巨噬细胞替代激活及调控

中国细胞生物学学报ChineseJournalofCellBiology2011,33(2):197−203收稿日期:2010-05-21　　接受日期:2010-07-13国家自然科学基金创新研究群体科学基金(No.30821006)，国家自然科学基金项目(No.31070764)教育部科学技术研究重点项目(No.107049)*通讯作者。Tel:[phone],E-mail:[e-mail]巨噬细胞替代激活及调控吴媛媛　李　龙　沈萍萍*(南京大学生物医药国家重点实验室,南京210093)摘要　　巨噬细胞作为机体天然免疫系统的重要组成部分,在生物体内发挥多种免疫功能,包括吞噬细菌、病毒等微生物,递呈并处理抗原和参与免疫应答。这些免疫功能的发挥依赖于巨噬细胞的激活。巨噬细胞的激活有多种形式,包括经典激活与替代激活。研究表明,替代激活的巨噬细胞参与了组织修复、血管新生、肿瘤发展侵袭与转移、炎症干预等多种生理病理过程。本文将根据近年来的研究进展,就巨噬细胞替代激活的亚型、分子特征、相关信号转导通路及重要调控分子作一综述。关键词　　巨噬细胞;替代激活;信号转导;调控巨噬细胞是机体天然免疫系统的重要组成成分。骨髓髓系前体细胞在外周血循环系统中分化为单核细胞,继而进入外周组织分化成熟为招募巨噬细胞或驻留巨噬细胞。在组织微环境中,巨噬细胞的激活会受到多种因素的影响,如病原体的入侵、体内坏死的细胞及碎片、其它细胞分泌的因子等的刺激,而导致巨噬细胞的吞噬能力、细胞因子及趋化因子分泌能力、抗肿瘤抗病原体能力、对趋化因子做出应答以及对抗原的加工递呈能力等发生明显变化,这种过程即为巨噬细胞的激活[1]。由于巨噬细胞组织分布、分化程度以及外界激活因子的多样性,巨噬细胞具有复杂的异质性与功能的多样性。近年来,不同的巨噬细胞亚型已被证实,根据激活后巨噬细胞的功能大致将其分为两类:经典激活的巨噬细胞(classicalactivatedmacrophage,简称为caMφ或M1型)及替代激活的巨噬细胞(alternativeactivatedmacrophage,简称为aaMφ或M2型)[2]。M1型细胞的激活主要由CD4+辅助性T细胞(Th1)分泌的干扰素-γ(IFN-γ)、革兰氏阴性细菌细胞壁成分脂多糖(LPS)、颗粒巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)或肿瘤坏死因子(TNF)介导,表现为自身抗原呈递能力上升,补体介导的吞噬作用提高,大量促炎症因子如肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白介素-1β(IL-1β)、IL-6、IL-12、IL-23、一氧化氮(NO)的释放以及化学趋化因子配体-9(CXCL-9)、CXCL-10等的产生。这些炎性介质的释放,促进了体内异己成分的有效清除[1]。M1型细胞亦可作为效应细胞参与到Th1免疫应答过程中,促进炎症反应的进行,对细胞内感染的病原体有杀伤作用。M2型细胞具有多种亚型,具体分为由IL-4或IL-13诱导的M2a,免疫复合物及部分Toll样受体(TLR)配体诱导的M2b,IL-10、糖皮质激素(glucocorticoids)或开环甾体类激素(如维生素D)诱导的M2c。M2型细胞与M1型细胞在细胞表面受体表达、细胞因子及化学趋化因子释放、效应功能发挥、胞内信号转导等多方面存在显著差异。本文将从M2型细胞表型及功能、信号通路及相关的蛋白调控分子等方面对M2型细胞的作一概述。1替代激活巨噬细胞基因表型及功能替代激活的巨噬细胞可以特异性表达一些基因,如I型精氨酸酶(Arginase1)编码基因arg1。IL-4可诱导巨噬细胞内arg1的表达,产生的Arginase1与诱导型一氧化氮合成酶iNOS竞争底物精氨酸,催化精氨酸生成鸟氨酸和多胺,从而抑制由iNOS介导的免疫杀伤作用,发挥免疫抑制功能[3]。同时,替代激活的巨噬细胞表面特定的标志分子表达会上调,如甘露糖受体(MR)、巨噬细胞清除受体1(SR1)、树突状细胞特异性细胞间粘附分子-3结合非整合素(DC-198·综述·SIGN或CD209)、巨噬细胞半乳糖型C型凝集素-1(MGL-1)等。研究表明在巨噬细胞识别糖蛋白、脂蛋白的过程,抗原提呈能力的改变过程及对组织的清除和重塑的过程中,上述受体均参与并发挥功能[4]。在细胞因子的分泌方面,替代激活的巨噬细胞一方面会抑制促炎症细胞因子(IL-12、IL-1、IL-8、TNF)的分泌(M2b中IL-1、IL-6、TNF的释放量上调,这是个例外),另一方面还会上调免疫抑制细胞因子IL-10的表达,因此IL-12与IL-10之间的比值也成为了判定巨噬细胞替代激活发生与否的标志;在趋化因子分泌方面,巨噬细胞会特异性的上调部分趋化因子的表达,例如CCL2、CCL7等,这些趋化因子会通过与单核细胞、嗜碱性粒细胞等表面的受体结合从而参与到免疫反应的调节过程中[5]。另外,替代激活的巨噬细胞还会上调YM1和YM2(几丁质酶家族成员)、FIZZ1等分泌蛋白的表达[6]。巨噬细胞功能的改变主要依赖于上述基因的特异性表达,而这些特异性表达的蛋白同样成为了判定巨噬细胞是否发生替代激活的标志(表1)。2巨噬细胞替代激活相关信号转导2.1IL-4、IL-13介导的信号通路IL-4、IL-13是巨噬细胞发生替代激活的典型的诱发因子。IL-4可由活化CD4+T细胞、粒细胞、肥大细胞产生,其中Th2细胞亚群是IL-4的主要来源。IL-4可以促进T细胞、B细胞、肥大细胞及造血细胞的增殖,诱导Th0细胞向Th2细胞的分化,调节巨噬细胞抗原递呈及肿瘤杀伤作用,参与调节先天性及获得性免疫应答[7]。IL-13可由Th2细胞、嗜碱性粒细胞产生,对单核/巨噬细胞、B细胞、前骨细胞、大颗粒淋巴细胞等多种免疫细胞发挥调节作用[8]。因为两种细胞因子共用细胞膜上的IL-4受体α亚基(IL-4Rα),所以IL-4、IL-13两者作用于巨噬细胞产生的效应十分相似。除了IL-4Rα外,细胞膜上的IL-4受体(IL-4R)、IL-13受体(IL-13R)有各自不同的亚基。LaPorte等[4]根据三维结构空间构象提出IL-4、IL-13结合的膜受体存在两种类型,分别为I型或II型受体。I型受体是由IL-4Rα与γc组成的二聚体。II型受体是由IL-4Rα与IL-13Rα1组成的异源二聚体。IL-4介导的信号通路可由I型或II型受体向胞内传递。IL-4可以被细胞膜表面受体IL-4Rα识别,与IL-4Rα有高度的亲和力。当IL-4结合到IL-4Rα上后,促进其二聚化成为I型或II型受体,引发下游的信号级联反应,这其中的信号转导通路主要包括:Janus激酶家族-STAT6(JAK-STAT6)信号通路、胰岛素受体家族-磷酸肌醇3-激酶(IRS2-PI3K)信号通路(图1A)。Janus激酶是一类没有受体的蛋白酪氨酸激酶,也被称为JAK激酶,包括四个家族成员,即JAK1、JAK2、JAK3及Tyk2。其中I型受体可以激活JAKs中的JAK1、JAK3,而II型受体激活的是JAK1、JAK2及Tyk2[9~11]。JAK进一步激活STAT通路。STAT(signaltransducerandactivatoroftranscription,信号传导与转录激活因子)是在JAK/STAT通路中发挥重要作用的转录因子家族,它们既参与信号传导,又激活基因转录。STAT家族目前发现有7个成员,表1　替代激活巨噬细胞的亚型Table1　AlternativeactivatedmacrophagesubtypesM2aM2bM2cInducerIL-4,IL-13Immunecomplex+TLR/IL-1RligandsIL-10,glucocorticoidsMolecularmarkerMR,SR,MHCIICD86,MHCIIMR,SLAMCytokineIL-12、IL-1、IL-8、TNF↓、ΙL-10↑IL-1、IL-6、TNF↑ΙL-10↑Induciblegenearg1,Ym,FIZZ1FunctionTh2responses,typeIIinflammation,Th2activation,immunoregulationImmunoregulation,matrixallergy,killingandencapsulationofdeposition,tissueremodel-parasitesling注释:M2a代表巨噬细胞替代激活亚型a,M2b代表巨噬细胞替代激活亚型b,上述两种亚型的巨噬细胞主要执行免疫调节功能,促进Th2免疫应答的发生;M2c代表巨噬细胞替代激活亚型c,主要功能是抑制免疫反应的发生,在组织重塑过程中发挥重要作用[5]。↓表示细胞因子分泌水平低,↑表示细胞因子分泌水平高。Note:↓standsforlowsecretionlevel,↑standsforhighsecretionlevel.199吴媛媛等:巨噬细胞替代激活及调控分别命名为STATl、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5A、STAT5B和STAT6。通过JAK-STAT通路的信号传递作用,巨噬细胞会对超过20种的细胞因子做出相应的应答[12]。巨噬细胞膜表面IL-4Rα亚基在识别IL-4后,通常招募γc链形成I型受体,通过JAK1、JAK3磷酸化STAT6,诱导其发生同源二聚化,进而活化转位入核,结合到arg1启动子上启动基因转录,调节巨噬细胞替代激活[4]。胰岛素受体家族成员包括IRS-1,2,3,4,其中IRS-1,2,3可以与IL-4Rα相互作用,但是在巨噬细胞内多以表达IRS-2为主。IRS-2是存在于胞质中的停靠蛋白,包含许多蛋白酪氨酸结合区域以及丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸磷酸化位点,其中I4R结构基序中的第一位酪氨酸(Y1)是IRS-2被招募到IL-4Rα的重要位点。一旦IRS-2的酪氨酸发生磷酸化,便可与PI3K的p85亚基SH2结构域识别作用,进而激活PI3K通路,对M2的生存与增殖十分重要[13]。IL-13的信号传递主要是由IL-4Rα与IL-13Rα1组成的II型受体介导的。此外,IL-13也可以被IL-13Rα2所识别,并与其有高亲和力。但IL-13Rα2在与IL-13结合后,可以发生内陷,受体蛋白胞浆区部分被内吞入泡,丧失信号传递的能力,发挥类似于诱骗受体的作用,从而竞争性抑制IL-13Rα1介导的信号传递[14]。然而,IL-13Rα2在巨噬细胞中发挥诱骗受体的功能随后又受到了质疑。Fichtner-Feigl等[15]发现,IL-13可以与TNF协同诱导IL-13Rα2的表达,并通过IL-13Rα2活化一种含c-Jun、Fra-2的AP-1转录因子的变体,促进肿瘤生长因子(TGF)-β的转录表达,在持续性炎症中发挥调控功能。IL-4、IL-13可以诱导巨噬细胞替代激活,这为研究巨噬细胞替代激活途径提供了很好的体外研究模型。IL-4或IL-13注射入动物体内后,只能发挥抑制肺部及脂肪组织中巨噬细胞释放促炎因子的功能,却无法诱导腹腔巨噬细胞的替代激活。这与腹腔液中存在大量的水解酶,可以降解外源细胞因子相关[1]。2.2IL-10介导的信号通路IL-10是由Th0、Th2CD4+T、CD5+B细胞、胸腺细胞、角质化细胞和巨噬细胞等多种细胞分泌的一种重要的抑炎性细胞因子,除了具有调节淋巴细胞、髓样细胞分化的功能,其主要生物学活性是起免疫抑制作用。它能抑制经典激活的巨噬细胞分泌TNF-α、IL-1及IL-12等促炎细胞因子的能力,亦可以抑制Th1细胞的增殖及IL-2、IL-3、IFN-γ、GM-CSF等细胞因子的合成,抑制细胞免疫反应,促进体液免疫水平[16]。IL-10可以与细胞表面特异性受体IL-10R结合。IL-10R由两个不同的亚基α、β组成,两个亚基均属于II型细胞因子受体家族。IL-10Rα亚基是分子量为110kDa的多肽链,与IL-10的结合具有高度亲和力,主要负责与配体