多糖激活巨噬细胞的信号转导通路

马志新，赵鲁杭 综述

多糖激活巨噬细胞的信号转导通路

马志新，赵鲁杭 综述

(浙江大学医学院生物化学与遗传学系，浙江杭州310058)

多糖是一类来源广泛，通过多途径多机制激活巨噬细胞而发挥免疫调节功能的天然活性物质。阐明来源不同(植物、真菌、藻类)的多糖激活巨噬细胞的信号传导通路，不仅有助于从分子水平了解其调节免疫功能的作用机制，也可为新型靶向免疫调节药物的开发提供新的方向。

多糖类/药理学;巨噬细胞/免疫学;信号传导

［JZhejiang Univ(Medical Sci)，2011，40(5):567-572.］

多糖是由单糖聚合成的线性或分支的聚合物，具有显著的免疫调节、抗肿瘤、抗炎症、抗病毒、抗辐射等多种生物学功能，已被应用于消化道黏膜损伤和溃疡、血液系统疾病、组织挫伤及烧伤等多种疾病的治疗中［1］。由于多糖具有显著的免疫调节功能临床应用广泛，而且相对低毒，已经成为新型免疫调节剂和基因辅助细胞治疗药物开发的重点领域［2］。巨噬细胞在真核生物种系间高度保守，发挥抗原递呈及协同T淋巴细胞调节适应性免疫反应［3］;它通过免疫监视、趋化作用、吞噬作用及对靶细胞的直接杀伤参与免疫调节，而且其与胚胎发生过程中的组织塑形、损伤修复和衰老细胞的清除有关［4］。研究证实，不同多糖由于其糖链结构(α1，6、α1，4、β1，4)和组成(单糖种类和比例)的差异对巨噬细胞的激活效应也不同。多糖以半乳糖、鼠李糖和阿拉伯糖为主要成分，其分子量大于100 kD的多糖相对于低分子量多糖具有较高的生物活性，能显著促进巨噬细胞对一氧化氮(NO)和多种细胞因子的生成，以增强宿主的免疫力［5-6］。

多糖激活巨噬细胞的方式主要通过2条途径。第一，受体介导的激活作用:多糖经受体的介导，并经通路下游分子将活化信号传入巨噬细胞，启动免疫应答。巨噬细胞表面与多糖的识别相关受体主要有 Toll样受体(TLRs)、CD14、补体3受体(CR3)、清道夫受体(SR)、甘露糖受体(MR)、Dectin-1和G蛋白偶联受体。第二，内吞作用介导的巨噬细胞激活。前者在巨噬细胞的激活中居主导地位，后者通常发挥协同作用。

1 多糖激活巨噬细胞的信号转导通路

多糖通过模式受体(CR3、TLRs、Dectin-1、MR、SR)、CD14及不同受体间通过形成信号转导复合物(TLR4-CD14、CR3-CD14)相互协作激活巨噬细胞的数条信号通路(图1)。

图1 受体介导的多糖激活巨噬细胞的信号通路Fig.1 Signaling pathway of polysaccharide on macrophage mediated by receptors

1.1 TLR4介导的信号转导通路 TLRs是一类新型跨膜蛋白样模式识别受体，广泛表达于树突状细胞、巨噬细胞，中性粒细胞和淋巴细胞的表面，是目前研究免疫功能调节的热点［7］。TLR4作为TLRs家族的重要成员，是多糖、生物碱、植物黑色素等多种天然活性成分的识别位点［8］，TLR4与配体结合后，在髓样分化蛋白(MyD88)的介导下启动MyD88依赖的信号传导通路，促进白细胞介素-1(IL-1)受体相关激酶(IRAK)发生自身磷酸化，激活肿瘤坏死因子受体相关分子-6(TRAF-6)，使有丝分裂原激活酶家族(MAPKs包括 ErK1/2、JNK、P38)活化，从而激活核转录因子-kappaB(NF-κB)诱导激酶(NIK)，NIK 再激活 NF-κB 抑制蛋白(IκB)激酶(IKK)，使 IκB 降解并释放出 NF-κB，启动或增强靶基因的转录，提高巨噬细胞免疫功能［9］。

红花多糖、刺五加多糖、猪苓多糖、桔梗多糖和云芝多糖都是经该受体激活巨噬细胞。上述多糖作用于TLR4野生型和TLR4缺陷型巨噬细胞的研究发现，后者对多糖的刺激呈低反应性，免疫活性分子的生成明显受阻，这可能与TLR4表达的缺失密切相关［10-14］。

1.2 CD14和CR3介导的信号转导通路CD14对脂多糖(LPS)有高度亲和力;CR3是由CD11b和CD18两个亚基组成的黏附分子，能识别β-葡聚糖。在巨噬细胞活化的信号传导通路中CD14和CR3通常与其他多种受体(例如Dectin-1、TLRs)形成信号传导复合体，跨膜传递活化信号［15］。CD14和 CR3与多糖识别结合后激活磷脂酶C(PLC)，产生蛋白激酶C(PKC)和磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)，使MAPKs发生磷酸化，进而活化信号传导及转录激活因子(STAT)和NF-κB，上调多种细胞因子的基因表达和释放［16］。

茯苓多糖与巨噬细胞表面CD14及CR3相结合后，通过上调诱导型一氧化氮合酶(iNOS)的表达，增强巨噬细胞的免疫活性;而CD14及CR3特异性抗体可以使该激活效应降低39%。这说明除CD14和CR3外，茯苓多糖还通过其它途径活化巨噬细胞［17］。非水溶性的大分子酵母β-葡聚糖(WGP)能使巨噬细胞内酪氨酸激酶(Syk)磷酸化水平显著升高，促进多种免疫活性分子的释放。进一步研究发现，WGP可以增加CR3基因缺陷型巨噬细胞对细胞因子的释放，而MyD88基因缺陷型巨噬细胞对其却呈现低反应性。所以CR3不是WGP的重要模式识别受体，而有可能是通过MyD88依赖性通路或者Syk途径来激活巨噬细胞。这虽然与传统认为的CR3是β-葡聚糖受体相悖，但是这为研究非水溶性大分子多糖激活巨噬细胞的机制提供了新的方向［18］。

1.3 SR介导的信号转导通路 SR由2个跨膜结构域、2个膜内结构域和1个膜外结构域构成;其与巨噬细胞吞噬清除功能及分泌细胞因子相关，是褐藻多糖硫酸酯、墨角藻聚糖发挥抗炎作用的有效靶点。目前研究显示，SR可能与CR3通过相同的通路激活巨噬细胞［19-20］。

Nakamura首次发现，墨角藻聚糖能刺激野生型(SR+/+)巨噬细胞释放NO，而对SR基因缺陷型(SR-/-)巨噬细胞则无诱导作用。经SR活化的巨噬细胞通过P38和NF-κB，这2条相互独立的信号通路诱导巨噬细胞iNOS活性增强，促进NO释放。通过阻断SR膜内结构域可以完全抑制墨角藻聚糖诱导的巨噬细胞P38磷酸化，阻断NF-κB与DNA的结合，使细胞因子相关基因的表达受限，这说明墨角藻聚糖只通过SR一种受体与巨噬细胞结合［21］。随后，Jin等证实墨角藻聚糖通过SR可以选择性地抑制蛋白活化因子-1的激活，下调LPS诱导的iNOS基因表达，起到阻断NO释放和抗炎作用。这说明SR在启动免疫应答的过程中也参与了免疫负反馈调节，避免免疫反应过强造成的细胞毒性反应［22］。

1.4 Dectin-1介导的信号转导通路 Dectin-1由4亚基组成，是酵母多糖、真菌多糖及β-葡聚糖的模式识别受体。其通常与TLRs协同激活巨噬细胞，经多条通路启动巨噬细胞的吞噬作用、活性氧族(ROS)的产生及细胞因子的合成释放［23-25］。Dectin-1与配体结合后其胞浆侧免疫受体酪氨酸激活基序(ITAM)激活Syk，Syk促进天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白水解酶-9(CARD9)结构域发生变化，进而调节与CARD9结合的IKK磷酸酶激活复合体，通过IKK 降解 IκB，释放 NF-κB，启动对巨噬细胞的活化作用［26］。灵芝孢子多糖(GSG)对Dectin-1通路缺陷型巨噬细胞激活能力远低于其对野生型的作用，GSG还通过 TLRs使 MAPKs磷酸化，促进细胞因子的释放［27］。虫草多糖(SCG)诱导的细胞因子分泌在Dectin-1敲除巨噬细胞中被完全阻断，但却不受MyD88缺陷的影响。这表明与GSG同时启动Dectin-1和TLRs不同，SCG对巨噬细胞激活是单一依赖Dectin-1的，这可能是由于SCG与GSG组成成分差异所致［28］。

1.5 MR介导的信号转导通路 MR是由5亚基组成的C型凝集素，胞外结构域能够识别甘露糖、L-岩藻糖及N-乙酰葡萄糖氨，在TLR2的协同下参与巨噬细胞的抗原递呈，启动免疫应答，目前关于MR通路下游的分子机制还不明确［29］。

芦荟多糖含有91.5%的甘露糖，经MR激活巨噬细胞，引起巨噬细胞表面主要组织相容性抗原Ⅱ类分子(MHC-Ⅱ)和 IgGFc段受体(FcγR)的表达上调，MHC-Ⅱ可以提高巨噬细胞的抗原呈递能力，FcγR则增强巨噬细胞清除抗原抗体复合物或者抗体肿瘤细胞复合物［30］。

1.6 G蛋白偶联受体介导的信号转导通路多糖与G蛋白偶联受体胞外结构域识别结合后，受体胞内结构域通过与G蛋白偶联调节相关酶活性，在胞内产生第二信使，从而将胞外信号跨膜转入胞内。G蛋白偶联受体所介导的细胞信号转导包括cAMP信号通路和磷脂酰肌醇信号通路。

灵芝多糖(GLB7)能引起小鼠腹腔巨噬细胞中cAMP浓度快速升高，蛋白激酶A(PKA)活性也明显上升［31］。这表明GLB7与G蛋白偶联受体结合后，激活胞内腺苷酸环化酶(AC)催化ATP脱去一个焦磷酸生成cAMP，而cAMP作为第二信使激活PKA，促进细胞DNA的合成，巨噬细胞的分裂增殖。此外，灵芝多糖还能引起小鼠腹腔巨噬细胞内三磷酸肌醇(IP3)和二酰甘油(DG)浓度的升高，证明IP3/Ca2+和DG/PKC两条通路均参与了灵芝多糖对巨噬细胞免疫功能的调节［32］。

1.7 多糖激活巨噬细胞的其它通路 除了受体介导的激活通路外，多糖还可以通过巨噬细胞的吞噬作用直接入胞，被吞噬的多糖分子不易完全酶解进而保留其免疫原性，可以协同受体介导的信号通路共同激活巨噬细胞。此外，有报道证实，部分多糖还可以通过TLR6、TLR2及糖皮质激素诱导的肿瘤坏死因子受体(GITR)激活巨噬细胞［33-34］。

SR和CR3通过活化通路下游信号分子PLC、PKC 及 PI3K 激活 MAPKs、STAT、NF-κB，最终触发相关基因转录的起始。Dectin-1、MR信号通路的激活可以促进巨噬细胞吞噬作用、ROS的产生和NF-κB的释放。TLRs在MyD88的介导下激活 IRAK，进而活化 TRAF-6和MAPKs，最终激活 NF-κB。JNK主要存在于胞质内，在细胞受到刺激后，JNK迅速聚积于核内，并导致相应基因表达改变，FOS是一类参与转录的调节蛋白。多糖经上述通路激活炎性细胞因子前体和iNOS基因的表达，调节巨噬细胞的免疫功能。

2 多糖对巨噬细胞功能的影响

激活的巨噬细胞的吞噬能力和对外源性物质的清除杀伤能力均显著增强，对肿瘤细胞的细胞毒性作用明显提高，细胞因子的分泌和细胞表面相关模式受体的表达上调，总体上提高其免疫应答能力。例如，人参多糖不仅能促进腹腔巨噬细胞产生 ROS、NO、TNF-α 和 IL-6，还能明显增强其对中性粒细胞的吞噬及细胞表面CD68的表达，提高对K562、HL-60及KC1α肿瘤细胞的细胞毒性作用［35］。酵母多糖激活肺泡巨噬细胞，产生 TNF-α和 IL-10，并且上调TLR4、TLR2 及 Dectin-1 的表达［36］。近年来多糖衍生物对免疫功能调节的研究也受到众多学者的关注，多糖经化学修饰后对巨噬细胞的激活作用显著增强，但是，衍生所得多糖的生物安全性还需进一步验证［37］。

综上所述，多糖对巨噬细胞免疫功能调节的高效性和低毒性使其在免疫药物开发领域备受关注。多糖活化巨噬细胞的通路十分复杂，而且不同受体介导的通路之间往往相互调控。从细胞整体水平上来看，一种多糖可能同时与多种受体结合，激活数条信号传导通路，同时又由于多糖与受体的亲和力的差异，导致不同传导通路对巨噬细胞激活效应的不同。目前对于多糖的研究还处于起始阶段，由于其分子自身结构的复杂性和多样性，对多糖结构测定，表征鉴定都提出了巨大挑战，多糖分子不同结构域及糖链中不同手性的碳原子与受体结合的特异性还鲜为了解。进一步深入了解多糖分子的组成和结构，并阐明其激活巨噬细胞信号通路，对于多糖类靶向免疫调剂的开发有指导意义。

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Polysaccharides activate signaling pathways of macrophage

MA Zhi-xin，ZHAO Lu-hang
(Department of Biochemistry and Genetics，Zhejiang University School of Mecicine，Hangzhou 310058，China)

Polysaccharides extracted from various sources are natural active substances，which may lead to the activation of macrophage via multiple pathways and mechanisms.This article intends to illustrate the signaling pathways of polysaccharides from plants，fungi，algae and other sources，to indentify the mechanisms on the molecular level，and to explore the novel target immunomodulatory agents.

Polysaccharides;Macrophages/immunol;Signal Transduction

Q 53

A

1008-9292(2011)05-0567-06

http:∥www.journals.zju.edu.cn/med

10.3785/j.issn.1008-9292.2011.05.018

2011-01-18

2011-07-21

马志新(1982-)，男，硕士生，生物化学与分子生物学.

赵鲁杭(1962-)，男，博士生，副教授，硕士生导师，主要从事糖生物学及免疫学研究;E-mail:zhaoluhang@263.net

［责任编辑 黄晓花］