炎症反应中双糖链蛋白聚糖作用机制研究进展

赵婷婷 ，马 然 ，封 棣 ，张浩军 ，李 平 ⋆

（1.中日友好医院 临床医学研究所，北京 100029；2.北京市免疫炎性疾病 重点实验室，北京 100029；3.北京工商大学 食品与化学工程学院，北京 100048）

双糖链蛋白聚糖（biglycan，BGN）是一种胞外基质蛋白聚糖，现已被证明是参与炎症反应的关键分子。当组织应激或损伤时，BGN从细胞外基质水解释放后以损伤相关分子模式 （damage-associated molecular patterns，DAMPs）发挥作用，目前已经成为炎症反应尤其是无菌性炎症疾病研究的重要课题。本文就近年来炎症疾病中BGN与Toll样受体（Toll-like receptors，TLRs）相互作用的研究进展做一综述。

1 BGN的生物学特性

BGN是富含小分子亮氨酸的蛋白聚糖（small leucinerich proteoglycans，SLRPs）家族成员之一，由2条糖胺聚糖侧链和一个核心蛋白组成。其核心蛋白分子量约42kD，含12 个亮氨酸重复单位（leucine-rich repeat，LRR），糖胺聚糖由硫酸皮肤素或硫酸软骨素组成。BGN又称蛋白聚糖-I（proteoglycan-I，PG-I），最早于骨 组织中发现，由 Fisher等人于1989年报道。BGN编码基因由7个内含子和8个外显子构成，位于Xq27-Xq28。它广泛分布在骨、软骨、肌腱、纤维组织等多种细胞外基质组织中，是细胞外基质的重要成分。

组织应激或损伤后，基质成分被大量释放，并与病原模式识别受体（pathogen recognition receptors，PRRs）发生相互作用。研究发现，众多的细胞外基质成分中，只有极少数能够与PRRs相互作用，并作为PRRs的内源性配体参与信号转导。由于BGN含有LRR，所以它能与含有LRR基序的Toll样受体等结合，将危险信号传递到免疫系统中去，启动快速应答反应。最新研究表明，BGN在感染性炎症反应和缺血性肾损伤[1]、活性氧介导的炎症性疾病[2]、非小细胞肺癌[3]等无菌性炎症反应中均发挥了重要作用。

2 BGN在炎症中的调控作用

2.1 感染性炎症与无菌性炎症

炎症不仅是机体抵御微生物入侵的防御机制，也是无菌条件下组织损伤的关键反应。过去的几十年里，对有关病原体介导的炎症机制已经有了深入的认识。中性白细胞、巨噬细胞和树突状细胞能够通过特定的病原模式识别受体识别高度保守的微生物结构，称为病原相关分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs）[4，5]。 PRRs根据不同的识别配体和细胞定位可以分为五类：跨膜的TLRs，细胞质的NLRs，细胞内的维甲酸诱导基因-Ⅰ样受体，跨膜的C型凝集素受体（如Dectin-1）和黑素瘤缺乏因子2样受体[4，6]。PAMP通过PRRs引起先天免疫应答识别启动核因子 κB（nuclear factor κB，NFκB）、促分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）、P38 或Ⅰ型干扰素信号通路[5～7，12]。这些信号通路的激活导致了肿瘤坏死因子 α（tumor necrosis factor α，TNFα）、白细胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）等细胞因子的分泌，继而趋化因子招募更多的炎性细胞到感染部位[8]。在先天免疫应答激活后，适应性免疫系统提供更具体的反应来控制和消除引起感染的原因。受体在连接先天免疫与适应性免疫中具有重要作用[9，10]。

过去研究也发现，在没有微生物病原体的情况下组织损伤期间也会发生炎症[2，5，8]。而且无菌性炎症是许多肺、肾脏和肝脏疾病的共同特征，也是动脉粥样硬化、肿瘤、痛风、心肌梗死、中风和多种自身免疫性疾病（如系统性红斑狼疮等）的重要特征，并且可导致器官纤维化[5，11]。越来越多的研究发现，组织应激或损伤会引起细胞内或细胞外的内源性分子以DAMPS的形式释放。细胞坏死过程中，一些特定的细胞成分，如热休克蛋白，嘌呤代谢产物（ATP或尿酸）和高迁移率族蛋白B1被释放到细胞外的空间，从而变成DAMPs。细胞外的DAMPs和PAMPs类似，都可以通过PRRs的特异性配体识别并引起先天免疫应答。目前无菌性炎性疾病的发病率正逐年升高，但缺乏微生物病原体的先天免疫激活机制仍有待进一步研究。

2.2 BGN是TLR2和TLR4的内源性配体

BGN可被骨形态发生蛋白 （bone morphogenetic pro-tein，BMP）-1、 基质金属蛋白酶 （matrix metalloproteinase，MMP）-2、MMP-3、MMP-13 等水解[12]。 已有研究发现，可溶性BGN参与了巨噬细胞的信号转导。巨噬细胞和树突状细胞中完整的BGN可作为TLR2和TLR4的内源性配体，使p38和NFκB通路快速激活，并且提高促炎细胞因子TNFα 的合成[10，13]。 此外，BGN 通过 TLR2/4 促进中性白细胞和巨噬细胞合成多种趋化因子，例如，巨噬细胞炎性蛋白-1α （macrophage inflammatory protein-1α，MIP-1α）、单核细胞趋化蛋白-1（monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1）与调节活化正常T细胞表达与分泌的趋化因子（regulated upon activation， normalT-cell expressed and secreted，RANTES）[10]。另外，浸润的巨噬细胞经促炎细胞因子（如IL-1β）的刺激，自身就能合成BGN。从细胞外基质中释放的BGN蛋白水解片段可能不全都与TLR2/4结合并发出信号。因此，由巨噬细胞从头合成的BGN作为放大机制，在损伤部位提供BGN完整的“信号”形式。基于这种机制，BGN启动了一个能在自分泌和旁分泌方式中引发和促进炎症应答的前馈循环。

2.3 BGN调控TLR2/4与嘌呤受体P2X7和P2X4复合物

除了作为TLR2/4内源性配体，BGN还能聚集几类受体，诱导它们形成受体复合物[13，14]，并进行信号转导[13]。在急性和慢性炎症中，BGN均能促进重要的促炎细胞因子IL-1β的分泌[15]。通常，成熟IL-1β的合成、加工和分泌至少需要两个步骤。首先，通过依赖TLR的NFκB的活化合成IL-1β前体；进而，在NOD样受体家族含pyrin结构域蛋白 3 （NLR family， pyrin domain-containing 3，NLRP3）炎性小体和半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-1（caspase-1）的刺激下使IL-1β前体裂解形成成熟的IL-1β。但是，可溶性BGN可以通过诱导 TLR2、TLR4和嘌呤受体 P2X7和P2X4在巨噬细胞表面形成多受体复合物，直接刺激成熟IL-1β的合成和分泌。BGN通过结合TLR2/4启动IL-1β前体和NLRP3炎性小体的合成；同时，通过结合P2X7和P2X4受体，诱导NLRP3/凋亡相关斑点样蛋白（apoptosis associated speck-like protein containing a CARD，ASC）炎性小体和caspase-1的形成与活化，驱动IL-1β的成熟和分泌。这一过程需活性氧和热休克蛋白70的参与[4]。此外，研究发现只有完整的BGN才能在巨噬细胞和树突状细胞中触发促炎信号，提示BGN的核心蛋白和糖胺聚糖侧链在TLR2/4与P2X7/P2X4受体的聚集中均发挥重要作用[16]。

2.4 感染性和无菌性炎症中BGN与TLR2/4的相互作用

研究表明，随着炎症的增强，BGN高表达并伴随着严重的组织损伤。而且，无论是在病原体诱导[2]还是无菌条件下[13]，BGN的缺乏均能减少炎症反应。

2.4.1 在肺部

肺是脓毒症的主要靶器官，BGN能够促进肺部内的炎症反应[19]。有研究表明[2]，在脓毒性条件下，浸润的肺实质细胞中BGN含量显著增加。而下调BGN可以抑制肺组织中的免疫细胞，减轻肺损伤，同时在肺部仅检测到少量激活的caspase-1和少量成熟的IL-1β[13]。在TLR4和TLR2依赖的和LPS或酵母多糖诱导的脓毒症小鼠中，BGN基因的缺失均明显提高了模型存活率，并且降低了循环TNFα和IL-1β水平以及浸润性单核细胞数量[13]。而且，缺乏BGN的小鼠血浆和肺中的IL-1β水平较低，这与NLRP3炎性小体的表达减少和caspase-1活性降低有关[13]。上述结果表明，BGN下游信号通路的炎性小体是体内炎症反应的重要环节。由此提示，在由细菌引起的炎症反应中BGN并不参与病原体传感，而是通过TLR触发炎症信号从而增强病原体诱导的炎症应答。

2.4.2 肾脏中

BGN除了参与病原体诱导的免疫应答，也参与无菌性炎症反应。在糖尿病肾病小鼠模型[17]和急性缺血性肾损伤的小鼠模型[1]中检测到BGN高表达。在单侧输尿管梗阻和狼疮性肾炎[10，13]等非感染炎症性肾脏疾病模型中下调BGN水平可有效降低NLRP3表达和caspase-1活性，显著减少肾脏TNFα、IL-1β和浸润性单核细胞数量，从而起到肾保护作用。相反，可溶性BGN过度表达能够聚集多种趋化因子，促进单核细胞的浸润，加剧器官损伤[10]，说明BGN是无菌性炎症性肾脏疾病的关键介质[18]。然而，在敲除TLR2/4复合基因的小鼠中，肾功能损伤明显改善，这一结果提示BGN与TLR2/4的相互作用是体内炎症反应的关键环节[1]。

2.4.3 其他组织

主动脉中BGN升高能够激活TLR2[19]，促使磷脂转运蛋白合成增加，引起脂质积聚和炎症反应，最终导致主动脉狭窄[20]。穿刺确诊的慢性乙型肝炎患者血清BGN浓度显著高于正常人 （337.3±363.0pg/ml vs 189.1±61.9pg/ml），且与纤维化程度显著相关[21]。此外，肾脏移植冠状动脉粥样硬化[22]、严重的眼部疾病[23]以及脂肪组织损伤中[24]均发现BGN高表达。

3 展望

目前无菌性炎症疾病患病率很高，如动脉粥样硬化、心肌梗塞、中风、痛风、各种器官的纤维化、自身免疫疾病和肿瘤，阐明上述疾病的炎症反应机制还需开展大量研究。细胞外基质释放的成分能够直接参与组织应激或损伤的信号传导，这一发现提升了我们对无菌性炎症病因的认知水平。各种细胞外基质成分中，富含小分子亮氨酸的蛋白聚糖类分子尤其适合与含有LRR基序的TLR和NLR相互作用。目前对于炎症调节中富含小分子亮氨酸的蛋白聚糖的作用研究得还很少[25]。除了BGN，也有关于基膜聚糖影响炎症反应过程的报道[26]。探讨富含小分子亮氨酸的蛋白聚糖与不同受体分子特异性亲和力及其下游信号通路的调控将是未来研究无菌性炎症机制的重要方向。

虽然BGN介导炎症反应的研究越来越多，但是还有诸多问题有待阐明。只有可溶性和完整的BGN能够触发促炎信号。那么，BGN何时并且为何在循环中出现？循环中BGN是否能够成为未来炎症性疾病的生物标志物？此外，蛋白核心和糖胺聚糖侧链在BGN介导炎症反应中分别发挥何种作用，以及它们如何发挥作用仍有待深入研究。

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