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1、影响动物生长发育的激素和生长因子的分子生物学基础和营养调控作者： 出处： 更新时间： 2010 年 09 月 01 日 丁玉华 博士1 概述在动物神经内分泌生长轴中，生长激素和类胰岛素生长因子-（IGF-）及其相关的受体与结合蛋白构成的促生长系统是调控机体生长的中心环节。类胰岛素生长因子系统的研究是当前细胞生物学领域的热点之一，它是探讨细胞调节机制的重要途径。IGF-是反映动物生长发育状况的最重要的参数之一，蛋白质、能量、维生素等营养物质调控着 IGF-及其受体蛋白的合成、分泌与表达。类胰岛素生长因子（Insulin-like growth factors，IGFs）在调节细胞周期、细胞增殖与
2、肿瘤形成中具有重要作用，生长激素的促生长功能主要是通过 IGFs 介导而实现的。生长激素与肝细胞表面生长激素受体结合，使肝细胞分泌 IGFs，后者通过内分泌、自分泌或旁分泌途径作用于靶器官，促进组织细胞生长。由于生长激素的脉冲式释放，很难建立生长激素水平与生长特性的关系，而 IGF-水平相对稳定，可反映动物生长发育状况。有资料表明，血清 IGF-水平与猪体重和增重呈正相关（Scanes 等，1987），故血浆 IGF-水平可作为反映猪生长速度的重要参数之一。类胰岛素生长因子-及其受体蛋白的分泌与表达主要受营养、生长激素、局部细胞因子和发育阶段的调控，而营养物质如蛋白质、能量、维生素等是动物出生
3、后 IGF 合成的一个重要调节因子。研究发现，猪（Weller等，1994）、鸡（Kita 等，1996）、鼠（Straus，1994）循环 IGF-水平在禁食或长期营养不良时下降，禁食后重新采食可恢复正常水平；劣质蛋白质或必需氨基酸的缺乏也可引起循环 IGF-水平下降，表明营养调控 IGF-分泌是营养调节生长的关键控制点。禁食、能量-蛋白限制时，肝脏 IGF-mRNA 丰度下降，说明营养至少部分在 mRNA 水平调控 IGF-合成（Straus 和 Takemoto，1990ab；Vandehaar 等，1995）。哺乳动物 IGF-mRNA 长度在 0.88.0 kb 之间变动，这些转录本
4、的差异可能决定其翻译出的 IGF-蛋白质是以内分泌还是以旁分泌或自分泌方式发挥作用。禁食、能量限制时，肝脏所有不同长度的 IGF-mRNA 水平都下降，而蛋白质限制时，其最长种类 IGF-mRNA（7.58.0 kb）水平显著下降，其他种类下降不明显（Thissen 等，1992）。日粮粗蛋白质的品质和含量均能影响肝脏最长种类 IGF-mRNA 水平，肝脏最长种类 IGF-mRNA 表达受蛋白质品质影响比受蛋白质含量的影响大。尽管不同种类的 IGF-mRNA 功能尚不清楚，但 Thissen 等（1992）认为，能量-蛋白质限制的动物，肝脏 IGF-mRNA 的平均长度减小会降低其翻译效率。限
5、制必需氨基酸能诱导肝脏 IGFBP-1 基因表达（Takenaka 等，1993）。肝脏 IGFBP-1 mRNA 增加可能与其转录加快及稳定性提高有关（Takenaka 等，1993）。能量蛋白质限制导致肝脏 IGFBP-2 基因表达增加，但不影响大脑中 IGFBP-2 的基因表达，可能的解释是脑中 IGFBP-2 基因表达水平本来就很高，营养限制不能增加其表达。日粮蛋白质限制时，大鼠血浆 IGFBP-3 水平下降。营养状况良好的成年羊，血浆 IGFBP-3 水平不受外源 IGF-的影响，表明营养状况良好时 IGFBP-3 对血浆中 IGF-活性增加无抑制作用。色氨酸是机体和动物产品蛋白质的
6、必需氨基酸，大量研究表明，猪玉米大豆饼日粮中第二限制性氨基酸是色氨酸（Russell 等，1983）。Phillips 等（1991）试验发现，从肝细胞培养基中除去色氨酸，IGF-mRNA水平及 IGF-分泌量均降低；Brameld 等（1999）得到了相同的结论。Huang 和 Phillips（1996）在鼠IGF-基因上发现了一个氨基酸反应元件，该元件的表达对色氨酸特别敏感，这一敏感性是否有种属特异性还不清楚。综合以上资料可见，类胰岛素生长因子系统是营养调控动物生长的中心环节，IGF-介导了生长激素的促生长作用。在体外，色氨酸影响了 IGF-的表达与分泌，但在体内色氨酸对 IGF-基因转
7、录水平的调节尚未见报道。所以，以下几个问题有待进一步研究：1、色氨酸的抑制或促进生长的作用是否通过调节生长轴中主要的生长因子 IGF-而实现的；2、如果色氨酸影响了 IGF-的合成与分泌，这种影响是直接的，还是通过调节采食量而间接起作用；3、色氨酸调控畜禽生长的分子机制。本研究旨在了解细胞内色氨酸的代谢调控方式，探索其促进或抑制动物生长发育的分子机制，为猪色氨酸需要量的准确供给与动物生产潜力的最大发挥提供理论依据。2 国内外研究现状动物生长是个复杂的过程，受遗传因子、神经内分泌水平和营养因子等多种因素的调控。营养虽然不能改变畜禽的遗传性状，但它可以通过调控一些基因特别是数量性状基因的表达而影响
8、遗传性状出现的时间框架。由下丘脑、垂体及靶组织分泌的激素、生长因子及其受体和结合蛋白构成的与动物个体发育密切相关的生长轴，在调节动物生长发育中起着关键的作用。特别地，由促生长激素释放激素和类胰岛素生长因子-及其相关的受体与结合蛋白构成的系统是调控动物生长的中心环节。生长激素（GH）是脊椎动物出生后生长的主要调节因子。它在垂体中合成，脉冲式分泌至血液。其合成与分泌受生长激素释放激素（GHRH）的正调节，生长抑素（SS）负调节，也受血液中葡萄糖、神经递质、IGF-和性腺中的类固醇等物质的影响。对人（Soliman 等，1986）、羊（Hodgkinson 等，1987）和狗（Vance 等，199
9、2）等动物，营养不良会引起血浆 GH 浓度的升高而不是降低，对人禁食方面的研究尤为详细。试验发现，GH 脉冲频率和振幅的升高使得其浓度随之升高（Vance 等，1992）。可见，尽管血浆中 GH 增高，但营养缺乏时动物生长仍受到了抑制，这说明各组织生长速度缓慢不是 GH 作用的结果。自 Furlanetto 等（1977）首次报道了 GH 缺乏会引起 IGF-浓度降低以来，人们进行了大量的工作研究以 IGF-为中心的类胰岛素生长因子系统。特别是近 20 年来，随着分子生物技术的发展与应用，对类胰岛素生长因子系统的研究取得了很大的进步，并逐渐成为焦点和热点。研究表明，IGFs（IGF-和 IGF
10、-）是组织生长发育的重要调节因子。2.1 类胰岛素生长因子及其受体和结合蛋白的生物学基础与功能类胰岛素生长因子系统主要由两个多肽类生长因子（IGF-和）、两类受体（类胰岛素生长因子和型受体）及 7 种结合蛋白（类胰岛素生长因子结合蛋白 17）组成。该系统中各成员间错综复杂的关系反映了 IGF-在生命活动中具有重要的调节作用。此外，类胰岛素生长因子系统的生物学效应与 GH 及其受体（GHR）密切相关，故把 GH 与 GHR 也归入这一系统中。类胰岛素生长因子是单链多肽类生长因子，因氨基酸序列与胰岛素原高度同源而得名，包括 IGF-和 IGF-（Daughaday 和 Rotwein，1989；C
11、ohick 和Clemmons，1993）。IGF-和 IGF-不仅在结构上很相似，在生物学作用及其与受体结合等方面也有交叉，但对 IGF-的研究更为系统和深入。2.1.1 类胰岛素生长因子-和2.1.1.1 类胰岛素生长因子-的生物学基础类胰岛素生长因子-最初由 Rinderknecht 和 Humbel 于 1976 年从人血清中的 Cohn 组分中分离得到，原名生长介素 C（Somotomedin C，SMC）。IGF-在动物进化过程中具有高度的保守性，人、牛和猪的 IGF-结构完全相同，与羊、鸡也只有几个氨基酸不同。近几年来，科学家们开展了大量的工作，克隆鉴定了 IGF-的基因序列。大
12、鼠 IGF-基因 DNA 长度约 80 kb，由 6 个外显子组成（Daughaday 和Rotwein，1989；Hall 等，1992）。外显子 1 和 2 编码 IGF-的可变 5-非翻译区和 NH2-末端序列，其基因的转录起始于外显子 1 和 2 上游两个不同的启动子元件（Hall 等，1992）。猪 IGF-含 70 个氨基酸残基，相对分子质量 7649 Da，等电点为 8.5，不含组氨酸和色氨酸（Harrell 等，1999）。IGF-编码基因位于12 号染色体短臂（Hunt 和 Eardley，1986；Gjerset 等，1990；Binz 等，1990），已发现至少有 6 个
13、外显子和 5 个内含子，全长约 80 kb（Samaras 等，1996）。Samaras 等（1996）还发现，猪 IGF-基因在 1 kb和 7.5 kb 处还存在一些次要转录子，在外显子上游没有 CAATT 或 TATA 序列。由于其 3端不同外显子的转录拼接而形成型和型两种 mRNA 转录形式。在 IGF-基因 5端有两个分开的启动子，其意义尚不明确。奚刚等（2000）采用 RT-PCR 方法得到了杜大长猪 IGF-基因编码区全长的 cDNA 克隆，经序列分析表明，该基因含 360 个核苷酸，编码由 118 个氨基酸组成的多肽。类胰岛素生长因子-和均由 3 个二硫键交叉连接而成，分为
14、A、B、C 和 D 四个区，IGF-的 A、B 区中70%的氨基酸序列与 IGF-相同，50%与胰岛素相同。IGF-主要在肝脏中合成，分泌进入血液循环。其它一些组织如长骨也可产生部分 IGF-。有人认为，GH 刺激的 IGF-的旁分泌或自分泌过程是 GH 控制组织生长的主要支路（Daughaday 和 Rotwein，1989；Cohick 和 Clemmons，1993）。出生前，胎儿组织中 IGF-的分泌量低，此时 IGF-的合成不受 GH 影响。出生后，IGF-水平迅速增加，并受 GH 调控，靶组织中生长激素受体基因的表达也随之升高。2.1.1.2 类胰岛素生长因子-的生物学基础类胰岛素
15、生长因子-又名生长介素 A，即 Somotomedin A （SMA）。人 IGF-含 67 个氨基酸残基，相对分子质量 7470 Da，具有酸性等电点 (PI GH IGF- IGF-，表明 IGF-与 GH 在长期促生长效应上具有协同作用。Scanes 等（1987）认为，动物早期血浆IGF-水平可以作为预测其后期生产潜力的指标之一。大多数的研究都认为 IGF-是 GH 促生长的介质，但僵猪的补偿性生长却不是由 IGF-介导的。类胰岛素生长因子与免疫细胞 IGFs 在 T 细胞活化早期可加快 T 细胞的增殖速度。在糖尿病大鼠中，IGF-能使萎缩的胸腺细胞复荣（Binz 等，1990）。但也
16、有个别报道认为，在体外培养中，生理浓度的 IGF-能抑制 IL-2 诱导的 T 淋巴细胞的增殖，这种抑制效应在培养 2428 h 后即出现，增加 IL-2 的剂量也不能克服和逆转这一效应。另外，过度表达 IGF-的转基因小鼠，胸腺重量显著增加（Van Buul-Offers 等，1995）。对细胞分化的影响 IGFs 是一种广谱性促细胞分裂素，能促进鸟氨酸脱氢酶的活性及细胞内 DNA、RNA 和蛋白质的生物合成，最终引起细胞的增殖与分化。IGFs 对中胚层来源的细胞具有特定的促分裂作用。以 IGF-为介质的培养基中，细胞数可显著增加；但只有细胞在融合生长期以后，IGF-才有作用，其机制并不清楚。此外，IGFs 可调控交感神经细胞的有丝分裂周期，刺激轴突生长和神经递质合成，促进少突胶质细胞分化等。IGFs 与结肠肿瘤、肝癌、乳腺癌及肺癌等疾病的发生也有关系
