IL-25与支气管哮喘

西安交通大学医学院第二附属医院呼吸内科(西安 710004)张秋红 综述 李雅莉 审校

支气管哮喘是由多种细胞 (如 EOS、肥大细胞、T淋巴细胞、中性粒细胞、气管上皮细胞等)和细胞组分参与的气管慢性炎症性疾病,是呼吸系统的常见病和多发病。全球约有 3亿患者,约 40%的患者有家族史。哮喘发作影响患者的生活质量,并带来沉重的经济负担。由于哮喘病因及发病机制尚不完全清楚,故尚无特效的治疗方法。哮喘炎症反应是由多种炎症细胞、炎症介质和细胞因子参与和相互作用的结果,关系复杂,需进一步研究。目前围绕哮喘患者 Th1/Th2细胞因子分泌失衡的研究居多。多项研究显示 IL-25诱导 Th2类型细胞因子产生,促进嗜酸性粒细胞(EOS)向气道募集、粘液过多分泌、上皮细胞增生肥大,导致血清中 Ig E水平增加,引起气管高反应性(AHR),与支气管哮喘的发生密切相关。现就 IL-25的来源与结构、生物学作用及诱导哮喘发生的可能机制等进行简单的介绍,并在基本结构方面与 IL-17家族其他成员进行简单的横向比较。

1 IL-25结构及其来源 IL-25是 Lee等[1]首先报道命名为 IL-17E,为 IL-17家族的新成员,应用逆转录聚合酶链反应检测到 IL-17E在脑、肾、肺、前列腺、睾丸、脊髓、肾上腺、气管存在低水平表达。同时 Fort等[2]发现了由 Th2细胞产生、结构与 IL-17存在相似的细胞因子,命名为 IL-25,在 NCBI表达序列标签(EST)数据库中进行了 BLAST搜索,找到一段与 IL-17有显著同源性的 EST序列,利用反向遗传学的方法克隆了 IL-25的基因。鼠 IL-25cDN A全长 985bp,内含一个长 507bp的开放阅读框,编码 169个氨基酸残基,分子量 17.5kDa。人 IL-25定位于 14q11.2,其 cDN A全长 3987bp,内含一个 483bp的开放阅读框,编码 161个氨基酸残基,分子量 16.7kDa。鼠 IL-25与人 IL-25具有 80%的同源性[2]。

IL-17家族最早于 1995年[3]发现了第一个成员 IL-17(IL-17A),此后在 2000年至 2002年期间共发现了其他 5个成员(IL-17B-F)[1,4～7]。这个特殊的细胞因子家族 ,其成员在结构上与 IL-17A相比,IL-17F与其同源性最高(50%)[6,7]、IL-17B(29%)[4]、 IL-17D(25%)[5]、IL-17C(23%)[4],而 IL-17E(IL-25)最少 (17%)[1,2]。IL-25主要来源于向 Th2细胞极化的 T细胞[2]和骨髓源性肥大细胞[8],Angkasekwinai等[9]研究发现经变应原刺激后肺上皮细胞及肺泡巨噬细胞亦可表达 IL-25。而IL-17A来源于外周血活化的 CD4+记忆 T细胞[3,10]和 CD8+记忆 T细胞[10,11];IL-17B和 IL-17C表达于多种组织[4],但其细胞来源目前尚不清楚;IL-17D来源于静止期 CD4+T细胞和CD19+B细胞[5];IL-17F来源于活化的 CD4+T细胞和单核细胞[6]。

2 IL-25受体 IL-17家族第一个被确定身份的受体为IL-17R[12],其定位于染色体 22q11.1,IL-17R是Ⅰ类跨膜蛋白,其胞外区域由 293个氨基酸组成,由 21个氨基酸组成跨膜区域,另有一长达 525个氨基酸片段组成胞质尾区。在人类细胞中,IL-17R mRNA于上皮细胞、成纤维细胞、B/T淋巴细胞、骨髓单核细胞及骨髓间质细胞中均可检测到[13]。IL-17F与 IL-17A有着高度的同源性,利用腺病毒转染技术,在小鼠气管内过表达 IL-17F同样也导致支气管肺泡灌洗液中中性粒细胞数量增加,与 IL-17A相似可诱导 G-CSF、CXCL8产生[14],或许IL-17F也依赖 IL-17R进行信号转导,但 Hymowitz等[7]采用表面等离子体共振技术未发现 IL-17F与 IL-17R可以结合的证据。最新研究发现 IL-17C的受体为 IL-17RE,IL-17D的受体目前尚不清楚[15]。 IL-17B与 IL-17RB具有低亲和力[1],IL-17RB具体结构及来源将在下文中阐述。

IL-25受体为 IL-17RB/EV I27,因与 IL-17R同源,亦被称为 IL-17Rh1[1,16]。 IL-17RB定位于染色体 3p21.1[17],Webb[18]等报道染色体片段 3p21周围区域与过敏性疾病有关。IL-17RB分子量为 56kDa,为Ⅰ类跨膜蛋白,编码 502个氨基酸,与 IL-17R有 26%的同源性[1]。 RN A和蛋白质分析显示 IL-17BR存在两种亚型:膜结合型和可溶型[16]。 Lee等[1]用 Northern印迹法于肝脏、肾脏、脑、结肠、小肠、骨骼肌中检测到 IL-17RB,且定量 PCR提示在肝脏和肾脏 IL-17BR存在高表达。Angkasekwinai等[9]研究发现 IL-17BR在原始 T细胞中有表达,在 Th2细胞中持久表达,Wang等[19]发现在人记忆 Th2细胞中 IL-17BR表达增加。 Jung等[20]研究分析了 IL-17RB基因多态性,提示频率较小的 IL-17BR+5661G/A的 A等位基因有对抗支气管哮喘发展的显性保护性遗传效应。

3 IL-25的生物学作用

3.1 诱导 IL-4、 IL-5、IL-13、 Eotaxin产生 Fort等[2]将野生型小鼠分为腹膜腔内注射纯化 IL-25蛋白组及灌注生理盐水对照组,10d后对实验小鼠的脏器组织利用定量 PCR法检测分析细胞因子 mRNA的含量。在 IL-25蛋白处理组小鼠中发现 IL-13mRNA在脾脏、胃、小肠、肾脏、肝脏、肺、结肠组织中均有表达;IL-4mRNA及 IL-5mRN A在脾脏中有着明显的高表达,但在其他组织中变化较大;IL-6mRN A及嗜酸细胞活化趋化因子(Eotaxin)在脾脏、胃及小肠的表达水平增加,与盐水对照组进行统计学分析均有显著性差异。同时检测 IL-25蛋白处理组的 IL-1 α、 TN F-α、IL-10及 INF-γ的表达 ,与对照组相比无显著性差异。Lee等[1]研究证实对 IL-25蛋白产生应答,诱导 IL-5、IL-13表达的是一组 non-T/non-B谱系阴性的细胞群。 Sharkhuu等[21]发现,BALB/c小鼠肺组织细胞或支气管周围淋巴结(Peribronchial lymph nodes,PBLN)体外暴露于 IL-25环境中 24h后,在肺细胞培养上清液中可检测到 IL-4、IL-5、IL-13表达增加,在 PBLN细胞培养上清液中检测到 IL-5、IL-13、Eotaxin和 精氨酸(Arg-I)表达增加,第 8天时检测 Th2类细胞因子水平仍高,第 16天时 IL-5及 IL-13水平仍高于对照组。Hurst等[14]利用腺病毒转染技术将 IL-25鼻内给药,于小鼠肺组织和支气管肺泡灌洗液(Bronchoalveolar lavage fluid,BALF)均检测到 IL-4、 IL-5、 IL-13和 Eotaxin。

3.2 IL-25对核转录因子 N F-κ B的作用 NF-κB在刺激T细胞抗原受体(TCR)后的信号传导通道中起作用,是一个重要的核内转录因子。 Lee等[1]研究发现在肾癌细胞中 IL-25可以活化 NF-κ B。 IL-25R的胞质尾区存在肿瘤坏死因子受体相关因子 6(Tumor necrosis factor receptor-associated factor6,TRAF6)结合基序。 Maezawa等[22]研究发现 IL-25R信号转导与 TRAF6有关。T RAF家族蛋白含有一个与其他同源受体或细胞之间信号蛋白相互作用的 TRAF-C功能域,而 T RAF6的TRAF-C域的肽基序有着独特的特点,其结构为 X-X-Pro-XGlu-X-X-(芳香 /酸性氨基酸残基),TRAF6结合基序在衔接蛋白例如 IL-1R相关激酶 (IL-1R-associated kinase,IRAK-1)和TRAF相互作用蛋白(T RAF-interacting protein,TIFA),以及膜 结合蛋白例如 CD40和 N F-κ B受体活化因子 (Receptor activator of N F-κB,RANK)中存在,更重要的是在人和鼠的IL-25R中存在。研究发现,IL-25R介导 N F-κ B以及细胞外信号调节激酶 ERK、JN K和 p38的活化,同时发现显性失活的TRAF6的表达抑制 IL-25R活化 NF-κ B。 在 TRAF6-/-小鼠的成纤维母细胞中 ,IL-25R对 NF-κB的活化降低 ,同时发现 IL-25R介导的 IL-6、TGF-β、G-CSF和胸腺活化调节趋化因子(Thymus and activation-regulated chemokine,TARC)的表达亦降低。另外,共免疫沉淀法提示 TRAF6与 IL-25R除了直接的配体依赖方式 ,还存在配体非依赖方式。总之,TRAF6在 IL-25R介导的 NF-κ B活化和基因表达中扮演着重要的角色。

3.3 IL-25其他可能诱导 Th2细胞因子产生的机制 转录因子 GATA-3通过 3种不同的机制促进 Th2效应[23]:① 促进 Th2细胞因子的生成;②Th2细胞选择性生长;③抑制 Th1细胞特异性因子。Angkasekwinai等[9]研究发现 IL-25通过 IL-4和 STAT6依赖方式促进 Th2细胞分化和 GAT A-3表达。而IL-25又可通过活化 N FATc1(Nuclear factor of activated T cells,cytoplasmic 1)和 JUNB诱导早期 IL-4的表达。 Claudio等[24]发现 IL-25R胞质尾区包含一个 SEFIR域,可以结合衔接蛋白 CIKS(Act1),Act1-/-的小鼠对 IL-25无反应,提示衔接蛋白 CIKS(Act1)对 IL-25介导的变态反应性疾病是必需的。Wang等[19]发现胸腺间质淋巴细胞生成素 (Thymic stromal lymphopoietin,TSLP)为类似 IL-17的细胞因子,支气管上皮细胞 TSLP的强表达可以活化树突细胞(Dendric cell,DC)表达 Th2细胞极化信号、OX40配体。经过 TSLP-DCs的刺激之后,被活化的 Th2记忆细胞可以上调 IL-25R转录本和表面蛋白的表达。IL-25可协同 TSLP-DCs通过上调转录因子 GAT A-3、c-M AF和 JUNB的表达刺激 Th2记忆细胞增殖、Th2细胞极化和细胞因子的产生。

4 IL-25与支气管哮喘 支气管哮喘是一种变应性气管炎症疾病,以气管内大量 EOS和 CD4+T细胞浸润、黏液分泌过多、气管高反应性、气管重塑和 Ig E产生为特征。多项研究显示抗原诱导的变应性气管炎症主要是由 Th2细胞及其细胞因子 IL-4、IL-5、IL-13介导,IL-5介导致敏小鼠经抗原诱导产生的 EOS向气管内募集。 IL-13是诱导杯状细胞增生、气管重塑和气管高反应性的关键因子。IL-4可促使原始 Th0细胞向 Th2细胞分化,也诱导 B细胞分化成熟,促进 IgE的合成[25,26]。

Fort等[2]实验研究中 IL-25处理组小鼠除了 IL-4、IL-5、IL-13表达增加外,同时发现其血 EOS增多 ,血清 IgE水平增高,肺组织的组织切片发现 EOS及单核细胞浸润、黏液产生过多、上皮细胞增生肥大。Sharkhuu等[21]其实验研究中同样也发现 IL-25可以导致 AHR、EOS炎症、黏液分泌增加、Th2细胞因子进行性增加及 Arg-Ⅰ和 Eotaxin增加。同时用 IL-25处理IL-13-/-、 IL-4R α-/-及 ST AT6-/-小鼠 ,发现 AHR明显减轻、黏液分泌减少、肺组织 EOS增多虽减轻但仍明显;而 IL-4-/-、IL-5/eotaxin-/-的缺陷小鼠,用 IL-25处理后,AHR被抑制,但是粘液分泌分泌未被完全抑制。实验结果表明,单剂量 IL-25可有效诱导持续性 AHR和急性伴随 EOS增多的肺部炎症。IL-25诱导 AHR依赖于 Th2细胞因子的产生,移除 IL-13和其信号转导通路可阻止 IL-25诱导的气管炎症和 AHR。IL-25通过促进 Th2细胞因子应答和上调 Arg-Ⅰ及 Eotaxin产生级联效应,加重气管炎症。 Tamachi等[25]在其研究中证实经变应原吸入而致敏的小鼠肺组织中发现 IL-25mRNA的表达,用 sIL-25R中和 IL-25后减少了 EOS及 CD4+T细胞向气道内募集。Ballantyne等[27]制备了 IL-25单克隆抗体,中和封闭 IL-25,有效抑制了哮喘模型小鼠的 AHR。

迄今为止,关于 IL-25参与支气管哮喘发生的研究报道较多,推测其 IL-25促进 Th2型免疫反应可能的机制[28]为:活化的 Th2细胞和肥大细胞产生 IL-25;在 IL-25总量充足的情况下,其直接作用于一种谱系阴性的抗原呈递细胞(未明确的细胞 A),产生 Th2细胞因子引起变应性炎症;在 IL-25总量受限的情况下,其可能通过未明确的细胞 B产生趋化因子 TARC诱导抗原特异性 CD4+T细胞募集,然后增强 CD4+T细胞介导的变应性炎症(见附图)。

附图 IL-25介导 Th2型免疫应答可能机制

5 展望 迄今为止 ,关于 IL-25的基本结构、细胞来源、受体结构、生物学作用及与哮喘发生可能的机制方面都有了比较深入的研究,所有研究的最终目的都是希望可以为临床哮喘治疗提供一定的依据。 Ballantyne等[27]成功制备了鼠 IL-25单克隆抗体,作用于支气管哮喘模型小鼠,发现其在致敏阶段、激发阶段甚至 Th2炎症反应阶段都可以中和 IL-25,阻断其与受体的结合,有效的减轻 AHR。这为临床以 IL-25作为哮喘治疗靶点提供了有力证据。目前关于 IL-25应答细胞及确切的信号转导机制仍需进一步研究明确,以助更深入的了解 IL-25与支气管哮喘,甚至与变态反应性疾病的作用关系,为临床治疗学提供新的策略。

[1]Lee J,Ho W H,Maruoka M,et al.IL-17E,a novel proinflammatory lingand for the IL-17 receptor homolog IL-17Rh1[J].J Biol Chem,2001,276(2):1660-1664.

[2]Fort MM,Cheung J,Yen D,et al.IL-25induces IL-4,IL-5,and 13 and Th2-associated pathologies in vivo[J].Immunity,2001,15(6):985-995.

[3]Yoo ZB,Painter SL,Fanslow W C,et al.Human IL-17:a novel cytokine derived from T cells[J].J Immunol,1995,155(12):5483-5486.

[4]LiHZ,Chen J, Huang A,et al.Cloning and characterization ofIL-17B and IL-17C, two new members of the IL-17 cytokine family[J].Proc Natl Acad Sci USA,2000,97(2):773-778.

[5]Starnes T,BroxmeyerHE,Robertson M J,et al.Cutting edge: IL-17D,a novel member of the IL-17 family,stimulates cytokineproduction and inhibits hemopoiesis[J].J Immunol,2002,169(2):642-646.

[6]Starnes T,Robertson M J,Sledge G,et al.Cutting edge:IL-17F,a novel cytokine selectively expressed in activated T cells and monocytes,regulates angiogenesis and endothelialcellcytokine production [J]. J Immunol,2001,167(8):4137-4140.

[7]Hymowitz SG,Filvaroff EH,Yin JP,et al.IL-17s adopt a cystine knot fold:structure and activity of a novel cytokine,IL-17F,and implications for receptor binding[J].EM BO J,2001,20(19):5332-5341.

[8]Ikeda K,Nakajima H,Suzuki K,et al.Mast cells produce interleukin-25 upon Fc epsilon RI-mediated activation[J].Blood,2003,101(9):3594-3596.

[9]AngkasekwinaiP,Park H,Wang YH,et al.Interleukin 25 promotes the initiation of proallergic type 2 responses[J].J Exp Med,2007,204(7):1509-1517.

[10]Ferretti S,Bonneau O,Dubois GR,et al.IL-17,produced by lymphocytes and neutrophils,is necessary for lipopolysaccharide-induced airway neutrophilia:IL-15as a possible trigger[J].J Immunol,2003,170(4):2106-2112.

[11]Happel KI,Zheng MQ,Young E,et al.Cutting edge:roles of Toll-like receptor4 and IL-23 in IL-17 expression in response to Klebsiella pneumoniae infection[J].J Immunol,2003,170(9):4432-4436.

[12]Yao ZB,Fanslow WC,Seldin MF,et al.Herpesvirus saimiri encodes a new cytokine,IL-17,which binds to a novel cytokine receptor[J].Immunity,1995,3(6):811-821.

[13]Silva W A,Covas DT,Panepucci RA,et al.The profile of gene expression of human marrow mesenchymal stem cells[J].Stem Cells,2003,21(6):661-669.

[14]Hurst SD,Muchamuel T,Gorman DM,et al.New IL-17family members promote Th1or Th2responses in the lung:in vivo function of the novel cytokine IL-25[J].J Immunol,2002,169(1):443-453.

[15]Gaffen SL. Structure and signalling in the IL-17 receptor family[J].Nat Rev Immunol,2009,9(8):556-567.

[16]Gratchev A,Kzhyshkowska J,Duperrier K,et al.The receptor for interleukin-17E is induced by Th2cytokines in antigen-presenting cell[J]. Scand J Immunol,2004,60(3):233-237.

[17]Shi YG,Ullrich SJ,Zhang J,et al.A novel cytokine receptor-ligand pair: identification, molecular characterization,and invivo immunomodulatory activity[J].J Biol Chem,2000,275(25):19167-19176.

[18]Webb BT,Van-Den-Oord E,AkkariA,et al.Quantitative linkage genome scan for atopy in a large collection of caucasian families[J].Hum Genet,2007,121(1):83-92.

[19]Wang YH,Angkasekwinai P,Lu N,et al.IL-25 augments type2immune responses by enhancing the expansion and functions ofTSLP-DC-activated Th2 memory cells[J].J Exp Med,2007,204(8):1837-1847.

[20]Jung JS,Lae Park B,Sub Cheong H,et al.Association of IL-17RBgene polymorphism with asthma[J].Chest,2009,135(5):1173-1180.

[21]Sharkhuu T,Matthaei KI,Forbes E,et al.Mechanism of interleukin-25 (IL-17E)-induced pulmonary inflammation and airways hyper-reactivity[J].Clin Exp Allergy,2006,36(12):1575-1583.

[22]Maezawa Y, Nakajima H, SuzukiK,etal.Involvement of TNF receptor-associated factor6in IL-25 receptor signaling[J].J Immunol,2006,176(2):1013-1018.

[23]Zhu JF,Yamane H,Cote-Sierra J,et al.GAT A-3 promotes Th2responses through three different mechanisms:induction of Th2cytokine production,selective growth of Th2cells and inhibition of Th1cellspecific factors[J].Cell Res,2006,16(1):3-10.

[24]Claudio E,Sonder SU,Saret S,et al.The adaptor protein CIKS/Act1 is essential for IL-25-mediated allergic airway inflammation[J].J Immunol,2009,182(3):1617-1630.

[25]TamachiT,Maezawa Y,Ikeda K,et al.IL-25 enhances allergic airway inflammation by amplifying a Th2 cell-dependent pathway in mice[J].J Allergy Clin Immunol,2006,118(3):606-614.

[26]Nakajima H,Takatsu K.Role of cytokines in allergic airway inflammation[J].Int Arch Allergy Immunol,2007,142(4):265-273.

[27]Ballantyne SJ,Barlow JL,Jolin HE,et al.Blocking IL-25prevents airway hyperresponsiveness in allergic asthma[J].J Allergy Clin Immunol,2007,120(6):1324-1331.

[28]Tamachi T,Maezawa Y,Ikeda K,et al.Interleukin 25in allergic airway inflammation[J]. IntArch Allergy Immunol,2006,140(Suppl 1):59-62.