白细胞介素33与支气管哮喘的研究进展

许仁伟 韩书芝 牛艺兵 殷杰

河北省人民医院老年病三科,石家庄050051

支气管哮喘 (哮喘)是一种慢性气道炎症性疾病,以气道高反应性、炎症以及气道重塑为特征,发病机制非常复杂,目前认为其主要包括气道炎症机制、免疫与变态反应机制、气道神经调节机制以及遗传机制等。T 细胞介导的免疫调节失衡与慢性气道炎症的发生是最重要的哮喘发生机制。哮喘的所有表型中,过敏性哮喘是最主要的一种哮喘表型,表现为以Th2细胞的炎症反应为主,特异性的免疫球蛋白 (Immunoglobulin,Ig)E抗体介导及肥大细胞参与,并出现可逆的气流受限为特征[1]。IL-33 是IL-1 家族的成员,是Th2型免疫反应及变态反应性气道疾病重要的细胞因子。在肺组织上皮高表达,肺的支气管上皮是IL-33的重要储存库,并且IL-33在哮喘患者的气道表达水平随着疾病严重程度而升高。哮喘患者血清、多种组织细胞及诱导痰中IL-33明显升高[2],抑制IL-33或是IL-33基因缺陷的哮喘动物模型中,肺部炎症明显减轻[3-4]。这些证据都证明了,IL-33在过敏性哮喘的病理生理发生、发展过程中的重要作用。

1 IL-33的生物学特性

1.1 IL-33的来源及结构 细胞因子通过活化细胞外表面受体完成细胞间的交流,一个经典的细胞因子包括一个核心的肽序列,介导细胞因子胞外分泌或是在胞浆分泌颗粒内储存,以备在被激活后释放。但许多包括IL-1 家族成员、高迁移率族蛋白在内的细胞因子,却缺少核心肽序列,局限于细胞核中,IL-33 正属于此类定位于细胞核的核因子,其分泌机制尚不清楚[5]。IL-33 于2005年由Schmitz等发现,至今仍属于IL-1 家族中的新成员,IL-33 是ST2(IL1RL1)受体的配体,人类的IL-33编码基因位于第9号染色体 (9p24.1)上,可在多种器官和细胞表达,包括胃、脑、脾、心脏及支气管上皮细胞、成纤维细胞、平滑肌细胞、角质形成细胞、巨噬细胞、树突状细胞等[6]。通过对氨基酸序列的同源性分析,发现IL-33 具有特征性的β三叶草型结构域与IL-1家族成员 (如IL-1α、IL-1β和IL-18)类似,因此表现出相似的生物学作用[6]。全长形式的IL-33(相对分子量30)定位于核内,作为前炎性因子,在核内具有调节转录作用。人的IL-33cDNA 编码270 个氨基酸,可被分为3个功能结构域,即细胞核结构域、中心结构域及细胞因子结构域 (图1)。细胞核结构域 (1-65号氨基酸组成)由2-3号外显子编码,包括染色质结合序列 (40-58号氨基酸)[7]。一般情况下,染色质结合序列使IL-33蛋白局限于细胞核内,并通过H2A-H2B 二聚体与染色质绑定[8]。中心结构域 (66-111号氨基酸组成)由4号外显子编码,含有酶切位点序列,对中性粒细胞、肥大细胞来源的蛋白酶非常敏感,尽管全长形式的IL-33 已具有细胞因子活性,但通过中心结构域的酶切和N 端肽的移除,可进一步增强活性[6,9]。在组织损伤时,由中性粒细胞和肥大细胞等炎症细胞产生的外生酶如中性粒细胞组织蛋白酶G、中性粒细胞弹性蛋白酶和肥大细胞丝氨酸蛋白酶,具有促进IL-33活化的能力,可对中心结构域酶切位点切割,成为炎性因子,即成熟的细胞因子IL-33 (相对分子量18)被释放到细胞外[6,9]。Cayrol等最近研究发现,全长形式的IL-33能够被环境各种变应原,如真菌、尘螨、蟑螂和花粉刺激产生的蛋白酶切割,并且被切割后产生的成熟形式的IL-33是过敏性气道炎症强有力的诱导剂[10]。但内生的具有类似功能的蛋白酶尚不知晓。细胞因子结构域 (112-270号氨基酸)由5-8号外显子编码,与靶细胞表面的ST2受体结合,介导细胞因子的活化[11]。与中心结构域酶切位点不同,在这些酶切位点被切割后,将形成无生物学活性的片段[12]。

图1 人IL-33结构示意图

1.2 IL-33受体 IL-33 的受体复合物由IL-1R 辅助蛋白(IL-1RAcP)和瘤变抑制因子2 (suppression of tumorigenicity 2,ST2)组成,IL-33通过与二聚体受体复合物结合后表现出其生物学功能。IL-1R 是IL-1家族多个成员的受体组分 (IL-1α、IL-1β、IL-1F6、IL-1F8 和IL-1F9)[11]。ST2受体在肥大细胞高表达,是Th2 细胞的高选择性标志物,此外还在巨噬细胞、造血干细胞、自然杀伤细胞、自然杀伤T 细胞、嗜酸粒细胞、嗜碱粒细胞、2型固有免疫细胞(type 2 innate lymphoid cells,ILC2s)、成纤维细胞也能表达[13]。ST2主要有两种亚型,即跨膜型 (ST2L)和可溶型 (sST2)[14]。ST2L是典型的膜结合受体,含有三个胞外IgG 样结构域,一个跨膜结构域和一个胞内Toll/IL-1受体(Toll/Interleukin-1 Receptor,TIR)结 构 域。IL-33 与ST2L的胞外结构域结合,募集下游信号分子,如髓样分化因子 (myeloiddifferentiationfactor88,MYD88)、IL-1 受体相关蛋白激酶等,至ST2L 的TIR 结构域,激活核因子κB和丝裂原活化蛋白激酶产生炎症反应[14]。而sST2仍保留三个IgG 样结构域,可绑定IL-33,却缺少跨膜结构域及TIR结构域,不能固定于细胞膜及参与下游信号的转导,在胞外可分离IL-33,起到负向调节IL-33的作用,其在过敏性气道炎症反应中,可抑制IL-33 介导的信号通路,起到抗炎的作用[3]。

1.3 IL-33的生物学活性 在众多的细胞核因子中,IL-33作为IL-1家族的一个成员,主要由黏膜上皮表达,能启动急性炎症反应和引发Th2型免疫反应,作为强有力的内源性危险信号分子或报警素而被广泛关注。报警素在感染坏死的细胞、组织损伤或受刺激的白细胞和上皮细胞迅速释放,在众多报警素中,IL-33 特殊地位在于其通过ST2 受体与过敏反应相关[5]。区别于其他的IL,IL-33 具有大量的翻译后调节作用,即通过调节靶细胞,激活表达ST2的能力,可激活ILC2s、肥大细胞、Th2 细胞、调节性T 细胞、自然杀伤细胞、嗜酸粒细胞、嗜碱粒细胞、树突状细胞,从而参与多种相关疾病的发生、发展过程[13]。尤其是在细胞的凋亡过程中,IL-33 可被凋亡过程产生的酶如caspase-3和caspase-7水解,还可被caspase-1 水解,从而失去激活靶细胞表达ST2受体的能力[12]。在急性坏死过程中,胞外的IL-33可被来自中性粒细胞和肥大细胞产生蛋白酶切割,产生高活性形式的IL-33[6,9]。此外,IL-33 在肺外时,其四个残留的半胱氨酸迅速地被氧化,并在细胞因子结构域形成二硫键而失活,导致广泛的构像变化,及ST2结合位点破坏,而失去激活ST2受体的能力[15]。

2 IL-33与哮喘的关系

过敏性哮喘是哮喘的最主要表型,表现为嗜酸粒细胞浸润,Ig E及Th2细胞因子水平升高为特征。IL-33促进了Th2细胞的免疫反应,并激活了多种与哮喘发病机制相关的细胞,包括肥大细胞、嗜碱粒细胞、嗜酸粒细胞等。Th1与Th2细胞亚群比例失衡在哮喘发病机制中起着至关重要的作用,其中Th2型免疫反应占主导地位。Th2细胞产生的促炎因子包括IL-4、IL-5、IL-6、IL-9、IL-13,引发强烈的抗体反应和嗜酸粒细胞的聚集,可促进B 细胞的增殖、分化和抗体生成,其中IL-4和IL-13是Th2细胞诱导和调控B 细胞生成IgE 的必备条件[16]。IL-33的特异性受体ST2主要表达于Th2细胞和肥大细胞,而IL-33/ST2又通过激活肥大细胞和Th2型细胞,参与了过敏性炎症反应障碍的病理生理过程[13,16]。Ig E 和Th2细胞因子可刺激肥大细胞、嗜碱粒细胞、嗜酸粒细胞产生组胺和前列腺素,从而介导后续的免疫炎症反应[17]。

另一方面,IL-33 作为Th2 细胞的趋化因子,通过诱导Th2细胞产生促炎细胞因子、趋化因子、脂质介质,包括IL-4、IL-5、IL-13、肿瘤坏死因子-α、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子、趋化因子2、前列腺素D2,介导Th2细胞的免疫应答。而免疫复合物又可通过树突状细胞增加了IL-33的水平,充分地引发了Th2细胞的免疫反应[18]。

从哮喘患者的诱导痰及支气管活检的气道上皮细胞样本中发现,IL-33m RNA 表达水平均升高,IL-33水平的上调在哮喘患者的多个样本中被发现,包括血清/血浆、诱导痰、支气管肺泡灌洗液、气道上皮细胞和黏膜下层炎症细胞,且IL-33的水平与哮喘的疾病严重程度相关[2,19]。与IL-33相似,sST2的水平在哮喘患者的血清和血浆同样升高,而sST2通过抑制IL-33/ST2通路,在哮喘患者的过敏性气道炎症反应中起到保护性作用[19]。

支气管上皮和气道平滑肌高水平的IL-33 与气道高反应性有关,IL-33可诱导小鼠气道平滑肌收缩,并通过上调肥大细胞产生IL-13介导气道高反应性[20]。IL-33/ST2通路促成了气道的过敏性炎症反应和气道高反应性,这两点都是哮喘发病的病理生理学特征,而体内外试验通过sST2阻断IL-33/ST2通路,可有效减轻哮喘的气道炎症反应,从另一方面证明了这一点。

自从在小鼠体内发现ILC2s之后,在人的外周血及黏膜组织也发现ILC2s,并被认为是轻中型哮喘患者嗜酸粒细胞性气道炎症的标志物[13]。ILC2s经IL-25 和IL-33 作用,可产生Th2型细胞因子,并参与Th2型免疫反应。哮喘患者气道IL-33和ILC2s水平均升高,并与哮喘的严重程度有关,在小鼠哮喘模型中,敲除ILC2s 或是阻断IL-33/ST2信号通路可减轻气道炎症和气道高反应性[21]。

哮喘是复杂的慢性气道炎症性疾病,受遗传、环境等因素影响。多个全基因组关联分析显示,编码IL-33 和ST2的基因是人类哮喘的主要易感基因位点[22]。IL-33/ST2的基因的多态性与哮喘及特定的哮喘表型有关,尤其是与致敏相关的哮喘表型[23]。全基因组关联分析证实,ST2基因的单核苷酸多态性与血中嗜酸粒细胞计数及哮喘表型有关,这些基因单核苷酸的多态性与血清Ig E 的水平有关[24]。靠近IL-33 的起始密码子,位于32kbp 的基因,其单核苷酸的多态性,与嗜酸粒细胞计数及哮喘有密切关系[24]。而国内的一项867例针对儿童哮喘的回顾性分析同样显示,IL-33 与ST2 基因多态性与过敏性哮喘发生有关[25]。这些基因组证据表明,与IL-33/ST2相关的基因单核苷酸多态性是哮喘最有意义的基因因素之一。TIR 结构域是ST2L的胞内结构域,与MYD88有关,在信号转导方面起着重要作用,最近的一项研究显示,ST2的TIR 结构域里的单核苷酸多态性位点错义,将增强IL-33/ST2L 信号通路,这些单核苷酸的多态性可同时增强邻近和末端的ST2启动子活性[26]。而在哮喘的动物模型中,IL-33 基因缺陷的小鼠,支气管上皮的黏液分泌减少,肺部炎症反应减轻,支气管肺泡灌洗液中的嗜酸粒细胞计数降低,肺组织中IL-5、IL-13的水平降低[4]。所有这些基因研究都支持IL-33/ST2与哮喘的发病机制有关这一假设。

3 小结

IL-33是IL-1家族新发现的促炎因子,在过敏性疾病中起着重要作用,作为报警素,在组织损伤时,最早分泌到组织中。通过与主要由Th2细胞表达的ST2受体结合,形成IL-33/ST2信号通路,同时参与嗜酸粒细胞、肥大细胞、嗜碱粒细胞等细胞的活化,与哮喘的关系密切,参与哮喘的病理生理发生机制。以IL-33/ST2通路为作用靶点,治疗肺部炎症性疾病,成为颇具潜力的哮喘治疗新方向,但仍需要更多的前临床研究和动物模型的预治疗来支持。此外,IL-33分泌、调节机制及其在核内的所扮演的角色仍不十分清楚,其与哮喘的关系仍有待进一步的研究。

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