Sema4D:在自身免疫性和感染性疾病中的一种新型免疫调节剂

刘亨晶,曹莉婷,温 雪,于晓辉,张久聪

(1中国人民解放军联勤保障部队第九四○医院消化内科,兰州 730050;2甘肃中医药大学临床医学院;3宁夏医科大学临床医学院;*通讯作者,E-mail:yuxiaohui528@126.com;#共同通讯作者,E-mail:zhangjiucong@163.com)

Semaphorin是一个分泌型和膜结合蛋白的大家族,具有高度保守的500个氨基酸的信号结构域,根据结构属性分为8类,最早作为轴突导向在神经元发育中发挥关键作用,近年来因其在免疫系统中的功能受到越来越多的关注。Semaphorin4D(Sema4D,又称CD100)是Semaphorin家族中的第Ⅳ类信号素,通过与其受体Plexin-B1和CD72相互作用,在T细胞的活化、抗体的产生和免疫调节过程中发挥着重要作用。许多研究报道Sema4D在自身免疫性和感染性疾病患者中表达异常,并且与病情严重程度密切相关[1,2],成为目前研究的热点,因此本文就相关研究进行简要综述。

1 Sema4D的结构、表达和受体

Sema4D是一类跨膜糖蛋白,分子量为150 kD,由862个氨基酸组成,其分子结构包括Sema结构域、免疫球蛋白结构域、疏水性跨膜区和细胞质尾部[3]。

Sema4D在人体中分布广泛,神经系统中主要分布在脑和周围神经系统以及淋巴组织中,在静止的T细胞上表达丰富,其表达随T细胞的活化上调,B细胞和树突状细胞等抗原提呈细胞上表达微弱,血小板、粒细胞等也存在其表达。Sema4D主要以膜结合型和可溶型两种形式存在,都具有生物活性,当免疫细胞激活时,细胞膜上Sema4D的表达增强,随后导致某些基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMPs)在细胞膜附近聚集诱导Sema4D胞外结构域的脱落,产生120 kD生物活性可溶性的Sema4D(soluble Sema4D,sSema4D)。除此之外,头颈部鳞状细胞癌、乳腺癌、胃癌、宫颈癌等实体肿瘤组织中其表达水平也较高。

Sema4D作为配体可以与两种不同的受体结合:淋巴组织中的低亲和力受体CD72和非淋巴组织中的高亲和力受体plexin-B1。CD72是一个分子量45 kD的Ⅱ型跨膜蛋白,是Sema4D的主要淋巴细胞受体,主要表达于B细胞、血小板、巨噬细胞、树突状细胞和一些T细胞亚群[4]。Plexin-B1虽然主要被认为是非淋巴组织中的Sema4D受体,但在T细胞、血小板、骨髓瘤细胞和滤泡终末细胞上也有发现。

2 Sema4D的免疫调节功能

2.1 Sema4D是正常T细胞与APC相互作用的基础

一个完整的T淋巴细胞的激活涉及其与抗原呈递细胞的相互作用。Shi等[5]研究发现抗原免疫可显著降低Sema4D缺陷小鼠的抗原特异性T细胞反应及分泌细胞因子的能力,而体内注射重组sSema4D蛋白可增强T细胞的免疫应答,提示Sema4D在T细胞活化中至关重要,同时观察到Sema4D并不是直接作用于T细胞的,而是通过与抗原递呈细胞(antigen presenting cells,APCs)表面的CD72相互作用在T细胞的免疫应答中发挥重要的作用。Kumanogoh等[6]发现Sema4D和CD40配体同时表达于活化的T细胞表面,其可分别与B细胞和APC表面的CD72和CD40结合,提示Sema4D通过增强CD40诱导的DC活化在T细胞与APC相互作用过程中起着关键作用。

2.2 Sema4D增强体液免疫反应

通过与受体CD72的相互作用,Sema4D还具有调节体液免疫应答的功能。在B细胞中,CD72的酪氨酸磷酸化导致酪氨酸磷酸酶SHP-1与CD72胞浆基质上的免疫受体酪氨酸基抑制基序(immunoreceptor tyrosine-based inhibitory motif,ITIM)结合,负性调控B细胞的分化和发育,而Sema4D刺激可诱导CD72的酪氨酸去磷酸化,使SHP-1与CD72分离,导致B细胞活化,同时Sema4D刺激能协同增强CD40诱导的B细胞应答。Shi等[5]发现Sema4D缺陷小鼠中,CD40刺激后B细胞的体外增殖和免疫球蛋白的产生能力受到损害,Sema4D缺陷小鼠的脾B细胞在抗CD40单克隆抗体和脂多糖刺激后增殖减少,CD72缺陷小鼠中结果相反,Sema4D缺陷可通过抗CD72单克隆抗体消除。综上所述,Sema4D通过其受体CD72增强CD40诱导的B细胞反应。

2.3 sSema4D的免疫调节功能

类似于Sema4D,sSema4D也被认为是CD40诱导的B细胞增殖的有效刺激因子,并通过树突状细胞(dendritic cells, DC)介导IL-12的分泌,自然脱落和重组的sSema4D都能刺激外周血单个核细胞中TNF和IL-6的产生。重组sSema4D还可以恢复Sema4D缺陷小鼠表现出的T细胞功能缺陷,增强B细胞的抗原特异性抗体反应。sSema4D还可以调节内皮细胞的迁移,抑制单核细胞和未成熟DC的迁移,这些对立的功能可能是因为不同的细胞类型表达不同的受体,并通过诱导不同的受体复合物和信号通路触发。综上,sSema4D和Sema4D一样,具有免疫调节作用功能。但是,sSema4D的免疫功能在什么时候、在多大程度上起作用以及这会产生什么结果,目前尚不清楚。

3 Sema4D在免疫/炎症性疾病中的表达

3.1 Sema4D在多发性硬化症中的表达

研究表明,Sema4D在炎症介导的多发性硬化(multiple sclerosis,MS)等神经退行性疾病中起着至关重要的作用。自身免疫性脑脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis,EAE)小鼠为MS的理想模型,Smith等[7]在EAE的病理性病变中发现,脊髓中Sema4D阳性的T细胞可以与plexin-B1阳性的小胶质细胞相互作用,引起小胶质细胞的活化、神经元突起塌陷、破坏血脑屏障的紧密连接,而Sema4D抗体可以显著减轻多种啮齿动物模型的EAE,Sema4D缺陷的小鼠不会发生EAE。Danchenko等[8]发现MS患者血清及T淋巴细胞表面的Sema4D较正常对照组明显升高,与CD72相互作用后激活B细胞,释放促炎因子TNF-α和LT-α,导致神经炎症的发生,加重MS的临床进程。Quintremil等[9]在人类T细胞嗜淋巴病毒-1诱导的脱髓鞘神经麻痹患者的脑脊液中检测到sSema4D,但在非感染性神经损伤患者的脑脊液中未检测到sSema4D,表明Sema4D在免疫神经损伤过程中起作用。综上所述,Sema4D可能通过对中枢神经系统的直接作用和免疫调节作用,在疾病的发展过程中起作用,并可能成为MS和其他神经系统疾病的一种新的治疗方法。

3.2 Sema4D在类风湿性关节炎中的表达

类风湿性关节炎(rheumatoid arthritis,RA)是一种长期的自身免疫性疾病,可导致关节慢性炎症。Yoshida等[10]研究发现RA患者的血清和关节滑液中sSema4D较健康对照组显著升高,并与RA活动标志物呈正相关,还发现sSema4D可刺激CD14+单核细胞产生TNF-α和IL-6增加,TNF-α和IL-6诱导滑膜细胞表达含Ⅰ型血小板结合蛋白基序的解聚蛋白样金属蛋白酶(A disintegrin-like and metalloproteinase with thrombospondin type-1 motifs-4,ADAMTS-4),而ADAMTS-4参与了sSema4D的水解,因此sSema4D/TNF-α/IL-6/ADAMTS-4的恶性循环可能是RA炎症轴的自分泌促进剂。在对改善疾病的抗风湿药物治疗反应良好的患者中,血清sSema4D水平正常化,在胶原诱导性关节炎小鼠中,使用抗Sema4D抗体可以抑制关节炎并减少促炎因子的产生。Ha等[11]发现RA患者大约2年后的影像学损伤进展与Sema4D基线水平有关,但血清中的Sema4D与健康者并无明显差异,这与Yoshida等[10]结果不一致,可能与试剂的不同有关。综上,Sema4D在RA发病机制中的重要作用表明,Sema4D是RA治疗的新靶点,并且可作为类风湿关节炎患者病情监测和预后评估的指标。

3.3 Sema4D在其他自身免疫性疾病中的表达

外周血辅助性T细胞17(T helper cell 17,Th17)的显著增加和调节性T细胞(regulatory T cells,Treg)的显著减少是强直性脊柱炎(ankylosing spondylitis,AS)主要的发病机制。Xie等[12]研究发现AS患者血清中sSema4D水平均升高,与临床特征指标呈正相关。Sema4D通过与CD72的相互作用,诱导芳香烃受体(Aryl hydrocarbon receptor,AhR)靶基因CYP1A1的表达,进而促进CD4+T细胞增殖和Th17细胞分化,同时通过增强RORγT表达和降低Foxp3表达抑制Treg细胞分化,增加了IL-17和IL-22的分泌,介导AS的发生。Besliu等[13]发现系统性硬化(systemic sclerosis,SSc)患者CD4+T细胞膜上Sema4D和血清中sSema4D的表达水平较健康者均显著升高,而系统性红斑狼疮(systemic lupus erythematosus,SLE)患者血清中sSema4D水平与健康人无明显差异,表明sSema4D与SLE的发病机制无关[14],这可能是因为SSc和RA都是T细胞疾病,而SLE主要是B细胞疾病。

4 Sema4D在病毒感染性疾病中的表达

4.1 Sema4D在人类免疫缺陷病毒感染中的表达

Erikson等[15]发现人类免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus,HIV)感染者CD8+T、CD4+T细胞表面Sema4D的表达降低,此外,表达Sema4D的CD8+T细胞的绝对数量与HIV特异性T细胞反应的大小有关,Sema4D缺陷的CD8+T细胞功能受损,提示Sema4D缺乏表达在HIV感染的免疫功能障碍中起作用。在上述研究中未测定sSema4D水平,但作者推测,由于CD4+T和CD8+T细胞的分泌增加,血清中sSema4D的水平将很高。相反,Vadasz等[16]发现HIV患者血清中sSema4D水平较健康对照者低,高效抗逆转录病毒治疗恢复了CD4+T细胞计数,但HIV患者血清中sSema4D水平仍较低,与CD4+T或CD8+T细胞计数无关,这表明Sema4D在HIV免疫功能障碍和T细胞衰竭中发挥着重要作用。Correa等[17]发现CD4+T和CD8+T细胞上的Sema4D水平与CD4+和CD8+T细胞上表达的程序性死亡受体1(programmed cell death protein 1,PD-L1)呈正相关,这可能是HIV患者Sema4D+CD8+T细胞增殖能力降低和效应器功能降低的原因,同时还发现CD19+B细胞表达的Sema4D与CD4+和CD8+T细胞上表达的细胞程序性死亡配体1(programmed cell death 1 ligand 1,PD-L1)呈正相关,表明T细胞和B细胞上的免疫调节标记物之间存在联系,但是CD72/Sema4D与PD-1/PD-L1轴在HIV感染中的关系尚不清楚,因此,细胞表面标志物的异常调节在HIV-1感染过程中具有重要研究意义。

4.2 Sema4D在肝炎病毒感染中的表达

肝炎病毒的慢性持续性感染增加了终末期肝病,如肝硬化和肝癌的风险。He等[18]研究发现丙型肝炎病毒(hepatitis C virus,HCV)感染和IFN-α治疗可以上调Sema4D的表达,而在获得持续病毒学应答的HCV患者中,Sema4D表达下降到正常水平。重要的是,IFN-α诱导的B细胞Sema4D表达与HCV RNA水平呈负相关,提示IFN-α治疗有助于逆转被破坏的B细胞稳态,Sema4D表达增强可能与HCV感染的控制有关。该课题组[19]还发现IFN-α可以上调NK细胞表面Sema4D的表达,通过与靶细胞上的plexin-B1/B2作用可增强NK杀伤能力。除此之外,IFN-α还可以上调初始CD8+T细胞表面Sema4D的表达,Sema4D与CD72相互作用促进免疫细胞反应[20]。

Yang等[21]研究发现慢性乙型肝炎患者T细胞Sema4D表达增高,血清sSema4D水平降低。注射sCD100重组蛋白可诱导乙型肝炎病毒(hepatitis B virus,HBV)特异性T淋巴细胞的产生并实现病毒的肝内清除,而阻断其受体CD72可减弱肝内抗HBVCD8+T细胞反应,该研究为建立慢性HBV感染治疗新策略提供了理论依据,为研发增强抗HBV免疫应答的药物提供了新靶点。而王若宇等[22]研究发现sSema4D在乙肝相关性肝癌中表达增加,并且通过影响炎症因子IL-6、IL-8的表达及免疫反应在乙肝相关性肝癌的发生、发展中起着重要的作用。以上两项研究中sSema4D的表达相反,需进一步研究sSema4D在HBV感染中的表达及作用。

4.3 Sema4D在汉坦病毒感染中的表达

汉坦病毒(Hantaan virus,HTNV)可引起人类严重的致死性肾综合征出血热(hemorrhagic fever with renal syndrome,HFRS)。Liu等[23]研究发现HFRS患者血清中sSema4D水平在急性期明显升高,恢复期下降,并且其水平的升高与血小板计数、白细胞计数及疾病严重程度正相关,提示sSema4D与HFRS的进展有关。该课题组[24]还发现HFRS患者急性期CD4+T和CD8+T细胞上Sema4D的表达显著降低,与HTNV病毒载量呈负相关,提示可能与病毒清除有关,感染后期发现PD-1在Sema4D+CD8+T细胞亚群中持续高表达,这表明疾病晚期Sema4D+CD8+T细胞数量的减少可能是由PD-1调节的。综上所述,Sema4D的表达可能在HTNV感染期间的抗病毒反应中起保护作用,为我们认识人类感染HTNV后CD8+T细胞介导的保护性免疫以及免疫稳态提供新的机制。

5 Sema4D可作为潜在的治疗靶点

Sema4D在不同疾病中的异常表达及免疫调节特性使其已成为一个潜在的治疗靶点。在RA中,与对照组小鼠相比,关节炎小鼠给予抗Sema4D抗体可显著降低关节炎评分、滑膜炎症浸润、血清TNF和IL-6水平[10]。mAb67-2是一种新开发的抗Sema4D抗体,对小鼠、大鼠、人和猴的膜Sema4D和sSema4D均有特异性。该抗体可抑制Sema4D与Plexin-B1、Plexin-B2和CD72的相互作用,其有效性和安全性在目前已进行了临床前试验。Smith等[7]在4种不同的啮齿动物模型中研究了mAb67-2对MS的治疗作用,与对照组相比,Sema4D抗体可以降低疾病的严重程度,保持血脑屏障和髓鞘片的完整性,并且不具有免疫抑制作用。

VX15/2503是一种人源化的抗Sema4D IgG4抗体。Patnaik等[25]在Ⅰ期试验中将VX15/2503用于42名成人晚期实体瘤患者治疗,发现B、T淋巴细胞升高的患者无进展生存期更长,并表现出良好的耐受性。LaGanke等[26]临床实验发现MS患者对VX15/2503单次静脉输注耐受性良好,但治疗效果有待进一步评估。

6 小结与展望

Sema4D是一类表达于细胞膜表面的跨膜糖蛋白,通过与其受体CD72或plexin-B1的相互作用在免疫反应中发挥着重要的作用,尤其在自身免疫性疾病和病毒感染性疾病中的表达与患者疾病的严重程度密切相关,但Sema4D在疾病发病机制中的确切作用仍不清楚。鉴于近年来对Sema4D靶向治疗的关注,研究sSema4D水平升高的机制,以及导致Sema4D释放增强的途径将具有重要价值。在未来,Sema4D可能会成为自身免疫性疾病和病毒感染性疾病治疗的新靶点,并且可作为病情监测和预后评估的指标。