巨噬细胞极性转化及其分子调控机制

应航洁(综述)，史丽云(审校)

(杭州师范大学医学院，杭州 310036)

巨噬细胞是机体固有免疫系统的重要成分之一，在炎症、防御、修复、代谢等生理过程中发挥重要作用，是机体维持自身稳定的关键因素[1]。巨噬细胞源自单核细胞。单核细胞从血管渗出，进入器官和组织后，可进一步分化发育成为体内吞噬能力最强的细胞——巨噬细胞。单核-巨噬细胞系是一群异质性高的细胞系，表现为较强的可塑性。目前了解较多的巨噬细胞类型有两种，即经典活化型细胞(M1细胞)和替代活化型细胞(M2细胞)[2]。巨噬细胞的极化是一个多因子相互作用的复杂过程，受到胞内众多信号分子及其通路的调控。环境因子作用于细胞引起的转录调控因子活化，继而在转录水平上参与巨噬细胞极化过程；同时，转录后调控机制，如微RNA(microRNA,miRNA)、乙酰化、泛素化和甲基化等同样可参与巨噬细胞的极化调控[3]。

1 巨噬细胞的极化及其功能特征

巨噬细胞受环境因子刺激而活化，不同的胞外信号可导致巨噬细胞向不同类型转化。细菌及其产物脂多糖、机体分泌的干扰素γ(interferon-γ,IFN-γ)以及肿瘤坏死因子等都可以促进M1细胞形成。相反，寄生虫、真菌等可以诱导产生非经典激活的巨噬细胞[4]，白细胞介素(interleukin,IL)-4和IL-13也可以直接促使巨噬细胞向M2细胞极化。利用粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子(granulocyte-macrophage colony-stimulating factor,GM-CSF)可诱导骨髓细胞分化形成M1细胞；巨噬细胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor,M-CSF)则可诱导骨髓细胞分化形成M2细胞[5]。

经典激活的巨噬细胞M1细胞表现出很强的促炎及抗原呈递能力，可大量分泌细胞因子IL-1、IL-6、IL-12、IL-23和一氧化氮合酶等。其功能主要是针对病原体和肿瘤细胞发挥宿主免疫清除功能。但是,M1细胞的促炎能力须有一定控制，否则会导致机体正常组织的炎症损伤。M2细胞通过分泌转化生长因子β、血管内皮生长因子和表皮生长因子等发挥抗炎作用，促进伤口愈合和纤维化，并拥有强大的组织修复功能，但其对于肿瘤生长和浸润具有促进作用[6-7]。

2 巨噬细胞极化的分子标记

不同类型的巨噬细胞在体内承担不同生理和病理功能，而其在分子标记上同样具有自身特征。目前公认的M1细胞分子标记包括细胞因子IL-12、主要组织相容性复合体Ⅱ(type major histocompatibility complexⅡ，MHC Ⅱ)、一氧化氮合酶2等。M2细胞的标志分子则包括细胞因子IL-10、精氨酸酶1(arginase 1,Arg1)；类抵抗素α、类几丁质酶3样分子3 (chitinase 3-like 3,Chi3l3)以及巨噬细胞甘露糖受体1(macrophage mannose receptor 1,MMR1)等[8]。

3 巨噬细胞极化的分子机制

对于巨噬细胞极性转换的机制目前仍未完全明确，就目前研究来看，巨噬细胞极化过程受到不同层面调控机制的影响，包括胞内信号通路、转录因子、表观遗传和翻译后修饰等。

3.1转录因子与巨噬细胞极化 巨噬细胞极化的调控，特别是转录水平上的调控一直是研究的热点[9]。研究表明，由外界刺激诱导激活的转录因子，可通过作用于特定基因的启动子，而启动特异性转录程序，从而决定细胞向不同方向分化。已知IFN-γ可引起M1细胞极化，该过程主要通过IFN-γ介导的酪氨酸激酶-信号转导和转录激活子(janus kinase-signal transducer and activator of transcription,JAK-STAT) 通路的活化，使转录因子STAT1结合于一氧化氮合酶2、MHCⅡ转录活化子和IL-12基因启动子的顺式元件上，从而引起M1细胞型标志分子的转录表达[ 10]。而IL-4则是通过激活JAK-STAT6通路引起下游M2细胞细胞型标志分子的表达。研究显示，Arg1、Mrc1、Chi313和类抵抗素α等M2细胞分子的表达均受到STAT6调控作用[11]。此外，核受体分子过氧化物酶体增殖物激活受体γ亦参与调节M2巨噬细胞的极化，其机制可能与STAT6的协同作用有关[12]。

另一个参与M2细胞极化的机制是环腺苷酸应答元件结合蛋白-CCAAT/增强子结合蛋白(CCAAT/enhancer-binding protein，C/EBP)β调节轴[13]。环腺苷酸应答元件结合蛋白可引起转录因子C/EBPβ的活化表达，进而激活M2细胞相关分子(Arg1、IL-10和Mrc1)的转录程序。干扰素调节因子(interferon regulatory factor,IRF)同样参与巨噬细胞极性转化调控。该家族成员可在M1/M2细胞不同方向极化过程中发挥不同作用。如IRF5可直接结合M1细胞标志分子IL-12的启动子序列，并激活其表达，诱导细胞向M1细胞型转化[14]。而IRF4主要通过活化组蛋白去甲基化酶Jmjd3，对M2细胞型基因转录起到去阻遏作用，从而促进M2细胞标记分子的表达[15]。

巨噬细胞极性的转录调控是受到多因子作用的过程，转录因子除了激活和促进M1细胞或M2细胞特异性标志分子表达外，有些调控因子通过抑制相反表型分子表达来发挥调控作用。如核因子κB抑制蛋白激酶(inhibitor of nuclear factor kappa B kinase,IκK)[16]、Kruppel样转录因子(Kruppel-like factor，KLF)10和KLF11可抑制M1细胞极化[17]；而含Src同源结构域2的肌醇磷酸酶(Src homology2-containing inositol-5′-phosphatase,SHIP)和p50能够抑制M2细胞极化[18-19]。还有一些分子在促进巨噬细胞向特定方向极化的同时，抑制其向相反方向转化。如转录因子重组信号结合蛋白J(recombination signal binding protein-J,RBP-J)可通过Notch信号上调IRF8的表达，引起下游M1细胞相关基因的转录。同时，RBP-J通过抑制Jmjd3来下调M2细胞相关因子的表达[20]，两者协同，有效推动巨噬细胞向M1细胞型转化。另一转录因子KLF4协同STAT6诱导M2细胞相关基因的表达，同时它还通过阻断核因子κB与其活化辅因子p300/CBP、p300相关因子的结合来抑制M1细胞极化[21]。由此可见，巨噬细胞的极性转化往往是多因子协同作用的结果。

3.2miRNAs与巨噬细胞极化 miRNAs是一类长度为18～25个核甘酸的单链小RNA分子，它主要通过与相关蛋白质形成RNA诱导的沉默复合体，从而抑制靶基因的翻译或者促进靶基因信使RNA的降解，实现对目标基因的转录后调控。这类小RNA分子的表达具有空间和时间上的特异性,对于细胞的增殖、凋亡、分化以及器官的形成具有重要的调控意义[22-24]。虽然miRNAs对于巨噬细胞极性转化的调控机制大部分仍然未知，但是到目前为止人们已经发现不少miRNAs参与了巨噬细胞极性的调控。

Ponomarev等[25]研究发现，若将miR-124(一种大脑特异性表达的miRNA)在骨髓巨噬细胞(bone marrow-derived macrophage,BMM)中过表达后,其表达MHCⅡ、CD45、CD11b、F4/80和CD86的水平明显降低，而M2细胞标志分子类抵抗素α和Arg1的表达水平显著增强。miR-124在促进M2细胞和抑制M1细胞极化过程中有重要调控作用。体内实验也证明，miR-124的过表达能明显抑制实验性自身免疫性脑脊髓炎，减少中枢神经系统炎症。进一步研究证实，转录因子C/EBPα是miR-124的靶基因。miR-124与C/EBPα结合并抑制其活性，导致其下游基因PU.1活性随之受到抑制，从而影响M1细胞分化。但是,C/EBP-α如何调控M2细胞型巨噬细胞的极化目前仍不清楚。

Zhuang等[26]研究发现，用脂多糖刺激BMM引起miR-223表达明显上调，而IL-4作用导致miR-223表达下调。来自miR-223基因剔除小鼠的腹腔巨噬细胞对脂多糖诱导极其敏感，却对IL-4刺激表现为应答延迟。进一步利用miR-223基因缺失小鼠高脂饮食喂养模型证实，miR-223基因的缺失可导致小鼠胰岛素耐受性增高，并伴有脂肪组织炎症增强现象。由此可见，miR-223可抑制经典的促炎(M1细胞)应答和增进抑炎(M2细胞)应答，这体现了一种特有的代谢性疾病的分子免疫调控机制。该研究还证实Pknox1是miR-223的靶基因，但是其具体调控机制仍需作进一步研究。

最近一些研究还证实，miRNA-155是巨噬细胞M1/M2细胞极化过程中的一个重要调控分子，对其M2细胞型分子的表达具有抑制作用。miRNA-155通过与靶基因C/EBPβ结合引起其表达下调，进而抑制M2细胞标志物Arg1表达[27]。miRNA-155也可通过与IL-13受体α1直接结合，引起STAT6介导的M2细胞型分子表达下降[28]。Xu等[29]研究还发现，磷脂酰肌醇3-羟激酶/蛋白激酶B通路可下调miR-155分子表达，继而引起其靶分子——细胞因子信号抑制子的表达增加，从而抑制M1细胞型的产生和抗感染应答水平。

另有研究显示[30]，与GM-CSF条件下培养的BMM(GM-BMM)相比，let-7c在M-CSF作用下其表达水平更高；若在GM-BMM中过表达let-7c不仅能明显降低M1细胞标分子表达，还能抑制与相关细胞功能；而抑制M-BMM中let-7c表达则可增强M1细胞分子水平。表明let-7c能抑制M1细胞的极性转化，而对M2细胞活化具有促进作用。研究证实，let-7c主要是通过下调其靶基因C/EBPδ来实现对巨噬细胞极化的调控作用,而C/EBPδ对M1细胞型的激活作用已被广泛认知[31-32]，但它如何调节M2细胞型的极化仍然不清楚，可能是通过抑制STAT6与M2细胞型基因启动子相结合而起到一定的调控作用。

从功能上来说，M2细胞巨噬细胞可抑制炎症，促进组织修复。同时，M2细胞型还是组成肿瘤相关巨噬细胞的主要类型。肿瘤相关巨噬细胞可通过分泌免疫抑制因子和其他效应分子来促进肿瘤的发生、发展和浸润。而Yang等[33]研究发现，miRNA-19a-3p可通过调控巨噬细胞极性转化来抑制乳腺癌发展和转移,其主要机制是miR-19a-3p以原癌基因Fra-1为靶基因，抑制其表达。Fra-1属于激活蛋白1家族，在人类和小鼠上皮细胞高表达，并与淋巴细胞的转移有密切关系。Fra-1表达的下调使其下游的M2细胞表型分子(如血管内皮生长因子、STAT3表达以及pSTAT3)活化受到影响，从而抑制巨噬细胞向M2细胞极化，有效地控制了肿瘤的生长和转移。

3.3巨噬细胞极化与翻译后修饰 蛋白翻译后修饰包括乙酰化、糖基化、甲基化和泛素化等过程。这些翻译后修饰在染色质的结构重塑、基因的转录调控、DNA的损伤修复等生命过程中发挥着极其重要的作用。目前已经有研究发现，一些蛋白翻译后修饰对巨噬细胞的极化具有一定的调控作用。

神经调节受体降解蛋白1(neuregulin receptor degradation protein 1，Nrdp1)是一种新型泛素连接酶，能够介导C/EBPβ的泛素化。研究显示，Nrdp1可通过激活泛素依赖的非蛋白水解信号途径，引起C/EBPβ活化，从而增强Arg1表达，促进M2细胞型巨噬细胞极化[34]。另有一些表观遗传分子被证实参与巨噬细胞的极性转化调控，如组蛋白脱乙酰酶3能够抑制由IL-4介导的M2细胞型相关基因的表达，使巨噬细胞更易向M1细胞型极化[35]。利用曼氏血吸虫肺部感染模型，证实巨噬细胞中组蛋白脱乙酰酶3的缺失可显著降低炎性反应，改善病变症状。去甲基化酶Jmjd3通过促进组蛋白3的Lys27位点(H3K27)去甲基化而引起M2细胞标志分子的表达，从而导致巨噬细胞的M2细胞极化，这对于机体抗寄生虫感染具有重要意义[15]。

机体对于感染或非感染因子的刺激而产生的M1/M2细胞调控机制对于许多生理活动具有重要意义，同时也可能为一些病理机制提出新的注解。最近有关糖尿病神经病变的研究发现，晚期糖基化终产物及晚期糖基化终产物受体对巨噬细胞极化具有调控作用。晚期糖基化终产物集聚于糖尿病小鼠神经组织，引起巨噬细胞M1细胞转化，抑制M2细胞基因表达，是引起糖尿病相关神经病变的重要原因。阻断晚期糖基化终产物受体通路被证明是改善该病变的重要途径[36]。

4 结 语

可塑性是巨噬细胞的一个显著特征，近年来巨噬细胞的极化受到了广泛关注。极化的巨噬细胞能够与各种因子相互作用，调节机体抗感染和抗肿瘤应答，并参与免疫调节、组织修复重塑等过程。巨噬细胞的极化在炎症、代谢、肿瘤、神经退行性疾病、心血管疾病病等过程中具有重要意义。对巨噬细胞极化调控机制的研究，不但可加强对其本身活化、分化和功能效应的认识，也将为了解相关疾病的发生和发展机制提供新的线索。

[1] Gordon S.The macrophage: past,present and future[J].Eur J Immunol,2007,37(Suppl 1):S9-S17.

[2] Mosser DM,Edwards JP.Exploring the full spectrum of macrophage activation[J].Nat Rev Immunol，2008,8(12):958-969.

[3] Martinez FO,Sica A,Mantovani A,etal.Macrophage activation and polarization[J].Front Biosci,2008,1(13):453-461.

[4] Noel W,Raes G,Hassanzadeh Ghassabeh G,etal.Alternatively activated macrophages during parasite infections[J].Trends Parasitol，2004,20(3): 126-133.

[5] Fleetwood AJ,Dinh H,Cook AD,etal.GM-CSF-and M-CSF-dependent macrophage phenotypes display differential dependence on type Ⅰ interferon signaling[J].J Leukoc Biol,2009,86(2):411-421.

[6] Gordon S,Martinez FO.Alternative activation of macrophages: mechanism and functions[J].Immunity,2010,32(5):593-604.

[7] Wynn TA,Barron L,Thompson RW,etal.Quantitative assessment of macrophage functions in repair and fibrosis[J].Curr Protoc Immunol,2011,14:14-22.

[8] Mantovani A,Sica A,Sozzani S,etal.The chemokine system in diverse forms of macrophage activation and polarization[J].Trends in Immunol,2004,25(12):677-686.

[9] Lawrence T,Natoli G.Transcriptional regulation of macrophagepolarization: enabling diversity with identity[J].Nat Rev Immunol，2011,11(11):750-761.

[10] Varinou L,Ramsauer K,Karaghiosoff M,etal.Phosphorylation of the Stat1 transactivation domain is required for full-fledged IFNγdependent innate immunity[J].Immunity,2003,19(6):793-802.

[11] Martinez FO,Helming L,Gordon S.Alternative activation of macrophages: an immunologic functional perspective[J].Annu Rev Immunol,2009,27:451-483.

[12] Odegaard JI,Ricardo-Gonzalez RR,Goforth MH,etal.Macrophage-specific PPARγ controls alternative activation and improves insulin resistance[J].Nature,2007,447(7148):1116-1120.

[13] El Kasmi KC,Qualls JE,Pesce JT,etal.Toll-like receptor-induced arginase 1 in macrophages thwarts effective immunity against intracellular pathogens[J].Nature Immunol,2008,9(12):1399-1406.

[14] Takaoka A,Yanai H,Kondo S,etal.Integral role of IRF5 in the gene induction programme activated by Toll-like receptors[J].Nature,434(7030):243-249.

[15] Satoh T,Takeuchi O,Vandenbon A,etal.The Jmjd3-Irf4 axis regulates M2 macrophage polarization and host responses against helminth infection[J].Nat Immunol,2010,11(10):936-944.

[16] Fong CH,Bebien M,Didierlaurent A,etal.An antiinflammatory role for IKK through the inhibition of "classical" macrophage activation[J].J Exp Med,2008,205(6):1269-1276.

[17] Zhang W,Wang X,Xia X,etal.Klf10 inhibits IL-12p40 production in macrophage colony-stimulating factor-induced mouse bone marrow-derived macrophages[J].Eur J Immunol，2013,43(1):258-69.

[18] Rauh MJ,Ho V,Pereira C,etal.SHIP represses the generation of alternatively activated macrophages[J].Immunity,2005,23(4):361-374.

[19] Porta C,Rimoldi M,Raes G,etal.Tolerance and M2 (alternative) macrophage polarization are related processes orchestrated by p50 nuclear factor B[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2009,106(35):14978-1483.

[20] Xu H,Zhu J,Smith S,etal.Notch-RBP-J signaling regulates the transcription factor IRF8 to promote inflammatory macrophage polarization[J].Nat Immunol,2012,13(7):642-650.

[21] Liao X,Sharma N,Kapadia F,etal.Kruppel-like factor 4 regulates macrophage polarization[J].J Clin Invest,2011,121(7):2736-2749.

[22] Lund E,Güttinger S,Calado A,etal.Nuclear export of microRNA precursors[J].Science,2004,303(5654):95-98.

[23] Croce CM.Causes and consequences of microRNA dysregulation in cancer[J].Nat Rev Genet,2009,10(10):704-714.

[24] Latronico MV,Condorelli G.MicroRNAs and cardiac pathology[J].Nat Rev Cardiol,2009,6(6):419-429.

[25] Ponomarev ED,Veremeyko T,Barteneva N,etal.MicroRNA-124 promotes microglia quiescence and suppresses EAE by deactivating macrophages via the C/EBP-a-PU.1 pathway[J].Nat Med,2011,17(1):64-70.

[26] Zhuang G,Meng C,Guo X,etal.A novel regulator of macrophage activation: miR-223 in obesity-associated adipose tissue inflammation[J].Circulation，2012,125(23):2892-2893.

[27] Arranz A,Doxaki C,Vergadi E,etal.Akt1 and Akt2 protein kinases differentially contribute to macrophage polarization[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2012,109(24):9517-9522.

[28] Martinez-Nunez RT,Louafi F,Sanchez-Elsner T.The interleukin 13 (IL-13) pathway in human macrophages is modulated by microRNA-155 viadirect targeting of interleukin 13 receptor alpha1 (IL13Ralpha1)[J].Biol Chem,2011,286 (3):1786-1794.

[29] Xu F,Kang Y,Zhang H,etal.Akt1-mediated regulation of macrophage polarization in a murine model of Staphylococcus aureus pulmonary infection[J].J Infect Dis,2013,208(3):528-538.

[30] Banerjee S,Xie N,Cui H,etal.MicroRNA let-7c regulates macrophage polarization[J].J Immunol,2013,190(12):6542-6549.

[31] Litvak V,Ramsey SA,Rust AG,etal.Function of C/EBPdelta in a regulatory circuit that discriminates between transient and persistent TLR4-induced signals[J].Nat Immunol,2009,10(4):437-443.

[32] Maitra U,Gan L,Chang S,etal.Low-dose endotoxin induces inflammation by selectively removing nuclear receptors and activating CCAAT/enhancer-binding protein δ[J].J Immunol,2011,186(7):4467-4473.

[33] Yang J,Zhang Z,Chen C,etal.MicroRNA-19a-3p inhibits breast cancer progression and metastasis by inducing macrophage polarization through downregulated expression of Fra-1 proto-oncogene[J].Oncogene,2014，33(23)：3014-3023.

[34] Ye S,Xu H,Jin J,etal.The E3 ubiquitin ligase neuregulin receptor degradation protein 1(Nrdp1) promotes M2 macrophage?polarization by ubiquitinating and activating transcription factor CCAAT/enhancer-binding Protein β(C/EBPβ)[J].J Biol Chem,2012,287(32):26740-26748.

[35] Mullican SE,Gaddis CA,Alenghat T,etal.Histone deacetylase 3 is an epigenomic brake in macrophage alternative activation[J].Genes Dev,2011,25(23):2480-2488.

[36] Juranek JK,Geddis MS,Song F,etal.RAGE deficiency improves post injury sciatic nerve regeneration in type 1 diabetic mice[J].Diabetes,2013,62(3):931-943.