胰岛素样生长因子Ⅰ受体与受体后信号转导研究进展

-1-胰岛素样生长因子Ⅰ受体与受体后信号转导研究进展杨卫东（南京农业大学动物医学院，江苏南京210095）摘要：胰岛素样生长因子-I受体(IGF-IR)是具有促进细胞增殖、分化和抑制细胞凋亡等多种生物活性的生长因子。当IGF-IR与IGF-I结合后，发生自身磷酸化反应，活化多种底物，这些底物的活化启动不同的细胞信号转导通路来行使其生物学功能。本文主要对IGF-IR和它的信号转导通路展开综述。关键词：IGF-I;IGF-IR;信号转导;RAS/RAF/MEK/ERK;PI3K/AKT.1957年，Salmanh和Daughudy发现大鼠血清中有一种介导生长激素的物质，命名为“生长介导物质”(Somatomedins)[1]。后来因其结构和功能类似于胰岛素，而被称为胰岛素样生长因子(Insulin-likeGrowthFactor,IGF)。Rinderknecht于1978年首先报道，血清中的IGF包括IGF-I和IGF-II两种分子，而且主要是IGF-I。[2]IGF-I是生长调节素的一种，由70个氨基酸的单链多肽组成，分子量为7.5kD，分子中含有3个二硫键。正常机体内主要由肝脏合成，大部分存在于血液中，在体内的表达受到生长激素(GH)的调节。IGF-I主要通过其受体IGF-IR介导发挥广泛的生物学作用。[3]1胰岛素样生长因子Ι受体(IGF-IR)IGF-IR广泛表达于多种类型的细胞表面，它介导IGF-I和大部分IGF-Ⅱ的生物学活性，可促进有丝分裂及细胞的增殖分化、抑制细胞凋亡等。[3]1.1IGF-IR的结构IGF-IR是一种跨膜蛋白，属于酪氨酸激酶受体家族。其基因定位于15q25-26，其前体为一条单链多肽，经剪切加工去除30个氨基酸的信号肽序列后，肽链被糖基化，并断裂成一条具有706氨基酸的胞外α亚单位和626个氨基酸构成的穿膜β亚单位。α和β亚单位通过二硫键形成一个αβ半受体，它与另一个αβ半受体构成一个完整受体(α2β2)[4]。-2-1.2IGF-IR的功能1.2.1α亚单位位于IGF-IR胞外的部分，是配体(IGF-I和IGF-II)的结合区域，决定配体结合的特异性，富含半胱氨酸(Cys)区是IGF-I的结合位点。1.2.2β亚单位跨膜结构，位于胞内部分含有酪氨酸(Tyr)激酶催化亚单位，能交叉催化相应β亚单位上的磷酸化位点而磷酸化。β亚单位的不同区域可以介导IGF-IR不同的生物学活性，其中K1003位的ATP结合位点和酪氨酸激酶活性区域Y1131，Y1135及Y1136对于IGF-IR发挥相应的生物学效应尤为重要，这些位点的突变可以使IGF-IR完全丧失其功能[5]。1.3IGF-IR的生物学特性1.3.1IGF-IR与细胞增殖、分化IGF-I是一个重要的细胞增殖因子，在细胞周期中，一旦细胞进入G1期，在其他生长因子缺乏的情况下，IGF-I可促使细胞增殖周期完成[6]。而IGF-I的活性主要是由IGF-IR介导的，也就是说，IGF-IR在很大程度上决定了细胞增殖状况。Mulligan等[7]用微阵列技术分析IGF-IR可上调有丝分裂素-肝素结合性内皮生长样生长因子(heparin-bindingepidermalgrowthfactor-likegrowthfactor,HB-EGF)而促进有丝分裂。IGF-IR作为细胞生存和增殖因子，在正常个体发育的各个阶段，包括卵母细胞阶段及各个器官的发育中起了关键作用[8]。1.3.2IGF-IR与细胞凋亡IGF-I在体外培养的细胞中及体内均有阻止细胞凋亡的作用[9]，而且细胞表面表达IGF-IR的数量越高，细胞生存率越高[10]。Resnicoff等[9]认为，体内细胞凋亡程度与IGF-IR数量减少有关，在裸鼠中肿瘤的发生严格依赖于细胞逃逸凋亡的数量。IGF-IR数量减少可诱导凋亡。2IGF-IR信号转导通路当IGF-IR与IGF-I结合后，其酪氨酸(Tyr)和丝氨酸(Ser)残基发生自身磷酸化反应，IGF-IR的活化可以激活IRS-1(胰岛素受体底物-1)，IRS-2，SHC及PI3K(phosphoinositide3-kinase)等多种底物，这些底物的活化启动了不同的细胞信号转导通路，分别介导有丝分裂、细胞的增殖分化和-3-抑制细胞凋亡等生物学功能。目前公认的主要有两条细胞信号转导通路，分别为RAS/RAF/MEK/ERK信号转导通路和PI3K/AKT信号转导通路。研究表明IGF-I介导的促有丝分裂作用和细胞增殖、分化主要通过RAS/RAF/MEK/ERK通路完成，而其抗细胞凋亡作用主要经由PI3K/AKT通路实现[11,12]。另外，14-3-3蛋白介导的RAF-1和线粒体通路在细胞凋亡、生长、增殖中也发挥着一定的作用。2.1RAS/RAF/MEK/ERK信号转导通路RAS/RAF/MEK/ERK信号转导通路是由一个小GTP结合蛋白连接活化的受体酪氨酸激酶和胞浆蛋白激酶级联反应。其活化的中心是使RAS进行鸟苷酸交换变成其活化形式RAS-GTP。该反应通过鸟苷酸交换因子SOS与回到酪氨酸磷酸化受体上的结合蛋白组成复合物形成SHC-Grb2-SOS复合物而进行[13]。RAS/RAF/MEK/ERK是三条MAPKs（mitogen-activatedproteinkinases,丝裂原活化蛋白激酶）信号转导通路之一。MAPK家族成员众多，命名也很复杂。MAPKKK(MAPKkinasekinase)，是一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，RAF（丝裂原活化的丝氨酸/苏氨酸激酶）为其中重要的一员，其作用是磷酸化并激活下游底物MAPKK(MAPKkinase)。MAPKK，具有磷酸化苏氨酸/酪氨酸残基的双特异功能，MEK(MAPK/Erkkinase)即为其中重要的一员，其作用是磷酸化并激活下游底物MAPK3。MAPK是一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，Erk(Extracellularsignalregulatedkinase)即为其中重要的一员。与MAPKKK和MAPKK不同，MAPK的作用是磷酸化并激活多种下游底物，因此可以引发多种细胞反应。[1,13,14]IGF-I与IGF-IR结合后，可使IGF-IR形成二聚体，二聚化的IGF-IR使其自身酪氨酸激酶被激活。IGF-IR上磷酸化的酪氨酸又与位于胞膜上的生长因子受体结合蛋白-2(Grb2)的SH2结构域相结合，而Grb2的SH3结构域则同时与鸟苷酸交换因子SOS(SonofSevenless)结合形成SHC-Grb2-SOS复合物，从而导致小分子鸟苷酸结合蛋白RAS的GDP解离而结合GTP，从而激活RAS。激活的RAS进一步与丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶RAF-1的氨基端结合，从而激活RAF-1。RAF-1可磷酸化MEK1/MEK2(MAPkinase/ERKkinase)上的二个调节性丝氨酸，从而激活MEK。MEK为双特异性激酶，可以使丝氨酸/苏氨酸和酪氨酸发生磷酸化，最终高度选择性地激活ERK1和ERK2(即p44MAPK和p42MAPK)。ERK为脯氨酸导向的丝氨酸/苏氨酸激酶，可以磷酸化与脯氨酸相邻的丝氨酸/苏氨酸。在丝裂原刺激后，ERK接受上游的级联反应信号，可以转位进入细胞核。因此，ERK不仅可以磷酸化胞浆蛋白，而且可以磷酸化一些核内的转录因子如c-FOS、CREB、ELK-1-4-等，从而参与细胞增殖与分化的调控。[13,14,15]2.2PI3K/AKT信号转导通路PI3K/AKT(phosphoinositide3-kinase/serinethreoninekinase,磷脂酰肌醇3激酶/丝氨酸/苏氨酸激酶)是IGF-IR另外一条重要的信号转导通路，是抗细胞凋亡作用最强的通路[16]。PI3K是1988年WhitmanM等发现的一种与细胞内信号转导有关的脂类第二信使。由一个85kD的调节亚基和一个110kD催化亚基组成的二聚体。p85亚基通过其SH2介导p110和活化的蛋白酪氨酸激酶受体及IRS-1肽链通过磷酸化连接。AKT，又称蛋白激酶B(proteinkinaseB,PKB)，是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，约由480个氨基酸组成，包括氨基端的PH结构域（pleckstrinhomologydomain）、中间的激酶区和羧基端的尾部三部分组成。AKT被认为是PI3K信号下游的一个效应分子，IGF-I对AKT的激活有赖于PI3K的活化。[1]IGF-I和IGF-IR结合后，其酪氨酸激酶使自身酪氨酸发生磷酸化，激活下游的停泊蛋白IRS-1，被激活的IRS-1通过改变PI3K的催化亚单位p110和调节亚单位p85两者的比例来活化PI3K[17]。另外，IGF-IR上的酪氨酸激酶也可直接活化PI3K。活化的PI3K就可以来启动AKT/PKB通路。PI3K调节AKT活化可分为三步：首先，活化的PI3K催化细胞膜上磷脂酰基醇4,5-二磷酸（PIP2）肌醇环上D-3位磷酸化，生成第二信使磷脂酰肌醇3,4,5-三磷酸（phosphatidylinositol-3,4,5-triphosphate，PIP3）；其次，PIP3通过与AKT的PH结构域结合，使之从胞质转位至细胞膜，引起AKT构象的改变。同时，胞质中PIP3依赖的蛋白激酶（phosphoinositide-dependentkinase，PDK）也借助自身的PH结构域与PIP3结合，导致已发生构象改变的AKT与PDK相互接近；最后，在PDK1的直接或间接催化下，AKT激酶活性区中的T308发生磷酸化，再在PDK2或整合素连接的激酶（integrin-linkedkinase，ILK）作用下，羧基端尾区的S473也发生磷酸化后，AKT成为有活性的激酶[18]。由于AKT/PKB通路的启动，从而发生各种生物学作用。2.314-3-3蛋白介导的RAF-1和线粒体信号转导通路14-3-3蛋白是丝氨酸/苏氨酸结合蛋白家族的总称，是真核细胞中高度保守的可溶性蛋白。在哺乳动物，14-3-3蛋白主要存在于脑。14-3-3蛋白与许多蛋白结合，在细胞凋亡、生长、增殖的信号转导过程中发挥关键的调节作用，是细胞内重要的保护性蛋白。[19]14-3-3蛋白与磷酸化的IGF-IR结合，传递有丝分裂原信号，使RAF-1处于活化前的状态，在这种信号的作用下，RAS-GTP与RAS结合区结合，将RAF-1募集到细胞膜上，变化的IGF-IR将14-3-3蛋白移出，去除14-3-3蛋白的抑制作用，效应是部分激活RAF-1。在整个活化过程中，14-3-3-5-蛋白与RAF-1的621位磷酸化的丝氨酸结合，产生RAF-1活化的构象。[20]活化的RAF-1一部分转入RAS/RAF/MEK/ERk信号转导通路；一部分作用于线粒体的RAF激酶，从而来抑制细胞凋亡。[21]3结语关于IGF-IR的研究还存在着广阔的空间，IGF-I受体后信号转导机制尚未完全阐明。目前，研究主要集中在IGF-IR与肿瘤的发生发展和抑制细胞凋亡的作用机理上。进一步的研究将可以为肿瘤发病原因提供新认识，为肿瘤预防和治疗提供新方法。同时，IGF-IR参与肿瘤细胞凋亡调控，是癌基因及抑癌基因发挥生物活性的关键环节。IGF-I受体后信号转导机制的完全阐明将成为肿瘤预防及治疗以及延长寿命的一个新途径。参考文献：[1]MohanS,BaylinkDJ.IGF-bindingproteinsaremultifunctionalandactviaIGF-dependentand-independentmechanisms.JEndocrinol,2002,175(1):19–31.[2]Rinderknecht,HumbelRE.Theaminoacidsequenceofhumaninsulin-likegrowthfactorIanditsstructuralhomologywithproinsulin.JBioChem,1978,253:2769-2776.[3]GennigensC,Menetrier-CauxC,