IL-17的信号传导及功能研究

中国细胞生物学学报ChineseJournalofCellBiology2011,33(4):345-357的信号传导及功能研究施沛青　朱　书　钱友存*(中国科学院上海生命科学研究院/上海交通大学医学院健康科学研究所,上海200025)摘要白介素17(IL-17),辅助性T细胞TH17分泌的特征性细胞因子,在抵抗胞外细菌、真菌感染的宿主防御以及各种自身免疫性疾病发病中起到了重要的作用。本文对TH17细胞、IL-17的发现作了历史性回顾,并综述了IL-17受体介导的信号传导途径和生理功能的研究进展,为TH17细胞、IL-17及其受体作为药物治疗的新靶点提供新思路。关键词白介素17(IL-17);TH17细胞;宿主防御;自身免疫国家自然科学资金(No.30930084,No.30871298),中国科学院百人计划(No.KSCX2-YW-R-146)和上海市科委(No.10JC1416600)资助项目*通讯作者。Tel:[phone],E-mail:[e-mail]特约综述炎症在疾病的发生发展中发挥着重要的推动作用。我们实验室运用分子、细胞生物学和小鼠疾病模型等手段研究阐明重大炎症性疾病如自身免疫病、肿瘤和感染性疾病等的发病机制,主要集中在两个研究方向:1)炎症性细胞因子白介素-17的功能和信号转导机制;2)Nod样受体(病原和细胞应激识别受体)的功能及其信号转导激活机制。=86淋巴细胞(lymphocyte)是构成机体免疫系统的主要细胞群体,占外周血白细胞总数的20%~45%,成年人体内约有1012个淋巴细胞。CD4+T细胞在特定的细胞因子环境中被病原体激活后,可以分化为具有不同的生物学功能的细胞亚群以协助及动员其他免疫细胞一起清除入侵的病原体。CD4+T细胞按其所产生的细胞因子谱,最初被分为TH1细胞和TH2细胞。TH1细胞主要分泌g干扰素(interferon-g,IFN-g),胞内细菌感染时,TH1细胞优先分化并引发吞噬细胞介导的宿主防御应答。而TH2细胞主要分泌白介素-4(interleukin-4,IL-4)、白介素-13(interleukin-13,IL-13)和白介素-25(interleukin-25,IL-25或IL-17E)。蠕虫感染及对环境病原菌的应答中,主要是TH2细胞参与,以介导体液免疫为主。最近,随着一类新的被命名为TH17细胞的CD4+T细胞亚群的发现,CD4+T细胞的细胞亚群分类随之被更新为三类。TH17细胞,以其分泌白介素-17(interleukin-17,IL-17)而得名,除此之外,它们还分泌IL-17F、IL-21和IL-22[1]。IL-17作为TH17细胞分泌的特征性细胞因子而倍受关注,由于IL-17RA跟其他已知的受体没有同源性,使得其信号转导研究相对滞后,但随着其下游关键接头蛋白Act1的发现,IL-17信号通路的分子机制正逐步被阐明。现在已知TH17-IL-17轴在宿主防御、自身免疫性疾病发病以及肿瘤中发挥重要的作用,相关研究已渐成为医学及免疫学研究的热点。本文主要就近些年来IL-17的产生、信号传导的分子机制及其生理功能的研究进行系统阐述。1IL-17与IL-17受体1.1IL-17细胞因子家族1993年,Rouvier等[2]首次从激活的啮齿类T细胞杂交瘤中克隆出CTLA-8的cDNA序列,并发现其与346·特约综述·一种T细胞疱疹病毒——松鼠猴疱疹病毒(Herpesvi-russaimiri)的第13个开放阅读框(HSV13,vIL-17)有57%的同源性。1995年,Yao等[3]发现CTLA-8蛋白可以分泌到胞外,能激活成纤维细胞的NF-kB,诱导IL-6的分泌,可以共激活T细胞增殖,并基于其类似细胞因子的性质,提议将其命名改为白介素17(IL-17)[3]。迄今为止,已有六个IL-17家族成员被发现:IL-17A(IL-17)、IL-17B、IL-17C、IL-17D、IL-17E(亦命名为IL-25)和IL-17F[4]。IL-17是IL-17家族的原型,IL-17F与IL-17有最高的同源性(约50%),而且其编码基因定位于染色体的同一区段6p12。IL-17B~E与IL-17同源性相对较差,只有16%~30%的同源性,而且定位在不同的染色体上,但这些细胞因子在人鼠之间有很高的保守性(62%~88%)[5]。IL-17家族成员以同源二聚体或异源二聚体的形式行使功能[6,7]。IL-17A、IL-17E及IL-17F是重要的促炎症因子,而IL-17B、IL-17C和IL-17D的功能还尚待研究。1.2IL-17受体家族IL-17受体(IL-17R)家族由五个成员组成:IL-17RA~IL-17RE。所有的家族成员都是一型单次跨膜蛋白,具有保守结构基序,包括一个胞外的类纤维结合素III(fibronectinIII-like)结构域和一个胞内的SEF/IL-17R(SEFIR)结构域。IL-17受体家族成员之间可组合为不同的受体复合物,其中IL-17RA作为这个家族里迄今为止最大的分子,是至少四个配体的传递信号的通用亚基。IL-17RA与IL-17RC复合体介导细胞对IL-17A与IL-17F的反应[8],但细胞对IL-17A的反应强度10倍于其对IL-17F的反应[9]。这可能与IL17RA对IL-17A的亲和力百倍于IL-17F相关[10],同时,这也可以在某种程度上解释为什么IL-17A比IL-17F在自身免疫炎症反应中更为关键。IL-17RA广泛表达,特别是在造血组织中表达水平高。尽管巨噬细胞和树突状细胞对IL-17A也有反应,但IL-17A的主要效应细胞则是表皮细胞、内皮细胞和成纤维细胞。而淋巴细胞中报道的有限的几个IL-17A诱导的基因也有别于IL-17A在其他类型细胞中诱导的基因[11,12]。这可能与IL-17RA与IL-17RC的表达有关,IL-17RA与IL-17RC在表皮细胞、内皮细胞、成纤维细胞、巨噬细胞和树突状细胞中都有表达,而T细胞只表达IL-17RA,不表达IL-17RC[11]。IL-17RA与IL-17RB的复合体介导细胞对IL-17E/IL-25的反应[13]。IL-17RB能结合IL-17B与IL-17E,它主要表达于各种内分泌组织及肾、肝和TH2细胞。此外,IL-17RA还能结合IL-17RD,但其生物学意义还有待研究。在斑马鱼和蛙的发育过程中,IL-17RD负调控FGF介导的Ras-MAPK及PI3K信号通路。人的IL-17RD也能抑制FGF依赖的ERK激活与FGF依赖的增殖,但鼠的IL-17RD却能结合TAK1激活MAP2K4-JNK信号通路。IL-17受体家族中被了解最少的成员是IL-17RE,近来研究表明IL-17C可能是它的配体[4]。2IL-17的细胞来源2.1TH17细胞的发现1986年,Mosmann等[14]根据激活和分化以及分泌的细胞因子的不同,将辅助性T细胞分为TH1和TH2两群细胞。TH1细胞产生大量的g-干扰素(IFN-g),可以介导迟发型过敏性反应，激活巨噬细胞,还对宿主抵御胞内病原感染具有重要作用;TH2细胞产生大量白介素-4(IL-4),在介导IgE产生、将嗜酸性细胞招募到炎症部位以及清除寄生虫感染等过程中行使了重要作用。2000年科学家发现Borreliaburdorferi激活的抗原递呈细胞可以诱导T细胞产生IL-17但是并不产生IFN-g或者IL-4[15],同年IL-23被克隆出来并发现其与IL-12共用了一个p40亚基[16]。2003年,科学家发现IL-23p19亚基敲除小鼠可以抵抗胶原蛋白诱导性关节炎(CIA)以及实验性自身免疫性脑脊髓炎(EAE)的诱导,而传统上被认为介导TH1反应的IL-12p35亚基敲除小鼠却与正常小鼠一样[17,18],这说明在这些自身免疫疾病模型中,IL-23行使了更为重要的作用。同年IL-23被发现可以刺激CD4+的辅助性T细胞产生IL-17[19],这样就提示了IL-17很有可能也参与了CIA和EAE的发病。2005年,Dong[20]和Casey实验室[21]分别发现了一群新型的辅助T细胞类群,可以特征性的大量分泌IL-17,因此被命名为TH17,并且TH17细胞在自身免疫疾病模型的致病性也被确认[22]。2.2Th17细胞的分化在明确了TH17细胞在自身免疫疾病模型如CIA和EAE的发病过程中起了重要作用之后,TH17细胞分化机制的研究被提上日程。之前的研究表明,TH17细胞是一群独立的CD4+T施沛青等:IL-17的信号传导及功能研究347细胞亚群,针对它从TH0细胞到TH17细胞的分化过程,目前有两种不同的模型被提出[23,24]。一种模型认为,TH1和TH17的早期分化是重叠的,存在一种TH1前体或者前TH1细胞的过渡状态,这种过渡状态的细胞同时表达IL-12和IL-23的两种受体,当免疫环境存在IL-12时,由TH0转化为TH1,而当免疫环境存在IL-23时,则从TH0转化为TH17。另一种模型则认为,TH1和TH17的分化没有任何重叠,两者分别代表不同的谱系。理由是IL-23不能诱导已经分化成熟的TH1分泌IL-17,提示TH1细胞对IL-23是不反应的。TH1细胞分泌的IFN-g在促进TH1细胞分化的同时对TH17的分化有明显的抑制作用。TH2细胞也有类似的现象:其分泌的IL-4也明显抑制TH17的分化。如果通过中和抗体或基因敲除的方法去除环境中的IFN-g和IL-4,则明显有利于TH17细胞的分化。因此,第二种模型更被认可,并且它可以很好地解释在EAE和CIA疾病过程中观察到的现象,比如缺乏TH1细胞的小鼠更易诱导自身免疫性疾病,很可能是因为TH17在脱离了TH1分泌的IFN-g对其的抑制后,更容易致病。在Dong和Casey实验室的研究中,IL-23对于TH17的分化非常关键,但是IL-23单独诱导TH17分化的比例并不是很高,说明TH17的分化条件还有待进一步优化。2006年,Stockinger实验室[25]发现,TGFb加上另外一个炎症信号可以显著驱动TH17的分化,而这个信号来自于LPS刺激过的DC细胞的培养上清。经过不同的抗体阻断,最终鉴定出上清中的IL-6对于TH17的分化是不可或缺的,从此确定了TGFb加上IL-6的经典分化组合。当然,后来进一步研究发现,IL-21、IL-1b对于TH17的分化或者维持也行使了特定的功能[26,27](图1)。对应于TH1和TH2的特异性转录因子T-bet和GATA3,TH17的特征性转录因子RORgt也被发现。RORgt是1998年克隆到的RORg的一种剪切形式,因为该剪切形式表达在胸腺(thymus),所以取了第一个字母,名为RORgt。随后的研究发现,RORgt在胸腺CD4+CD8+T细胞中高表达,在外周则特异表达在小肠固有层,可能参与了对肠道微生物的免疫反应,非常有意思的是,小肠固有层的淋巴细胞特异性的表达IL-17和RORgt,这说明RORgt很有可能和TH17的分化有关联。通过在小鼠中基因敲除RORgt,发现RORgt缺失后TGFb和IL-6并不能诱导出TH17细胞,而且过表达RORgt可以特异性的诱导IL-17的表达而不影响IFNg,从而说明RORgt是控制IL-17分化的关键转录因子。而且更为重要的是,RORgt基因敲除小鼠中EAE病情明显减轻,发病时间也有很长延迟,而且体内TH17分化也受到影响。这些都说明RORgt对于TH17的体内和体外的分化都发挥了重要作用,并且显著控制了自身免疫疾病的发生[28]。随着对TH17细胞分化的进一步深入研究,其他的一些调控TH17分化的调节因子也先后被发现,包括STAT3、RORa、IRF4、BATF、AHR、NLRP3以及micoRNA326等正调因子和Ets-1、IBP、S