF-α和p53)可诱导IGFBP-3的表达[14]。通过反意寡核苷酸或免疫中和作用降低TGF-β、retinoids、和TNF-α抗增殖活性,可抑制IGFBP-3的合成或抑制IGFBP-3的活性,说明上述抗增殖因子活性作用的发挥需要IGFBP-3参加。

4 IGFBP-3对血管生成的作用

血管生成不仅存在于胚胎发育时期,在整个生命周期均有重要的生理、病理意义,对于成年人,肿瘤、炎症、缺血性疾病、糖尿病视网膜病、创伤愈合等诸多病理过程均涉及血管生成问题。血管生成是肿瘤生长的限速因素,通过抑制或阻断肿瘤血管生成,有望阻止肿瘤的生长、转移,甚至可以导致肿瘤细胞凋亡,从而达到治疗肿瘤的目的。

4.1 IGFBP-3对血管生成的抑制作用

体外研究发现,IGFBP-3可以抑制由Runx1诱导的小鼠内皮前体细胞[31]以及由血管内皮生长因子VEGF(Vascular Endothelial Grow th Factor)、IGF介导的人脐静脉细胞的血管生成[16];体内实验揭示,IGFBP-3可以抑制鸡胚尿囊膜、小鼠的人前列腺异种移植瘤以及flk1:GFP转基因斑马鱼胚胎的血管生成[16]。这些实验证实了IGFBP-3具有体内、体外直接的、IGF非依赖性地影响血管生成的功能,发挥其抗肿瘤的作用。

4.2 IGFBP-3对血管生成的促进作用

2007年研究报道[32]IGFBP-3可以正向调控促血管生成因子VEGF、MM P-2和-9(M atrix metallop roteiases-2,-9)的表达,促进人内皮细胞的血管生成。该过程与IGF-1/IGF-1R信号通路、以及Sph K磷酸化和S1P的形成有关。

出现以上IGFBP-3对血管生成的作用的不一致,可能与实验材料以及实验条件有关,也可能IGFBP-3本身就是多功能蛋白,具有双重作用。事实如此,在高氧诱导的视网膜病(oxygen induced retinopathy,O IR)模型中,IGFBP-3可以通过IGF非依赖性作用抑制高氧过程中诱导的视网膜血管缺失,促进血管生成;而在低氧过程中抑制低氧诱导的血管生成,促进血管修复,保护视网膜血管系统免受损伤[33-34]。IGFBP-3的表达可能代表了缺血状态下的1种生理适应反应,有望成为缺血性损伤的潜在治疗靶点。

5 IGFBP-3潜在的医用价值

体内、体外研究结果均显示IGFBP-3可抑制多种人类肿瘤细胞的生长,并可提高癌细胞对放化疗药物的敏感性,提示IGFBP-3可能在肿瘤治疗方面具有极大的潜力。IGFBP-3能以IGF依赖性作用和IGF非依赖性作用2种方式,促进细胞凋亡[35-36],导致肿瘤细胞死亡。IGFBP-3与视黄醛X受体的配体联合使用对诱导前列腺癌细胞凋亡具有增效作用[37]。IGFBP-3与IGF-1的复合物作为治疗药物比单独使用IGF-1更有效,IGF-1和IGFBP-3结合后可以延长IGF-1的作用持续时间,也可消除或降低IGF-1单独治疗引起的不良反应[38]。此外,IGF-1/IGFBP-3复合物可明显降低I型糖尿病患者的胰岛素需要量,提高胰岛素敏感性[39]。IGFBP-3在作为药物筛选的靶点进行抗肿瘤药物筛选、临床监测指标用于癌症的预警、抗肿瘤药物开发等方面具有潜在的应用前景。

6 展望

随着研究的不断深入,与IGFBP-3相互作用的信号传递网络系统变得更为复杂,虽然发现了很多相关因子、相关通路,被关注的多是在病理条件下的反应,IGFBP-3在生物体内对肿瘤生长的抑制作用仍不很清楚。特别是在正常生理条件下,IGFBP-3的生理功能研究存在明显不足。IGFBP-3作为IGF信号系统中重要的1个蛋白分子,除了依赖IGF,通过IGF-1/IGF-1R发挥其在生物体内正常生长发育、维持正常生命活动的体内生理功能外,IGFBP-3的IGF非依赖性作用对生物体正常生长发育、维持正常生命活动的体内生理功能和作用机制仍然不很清楚。

以小鼠进行体内试验,敲除了IGFBP-3以后,并没有出现明显的表型变化[40],有2个主要原因:首先,在啮齿动物的不同的IGFBP之间的表达方式的冗余性(redundancy),敲除其中的某种IGFBP,也许会导致其它IGFBPs的表达改变,来补偿缺失的IGFBP的功能,从而使表型不发生改变,或表型改变不显著,如在IGFBP-2基因敲除小鼠的血清中,IGFBP-1、-3、-4的表达增加;其次,通过胎盘循环,在基因敲除的子代存在母体补偿的可能性。基于上述原因,往往会使得对研究结果的解释变得更加复杂。斑马鱼在研究早期胚胎发育IGF信号通路方面,已经证明是一个有着较好研究基础的模式生物[41]。Duan首次以斑马鱼为模型通过体内实验开始探索抗肿瘤基因IGBFBP-3体内正常生理功能,取得了一些进展,用反义吗啉寡核苷酸(Antisense morpholino oligonucleotides,MO)敲降斑马鱼的IGFBP-3,会导致内耳、骨骼发育缺陷;重新导入MO-resistant IGFBP-3,会使缺陷得到营救[42]。最新研究[23]证实IGFBP-3在斑马鱼体内通过拮抗BM P信号来发挥IGF非依赖作用。斑马鱼是便于遗传学研究的体外发育的脊椎动物,提供了进行基因和蛋白功能研究时没有母体补偿作用的极好的条件。身体透明的斑马鱼胚胎也允许实时观察组织和器官形成,加之斑马鱼主要的IGF信号通路成分,包括IGF配体、IGF受体和细胞外信号转导网络已经被分离和鉴定,并发现它们在进化上高度保守[42],因此,从斑马鱼研究中获得的研究数据,还可以为其它模式动物、经济种类和人类医药提供重要的补充,为基础生物学、医学等领域的发展提供重要的理论基础。

以小鼠、斑马鱼和其它模式动物,通过体外培养细胞、动物体内实验,从细胞水平、分子水平上对IGFBP-3抗肿瘤作用机制进一步阐明,将会为IGFBP-3在肿瘤干预、诊断、抗肿瘤药物的设计、抗肿瘤药物的筛选等方面的开发利用提供重要的理论依据。

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Research Progress of Insulin-Like Grow th Factor Binding Protein IGFBP-3

LI Yun1,ZHONG Ying-Bin1,LU Ling1,CHEN Chen1,DUAN Cun-M ing1,2
(1.The Key Laboratory of Marine Drugs,Ministry of Education,School of Medicine and Pharmacy,Ocean University of China,Qingdao 266003,China;2.Department of Molecular,Cellular,and Developmental Biology,University of Michigan,Ann Arbor,Michigan 48109,US)

The insulin-like grow th facto r(IGF)system is an evolutionarily conserved signaling pathway that is composed of two IGF ligands,two IGF recep tors,and six IGF binging proteins(IGFBPs).The IGFBPs bind IGF and modulate IGF activities.IGFBP-3 is the major IGF carrier p rotein in the bloodstream.In vitro,IGFBP-3 can inhibit or potentiate IGF actions and even possesses the activities in IGF receptor null cells,suggesting that IGFBP-3 have both IGF-dependent and independent actions.In addition,IGFBP-3 is localized in the nucleus and can interact with retinoid X recep tor-α.The functions of IGFBP-3 in vivo,how ever,are not clear.In this article,we summarize the function,mechanistic basis,relations with tumor,angiogenesis,as well as physiological function of IGFBP-3.

IGF;IGFBP-3;IGF-dependent;IGF-independent

Q71

A

1672-5174(2011)09-041-07

高等学校科技创新工程重大项目培育资金项目(070742);国家自然科学基金项目(40876064)资助

2010-12-03;

2011-03-09

李 筠(1967-),女,博士,教授。E-mail:yunlisun@ouc.edu.cn

**通讯作者:duancunming@ouc.edu.cn;cduan@umich.edu

责任编辑 朱宝象