脂肪細胞因子Isthmin-1 研究新進展

曹琨琨， 劉凱月， 楊露露， 盧榮華＊

(河南師范大學水產學院， 河南新鄉 453007)

2002年，在非洲爪蟾（Xenopus laevis）中發現一種分泌蛋白Isthmin （Ism）， 將其命名為Xenopus Isthmin（xIsm）[1]。 Ism蛋白家族包括Ism-1和Ism-2，二者均由三部分組成，即含疏水信號的N端信號肽、血小板反應 蛋 白1 型 重 復 結 構 域 （Thrombospondin type 1 repeat, TSR1） 以及被稱為MUC4和其他蛋白的黏附相關結構域 （Adhesion-associated domain in MUC4 and other proteins, AMOP）的C端結構域[1-3]。 Ism-2主要集中在胎盤，與絨毛膜癌等相關[4]，而Ism-1表現出更廣泛的表達模式，在肺、腦、肝、乳腺、胃、肌肉、皮膚、骨髓和結腸等不同組織中均有表達[2]，這預示其具有多種生物學功能。 2021年，Jiang等[5]利用生物信息學以及Ism-1在棕色脂肪和白色脂肪組織中的表達變化，將其定義為一種脂肪細胞因子。

目前，對Ism-1生物學功能的研究主要集中在免疫和炎癥、細胞凋亡及腫瘤發生與癌癥、糖脂代謝、調節肌纖維發育與蛋白質合成等許多病理生理方面[6]。 鑒于Ism-1的廣泛分布和作用，本文就Ism-1的分布、結構、受體及其生物學功能等方面的研究進展進行概述。

1 Ism-1的結構特征

人類（Homo sapiens）的Ism-1基因位于20號染色體上，編碼499個氨基酸，蛋白質分子量約60 kDa；小鼠Ism-1基因位于2號染色體上， 編碼461個氨基酸，預測蛋白質分子量為52 kDa； 雞Ism-1基因位于3號染色體上[2,7]。 斑馬魚（Danio rerio）Ism-1基因位于13號染色體上，與雞Ism-1相似，均編碼443個氨基酸的蛋白質[2]。草魚（Ctenopharyngodon idella）Ism-1的ORF開放讀碼框為1380 bp，編碼459個氨基酸，預測蛋白質相對分子量為50.96 kDa[8]。 由于Ism-1的分子量在不同物種中存在差異， 因此推測其可能存在翻譯后修飾現象。

氨基酸同源性分析發現， 小鼠與蛙、 雞、 人的Ism-1氨基酸序列存在高度同源性，分別為78%、80%和93%。草魚Ism-1與其他魚類Ism-1的同源性均達到90%以上，與黑頭軟口鰷（Pimephales promelas）的同源性最高， 其蛋白包含3個α-螺旋和2個β-折疊，具有1個跨膜結構域，還包含TSR1和AMOP兩個主要的保守結構域[2-3]，這也表明Ism-1在硬骨魚類中的進化相對保守[8]。

2 Ism-1的受體

目前發現Ism-1有兩個潛在受體，即低親和力的整合素αvβ5 和高親和力的葡萄糖調節蛋白78（Glucose regulated protein 78，GRP78）[9]。 整合素是細胞表面信號受體，可激活細胞內多種信號通路，參與細胞與外基質和鄰近細胞的黏附， 在抑制血管生成及降低炎癥中發揮重要作用。 Zhang等[10]使用酶聯免疫吸附法證明了Ism-1可通過AMOP結構域與內皮細胞表面的整合素αvβ5結合。 GRP78是內質網伴侶蛋白，屬于熱休克蛋白家族，可促進蛋白質的折疊并介導細胞應激反應，該蛋白在黑色素瘤、乳腺癌、前列腺癌、 肺癌和卵巢癌等多種人類癌癥中高表達[11]。Ism-1可通過調節小鼠黑色素瘤細胞、 人腎癌細胞、人肝癌細胞表面GRP78蛋白的高表達， 誘導細胞凋亡，從而發揮其抗腫瘤特性[11]。

3 Ism-1的生物學功能

自2002年Ism-1首次被發現以來，相繼報道其在諸多生理和病理過程中發揮不可或缺的作用， 可能參與多種生理病理過程，具有多重生物學功能。

3.1 Ism-1參與免疫和炎癥反應

有研究發現，Ism-1可能是抗病毒免疫反應中控制病毒感染的新靶點。 Valle-Rios等[7]發現Ism-1在人和小鼠的黏膜、皮膚及一些淋巴細胞群中顯著表達。 在小鼠肺中發現Ism-1可能是激活淋巴細胞功能的中間物質，從而參與機體的免疫反應[7]。 Lam等[9]研究發現，Ism-1可選擇性地觸發肺泡巨噬細胞的凋亡， 缺失Ism-1的小鼠肺泡巨噬細胞的數量增加，并伴有肺部炎癥、肺氣腫和顯著的肺功能下降等問題。 本實驗室前期研究結果也顯示，Ism-1在鰓中表達量高，而鰓是魚體的免疫器官，表明其可能參與魚體的免疫應答反應[8]。 在斑馬魚中的研究顯示，Ism-1重組蛋白可降低草魚呼腸孤病毒脅迫下的細胞病變效應和病毒數量， 其機制可能是通過TBK1-IRF3-IFN信號通路促進干擾素和Mx等抗病毒基因的表達來實現的[12]。

3.2 Ism-1調節細胞凋亡

Ism-1可以促進兩種受體GRP78與整合素αvβ5介導的細胞凋亡，且兩種受體之間不存在相互作用，其調控機制也不同。Xiang等[13]發現Ism-1在機體內存在兩種形式，即溶于血液的可溶性Ism-1和存在于組織細胞外基質的不溶性Ism-1。 研究發現它們發揮完全相反的作用，可溶性Ism-1以整合素αvβ5依賴的方式激活，通過體外途徑誘導內皮細胞凋亡，可作為一種拮抗劑； 而不溶性Ism-1是整合素αvβ5的激動劑，可促進內皮細胞的黏附和存活。 因此根據可溶或不可溶的狀態，推測Ism-1可能具有雙重作用[10,13]。

Ism-1與GRP78結合后，通過網格蛋白依賴的內吞作用內化到內皮細胞中，進一步進入線粒體內，然后與線粒體內膜的關鍵轉運蛋白ACC相結合， 阻斷ATP從線粒體到細胞質的轉運， 從而導致細胞凋亡[6]。 另外，在Ism-1 AMOP結構域中發現一種新的環狀肽BC71，它是細胞表面GRP78的促凋亡配體，兩者結合可以激活人臍靜脈內皮細胞中的p53和caspase-8等凋亡信號，進而導致癌細胞凋亡[6]。

3.3 Ism-1在腫瘤與癌癥中的作用

Xiang等[13]發現Ism-1是一種新型的血管生成抑制劑，可通過其C端AMOP結構域抑制毛細血管網的形成，并可能影響細胞遷移、黏附和凋亡。 Wang等[14]在肝癌細胞中發現Ism-1可通過hsa_circ_0091570/miR1307抑制細胞的增殖和遷移。 在結腸癌細胞中，miR-1307-3p 通 過 靶 向 下 調Ism-1 的 表 達， 抑 制Wnt3a/β-catenin信號通路的激活進而抑制細胞增殖并促進其凋亡[15]；過表達Ism-1可激活結腸癌細胞中Wnt3a/β-catenin信號通路， 同時促進細胞增殖抑制細胞凋亡[15]。 此外，有研究也報道了在結腸癌患者組織中Ism-1的表達升高， 并與缺氧、KRAS、Notch和Hedgehog等癌癥相關信號通路呈正相關[16]。

3.4 Ism-1在糖脂代謝中的作用

2021年，Jiang 等將Ism-1定義為一種脂肪細胞因子，發現其可獨立于胰島素和胰島素樣生長因子1受體，既能以自分泌方式作用于脂肪細胞，又能以內分泌方式作用于肝細胞， 在葡萄糖攝取和降脂方面具有雙重有益作用[5]。 Ism-1重組蛋白顯著增加小鼠和人脂肪細胞以及人原代肌細胞中的葡萄糖攝取，這可能和其促進了GLUT4轉運到細胞表面有關；而敲除Ism-1的脂肪細胞攝取葡萄糖減少，胰島素依賴性蛋白激酶AKT絲氨酸殘基在473位點（pAKTS473）的磷酸化水平也降低[5]。 此外，在小鼠中完全敲除Ism-1導致葡萄糖耐量下降， 棕色脂肪和肌肉組織中葡萄糖的攝取也減少，而在小鼠中過表達Ism-1則導致脂肪組織中脂質含量減少，增加胰島素敏感性，并提高了葡萄糖耐量，同時抑制了肝臟中脂肪的合成[5]，表明Ism-1在增加脂肪組織葡萄糖攝取的同時可抑制肝臟脂肪的合成。

Ism-1在肥胖小鼠和人體中的表達和循環水平明顯升高，在高脂飼喂的小鼠白色脂肪組織中，其表達量就增加了約30倍，提示我們Ism-1參與了小鼠和人的肥胖調節[5,17]。 一項對西班牙青春期男女的研究發現，青春期的肥胖男孩的Ism-1水平高于正常體重和超重的男孩，而青春期女孩的Ism-1水平則沒有明顯變化，這表明Ism-1作為兒童肥胖的新生標志物可能具有特殊性[17]。

3.5 Ism-1調節肌纖維發育與蛋白質合成

Zhao等人[18]比較了野生型（WT）和Ism-1-/-兩組小鼠的體重及血糖水平， 發現Ism-1-/-小鼠的肌纖維大小和強度均有所降低， 且正常情況下骨骼肌的生長信號也減少， Ism-1可以通過pAKT-pS6S235/S236直接作用于骨骼肌細胞來誘導蛋白質合成。 敲除Ism-1后，骨骼肌纖維尺寸變小，蛋白降解增加，肌肉力量下降， 且與肌肉萎縮相關的FOXO1靶基因水平升高[18]，表明Ism-1可通過代謝途徑調節骨骼肌的大小。Jiang 等發現在肝細胞中，Ism-1也可激活pS6S235/S236蛋白，Ism-1和胰島素的共同作用可使pS6S235/S236的合成增加2.9倍[5]。進一步研究發現，Ism-1可將肝細胞中的脂肪合成代謝狀態轉換為蛋白質合成狀態來抑制脂肪生成[5]。以上結果表明，Ism-1可通過調節骨骼肌蛋白質合成影響骨骼肌的大小與強度， 也可將肝細胞中的脂肪合成狀態轉換成蛋白質的合成狀態， 進而影響機體蛋白質的合成過程。

4 結論與展望

綜上所述，Ism-1作為一種新的脂肪細胞因子，廣泛分布于機體的各個組織， 在多種生理病理過程中都發揮重要的作用。然而，目前對其生物學功能的研究仍不完善，還需進一步探索。 比如，在調節糖脂代謝方面，由于魚類具有“糖不耐受”的特性，我們應該如何調控Ism-1使魚類可以更好的利用糖類物質，同時減少營養性脂肪肝的形成？ 在蛋白質代謝中，Ism-1通過將肝細胞中脂肪合成代謝狀態轉換為蛋白質合成狀態來抑制脂肪生成， 其具體機制仍不清晰；另外，Ism-1作為一個潛在的癌癥治療靶點，確定其作用過程中的識別受體、 受體間的相互作用及下游信號通路的變化對于臨床研究也至關重要。