Инсулиноподобный фактор роста 1 (ИФР1, IGF1)

Много говориться о инсулиноподобных факторах роста (ИФР), рассмотрим для чего они нужны в организме. Рост-стимулирующий эффект гормона роста (СТГ) опосредуется ИФР-гормонами , которые образуются под влиянием СТГ в печени и других тканях. Выделены два вида ИФР: инсулиноподобный фактор роста 1 (ИФР1) и инсулиноподобный фактор роста 2 (ИФР2) . Это близкие по строению одноцепочечные белки, сходные с проинсулином . ИФР1 и ИФР2 присутствуют в сыворотке преимущественно в виде комплексов со связывающими белками. Наиболее распространен ИФР-связывающий белок типа 3 .

ИФР1 и ИФР2 по-разному влияют на клетки-мишени. Это объясняется различиями взаимодействия ИФР с рецепторами. Как ИФР1, так и ИФР2 связываются с рецепторами ИФР1, однако сродство ИФР1 к рецепторам ИФР1 гораздо выше, чем сродство ИФР2. Оба ИФР участвуют в развитии плода; в постэмбриональном периоде основное значение в регуляции роста имеет ИФР1. Он стимулирует пролиферацию клеток всех тканей, в первую очередь - хрящевой и костной. Физиологическая роль ИФР2 в развитии ребенка и во взрослом организме пока не выяснена.

ИФР1 является важнейшим эндокринным посредником действия соматотропного гормона, почему и называется также соматомедином С. ИФР1 производится гепатоцитами печени в ответ на стимуляцию их соматотропиновых рецепторов. В периферических тканях именно ИФР-1 обеспечивает практически все физиологические эффекты соматотропного гормона.


Так же как и СТГ, оба ИФР действуют на гипоталамус и аденогипофиз по принципу обратной связи, контролируя синтез соматолиберина и соматостатина и секрецию СТГ. От уровня ИФР-1 в крови зависит секреция соматолиберина и соматотропного гормона. При низком уровне ИФР-1 в крови секреция соматолиберина и соматотропина возрастает, при высоком — снижается. Также ИФР-1 регулирует секрецию соматостатина: высокий уровень ИФР-1 приводит к возрастанию секреции соматостатина, низкий — к её снижению. Этот механизм является ещё одним способом регуляции уровня соматотропного гормона в крови.
Уровень ИФР1 в крови зависит от действия на печень не только соматотропного гормона, но и половых стероидов и тиреоидных гормонов, глюкокортикоидов, инсулина. При этом инсулин, андрогены, эстрогены повышают секрецию ИФР1 печенью, а глюкокортикоиды её снижают. Это является одной из причин синергизма инсулина, соматотропина, половых и тиреоидных гормонов в отношении процессов роста и развития организма, роста и дифференцировки тканей, и одной из причин характерного тормозящего действия глюкокортикоидов на процессы линейного роста, полового созревания и пр.
ИФР блокирует развитие апоптоза в двух гемопоэтических линиях мышей BAF-3 и FDCPMIX и в культуре интерлейкин-3- зависимых цитокинпродуцирующих производных костного мозга - тучных клетках. Считается, что присутствие в местах гемопоэза инсулиноподобного фактора играет роль в регуляции гемопоэза, обеспечивая выживание предшественников и цитокинпродуцирующих клеток (Rodriquez-Torduchi ea 1992).
Кроме того, ИФР1 активно используется в спорте, т.к. усиливает рост мышц. ИФР-1 в мышцах обладает двойной активностью — рост-стимулирующей и инсулиноподобной: он ускоряет синтез белка и замедляет его разрушение. Как СТГ, так и ИФР-1 сдвигают метаболизм в сторону сжигания жира и ускорения синтеза белка. К тому же, как мы уже говорили, ИФР1 структурно сходен с проинсулином, предшественником инсулина (за что и получил свое название). Исследования, проведенные в Колорадском университете (США) и университете Гетеборга (Швеция), показали, что фактор роста вызывает рост периферических нервов у животных. Были также проведены успешные эксперименты с ускорением роста других тканей. Кроме того, ИФР1 увеличивает количество двигательных нейронов в мышцах, повышая их дееспособность. Его с успехом используют для лечения повреждений спинного мозга и амиотрофического склероза.  Сразу же возникла заманчивая идея использовать ИФР1 в качестве самостоятельного анаболического средства. В ряде стран начались работы по поиску путей синтеза ИФР1. В частности, опробован генноинженерный метод с использованием рекомбинантной ДНК. Получены также активные пептидные фрагменты гормона, которые возможно, обладают приблизительно той же активностью. (http://www.uch.net)

А самое главное-пожилые люди с высоким уровнем гормона ИФР-1 дольше живут и меньше подвержены сердечно-сосудистым заболеваниям.

Инсулиноподобные факторы роста (ИФР1 и ИФР2) не относятся к панкреатическим гормонам, но тем не менее близки к инсулину по структуре и функции. Влияние инсулина на рост и деление клеток трудно отделить от аналогичных эффектов со стороны ИФР-1 и ИФР-2. Действительно, инсулин и инсулиноподобные факторы роста могут взаимодействовать в этом процессе.

ИФР1 и ИФР2 представляют собой одноцепочечные полипептиды, состоящие из 70 и 67 аминокислот соответственно. Степень гомологии между двумя этими гормонами достигает 62%, причем 50% аминокислотных остатков в каждом из них идентичны таковым в инсулине. Молекулы этих факторов роста имеют разные антигенные участки и по-разному регулируются.

Инсулин оказывает более сильное влияние на метаболизм, чем инсулиноподобные факторы роста, однако последние сильнее стимулируют рост клеток. Каждый из этих гормонов имеет свой специфический рецептор.

Эти гормоны способны в какой-то степени перекрестно связываться с рецепторами, чем, возможно, и объясняется присущая им смешанная биологическая активность. Как правило, способность этих гормонов стимулировать рост наиболее всего коррелирует с их сродством к рецепторам ИФР1 и ИФР2.

В 1957 г. была сформулирована гипотеза, что проводником биологического действия СТГ в организме является циркулирующий в крови "сульфирующий фактор" (Salmon J.W.D. and Daughaday W.H., 1957), содержание которого в крови увеличивалось под действием СТГ. Несколько лет спустя в крови людей была обнаружена инсулиноподобная активность, которая не подавлялась антителами к инсулину (nonsuppressible insuline-like activity) (Froesch E.R. et al, 1966).

Поздние проводники биологического действия СТГ стали называться соматомединами (Daughaday W.H. et al, 1972).

Очистка и исследование веществ, определяющих инсулиноподобную активность крови, не подавляемую антителами), закончились выделением двух пептидов и установлением их аминокислотных последовательностей (Rinderknecht E. and Humbel R.E., 1978a, Rinderknecht E. and Humbel R.E., 1978b).

Они проявили высокую гомологию с проинсулином и были названы инсулиноподобными ростовыми факторами 1 и 2. Параллельные исследования некоторых соматомединов показали их полную идентичность с ИРФ1 и было обнаружено, что ИРФ1 способен стимулировать рост гипофизэктомированных крыс (Schoenie E. et al, 1982), что подтверждало представление об ИРФ-I как проводнике биологического действия гипофизарного СТГ , т.е. о соматомедине. ИФР1 тормозит секрецию СТГ по механизму отрицательной обратной связи.

Однако впоследствии были выявлены заметные различия в биологическом действии СТГ и ИРФ-I на рост разных органов и тканей (Skottner A. et al, 1989) и показано существование прямого действия СТГ на ткани без участия ИРФ1.

Тем не менее СТГ стимулирует экспрессию гена ИФР1 в печени и жировой ткани (Coleman M. et al, 1994). Он увеличивает также образование мРНК ИФР1 в тимусе (Florini J.R. et al, 1996), хотя и в меньшей степени, чем в других органах.
(Информация предоставлена сайтом www.humbio.ru)

Многие исследования выявили биологические характеристики, свойственные людям, дожившим до 100 лет, которые свидетельствуют о том, что адаптация к возрастным физиологическим изменениям- залог удачного старения. Японские ученые из Keio University School of Medicine провели исследование с целью определить гормональные пути, потенциально вовлеченные в энергетический гомеостаз, необходимый для того, чтобы прожить больше 100 лет (статья). Они обследовали 252 долгожителей (возрастом 100-108 лет), используя эндокринные биомаркеры жировой ткани и пути ИФР. Также исследовались традиционные факторы риска. В течение 12 месяцев после обследования пациентов контролировали. В течение 2253 дней наблюдения 208 пациентов (82.5%) умерло. Самый низкий уровень лептина и самый высокий уровень фактора некроза опухоли альфа (ФНО альфа, TNF) ассоциируются с высоким риском смерти среди долгожителей в соответствии с возрастом, полом, образованием, курением, дневной активностью, когнитивной функцией и сопутствующими заболеваниями. Самые низкие уровни ИФР1 и ИФР-связывающего белка 3 также ассоциированы с повышеном риском смерти. Также был подсчитан риск, связанный с жировой тканью, включавший суммарный эффект дисрегуляции адипокинов (активных веществ, которые вырабатываются жировой тканью), который ассоциирован с повышенным риском смерти, дневной активностью, когнитивной функцией, уровнем альбумина, холинэстеразы, липопротеинов высокой плотности, С-реактивного белка, интерлейкина-6 и ИФР1. Эти данные свидетельствуют о том, что адипокины и ИФР1 играют важную роль в поддержании здоровья и увеличения продолжительности жизни.

Молекулы, задействованные в сигнальном пути инсулина, ИФР1 и гормона роста, связаные с долголетием, включают DAF-2, инсулиновый рецептор и их гомологи у млекопитающих, и с инактивацией соответствующих генов, это показано на нематодах, плодовых мушках и мышах. Возможно увеличивающий продолжительность жизни эффект ограничения калорийности питания связан именно со снижением уровня ИФР1. Главными приоритетами в исследованиях регуляции долголетия должны стать:
 - поиск фармакологических модуляторов мутаций генов сигнального пути инсулина, ИФР1 и гормона роста, увеличивающих продолжительность жизни
 - исследования влияния ограничения калорийности питания на этот путь
Этому посвящена недавно вышедшая статья Владимира Николаевича Анисимова.

Klotho- ген антистарения, который ингибирует инсулин и ИФР в мышиных гепатоцитах и миоцитах. ИФР1 и инсулин регулируют пролиферацию, выживание и метастазирование рака груди. В израильском Institute of Oncology Chaim Sheba Medical Center ученые под руководством доктора Ido Wolf провели работу по исследованию экспрессии Klotho и его активности в клетках рака груди (статья). Иммуноцитохимический анализ экспрессии Klotho показал его высокую активность в образцах нормальной ткани груди и очень низкую экспрессию в раковых клетках. В образцах опухоли высокая экспрессия Klotho ассоциированна с маленьким размером опухоли и низким связыванием KI67. Индуцированная экспрессия Klotho снижает пролиферацию раковых клеток линий MCF-7 и MDA-MB-231, кроме того, "молчание" Klotho в клетках MCF-7, которые в норме экспрессируют Klotho, усиливает пролиферацию. Помимо этого, индуцированная экспрессия Klotho в этих клетках или обработка клеток растворимым Klotho ингибируют активацию ИФР1/инсулинового пути, а также индуцируют транскрипционный фактор CCAAT/enhancer-binding protein beta (энхансер-связывающий белок бэта), ингибитор роста рака груди, который отрицательно регулируется ИФР1. Иммунопреципитация позволила выявить связывание Klotho и рецептора ИФР1. Также Klotho является модулятором пути фактора роста фибробластов (FGF), который ингибирует пролиферацию клеток рака груди. Исследования рака груди выявили повышение активации пути FGF при гиперэкспрессии Klotho. Klotho не влияет на эпидермальный фактор роста в клетках рака груди. Эти данные позволяют считать Klotho опухолевым супрессором и ингибитором пути ИФР1 и активатором FGF в человеческих клетках рака груди.

С возрастом у людей возникают проблемы с опорно-двигательным аппаратом, в том числе и из-за патологических изменений в межпозвоночных дисках. У пожилых людей в дисках много стареющих клеток. Стареющие клетки не могут делиться и это снижает способность ткани диска к обновлению, чтобы заменить клетки погибшие некрозом или апоптозом. Ученые из Carolinas Medical Center, Charlotte под руководством Эдварда Хенли (Edward Hanley) провели работу по исследованию старения клеток межпозвоночных дисков и методов воздействия на него (статья). Целями данного исследования были:
1) создание надежной лабораторной модели стресс-индуцированного преждевременного старения человеческих клеток межпозвоночных дисков;
2) определить потенциал ИФР1 в качестве средства против клеточного старения in vitro
Для создания модели использовали 2-часовую обработку перекисью водорода, затем с помощью иммуноцитохимических методов определяли локализацию стареющих клеток по бета-галактозидазе, процентное содержание стареющих клеток в культуре оценивали после 3 дней культивирования. Было создано 9 культур из хирургического материала от 8 пациентов, клетки которых тестировались ИФР1 с концентрацией 0, 50, 100 и 500 нг/мл. ИФР с концентрацией 50 и 100 нг/мл незначительно влиял на процент стареющих клеток, значительное снижение процента стареющих клеток наблюдалось при обработке ИФР с концентрацией 500 нг/мл. Эти данные являются этапом разработки терапевтичеких средств для борьбы с клеточным старением, в том числе и клеток межпозвоночных дисков.

Существует множество данных, которые связывают стресс, накопление оксидативных повреждений в клетке и старение у некоторых видов. Генетические исследования разных организмов- от дрожжей до млекопитающих- показали наличие сигнальных путей, которые участвуют в ответе на стресс и регуляции продолжительности жизни, включая потребление калорий, дыхание в митохондриях, инсулин/ИФР сигнальный путь (IIS) и JNK (c-Jun N-terminal kinase) сигналлинг. Как IIS и JNK сигналлинг взаимодействуют и защищают от стресса, ведущего к старению, до сих пор неизвестно. Немецкие ученые Neumann-Haefelin E, Qi W, Finkbeiner E, Walz G, Baumeister R и Hertweck M из Университета Фрайбурга провели исследование адапторного белка SHC-1, аналога человеческого p52Shc у нематод Caenorhabditis elegans, координирующего механизм ответа на стресс и старение (статья). С помощью генетических и биохимических методов они обнаружили, что SHC-1 не только противодействует IIS ,но и активирует JNK. Потеря функции SHC-1 ведет к ускоренному старению и повышенной чувствительности к жаре, оксидативному стрессу, тяжелым металлам, кроме того человеческий p52Shc компенсирует SHC-1-мутантный фенотип. SHC-1 действует на инсулин/ИФР-рецептор DAF-2 и PI3 киназу AGE-1. Кроме того, SHC-1 активирует JNK сигнальный путь, связываясь с MEK-1 киназой. Оба пути сходятся, контролируя активацию FOXO, транскрипционного фактора DAF-16. Эти данные свидетельствуют о том, что SHC-1 у C. elegans связывает два параллельных сигнальных пути- JNK и  IIS,а также объясняют как эти сигнальные пути обеспечивают ответ на стресс и продолжительность жизни у C. elegans.
Будут весьма интересны и полезны подобные исследования на человеке.

Мутации, снижающие функцию инсулин/ИФР сигнального пути повышает максимальную продолжительность жизни у многих видов. Ограничение калорийности питания (CR) снижает концентрацию ИФР в плазме крови на 40%, защищает от рака и замедляет старение у грызунов. Но до сих пор долговременные эффекты CR и правильного питания на уровень циркулирующего ИФР1 у человека неизвестны.
Коллектив ученых из Division of Geriatrics & Nutritional Sciences, Washington University School of Medicine в составе Fontana L, Weiss EP, Villareal DT, Klein S и Holloszy JO провел исследование долговременных эффектов ограничения калорийности питания (статья). Исследования проводились в течение года и в течение 6 лет и показали, что у людей строгое CR без недоедания не меняет уровень ИФР1 и соотношение ИФР и ИФР-связывающего белка 3. Для сравнения, общий и свободный ИФР1 были значительно ниже у людей, ограничивающих потребление белка. Снижение потребления белка в среднем с 1,67 г/кг массы тела в день до 0,95 г/кг массы тела в день в течение 3 недель у 6 добровольцев вызвало снижение уровня ИФР в плазме крови с 194 нг/мл до 152 нг/мл. Эти данные показывают, что CR у людей не снижает уровень ИФР1 и соотношение ИФР и ИФР-связывающего белка 3. Кроме того,выяснено, что ограничение потребления белка играет ключевую роль в регуляции уровня циркулирующего ИФР1 у людей, а следовательно, ограничение потребления белка может быть частью противоопухолевой диеты и средством анти-старения.

Старение характеризуется прогрессирующим снижением массы и функциональных способностей мышц. Такое состояние, называемое саркопенией, ассоциируется с различными патологическими изменениями, в том числе потерей автономии и смертностью. Саркопения очень широко распространена среди пожилых людей, поэтому очень важно понимание патофизиологии этого процесса. Исследованиями в этой области занимаются в Университете Флориды, в Division of Biology of Aging под руководством проффессора Christiaan Leeuwenburgh. Существуют данные о взаимосвязи между уровнями СТГ и ИФР1 в преклонном возрасте и возрастассоциированными изменениями строения и функций тела. Поэтому, возрастное снижение уровней СТГ и ИФР1 в плазме крови может вызывать снижение мышечной массы и силы. Доклинические исследования показали, что введение ангиотензина II вызывает значительное снижение массы тела в сочетании со снижением уровня ИФР1 в плазме крови и мышцах. Наоборот, гиперэкспрессия мышце-специфичной изоформы ИФР1 снижает ангиотензин II-индуцированное снижение массы мышц. Кроме того, уровень ИФР1 в плазме снижается при использовании ингибиторов ангиотензин-превращающего фермента (АПФ), которые применяются многими пожилыми людьми с гипертонией. Эти данные очень важны для понимания и лечения саркопении, которая значительно ухудшает качество жизни пожилых людей (статья).

Одна из групп возраст-ассоциированных заболеваний- различные нейродегенеративные заболевания имеют разное время манифестации, в их развитие вовлечены различные белки. Семейные формы заболеваний манифестируют в пятой декаде жизни, спорадические случаи-после 70 лет. Еще недавно связь между процессом старения и агрегацией токсических белков (общим признаком нейродегенеративных заболеваний) была неясной. Сигнальный путь инсулина и инсулино-подобного фактора роста 1 регулирует продолжительность жизни, метаболизм и сопротивляемость стрессу (о чем мы многократно говорили выше) и связан с нейродегенеративными заболеваниями и процессом старения. Потеря этого пути приводит к диабету, но может привести к увеличению продолжительности жизни и снижение агрегации токсических протеинов. В недавней статье Cohen E и Dillin A из The Salk Institute for Biological Studies "Инсулиновый парадокс: старение, токсичность белков и нейродегенеративные заболевания" авторы рассуждают об этом парадоксе и терапевтическом потенциале влияния на этот сигнальный путь для лечения нейродегенеративных заболеваний.

Сейчас по всему миру проводятся исследования, связанные с ИФР1. Этот фактор очень важен в аспекте старения и долголетия. На многих животных и на человеке показано, что его уровень продлевает жизнь. Поэтому необходимо искать пути регуляции уровня ИФР1 в организме, находить баланс, при котором улучшиться качество жизни и она станет гораздо длиннее.
Другим вопросом является поиск мишеней для воздействия на сигнальный путь инсулина и ИФР1, одного из важнейших путей, через которые происходит регуляция пролиферации и роста клеток и организма в целом.
Будем надеяться, что современные успехи этого направления биомедицинских исследований уже в ближайшее время перейдут от теоретических выкладок к практическому применению для лечения различных заболеваний.

15 декабря 2008 года