IL-37在类风湿关节炎中作用机制的研究进展

黄润祺，王安妮，陈广洁

上海交通大学基础医学院免疫学与微生物学系，上海 200025

类风湿关节炎（rheumatoid arthritis，RA）是一种慢性进行性的自身免疫病，全球发病率为0.5%～1.0%，且女性高于男性[1]。RA的主要病理表现为关节滑膜的慢性炎症、增生，形成血管翳以及侵犯关节软骨、韧带和肌腱，其可造成关节软骨、骨和关节囊的破坏，最终导致关节畸形和功能丧失。研究[2]表明，多种细胞因子参与了RA的发生与发展，并发挥了重要作用。白细胞介素 -1（interleukin-1，IL-1）、IL-6、IL-17和肿瘤坏死因子 α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）等细胞因子可促进破骨细胞生成，而IL-4、IL-10、IL-13、干扰素-α（interferon-α，IFN-α）、IFN-β 和 IFN-γ等细胞因子则拮抗该细胞生成，从而调控骨平衡系统，参与骨与软骨的破坏和修复[3]。此外，细胞因子还能直接或间接调节免疫活性细胞或调节性T细胞，参与调控炎症反应。目前，已针对一些细胞因子研制出了多种生物制剂，用于治疗RA患者，以达到缓解病情的效果[4]。

近年来的研究[5-6]发现，IL-1家族的新成员——IL-37能够在RA患者体内过表达，发挥抗炎作用，而其具体作用机制可能与IL-37调控SMAD家族成员3（mothers against decapentaplegic homolog 3，SMAD3）、核因子 κB（nuclear factor κ-B，NF-κB）等信号通路有关。基于此，本研究针对IL-37的结构与功能以及与RA的关系进行综述，为IL-37及RA的进一步研究提供参考。

1 IL-37的生物学功能

1.1 IL-37的结构与表达

IL-37的基因为IL1F7，位于2q13；该基因在IL1B与IL1F9之间，长度为3 617 bp；其距离IL1B基因78 932 bp，距离IL1F9基因59 808 bp[7]。IL1F7可以被剪切为5种不同的亚型，分别是IL1F7a、IL1F7b、IL1F7c、IL1F7d和IL1F7e；该5种亚型分别编码了5种异构体，即IL-37a、IL-37b、IL-37c、IL-37d和IL-37e。编码IL-37的基因含有6段不同的外显子。IL-37a由外显子3～6编码而成；外显子3编码其N端，是5种亚型中唯一含有外显子3编码肽段的成员；外显子4～6编码了12条β-折叠结构的肽链，共同形成β-三叶草结构，这也是IL-1家族成员的结构特征，提示IL-37a可能行使细胞因子的功能[7]。IL-37b是研究最为清楚也是肽链最长的一个亚型，它由外显子1、外显子2以及外显子4～6编码而成；外显子1和2编码的肽链形成N端功能前区，提供剪切位点使细胞因子成熟；外显子4～6编码形成β-三叶草结构，同样提示IL-37b可能行使细胞因子的功能。IL-37c与IL-37b十分相似，除了没有外显子4，其他编码的外显子均与IL-37b相同；由于外显子4编码3条β-折叠链，而缺少了该3条肽链β-三叶草结构无法形成，因此IL-37c无法行使细胞因子的功能。IL-37d由外显子1以及外显子4～6编码，具有完整的β- 三叶草结构，能行使细胞因子的功能。IL-37e由外显子1、外显子5和外显子6编码而成，同样由于缺少外显子4，使得IL-37e无法行使细胞因子的功能。然而，上述异构体还需经过进一步的剪切加工才能成为成熟的细胞因子。目前，对于异构体后续的剪切研究主要集中在IL-37b上[8-9]，而有关IL-37的完整剪切加工过程尚待进一步分析。此外还有研究[10]表明，2个呈β-三叶草结构折叠的IL-37分子能形成稳定的头对头结合的二聚体，该二聚体的形成可减弱IL-37的抗炎功能。

IL-37主要来源于上皮细胞、单核细胞和巨噬细胞，能够在许多正常组织中表达，如在睾丸、胸腺、子宫中大量表达，在心脏、胃、肝、胰、肾、肾上腺中少量表达，同时还能够在肿瘤组织中表达，如乳腺癌、肺癌、结肠癌组织等[7]。值得注意的是，IL-37的部分异构体会表达于特定组织中，如在脑组织中仅有IL-37a表达，肾脏中仅有IL-37b表达，心脏中仅有IL-37c表达，骨髓和睾丸中仅有IL-37d和IL-37e表达[7]。继而推测，其不同的异构体可能具有不同的功能，与不同组织细胞的功能相关。

目前，有关调控IL-37表达的机制研究尚不够深入。有研究[6]表明，在人外周血单个核细胞（peripheral blood mononuclear cell，PBMC）中IL-37的表达量很低，但能被炎症刺激和细胞因子上调，包括Toll样受体（toll-like receptor，TRL） 激 动 剂、IL-1β、IL-18、TNF-α、IFN-γ、转化生长因子 -β（transforming growth factor-β，TGF-β），同时粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（granulocytemacrophage colony stimulating factor，GM-CSF）+IL-4 能够下调IL-37的表达。另有研究[11]发现，一种从软枣猕猴桃中提取的水溶性提取物——PG102，能够通过磷酸化p38丝裂原活化蛋白激酶（p38 mitogen-activated protein kinase，p38MAPK）和细胞外信号调节激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）使下游SMAD3磷酸化，进而上调人永生化角质形成细胞内IL-37的表达，继而表明IL-37在细胞内的表达可能与一些信号通路有关。

1.2 IL-37的受体及其信号通路

IL-37有2种调控细胞信号通路的方式：一种是被分泌至胞外，通过与细胞膜上的受体结合进而调控下游信号通路；另一种是在胞内与SMAD3结合并转运到细胞核内，从而调控基因的转录。

在胞外，IL-37能够同时与白细胞介素-1受体8（interleukin-1 receptor 8，IL-1R8）、 IL-18Rα形成聚合物发挥抗炎功能，且该2个受体缺一不可[12]。虽然IL-37能够与IL-18受体结合，但并未表现出竞争性抑制IL-18的效果，反而较低浓度的IL-37对炎症的抑制更为有效[13]。同时，一些IL-37参与调节的信号通路也同时需要IL-1R8及IL-18Rα的参与，因此在IL-1R8缺失的情况下，IL-37的抗炎效果会有所下降。此外，IL-37能够抑制一些参与调节信号通路的分子，包括哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）、转化生长因子 -β 活化激酶 1（transforming growth factor-β-activated kinase 1，TAK1）及组成NF-κB信号通路的分子等；且其也能激活一些参与调节信号通路的分子，包括ER受体酪氨酸激酶（tyrosine-protein kinase MER，MERTK）、PTEN（gene of phosphate and tension homology deleted on chromsome ten，PTEN）基因等[12]。

而在胞内，IL-37b能够与SMAD3形成功能复合物，进入细胞核以影响基因的转录，从而抑制TRL诱导的促炎性细胞因子的表达，如IL-1β、IL-16和IFN-γ[14]。当敲除了Smad3基因后，IL-37的抗炎功能显著降低[6]。在对IL-37胞外受体的研究中发现，一些分子不需要IL-1R8及IL-18Rα同样也能被IL-37调控，如黏着斑激酶（focal adhesion kinase，FAK）、钙依赖性酪氨酸激酶（calciumdependent tyrosine kinase，CADTK）、MAPK 等[12]，这可能是由于在胞内IL-37通过与SMAD3结合而调控基因的转录，从而进一步证实了IL-37存在2种分子调控机制。除IL-37b外，IL-37d同样能够与SMAD3结合并被转运至细胞核，从而抑制促炎细胞因子的表达[15]。针对促炎信号通路中的重要组成部分，即磷酸化的信号转导及转录激活蛋白（signal transducer and activator of transcription，STAT）1～4和 磷 酸 化 的p38MAPK而 言，SMAD3与IL-37的复合物不仅能够抑制多种STAT的表达，减少 p38MAPK、ERK1/2、c-Jun氨 基 末 端 激 酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）的磷酸化，还能抑制多种参与促炎信号通路的激酶的表达，如FAK、富含脯氨酸的蛋白酪氨酸激酶2（proline-rich tyrosine kinase 2，Pyk2）以及桩蛋白[14]。需要注意的是，IL-37不仅能与SMAD3结合，还能与磷酸化的SMAD3结合[6]，而这2种复合物的功能有何区别，还有待进一步的研究。

1.3 IL-37的功能

研究显示，IL-37在固有免疫及适应性免疫中不仅可以发挥免疫抑制因子的作用，还可以具有一定的抗肿瘤作用。

IL-37在健康人体组织内表达水平非常低，而在RA患者的外周血中却高表达。当使用siRNA沉默IL-37基因后，再用脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）或TLR6-TLR2配体巨噬细胞活化脂肽刺激健康供者的PBMC，可以使IL-1、IL-6、IL-12、TNF-α、粒细胞集落刺激因子和GM-CSF的分泌显著增加且具有剂量依赖性，但抗炎因子IL-10和IL-1Rα的表达不受影响[6]。用IL-37单克隆抗体中和PBMC产生的IL-37后，促炎细胞因子IL-1β、TNF-α和IL-6的表达则出现了增加。在转染了pIRES-IL-37b质粒的THP-1和A549细胞系中，IL-1α和IL-1β等促炎细胞因子的表达均显著下降。在转染了pIRES-IL-37b质粒的小鼠巨噬细胞系RAW264.7中，受LPS刺激后，TLR配体诱导的促炎细胞因子的释放受到明显抑制。此外，IL-37b蛋白还可以减少IL-8、IL-17、IL-23、IFN-γ等促炎细胞因子及一些趋化因子的产生，但也能够增加免疫抑制因子TGF-β1的产生[14]。上述研究均表明，IL-37可能通过减少促炎细胞因子及趋化因子的表达来增加免疫抑制因子的表达，即以负反馈方式抑制固有免疫并缓解炎症，而这种调节方式不依赖于IL-10等抗炎因子。

Moretti等[16]发现，IL-37可以显著抑制患有过敏性肺和支气管曲霉病的小鼠的辅助性T淋巴细胞2/辅助性T淋巴细胞17（T helper 2 cell/T helper 17 cell，Th2/Th17）的活性。还有研究[17]显示，IL-37可以诱导树突状细胞获得免疫耐受，从而抑制适应性免疫。该研究通过接触超敏反应（contact hypersensitivity，CHS）小鼠模型进行分析发现，与野生型小鼠相比，接种了过敏原的IL-37转基因小鼠的局部皮肤水肿显著下降，且野生型小鼠中的树突状细胞半抗原致敏后，其抗原反应也显著减弱；体外实验显示，IL-37转基因小鼠的MHCⅡ和树突状细胞表面的共刺激分子CD40的表达显著降低，激活初始T细胞和抗原特异性T细胞的能力减弱，但树突状细胞诱导T细胞向调节性T细胞（regulatory T cell，Treg）分化的能力显著提升；免疫组化结果显示，IL-37转基因小鼠的CD8+T细胞的数量显著下降，而Treg细胞的数量明显上升。Wang等[18]发现，IL-37可以增强Treg细胞对T细胞的抑制能力。此外，炎症性关节炎的小鼠模型研究[19]发现，IL-37具有抗炎症作用，即其能够通过减少细胞浸润实现对关节炎的抑制。上述结果均显示，IL-37可以通过降低树突状细胞抗原提呈的能力，抑制多种T细胞亚群的增殖、分化，诱导Treg细胞分化等方式影响T细胞的平衡，并抑制T细胞介导的特异性免疫的发生。

在肿瘤组织中，IL-37的表达与CD57+自然杀伤细胞的密度呈正相关。体外实验证明，IL-37有募集CD57+自然杀伤细胞的能力；且在小鼠肝细胞癌模型中，IL-37能够通过增加CD57+自然杀伤细胞的募集来杀伤癌细胞，从而抑制肿瘤生长[20]。IL-37在肾细胞癌[21]和宫颈癌[22]中也有抑制肿瘤细胞的作用。上述研究均发现，IL-37可以抑制肿瘤细胞的增殖和迁移，还可以诱导细胞凋亡，推测其可能的途径是抑制STAT3表达和磷酸化[14]。

2 IL-37与RA

2.1 IL-37在RA中的表达

研究[23-24]显示，RA患者的血浆或PBMC中的IL-37水平显著高于健康对照组，且随着疾病活动程度的增加而升高；RA患者血浆中的IL-37水平与TNF-α、IL-6、IL-17A、C反应蛋白水平及疾病活动分数28（28-joint disease activity score，DAS28）评分呈正相关；而在接受抗风湿药物（disease modifying anti-rheumatic drug，DMARD）治疗后，RA患者的IL-37水平显著降低。Wang等[25]研究发现，与健康对照组相比，RA患者的PBMC中的IL-37+CD4+T细胞、总的IL-37+淋巴细胞、IL-18Rα+CD4+细胞、IL-18Rα+CD4-细胞及总的IL-18Rα+淋巴细胞均有所增加。RA患者体内的IL-37水平高于健康者，但体内、体外实验均显示IL-37具有抗炎作用，当患者接受DMARD治疗后其IL-37水平会有所下降，继而提示IL-37在RA中表达水平的升高是一种反馈性增加，即为限制疾病的严重度而产生的应答。

2.2 IL-37在RA中的作用机制

IL-37在胶原诱导的关节炎（collagen-induced arthritis，CIA）小鼠中具有抗关节炎症的作用。一方面，IL-37能够使CIA小鼠的病理情况发生好转。将腺病毒表达的IL-37（adenovirus vector expressing IL-37，Ad-IL-37） 注 射 入CIA小鼠的膝关节内发现，关节炎的症状显著下调；组织病理学检查显示，经Ad-IL-37处理过的小鼠膝关节的滑膜增生、关节翳形成、软骨损伤、骨侵蚀等情况均有大幅下降；与对照组相比，经Ad-IL-37处理过的小鼠Ⅱ型胶原特异性IgG2a抗体的滑液水平大幅下降，继而提示IL-37可能直接参与抑制CIA小鼠的关节炎症和病理症状[23]。另一方面，IL-37可以抑制小鼠及RA患者体内促炎细胞因子的表达。Cavalli等[26]证明，低剂量的IL-37可减轻小鼠的关节炎症，显著降低其滑膜中的IL-1β、TNF-α、IL-6、趋化因子配体3、趋化因子配体1及巨噬细胞炎症蛋白1α的水平。经IL-37处理后，RA患者PBMC中的IL-17、IL-1β和IL-6等促炎细胞因子的水平也显著受到抑制，这些细胞因子均与招募入关节的嗜中性粒细胞有关[14,23]。然而，经更高剂量的IL-37处理后则发现，IL-37并未对炎症产生抑制作用，这可能与高浓度下的IL-37能够自发形成同源二聚体有关[27]。此外，也有研究[5,28]发现，RA患者体内的IL-37 mRNA和血清中的IL-37蛋白含量均高于健康对照，但IL-37 mRNA主要高表达于CD3+T和CD4+T细胞，而在CD8+T和CD19+B细胞中的表达无差异。IL-37可以抑制IL-17及由其引起的促炎细胞因子的表达，降低RA患者体内CD4+T细胞中的Th17细胞的比例，抑制Th17细胞的增殖，使CIA小鼠的病理情况好转，从而减轻RA的症状[28]。上述研究均提示，IL-37能够在RA中通过多种方式缓解炎症及病理症状，但目前报道较多的方式仍是通过下调促炎细胞因子及趋化因子的表达来实现。部分研究[29]针对该方式的作用机制进行分析，发现可能存在细胞内外共2种机制：① 在细胞内，IL-37可与SMAD3结合，抑制STAT1～4的功能以及p38MAPK的磷酸化，促进糖原合成酶激酶-3α/β磷酸化，继而调节基因的转录，最终抑制TLR诱导的促炎因子的表达和树突状细胞的活化。②在细胞外，IL-37可以通过促进TGF-β的表达而抑制树突状细胞的活性，从而降低T细胞和B细胞的免疫应答；其还可以与白细胞介素-18结合蛋白结合来抑制IFN-γ，从而实现对TLR4下游信号转导的抑制。

3 总结与展望

IL-37是IL-1家族的新成员，其基因IL1F7有5种亚型，可编码5种异构体。该异构体均需要经过剪切加工才能够成为成熟的细胞因子，而具体的剪切加工机制尚未被完全阐明。IL-37能够在大部分正常组织中表达，部分异构体仅表达于特殊组织中，可能与不同组织细胞行使的功能有关。IL-37能被炎症刺激，也能被部分细胞因子上调，可通过2种调控细胞信号通路的方式发挥抗炎作用。IL-37可以抑制一些促炎细胞因子及趋化因子的表达调控固有免疫，还可以通过抑制多种T细胞亚群的活性、降低树突状细胞抗原提呈的能力、诱导T细胞向Treg细胞分化等方式抑制特异性免疫，具有一定的抗肿瘤功能；同时，IL-37在RA患者体内的表达水平高于健康人群，还具有减缓炎症及抗关节炎症的作用，但具体的抗炎作用机制尚未被明确。随着研究者们对IL-37抗炎机制研究的不断深入，未来或将能够为治疗或缓解RA疾病进程提供新的思路与方法，造福更多患者。