齊傳翔，楊開典，祁鈺鈺，鞠輝明

(揚州大學獸醫(yī)學院/江蘇省動物重要疫病與人獸共患病防控協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇揚州 225009)

生長激素自分泌作用機制研究進展

齊傳翔，楊開典，祁鈺鈺，鞠輝明*

(揚州大學獸醫(yī)學院/江蘇省動物重要疫病與人獸共患病防控協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇揚州 225009)

生長激素(growth hormone, GH)是由腦垂體前葉分泌的一種多肽激素，它作為一種特殊的生物活性蛋白促進機體合成代謝和蛋白質合成。GH傳統(tǒng)的作用機制是垂體產(chǎn)生GH開始作用于膜受體，然后刺激肝臟胰島素生長因子(insulin-like growth factor-1, IGF-1)生成，進而影響機體多個器官發(fā)育。近年的研究表明，GH除了內分泌作用途徑，還可通過自分泌及旁分泌途徑產(chǎn)生生物學效應。GH自分泌可以參與調控雄性和雌性動物生殖功能；GH自分泌對肌肉組織的代謝和生長也有重要影響，另外，GH自分泌與腫瘤的發(fā)生有密切的關系，其在一定程度上可以促進部分癌細胞的增殖，分化與遷移。通過對GH自分泌作用機制的研究有望發(fā)現(xiàn)自分泌GH在動物體內新的生物學作用，也有助于研究并治療GH 自分泌異常引發(fā)的相關疾病。

生長激素；自分泌；生殖；肌肉發(fā)育；致腫瘤

生長激素(growth hormone, GH)是一種由垂體分泌的肽類激素,其主要生理功能是促進神經(jīng)組織以外的其他組織(如骨、軟骨、肌肉軟組織等)生長,促進機體合成代謝和蛋白質合成。隨著對 GH 內分泌效應研究的深入，發(fā)現(xiàn)GH作為一種特殊的生物活性蛋白分子，其介導的代謝和生長很大一部分是依賴于促進肝臟分泌胰島素樣生長因子(insulin like growth factor 1,IGF-1)接受丘腦下部GH釋放激素(GHRH)和GH釋放抑制激素(GHRIH)的雙重調節(jié)，呈脈沖式分泌[1]。近年來研究發(fā)現(xiàn)，GH除了通過內分泌途徑產(chǎn)生生物學效應外，還以自分泌方式調節(jié)著鄰近組織的生物學功能。自分泌(autocrine)指細胞分泌的細胞因子主要作用于產(chǎn)生細胞因子的細胞本身，調節(jié)細胞因子活性，多數(shù)在局部發(fā)揮效應，其和內分泌、旁分泌一起互為補充，調節(jié)動物機體及細胞生長、發(fā)育和生理等方面機能，其自分泌和腫瘤的發(fā)生有密切聯(lián)系[2-4]。本文將近年來報道的關于GH通過自分泌方式對動物生殖的影響、肌肉的發(fā)育的影響及與腫瘤的關系進行綜述。

1 GH自分泌對動物生殖的影響

1.1 GH自分泌對雄性生殖能力的影響

GH是一種強效類固醇生成因子，生理水平的GH可以促進雄性動物的生育能力和睪丸生長發(fā)育，刺激睪丸中精子發(fā)育和類固醇生成。研究表明，GH可以促進生精小管差異分化和支持正常的睪丸生長，但血液循環(huán)中的GH很難通過血睪屏障對精子或精子細胞產(chǎn)生作用，而在大鼠，人和雞的睪丸中檢測到GH表達,初步說明了局部組織產(chǎn)生的GH很可能通過自分泌作用機制發(fā)生作用[5]。在使用大劑量GH治療GH分泌旺盛的狗時會使得其睪丸和附睪的萎縮，也有研究表明，GH轉基因動物因為GH過表達導致了睪丸發(fā)育損傷。因此，局部組織產(chǎn)生和應用GH時會對睪丸有雙相的生物學效應[4-6]。性激素結合球蛋白(SHBG)可以降低睪酮的生物學效應，GH可以直接通過減少SHBG生成而不是通過IGF-1來增強睪酮作用，用GH治療患有GH缺乏的成人和垂體前葉功能低下的男孩過程中使其SHBG濃度出現(xiàn)下降[7]。

在豬生產(chǎn)中，一直希望通過制備GH過表達轉基因豬來提高豬肉生長速度和改善豬肉品質，但研究發(fā)現(xiàn)，制備出的GH轉基因豬都表現(xiàn)出了一系列發(fā)育異常，其中轉基因公豬繁殖力下降是一個主要方面，這很可能和GH在機體生殖系統(tǒng)組織中的異常表達有關，導致局部組織中GH自分泌水平過高而引起發(fā)育異常[8]。通過構建可控表達GH載體系統(tǒng)[9-10]，開展GH功能研究并成功制備可控表達GH轉基因豬，通過在育肥階段誘導GH基因的高表達來改善豬肉品質，發(fā)現(xiàn)制備的轉基因豬能在提高瘦肉率、飼料利用率的同時，公豬的繁殖力沒有受到影響，成功獲得了F1代轉基因豬后代[11]。

1.2 自分泌GH對雌性生殖能力的影響

GH是雌性動物生殖的一個必不可少的因子，在農(nóng)業(yè)領域，如給牛單獨注射GH無論在促排卵或人工授精方面都提高了奶牛的妊娠率[12]。研究表明，制備的自分泌GH的作用影響雌性生殖作用還體現(xiàn)在對卵巢和子宮的作用上，GH可能通過對卵巢作用從而提高生育能力[13]，這可以在農(nóng)業(yè)和臨床優(yōu)化體外和體內受精方案，這個發(fā)現(xiàn)在過去的數(shù)十年中已經(jīng)引起了人們極大的關注。

研究表明，大鼠顆粒細胞在FSH(非基礎水平)誘導下生成GH，這種作用可能由BMP信號系統(tǒng)拮抗作用所調節(jié)。在FSH存在時，GH通過增加局部組織分泌的IGF-1促進早期的類固醇激素合成途徑反應(如StAR合成)，從而提高孕酮的合成[14]。另外，也有研究報道GH還可以不依賴于IGF-1作用通路可獨自抑制FSH誘導的芳香化酶的活性[15]。在動物個體上，有文獻表明，制備的GH轉基因動物表現(xiàn)出雌性動物繁殖力下降的情況[8]，GH基因可控表達轉基因豬中，由于GH在表達水平正常時，母豬的繁殖性能力和正常母豬無顯著差異[11]，據(jù)此推斷可能因為過表達GH的轉基因動物體內由于各個組織中GH基因表達大幅提高，導致部分器官或者組織生理機能紊亂。

2 GH自分泌對肌肉發(fā)育的影響

經(jīng)典GH內分泌作用機制促進肌肉發(fā)育是GH直接或通過自身生成的IGF-1 刺激肌肉生長[16]，近年來研究也發(fā)現(xiàn)GH也可能通過以自分泌/旁分泌形式在肌肉組織中誘導細胞的增殖和分化。C2C12成肌細胞上開展的研究能很好證明上述現(xiàn)象，成肌細胞是一種能生長在含低血清的培養(yǎng)基能夠分化為肌管的細胞，其能表達GH受體，但是對外源性GH沒有反應。然而在過度表達GHR的轉染C2C12細胞中，血清誘導的增殖被抗GH抗體和抗IGF-1抗體抑制[17]。這表明，自身GH在肌肉組織中的的生成，這已通過RT-PCR和放射免疫測定以及自分泌或旁分泌GH的作用證實。這也意味著在C2C12細胞中GH的過度表達與肌管分化受抑制有相互聯(lián)系。總之，這些數(shù)據(jù)表明，GH作為自分泌因子促進成肌細胞增殖且抑制其分化，而且GH自分泌作用時的GHR具有更大的親和力。

從分子基礎上講，肌細胞分化的過程已了解很多。哺乳動物肌細胞的發(fā)育是個動態(tài)過程，涉及到單核成肌細胞的增殖、分化、遷移和融合成多核的成熟肌纖維。已有的研究結果也表明，動物機體中內分泌途徑起著主導性的、決定性作用，也有許多基因及信號通路影響肌肉發(fā)育[18-19]，其中動物機體內“下丘腦-垂體-靶器官”有關激素及受體組成的神經(jīng)內分泌軸對動物肌肉的生長發(fā)育有重要作用[20]。但隨著對肌肉發(fā)育研究的深入，發(fā)現(xiàn)內分泌調控的主導性外，在肌肉發(fā)育方面也有許多研究表明肌細胞的自分泌對肌肉形成及分化非常重要，Gardner S等[21]發(fā)現(xiàn)TGF-β能通過抑制IGF-1引發(fā)GH自分泌調節(jié)通路進而抑制肌肉的分化，這將會為臨床上治療肌肉發(fā)育不良提供治療方向。

近年來多篇報道成功制備了相應的轉GH基因動物，使得對GH的自分泌機能從一個新的角度進行更深入的研究[8,11]。已有的許多關于制備GH轉基因動物表現(xiàn)出了許多肌肉相關的發(fā)育異常。有研究利用GH轉基因動物模型發(fā)現(xiàn)GH的過表達能導致部分轉基因動物骨骼肌及心肌肥大癥，其可能原因和GH在局部組織中的自分泌異常有關[22]。也有許多研究結果表明，GH表達失調能導致過度生長、骨骼肌肥大癥、心肌發(fā)育缺陷、器官巨大癥、內分泌失調癥及由內分泌失調癥引起的繁殖障礙，以及下丘腦-垂體-腎上腺軸障礙等一系列疾病或者病理變化[23]。但也有研究表明，通過制備轉基因動物，控制GH基因在特定時期短期內表達增加，會使得動物生長加快，肌肉量增加，而且觀察不到明顯的副作用。初步說明，GH基因特定時間內在局部組織中表達增加可以有效提高肌肉量，而且不會導致其他部位的病理變化[11]。

3 GH自分泌異常與腫瘤發(fā)生的關系

GH是由腦垂體合成以及釋放進入全身循環(huán)的激素，因此當其過量或缺乏時，大量靶效應會失調并產(chǎn)生生理甚至病理變化。然而，GH基因的表達不僅僅局限于垂體前葉區(qū)域，它廣泛存在于許多中樞和外周的多個組織中。垂體外GH生成且存在GH受體，意味著這些部位GH通過自分泌或旁分泌產(chǎn)生生物學效應。最近很多通過人和動物模型的研究表明，GH與腫瘤的發(fā)生有著密切的關系，GH分泌過多引發(fā)的肢端肥大癥患者的腫瘤發(fā)生率較高、人體細胞增殖失調患者的GH具有較高的表達水平、hGH/IGF-l軸(hGH/IGF-1 axis)中基因的多態(tài)性與腫瘤的發(fā)生密切聯(lián)系等等都說明局部組織細胞GH自分泌失調可能和腫瘤的有密切聯(lián)系[24]。GH自分泌異常能誘發(fā)癌癥與疾病發(fā)生。在細胞水平的試驗發(fā)現(xiàn)，乳腺上皮細胞中GH的自分泌能促進細胞自身的增殖、分化、遷移，在與人血管內皮細胞共培養(yǎng)時GH內分泌能增強血管內皮細胞侵襲能力[25]。利用細胞模型闡明乳房癌細胞中GH的自分泌能促進癌細胞的增殖分化，并增強癌細胞對抗癌藥他莫昔芬的耐受[26]。研究表明GH自分泌的異常能導致乳腺異常增生，腫瘤發(fā)生過程中，血管和淋巴的發(fā)生起著關鍵作用。通過乳腺上皮細胞轉染過表達GH基因，發(fā)現(xiàn)乳癌細胞中GH的自分泌/旁分泌能提高血管內皮生長因子-A的表達繼而促進人血管內皮細胞在體內的生成，進而推斷出GH的自分泌失常可能是乳腺腫瘤中新血管生成最終導致乳腺癌的主要因素[25]。GH自分泌可在體外促進癌癥干細胞(CSC)如雌激素受體陰性乳腺癌細胞(ER-MC)的生長，在異種移植研究中，GH自分泌增加了ER-MC細胞中腫瘤的起始體積。在體外環(huán)境中，GH自分泌促進ER-MC細胞侵襲和轉移能力，以及促進其在體內環(huán)境中的代謝。因此，抑制GH自分泌量是一種可能防止腫瘤發(fā)生和ER-MC轉移的治療方法[3]。

4 總結

GH在機體中發(fā)揮重要作用。GH除了通過內分泌途徑產(chǎn)生作用外，還通過自分泌機制在機體多個部位產(chǎn)生生物學效應。GH自分泌可以參與調控家畜生殖功能、影響肌肉發(fā)育并且與腫瘤的發(fā)生有密切的關系，其在一定程度上可以促進部分癌細胞的增殖，分化與遷移。通過對GH自分泌作用機制的研究，有助于全面了解GH作用機制，還有助于控制該機制對動物機體發(fā)育帶來的不良影響，利用其來促進家畜生長發(fā)育。

[1] Butler A A， Le Roith D. Control of growth by the somatropic axis: growth hormone and the insulin-like growth factors have related and independent roles[J]. Annual Review Physiol，2001, 63:141-164.

[2] Harvey S，Martinez-Moreno C G， Luna M，et al. Autocrine/paracrine roles of extrapituitary growth hormone and prolactin in health and disease: An overview[J]. Gen Comp Endocrinol,2015, 220: 103-111.

[3] Chen Y J, Zhang X, Wu Z S, et al. Autocrine human growth hormone stimulates the tumor initiating capacity and metastasis of estrogen receptor-negative mammary carcinoma cells[J]. Cancer Lett,2015, 365: 182-189.

[4] Hull K L, Harvey S. Growth hormone and reproduction: a review of endocrine and autocrine/paracrine interactions[J]. Int J Endocrinol,2014, 234014.doi: 10.1155/2014/234014. Epub 2014 Dec 15.

[5] Martinez-Moreno C G,Lopez-Marin L M, Carranza M,et al. Growth hormone (GH) and GH-releasing hormone (GHRH): Co-localization and action in the chicken testis[J]. Gen Comp Endocrinol,2014, 199: 38-45.

[6] Sjogren I,Ekvarn S,Zuhlke U, et al. Lack of effects of recombinant human GH on spermatogenesis in the adult cynomolgus monkey (Macacafascicularis)[J]. Eur J Endocrinol,1999, 140: 350-357.

[7] Rudd B T,Rayner P H, Thomas P H. Observations on the role of GH/IGF-1 and sex hormone binding globulin (SHBG) in the pubertal development of growth hormone deficient (GHD) children[J]. Acta Endocrinologica Supplementum,1986, 279: 164-169.

[8] Pursel V G,Bolt D J, Miller K F, et al. Expression and performance in transgenic pigs[J]. J Reprod Fertil Suppl,1990, 40: 235-245.

[9] 鞠輝明,趙如夢,于 珊,等. 小鼠生長激素(GH) shRNA可控表達載體構建及其基因沉默效率[J]. 農(nóng)業(yè)生物技術學報，2015, 23(12):1611-1616.

[10] 鞠輝明，白立景，姜 星，等. 整合型誘導表達豬生長激素(pGH)載體的構建及表達研究[J]. 畜牧獸醫(yī)學報，2013, 44 (7): 1008-1013.

[11] Ju H M，Zhang J，Bai L，et al. The transgenic cloned pig population with integrated and controllable GH expression that has higher feed efficiency and meat production[J]. Sci Rep,2015,11,5:10152. doi: 10.1038/srep10152.

[12] Gong J G,Bramley T, Webb R. The effect of recombinant bovine somatotropin on ovarian function in heifers: follicular populations and peripheral hormones[J]. Biol Reprod,1991, 45: 941-949.

[13] Yigiter M, Halici Z, Odabasoglu F, et al. Growth hormone reduces tissue damage in rat ovaries subjected to torsion and detorsion: biochemical and histopathologic evaluation[J]. European J Obstetrics：Gynecol Reprod Biol,2011, 157: 94-100.

[14] Nakamura E,Otsuka F,Inagaki K, et al. Mutual regulation of growth hormone and bone morphogenetic protein system in steroidogenesis by rat granulosa cells[J]. Endocrinology,2012, 153: 469-480.

[15] Nyholt de Prada J K,Kellam L D,Patel B G,et al. Growth hormone and gene expression of in vitro-matured rhesus macaque oocytes[J]. Mol Reprod Develop,2010, 77: 353-362.

[16] Imbesi R,D'Agata V, Musumeci G, et al.Skeletal muscle: from development to function[J]. La Clinica Terapeutica,2014, 165: 47-56.

[17] Segard H B,Moulin S,Boumard S, et al. Autocrine growth hormone production prevents apoptosis and inhibits differentiation in C2C12 myoblasts[J]. Cell Signal,2003, 15: 615-623.

[18] 楊開典,祁鈺鈺,楊躍飛, 等. 斯鈣素對哺乳動物生長發(fā)育的影響概述[J]. 動物醫(yī)學進展，2015, 36(9): 109-112.

[19] Shi N,Chen S Y. Smooth muscle dell differentiation: model systems, regulatory mechanisms, and vascular diseases[J]. J Cell Physiol,2015, 9999:11.

[20] Giustina A,Veldhuis J D. Pathophysiology of the neuroregulation of growth hormone secretion in experimental animals and the human[J]. Endocr Rev,1998, 19: 717-797.

[21] Gardner S, Alzhanov D, Knollman P,et al. TGF-beta inhibits muscle differentiation by blocking autocrine signaling pathways initiated by IGF-II[J]. Mol Endocrinol,2011, 25:128-137.

[22] Kuradomi R Y, Figueiredo M A, Lanes C F,et al. GH overexpression causes muscle hypertrophy independent from local IGF-I in a zebrafish transgenic model[J]. Transgenic Res,2011, 20:513-521.

[23] Cuneo R C,Wallace J D. Skeletal and cardiac muscle in adults with growth hormone deficiency[J]. Front Horm Res,2005, 33:121-145.

[24] Blonski W C,Reddy K R, Shaked A,et al. Liver transplantation for metastatic neuroendocrine tumor: a case report and review of the literature[J]. World J Gastroenterol,2005, 11:7676-7683.

[25] Brunet-Dunand S E,Vouyovitch C,Araneda S, et al. Autocrine human growth hormone promotes tumor angiogenesis in mammary carcinoma[J]. Endocrinology,2009, 150:1341-1352.

[26] Mojarrad M， Momeny M， Mansuri F，et al. Autocrine human growth hormone expression leads to resistance of MCF-7 cells to tamoxifen[J]. Med Oncol，2010, 27: 474-480.

Progress on Autocrine Effects of Growth Hormone

QI Chuan-xiang,YANG Kai-dian,QI Yu-yu,JU Hui-ming

(CollegeofVeterinaryMedicine,YangzhouUniversity/JiangsuCo-innovationCenterforPreventionandControlofImportantAnimalInfectiousDiseasesandZoonoses,Yangzhou,Jiangsu,225009,China)

Growth hormone (GH) is a kind of polypeptide hormones secreted by anterior pituitary. As a special bioactive protein, GH can help anabolism and protein synthesis of animals. The classical function of GH is endocrine effect, the GH produced by the pituitary acts on the membrane receptor, stimulates the production of insulin-like growth factor-1(IGF-1) from liver, then it can affect the development of many organs. More and more researches in recent years showed that GH exerts its biological effect not only by endocrine effects but also by autocrine and paracrine effects. In this study, we reviewed the autocrine effects of GH on the reproduction and fertility regulation of animals and the muscle development. In addition, autocrine effect of GH has a close relationship with tumor. It can promote migration, proliferation and differentiation of the cancer cells. The study on the autocrine effects of GH can help to study its new biological effect in organisms, also help to study and control some diseases caused by abnormal autocrine effects.

growth hormone; autocrine; reproduction; muscle development; tumor

2015-12-07

江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目(2014)；國家自然科學基金項目(31272405)

齊傳翔(1993-)，男，江蘇淮安人，碩士研究生，主要從事動物基因工程研究。 *通訊作者

S852.2

A

1007-5038(2016)05-0102-04