S100A9蛋白研究進(jìn)展

段 睿，孫向東，劉文第

(河南中醫(yī)學(xué)院中醫(yī)藥免疫學(xué)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州450046)

S100A9 是一種鈣結(jié)合蛋白，主要限制性地表達(dá)于單核－巨噬細(xì)胞系、中性粒細(xì)胞以及特定病理狀態(tài)下的角質(zhì)化細(xì)胞中［1］。S100A9 高選擇性結(jié)合Ca2+、Zn2+，以及花生四烯酸、角蛋白中間絲、晚期糖基化終產(chǎn)物受體(receptor for advanced glycation end products，RAGE)、Toll 樣受體4(Toll-like receptor 4，TLR4)、基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)等，具有細(xì)胞內(nèi)、外調(diào)節(jié)活性，參與炎癥反應(yīng)和腫瘤發(fā)展過程［2］。S100A9 與感染性疾病、免疫性疾病、腫瘤等多種疾病相關(guān)，以S100A9 蛋白為治療靶點(diǎn)的研究也成為熱點(diǎn)。

1 S100A9 蛋白基本信息

1.1 發(fā)現(xiàn)與命名 1965年，Morre 從牛的大腦組織中首次分離出一種神經(jīng)系統(tǒng)特異性蛋白混合物，因?yàn)樵擃惖鞍啄軌?00%溶解在飽和硫酸銨中性溶液中，故稱之為S100 蛋白［3］。目前S100 家族有20 多個(gè)成員，S100A9 是其中較為重要的一個(gè)。1987年，Haimoto 從髓樣細(xì)胞中純化獲得S100A9，并顯示出抑制酪蛋白激酶的活性［4］。同年，Odink 在類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者的浸潤性巨噬細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)S100A9，并命名為骨髓相關(guān)蛋白－14(myeloid related protein-14，MRP-14)［5］。Goebeler 稱其為遷移抑制因子相關(guān)蛋白－14，由于MRP-14 能改變角蛋白中間絲的位置以應(yīng)答鈣刺激［6］。1991年，Edgeworth 等［7］證實(shí)，豐富的S100A9 存在于中性粒細(xì)胞和單核細(xì)胞中，并且緊隨其后的是第1 次大規(guī)模的純化蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)測定。根據(jù)S100 家族成員編碼基因在染色體上的順序，Herzman 等將之命名為S100A9，2006年，S100A9 命名指南出版［8］。

1.2 結(jié)構(gòu) S100A9 是一種鈣結(jié)合蛋白，在蛋白數(shù)據(jù)庫中可查詢其結(jié)構(gòu)，由114 個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成。每個(gè)S100A9 單體都包含一個(gè)低親和力氨基端鈣結(jié)合位點(diǎn)和高親和力羧基端鈣結(jié)合位點(diǎn)。低親和力鈣結(jié)合位點(diǎn)EF-1 手型結(jié)構(gòu)由14 個(gè)氨基酸殘基組成:1－螺旋(E)、1－環(huán)、2－螺旋(F);高親和力鈣結(jié)合位點(diǎn)由12 個(gè)氨基酸殘基組成:3－螺旋(E)、2－環(huán)和4－螺旋(F)，即EF-2 手型結(jié)構(gòu)。螺旋2 和3 由鉸鏈區(qū)連接。在鈣結(jié)合位點(diǎn)之上有一個(gè)構(gòu)象變化通過螺旋3 旋轉(zhuǎn)，這樣，暴露的疏水裂可能作為一個(gè)與大分子相互作用的錨定點(diǎn)［9］。羧基端殘基103 ～105 是花生四烯酸的結(jié)合區(qū)。鋅結(jié)合位點(diǎn)是位于羧基端區(qū)域鄰近的一系列組氨酸殘基，但是Zn2+－S100A9 的結(jié)構(gòu)至今尚未確定。還有一種相對分子質(zhì)量12 700 的S100A9 的截?cái)嘈问?，丟失了殘基1 ～4，但生物功能尚不清楚［10］。

S100A9 可以形成同源二聚體，并可以與S100A8結(jié)合形成異源二聚體，目前已經(jīng)清楚S100A9 同源二聚體、S100A8/A9 異源二聚體和異源四聚體的三維結(jié)構(gòu)［11］。自然狀態(tài)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)是依賴其所在的環(huán)境，二聚體的形成期具有鈣依賴性，鋅也引發(fā)四聚體的形成。S100A8/A9 異二聚體存在于大多數(shù)生物相互作用中，在異二聚體中，S100A9 的羧基端和S100A8 的氨基端以反相平行的形式結(jié)合，S100A8/A9 異二聚體的形成使鉸鏈區(qū)3－螺旋和2－鈣粘環(huán)結(jié)構(gòu)改變，鈣黏環(huán)疏水表面暴露，結(jié)合各種靶蛋白，能夠傳遞Ca2+信號以及調(diào)節(jié)胞質(zhì)中的Ca2+濃度，在機(jī)體中發(fā)揮著重要的生物學(xué)作用［4］。

1.3 定位與表達(dá) S100A9 與S100A8 染色體均定位于1 號染色體的1q21 區(qū)帶［8］，該區(qū)的表皮分化復(fù)合物參與上皮細(xì)胞的最終分化，該區(qū)穩(wěn)定性差，易發(fā)生染色體的缺失、易位、重疊等改變，與腫瘤的發(fā)生關(guān)系密切［12］。

S100A9 實(shí)際定位的不同取決于細(xì)胞類型和疾病狀態(tài)。S100A9 蛋白主要定位表達(dá)于中性粒細(xì)胞和單核細(xì)胞的胞質(zhì)中，分別占胞內(nèi)蛋白的45%和1%，在細(xì)胞特定的分化階段以及細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度增高時(shí)，S100A9 也能在細(xì)胞膜表面表達(dá)［1］。在正常人類的胃腸生理中，S100A9 位于胰腺細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)和質(zhì)膜［13］，而在食管黏膜組織中S100A9 位于細(xì)胞核［14］。S100A9 分布在正常人口腔黏膜、舌、食管、宮頸等組織的上皮細(xì)胞，也表達(dá)于鼻息肉、內(nèi)翻型乳頭狀瘤、銀屑病、濕疹、肺癌等多種組織［15］。表達(dá)S100A8/A9 的巨噬細(xì)胞富集于許多惡性腫瘤的炎癥部位，包括胰腺腺癌、胃腺癌、小細(xì)胞肺癌、胰腺囊腺瘤、肺腺癌、乳腺腺癌、B 細(xì)胞淋巴瘤、食管鱗癌、肺鱗癌［16］。

2 S100A9 的生物學(xué)作用

2.1 介導(dǎo)炎癥反應(yīng) 中性粒細(xì)胞的呼吸爆發(fā)功能在宿主防御及炎癥反應(yīng)中起著重要的作用?；ㄉ南┧崾且环N多元不飽和ω-6 脂肪酸，是細(xì)胞信號的第二信使。S100A9 在中性粒細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞膜還原型輔酶Ⅱ(NADPH)氧化酶復(fù)合物之間運(yùn)輸花生四烯酸，作為炎癥信號級聯(lián)的一部分。S100A9 將花生四烯酸轉(zhuǎn)移到NADPH 復(fù)合物gp91phox，而S100A8 結(jié)合NADPH 氧化酶復(fù)合物的p67phox 和rac-2，引起炎癥細(xì)胞重要的氧化爆發(fā)［17］。因此，S100A8/A9 異源二聚體有可能對NADPH 復(fù)合物有多重效應(yīng)。S100A9 羧基端殘基103 ～105 在同源二聚體或S100A8 異源二聚體均促進(jìn)了花生四烯酸運(yùn)輸。S100A8/A9 二聚體中的S100A9 蘇氨酸－113 磷酸化增強(qiáng)NADPH 氧化酶的活化，而鋅阻礙花生四烯酸與S100A8/A9 結(jié)合［18］。中性粒細(xì)胞S100A9 基因敲除小鼠NADPH 氧化爆發(fā)降低［17］。在HaCaT 角質(zhì)細(xì)胞的研究中，S100A9 過表達(dá)表現(xiàn)出NADPH 氧化酶增強(qiáng)，核因子活化B 細(xì)胞κ 輕鏈增強(qiáng)子(nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells，NF-κB)活動［19］。

S100A8/A9 結(jié)合RAGE 和TLR4，啟動信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，通過NF-κB 通路促進(jìn)S100A9 轉(zhuǎn)錄增加，在細(xì)胞膜附近介導(dǎo)炎癥級聯(lián)反應(yīng)?，F(xiàn)有證據(jù)表明在體外和許多細(xì)胞類型中，髓系細(xì)胞分泌的S100A8/A9 與RAGE 的羧酸鹽聚糖或RAGE 自身結(jié)合。S100A8/A9-RAGE 復(fù)合物可以激活多條信號通路，包括促分裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)、結(jié)腸腫瘤細(xì)胞NF-κB、二甲基苯蒽/佛波酯引起的小鼠皮膚癌［20］。S100A9 亞基可能是S100A8/A9 異源二聚體與RAGE 或TLR4-MD2 相互作用重要的結(jié)構(gòu)，S100A8可能起調(diào)控作用［21］。另外，細(xì)胞外S100A8/A9 增強(qiáng)細(xì)胞膜上脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)信號，導(dǎo)致LPS 誘導(dǎo)的小鼠死亡率增加［22］。S100A9 與多糖的相互作用促進(jìn)S100A9 在炎癥部位的富集。

S100A8 和S100A9 均具有亞硝基化的能力，亞硝基化通常會導(dǎo)致炎癥活動減少。S100A9 的亞硝基化依賴鈣。胞質(zhì)NADPH 氧化酶成分的遷移，例如p47phox 和p67phox 到質(zhì)膜和后續(xù)超氧化物的產(chǎn)生，都由S100A8/A9 復(fù)合物S100A8 亞組亞硝基化合物殘留控制，一旦在質(zhì)膜外，非鈣依賴形式S100A8 亞硝基化作用產(chǎn)物起一氧化氮穿梭作用［17］。S100A9 的S-谷胱甘肽化降低其與S100A8 形成異二聚體和與纖維連接蛋白結(jié)合的能力，但S100A9 與花生四烯酸結(jié)合的能力是相同的。S100A9 的S-谷胱甘肽化可能因此作為限制細(xì)胞外基質(zhì)的炎癥反應(yīng)的一種機(jī)制［23］。蛋氨酸63 和83 的氧化消除S100A9 對外周血中性粒細(xì)胞的化學(xué)排斥作用［24］。因此，S100A8/A9 的亞硝基化、谷胱甘肽化、氧化，起翻譯后調(diào)控免疫反應(yīng)的量和程度的作用。

2.2 調(diào)節(jié)髓系細(xì)胞成熟 在炎癥反應(yīng)中，單核細(xì)胞分化為成熟的巨噬細(xì)胞，首先表達(dá)S100A8 和S100A9，之后，炎癥部位的巨噬細(xì)胞將失去S100A8 表達(dá)［25］。S100A9 上調(diào)與早幼粒細(xì)胞分化為中幼粒細(xì)胞/粒細(xì)胞相關(guān)，并與已表達(dá)CD15 的嗜中性細(xì)胞CD11b 的表達(dá)相關(guān)。S100A9 在單核細(xì)胞表達(dá)CD15 之前上調(diào)。在單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞，S100A9 的生成與CD11b 在細(xì)胞表面的表達(dá)相關(guān)。Kruppel 相關(guān)鋅指結(jié)構(gòu)蛋白和轉(zhuǎn)錄中介因子1-β 可能參與調(diào)節(jié)S100A9 基因表達(dá)和促進(jìn)分化［26］。S100A9 還與集落刺激因子－1 刺激中性粒細(xì)胞向巨噬細(xì)胞轉(zhuǎn)分化有關(guān)［27］。

S100A9 在髓系細(xì)胞成熟中的作用并不完全清楚，但有趣的是，早期髓系細(xì)胞即髓源性抑制細(xì)胞(myeloid derived suppressor cells，MDSCs)可能被S100A9 誘導(dǎo)并能抑制腫瘤細(xì)胞的免疫反應(yīng)。S100A9 和MDSCs之間的關(guān)系已被深入研究。人類MDSCs 是早期髓系細(xì)胞的異質(zhì)群體，表現(xiàn)出多種細(xì)胞表面標(biāo)志物包括:CD11b、HLADRlow/－、CD33、CD15、CD14 和IL4Rα，鼠類MDSCs 表達(dá)CD11b 和Gr1［28］。MDSCs 也以其通過釋放活性氧、細(xì)胞因子和精氨酸酶抑制T 細(xì)胞功能和腫瘤細(xì)胞的免疫反應(yīng)的能力為特征。無S100A9 小鼠淋巴瘤腫瘤迅速增長低于野生型小鼠，這些結(jié)果依賴MDSCs 富集減少。過表達(dá)S100A9 增加MDSCs 富集并抑制樹突狀細(xì)胞的分化［29］。在生化水平，有可能MDSCs 上的S100A8/A9 結(jié)合到內(nèi)皮表面的羧酸鹽聚糖或腫瘤細(xì)胞上的 RAGE 促進(jìn) MDSCs 遷移。S100A8/A9 也表達(dá)于腫瘤細(xì)胞，并可能提供一個(gè)富集額外MDSC 進(jìn)入腫瘤微環(huán)境的機(jī)制，通過與MDSCs 上的RAGE 結(jié)合并促進(jìn)NF-κB 炎性通路信號轉(zhuǎn)導(dǎo)［30］。

2.3 調(diào)節(jié)細(xì)胞遷移 細(xì)胞骨架和其結(jié)合蛋白是細(xì)胞遷移的物質(zhì)基礎(chǔ)，鈣依賴四聚物S100A8/A9 的形成對胞質(zhì)骨架微管的形成至關(guān)重要，并且已在體外被測量。微管聚合時(shí)，S100A8 與微管蛋白相互作用，同時(shí)S100A9 作為調(diào)節(jié)亞基［21］。在上皮細(xì)胞，鈣作為第二信使并結(jié)合到S100A8 和S100A9，誘發(fā)他們向角蛋白中間絲的易位，被認(rèn)為調(diào)解細(xì)胞遷移［5］。S100A9 在蘇氨酸－113 的磷酸化作用通過蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)調(diào)節(jié)S100A9 遷移到人類中性粒細(xì)胞的細(xì)胞膜，這種磷酸化活動可能控制細(xì)胞骨架重組，對髓系細(xì)胞遷移很重要［31］。在單核細(xì)胞中，S100A9 以鈣依賴的方式集中在Ⅲ型中間絲波形蛋白。在單核細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)S100A9 集中在細(xì)胞質(zhì)，鈣含量的增加促進(jìn)S100A9 向細(xì)胞膜易位，很可能是通過PKC 依賴機(jī)制［32］。在細(xì)胞外空間，S100A8/A9 與花生四烯酸以鈣依賴的方式結(jié)合，而且與內(nèi)皮細(xì)胞(CD36)的主要脂肪酸運(yùn)輸者交互作用，促進(jìn)脂肪酸攝取和硫酸肝素蛋白聚糖，經(jīng)由S100A9 亞基，從而促進(jìn)髓系細(xì)胞遷移［33］。MMP-2 和MMP-9 需要鋅來阻斷S100A9，從而限制其在炎癥通路的活動。S100A8/A9 本身能夠通過隔離鋅來阻止MMPs 降解細(xì)胞外基質(zhì)，從而形成負(fù)反饋環(huán)［34］。在二價(jià)離子存在時(shí)，通過與細(xì)胞骨架和細(xì)胞外基質(zhì)因素的相互作用，S100A8/A9 能調(diào)節(jié)細(xì)胞遷移，促進(jìn)炎癥，并創(chuàng)造負(fù)責(zé)生物活動終止的分子環(huán)境。

3 S100A9 與疾病的關(guān)系

3.1 感染性疾病 S100A9 與多種感染性疾病密切相關(guān)。在小鼠尿路感染模型中，膀胱和腎組織中S100A8/A9 大幅增加，但研究［35］證實(shí)S100A8/A9 不參與宿主防御。小鼠結(jié)腸上皮細(xì)胞S100A9 表達(dá)升高可能在結(jié)腸炎的發(fā)展中起著重要的作用，S100A9 介導(dǎo)IL-6/STAT3 信號級聯(lián)反應(yīng)［36］。S100A8/A9 在肺炎克雷伯氏菌引起的膿毒癥中具有抗菌活性，但在急性暴發(fā)性敗血癥模型中卻導(dǎo)致器官損傷和死亡［37］。在小鼠S100A9 基因敲除胰腺炎模型中發(fā)現(xiàn)，S100A9 能直接減少胰腺組織白細(xì)胞浸潤，并通過自身鈣調(diào)特性調(diào)節(jié)細(xì)胞間信號傳導(dǎo)，顯著減輕胰腺炎［38］。

3.2 腫瘤 S100A9 在許多腫瘤中表達(dá)上調(diào)，包括乳腺癌、肝癌、胃癌、胰腺癌、肺癌、結(jié)直腸癌、宮頸癌、鼻咽癌、膀胱癌、前列腺癌等［2］。例如，在非小細(xì)胞肺腺癌中，S100A9 與不良預(yù)后相關(guān)，腫瘤細(xì)胞內(nèi)過表達(dá)S100A9 的早期肺癌患者表現(xiàn)出一個(gè)十分糟糕的總體5 a 存活率［39］。在胰腺腺癌中，S100A9 與CD14 共表達(dá)于單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的間質(zhì)，S100A9 可能與轉(zhuǎn)化生長因子－β 信號通路相互作用影響細(xì)胞生長和遷移［40］。在肝細(xì)胞癌中，NF-κB 結(jié)合到S100A9 啟動子并激活轉(zhuǎn)錄，S100A9 繼續(xù)激活活性氧相關(guān)信號通路，保護(hù)肝癌細(xì)胞不受細(xì)胞凋亡死亡［41］。S100A9 在結(jié)直腸癌中表達(dá)上調(diào)，并參與結(jié)直腸腫瘤的入侵表型和發(fā)展，S100A8 和S100A9 蛋白有助于大腸癌細(xì)胞的存活和遷移，其中一個(gè)分子機(jī)制是通過Wnt/β-catenin 信號通路［42］。S100A8/A9 過表達(dá)與乳腺浸潤性導(dǎo)管癌不良病理特征有關(guān)，也有研究表明S100A9 可能在較高濃度抑制腫瘤生長而在較低濃度促進(jìn)腫瘤生長，還需要做更多的研究來區(qū)分劑量效應(yīng)和模型的差異［43］。

3.3 免疫性疾病 S100A9 是哮喘病理生理過程中的重要介質(zhì)，可通過促進(jìn)氣道炎癥、誘導(dǎo)細(xì)胞增殖、招募炎癥細(xì)胞、促進(jìn)膠原合成等機(jī)制參與哮喘發(fā)?。?4］。類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者血清和關(guān)節(jié)腔液S100A8/A9 水平顯著高于骨性關(guān)節(jié)炎或其他炎癥性關(guān)節(jié)炎患者，并且血清S100A8/A9 水平與臨床和實(shí)驗(yàn)室指標(biāo)顯著相關(guān)［45］。S100A8/A9 在銀屑病、牛皮癬、異位性皮炎等皮膚病上皮細(xì)胞中的表達(dá)均上調(diào)［46］。S100A9 還與系統(tǒng)性紅斑狼瘡、大細(xì)胞性動脈炎、多發(fā)性硬化等多種免疫性炎癥密切相關(guān)［47］。

3.4 其他疾病 伴有冠狀動脈疾病的2 型糖尿病患者血清S100A8/A9 水平升高，并且與冠狀動脈疾病的嚴(yán)重程度以及無明顯臨床表現(xiàn)的頸動脈內(nèi)膜中層厚度正相關(guān)［48］。另有報(bào)道S100A8 和S100A9 血清水平已被確定為健康人心血管事件的獨(dú)立危險(xiǎn)因子［49］。S100A9 在神經(jīng)炎斑塊和反應(yīng)性神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞含量增加，并參與阿爾茨海默病神經(jīng)炎癥發(fā)病過程［50］。

4 S100A9 與治療靶點(diǎn)

目前，在炎性疾病或惡性腫瘤等的位點(diǎn)阻止S100A9 和(或)其活動的多種治療策略正在開發(fā)。吡美莫司是一種鈣調(diào)磷酸酶抑制劑，已成功地用于治療和預(yù)防異位性皮炎，近期研究顯示，這種藥物誘導(dǎo)S100A8/A9 及其他基因表達(dá)上調(diào)，對正常皮膚的屏障功能是必不可少的［46］。喹啉－ 3－ 甲酰胺可以與S100A9 同源二聚體結(jié)合，并限制鋅和鈣依賴的S100A9 與RAGE、TLR4-MD2 和花生四烯酸的相互作用，這些化合物已用于轉(zhuǎn)移性前列腺癌放療后患者二期試驗(yàn)［51］。在心血管系統(tǒng)中，S100A9 可能通過改變磷脂結(jié)合鈣的能力促進(jìn)營養(yǎng)不良性鈣化，阻斷S100A8/A9 可能成為通過下調(diào)炎癥通路治療動脈粥樣硬化的療法［52］。S100A9 基因表達(dá)在阿爾茨海默病神經(jīng)病理學(xué)和記憶損害中起著重要的作用，這表明該基因的敲除有很大的治療潛力［50］。

5 展望

國內(nèi)對S100A9 蛋白的研究尚處于起步階段，該蛋白在發(fā)病機(jī)制、疾病診斷和治療靶點(diǎn)等研究中的價(jià)值亟待開發(fā)，隨著研究的進(jìn)一步深入，S100A9 在感染性疾病、免疫性疾病、腫瘤等諸多疾病中的潛在應(yīng)用價(jià)值也會逐漸被發(fā)掘。

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