Инсулиноподобные факторы роста (ИФР) представляют собой группу многофункциональных регуляторов клеточной пролиферации. Они играют важную роль в дифференциации и пролиферации клеток, а также в росте и развитии человека. Здесь представлен обзор ИФР и их связи с ростом и развитием. История ИФР В 1957 году Сэлмон и Дохадей в ходе исследования гормона роста (ГР) впервые обнаружили, что сыворотка крыс, получавших ГР из гипофиза, может стимулировать инфильтрацию S в хрящ, культивируемый in vitro, но прямое добавление ГР в культуральную среду не давало никакого эффекта, поэтому они пришли к выводу, что сам ГР не может стимулировать рост хряща напрямую, а скорее через «фактор сульфатации». Считается, что сам ГР не стимулирует рост хряща напрямую, а действует через «фактор сульфатации», который стал известен как регулятор роста. В 1963 году Фрош и др. обнаружили, что лишь небольшая часть инсулиноподобного действия сыворотки на мышечные и жировые клетки ингибируется антисывороткой к инсулину, оставляя не подавляемую инсулиноподобную активность, растворимую в подкисленном этаноле, и названную NSILAS (non-suppressible insulin-like activity). В 1972 году Пьерон и Темин очистили из бычьей сыворотки фактор, стимулирующий деление клеток, и назвали его «активность, стимулирующая пролиферацию». После завершения этих трех экспериментов было обнаружено, что три вышеперечисленных вещества обладают неудержимой инсулиноподобной активностью и стимулирующим рост эффектом. С развитием технологии молекулярной биологии в 1978 году были очищены две формы NSILA (I и II), их структура оказалась сходной с инсулиногеном, и они были названы инсулиноподобными факторами роста I и II (IGF I и II) соответственно, чтобы подчеркнуть их гомологию со структурой инсулина. Также было подтверждено, что «фактор сульфатации» и «пролиферация-стимулирующая активность» являются членами того же белково-полипептидного семейства, что и ИФР. Семейство IGFs состоит из двух низкомолекулярных полипептидов (IGF-Ⅰ и IGF-Ⅱ), двух специфических рецепторов и шести связывающих белков. IGF-II — это одноцепочечный слабокислый белок из 67 аминокислот с молекулярной массой 7471 Da, стабильный в 0,1% SDS. Они более чем на 70% гомологичны и примерно на 50% сходны по структуре и функции с человеческим инсулиногеном. Биологическая функция ИФР достигается путем связывания с рецепторами, специфичными для поверхности клеток-мишеней. Идентифицированы два рецептора IGF с совершенно разной структурой: рецептор IGF-I и рецептор IGF-II (т.е. рецептор маннозы-6-фосфата), также известные как рецепторы типа I и типа II, соответственно. Первый структурно похож на рецептор инсулина (Ir) и состоит из двух субъединиц, α и β, образующих тетрамерный гликопротеин α2β2. Субъединица α является сайтом связывания лиганда, а субъединица β обладает внутренней тирозинкиназной активностью без тирозиназной активности. ИФР и инсулин (Insulin, Ins) имеют следующий порядок сродства к рецепторам ИФР: для Ir: Ins>IGF-Ⅰ>IGF-Ⅱ; для рецепторов IGF-Ⅰ: IGF-Ⅰ>IGF-Ⅱ>Ins; для рецепторов IGF-Ⅱ: IGF-Ⅱ>IGF-Ⅰ, тогда как Ins не имеет перекрестной реактивности с ними. В отличие от других факторов роста, ИФР связываются со специфическими связывающими белками (BPs) в сыворотке, внеклеточной жидкости и клеточных культурах в виде неактивных комплексов. На сегодняшний день идентифицировано шесть IGFBPs, 1, 2, 3, 4, 5 и 6, и их характерные структуры образуют семейство родственных секреторных белков, все из которых являются низкомолекулярными пептидами и на 50% структурно схожи. Они обладают высоким сродством к обоим ИФР и не связывают инсулин. IGFBP3 является наиболее распространенным в крови и тканевых жидкостях, и более 80% циркулирующего IGF связывается с IGFBP3, образуя тримерный комплекс 150 кДа (субъединица нестабильной кислоты, связывающая субъединица и пептид IGF). IGFBP обладает способностью продлевать период полураспада IGF на циркулирующих уровнях и стабилизировать сывороточные концентрации IGF. В нормальных условиях сродство ИФР к его связывающему белку больше или приблизительно равно сродству к его рецептору, а низкая экспрессия высокоаффинного рецептора приводит к равновесию между небольшим количеством свободного ИФР и большим количеством комплексов ИФР/ИГФБП. В настоящее время считается, что в активации ИФР участвуют по меньшей мере три механизма: (1) параллельное перемещение. В особых условиях, например, во время роста и развития или при повреждении организма, высокоаффинные рецепторы экспрессируются в большом количестве, конкурируя за ИФР и отделяя его от связывающего белка; (2) химическая модификация ИФР или ИГФБП, например, фосфорилирование, что снижает аффинность обоих и диссоциирует комплекс; и (3) гидролиз связывающего белка ферментами, специфичными для водного ИГФБП, высвобождая свободный ИФР. ИФР и рост и развитие ИФР -I и IGF-II имеют сходные структуры и активность in vitro, но их биологические эффекты in vivo не идентичны. Биологические функции IGF не ограничиваются стимуляцией митоза, они также индуцируют дифференцировку или способствуют экспрессии функций дифференцировки. Их точные биологические эффекты зависят от состояния развития клеток и присутствия других гормонов или факторов роста. В частности, эффекты и уровни IGF-Ⅰ и IGF-Ⅱ значительно варьируются в зависимости от ткани и фазы роста. ИФР-Ⅰ зависит от ГР и может способствовать пролиферации многих типов клеток in vitro и стимулировать синтез белка и ДНК. Многие клетки тканей в организме способны к аутокринной и паракринной секреции ИФР-Ⅰ. В отличие от этого, ИФР-II известен как основной пренатальный фактор роста и экспрессируется в широком спектре тканей и органов без необходимости регуляции гормоном роста. Было показано, что во время раннего периода беременности инвазия клеток трофобласта в эндометрий строго контролируется микроокружением; прогестероновая регуляция эндометрия, ранней и ранней метафазы и развития хориальных ворсин, а также содействие имплантации эмбриона опосредуются ИФР, которые действуют путем увеличения адгезии внеклеточного матрикса, стимулируют инвазию и миграцию клеток трофобласта и способствуют ранней имплантации эмбриона. Кроме того, эксперименты Книсса in vitro показали, что ИФР способствуют транспорту глюкозы и аминокислот в меконий и хорион на ранних сроках беременности дозозависимым образом, что позволяет предположить, что до установления фетального цикла эмбрион получает питательные вещества в основном из окружающей среды, возможно, под действием ИФР. Кроме того, многочисленные исследования показали, что уровень мРНК IGF-II значительно выше, чем мРНК IGF-Ⅰ во время эмбрионального развития, и экспрессируется на более высоком уровне во всех тканях эмбриона, с тенденцией к снижению по мере увеличения степени дифференцировки. Напротив, экспрессия мРНК IGF-I зависит от различных факторов, и после рождения в печени, сердце и почках она увеличивается в большей степени, чем до рождения; в то время как в мышцах, желудке и яичках она значительно снижается после рождения по сравнению с до рождения; только в мозге и легких IGF-ⅠмРНК демонстрирует волнообразные изменения. Исследования в клинике показывают, что концентрация IGF-Ⅰ в материнской крови постепенно увеличивается во время беременности; IGF-Ⅰ у плода можно обнаружить примерно на 15 неделе беременности. Уровни IGF-Ⅰ и IGFBP1 в пупочной артерии и пупочной вене были одинаковыми, без существенной разницы между ними, что говорит о том, что IGF-Ⅰ выделяется независимо у матери и плода, и что IGF-Ⅰ может не проходить через плаценту. Некоторые ученые исследовали концентрацию IGF-Ⅰ в пуповинной крови, и результаты показали, что IGF-Ⅰ в пуповинной крови плодов с внутриутробной задержкой роста примерно на 40% ниже, чем у плодов соответствующего гестационного возраста, а IGF-Ⅰ у плодов старше гестационного возраста на 8%-10% выше, чем у плодов соответствующего гестационного возраста. IGFBP1 значительно выше у недоношенных детей и детей младше гестационного возраста и отрицательно коррелирует с весом при рождении. Также сообщалось, что уровень IGF-Ⅰ в сыворотке крови положительно коррелирует с весом и длиной новорожденных при рождении, тогда как IGF-Ⅱ, основной фактор роста до рождения, не имеет значительной корреляции с длиной и весом новорожденных, а после рождения быстро снижается. Результаты показали положительную корреляцию с гестационным возрастом. В заключение следует отметить, что механизм воздействия ИФР на плод изучен недостаточно хорошо, однако их роль в росте и развитии плода общепризнанна. Генетические исследования также подтверждают эту точку зрения. У мутантных крыс, кодирующих гены IGF-Ⅰ и IGF-Ⅱ, наблюдалось торможение роста с 10,5 дня гестации, а новорожденные мутантные крысы рождались с весом лишь 30% от нормального веса дикого вида. Также сообщалось, что мыши с дефицитом IGF-Ⅰ и IGF-Ⅱ или животные с дефицитом IGF-ⅡR и IGF-ⅠR не только демонстрируют более тяжелую карликовость, имея лишь 45% от массы тела мышей дикого типа, но у этих мышей также заметно ухудшается регенерация мышц, снижается количество фибробластов в скелетных мышцах и сильно ухудшается регенерация кожи. Они часто умирают при рождении от дыхательной недостаточности. В заключение следует отметить, что экспрессия каждого ИФР и рецептора ИФР необходима для нормального эмбрионального и фетального роста, и было показано, что в отсутствие одного из них другой редко повышается. Daughaday в 1988 году показал, что концентрации IGF-Ⅰ и IGF-Ⅱ в плазме крови человека после рождения имеют обратную корреляцию, возможно, из-за (1) конкуренции между ними за IGF-BP3; (2) оба ингибируют секрецию GH, который положительно регулирует IGF-Ⅰ; и IGF-Ⅱ косвенно ингибирует секрецию IGF-I, действуя на GH. Можно предположить, что именно взаимная регуляция IGF-Ⅰ и IGF-Ⅱ приводит реакцию организма в равновесие. Процесс изменения IGF-Ⅰ по мере роста и развития регулируется GH и другими факторами роста, и ткани с повышенным уровнем экспрессии IGF-Ⅰ после рождения также связаны с GH, а ткани с пониженным уровнем экспрессии — со специфическими факторами. Ось IGF-Ⅰ-GH была широко изучена, и недавно было высказано предположение, что GH стимулирует секрецию IGF-Ⅰ печенью, которая в свою очередь ингибирует GH. Комплекс циркулирующего IGF и связывающих белков представляет собой основной резервуар циркулирующего IGF-Ⅰ, и его циркулирующие уровни регулируются GH. В прошлом теория соматического медиатора предполагала, что большая часть роли ГР в линейном росте тела опосредована циркулирующим ИФР-Ⅰ, но недавно было обнаружено, что ГР может стимулировать местное производство ИФР-Ⅰ в печени грызунов и других тканях, т.е. аутокринная или паракринная роль ИФР-Ⅰ важна для нормального роста. Некоторые исследователи рассматривали проблему детского недоедания, вызванного недостаточным потреблением калорий и белка, и провели молекулярно-биологические исследования с использованием экспериментов на животных. Результаты показали, что ключом к вызванной недоеданием остановке роста и короткому росту у детей является снижение уровня IGF-Ⅰ на уровне транскрипции генов, снижение уровня IGF-Ⅰ mRAN в гепатоцитах, снижение уровня IGF-Ⅰ в плазме и чрезмерная скорость клиренса. Механизм действия может заключаться в регулирующем влиянии ГР на экспрессию гена IGF-Ⅰ. Таким образом, IGF-Ⅰ очень тесно связан с ростом и развитием детей. Кроме того, Урдервуд и др. в 1996 году сообщили, что ИФР используются для лечения нечувствительных к ГР пациентов с коротким ростом, включая пациентов с синдромом Ларона и дефицитом ГР, у которых отсутствуют рецепторы ГР и которые не реагируют на ГР. Это связано с уменьшением ингибирования ГР с помощью обратной связи IGF-Ⅰ. У таких пациентов низкий уровень IGF-Ⅰ и медленный рост, но высокий уровень циркулирующего ГР, что связано с уменьшением ингибирования обратной связи ГР под действием IGF-Ⅰ. В случае с мальчиком Ларона, которого лечили ГР, не наблюдалось улучшения скорости роста, но после 2 лет лечения ИФР-Ⅰ он рос со скоростью 10 см/год. Более того, новые исследования показали, что сам ГР не является непосредственно необходимым для роста, и что все развитие роста, описанное как вызванное ГР, на самом деле происходит за счет ИФР-Ⅰ. Изучение ИФР является сегодня актуальной темой в области клеточной биологии и привлекает все больше внимания. ИФР тесно связаны с эмбриональной инициацией человека и индивидуальным ростом и развитием. Однако влияние IGFs на многие системы и ткани все еще является лишь результатом экспериментов in vitro и на животных, поэтому необходимо проделать гораздо больше работы по изучению IGFs. IGFs и терапия rhGH В последние годы своевременный мониторинг IGFs становится все более важным в лечении дефицита гормона роста (GHD), идиопатической карликовости (ISS), малой массы тела для гестационного возраста (SGA, известной как внутриутробная задержка роста до рождения) и истинного преждевременного полового созревания (CPP) с помощью рекомбинантного человеческого гормона роста (rhGH). ИФР являются не только важным показателем для мониторинга безопасности, но и важной основой для своевременной корректировки дозы rhGH. В последние годы несколько исследований показали, что регулярный мониторинг ИФР и своевременная корректировка дозы РГР дают лучший пожизненный эффект и более безопасны, чем традиционные фиксированные дозы.