雙調(diào)蛋白與支氣管哮喘的相關(guān)研究進(jìn)展

劉亞利 李媛 田廣原 高笑宇 云春梅

雙調(diào)蛋白最早于1988年被Shoyab等在人乳腺細(xì)胞MCF-7上清液中發(fā)現(xiàn)、分離并鑒定[1]。雙調(diào)蛋白既是2型細(xì)胞因子,也是表皮生長(zhǎng)因子(epidermal growth factor, EGF)家族的成員之一。因其既能夠抑制某些癌細(xì)胞系的增殖,同時(shí)又能夠誘導(dǎo)正常細(xì)胞(如成纖維細(xì)胞和角質(zhì)細(xì)胞)的增殖,所以命名為“雙調(diào)蛋白”[2]。在與表皮生長(zhǎng)因子受體結(jié)合之后,雙調(diào)蛋白激活控制細(xì)胞內(nèi)代謝、增殖、細(xì)胞周期的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路,啟動(dòng)級(jí)聯(lián)反應(yīng),參與器官發(fā)育、組織再生和傷口愈合相關(guān)的生物過(guò)程[3]。支氣管哮喘是一種以肺部炎癥、氣道高反應(yīng)性(airway hyperreactivity, AHR)、粘液分泌過(guò)多和氣道重塑為特征的慢性氣道疾病[4]。研究表明,AREG與慢性氣道疾病相關(guān),血液和唾液中的AREG可作為哮喘的生物標(biāo)志物,且在哮喘急性發(fā)作期間,AREG的表達(dá)水平較哮喘穩(wěn)定期明顯升高[5]。因此研究哮喘與AREG的關(guān)系對(duì)于疾病的診治至關(guān)重要。

一、雙調(diào)蛋白概述

1. 雙調(diào)蛋白的表達(dá)與釋放

AREG在多種組織器官(氣道、肺組織、結(jié)直腸、皮膚等)及細(xì)胞(肥大細(xì)胞、嗜堿性粒細(xì)胞、Ⅱ型固有淋巴細(xì)胞、CD4+T細(xì)胞和CD8+T細(xì)胞)中均有表達(dá)[6]。AREG 在人體發(fā)育過(guò)程和體內(nèi)平衡狀態(tài)下具有組成性表達(dá)的特性,在組織損傷的修復(fù)及重塑、調(diào)控炎癥、維持體內(nèi)穩(wěn)態(tài)中起著重要作用[7]。

AREG位于4號(hào)染色體q13-q21區(qū)域,包含DNA跨度約為10kb的拷貝基因AREG和AREGB[8]。AREG轉(zhuǎn)錄為由六個(gè)外顯子組成的mRNA,編碼252個(gè)氨基酸的跨膜雙調(diào)蛋白前體(Pro-AREG)[2]。雙調(diào)蛋白前體包含許多切割位點(diǎn),一個(gè)疏水信號(hào)肽、一個(gè)具有糖基化位點(diǎn)的N末端親水前區(qū)、一個(gè)含有另一糖基化部位和核定位信號(hào)的肝素結(jié)合(HB)結(jié)構(gòu)域,以及EGF樣結(jié)構(gòu)域。這些位點(diǎn)的存在會(huì)導(dǎo)致不同類型的成熟雙調(diào)蛋白,影響其在不同細(xì)胞類型中的生物活性。在腫瘤壞死因子轉(zhuǎn)換酶( Tumor necrosis factor converting enzyme, TACE )的介導(dǎo)下,雙調(diào)蛋白前體在結(jié)構(gòu)外區(qū)域經(jīng)過(guò)連續(xù)的蛋白水解,最終作為可溶性的AREG釋放[9]。當(dāng)可溶性AREG被釋放到微環(huán)境中,AREG可能停留在細(xì)胞外基質(zhì)中或到達(dá)血液從而發(fā)揮作用。明確AREG蛋白結(jié)構(gòu)以及釋放途徑,對(duì)于了解AREG蛋白的生物學(xué)功能及作用至關(guān)重要。

2. 雙調(diào)蛋白的生理功能及作用

AREG作為表皮生長(zhǎng)因子家族成員之一,具有結(jié)合EGFR的能力。表皮生長(zhǎng)因子受體是一種跨膜糖蛋白,是構(gòu)成酪氨酸激酶受體ErbB家族的四個(gè)成員之一[10]。AREG可通過(guò)自分泌、旁分泌、細(xì)胞內(nèi)核易位和被包含在外泌體中等方式進(jìn)行分泌,隨后與EGFR結(jié)合,啟動(dòng)信號(hào)傳導(dǎo)[11]。同時(shí)AREG也可以與ErbB家族的其他受體ErbB2、ErbB3和ErbB4促進(jìn)EGFR同聚或異聚,觸發(fā)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)的產(chǎn)生,這些信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)調(diào)節(jié)基因表達(dá)并引發(fā)多種細(xì)胞反應(yīng),如增殖、存活、侵襲、運(yùn)動(dòng)和血管生成等。雖然研究表明,與其他EGFR配體相比,AREG 在誘導(dǎo)EGFR對(duì)其他ErbB受體進(jìn)行酪氨酸磷酸化反應(yīng)的效率較低,但其生物活性與高濃度下的其他配體相似,這可能與對(duì)受體的親和力以及AREG所行使的獨(dú)特生理功能有關(guān)。

研究表明AREG不僅可以誘導(dǎo)有絲分裂信號(hào),還可以誘導(dǎo)細(xì)胞分化,在協(xié)調(diào)組織穩(wěn)態(tài)、組織修復(fù)、纖維化和抑制局部炎癥方面發(fā)揮重要作用[6]。同時(shí)AREG還廣泛的參與骨骼發(fā)育、神經(jīng)再生、囊胚植入、角質(zhì)形成、細(xì)胞增殖和纖維化等生理過(guò)程[12]。研究發(fā)現(xiàn),正常骨骼發(fā)育也會(huì)受到AREG表達(dá)的影響,AREG的表達(dá)會(huì)由成骨細(xì)胞和骨組織的甲狀旁腺激素和其他促骨激素觸發(fā)。AREG還可參與乳腺發(fā)育,尤其是青春期乳腺導(dǎo)管的發(fā)育。同時(shí),AREG已被證實(shí)在腫瘤的生物學(xué)中發(fā)揮重要作用。研究表明,AREG可以上調(diào)乳腺癌細(xì)胞中多種蛋白酶的表達(dá),從而在乳腺癌侵襲和轉(zhuǎn)移中發(fā)揮作用。AREG在肝癌組織和細(xì)胞中均有表達(dá),并作為肝癌細(xì)胞的促有絲分裂和抗凋亡生長(zhǎng)因子參與一系列的病理過(guò)程[13]。與人類胎兒成骨細(xì)胞系相比,人類骨肉瘤細(xì)胞系中AREG水平升高,外源性人類AREG治療以劑量依賴性模式增加了兩種人骨肉瘤細(xì)胞株的遷移,同時(shí)增加了傷口愈合活性和細(xì)胞運(yùn)動(dòng)性[14]。AREG在腫瘤學(xué)中的生物應(yīng)用為腫瘤的靶向治療提供了新的治療方向。

此外,AREG在機(jī)體免疫以及炎癥反應(yīng)過(guò)程中扮演著重要的角色,當(dāng)哺乳動(dòng)物的皮膚、肺臟和腸道的屏障表面不斷暴露于環(huán)境刺激,可能導(dǎo)致炎癥和組織損傷。研究發(fā)現(xiàn),在小鼠腸道損傷和炎癥模型中,腸道的炎癥標(biāo)志物雙調(diào)蛋白表達(dá)量增加,同時(shí)雙調(diào)蛋白的受體,即表皮生長(zhǎng)因子受體表達(dá)量也會(huì)增加[15]。T淋巴細(xì)胞是細(xì)胞免疫中的主要效應(yīng)細(xì)胞,在免疫應(yīng)答中產(chǎn)生細(xì)胞因子以介導(dǎo)炎癥并調(diào)節(jié)其他類型的免疫細(xì)胞。感染鼠鞭蟲(chóng)的C57小鼠體內(nèi)的Th2細(xì)胞亞群會(huì)分泌AREG,與T細(xì)胞受體結(jié)合發(fā)揮清除線蟲(chóng)的作用。類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎是一種慢性炎癥性疾病,其主要特征是滑膜增生以及受影響關(guān)節(jié)的進(jìn)行性破壞。AREG在類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者中的表達(dá)增加與促炎因子以及血管生成因子的產(chǎn)生有關(guān)[16]。總之,AREG在多種炎癥疾病中發(fā)揮重要作用。

二、雙調(diào)蛋白與哮喘

哮喘是一個(gè)嚴(yán)重的全球性健康問(wèn)題,影響全球約3.5億患者,在我國(guó)哮喘是常見(jiàn)病、多發(fā)病,已經(jīng)成為主要的、亟需認(rèn)真面對(duì)和解決的公共衛(wèi)生與醫(yī)療保健問(wèn)題之一[17]。作為一種多因素疾病,哮喘以遺傳易感性和環(huán)境觸發(fā)因素為特征,發(fā)作時(shí)伴有可逆性氣道氣流阻塞、非特異性氣道高反應(yīng)性和慢性氣道炎癥[18]。研究證明我國(guó)哮喘患者人數(shù)逐步上升,但因哮喘是復(fù)雜的基因與環(huán)境相互作用的結(jié)果,其臨床表現(xiàn)、氣道炎癥、氣道重塑的強(qiáng)度及類型具有高度異質(zhì)性[19],導(dǎo)致哮喘的診斷率低,控制率低,治愈率低。所以深入了解哮喘的發(fā)病機(jī)制是一項(xiàng)重要的問(wèn)題。

1. 哮喘的發(fā)病機(jī)制

哮喘是典型的環(huán)境和機(jī)體交互影響的疾病,其發(fā)病機(jī)制涉及適應(yīng)性免疫和固有性免疫。適應(yīng)性免疫應(yīng)答分為兩個(gè)階段,在特定變應(yīng)原刺激下機(jī)體會(huì)誘導(dǎo)Th2細(xì)胞合成和釋放白細(xì)胞介素4(Interleukin-4, IL-4)、白細(xì)胞介素5(Interleukin-5,IL-5)和白細(xì)胞介素13(Interleukin-13, IL-13),促進(jìn)IgE的產(chǎn)生進(jìn)而導(dǎo)致氣道炎癥[20,21]。當(dāng)過(guò)敏原再次進(jìn)入機(jī)體,與IgE形成復(fù)合體迅速活化嗜堿性粒細(xì)胞和肥大細(xì)胞,使其釋放多種炎癥介質(zhì),包括細(xì)胞因子、趨化因子、組胺、5-羥色胺和蛋白酶,導(dǎo)致平滑肌收縮、血管通透性增強(qiáng)和炎性細(xì)胞的募集形成急性哮喘反應(yīng)[22]。近年發(fā)現(xiàn)固有免疫應(yīng)答也參與哮喘的發(fā)生、發(fā)展。Ⅱ型固有淋巴細(xì)胞(Innate lymphoid type-2 cells, ILC2)是起源于骨髓中的共同天然淋巴祖細(xì)胞,經(jīng)由淋巴樣祖細(xì)胞、早期淋巴樣前體細(xì)胞、先天淋巴前體細(xì)胞等發(fā)育階段分化而來(lái)的細(xì)胞群[23]。ILC2在肺穩(wěn)態(tài)、損傷后肺結(jié)構(gòu)的修復(fù)及重塑、過(guò)敏性炎癥的引發(fā)以及免疫反應(yīng)過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[24-26]。研究發(fā)現(xiàn),哮喘患者血液和痰液中ILC2含量增加,尤其在嗜酸性粒細(xì)胞型哮喘中[27]。在過(guò)敏原或微生物的刺激下,支氣管上皮細(xì)胞(Bronchial epithelial cell, BEC)釋放IL-33、IL-25和胸腺基質(zhì)淋巴生成素(Thymic stromal lymphopoietin,TSLP),誘導(dǎo)支氣管粘膜中的ILC2活化并釋放IL-5、IL-13,促進(jìn)嗜酸性粒細(xì)胞分化成熟并向肺部募集參與哮喘的炎癥過(guò)程。同時(shí)ILC2還會(huì)通過(guò)分泌AREG來(lái)介導(dǎo)氣道的修復(fù)從而發(fā)揮保護(hù)作用[28]。下面將重點(diǎn)綜述AREG在哮喘中的研究進(jìn)展。

2. 雙調(diào)蛋白與哮喘中的炎癥反應(yīng)

白介素33(Interleukin-33, IL-33)是白介素1(IL-1)家族的一員,在屏障組織的內(nèi)皮細(xì)胞和上皮細(xì)胞的細(xì)胞核中表達(dá),它通過(guò)激活表達(dá)其ST2受體的各種靶細(xì)胞,如肥大細(xì)胞和ILC2,在2型先天免疫反應(yīng)和過(guò)敏性炎癥的啟動(dòng)和擴(kuò)增中發(fā)揮核心作用[29]。在遺傳學(xué)研究中,IL-33基因已被鑒定為哮喘的易感基因。遺傳學(xué)研究表明,一個(gè)等位基因的突變會(huì)導(dǎo)致IL-33功能的喪失,從而減少血液中嗜酸性粒細(xì)胞的數(shù)量,并預(yù)防哮喘的發(fā)生[30]。研究表明IL-33可以通過(guò)誘導(dǎo)ILC2分泌AREG參與組織的修復(fù)和穩(wěn)態(tài)[28]。ILC2既是AREG的先天來(lái)源,也是M2巨噬細(xì)胞分化的重要因素。M2巨噬細(xì)胞通過(guò)表達(dá)精氨酸酶和上皮有絲分裂原IGF-1來(lái)限制急性炎癥、促進(jìn)組織修復(fù)從而減輕蠕蟲(chóng)感染期間的急性肺損傷。IGF-1單獨(dú)并不誘導(dǎo)上皮細(xì)胞增殖,但在EGF家族成員存在的情況下可以增強(qiáng)EGFR信號(hào)傳導(dǎo)和增殖反應(yīng)[31]。因此上皮細(xì)胞的有效有絲分裂刺激可能是由AREG和IGF-1的協(xié)調(diào)表達(dá)誘導(dǎo)的。而AREG誘導(dǎo)上皮細(xì)胞增殖和分化的能力可以在2型反應(yīng)的情況下促進(jìn)蠕蟲(chóng)的排出,并增強(qiáng)感染或損傷后的傷口愈合和組織修復(fù)從而抑制炎癥損傷。

多種蛋白酶介導(dǎo)的蛋白酶水解也參與了哮喘發(fā)病過(guò)程,各種免疫細(xì)胞在過(guò)敏原刺激下釋放內(nèi)源性蛋白酶并參與炎癥介質(zhì)的產(chǎn)生、氣道炎癥細(xì)胞的浸潤(rùn)及氣道高反應(yīng)性[32]。人氣道類胰蛋白酶(Human airway trypsin-like protease , HAT)是一種存在于慢性氣道疾病患者痰液中的絲氨酸蛋白酶,是蛋白酶激活受體-2(protease-activated receptor 2, PAR-2)的激動(dòng)劑[33]。研究表明,HAT通過(guò)PAR-2介導(dǎo)的ERK信號(hào)途徑誘導(dǎo)AREG的產(chǎn)生,然后通過(guò)TACE依賴性機(jī)制促進(jìn)雙調(diào)蛋白的釋放[34]。在氣道上皮細(xì)胞系NCI-H292中,HAT通過(guò)AREG-EGFR 途徑引起粘蛋白MUC5AC基因的表達(dá),該基因表達(dá)的增加以及隨后粘蛋白產(chǎn)生的增加可能導(dǎo)致粘液高分泌引起氣道阻塞[35]。同時(shí)研究表明EGFR激活可降低claudin1基因的表達(dá),增加MUC5AC的表達(dá),同時(shí)造成更嚴(yán)重的氣道炎癥,以及氣道高反應(yīng)性增加[36]。綜上所述,AREG廣泛的參與哮喘過(guò)程中的氣道粘液增加以及炎癥發(fā)生。

3. 雙調(diào)蛋白與哮喘中的氣道重塑

氣道重塑是指可能影響氣道功能特性的氣道結(jié)構(gòu)變化。這些結(jié)構(gòu)變化包括氣道平滑肌質(zhì)量增加、粘液腺肥大、細(xì)胞外基質(zhì)成分沉積、網(wǎng)狀基底膜增厚和血管生成。隨著病情的進(jìn)展,哮喘患者的肺功能會(huì)加速喪失,一些患者會(huì)發(fā)展為進(jìn)行性固定氣流阻塞。氣道重塑通常發(fā)生于哮喘的早期階段,伴隨著炎癥狀態(tài)。Yukinori Enomoto等研究發(fā)現(xiàn)哮喘患者在急性發(fā)作后痰中EGF和AREG濃度暫時(shí)升高。哮喘支氣管上皮中表皮生長(zhǎng)因子受體(EGFR,也稱為ErbB1)酪氨酸激酶的表達(dá)與疾病嚴(yán)重程度相關(guān)[37]。在哮喘患者的肥大細(xì)胞中也可觀察到AREG表達(dá)上調(diào),但在正常對(duì)照組中未觀察到。當(dāng)氣道受到過(guò)敏原刺激時(shí),肥大細(xì)胞通過(guò)脫顆粒的方法釋放組胺,增加血管通透性、粘液分泌和氣道平滑肌收縮而導(dǎo)致過(guò)敏反應(yīng)。同時(shí)組胺通過(guò)刺激AREG的釋放誘導(dǎo)氣道平滑肌細(xì)胞和上皮細(xì)胞的增殖和遷移參與氣道重塑[38]。因此干預(yù)肥大細(xì)胞釋放組胺與AREG的過(guò)程可能成為治療氣道重塑的新方法。

研究表明AREG有助于過(guò)敏性疾病有關(guān)的細(xì)胞因子GM-CSF的釋放,塵螨激活氣道上皮細(xì)胞中的p38-MAPK信號(hào)傳導(dǎo)途徑誘導(dǎo)TACE和金屬蛋白酶家族的另一成員裂解相鄰細(xì)胞或其自身細(xì)胞表面上的AREG,從而驅(qū)動(dòng)GM-CSF的產(chǎn)生[39]。GM-CSF通過(guò)活化巨噬細(xì)胞產(chǎn)生先天性免疫介質(zhì)對(duì)氣道直接作用而促成哮喘。GM-CSF還可以招募α-平滑肌肌動(dòng)蛋白的肌成纖維細(xì)胞,這可能有助于氣道平滑肌增厚和氣道高反應(yīng)性,但GM-CSF是否直接刺激氣道平滑肌細(xì)胞增殖或增生和AHR尚不清楚。肺纖維化是嚴(yán)重哮喘的常見(jiàn)病理學(xué)特征,其導(dǎo)致成纖維細(xì)胞增殖、細(xì)胞外間質(zhì)沉積(例如纖連蛋白(FN)和膠原) ,以及肺泡上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化[40]。AREG可誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞增殖和纖維化基因(如膠原蛋白1-α1、α-SMA和FN)的表達(dá)。總而言之,AREG通過(guò)影響各種細(xì)胞因子的表達(dá)廣泛的參與氣道重塑過(guò)程,進(jìn)一步研究AREG與氣道重塑的關(guān)系有利于為哮喘的治療提供新思路。

三、展望

雙調(diào)蛋白在組織中發(fā)揮修復(fù)作用,調(diào)節(jié)修復(fù)機(jī)制對(duì)于避免組織損傷發(fā)揮重要作用。更深入的了解AREG基因表達(dá)與調(diào)控,以及與其他因子相互作用對(duì)于疾病的發(fā)生、發(fā)展、調(diào)控均具有重要作用。在目前的研究中AREG可以通過(guò)調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)參與多種疾病進(jìn)程,例如研究發(fā)現(xiàn)AREG的表達(dá)上調(diào)會(huì)限制腸道的炎癥以及促進(jìn)組織的修復(fù)使其可能作為克羅恩病的纖維化治療的新靶點(diǎn)[41]。同時(shí)AREG 還可以通過(guò)廣泛下調(diào)致病性 T 細(xì)胞免疫而成為狼瘡性腎炎的抗炎介質(zhì),進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了 AREG/EGFR 軸作為潛在治療靶點(diǎn)的重要意義[42]。雖然AREG已被證明既能在急性炎癥反應(yīng)中發(fā)揮抑炎作用,又能在慢性炎癥中通過(guò)下調(diào)適應(yīng)性T細(xì)胞免疫發(fā)揮強(qiáng)大的免疫對(duì)抗作用。但AREG 在哮喘中的相關(guān)研究較少,其具體抑炎或組織修復(fù)機(jī)制尚不明確。因此,在未來(lái)的研究中,我們將進(jìn)一步集中AREG 在哮喘中的機(jī)制研究,探索AREG作為一種生物標(biāo)志物在識(shí)別對(duì)靶向治療有潛在反應(yīng)的患者以及作為預(yù)后標(biāo)志物的價(jià)值。