白細胞介素33與支氣管哮喘的研究進展

許仁偉 韓書芝 牛藝兵 殷杰

河北省人民醫(yī)院老年病三科,石家莊050051

支氣管哮喘 (哮喘)是一種慢性氣道炎癥性疾病,以氣道高反應(yīng)性、炎癥以及氣道重塑為特征,發(fā)病機制非常復(fù)雜,目前認為其主要包括氣道炎癥機制、免疫與變態(tài)反應(yīng)機制、氣道神經(jīng)調(diào)節(jié)機制以及遺傳機制等。T 細胞介導(dǎo)的免疫調(diào)節(jié)失衡與慢性氣道炎癥的發(fā)生是最重要的哮喘發(fā)生機制。哮喘的所有表型中,過敏性哮喘是最主要的一種哮喘表型,表現(xiàn)為以Th2細胞的炎癥反應(yīng)為主,特異性的免疫球蛋白 (Immunoglobulin,Ig)E抗體介導(dǎo)及肥大細胞參與,并出現(xiàn)可逆的氣流受限為特征[1]。IL-33 是IL-1 家族的成員,是Th2型免疫反應(yīng)及變態(tài)反應(yīng)性氣道疾病重要的細胞因子。在肺組織上皮高表達,肺的支氣管上皮是IL-33的重要儲存庫,并且IL-33在哮喘患者的氣道表達水平隨著疾病嚴重程度而升高。哮喘患者血清、多種組織細胞及誘導(dǎo)痰中IL-33明顯升高[2],抑制IL-33或是IL-33基因缺陷的哮喘動物模型中,肺部炎癥明顯減輕[3-4]。這些證據(jù)都證明了,IL-33在過敏性哮喘的病理生理發(fā)生、發(fā)展過程中的重要作用。

1 IL-33的生物學特性

1.1 IL-33的來源及結(jié)構(gòu) 細胞因子通過活化細胞外表面受體完成細胞間的交流,一個經(jīng)典的細胞因子包括一個核心的肽序列,介導(dǎo)細胞因子胞外分泌或是在胞漿分泌顆粒內(nèi)儲存,以備在被激活后釋放。但許多包括IL-1 家族成員、高遷移率族蛋白在內(nèi)的細胞因子,卻缺少核心肽序列,局限于細胞核中,IL-33 正屬于此類定位于細胞核的核因子,其分泌機制尚不清楚[5]。IL-33 于2005年由Schmitz等發(fā)現(xiàn),至今仍屬于IL-1 家族中的新成員,IL-33 是ST2(IL1RL1)受體的配體,人類的IL-33編碼基因位于第9號染色體 (9p24.1)上,可在多種器官和細胞表達,包括胃、腦、脾、心臟及支氣管上皮細胞、成纖維細胞、平滑肌細胞、角質(zhì)形成細胞、巨噬細胞、樹突狀細胞等[6]。通過對氨基酸序列的同源性分析,發(fā)現(xiàn)IL-33 具有特征性的β三葉草型結(jié)構(gòu)域與IL-1家族成員 (如IL-1α、IL-1β和IL-18)類似,因此表現(xiàn)出相似的生物學作用[6]。全長形式的IL-33(相對分子量30)定位于核內(nèi),作為前炎性因子,在核內(nèi)具有調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄作用。人的IL-33cDNA 編碼270 個氨基酸,可被分為3個功能結(jié)構(gòu)域,即細胞核結(jié)構(gòu)域、中心結(jié)構(gòu)域及細胞因子結(jié)構(gòu)域 (圖1)。細胞核結(jié)構(gòu)域 (1-65號氨基酸組成)由2-3號外顯子編碼,包括染色質(zhì)結(jié)合序列 (40-58號氨基酸)[7]。一般情況下,染色質(zhì)結(jié)合序列使IL-33蛋白局限于細胞核內(nèi),并通過H2A-H2B 二聚體與染色質(zhì)綁定[8]。中心結(jié)構(gòu)域 (66-111號氨基酸組成)由4號外顯子編碼,含有酶切位點序列,對中性粒細胞、肥大細胞來源的蛋白酶非常敏感,盡管全長形式的IL-33 已具有細胞因子活性,但通過中心結(jié)構(gòu)域的酶切和N 端肽的移除,可進一步增強活性[6,9]。在組織損傷時,由中性粒細胞和肥大細胞等炎癥細胞產(chǎn)生的外生酶如中性粒細胞組織蛋白酶G、中性粒細胞彈性蛋白酶和肥大細胞絲氨酸蛋白酶,具有促進IL-33活化的能力,可對中心結(jié)構(gòu)域酶切位點切割,成為炎性因子,即成熟的細胞因子IL-33 (相對分子量18)被釋放到細胞外[6,9]。Cayrol等最近研究發(fā)現(xiàn),全長形式的IL-33能夠被環(huán)境各種變應(yīng)原,如真菌、塵螨、蟑螂和花粉刺激產(chǎn)生的蛋白酶切割,并且被切割后產(chǎn)生的成熟形式的IL-33是過敏性氣道炎癥強有力的誘導(dǎo)劑[10]。但內(nèi)生的具有類似功能的蛋白酶尚不知曉。細胞因子結(jié)構(gòu)域 (112-270號氨基酸)由5-8號外顯子編碼,與靶細胞表面的ST2受體結(jié)合,介導(dǎo)細胞因子的活化[11]。與中心結(jié)構(gòu)域酶切位點不同,在這些酶切位點被切割后,將形成無生物學活性的片段[12]。

圖1 人IL-33結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 IL-33受體 IL-33 的受體復(fù)合物由IL-1R 輔助蛋白(IL-1RAcP)和瘤變抑制因子2 (suppression of tumorigenicity 2,ST2)組成,IL-33通過與二聚體受體復(fù)合物結(jié)合后表現(xiàn)出其生物學功能。IL-1R 是IL-1家族多個成員的受體組分 (IL-1α、IL-1β、IL-1F6、IL-1F8 和IL-1F9)[11]。ST2受體在肥大細胞高表達,是Th2 細胞的高選擇性標志物,此外還在巨噬細胞、造血干細胞、自然殺傷細胞、自然殺傷T 細胞、嗜酸粒細胞、嗜堿粒細胞、2型固有免疫細胞(type 2 innate lymphoid cells,ILC2s)、成纖維細胞也能表達[13]。ST2主要有兩種亞型,即跨膜型 (ST2L)和可溶型 (sST2)[14]。ST2L是典型的膜結(jié)合受體,含有三個胞外IgG 樣結(jié)構(gòu)域,一個跨膜結(jié)構(gòu)域和一個胞內(nèi)Toll/IL-1受體(Toll/Interleukin-1 Receptor,TIR)結(jié) 構(gòu) 域。IL-33 與ST2L的胞外結(jié)構(gòu)域結(jié)合,募集下游信號分子,如髓樣分化因子 (myeloiddifferentiationfactor88,MYD88)、IL-1 受體相關(guān)蛋白激酶等,至ST2L 的TIR 結(jié)構(gòu)域,激活核因子κB和絲裂原活化蛋白激酶產(chǎn)生炎癥反應(yīng)[14]。而sST2仍保留三個IgG 樣結(jié)構(gòu)域,可綁定IL-33,卻缺少跨膜結(jié)構(gòu)域及TIR結(jié)構(gòu)域,不能固定于細胞膜及參與下游信號的轉(zhuǎn)導(dǎo),在胞外可分離IL-33,起到負向調(diào)節(jié)IL-33的作用,其在過敏性氣道炎癥反應(yīng)中,可抑制IL-33 介導(dǎo)的信號通路,起到抗炎的作用[3]。

1.3 IL-33的生物學活性 在眾多的細胞核因子中,IL-33作為IL-1家族的一個成員,主要由黏膜上皮表達,能啟動急性炎癥反應(yīng)和引發(fā)Th2型免疫反應(yīng),作為強有力的內(nèi)源性危險信號分子或報警素而被廣泛關(guān)注。報警素在感染壞死的細胞、組織損傷或受刺激的白細胞和上皮細胞迅速釋放,在眾多報警素中,IL-33 特殊地位在于其通過ST2 受體與過敏反應(yīng)相關(guān)[5]。區(qū)別于其他的IL,IL-33 具有大量的翻譯后調(diào)節(jié)作用,即通過調(diào)節(jié)靶細胞,激活表達ST2的能力,可激活I(lǐng)LC2s、肥大細胞、Th2 細胞、調(diào)節(jié)性T 細胞、自然殺傷細胞、嗜酸粒細胞、嗜堿粒細胞、樹突狀細胞,從而參與多種相關(guān)疾病的發(fā)生、發(fā)展過程[13]。尤其是在細胞的凋亡過程中,IL-33 可被凋亡過程產(chǎn)生的酶如caspase-3和caspase-7水解,還可被caspase-1 水解,從而失去激活靶細胞表達ST2受體的能力[12]。在急性壞死過程中,胞外的IL-33可被來自中性粒細胞和肥大細胞產(chǎn)生蛋白酶切割,產(chǎn)生高活性形式的IL-33[6,9]。此外,IL-33 在肺外時,其四個殘留的半胱氨酸迅速地被氧化,并在細胞因子結(jié)構(gòu)域形成二硫鍵而失活,導(dǎo)致廣泛的構(gòu)像變化,及ST2結(jié)合位點破壞,而失去激活ST2受體的能力[15]。

2 IL-33與哮喘的關(guān)系

過敏性哮喘是哮喘的最主要表型,表現(xiàn)為嗜酸粒細胞浸潤,Ig E及Th2細胞因子水平升高為特征。IL-33促進了Th2細胞的免疫反應(yīng),并激活了多種與哮喘發(fā)病機制相關(guān)的細胞,包括肥大細胞、嗜堿粒細胞、嗜酸粒細胞等。Th1與Th2細胞亞群比例失衡在哮喘發(fā)病機制中起著至關(guān)重要的作用,其中Th2型免疫反應(yīng)占主導(dǎo)地位。Th2細胞產(chǎn)生的促炎因子包括IL-4、IL-5、IL-6、IL-9、IL-13,引發(fā)強烈的抗體反應(yīng)和嗜酸粒細胞的聚集,可促進B 細胞的增殖、分化和抗體生成,其中IL-4和IL-13是Th2細胞誘導(dǎo)和調(diào)控B 細胞生成IgE 的必備條件[16]。IL-33的特異性受體ST2主要表達于Th2細胞和肥大細胞,而IL-33/ST2又通過激活肥大細胞和Th2型細胞,參與了過敏性炎癥反應(yīng)障礙的病理生理過程[13,16]。Ig E 和Th2細胞因子可刺激肥大細胞、嗜堿粒細胞、嗜酸粒細胞產(chǎn)生組胺和前列腺素,從而介導(dǎo)后續(xù)的免疫炎癥反應(yīng)[17]。

另一方面,IL-33 作為Th2 細胞的趨化因子,通過誘導(dǎo)Th2細胞產(chǎn)生促炎細胞因子、趨化因子、脂質(zhì)介質(zhì),包括IL-4、IL-5、IL-13、腫瘤壞死因子-α、粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子、趨化因子2、前列腺素D2,介導(dǎo)Th2細胞的免疫應(yīng)答。而免疫復(fù)合物又可通過樹突狀細胞增加了IL-33的水平,充分地引發(fā)了Th2細胞的免疫反應(yīng)[18]。

從哮喘患者的誘導(dǎo)痰及支氣管活檢的氣道上皮細胞樣本中發(fā)現(xiàn),IL-33m RNA 表達水平均升高,IL-33水平的上調(diào)在哮喘患者的多個樣本中被發(fā)現(xiàn),包括血清/血漿、誘導(dǎo)痰、支氣管肺泡灌洗液、氣道上皮細胞和黏膜下層炎癥細胞,且IL-33的水平與哮喘的疾病嚴重程度相關(guān)[2,19]。與IL-33相似,sST2的水平在哮喘患者的血清和血漿同樣升高,而sST2通過抑制IL-33/ST2通路,在哮喘患者的過敏性氣道炎癥反應(yīng)中起到保護性作用[19]。

支氣管上皮和氣道平滑肌高水平的IL-33 與氣道高反應(yīng)性有關(guān),IL-33可誘導(dǎo)小鼠氣道平滑肌收縮,并通過上調(diào)肥大細胞產(chǎn)生IL-13介導(dǎo)氣道高反應(yīng)性[20]。IL-33/ST2通路促成了氣道的過敏性炎癥反應(yīng)和氣道高反應(yīng)性,這兩點都是哮喘發(fā)病的病理生理學特征,而體內(nèi)外試驗通過sST2阻斷IL-33/ST2通路,可有效減輕哮喘的氣道炎癥反應(yīng),從另一方面證明了這一點。

自從在小鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)ILC2s之后,在人的外周血及黏膜組織也發(fā)現(xiàn)ILC2s,并被認為是輕中型哮喘患者嗜酸粒細胞性氣道炎癥的標志物[13]。ILC2s經(jīng)IL-25 和IL-33 作用,可產(chǎn)生Th2型細胞因子,并參與Th2型免疫反應(yīng)。哮喘患者氣道IL-33和ILC2s水平均升高,并與哮喘的嚴重程度有關(guān),在小鼠哮喘模型中,敲除ILC2s 或是阻斷IL-33/ST2信號通路可減輕氣道炎癥和氣道高反應(yīng)性[21]。

哮喘是復(fù)雜的慢性氣道炎癥性疾病,受遺傳、環(huán)境等因素影響。多個全基因組關(guān)聯(lián)分析顯示,編碼IL-33 和ST2的基因是人類哮喘的主要易感基因位點[22]。IL-33/ST2的基因的多態(tài)性與哮喘及特定的哮喘表型有關(guān),尤其是與致敏相關(guān)的哮喘表型[23]。全基因組關(guān)聯(lián)分析證實,ST2基因的單核苷酸多態(tài)性與血中嗜酸粒細胞計數(shù)及哮喘表型有關(guān),這些基因單核苷酸的多態(tài)性與血清Ig E 的水平有關(guān)[24]?？拷麵L-33 的起始密碼子,位于32kbp 的基因,其單核苷酸的多態(tài)性,與嗜酸粒細胞計數(shù)及哮喘有密切關(guān)系[24]。而國內(nèi)的一項867例針對兒童哮喘的回顧性分析同樣顯示,IL-33 與ST2 基因多態(tài)性與過敏性哮喘發(fā)生有關(guān)[25]。這些基因組證據(jù)表明,與IL-33/ST2相關(guān)的基因單核苷酸多態(tài)性是哮喘最有意義的基因因素之一。TIR 結(jié)構(gòu)域是ST2L的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域,與MYD88有關(guān),在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)方面起著重要作用,最近的一項研究顯示,ST2的TIR 結(jié)構(gòu)域里的單核苷酸多態(tài)性位點錯義,將增強IL-33/ST2L 信號通路,這些單核苷酸的多態(tài)性可同時增強鄰近和末端的ST2啟動子活性[26]。而在哮喘的動物模型中,IL-33 基因缺陷的小鼠,支氣管上皮的黏液分泌減少,肺部炎癥反應(yīng)減輕,支氣管肺泡灌洗液中的嗜酸粒細胞計數(shù)降低,肺組織中IL-5、IL-13的水平降低[4]。所有這些基因研究都支持IL-33/ST2與哮喘的發(fā)病機制有關(guān)這一假設(shè)。

3 小結(jié)

IL-33是IL-1家族新發(fā)現(xiàn)的促炎因子,在過敏性疾病中起著重要作用,作為報警素,在組織損傷時,最早分泌到組織中。通過與主要由Th2細胞表達的ST2受體結(jié)合,形成IL-33/ST2信號通路,同時參與嗜酸粒細胞、肥大細胞、嗜堿粒細胞等細胞的活化,與哮喘的關(guān)系密切,參與哮喘的病理生理發(fā)生機制。以IL-33/ST2通路為作用靶點,治療肺部炎癥性疾病,成為頗具潛力的哮喘治療新方向,但仍需要更多的前臨床研究和動物模型的預(yù)治療來支持。此外,IL-33分泌、調(diào)節(jié)機制及其在核內(nèi)的所扮演的角色仍不十分清楚,其與哮喘的關(guān)系仍有待進一步的研究。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突