Stc2a通过抑制IGF信号通路调控缺氧应激下生长与生存的权衡机制

《Frontiers in Endocrinology》：Stc2a inhibits IGF-stimulated somatic growth in favor of organismal survival under hypoxic stress

本综述系统阐述了缺氧条件下斑马鱼Stanniocalcin 2a（Stc2a）通过抑制Pappalysin金属蛋白酶活性，进而调控胰岛素样生长因子（IGF）信号通路，在机体生长与生存权衡中的关键作用。研究揭示了Hif2α介导的Stc2a上调是缺氧适应性反应的核心环节，为代谢性疾病及肿瘤缺氧微环境研究提供了新视角。

　　

引言

缺氧对动物机体构成基础性生物能量挑战，与缺血、炎症、肿瘤发生等多种疾病密切相关。为应对低氧环境，细胞通过缺氧诱导因子（HIF）调控基因表达，将代谢模式转向糖酵解并降低整体代谢需求。在整体层面，动物通过重新分配能量资源，优先维持脑、心等重要功能，减少生长、繁殖等非必需活动的投入。斑马鱼作为脊椎动物模型，因其体型小、发育快、世代短等优势，成为研究缺氧条件下体细胞生长与机体生存权衡机制的理想体系。既往研究表明，缺氧通过减弱胰岛素样生长因子（IGF）信号通路延缓斑马鱼发育和生长速率。IGF系统包括IGF配体、IGF-1受体（IGF-1R）及六种高亲和力IGF结合蛋白（IGFBPs），其中Pappalysin家族金属蛋白酶（如PAPP-A、PAPP-A2）可通过水解IGFBPs调节IGF生物利用度。Stanniocalcin（STC）家族蛋白STC1和STC2被证实可抑制PAPP-A/A2活性，但其在缺氧应激中的系统调控作用尚不明确。

结果

缺氧引起激素信号与代谢显著改变

RNA-seq分析显示，缺氧处理与对照组斑马鱼幼虫共有2411个差异表达基因（DEGs），其中703个上调、1708个下调。KEGG通路富集分析表明，上调DEGs显著富集于糖酵解/糖异生、碳代谢、氨基酸合成等代谢通路，而最显著的富集通路为"神经活性配体-受体相互作用"和"激素信号传导"。GO分子功能分析同样显示"信号受体调节活性"和"激素活性"为最显著富集项。下调DEGs则主要富集于辅因子生物合成、角质化包膜形成、肌细胞骨架等通路。这些结果提示缺氧引发显著的代谢重编程和激素信号调控变化。

Stc2a表达受缺氧诱导

在激素活性相关上调基因中，Stc2a mRNA表达量位居前列。发育时序表达分析显示，Stc2a mRNA水平在受精后4天（4 dpf）达到平台期。单细胞RNA-seq数据库挖掘表明，Stc2a在多个组织中表达，尤其富集于中枢神经系统、周皮、神经嵴和轴旁中胚层。成鱼组织中，脑部Stc2a mRNA水平最高，其次为肾脏、眼和鳍。重要的是，缺氧在不同发育阶段均显著上调Stc2a表达，且该诱导效应在Hif2α缺陷鱼中减弱，提示Stc2a表达受Hif2调控。

Stc2a缺失促进生长发育及成体器官增大

通过CRISPR-Cas9技术构建Stc2a基因敲除（Stc2a^-/-）斑马鱼系，发现突变鱼幼体体长、头干角（HTA）和体节数均显著增加，表明发育速度和生长速率加快。饲养6个月后，Stc2a^-/-成鱼体长、体重均显著大于野生型对照，1龄鱼背鳍棘和腹鳍棘长度也显著增加。与Stc1a缺失导致离子细胞增殖异常不同，Stc2a缺失未引起钙转运离子细胞数量、钙平衡或骨矿化显著改变，提示Stc2a特异性调控生长而非离子稳态。

Stc2a通过Pappalysin-Igfbp-Igf信号轴调控体细胞生长

为验证Stc2a通过抑制Pappalysin蛋白酶活性和IGF信号通路调控生长的假设，研究采用IGF-1R抑制剂BMS-754807、Pappalysin抑制剂ZnCl₂、PI3K抑制剂渥曼青霉素和MAPK抑制剂U0126进行干预。结果显示，药物处理均能更显著地抑制Stc2a^-/-鱼的体长增长，使其恢复至野生型水平。Western blotting虽未检测到全鱼体p-Akt和p-Erk水平的组间差异，但药理学实验结果强有力支持Stc2a通过Pappalysin-IGF信号轴负调控体细胞生长的结论。

Stc2a缺失鱼缺氧下生长加速但存活率降低

缺氧条件下，Stc2a^-/-鱼虽生长速率低于常氧状态，但仍显著快于野生型对照，且表现出更高的死亡率。ZnCl₂处理可逆转Stc2a^-/-鱼的过快生长表型，并将其存活率恢复至野生型水平，证实Pappalysin蛋白酶活性参与缺氧下生长-生存权衡的调控。

讨论

本研究首次在体证实Stc2a是缺氧应激下调控生长与生存权衡的关键因子。缺氧通过Hif2α上调Stc2a表达，后者通过抑制Pappalysin金属蛋白酶活性，降低IGF信号通路活性，从而抑制体细胞生长，将能量资源重新分配至维持生命的关键过程。该机制与人类STC2功能缺失突变携带者身高增加、小鼠Stc2基因敲除后体型增大等进化保守现象一致。转录组分析提示的代谢重编程（如糖酵解关键酶Pfkpb3、Hk1、Pkma上调和糖原合成相关基因Gck下调）可能共同参与能量再分配过程。未来需开发更灵敏的IGF信号检测方法，明确特定Pappalysin亚型和IGFBP底物，并在哺乳动物模型中验证STC2在缺氧应激中的保守功能。

研究局限性

由于斑马鱼幼体体型微小，Western blotting未能有效检测磷酸化信号蛋白的组间差异。ZnCl₂作为广谱Pappalysin抑制剂，无法区分Papp-aa、Papp-ab和Papp-a2的具体贡献。斑马鱼9种Igfbp成员中哪些参与Stc2a调控仍有待阐明。

材料与方法

实验采用野生型AB系斑马鱼及Tg(igfbp5a:GFP)、hif2αbΔ10^-/-、stc1a^-/-等转基因或突变品系。缺氧处理在6% O₂条件下进行，RNA-seq采用Illumina NovaSeq X Plus平台测序。基因敲除通过CRISPR-Cas9技术实现，表型分析包括体长、HTA测量、茜素红染色等。统计学分析采用GraphPad Prism 9软件，组间比较使用t检验、ANOVA或Log-rank检验。