Isthmin-1的生物學功能及其在肺部疾病中的作用

孫淑琪?崔學芬?王瑤瑤?王洪梅?王雨陽?于新娟

【摘要】Isthmin-1（ISM1）屬于Isthmin基因家族，在多種組織中均有表達，具有多種生物學功能。研究顯示ISM1參與生長發育、代謝、免疫、腫瘤發生等生理病理過程，與ARDS、COPD、肺纖維化等多種肺部疾病存在關聯。該文就ISM1的結構、生物學功能及其在肺部疾病中的作用進行綜述，旨在為ISM1相關疾病的診斷及治療提供理論基礎。

【關鍵詞】Isthmin-1；分泌蛋白；急性肺損傷；慢性阻塞性肺疾??；肺纖維化

The biological function of Isthmin-1 and its correlation with pulmonary diseases Sun Shuqi， Cui Xuefen， Wang Yaoyao， Wang Hongmei， Wang Yuyang， Yu Xinjuan. School of Clinical Medicine， Weifang Medical University， Weifang 261053， China

Corresponding author， Yu Xinjuan， E-mail： yxj4501@126.com

【Abstract】Isthmin-1 （ISM1） belongs to the Isthmin gene family. It is expressed in various tissues and has multiple biological functions. ISM1 is involved in growth and development， metabolism， immunity， tumorigenesis and other physiological and pathological processes， which is associated with a variety of lung diseases， including acute respiratory distress syndrome， chronic obstructive pulmonary disease and pulmonary fibrosis， etc. In this article， the structure， biological function of ISM1 and its role in pulmonary diseases were reviewed， aiming to provide a theoretical basis for the diagnosis and treatment of ISM1-related diseases.

【Key words】Isthmin-1； Secretory protein； Acute lung injury； Chronic obstructive pulmonary disease； Pulmonary fibrosis

Isthmin-1（ISM1）是Pera等在2002年篩選爪蟾胚胎分泌蛋白時首次發現的一個新的蛋白家族成員，因其在中腦-后腦邊界或大腦峽部的顯著表達而得名［1］。ISM1在動物體內的多種組織中表達，且在不同動物體內表達具有時空變異性，可協調多個器官的正常發育。ISM1在脂肪組織中呈強表達，通過抑制脂肪組織對葡萄糖的攝取，從而改善胰島素抵抗和肝臟脂肪變性。此外，ISM1通過促進細胞凋亡、抗血管生成及調節多種炎癥途徑影響機體的免疫反應，在腫瘤、ARDS、COPD、肺纖維化的發展中發揮重要作用。本文就ISM1的生物學功能、作用機制及未來可能的研究方向進行闡述，以期為后續相關研究提供理論依據，從而為相關疾病的治療提供參考。

一、ISM1的結構

ISM1基因定位于染色體20p12.1，包含8個外顯子。其編碼的蛋白質分子量約為60 kDa，由499個氨基酸殘基構成。ISM1蛋白由氨基端（N端）的信號肽、中央區域的凝血酶反應蛋白1型重復序列（TSR1）和羧基端（C端）的黏附相關結構域（AMOP）組成，包含3個α-螺旋和2個β-折疊［2］。ISM1的結構域在物種間高度保守，小鼠的TSR1結構域和人、非洲爪蛙和斑馬魚之間的同源性分別為98%、88%和87%，小鼠的AMOP結構域和人、非洲爪蛙和斑馬魚之間的同源性分別為99%、91%和85%［3］。TSR與細胞遷移、通信和組織重塑有關，而AMOP與細胞黏附和血管生成有關［3-4］。ISM1的TSR結構域在Trp223和Trp226處均含有C-甘露糖化序列，促進內質網到高爾基體的運輸和蛋白質分泌，從而調節ISM1的分泌［5-6］。ISM1在體內以不同的物理狀態存在，可溶性ISM1的AMOP結構域中的RKd基序選擇性結合內皮細胞表面的αvβ5整合素，抑制血管生成并通過直接募集和激活半胱氨酸蛋白酶-8（caspase-8），誘導內皮細胞凋亡［1， 7］。固定化的ISM1失去了其抗血管生成的能力，通過激活黏附斑激酶來促進內皮細胞的黏附、存活和遷移［1］。

二、生物學功能

ISM1不僅能調節生長發育、代謝，而且在免疫、腫瘤發生及發展等多種生理及病理過程中發揮重要作用。

1. 生長發育

ISM1在胚胎發育早期即有表達，通過調節細胞外信號，作用于各種胚胎模式中心的下游，影響發育過程［8］。在出生后和成年后，ISM1廣泛分布于身體的各個部位，主要在肺和大腦中表達，在支氣管及小腦也有較強的表達［9］。ISM1通過與整合素α8β1相互作用促進細胞-細胞黏附、調節膠質細胞源性神經營養因子（GDNF）/受體酪氨酸激酶（Ret）信號傳導，從而調節腎臟發育早期腎分支形態發生［10］。Osório等［11］研究發現，異位ISM1可以通過其AMOP結構域與 NODAL 配體和 I 型受體 ACVR1B相互作用，從而干擾 NODAL-ACVR1B 相互作用并下調Smad2的磷酸化導致雞胚胎的心臟定位異常。Lansdon等［12］研究發現，在非洲爪蛙胚胎中抑制ISM1導致胚胎體軸縮短、眼睛缺失或缺陷、尾巴異常以及包括類似于人類的唇裂或腭裂等顱面畸形，且隨著抑制程度的增加，將會導致整個胚胎異常甚至無頭畸形。因此，ISM1在早期胚胎生長發育中具有重要的作用。

2. 代 謝

成熟脂肪細胞分泌的ISM1可以觸發類似于胰島素的信號級聯反應，在糖、脂類、蛋白質的代謝過程中發揮重要作用［13］。研究顯示，ISM1促進包括人脂肪細胞、骨骼肌細胞在內的多種細胞攝取脂肪及葡萄糖，合成蛋白質，抑制脂質合成，從而改善高血糖和減少脂質積累［13-14］。Jiang等［13］研究發現，ISM1通過激活雷帕霉素靶蛋白C2（mTORC2）/磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K）/蛋白激酶B（AKT）信號通路以及促進葡萄糖轉運蛋白4從細胞質向質膜的易位，增加細胞對葡萄糖的攝取。此外，ISM1通過抑制胰島素誘導的脂肪合成因子甾醇調節元件結合蛋白-1及其靶基因在肝細胞中的表達，影響脂質從頭合成。在肝細胞和骨骼肌細胞中，ISM1通過AKT/mTORC1/核糖體蛋白s6激酶1（S6K1）信號通路促進蛋白質合成［13， 15］。

Wang等［16］研究顯示中年2型糖尿病超重人群的血ISM1水平低于非2型糖尿病超重人群，推測ISM1可能會降低患糖尿病的風險。Xu等［17］研究發現，血清ISM1水平與腎小球濾過率呈負相關，ISM1水平可作為預測2型糖尿病患者腎損傷的潛在生物標志物。因此，ISM1有望為糖脂代謝失調相關疾病的診療提供新的靶點，如2型糖尿病和非酒精性脂肪性肝病等。

3. 免 疫

Valle-Rios等（2014年）發現，ISM1可能與免疫反應有關，ISM1是由皮膚、黏膜組織和一些可能與自然殺傷細胞（NK）、自然殺傷性T淋巴細胞（NKT）和輔助性T淋巴細胞17（Th17）細胞系有關的肺淋巴細胞等產生。近年研究顯示，在草魚呼腸孤病毒攻擊的斑馬魚中，ISM1可以通過激活TANK結合激酶1（TBK1）/干擾素調節因子3（IRF3）/I型IFN（IFN-I）信號通路促進IFN-I基因和IFN誘導的抗病毒蛋白基因MxA的表達，從而減少細胞病變和病毒復制［2］。此外，River-Torruco等［18］研究發現，ISM1是一種與祖細胞樣細胞相關的新型生物標志物，且ISM1+細胞參與宿主對細菌攻擊的反應，表明產生ISM1的細胞與膿毒癥等炎癥反應之間存在關聯。因此，ISM1可能在先天性和獲得性免疫反應中具有重要的作用。

4. 腫瘤發生、發展

ISM1通過促進細胞凋亡、抗血管生成及調節多種炎癥途徑影響機體的免疫反應，而以上途徑與腫瘤的發生、發展密切相關，表明ISM1可能是腫瘤治療的潛在靶點。葡萄糖調節蛋白78（GRP78）是一種應激反應蛋白，屬于熱休克蛋白家族，在黑色素瘤、乳腺癌、前列腺癌、肺癌和卵巢癌中上調，不僅與患者對化學治療耐藥及預后不佳有關，而且還與腫瘤細胞增殖有關［19-20］。研究顯示，ISM1通過AMOP結構域的RKD基序與內皮細胞表面的αvβ5整合素和GRP78結合，選擇性地誘導表面高表達GRP78的腫瘤細胞和內皮細胞凋亡，從而抑制肝癌、乳腺癌、黑色素瘤等腫瘤的血管生成和轉移［19-21］。Suman等［22］發現，ISM1的DNA甲基化與基因表達負相關，推測ISM1的DNA低甲基化可能是預測小葉乳腺癌患者具有更好預后的生物標志物。然而，Wu等［23］通過富集分析顯示，ISM1上調與上皮-間充質轉化（EMT）、缺氧、Notch和Kras信號通路呈正相關，而上述途徑在腫瘤發生、發展中具有重要的作用，且進一步的研究發現，結直腸癌組織中ISM1表達較高的患者總生存期較短。ISM1在腫瘤中的作用尚存在爭議，但這不能否定其在抗癌治療中的潛力，且目前尚未有研究表明ISM1在肺部腫瘤中的作用及可能的作用機制，因此未來仍需要對ISM1進行深入研究。

三、ISM1與肺部疾病

1. ISM1與ARDS/急性肺損傷（ALI）

ALI和ARDS具有性質相同的病理生理改變，嚴重的ALI或ALI的最終嚴重階段被定義為ARDS。ALI/ARDS主要病理特征為肺微血管通透性增高而導致的肺水腫及透明膜形成，并伴有肺間質纖維化［24］。肺微血管內皮細胞（PMVEC）的高通透性是ARDS的重要機制之一。研究顯示，ISM1在脂多糖（LPS）誘導的小鼠ALI肺組織中表達上調，ISM1通過與GRP78相互作用導致Src激活，使內皮連接蛋白的酪氨酸磷酸化，從而升高內皮細胞單層通透性，促進ALI的發生［20］。Li等［25］發現，當PMVEC與ISM1高度上調的原代Ⅱ型肺泡上皮細胞（AECⅡ）共培養時，PMVEC的通透性在缺氧條件下升高；而當PMVEC與ISM1低表達的AECⅡ共培養時，缺氧誘導的PMVEC單層高通透性明顯減弱。此外，因為ISM1對已知的調節血管通透性的活性分子物質有潛在影響，推測ISM1還可間接調節內皮通透性。因此，ISM1可能通過誘導內皮細胞凋亡、促進細胞間連接蛋白磷酸化及影響血管通透性的活性分子物質參與ARDS和ALI的透明膜和肺水腫的發生。然而，有學者通過LPS誘導的ALI小鼠模型研究發現，ISM1缺乏導致LPS誘導后的ALI小鼠肺部炎癥加劇，包括中性粒細胞和單核細胞來源的肺泡巨噬細胞在內的白細胞浸潤增加，以及多種促炎細胞因子/趨化因子的上調，而局部氣道給予ALI小鼠滴注重組ISM1后，可以通過抑制肺泡巨噬細胞NF-κB活化有效地抑制LPS誘導的急性肺部炎癥和ALI［26］。因此ISM1在ALI發病中的作用尚存在爭議，可能與不同的給藥方式有關，未來需要進一步的研究來闡明這一點。

2. ISM1與COPD

COPD是肺內平衡紊亂、免疫反應失調的一種異質性肺部疾病。肺泡巨噬細胞（AM）在COPD的進展中發揮關鍵作用［27］。研究顯示，ISM1基因敲除的自發性肺氣腫小鼠以及COPD小鼠中AM數量增加，分泌基質金屬蛋白酶和組織蛋白酶增多，但吞噬和清除功能受損，故COPD患者伴隨持久的肺部炎癥，發生不可逆性的肺功能下降及進行性肺氣腫［28-29］。Lam等［29］研究發現，在COPD患者及香煙煙霧誘導的COPD小鼠肺組織中，ISM1的表達與細胞凋亡數量呈正相關，進一步研究發現ISM1通過靶向AM表面高表達的GRP78介導細胞凋亡，抑制肺部炎癥，阻止肺氣腫的發展，并保護肺功能。因此，ISM1可能通過誘導肺泡巨噬細胞凋亡維持肺內環境穩定，延緩COPD患者的病程進展，這為COPD提供了新的治療策略。

3. ISM1與肺纖維化

肺纖維化是肺泡損傷后組織修復異常導致細胞外基質（ECM）過度積累并替代正常實質，導致結構損傷、功能障礙的一種疾?。?0］。ALI急性炎癥后，肺進入修復和重塑，最終導致纖維化的發生。ISM1基因敲除的小鼠肺表現出肺纖維化和瘢痕形成的加劇，這種肺纖維化加劇與促纖維化細胞因子轉化生長因子-β（TGF-β）的上調相關。TGF-β是最有效的促纖維化誘導劑之一，通過招募和激活單核細胞和成纖維細胞以及誘導病變中ECM的沉積來加速肺纖維化的進展［31］。研究顯示，ISM1 缺乏導致 LPS 誘導后的ALI小鼠肺組織中的TGF-β上調，膠原蛋白過度積累，最終出現肺纖維化和瘢痕形成［26］。因此，ISM1在ALI的纖維化發生和發展過程中發揮重要作用，其具體機制和作用通路尚不明晰，仍需進一步探討。

四、總結與展望

ISM1作為一種分泌蛋白，在生長發育、代謝、免疫、腫瘤發生及發展等生理和病理過程中起著重要作用，與呼吸系統疾病也存在一定關聯，然而其在呼吸系統疾病中的作用及機制尚未完全闡明，在未來的研究中仍需進一步探討。

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（收稿日期：2023-08-29）

（本文編輯：林燕薇）