IL-33/ST2信號(hào)通路與脂肪代謝關(guān)系研究進(jìn)展

， ，成萍， ，，，*

(1.聊城大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，山東 聊城 252059； 2.聊城大學(xué) 藥學(xué)院，山東 聊城 252059)

肌內(nèi)脂肪(Intramuscular fat，IMF)是衡量肉品質(zhì)的重要指標(biāo)，能夠影響肉的嫩度和風(fēng)味，并且IMF所反映的大理石紋等級(jí)直接影響肉質(zhì)量等級(jí)，決定了肉產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性狀。肌內(nèi)脂肪是脂肪沉積的主要形式，脂肪組織通過代謝和細(xì)胞的內(nèi)分泌功能在調(diào)節(jié)能量平衡中起著至關(guān)重要的作用。脂肪細(xì)胞分化是受多種細(xì)胞因子或信號(hào)通路調(diào)控的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)體系。

IL-33/ST2(Interleukin-33/interleukin-1 receptor like 1)是近年來新發(fā)現(xiàn)的能夠調(diào)控白色脂肪米色化、棕色或米色脂肪產(chǎn)熱的重要信號(hào)通路[1-3]。因此，闡明脂肪細(xì)胞分化、IL-33/ST2信號(hào)通路及IL-33/ST2信號(hào)通路在脂肪代謝中的作用機(jī)制，旨在為肥胖癥、代謝綜合征、胰島素糖尿病等代謝相關(guān)疾病的治療提供理論指導(dǎo)。

1 脂肪細(xì)胞分化

脂肪細(xì)胞分化過程包括2個(gè)階段，第1個(gè)階段是胚胎干細(xì)胞或脂肪組織中的間充質(zhì)干細(xì)胞(Mesenchymalstem cells，MSCs)分化為脂肪祖細(xì)胞并進(jìn)一步形成前體脂肪細(xì)胞，第2個(gè)階段是前體脂肪細(xì)胞終末分化為成熟脂肪細(xì)胞[4-5]。成熟脂肪細(xì)胞具有參與脂類合成、轉(zhuǎn)運(yùn)、能量消耗以及生產(chǎn)能量平衡調(diào)節(jié)相關(guān)脂肪因子的功能。研究表明，在脂肪分化期間有許多成脂分化調(diào)控因子發(fā)揮著關(guān)鍵作用，例如CCAAT/增強(qiáng)子結(jié)合蛋白家族(CCAAT/enhancer-binding protein family，C/EBPs)、骨形成蛋白(Bone morphogenetic proteins，BMPs)、過氧化物酶體增殖物激活受體(Peroxisome proliferators-activated receptors，PPARs)[6-8]。

脂肪組織是機(jī)體調(diào)節(jié)能量平衡的中心，哺乳動(dòng)物中存在2種不同功能類型的脂肪組織，分別為白色脂肪組織(WAT)和棕色脂肪組織(BAT)。WAT能夠作為儲(chǔ)存庫將過多的能量以甘油三酯的形式儲(chǔ)存起來，BAT能夠在寒冷和應(yīng)激條件下為機(jī)體產(chǎn)生熱量。有關(guān)脂肪細(xì)胞分化的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制已被廣泛研究，其中C/EBP家族成員、PPARγ和cAMP效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP-response element binding protein，CREB)是白色脂肪細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄級(jí)聯(lián)中的關(guān)鍵因子，在脂肪細(xì)胞成熟期的早期階段，上調(diào)C/EBPβ和C/EBPδ蛋白能夠增強(qiáng)PPARγ和C/EBPα的表達(dá)，隨后PPARγ分別與C/EBPα、C/EBPβ構(gòu)成反饋回路，進(jìn)一步促進(jìn)白色脂肪細(xì)胞的終末分化。BMP7能夠激活形成棕色脂肪細(xì)胞的完整程序，包括誘導(dǎo)早期調(diào)節(jié)因子PRDM16(PR domain-containing 16)表達(dá)，增強(qiáng)脂肪轉(zhuǎn)錄因子PPARγ和C/EBPs表達(dá)，并且促進(jìn)p38促分裂原活化蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinase，MAPK)途徑的活化[9]。因此，進(jìn)一步闡明IL-33/ST2信號(hào)通路在脂肪細(xì)胞分化及脂肪代謝中的功能具有重要意義。

2 IL-33/ST2信號(hào)通路

2.1 ST2的變異體及其調(diào)控機(jī)制

白介素1受體樣1(IL1RL1，習(xí)慣稱之為ST2)是白介素1受體家族成員之一，在1989年最先被命名，多年來一直被認(rèn)為是與免疫和炎癥相關(guān)的孤兒受體[10]。人的ST2基因有4個(gè)轉(zhuǎn)錄變異體，其中2個(gè)變異體是最重要的，分別為跨膜ST2受體(ST2L，也被稱為IL1RL1-b)和血清可溶性ST2受體(sST2，也被稱為IL1RL1-a)。ST2的選擇性啟動(dòng)子以及其mRNA的3′端選擇性剪接，導(dǎo)致了sST2和ST2L變異體的產(chǎn)生[11]。ST2具有1個(gè)近端啟動(dòng)子和1個(gè)遠(yuǎn)端啟動(dòng)子，它們能夠影響ST2基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制，但是對(duì)sST2和ST2L的轉(zhuǎn)錄調(diào)控還不完全清楚[12]。在Schmitz等[13]報(bào)道中提及白介素-33(IL-33)是ST2的配體，能夠參與sST2和ST2L的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，這為更好地理解sST2和ST2L的功能提出了思路。

sST2的產(chǎn)生受多種信號(hào)通路的調(diào)控。研究表明，在sST2存在的情況下，使用IL-33處理心肌細(xì)胞后，觀察到血管緊張素Ⅱ和苯腎上腺素的促肥大效應(yīng)被阻斷[14]。若在肺泡上皮細(xì)胞和心肌細(xì)胞中，用特殊的抑制劑CAPE對(duì)核因子-κB(Nuclear factor-κB，NF-κB)信號(hào)通路進(jìn)行阻斷，可以阻止這些細(xì)胞產(chǎn)生sST2[15]。在人類乳腺癌細(xì)胞系MCF-7中，成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子2可通過MEK/ERK信號(hào)通路，促進(jìn)sST2的產(chǎn)生[16]。在人類支氣管上皮細(xì)胞中，溶血磷脂酸能夠通過一種依賴于NF-κB或JNK的方式來增加sST2的表達(dá)量[17]。

IL-33/ST2信號(hào)通路能夠激活Ⅱ型CD4+T細(xì)胞(Type 2 CD4+T-helper cells，Th2)效應(yīng)細(xì)胞，并釋放Th2相關(guān)細(xì)胞因子來參與炎癥和免疫反應(yīng)。在這個(gè)過程中，ST2L能夠調(diào)節(jié)IL-33對(duì)Th2的炎癥作用，而sST2則與Th2炎癥反應(yīng)的衰減相關(guān)。例如，在小鼠的模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，IL-33能夠通過與ST2L的相互作用，減少心肌纖維化和細(xì)胞凋亡、防止心肌細(xì)胞肥大，從而達(dá)到對(duì)心肌細(xì)胞的保護(hù)[14]。

2.2 IL-33與ST2的相互作用

IL-33作為新發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞因子，是IL-1家族的新成員之一，能被大多數(shù)細(xì)胞分泌，機(jī)體多以其應(yīng)對(duì)組織損傷[18]。IL-33通過與膜表面受體ST2L和IL-1R輔助蛋白(IL-1 receptor accessory protein，IL-1RAP)結(jié)合，組成受體復(fù)合物來發(fā)揮細(xì)胞功能。IL-33結(jié)合ST2L時(shí)，IL-1RAP能夠增強(qiáng)IL-33對(duì)ST2L的親和力，是后續(xù)信號(hào)傳導(dǎo)順利進(jìn)行的必要條件[19]。IL-33和ST2L的相互作用能夠激活MAPK和幾種生化途徑，主要是由于NF-κB激酶復(fù)合體抑制子的激活，觸發(fā)了NF-κB的活性所致[20]。但也有人認(rèn)為，IL-33可能具有不依賴于ST2L受體的胞內(nèi)功能。另有研究發(fā)現(xiàn)，sST2與IL-33結(jié)合會(huì)中斷IL-33和ST2L之間的相互作用，從而導(dǎo)致它們?cè)诩?xì)胞中的功能被阻斷，因此，sST2也被認(rèn)為是一種誘騙受體(Decoy receptor)(圖1)。在這種情況下，ST2系統(tǒng)不但能夠以ST2L跨膜異構(gòu)體的形式作為IL-33行使功能的介導(dǎo)者，而且可以通過sST2異構(gòu)體的形式抑制IL-33的功能。另外，IL-33也能夠參與調(diào)控ST2L和sST2的mRNA轉(zhuǎn)錄，它能夠增加ST2L的mRNA表達(dá)量，并降低sST2的mRNA表達(dá)量[22]。

參考文獻(xiàn)[21]

肥胖與代謝紊亂及許多健康問題密切相關(guān)，是導(dǎo)致糖尿病、心血管疾病及部分癌癥表型的主要危險(xiǎn)因素[23]。關(guān)于IL-33/ST2與肥胖的關(guān)系，已有報(bào)道表明，在脂肪組織和肝臟中表達(dá)的IL-33/ST2對(duì)肥胖有一種“自然”的保護(hù)作用，原因是IL-33/ST2途徑的激活增加了抗炎性細(xì)胞因子并減少了脂肪細(xì)胞分化和脂肪儲(chǔ)存[24]。為研究IL-33/ST2對(duì)肥胖影響的分子機(jī)制，分別對(duì)心臟、脂肪組織和肝臟中IL-33/ST2系統(tǒng)mRNA的表達(dá)情況進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組相比，肥胖Zucker大鼠IL-33的mRNA表達(dá)水平在脂肪組織中顯著偏低，ST2L的mRNA表達(dá)水平在肝臟中顯著偏低，sST2的mRNA表達(dá)水平在所有供試組織中均顯著偏低，因此，肥胖Zucker大鼠組織可以通過減少sST2的表達(dá)來促進(jìn)IL-33對(duì)膜受體ST2L的作用，以形成一種肥胖保護(hù)機(jī)制[25]。但是，目前尚不知IL-33/ST2信號(hào)通路具體是以何種方式或途徑來調(diào)控脂肪細(xì)胞分化的。

3 IL-33/ST2與脂肪細(xì)胞代謝

3.1 IL-33及其相關(guān)基因與白色脂肪米色化

免疫細(xì)胞和WAT的米色化(Beiging)關(guān)系緊密，Ⅱ型先天淋巴細(xì)胞(ILC2)最初是在脂肪相關(guān)淋巴簇中發(fā)現(xiàn)的[26]，對(duì)于招募和維護(hù)駐留在WAT中的嗜酸性粒細(xì)胞至關(guān)重要[27]。IL-33能夠刺激ILC2產(chǎn)生大量的Ⅱ型細(xì)胞因子IL-5和IL-13，繼而導(dǎo)致WAT的米色化。關(guān)于ILC2誘導(dǎo)米色脂肪細(xì)胞產(chǎn)生的機(jī)制，近期研究已經(jīng)做了很好的解釋。使用ILC2的興奮劑IL-33處理后，會(huì)導(dǎo)致小鼠WAT中ILC2數(shù)量增加，同時(shí)米色脂肪細(xì)胞和耗氧量也隨之增加，與之相反的是，IL-33的處理對(duì)BAT沒有影響；進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，IL-33-/-型小鼠的體質(zhì)量比對(duì)照組明顯增加，機(jī)體內(nèi)WAT明顯增多，但I(xiàn)LC2和米色脂肪細(xì)胞的數(shù)量均減少；重組無淋巴小鼠(Rag2-/-Il2rg-/-)在只有ILC2的情況下就足以導(dǎo)致WAT的米色化，從而顯示了IL-33和ILC2在調(diào)控脂肪組織生長(zhǎng)中的重要作用[2-3]。此外，IL-13誘騙受體(IL-13 decoy receptor，IL-13Rα2)能夠通過調(diào)控內(nèi)源IL-13的表達(dá)水平，限制IL-33在脂肪組織中的調(diào)控作用。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，使用IL-33處理后，小鼠血清和組織中IL-13的含量增加，并伴隨著嗜酸性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞(Alternatively activated macrophages，AAMs)和Ⅱ型固有淋巴樣細(xì)胞的含量升高，同時(shí)體質(zhì)量、脂肪量和空腹血糖水平隨之降低，上述癥狀在IL-13Rα2缺陷型小鼠中更為突出，但在IL-13缺陷型小鼠中卻呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)；除此之外，還檢測(cè)到在肥胖小鼠脂肪組織中IL-13Rα2表達(dá)量較高，在IL-13Rα2缺陷型小鼠中IL-13的表達(dá)量較高[28]。因此，可以說明IL-13Rα2能夠限制IL-33/IL-13軸在肥胖中的保護(hù)作用，可作為脂肪組織中的關(guān)鍵檢驗(yàn)點(diǎn)。

ILC2控制WAT米色化的不同機(jī)制如圖2所示，當(dāng)ILC2被IL-33刺激后，可以通過多種方式調(diào)控脂肪組織的生物學(xué)功能。首先，被刺激后的ILC2能夠產(chǎn)生Ⅱ型細(xì)胞因子IL-5，以激活WAT中的嗜酸性粒細(xì)胞，從而選擇性激活A(yù)AMs[30-31]。與此同時(shí)，被激活的嗜酸性粒細(xì)胞能夠觸發(fā)并產(chǎn)生IL-4，作為對(duì)IL-4的應(yīng)答，AAMs能夠產(chǎn)生去甲腎上腺素，從而導(dǎo)致脂肪組織的米色化[1]。此外，Lee等[3]從脂肪祖細(xì)胞角度闡明了米色脂肪細(xì)胞產(chǎn)生的機(jī)制，即當(dāng)IL-4受體(IL-4Rα)的組織特異性缺失時(shí)，接收到該信號(hào)的IL-4可繞過AAM-去甲腎上腺素軸直接作用于脂肪祖細(xì)胞，這是由于在IL-4的刺激下，能夠上調(diào)脂肪祖細(xì)胞中米色脂肪細(xì)胞分化相關(guān)基因的表達(dá)，但I(xiàn)L-4Rα信號(hào)在已分化的脂肪細(xì)胞中是無用的。并且有趣的是，IL-4Rα不但能為IL-4傳遞信號(hào)，而且還能結(jié)合IL-13，即使在缺乏嗜酸性粒細(xì)胞產(chǎn)生IL-4的情況下，也會(huì)有大量的脂肪祖細(xì)胞產(chǎn)生。因此，由ILC2產(chǎn)生的IL-13可以通過與IL-4Rα的結(jié)合，直接作用于脂肪祖細(xì)胞，并能與嗜酸性粒細(xì)胞生成的IL-4形成協(xié)同作用，從而促進(jìn)米色脂肪細(xì)胞的產(chǎn)生與發(fā)育。但在米色脂肪細(xì)胞產(chǎn)生的過程中，關(guān)于IL-4和IL-13的協(xié)同作用機(jī)制以及兩者之間的相對(duì)貢獻(xiàn)仍有待進(jìn)一步研究。

Brestoff等[2]對(duì)ILC2和ILC3所表達(dá)的部分肥胖相關(guān)基因的比較研究發(fā)現(xiàn)，前蛋白轉(zhuǎn)化酶枯草溶菌素1(Proprotein convertase subtilisin/kexin type 1，PCSK1)以及它的靶基因PENK(Proenkephalin A)在ILC2中表達(dá)量較高。其中，蛋氨酸腦啡肽(Methionine enkephalin，MetEnk)是PENK加工后的一個(gè)產(chǎn)物，由ILC2產(chǎn)生。當(dāng)ILC2受到IL-33的刺激時(shí)，MetEnk的產(chǎn)量隨之增加。利用MetEnk處理供試動(dòng)物，會(huì)導(dǎo)致WAT耗氧量升高以及米色脂肪細(xì)胞標(biāo)記物增溫素——UCP1的表達(dá)量增加。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，MetEnk的δ1阿片受體(δ1 opioid receptor，Oprd1)在供試動(dòng)物腹股溝的WAT中表達(dá)量較高。這些數(shù)據(jù)表明，ILC2可以通過分泌MetEnk，直接促進(jìn)WAT轉(zhuǎn)化為米色脂肪，而在這個(gè)過程中，WAT中的Oprd1受體作為感應(yīng)媒介，能夠誘導(dǎo)并促進(jìn)米色脂肪細(xì)胞生成相關(guān)基因的表達(dá)。但是在MetEnk結(jié)合Oprd1受體直接促進(jìn)WAT米色化的過程中，IL-4和IL-13的表達(dá)量均無顯著變化，因此，這種表型很可能與IL-4和IL-13無關(guān)，但具體的作用機(jī)制還不明確。除此之外，該途徑中哪些細(xì)胞是MetEnk的靶細(xì)胞，仍需進(jìn)一步探究。

參考文獻(xiàn)[29]

雖然已經(jīng)探索得知部分關(guān)于ILC2對(duì)小鼠WAT米色化的作用機(jī)制，但相關(guān)的機(jī)制是否也存在于人類中還不太清楚。Brestoff等[2]的研究結(jié)果表明，在瘦人的脂肪組織中ILC2構(gòu)成了譜系標(biāo)記陰性細(xì)胞的大部分。而Zeyda等[24]研究發(fā)現(xiàn)，在肥胖人的脂肪組織中IL-33的表達(dá)量增加，而在肥胖人的脂肪組織以及高脂肪飲食的小鼠脂肪組織中ILC2含量卻大大減少。對(duì)于這些相互矛盾的研究結(jié)果，推測(cè)可能是由于在肥胖的情況下，ILC2對(duì)IL-33的響應(yīng)是失調(diào)的，但具體的作用機(jī)制還有待于進(jìn)一步探究。Wood等[32]研究指出，人類WAT的細(xì)胞可以產(chǎn)生IL-33，也可以通過促炎刺激(如TNFα)來增加IL-33。然而，是否脂肪細(xì)胞本身是IL-33的主要來源，以及ILC2如何影響這種內(nèi)源性反饋機(jī)制還有待證實(shí)。最后，發(fā)現(xiàn)如何利用這些途徑來增加體內(nèi)IL-33的水平將是非常令人興奮的研究，并為肥胖癥的新療法鋪平道路。

3.2 IL-33/ST2與棕色或米色脂肪產(chǎn)熱

IL-33及冷刺激能夠促進(jìn)ILC2的招募和激活，在棕色或米色脂肪產(chǎn)熱中也扮演著重要的角色。IL-33的表達(dá)量在高脂飲食和瘦素缺乏性肥胖條件下會(huì)顯著降低，這是由于WAT中ILC2以及嗜酸性粒細(xì)胞的含量降低所致。相應(yīng)的使用IL-33處理高脂肪飲食小鼠，ILC2和嗜酸性粒細(xì)胞的數(shù)量以及UCP1的表達(dá)量會(huì)顯著增加。冷刺激也能夠誘導(dǎo)WAT中IL-33和UCP1的表達(dá)，從而增加ILC2和嗜酸性粒細(xì)胞的數(shù)量。但如果中和了IL-33信號(hào)，便可逆轉(zhuǎn)冷刺激的促進(jìn)作用，例如通過局部注射6-羥基多巴胺(6-OHDA)切斷交感神經(jīng)可顯著抑制冷刺激誘導(dǎo)的IL-33和ILC2/嗜酸性粒細(xì)胞途徑。盡管Brestoff等[2]和Lee等[3]的研究在很大程度上具有相同的觀點(diǎn)，但與Lee等不同的是，Brestoff等利用IL-33對(duì)IL-4Rα-/-動(dòng)物進(jìn)行處理后，UCP1+脂肪細(xì)胞的數(shù)量增加，從而表明IL-33可以直接作用于WAT的米色化過程，而與IL-4信號(hào)無關(guān)。除此之外，激活I(lǐng)LC2所產(chǎn)生的MetEnk可以直接與WAT中的Oprd1受體結(jié)合，也能促進(jìn)米色脂肪細(xì)胞生成及產(chǎn)熱。

Odegaard等[33]也從另一個(gè)角度證實(shí)了IL-33/ST2信號(hào)通路可作為小鼠圍產(chǎn)期脂肪產(chǎn)熱的“許可證”，研究表明，IL-33是一種能激活Ⅱ型免疫反應(yīng)的細(xì)胞因子，在棕色和米色脂肪細(xì)胞的解偶聯(lián)呼吸中具有“開關(guān)”作用。如圖3所示，在IL-33或ST2缺失的情況下，棕色脂肪細(xì)胞能夠正常發(fā)育，但不能表達(dá)出正常的UCP1 mRNA剪接轉(zhuǎn)錄本，導(dǎo)致UCP1蛋白缺失、解耦聯(lián)呼吸和溫度調(diào)節(jié)功能受損。

參考文獻(xiàn)[33]

4 小結(jié)

目前對(duì)脂肪沉積分子機(jī)制的理解，尤其是對(duì)前體脂肪細(xì)胞到成熟脂肪細(xì)胞分化過程中調(diào)控機(jī)制的理解仍然是有限的。鑒于IL-33/ST2L/sST2蛋白在不同生物系統(tǒng)的不同細(xì)胞中具有不同的功能，涉及范圍廣泛，IL-33/ST2信號(hào)通路在脂肪代謝中的研究是目前一個(gè)新興的研究熱點(diǎn)，關(guān)于IL-33/ST2信號(hào)通路在前體脂肪細(xì)胞分化過程中的功能及調(diào)控機(jī)制也尚不清楚。因此，該通路在脂肪分化中還有一系列的科學(xué)問題有待進(jìn)一步研究：(1)在IL-33和ST2不同剪接變異體中，哪些變異體具有調(diào)控前體脂肪細(xì)胞分化的功能；(2)IL-33/ST2信號(hào)通路引發(fā)哪些下游基因的表達(dá)來調(diào)控前體脂肪細(xì)胞分化；(3)IL-33/ST2信號(hào)通路調(diào)控前體脂肪細(xì)胞分化的作用機(jī)制是什么。對(duì)于IL-33/ST2信號(hào)通路在脂肪細(xì)胞分化過程中的功能及作用機(jī)制的研究，將對(duì)深入了解脂肪沉積的調(diào)控機(jī)制產(chǎn)生重要的指導(dǎo)意義。