斯钙素对哺乳动物生长发育的影响概述

杨开典，祁钰钰，杨跃飞，2，鞠辉明，2＊

（1.扬州大学兽医学院，江苏扬州225000；2.江苏省动物重要疫病与人兽共患病防控协同创新中心，江苏扬州，225009）

斯钙素-1（stanniocalcin-1，STC-1）是首先在鱼类中被发现的重要的参与钙调节的激素，血清钙升高可以引起斯坦尼小体释放STC-1，调节钙离子流通过鳃和肠来保持血液中钙浓度稳定［1］。直到由两个实验室分别成功克隆老鼠和人类斯钙素（stanniocalcin，STC）cDNA才证实了哺乳动物体内存在STC基因［2-3］。鱼类和哺乳动物表达两种STC基因——STC-1和STC-2，它们基因结构相似，都有4个外显子和相对保守内含子边界序列［4］。哺乳动物STC-1和STC-2都属于分泌型的磷酸化糖蛋白，它们都含有N-糖基化基序、24个氨基酸的信号肽序列和15个氨基酸前序列，上述序列经剪切、加工产生成熟的蛋白［5］。

作为一种分泌型蛋白，哺乳动物STC-1mRNA在体内多个组织中广泛表达，在卵巢、肾、前列腺、甲状腺等组织表达水平较高［3，6］。早前的研究发现，除了妊娠期及哺乳期，哺乳动物血液中检测不到STC-1蛋白；然而，近年来发现哺乳动物血液中也能产生STC-1，它们可能黏附于一些可溶性蛋白发挥作用［7］。动物体内各个部位STC-1mRNA表达量和检测出的STC-1蛋白量并不一致。例如，通过原位杂交检测肾脏STC-1mRNA的表达位置在皮质和髓质收集管，但STC-1蛋白却能在整个肾单位中检测出［8］。同样，STC-1mRNA的表达和蛋白表达量在卵巢和子宫中也不一致［6，9］，这说明了STC-1很可能以自分泌／旁分泌的方式产生效应。虽然哺乳动物STC-1的许多功能尚未得到证实，但已有研究结果表明，其表达水平受到多个信号通路调节［10］，其表达失调也和恶性肿瘤有关［11］，这也说明其在体内许多器官的生理活动中产生重要作用。哺乳动物STC-2基因和STC-1一样也在体内广泛表达，人类STC-2主要产生部位是胰腺，由胰岛细胞产生，其可能参与动物机体葡萄糖和能量代谢［5］。其表达异常也与细胞癌变及体内多种恶性肿瘤有关［12］。

1 STC基因参与哺乳动物骨代谢调控

随着哺乳动物STC基因的克隆，人们开始利用多种分子生物学方法开展STC在哺乳动物骨骼发育中的研究，越来越多的研究证据表明，STC对哺乳动物的骨代谢有显著影响。通过原位分子杂交（ISH）方法检测出小鼠成骨细胞、软骨细胞以及未分化椎间盘间质细胞中STC-1基因的表达，而破骨细胞中未见STC-1表达［9］。STC-1基因在啮齿动物成骨细胞及颅骨间质细胞检测出表达，另外，体外开展的颅盖骨细胞培养试验中STC-1的表达贯穿整个分化过程［13-14］。还发现STC-1在小鼠成骨细胞和股骨与颅骨的软骨细胞中表达，这表明STC-1在哺乳动物局部骨骼发育中有作用。另外，在使用鼠颅骨细胞培养的研究中发现STC-1对成骨细胞分化有影响［15］。研究发现STC-1在体内对大鼠妊娠E20d软骨细胞增殖、跖骨长度的增长有抑制作用［16］。培养液中添加重组hSTC-1能促进颅骨成骨细胞的融合，也能通过诱导Na／Pi转运子PiT1／SLC20A1的表达来增强骨钙化，进而导致磷吸收增加［17］。STC-2基因也有类似的报道，其对骨骼发育有影响，在鼠类生长板中，尤其是在C型利钠肽处理的胫骨后的肥大区域检测出表达［18］。上述研究结果表明，STC基因是以自分泌及旁分泌的方式通过调节软骨及骨细胞中磷的利用率在骨的形成中发挥作用。

在研究STC基因对机体影响的过程中，不同研究小组制备出了相应的STC转基因小鼠及基因敲除小鼠，研究表明STC基因对机体生长发育有直接影响。过表达hSTC-1和hSTC-2基因的转基因小鼠显示彼此差别不明显但呈共同明显的表型，主要表现出严重的产前和出生后生长缓慢［19-20］具有生物活性的hSTC-1和hSTC-2过表达转基因小鼠在早期胚胎中显示外源基因有活性（E12.5），造成明显的胚胎生长迟缓，后代体重比非转基因小鼠体重下降35%～45%［20-21］。Johnston J等［22］比较正常小鼠和分别过表达人STC-1、STC-2的转基因小鼠的骨骼发育，发现转基因小鼠骨骼生长减缓和膜内颅骨显示出明显的骨缝关闭延迟，后段额骨缝在转基因小鼠终身处于开放状态。进一步观察发现，过表达STC转基因小鼠细胞颅骨表现出活力减低、增殖和分化延缓，表明发育中的成骨细胞对STC比较敏感。另外，通过检测转基因小鼠和野生型小鼠颅骨细胞中多个和骨组织发育相关的磷酸盐调节子的表达，发现STC-1转基因小鼠体内细胞外基质磷酸糖蛋白（Mepe），骨基质酸性蛋白（Dmp1），分泌型卷曲相关蛋白基因（sFRP4）表达显著降低，这进一步说明STC在成骨细胞中起直接调节作用，并且在这些因子过度调控下会抑制正常骨骼发育。

STC主要通过调控局部组织中钙磷水平来影响骨重建。钙磷是动物机体主要元素之一，除了作为骨骼和牙齿的主要原料之外，还有着许多重要的生理功能，其和骨代谢有密切的联系，在骨骼生长时，血液中钙磷沉积于骨组织，构成骨盐；在骨骼更新时，骨盐溶解，骨中钙磷释放入血液。骨组织是体内最大的磷酸盐储存库，同时骨骼系统的无机磷酸盐是骨形成和类骨质矿化必不可少的成分，磷酸盐水平直接影响哺乳动物的成骨作用。在骨矿化过程中，STC作为旁分泌／自分泌型蛋白是成骨细胞无机磷（Pi）调控系统中主要调控因子，其通过调控磷转运蛋白影响局部Pi代谢，进而影响骨形成。碱性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）和STC-1共同调节局部组织中Pi信号通路，它们是骨组织矿化的限速步骤，低水平的NaPi促进STC-1和ALP表达，一方面，STC-1通过自分泌／旁分泌途径和可能存在的STC-1受体（STC-1receptor，STC-1R）促进垂体特异性转录因子（pituitary specific transcription factor 1，Pit1）的表达，促进 NaPi的转运；另一方面，ALP量增加促进β-甘油磷酸脂（β-glycerophosphate，β-GP）生产Pi，细胞内Pi增加促进骨桥蛋白（osteopontin，OPN）等成骨因子的表达，进而促进骨组织矿化过程［19］。也有研究发现大鼠STC-1对肾磷酸盐（Pi）代谢［23］、猪及鼠肠 Ca2＋的吸收［24］中有明显的抑制作用。尽管缺乏STC-1在Ca2＋／Pi代谢平衡中的内分泌作用的证据，但在细胞及组织水平，一些研究已经证明了STC-1参与局部钙离子的调节。利用犬肾细胞开展的体外研究表明，细胞培养中高渗性和细胞外钙离子的变化可以调节STC-1的表达［25］。相比之下，STC-2在 Ca2＋／Pi体内平衡方面调控的研究信息较少，最近有研究表明STC-2被证明是一个操纵性Ca2＋通道的反向调控子，它和内质网的一个钙离子传感器——基质相互作用分子（stromal interaction molecule，STIM）相互作用［26］，总的来说，STC-1、STC-2 在体内都对Ca2＋／Pi代谢发挥调节作用。

2 STC基因通过调控机体能量代谢对机体发育产生影响

已经制备的两个过表达STC-1基因转基因小鼠中第1个转基因小鼠品系由肌球蛋白轻链-2启动子介导STC-1基因在肌肉中特异性过表达。该小鼠品系呈现出矮小表现，和同窝非转基因小鼠相比，转基因小鼠采食量增加（小鼠每克体重平均采食量增加32%）、耗氧量增加（每克的身体重量多消耗14%以上的氧），并且脂肪垫更薄，体内葡萄糖代谢加快。然而，与正常野生型小鼠相比，转基因小鼠血清中游离脂肪酸、IGF结合蛋白1、甲状腺素（T4）和生长激素（GH）水平等生长发育相关基因表达正常。转基因小鼠观察到线粒体肿胀现象表明STC-1可能影响线粒体功能和／或结构。第2个转基因小鼠模型是由金属硫蛋白I最小启动子介导STC-1基因过表达，转基因小鼠体内STC-1基因主要在肝、心、脑、血管内皮细胞和巨噬细胞中大量过表达。转基因小鼠与同窝出生的非转基因小鼠相比体重比较轻，两者血清中GH、IGF-I、垂体TSHβ-亚单位mRNA相对稳定，FSHβ-亚单元，LHβ-亚单元以及糖蛋白亚单元无明显差异［22］。对于上述表型，有研究提出线粒体被STC-1解偶联作用可能导致两个转基因小鼠矮小表型的观点［10，27］。解偶联蛋白属线粒体内膜载体蛋白，广泛分布于动物各组织中，在维持体温、机体产热、能量平衡和体重调节等方面都有重要作用［28］。迄今为止，在哺乳动物体内已发现5种UCP，其中UCP2能在白色脂肪组织、骨骼肌和免疫系统等多种组织中表达［29-30］；另外，有研究发现，巨噬细胞中STC-1能上调线粒体巨噬细胞中解偶联蛋白-2（UCP2）的表达［31］，也上调了心肌细胞中UCP3表达。AMPK是一个通过感受细胞内ATP水平来控制能量代谢的一个基因，也称为“能量检测器”，研究表明，STC-1在肾组织中可以通过激活AMPK进而能促进UCP2和Sirt3的表达，STC-1很有可能在肌肉等其他组织中也可能通过激活AMPK上调解偶联蛋白的表达［32］。因为转基因小鼠都显示STC-1血清水平高，很有可能这些转基因小鼠的矮小表型是由于STC-1上调不同组织中UCP造成的；因此，小鼠食欲过盛，必需消耗更多的氧气和营养来弥补代谢过盛状态引起线粒体解偶联作用［21-22］。

3 问题与展望

作为在鱼类、人体及一些模式动物上研究比较多的基因，STCs与动物生长发育及与免疫等多个系统有密切的关联，其能通过参与钙磷代谢，抑制钙离子吸收并促进磷离子吸收，维持血清中正常钙浓度，其对骨骼及肌肉发育也有直接抑制作用，近年来该基因对机体免疫促进和机体保护机制也引起了广泛的兴趣。但是，该基因在家畜上的研究不多，该基因在家畜中的表达模式以及对家畜的生长发育尤其是钙磷代谢、肌肉发育以及对免疫系统的影响如何值得深入研究，该基因在家畜代谢及免疫疾病发生中的分子机制也尚待深入研究。

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