摘 要　胰岛素样生长因子-Ⅰ（Insulin-like　growth　factor-Ⅰ，IGF-Ⅰ）是机体生长、发育和代谢的一个重要调控因子，同时也是生长激素（growth hormone，GH）启动生长活性的主要介导者。成熟的IGF-Ⅰ是由70个氨基酸残基组成的碱性单链多肽，因与胰岛素同源而得名。猪IGF-Ⅰ基因组DNA全长大于80 kb，至少由6个外显子（exon1~6）和5个内含子（intron1~5）构成。虽然IGF-Ⅰ是一个单拷贝基因，但是，由于选择性拼接、不同的polyA位点以及潜在的多个启动子（promotors）的使用,使它以一种复杂的方式转录和处理而产生了多个成熟的mRNA拼接变异体，结构极为复杂。就猪IGF-Ⅰ基因的结构和功能等方面的最新研究进展进行综述。IGF-Ⅰ是机体生长、发育和代谢的一个重要调控因子，同时也是生长激素(GH)启动生长活性的主要介导者，因其氨基酸序列与胰岛素具有同源性而得名。它是由70个氨基酸残基组成的具有内分泌、自分泌及旁分泌特性的碱性单链多肽，主要由肝细胞合成和分泌，许多肝外组织也能合成IGF-Ⅰ，其主要以自分泌或旁分泌的形式发挥作用。自从Salmon和Daughaday首次发现并报道这一与生长激素密切相关的因子以来，IGF-Ⅰ就一直是细胞生物学、动物生理、分子营养、分子生物学和肿瘤等领域的研究热点。特别是近20年来，随着分子生物学技术的发展与应用，IGF-Ⅰ的研究取得了较大的进展。　　1 IGF-Ⅰ基因的分子结构　　IGF-Ⅰ是由70个氨基酸残基组成的碱性单链多肽，其前肽由信号肽和B、C、A、D、E 6个区域构成；形成成熟肽时，信号肽和E区域被切除，这样IGF-Ⅰ成熟蛋白的一级结构则包括B、C、A和D 4个区域，通过3个二硫键连接起来。IGF-Ⅰ分子含有3个α螺旋和3对二硫键(见图1)。　　Wintero等（1994）以重复序列(CA)19为引物，将IGF-Ⅰ基因定位于猪5号染色体的q2.3-2.4上，得到了一个线性连锁图谱：SW1071-IFNG-S0005-MHC-IGFⅠ-SW995-SW967（见图2）。　　IGF-Ⅰ虽是一个单拷贝基因，但是，由于选择性拼接、不同的polyA位点以及潜在的多个启动子（promotors）的使用,使它以一种复杂的方式转录和处理而产生了多个成熟的mRNAs拼接变异体，结构和表达形式均很复杂。Samaras等（1996）提出，猪IGF-Ⅰ基因组DNA全长大于80 kb，至少由6个外显子(exon1~6)和5个内含子(intron1~5)构成，被转录和加工成多个mRNAs，长度从小于1 kb到大于7.5 kb不等。根据现在的命名，外显子3和外显子4编码成熟的IGF-Ⅰ肽链和前体E肽链的N端，外显子5和外显子6是选择性拼接的外显子，编码E肽链的残余部分以及邻近的3端非翻译区（3untranslated regions,3-UTR）。外显子1和外显子2是前导外显子，编码5端非翻译区（5untranslated regions,5-UTR），其上游没有启动子的CTTAA或TATA序列，具有不同的转录起始位点，选择性地拼接到外显子3上分别产生Ⅰ类(ClassⅠ)和Ⅱ类(ClassⅡ)IGF-ⅠmRNA转录子。因此，可以通过1、2、5、6外显子的选择性拼接产生多种IGF-Ⅰ mRNA转录子（见图3）。　　2 IGF-Ⅰ的生物学功能　　IGF-Ⅰ具有GH 和Insulin 样双重作用，能促进细胞对葡萄糖的摄入和氧化，加速氨基酸的转运，促进DNA 的合成，通过介导GH 促进多种组织细胞生长代谢。　　2.1　IGF-Ⅰ的促生长作用　　2.1.1　IGF-Ⅰ促进细胞分化，抑制凋亡Bluher等（2005）证明IGF-Ⅰ诱发猪前脂肪细胞的酶分化，使脂类蓄积与酶活性变化相平行，提高了磷酸甘油脱氢酶和可溶性蛋白质水平，促进前脂肪细胞分化。IGF-Ⅰ还可抑制细胞凋亡。Cui等（2005）在研究猪的体外孤雌发育过程时发现，在添加0.4％BSA（高纯度牛血清白蛋白）的情况下，IGF-Ⅰ能显著地降低Fas/Bcl-xL(P<0.01)和Bak/Bcl-xL(P<0.01)mRNA的表达比率，增加细胞数目(P<0.01)，减少凋亡(P<0.05)。　　2.1.2 IGF-Ⅰ对猪胴体组分改变有一定作用　　美国农业部的研究者采用Genemedicine Inc.s公司的IGF-Ⅰ基因培育出体脂减少的猪。将IGF-Ⅰ转基因猪与GH转基因猪做比较，结果表明，IGF-Ⅰ转基因猪的脂肪减少10%，瘦肉增加6%～8%，并且不出现导入GH基因猪的问题。Pursel等（2004）在研究IGF-Ⅰ转基因猪生长和组织特征时发现，在60、90 和120 kg体重时进行测定，对照组猪比转基因组猪有更多的脂肪和更少的瘦肉组织，随着猪日龄的增加更为明显（P<0.05），这说明随着猪日龄的增加，骨骼肌组织中IGF-Ⅰ 的表达逐渐改变了机体组分。　　2.1.3　IGF-Ⅰ与猪的生长有着密切关系　　血浆中IGF-Ⅰ在仔猪出生时含量最高，生后一周开始下降；瘦肉型猪血浆中IGF-Ⅰ含量高于脂肪型，断奶前高于断奶后；不同品种中也有差异，一般地，生长速度快的猪血浆中IGF-Ⅰ含量高于生长速度慢的猪。Brian Luxford报告指出：IGF-Ⅰ具有22％的遗传力，对长白和大白猪而言，在５周龄测定的浓度与其生长至24周龄的日增重呈负相关，但与它们的饲料转化率和背膘厚度呈正相关，选择较低水平的IGF-Ⅰ会得到瘦肉更多、生长更快和更有效益的猪。Suzuki等（2004）在研究杜洛克猪血清中IGF-Ⅰ与肉的产量和肉质性状的遗传相关时发现，8周龄时血清中IGF-Ⅰ浓度与增重（遗传力为0.26±0.08)、眼肌面积(遗传力为0.22±0.10）和肌内脂肪含量（遗传力为0.32±0.10）与遗传成正相关，而105 kg时血清中IGF-Ⅰ浓度与眼肌面积（遗传力为0.42±0.08）成正相关。结果表明，生长早期猪血清中IGF-Ⅰ的浓度可作为肌内脂肪含量（IMF）的有效预测器。Dunshea等（2002）研究发现，外源性IGF-Ⅰ，尤其是其类似物——长链精氨酸IGF-Ⅰ（long arginine IGF-Ⅰ，LR3IGF-Ⅰ）能够增加人工饲养的新生仔猪生长率和乳汁摄入量。　　在猪幼龄期对IGF-Ⅰ的测试，为育种工作者在改善饲料利用率、瘦肉率和生长速率方面提供了一个非常有效的选择手段，减少了整个公猪的饲养量而降低饲养成本，提高养猪效益。　　2.1.4　IGF-Ⅰ调节猪胃肠道发育　　猪的初乳中IGF-Ⅰ的量较常乳高10～20倍，而且胎儿和新生儿的小肠能表达IGF-ⅠmRNA和IGF-ⅠR，胰腺和胆汁中均有较高浓度的IGFs分泌。霍永久等（2005）研究发现，3日龄哺乳仔猪肠黏膜IGF-Ⅰ mRNA表达水平较出生时高，而IGF-Ⅰ又有重要的自分泌和旁分泌的作用，因此推断IGF-Ⅰ有调节胃肠道发育的作用，现已证实添加IGF-Ⅰ及类似物可以增加小肠隐窝深度、肠粘膜厚度和肌肉厚度。Burrin等试验表明，给新生猪口服重组人类胰岛素样生长因子（recombinant human insulin-like growth factor；rhIGF-Ⅰ）3.5 mg/kg，连续4 d与未添加rhIGF-Ⅰ的代乳料相比，小肠重及蛋白和DNA含量均显著增加。其理论基础为多肽类生长因子可被肠腔完整吸收入血，由此推断使用rhIGF-Ⅰ可做为促进新生儿（仔猪）小肠发育的有效方法。在注射IGF-Ⅰ的类似物后，不仅增加了哺乳期末仔猪的日增重，而且胰腺、小肠和肾的重量也增加。这些研究结果表明，可以在仔猪断奶后或在母乳中这些激素的浓度降低时用注射外源激素的办法来使肠道结构和功能得到快速发育，以克服断奶后生长迟滞。　　2.1.5　IGF-Ⅰ促进猪肌肉的生长　　很多研究表明IGF-Ⅰ对猪肌肉的生长有一定的促进作用，主要是因为GH/IGF-Ⅰ轴作用的主要靶组织是肌肉。Oksbjerg等（2004）研究发现，IGF-Ⅰ和 IGF-Ⅱ能与IGF-Ⅰ R以时间和浓度依赖的方式刺激成肌细胞和卫星细胞的分化和增殖，出生后IGF-Ⅰ 能刺激蛋白质合成，抑制蛋白质降解，因此促进了肌纤维生长。给猪注射人或牛的IGF-Ⅰ会使猪的肌肉生长加快，且肌肉中总蛋白和总IGF-ⅠmRNA丰度上升。Gerrard等发现，随着猪日龄的增加，肌肉中IGF-Ⅰ的表达量也增加到最高水平，且主要增加的是骨骼肌的肌纤维。还有人证实IGF-Ⅰ能有效刺激肌肉中卫星细胞的增长（Florini,1987），IGF-Ⅰ还能刺激在无血清液体中培养的平滑肌细胞增殖。Kotlyar等（2001）研究动物模型时发现，IGF-Ⅰ和IGF-Ⅱ可以通过保护猪心肌结构而改善心肌功能，而IGF-Ⅰ比IGF-Ⅱ更有效。前人在研究150日龄３个品种（长白﹑杜洛克﹑梅山）猪的发育特点时发现，品种间血清IGF-Ⅰ水平无差异，GHR基因表达﹑IGF-Ⅰ转录在肝脏中也无差异，但梅山猪IGF-Ⅰ mRNA表达最低，提示IGF-Ⅰ对肌肉生长的调节可能是通过IGF-Ⅰ的旁分泌或自分泌而实现的。　　2.2　IGF-Ⅰ的调节生殖和免疫功能　　2.2.1　IGF-Ⅰ对猪的繁殖性能具有重要调节作用　　IGF-Ⅰ是一种促性腺活性的物质，在离体试验中，IGF-Ⅰ可增加孕马血清(PMSG)所诱导的芳香化酶活性，促进孕烯醇酮、孕酮和雌二醇的生物合成，且与细胞的有丝分裂有关。许多研究证实IGF-Ⅰ是卵泡发育的重要调节因子，可增强FSH的促卵泡发育作用。在许多哺乳动物中，IGF-Ⅰ可促进颗粒细胞和膜细胞的增殖和分化；IGF-Ⅰ还可促进乳腺的发育。　　刘珠果等（2005）研究发现，IGF-Ⅰ对猪卵母细胞的成熟具有双向作用，一定浓度的IGF-Ⅰ对卵母细胞成熟具有促进作用，而高浓度的IGF-Ⅰ对卵母细胞的成熟有抑制作用。添加20 ng/ml的IGF-Ⅰ显著的提高了卵母细胞成熟率和卵裂率，达（85.3±2.11）％和（85.4±2.81）％，差异显著（P<0.05）；当IGF-Ⅰ的浓度为100 ng/ml时，卵母细胞成熟率和卵裂率降低，为（33.9±3.48）％和（46.1±3.59）％，低于对照组和其它各组，差异显著（P<0.05）。一定浓度的IGF-Ⅰ促进卵母细胞成熟的机理，可能是通过Akt和ERK激酶起作用。Sirotkin研究认为IGF-Ⅰ增强了细胞内蛋白激酶A(PKA)的水平，可能对猪卵母细胞的成熟有促进作用。Xia在成熟培养液中添加IGF-Ⅰ时检测了猪卵丘颗粒细胞中胸腺嘧啶脱氧核苷的含量，结果发现，随着IGF-Ⅰ的添加，胸腺嘧啶脱氧核苷的含量增加了，这可能与IGF-Ⅰ促进卵母细胞的成熟相关。Ptak等（2003）研究证明，GH 和 IGF-Ⅰ对猪黄体细胞中类固醇生成有直接和周期依赖的影响，说明二者在猪黄体发育过程中可能执行某些调控作用。Gregoraszczuk等（2005）研究发现，在黄体期，IGF-Ⅰ 具有抗凋亡作用，保护细胞免遭过渡凋亡，保留适当的细胞数目，这些细胞在黄体发育过程中对于维持稳态是必需的, 其抗凋亡的机理可能是间接的通过增加孕酮分泌，也可能是直接的抑制胱冬蛋白酶（caspase-3）活化，继而防止凋亡小体形成。　　Ayako等（2005）研究发现，IGF-Ⅰ能通过丝裂原激活蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAP kinase）途径刺激子宫内膜基质细胞DNA的复制，从而以自分泌或旁分泌的方式促进子宫内膜基质细胞的分化。Kolodziejcayk等（2003）研究发现，颗粒细胞和内膜细胞是IGF-Ⅰ的产生位点，IGF-Ⅰ具有刺激来自所有类型卵泡的内膜细胞的增殖作用，并且增加了来源于中卵泡和大卵泡的内膜细胞的雌二醇（E2）的分泌。在卵泡发育的各个时期，IGF-Ⅰ均能够促进内膜细胞的有丝分裂，说明在卵泡生长过程中内膜细胞具有重要作用。Mao等（2004）研究表皮生长因子(EGF) 和IGF-Ⅰ在调控猪腔前卵泡生长、卵泡腔形成以及颗粒细胞增殖和凋亡的作用中发现，培养基中添加0、1、10和100 ng/ml IGF-Ⅰ，卵泡对IGF-Ⅰ表现出浓度依赖反应（P<0.05） ，添加100 ng/ml IGF-Ⅰ 时，颗粒细胞的增殖率最高，卵泡的完整性最好，卵丘-卵母细胞复合物的回收率最高，凋亡率最低。说明IGF-Ⅰ促进了颗粒细胞增殖，减少凋亡，促进了卵泡腔形成。这些结果可能为发展一种卵母细胞能够在其中受精和胚胎发育的腔前卵泡培养系统提供有益信息。Yamamoto等（2001）在进行新生仔猪睾丸的器官培养时发现，添加猪促卵泡素（pFSH）和rhIGF-Ⅰ均能显著增加IGF-ⅠmRNA的表达，促进次级精原细胞向初级精母细胞分化。结果表明，FSH能够促进次级精原细胞的分化至少部分是由体细胞来源的IGF-Ⅰ介导的，而体细胞中IGF-ⅠmRNA的表达则自动上调。　　IGF-I能通过刺激乳腺细胞分裂、抑制凋亡以及部分介导GH对泌乳的影响来调控泌乳。Monaco等（2005）研究发现，乳腺特异的转基因的IGF-Ⅰ过表达显著增加了猪乳中IGF-Ⅰ和IGFBP含量，但不影响猪的泌乳性能。　　2.2.2　IGF-Ⅰ调节猪的免疫功能　　IGF-Ⅰ能刺激胸腺上皮分泌胸腺肽，通过IGF-ⅠR能增强嗜碱性颗粒细胞对IgA的反应，使之释放更多的组胺。IGF-Ⅰ可增加肾上腺束状带细胞对ACTH反应的敏感性，促进T细胞增殖分化，增强IL-6和INF-α的表达，活化端粒酶延长T细胞寿命，增强细胞毒性T细胞的功能，并对细胞趋化性具有刺激效应。近年还发现IGF-Ⅰ对免疫系统中细胞的识别起着重要的作用。　　2.3　IGF-Ⅰ调节机体的代谢　　IGF-Ⅰ可以促进组织摄取葡萄糖，刺激糖原异生和糖酵解，促进糖原合成，通过作用于自身受体并增加胰岛素的敏感性发挥其调节血糖的生物效应。IGF-Ⅰ对蛋白质的代谢作用主要表现在促进氨基酸的转运和蛋白质的合成，抑制蛋白质的分解，减少血液中氨基酸的浓度，对抗地塞米松造成的N负平衡等方面。体外培养的肝细胞，在氨基酸浓度只有正常20%的条件下培养时，IGF-Ⅰ的表达量只有对照组的一半。Gluckman等给禁食48 h的动物分别补充IGF-Ⅰ和胰岛素，发现二者均能降低动物蛋白消耗，但只有IGF-Ⅰ可增加骨骼肌组织的蛋白合成，且IGF-Ⅰ促进肝脏合成的作用明显要比胰岛素强。因此，血清IGF-Ⅰ水平可以反映机体氮平衡的变化。IGF-Ⅰ对脂肪代谢的作用主要是抑制脂肪分解，促进脂肪合成。此外，还可促进肾近曲小管上皮细胞转化生成1-25-(OH)2D3。动物试验证实， IGF-Ⅰ能明显降低血清胆固醇(TC)水平。　　3 IGF-Ⅰ基因的应用前景　　随着现代生物技术的发展， IGF-Ⅰ的生物学作用机理将不断被揭示，同时其在体液介质调节网络中的作用也将越来越被重视。IGF-Ⅰ克服了GH在应用中存在的问题，在生产中可以达到一次性使用长期有效。对于幼畜，尤其是早期断奶的仔猪，消化道发育不完善是仔猪下痢的主要原因，口服IGF-Ⅰ就可达到促进肠道发育的作用。对于其促生长作用一方面可以使用IGF-Ⅰ或其类似物，另一方面可以通过饲喂其它引起血中IGF-Ⅰ水平升高的物质达到促生长作用，如半胱胺。澳大利亚已将IGF-Ⅰ浓度作为猪育种的一个选择指标应用于实践中。在猪的生产中，IGF-Ⅰ的系统研究将为猪的遗传改良、饲养、繁殖等生产环节提供帮助，并为利用基因重组技术生产的IGF-Ⅰ进入临床应用打下基础。因此，IGF-Ⅰ在畜牧生产中有着广阔的应用前景。