核转录因子κB与免疫调节和免疫耐受

王童 聂汉祥

武汉大学人民医院呼吸与危重症学科430000

免疫调节和免疫耐受在预防自身免疫性疾病中发挥着重要的作用。免疫耐受按其形成时期不同,可以分为中枢耐受和外周耐受。中枢耐受是指在胚胎期及出生后,T、B细胞在发育过程中接触自身抗原经历阴性选择而形成的耐受。外周耐受是指成熟的T、B 细胞接触内源性或外源性抗原时,不产生免疫应答,而显示免疫耐受。核转录因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)在免疫调节和免疫耐受形成过程中发挥着重要的作用。NF-κB 是一个二聚体转录因子家族,在哺乳动物中包括p50 (又称NF-κB-1,由前体蛋白p105产生)、p52 (又称NF-κB-2,由前体蛋白p100产生)、Rel A (又称p65)、RelB和c-Rel[1]。这些NF-κB 家族成员结构上都有类似的地方,它们的N 端都具有一个由300个氨基酸组成的Rel同源区,该区域包括二聚化区域、DNA结合区、核定位信号序列和核因子κB抑制剂 (inhibitor of nuclear factor-κB,IκB)结合位点。p65、RelB 和c-Rel的C端含有转录激活域,能直接作用于转录元件而激活转录过程。前体蛋白p105和p100经过泛素/蛋白酶体途径处理后,它们包含锚蛋白重复序列的C 末端区域被选择性地降解,从而产生成熟的NF-κB 亚基,如p50 和p52。NF-κB的内源性抑制因子是IκB家族,这个蛋白家族有7个成员,包括IκBα、IκBβ、IκBε、IκBγ、Bcl-3、p105 和p100。IκB激酶 (IκB kinase,IKK)由一个大的蛋白激酶复合体组成,包括3个亚单位,即具有催化活性的IKKα (IKK1)、IKKβ(IKK2)和一个具有调节功能的IKKγ (NEMO)。

1 NF-κB信号转导通路

NF-κB激活通过2个主要的信号通路发生,即经典和非经典NF-κB信号通路。经典途径介导p50、Rel A 和c-Rel(也被称为经典NF-κB 家族成员)的激活,而非经典途径选择性激活p52和RelB (也称为非经典NF-κB家族成员)。细胞在静息状态下NF-κB二聚体通常与IκB家族成员结合,以非活性形式存在于细胞质中[2]。经典NF-κB途径主要在促炎刺激中被激活,在受到这些因素的刺激后,细胞内信号级联的第一步是转化生长因子β激活激酶1 (TAK1,也称为MAP3K7)的激活,活化的TAK1 进而激活三聚体IKK 复合物,随后IKK 复合物磷酸化IκBα或其他IκB家族成员,磷酸化的IκB家族成员经历泛素化和蛋白酶体降解,导致经典NF-κB家族成员的核定位信号序列暴露,并移位到细胞核。这些成员以各种二聚体复合物 (如Rel A-p50、c-Rel-p50和p50-p50)的形式与特定的DNA 元件结合,作为靶基因的κB 增强子启动靶基因转录与表达[3]。非经典NF-κB途径可以通过激活肿瘤坏死因子受体 (tumor necrosis factor receptor,TNFR)超家族成员而被激活,这个家族成员包括淋巴毒素β受体 (lymphotoxinβreceptor,LTβR)、属于肿瘤坏死因子家族受体的B 细胞激活因子、CD40和NF-κB 受体激活剂 (receptor activator of nuclear factor kappa-B,RANK)。在正常条件下,非经典NF-κB途径中最重要的激酶NF-κB 诱导激酶 (NF-κB inducing kinase,NIK)通过与由TNFR 相关因子2、3和细胞凋亡抑制蛋白1/2组成的多亚基泛素连接酶复合物的分子相互作用而持续降解[4]。当非经典NF-κB途径被TNFR 超家族成员激活,泛素连接酶复合物被降解,释放出功能稳定的NIK,允许IKKα同源二聚体的磷酸化,IKKα的激活导致p100的磷酸化,p100随后被泛素化并不完全降解为p52。最后形成主要由RelB和p52组成的异源二聚体,并移位到细胞核以激活基因转录。此外,TNFR 超家族成员也能激活经典途径,并且2 条途径之间存在相互作用。经典NF-κB途径的激活会抑制免疫细胞中的非经典途径[5],同样地,非经典途径对经典途径也会有类似的限制作用[6]。

2 经典NF-κB途径

T 细胞介导的适应性免疫应答在机体对抗外来病原体入侵时发挥着关键性的作用,经典NF-κB途径在感染期间T 细胞的激活、扩增和效应功能中发挥重要作用。胸腺中产生的原始CD4+T 细胞在接触不同的病原体时,能够分化为不同的T 细胞亚群,包括1 型辅助性T 细胞 (T helper 1 cell,Th1)、Th2、Th17、Th9、Th22、滤泡辅助性T 细胞和调节性T 细胞 (regulatory T cells,Treg)。不同T 细胞亚群的发育依赖于特定的转录因子,如Th1依赖T-bet,Th2 依赖 GATA3,Treg 依赖Foxp3[7]。经典NF-κB通路在不同辅助性T 细胞亚群的发育和功能分化过程中发挥重要的调节作用[8]。T 细胞中表达非降解型IκB的转基因小鼠由于经典NF-κB途径受阻,导致Th1型反应显著受损。此外,c-Rel基因缺陷的小鼠表现出Th1细胞介导的免疫反应缺陷和T 细胞产生干扰素-γ的减少[9]。Th2细胞的发育是由IL-4刺激启动的,GATA3有助于IL-4基因的表达,而NF-κB信号对于GATA3基因的表达是必不可少[10]。p50缺陷小鼠的CD4+T 细胞在体内外Th2细胞分化条件下均不能表达GATA3,因此p50缺陷小鼠的Th2细胞发育受损,由此导致过敏性气道炎症反应缺陷。

此外,经典NF-κB途径也与免疫耐受相关。Treg是免疫应答的主要负性调节细胞,参与机体免疫耐受。NF-κB亚基c-Rel与Foxp3位点非编码序列CNS3结合,在胸腺和外周Foxp3的表达和Treg细胞分化中起主要作用[11]。在Rel-A 或c-Rel基因敲除小鼠中,Foxp3+Treg细胞的百分比和绝对数显著减少[12]。导致NF-κB激活的上游信号转导分子的缺失会显著减少胸腺中Treg细胞的数量。Treg细胞中p65的条件缺失导致了全身性自身免疫综合征,c-Rel的缺失会进一步加剧这种症状。

3 非经典NF-κB途径

非经典NF-κB途径在维持免疫耐受中发挥重要作用。在中枢耐受中,非经典NF-κB途径通过参与T 细胞阴性选择发挥作用。自身反应性T 细胞在胸腺内接触自身抗原,经历阴性选择而被消除。自身抗原的呈递主要靠2种抗原提呈细胞,即造血系统来源的树突状细胞和基质来源的胸腺髓质上皮细胞 (medullary thymic epithelial cells,m TEC)[13]。然而在甲状腺和胰岛等器官中表达的自身组织特异性抗原可能导致T 细胞阴性选择不能完全接触到机体所有的自身抗原。胸腺基质细胞中存在着自身免疫调节基因 (autoimmune regulator,AIRE),可以促使这些组织特异性抗原在胸腺上皮细胞中表达[14]。TNFR 超家族成员介导的非经典NF-κB 途径可以维持m TEC 的正常功能和AIRE表达,从而维持中枢免疫耐受[2]。淋巴毒素β与其受体相互作用导致胸腺基质细胞中非经典NF-κB 途径的激活,有助于AIRE-m TEC的产生[15];当AIRE-m TEC形成后,RANK-RANKL诱导的信号转导在小鼠胚胎期和出生后有助于AIRE在m TEC 上的表达[16];而CD40-CD40L诱导的信号转导可能对小鼠出生后m TEC 的功能更为重要[6]。在淋巴瘤小鼠中,NIK 基因突变导致IKKα不能激活,非经典NF-κB途径受阻,这些小鼠表现出一种紊乱的胸腺结构,并且m TEC 和AIRE+细胞数量减少[6],这些都表明非经典NF-κB 途径在中枢免疫耐受中发挥重要作用。此外,研究表明经典NF-κB途径对m TEC的发育也起着调节作用,Rel A 通过调节RelB 的表达调控分化的m TEC数量,但Rel A 的缺失只影响m TEC 的数量,而m TEC的功能似乎没有受损[17]。

在外周耐受中,非经典NF-κB途径有助于次级淋巴器官的发育[18],次级淋巴器官不仅对启动获得性免疫反应非常重要,而且对外周耐受的调节也很重要。在外周树突状细胞中,非经典NF-κB信号通路通过介导吲哚胺2，3-双加氧酶的诱导参与免疫耐受的调节,这种诱导依赖于NIK[19]。吲哚胺2，3-双加氧酶是催化人体必需氨基酸色氨酸经过犬尿氨酸途径代谢的关键限速酶,可以抑制T 细胞的增殖和分化,并诱导Treg细胞激活[20],这表明树突状细胞中非经典NF-κB通路的激活可能诱导树突状细胞的免疫调节程序。

CD4+Foxp3+Treg是免疫应答的重要调节细胞,非经典NF-κB途径对Treg细胞的数量和抑制功能有着重要的调节作用。NF-κB-2限制Treg细胞的外周增殖,敲除小鼠T 细胞中的NF-κB-2导致脾脏和外周淋巴结中Treg细胞的百分比显著增加。另一方面,NF-κB-2可以维持Treg细胞的抑制能力。在缺乏NF-κB-2 的Treg 细胞中,CTLA4 m RNA 下调,导致Treg 细胞抑制功能的丧失[21]。此外,另一个非经典NF-κB家族成员Rel-B也可以抑制Treg细胞的发育和增殖,但Rel-B 不会改变Treg 细胞的抑制功能[22]。

尽管非经典NF-κB途径主要与免疫耐受相关,但其也参与了免疫调节。非经典NF-κB途径在体液免疫中发挥重要作用。外周淋巴组织中B细胞的存活、成熟和动态平衡需要非经典NF-κB途径,并且非经典NF-κB途径还参与生发中心的形成和维持以及免疫球蛋白类别的转换。在细胞免疫中,幼稚T 细胞的初始激活依赖经典NF-κB途径,T细胞激活之后导致TNFR 的诱导,从而介导了非经典NF-κB途径的激活,非经典NF-κB 途径激活后可以调节效应T 细胞的扩张和存活以及效应细胞因子的产生[3]。

4 NF-κB途径与相关疾病

NF-κB几乎在人体所有细胞的细胞质中普遍表达,并且参与机体的免疫调节和耐受,因而许多疾病的发生都与NF-κB的调节失衡有关。肺癌是世界范围内最常见的恶性肿瘤之一,肿瘤免疫逃逸是肿瘤细胞发生发展的重要原因,肿瘤诱导的树突状细胞耐受在肿瘤免疫逃逸中起重要作用。作为特异性抗原提呈细胞,树突状细胞是启动适应性免疫反应的关键,然而它们的抗原识别、处理和提呈功能在癌症的发展过程中通常被破坏或阻断[23]。在肿瘤诱导的树突状细胞分化过程中,经典NF-κB途径被持续干扰并维持在低水平,NF-κB途径的大部分免疫相关靶基因表达下调,包括细胞因子、趋化因子、免疫受体和几种转录因子,从而导致树突状细胞的功能缺陷。与此相反的是,非经典NF-κB信号持续激活,并诱导树突状细胞耐受。经典途径的抑制和非经典途径的激活共同作用有利于在肺部形成免疫抑制微环境,促进了肿瘤免疫逃逸[24-25]。

气道炎症是COPD 和哮喘的主要特征之一,NF-κB 在哮喘和COPD 的气道炎症中起核心作用。哮喘患者气道组织中NF-κB 核定位或DNA 结合、IκB 磷酸化或降解以及IKK-β表达的增加证明了NF-κB信号的存在。与哮喘一样,在COPD 患者的支气管活检和炎性细胞中观察到较高水平的活化NF-κB[26]。暴露于香烟烟雾增加了肺部的氧化应激和炎症,导致COPD 的发病,通过调节经典NF-κB信号通路可以减轻吸烟者的氧化应激和气道炎症,从而抑制香烟烟雾诱导的COPD[27]。哮喘和COPD 患者体内NF-κB的激活主要是对IL-1 和肿瘤坏死因子 (tumor necrosis factor,TNF)等炎症介质的反应,或者是与细菌或病毒加重期间Toll样受体的激活有关。NF-κB 通过调节细胞因子、趋化因子和细胞黏附分子的表达在气道炎症中发挥重要作用。糖皮质激素是哮喘的主要治疗药物,其通过抑制经典NF-κB途径诱导的基因转录发挥抗炎作用。

5 NF-κB途径与疾病治疗

由于炎症中的多条信号转导途径汇聚在NF-κB/IκBα复合体上,针对NF-κB信号通路的各种策略已被考虑用于哮喘和COPD 的治疗。IKK 在NF-κB信号转导中是必不可少的,因此抑制其活性是治疗哮喘和COPD 的一种很有前景的方法。在人支气管上皮细胞中,IKK 抑制剂S-1145和ML120B降低了IL-1和TNF 对NF-κB 依赖的细胞间黏附分子11的转录和表达。NF-κB抑制剂脱羟甲基氧奎诺霉素被证明在体外可以抑制支气管上皮细胞产生嗜酸粒细胞趋化因子,在体内可以抑制嗜酸性气道炎症,包括Th2细胞因子的产生和随后的气道壁重塑[26]。在胶原诱导的关节炎小鼠模型中,抑制树突状细胞中的NF-κB信号可以减轻胶原诱导的关节炎的发展程度,显示出治疗效果[28]。1型糖尿病患者体内存在Treg 激活缺陷,表现为静息Treg(CD4+CD25+Foxp3+CD45RA)增加和激活Treg (CD4+CD25+Foxp3+CD45RO)减少。TNFR2 是一种发现于T细胞表面的信号分子,可通过NF-κB途径促进这些T 细胞增殖。在1 型糖尿病患者中,TNFR2 激动剂可以刺激Treg从静息状态转化为激活状态,TNFR2激动剂处理的1型糖尿病Treg 显示出抑制自体细胞毒性T 细胞的作用,从而对1型糖尿病患者产生治疗效果[29]。

目前临床上使用的各种常用抗炎药都可以调节NF-κB途径,包括糖皮质激素、非甾体抗炎药、抗风湿病药物和某些免疫抑制剂。这些药物作用于NF-κB信号通路的不同阶段,虽然没有显示出NF-κB的特异性,但它们的免疫调节特性至少部分归因于对NF-κB信号通路的抑制[30]。例如非甾体抗炎药柳氮磺胺吡啶可以用于治疗类风湿性关节炎和炎症性肠病等自身免疫性疾病,其疗效已被证明部分依赖于抑制NF-κB途径。柳氮磺吡啶可以干扰IκBα的磷酸化和降解,抑制NF-κB在TNF-α和脂多糖刺激下的激活,从而发挥抗炎作用[30]。糖皮质激素可以通过抑制DNA 结合活性、IKK 活性和反式激活来抑制NF-κB信号通路,从而抑制同种异体移植排斥反应[31]。针对NF-κB信号通路的特异性抑制剂的开发是最近研究的方向,这些抑制剂可以通过分别靶向IKK 复合体、IκB蛋白、泛素-蛋白酶体系统或NF-κB与DNA 的结合等来抑制NF-κB 信号通路。然而NF-κB参与了许多动态平衡和发育途径,以及与病原体清除有关的有益炎症。全身性地阻断NF-κB信号通路会产生一些治疗之外的不良反应,因此必须在抑制不必要的炎症反应的同时保证不干扰正常细胞功能,以组织或细胞特异性方式靶向NF-κB信号的潜在药物可能会显示出更佳的治疗效果并降低全身毒性。

6 结语和展望

免疫调节和免疫耐受是预防自身免疫性疾病发展的关键,NF-κB在免疫调节和维持免疫耐受中发挥着重要的作用。经典NF-κB途径参与了CD4+T 细胞向不同亚群发育和分化的调节,而非经典NF-κB途径则在维持中枢和外周耐受中发挥作用。NF-κB 通路失衡与多种疾病密切相关,因此基于NF-κB信号通路的特异性药物在治疗方面显示出巨大的潜力,深入了解NF-κB在免疫调节和免疫耐受中的作用将有利于优化对疾病的治疗。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突