doi:10.1038/nrendo.2018.22；Published online 16 Mar 2018
核心要点
生长激素（GH） - 胰岛素样生长因子（IGF）轴由中枢神经结构、调节和遗传系统，以及外周细胞内GH信号通路组成；
1985年重组人GH（rhGH）的引入结束了垂体衍生的人类生长激素（hGH）应用的局限性和风险，开启了广泛临床应用的可能性；
GH缺乏症（GHD）是一种具有多种不同病因的综合征，与生长、身体组成和新陈代谢的改变有关；
在一些非GHD身材矮小的疾病中，rhGH已被证明是有效的，并被用作目前尚未知的、针对病理生理学治疗的替代治疗方法。
目前创新的治疗方法涉及个性化常规rhGH、研发长效GH制剂、基因治疗的前景，以及GH-GH受体拮抗剂以及可能的新适应症
续第1部分：
1884-1957年间GH-IGF轴相关重要发现的时间线
GH：生长激素；hGH：人类GH
1958年至今GH-IGF轴重要发现的时间线
CJD，Creutzfeldt-Jakob病（俗称疯牛病）；GH，生长激素；GHBP，GH结合蛋白; GHD，GH缺乏症；GHR，GH受体；GHRH，GH释放激素；hGH：人GH；IGF1，胰岛素样生长因子1； IGF2，胰岛素样生长因子2； IFGBP，IGF结合蛋白； pit-hGH，垂体hGH；rhGH，重组人GH；rhIGF1，重组人IFG1.
生长激素-过去、现在和未来
第二部分
GH-IGF轴
GH-IGF轴
从GH合成（包括其解剖学和分子学基础）到其细胞和部分IGF介导的作用的级联简称为'GH-IGF轴'；然而，在许多方面，它的作用是网络化的。本节简要概括不同水平的GH-IGF轴的各种生理学和病理生理学方面的作用和调节，实际上这些作用已经交织在一起。本文关于GH-IGF轴的讨论的焦点是针对遗传、细胞和神经内分泌水平的hGH分泌、GH信号转导以及IGF及其结合蛋白的功能的调节。关于GH-IGF轴和GH信号传导的概述，参见图3。
图3 GH-IGF轴和GH信号通路
a | 生长激素（GH）分别在下丘脑激素GH释放激素（GHRH）的刺激（+）和生长抑素抑制（ - ）作用下以垂体生长激素的脉冲方式分泌。 GHRH被生长素释放肽（Ghrelin）激活，而脂肪细胞通过瘦素（Leptin）介导的生长抑素分泌和游离脂肪酸（FFA）对垂体生长激素的直接作用抑制GH分泌。 GH作用于多种细胞类型、组织和器官，但对于生长而言，其主要目标是肝脏以及长骨和脊柱的骨骺板。
b | 在表达GH受体（GHR）的所有细胞中，GH的结合通过复杂的信号传导途径导致许多基因的表达增加。关于生长，肝脏的主要途径是激活Janus激酶2（JAK2）和信号转导和转录激活因子5B（STAT5B），导致编码胰岛素样生长因子1（IGF1）和IGF2、IGF结合蛋白3（IGFBP3）和IGFBP5以及酸不稳定亚基（acid labile subunit，ALS）等基因表达增加，其以所谓的三元复合物的形式进入循环。 IGF1和IGF2通过蛋白酶，特别是pappalysin 2（PAPPA2）从该三元复合物中释放出来，使其能够通过毛细血管上皮并进入间质。循环IGF1既作为垂体中GH分泌的负面因子，也对几乎所有细胞类型具有一般的合成代谢功能。
c | 骺板中的软骨细胞不仅受IGF1和IGF2刺激，而且还受GH直接刺激作用，增殖性和肥大性软骨细胞也分泌IGFs（自分泌调节）。
ERK，细胞外信号相关激酶;
GRB，生长因子受体结合蛋白;
IRS1，胰岛素样生长受体1;
SHC，SHC转化蛋白;
SOS，第七同系物之子;
SRC，原癌基因酪氨酸蛋白激酶Src。
垂体的发育
哈里斯（Harris）在20世纪40年代进行的早期解剖学研究（1948年），洞悉下丘脑 - 垂体门静脉血管和神经结构的解剖，这为研究垂体激素（例如GH）及功能完整性奠定了基础。垂体的个体发育，包括神经外胚层来源的垂体后部区域和漏斗（茎），以及口腔外胚层来源的前部区域，涉及许多复杂遗传控制的因素。
与其他颅脑畸形相关的垂体畸形，如Rathke裂囊肿、视隔发育不良（septo-optic dysplasia，SOD）或全脑畸形，是先天性垂体功能低下的原因。
HESX1（编码homeobox expressed in ES cells 1，ES细胞表达同源框1）中的缺陷显示在人和小鼠中可引起SOD（septo-optic dysplasia，视隔发育不良）
LHX3（编码the LIM homeobox protein 3，LIM同源框蛋白3）中的缺陷导致小鼠垂体发育不全和垂体功能低下，并伴有颈部僵硬。
在人类中垂体柄中断综合征的特征是垂体柄中断、异位垂体后叶和垂体前叶发育不全/不发育，这是发育异常的一个例子，它只影响垂体区域，可由HESX1或LHX4缺陷引起。
从祖细胞到专门产生激素的成熟垂体前叶细胞（例如GH分泌细胞），在垂体前叶发育过程在基因上以特定的顺序发生。这种极其复杂的过程受基因控制下的转录因子控制。编码这些转录因子的基因的突变，导致不同的垂体激素缺乏组合模式。
在GH、TSH和催乳素缺乏患者中首先发现POU1F1（pituitary-specific positive transcription factor 1，编码垂体特异性阳性转录因子1）突变；
不久后，在PROP1基因（编码Pit 1的垂体特异性转录因子同源框蛋白先驱基因，pituitary-specific transcription factor homeobox protein prophet of Pit 1 ）中发现了突变 ，它在几乎所有垂体前叶激素产生细胞的发育中起作用。 PROP1突变代表垂体功能减退症的相对常见原因。
此外，免疫球蛋白超家族成员1（immunoglobulin superfamily member 1，IGSF1）缺乏主要与中枢性甲状腺功能减退和催乳素缺乏有关，但在14％的IGSF1缺乏儿童中观察到暂时性的部分GHD。所有报告的GHD遗传原因列于补充表S1中。
表S1 与GH-IGF轴的疾病相关的基因（截止2018）
S1a 生长激素缺乏和潜在的垂体激素合并缺乏（继发性IGF缺乏症）
S1b 孤立性生长激素缺乏或无生物活性（继发性IGF缺乏）
S1c 原发IGF-I缺乏（GH正常/高; IGF-I低）
S1d （表观）IGF-I不敏感（IGF-I通常>年龄均值）
hGH网络
在解析hGH的一级结构后，三维结构显示hGH存在四个α-螺旋、非螺旋链、两个二硫键和疏水核心。 GH具有两个GHR结合位点，位于与GHR分子相互作用的一组α-螺旋的两端。
含有hGH基因（GH1和GH2）和人绒毛膜促生长激素基因（CSH1，CSH2和CSP1）的基因簇位于染色体17q23.3的长臂上。 GH1基因编码24kDa的前-hGH长转录物，其通过可变剪接处理初级转录物，形成22kDa的主要hGH变体 或20kDa变体（191个氨基酸），或一种20kDa变体（缺少32-46位氨基酸，约占10%）。 GH2基因产物是22kDa hGH变体（hGH-V），其仅在胎盘的合胞体滋养层中表达并释放到母体循环中，在胎儿 - 母体发育中起作用。
除了这些基因表达形式的hGH外，血液中hGH的翻译后修饰还有很多种，包括N（α） - 酰化、脱酰胺和糖基化的单体GH形式，以及非共价和二硫键连接的GH低聚物。这些形式的GH功能角色并不清楚。
GH1基因突变可导致垂体孤立性GHD（IGHD，isolated GHD，孤立性生长激素缺乏），并且通常根据其遗传方式分类（参见补充表S1b）。
IGHD IA型患者，属于常染色体隐性遗传疾病，由于包括完整GH1基因在内的7.5kb缺失而导致GH缺乏，当用hGH治疗时，会出现导致生长减弱的抗GH抗体。
IGHD IB型，表现不太严重的常染色体隐性疾病，是GH1基因中剪接位点、移码或无义突变或GHRHR（其编码GHRH受体）突变的结果。
常染色体显性遗传的IGHD II型，由GH1中的杂合剪接位点、错义或剪接增强子突变或内含子缺失引起，其导致越过第三外显子和随后的17.5kDa GH变体，其对GH分泌发挥显性负效应。
X连锁形式的IGHD III型（X连锁的低丙种球蛋白血症和孤立性GHD，XLH-GHD）的特征在于GHD合并出现丙种球蛋白缺乏症。
S1b 孤立性生长激素缺乏或无生物活性（继发性IGF缺乏）
循环中天然的hGH可以通过免疫测定进行测量，但是1978年，Kowarski及其同事第一个发现天然循环的hGH可以改变后，仍可用免疫法测量但可无活性或活性最小化。很久以后，有报道在矮身材儿童中，GH1中的点突变可以导致GH失活，而这些患儿对rhGH治疗反应好。
在接下来的段落中，讨论了GH分泌的三种主要调节因子和GH分泌机制。
GH释放激素
1982年，从导致肢端肥大症的胰腺肿瘤中分离出刺激GH产生和垂体生长激素释放的肽。这些肽包括GRF（1-40）NH2，GRF（1-37）NH2和（主要成分）GRF（1-44）NH2，起初被称为'GH释放因子'（GH‑releasing factor，GRF），后来才正式命名GH释放激素（GH‑releasing hormone，GHRH）。GHRH在垂体特异性转录因子POU1F1存在下，通过G蛋白偶联受体GHRHR，对生长激素增殖和GH分泌产生影响（图3a）。 GHRHR中的点突变是GH缺乏侏儒（lit/lit）小鼠的致病原因，并且发现类似的基因缺陷可以导致人类严重的GHD。
图3a
生长抑素
1973年，从成千上万的绵羊下丘脑中分离出一种称为'生长激素释放抑制因子'（somatropin-release inhibiting factor，SRIF；现称为somatostatin，生长抑素）的GH抑制肽。 在下丘脑的腹内侧核的神经元中可产生的14或28个氨基酸肽链，并通过GH分泌细胞上（somatotrophs）的G蛋白偶联的生长抑素受体（SSTR）抑制GH分泌（图3a）。已知五种SSTR亚型（SSTR1-SSTR5），其中SSTR2是GH分泌细胞（somatotrophs）的主要受体。生长抑素分泌可以抑制垂体分泌TSH和催乳素。生长抑素还对肠道和身体其他部位中的各种其他激素的表达发挥抑制作用。 IGF1和生长抑素拮抗剂GHRH增强下丘脑生长抑素释放，而生长抑素抑制GHRH引起的垂体GH分泌。
Ghrelin
1999年，GH促分泌素（GH secretagogue，GHS）ghrelin（胃促生长素，胃饥饿素，生长激素释放肽）被发现，这是一种28个氨基酸的肽，在Ser3上具有独特的N-辛酰化修饰。 Ghrelin影响GH分泌和能量稳态，并且主要由其在肠细胞中的前体转化产生，但也在下丘脑的腹内侧和弓状核中产生。Ghrelin可被Ghrelin-O-酰基转移酶（GOAT）乙酰基化，转变为主要成分C端-Ghrelin，经由GHS受体（GHSR）同种型、GHSR1a传递其生物学信号（例如，GHRHR相关GH释放的调制）。血液中的Ghrelin水平在禁食状态下较高而在喂食后较低。 Ghrelin和瘦素被认为建立了肠道、能量稳态，以及GH和促性腺激素的神经内分泌调节之间的必要联系。
GH分泌机制
如通过频繁取样（每5-20分钟）评估，GH以脉冲模式分泌，具有峰值（夜间高于白天，并且由节律性下丘脑生长抑素分泌减少所介导）和低谷（图3a）。利用Veldhuis开发的去卷积（deconvolution）技术，已经在儿童、青少年和成人中研究了许多影响GH分泌质量和数量的因素（例如，年龄、性激素和营养状况）。 GHRH、生长抑素和Ghrelin及其连续的级联作用是调节GH分泌的因子网络中最重要的参与者。重要的是，人类的GH低谷（对人体成分）和高峰（对生长）可能会有不同的作用。
GH信号转导
GH信号转导涉及GHR、GH结合蛋白（GHBP）、GH-GHR相互作用和随后的细胞内信号传导级联。
GHR和GHBP
GH与其细胞表面受体GHR结合，启动细胞内信号级联反应。 GHR是1类造血细胞因子受体家族（class 1 haematopoietic cytokine receptor family）的成员，由GH结合的细胞外区域（长度246个氨基酸）、螺旋跨膜区域（长度24个氨基酸）和细胞内结构域（350个氨基酸组成），后者介导GH结合信号的细胞内传递。 GHR基因位于染色体5p13上，由10个外显子组成。常见的GHR多态性是外显子3（GHRd3）的缺失，其是编码细胞外结构域的基因区域（外显子1-7）的一部分，导致GHRd3同种型可能比GH对野生型GHR更敏感。
最初，人们认为GHR的二聚化是在GH分子被一个GHR捕获后发生的。但后来证明GH与GHR二聚体结合，然后GHR二聚体改变其构象并转导信号（见动画）。细胞区域、跨膜和细胞内区域的GHR突变导致常染色体隐性遗传和GH不敏感的Laron综合征。
动画：GH与GHR二聚体的作用
在人类中，GHR的细胞外结构域可以被金属蛋白酶TNF转换酶（metalloproteinase TNF-converting enzyme，TACE；也称为ADAM17）切割，并转化为血液循环中的GHBP。血液中GHBP的浓度被认为反映了GHR表达状态。 GHBP结合约50％的循环GH，可延长GH的半衰期，因此可作为缓冲体系；然而，它的生理作用尚不完全清楚。根据GHR缺陷的位置，在Laron综合征患者中可能不存在GHBP（约75％的病例）或存在正常或甚至浓度增加的GHBP。
GH细胞内信号转导
在GH-GHR结合后，几种细胞内信号传导途径被激活，例如Janus激酶（JAK） - 信号转导和转录激活因子（STAT）途径等（图3b）。 JAK家族（主要是JAK2）的酪氨酸激酶的活化导致STAT蛋白（特别是STAT5b）的活化，其诱导二聚化和核转位，从而促进各种基因的转录，例如编码IGF1、IGF结合蛋白 3（IGFBP3）、酸不稳定亚基（ALS）和IGF2等基因（图3b）。由GH激活的其他途径包括促分裂原活化蛋白激酶（MAPK） - 细胞外信号调节激酶（ERK）途径。通过泛素蛋白 - 蛋白酶体系统（ubiquitin-proteasome system）内化GH-GHR复合物是GH降解的一部分，但该复合物甚至可能导致激素的自分泌作用（intracrine hormone actions）。
图3b
IGF-IGFBP系统
1957年，Salmon和Daughaday在体外研究发现，硫酸盐通过血清整合入软骨不是GH的直接影响，而是间接影响。这种所谓的硫酸化因子后来被称为“生长调节素”（somatomedin），一种主要定义为GH依赖性、胰岛素样和促有丝分裂作用的实体。后发现“生长调节素”（somatomedin）与已知的胰岛素样因子（IGF1和IGF2）相同，后者根据它们与胰岛素原的相似性来命名，并成为官方命名法。 IGF的功能是增加细胞增殖、促进组织特异性细胞功能，发挥类似于胰岛素的代谢有用，并有引起抗细胞凋亡的作用。
随后的研究表明，IGF系统还包括两种受体酪氨酸激酶，即IGFR1（类似于胰岛素受体）和IGFR2，以及六种结构相似的IGFBP（IGFBP1-IGFBP6），它们对IGF的亲和力约为同一个数量级，但高于IGFs与IGFRs的亲和力（图3）。 IGFBPs与IGF结合，阻止IGF降解并促进它们在体室内转运。 IGFBP还可以与细胞结构、组织基质蛋白和肽等结合，例如蛋白多糖（proteoglycans）和整联蛋白（integrins）。这种结合降低了对IGF的亲和力，从而使IGF可发挥作用。独立于IGF的作用之外，还发现IGFBP可刺激细胞增殖，并可能具有其他额外的作用。
出生后生长所需的关键组分是IGF1、IGFBP3和ALS，它们都是GH依赖性、并形成大的（150kDa）三元复合物（ ternary complex ，图3b）。 IGFBP3可以进行翻译后修饰。例如，IGFBP3的糖基化或磷酸化增加与IGFs的结合，而蛋白水解、去磷酸化或去糖基化降低与IGFs结合，从而调节IGFs对其靶标的可用性。 IGFBP3被金属蛋白酶（例如，冠毛素pappalysin2，PAPPA2）特异性切割，其从三元复合物中释放IGF1（游离IGF1）并使其可作用于IGF1R（图3b）。该复杂级联的所有元件均可修饰IGF功能，因此是新型药物疗法的潜在靶标。
在20世纪80年代中，讨论了GH或IGF是否作为线性生长的主要促进剂，而IGF的内分泌与旁分泌和/或自分泌作用在20世纪90年代进行了争论。后来使用肝脏特异性Igf1缺陷（LID）小鼠，和其他遗传操作的小鼠模型的动物实验证实，GH和IGF在生长调节中具有全部和部分内分泌介导的功能。
待续：
第三部分：GHD
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