生长激素作用机理的研究进展

1、第29卷第1期黄牛杂志V o1129N o11 2003年1月Jou rnal of Yellow Cattle Science Jan.2003文章编号:100129111(20030120050204生长激素作用机理的研究进展高雪1,许尚忠2,张英汉1(1.西北农林科技大学动物科技学院,陕西杨凌712100;2.中国农科院畜牧研究所,北京100094摘要:生长激素与它的受体相互作用导致受体二聚化,并产生大量的信息分子。这些信息分子包括Jak2,M A P激酶,Stat蛋白,I R S磷脂酶C,蛋白激酶C,Ca2+离子通道。生长激素有四条通道:Jak2, Stat蛋白通道;M A P激酶通道

2、;Jak2,I R S,P I3K通道;Jak2,PL C,DA G,PKC通道。生长激素正是通过这四条通道发挥生物学作用。关键词:生长激素;作用机理;生长激素受体中图分类号:S852.2文献标识码:A与其它肽类激素相似,生长激素是通过与它的受体结合而发挥作用。然而,一个生长激素分子与两个受体分子结合会导致受体二聚化。这种二聚化现象将有助于理解GH是如何发挥作用的,并可进一步了解GH各种各样的生物学作用。在近几年,人们已经对GH作用的全部过程有了更进一步的了解,本文针对这些研究进展综述。1生长激素(GH生长激素又称促生长激素,是由脑垂体特异性细胞分泌的蛋白激素,它是通过血液运输到靶组织的。许多

3、物种的生长激素已被测序,它是由191个氨基酸组成,分子量为22kD a,有两个二硫键,一个连接53与164处胱氨酸残基,另一个连接181与189处胱氨酸残基,这两个二硫键使得分子形成两个环。人们现已知道生长激素的晶体结构(见图1。从图中可以看到,每个GH有两个GHR结合位点1和2,它们在空间上是彼此分开的。结合位点1在分子的右边,组成了A、B的表面和AB2L oop;结合位点2在左边,组成了A和C表面。牛生长激素至少有三个结构表位1。印度牛、水牛、山羊的GH序列是相同的2。牛的GH氨基酸与绵羊的GH氨基酸仅在一个位置上有差异,因此这就可以解释牛的GH 为什么能在羊体内发挥生物学作用。然而,其它

4、物种的GH在一定程度上互不相同。牛的GH序列和猪的GH序列有90%的同源性。 牛、猪的GH序列和人的GH序列仅有65%的同源性3。这可以解释牛、猪的GH为什么不能在人上发挥作用。图1生长激素的结构2生长激素受体(GHR生长激素受体(GHR是一种跨膜糖蛋白,是细胞因子 造血因子受体超家族的成员之一,大约有620个氨基酸,不同的物种氨基酸的确切数目稍微有所不同。多数动物的GHR分子量在100130 kD a之间。GHR大量存在肝脏和脂肪细胞中,但也有报道淋巴细胞、成纤维细胞、巨噬细胞、软骨细胞、2胰岛素细胞和造骨细胞中也存在GH受体。GHR 包括三个结构域:质膜外侧N2端246个氨基酸的结构域;中

5、间为25个氨基酸的跨膜结构域;质膜内侧C2端350个氨基酸的结构域,质膜内侧C2端肽段具有大量的酪氨酸残基。与其它的细胞因子一样, GHR胞质外结构域包括7个半胱氨酸和5个糖基化位点;胞质内结构域有两个m o tif:一个是膜近端,富含脯氨酸的Box1;另一个是胞质m o tif为Box2,收稿日期:2002212210作者简介:高雪(1976-,女,西北农林科技大学动物科技学院博士研究生,研究方向为动物分子遗传育种.它以亲水氨基酸开始,中间为带负电荷的氨基酸,以一两个带正电荷的氨基酸残基结束4。GHR的这些区域在信号传导中起着重要的作用。所有的受体超家族成员都存在Box1,它是由8个2X2X

6、2X2A l2P2 X2P氨基酸组成,其中、A l、X和P分别代表疏水基,脂肪类残基,其它氨基酸和脯氨酸。Box1、Box2的突变或缺失将导致错误的配体调节细胞生长。GHR属于I类细胞因子受体,也称血细胞因子受体家族5。I类受体主要的元件包括:纤连蛋白型组件、N2端四个保守的半胱氨酸、一个细胞因子同源区(CHR。细胞因子同源区包括受体的配体连接决定子、质膜外C2端保守的T ry2Ser2X2T ry2Ser (W SXW S基元。M ou tou ssam y等研究发现GHR 并不存在这种W S基元,它被氨基酸T ry2Gly2Glu2 Phe2Ser所替代,在受体配体结合中起关键作用。许多物

7、种的GHR s已经被测序,它们的序列并不相同。人类、兔、绵羊、牛、大鼠、小鼠和鸡的序列同源性列于表1。牛和绵羊GHR序列有97%的同源性,仅有3%不同。鸡的GHR序列与大鼠、小鼠有56%的同源性。牛的GHR与人类有24%的非同源性,而牛的GH与人类有35%的非同源性。这表明牛的GH对人不起作用。到目前为止,水牛的GH受体的序列仍不知道。生长激素受体可分成三个结构域:细胞外结构域、跨膜区和胞质内结构域。对牛和其它动物GHR 序列的分析表明:牛GHR和大鼠GHR不同主要在细胞外结构域。牛和小鼠的GHR也存在相同情况。3GHR二聚体一分子GH与两分子GHR相结合导致受体二聚化,是GH发挥生物学功能关

8、键的一步。生长激素的两个结合位点1和2,都能与GHR的相同区域结合。序列的复杂性在于GH受体(GHR总是先与GH位点1结合,然后第二个GHR再与位点2结合。受体分子内部就是靠这样的相互作用来维持二聚体的复杂性5。当加入表达GHR的细胞,突变的GH不能使GHR二聚化,导致GH失去生物学功能,这表明GHR二聚化是GH发挥作用必需的,另外抑制与位点2结合的GH突变体可以形成1 1的复合物6。在生理激素浓度下(0.11nm,GH与GHR以1 2相结合。在超生理激素浓度下(> 1um,激素饱和了所有的受体分子形成1 1的复合物,阻止了受体二聚化和信息传递7。GHR二聚化引起信息分子或信息通道激活,

9、GH的各种生物学功能也正是通过这些信息分子发挥作用的(图2。表1不同动物GHR的同源性人类兔绵羊牛大鼠小鼠鸡人类兔84绵羊8177牛768297大鼠70767171小鼠6974717185鸡596058575656生长激素受体二聚化Jak2激活M A P,STA T,I R S的激活信息分子或通道启动生长激素的生物功能图2生长激素作用的纵观图4信息分子或信息通道近年来,许多信息分子已经在不同的通道中被检测到。但这些信息通道也没有被完全弄清楚。4.1Jak2酪氨酸激酶Jak激酶是与细胞信号传递紧密相连的可溶性酪氨酸激酶家族,由Jak1、Jak2、Jak3和T yk4组成Jak家族,它们的分子量范

10、围为125-135kD a。Jak 蛋白包括两个酪氨酸激酶的结构域,因此以古代罗马的两面神“Janu s”命名。这些激酶以两个结构域存在与否,SH2、SH3的缺乏与否以及跨膜结构域来区分定义。受体二聚化后,Jak2激酶被活化,同时Jak 蛋白被磷酸化。Jak2是第一个被鉴定出由GH与GHR受体后激活的信息分子8,它是分子量为130kD a的酪氨酸激酶。酪氨酸侧链自动磷酸化可以激活Jak2,活化的Jak2逐渐磷酸化胞质域的GHR酪氨酸残基。活化的Jak2与GHR结合是胞质中第一次信息传递。它可以激活其它信息分子。15第1期高雪等:生长激素作用机理的研究进展4.2M AP激酶通道一旦GH与GHR相

11、结合,它将激活与GHR相连的酪氨酸激酶Jak2,同时GHR和Jak2的酪氨酸被磷酸化。各种信息通道一旦被GH激活,将引起依赖GH的基因表达,新陈代谢,细胞分化和生长发生变化。促分裂原活化蛋白(M A P,M A PK、ER K都是这样一类被GH激活的信息分子。M A P激酶是一组在细胞生长、分化中起关键作用的色氨酸、苏氨酸、酪氨酸激酶。ER K1和ER K2是首先被检测出的两个依赖于GH的酪氨酸磷酸化蛋白。M A P激酶活化需要GHR脯氨酸丰富的Box1,同样Jak2的激活也需要Box1。SHC2Grb22So s2R as2R af2M EK2ER K通道是M A P激酶活化的潜在信息通道。

12、SHC蛋白包括一个SH2和类胶原质结构域。SHC与磷酸化酪氨酸结合激活受体酪氨酸激酶后,紧接着SHC的酪氨酰磷酸化为生长因子受体结合蛋白2(Grb2的结构域提供结合位点9。Grb2的SHC3结构域与So s结合后,激活GT P结合蛋白(Ro s。Ro s反过来又激活色氨酸 苏氨酸 酪氨酸激酶(M EK,然后M EK磷酸化,并激活M A P激酶。GH可以促使SHC蛋白在3T32F442A成纤维细胞迅速酪氨酰磷酸化,并与生长因子受体结合蛋白2结合形成Grb22So s复合物,Grb22So s复合物又激活R as,最后打开R af2M EK2ER K通道。M A P 激酶底物包括其它蛋白激酶(例如

13、c2R af1,S6激酶,磷脂酶A2和转录蛋白。在3T32F442A成纤维细胞中,GH还可以直接激活S6激酶、P90rsk。4.3IRS-1,IRS-2和磷脂酰肌醇3-激酶GH对脂肪细胞作用包括促进葡萄糖转运,加速葡萄糖向糖元转化,脂肪合成,CO2生成,亮氨酸、丙氨酸的氧化。GH的这些功能与类胰岛素相似,这表明GH可能与胰岛素共同的一些信息分子,例如胰岛素受体I R S21&2和IP32激酶的底物。在小鼠脂肪细胞、3T32F442A成纤维细胞或CHO细胞的培养中,GH可以促进I R S21磷酸化。胰岛素受体I R S21&2的酪氨酸磷酸化的区域与Jak2相同,I R S21&a

14、mp;2磷酸化的酪氨酸残基反过来为SH2包裹蛋白提供结合位点,即850kD a的P I23激酶的调节次级单元。P I23在胰岛素中的作用与GH的新陈代谢作用相同。在小鼠脂肪细胞中,P I23激酶抑制剂可以降低GH的脂肪合成能力。4.4磷脂酶C、蛋白激酶C、Ca2+离子通道O b1771前体脂肪细胞中,G蛋白与GHR偶联后,将信息传递给磷脂酶C,然后磷脂酶C催化磷脂酰胆碱裂解来调控DA G的生成。而在肾脏近端细管膜中,DA G的变化伴随IP3水平的增加而呈短暂上升。DA G是蛋白激酶C的促进剂。当细胞加入PKC抑制剂或咐酯类物质,GH对脂肪合成,诱导c2fo s表达以及增加Ca2+的摄入量的能力

15、下降。在刚刚分离的小鼠脂肪细胞,I M29淋巴细胞以及CHO细胞中,GH可以使胞内Ca2+离子浓度迅速增加。Ca2+离子通道激活涉及到磷脂酰肌醇二磷酸水解和PKC的激活。Ca2+离子对一些依赖于GH的基因很重要,例如丝氨酸蛋白酶抑制基因Sp i2.1。在脂肪细胞中,由于异博定作用而阻止了GH的某些生物学功能10。对CHO诱变细胞研究发现依赖GH作用而使Ca2+离子增加,仅需要GH受体C2端,而不需要Box1具有大量的脯氨酸。因此,这为Ca2+离子信号通道不依赖Jak2提供了可能。4.5Sta t蛋白信息传导和转录蛋白活化发挥着双重作用,即在细胞质中的信号传导和细胞核中转录激活,因此称为Stat

16、。Stat蛋白是细胞质因子,它们具有共同的结构:N2端50个氨基酸的保守区、SH3、高度保守的SH2结构域和一段保守的酪氨酸残基以及C2端结构域。由于GH与它的受体结合以及Jak2激活, Stat蛋白在保守的C2端被Jak2激酶磷酸化11。紧接着,纯合或杂合的Stat蛋白二聚物转运到细胞核,并与DNA结合,激活目的基因转录。在哺乳动物中,有七种Stat蛋白已经通过c D2 NA克隆检测,包括两个Stat5的同工型。Stat活化需要Jak2激酶激活,因为缺乏Jak2激酶的细胞不能激活Stat蛋白12。细胞类型、细胞分化状态不同,激活的Stat蛋白也不同,例如在3T32F442A成纤维细胞中,GH

17、激活的是Stat1、Stat3、Stat5的同工型;而在I M9细胞中,它不能激活Stat1。另外,组织、细胞系不同,Stat5同工型的活化也不同。在成纤维细胞中,GH可以激活Stat5的两种同工型;而在肝脏中,Stat5b是必需表达的同工型13。4.6不同细胞系或物种的信息分子在GH发挥生物学功能的过程中,信息分子的存在与否取决于细胞系和物种(见表2。到目前为止,所检测的细胞系、物种都能产生Jak2信息分子。I M9细胞系中的许多信息分子,小鼠的成纤维细胞系中没有。至今还不明白,是这些信息分子确实没有还是所用的检测方法不够灵敏。因为,GH展示了许多功能,很有可能一些信息分子被大量的产生而另一

18、些量少或没有。一旦弄清楚每一个功能的信息通道,就可以生产出理想的药物。25黄牛杂志第29卷表2不同细胞系或物种的不同信息分子信息分子Jak 1Jak 2SHC Grb 2STA T 1STA T 3STA T 5I R S 1I R S 2M A P Ca 2+3T 3-F 442A a +N .D H T 1080b +N .D N .D N .D N .D N .D N .D N .D N .D N .D I M -9c -+-+N .D N .D -+CHO d -+N .D N .D N .D +In vivo R atN .D+?+N .DN .D注:a 表示小鼠的成纤维细胞系;b

19、表示人的细胞系;c 表示人的淋巴细胞;d 表示仓鼠卵细胞系;N .D 表示不确定;?表示有争议;+表示存在;-表示缺少。4结论就目前来看,尽管对细胞因子间作用的研究可以帮助我们阐明生长激素的作用机理,但我们毕竟对生长激素怎样发挥各种生物学功能仍然了解很少。对生长激素作用机理的完全理解可以帮助我们解决许多问题,例如理想的生长激素药品。因此,生长激素作用机理有待于进一步研究。参考文献:1Kum ar P ,R aj put Y S .M onoclonal antibodeies against bovinegrow th ho r mone J .Ind .of Exp tl .B i o l.

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