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多糖免疫受體研究進展

2012-01-05 03:41:10余國慶陳曉明
溫州醫科大學學報 2012年4期
關鍵詞:小鼠

余國慶,陳曉明

(溫州醫學院 檢驗醫學院、生命科學學院,浙江 溫州 325035)

多糖(polysaccharides)是自然界中含量最豐富的生物聚合物,廣泛分布于植物、動物和微生物中。研究表明,多糖具有免疫調節、抗腫瘤、抗感染、抗病毒、抗氧化衰老、增強內皮細胞增殖及對細胞氧化損傷的保護修復、促進生長發育、抗輻射、抗凝血、降血糖、降血脂、護肝等多種功能。近年來,多糖的免疫調節作用成為生物化學和生命科學研究的熱點。其免疫調節作用首先是通過與細胞表面的受體相結合而介導免疫反應,目前發現的受體主要包括Toll樣受體(TLR)、甘露糖受體、Dectin-1、Dectin-2、清道夫受體、補體受體3(CR3)和Lactosylceramide受體 (CDw17)。多糖與這些受體結合后可以激活細胞內信號通路,進而活化免疫細胞,促進細胞因子的釋放。現對多糖免疫受體研究進展作一綜述。

1 TLR

1996年,發現Toll蛋白作為果蠅抗真菌和細菌感染的模式識別受體,介導天然免疫,能使果蠅分泌多種抗微生物感染的多肽清除病原微生物[1-2]。隨后Toll蛋白發現于人的細胞膜上,其胞外區與果蠅Toll蛋白同源而得名TLR[3]。TLR廣泛表達在天然免疫系統中,是一類I型跨膜糖蛋白,由胞外區、跨膜區和胞質區組成。它們通過識別保守的病原體相關的分子位點(PAMPs),例如細菌的脂多糖、脂肽,或者是細菌和病毒的DNA、RNA等,來識別大量的異己抗原。TLR在固有免疫和引導適應性免疫中扮演著重要的角色。至今至少有10種人類Toll的同源物和13種鼠類的TLR相繼被鑒定,對相關的分子結構及其特異性配體,受體與配體之間的識別,以及信號轉導通路均有了不同程度的了解[4-6]。TLR家族通過胞外區感應組織中的危險信號,經相應接頭蛋白進行信號傳導,激活相關的核內基因,從而誘導感染性炎癥和非感染性炎癥。TLR家族包括細胞表面的TLR(TLR1、TLR2、TLR4/MD-2、TLR5、TLR6和TLR11等)和細胞內TLR(TLR3、TLR7、TLR8和TLR9等)[7]。根據接頭蛋白的不同可分為MyD88依賴性和非MyD88依賴性途徑,其中TLR1、TLR2、TLR5、TLR6、TLR7、TLR9和TLR11介導的信號傳導途徑為MyD88依賴性,MyD88依賴性途徑主要激活促炎癥因子的產生,如TNF-α、1L-1β、IL-6等。TLR3介導的信號傳導途徑為非MyD88依賴性,TLR4則既可為MyD88依賴性亦可為非MyD88依賴性。非MyD88依賴性途徑也就是TRIF依賴途徑,主要產生IFN-1。

TLR4是第一個在哺乳動物上發現的TLR,位于染色體9q32-33,編碼839個氨基酸,其中有22個N端的LRRs,分子量為90 kDa,TLR4表達于許多的免疫和非免疫細胞,其在細胞表面與MD-2牢固結合[8],活化TLR4將誘導產生一系列的炎癥遞質包括細胞因子、趨化因子等從而產生強有力的炎癥反應。多糖可以通過TLR2和TLR4受體介導再與CD14一起將胞外信號轉導至胞內,使NF-κB迅速從胞漿移位到胞核,調節相應靶基因的表達,活化轉錄,促進細胞因子的釋放,從而發揮免疫調節作用[9-12]。Yoon等[13]報道了從桔梗的根中提取的多糖能促進RAW264.7細胞iNOS mRNA的表達,增加NO的產生;同時能刺激C3H/HeN小鼠腹腔巨噬細胞分泌NO,但對C3H/HeJ小鼠腹腔巨噬細胞無明顯作用;用TLR4抗體預先與巨噬細胞作用,能抑制桔梗根多糖刺激細胞產生NO;桔梗根多糖能引起IκB降解,使NF-κB迅速從胞漿移位到胞核,促進DNA與NF-κB結合。這些結果表明桔梗根多糖通過TLR4/NF-κB通路途徑引起巨噬細胞iNOS mRNA的表達量增加和產生NO。紫云英根多糖能與正常小鼠B淋巴細胞和巨噬細胞表面結合并將其激活,且不能被兔抗鼠免疫球蛋白抑制,紫云英根多糖不能誘導C3H/HeJ小鼠的脾B細胞增殖,這些結果顯示紫云英根多糖通過膜免疫球蛋白TLR4受體激活B細胞。同時,紫云英根多糖也不能激活C3H/HeJ小鼠巨噬細胞產生免疫活性,且用TLR4單克隆抗體能部分抑制紫云英根多糖與巨噬細胞的結合[14]。TLR功能性表達于懷孕早期蛻膜,配體刺激后,TLR4、TLR9介導蛻膜分泌TNF-α、IL-6增強,提示TLR參與母胎界面免疫微環境的調節。而黃芪多糖可以通過改變蛻膜TLR介導的免疫功能影響免疫微環境[15]。靈芝多糖中分離的組分Reishi-F3可以通過TLR2/TLR4 受體活化小鼠脾臟B淋巴細胞,上調轉錄因子Blimp-1表達量,而增加IgM的表達,且與絲裂原激活的蛋白激酶(MAPK)、JNK以及NF-κB的活化有關[16]。許文等[17]研究發現豬苓多糖(polyporus polysaccharide,PPS)能促進樹突狀細胞的成熟,增強樹突狀細胞活化T淋巴細胞的能力,并通過TLR4促進體外培養的小鼠骨髓樹突狀細胞表型與功能成熟。同時他們報道PPS對C3H/HeN小鼠的脾細胞增殖、腹腔巨噬細胞產生IL-1β和TNF-α的作用明顯強于C3H/HeJ小鼠,流式細胞儀及激光共聚焦顯微鏡分析結果表明,Flu-PPS與小鼠腹腔巨噬細胞結合的熒光強度顯著高于Flu-葡聚糖,200 mg/L抗TLR4單抗可明顯阻斷Flu-PPS與巨噬細胞的結合,PPS可能通過TLR4活化小鼠腹腔巨噬細胞[18]。

TLR2位于染色體4p31-32,其序列編碼784個氨基酸,其中有19個N端LLRs,分子量為84 kDa。TLR2能介導細菌多糖及植物多糖發揮免疫調節作用,如Graveline等[19]報道了豬鏈球菌的莢膜多糖經過TLR2介導激活巨噬細胞發生免疫作用。Lee等[20]報道創傷弧菌表面莢膜多糖作用于人腸上皮細胞(INT-407)細胞通過TLR2/NF-κB途徑產生IL-8,wbpP基因突變的創傷弧菌表面莢膜多糖表達下降,此突變細菌作用于INT-407細胞導致IL-8、TLR2 mRNA表達量及NF-κB活性較正常菌下降,同時用TLR2抗體能明顯減少創傷弧菌莢膜多糖作用于INT-407產生IL-8及抑制NF-κB的激活。Lu等[21]發現云芝多糖通過TLR2激活CD8+T細胞及NK細胞而發揮抑制腫瘤生長的作用。

2 Lactosylceramide受體

CDw17是中性粒細胞上一個主要的神經鞘糖脂膜成分,已被確定為β-葡聚糖的受體,但其介導β-葡聚糖的反應機制不是很明確[22]。Wakshull等[23]報道CDw17的特異性單克隆抗體,能夠抑制PGG-葡聚糖激活NF-κB-like因子而進行核轉移,表明CDw17是PGG-葡聚糖的受體。β-葡聚糖通過細胞表面的神經鞘糖脂CDw17介導人嗜中性粒細胞活化而增強中性粒細胞的抗菌功能。Sato等[24]報道了含有中性鞘糖脂Lactosylceramide的脂質體能完全抑制可溶性念珠菌β-D-葡聚糖(CSBG)引起的中性粒細胞趨化遷移。此外,結合實驗顯示CSBG能結合末端帶有半乳糖殘基的鞘糖脂類(如Lactosylceramide)。而且Scr激酶抑制劑蛋白磷酸酶1,磷脂酰肌醇(PI-3K)抑制劑渥曼青霉素和Gαi/o百日咳毒素均能抑制CSBG引起的中性粒細胞趨化遷移。這些結果表明CSBG結合CDw17誘導中性粒細胞遷移是通過Src家族激酶/PI-3K/異源三聚體G-蛋白信號傳導路徑。Li等[25]報道了光滑假絲酵母能誘導上皮細胞表達粒細胞巨噬細胞集落刺激因子(GM-CSF)。TLR4抗體阻斷TLR4不影響GM-CSF的產生,但CDw17抗體阻斷CDw17能顯著抑制NF-κB的激活和GM-CSF的合成。

3 CR3

CR3(又稱Mac-1、αMβ2整合蛋白、CD11b/CD18)是白細胞黏附受體組的重要成員,存在于巨噬細胞、自然殺傷細胞、B淋巴細胞、細胞毒性T細胞和中性粒細胞表面,它通過促使效應細胞與靶細胞之間的接觸增強吞噬作用,因而在免疫調節中具有重要作用。CR3是由兩條肽鏈所構成的膜糖蛋白,它的配體為iC3b。CR3最早在白細胞膜上被發現,所以又稱之為白細胞整合素。CR3是中性粒細胞、單核/吞噬細胞、NK細胞激活的標記,同時在激活的CD8+T細胞亞群及樹突狀細胞膜上也有表達。Yan等[26]報道小鼠巨噬細胞的CR3受體有兩個特異結合區域:一個可以與葡聚糖結合,一個可以與iC3b 結合,CR3受體與葡聚糖結合后可促進巨噬細胞對iC3b調理的靶細胞吞噬作用。Vetvicka等[27]報道可溶性β-葡聚糖多糖綁定到吞噬細胞或自然殺傷細胞CR3,不斷引發受體針對iC3b的腫瘤組織的細胞毒性作用并使正常組織缺乏iC3b。Baranyay[28]發現補體受體參與碳水化合物的C3受體配體綁定,多糖與其受體的結合具有特異性。Cywes等[29]研究發現非調理素是依賴C3受體與莢膜多糖結合從而識別并結合結核分支桿菌。Muller等[30]發現裂褶菌多糖可以與巨噬細胞系U937表面受體結合,而甘露聚糖、右旋糖酐和大麥葡聚糖不能與之結合,并且裂褶菌多糖的三螺旋結構對這種結合是必須的。

4 C型凝集素受體

C型凝集素受體是模式識別受體中一類重要的家族,具有一個或多個C型凝集素樣結構域(C-type lectinlike domains,CTLDs),也即位于C型凝集素受體上,含有序列同源的碳水化合物識別域(carbohydrate recognition domain, CRD)[31]。根據該識別域是否依賴Ca2+可將其分為經典和非經典兩大類。而按其受體的結構可分為I型和II型,I型受體含有多個CRDs的跨膜多肽,包括甘露糖受體(MR, CD206)、磷脂酶A2受體、DEC-205(CD205)和Endo180(CD280)等。相比之下II型受體是由單一CRD的跨膜多肽組成,這組受體包括樹突細胞表面的特異性細胞間黏附因子3結合非整合素分子(dendriticcell-specific ICAM-3-grabbing nonintegrin、DC-SIGN、CD209)、胰島蛋白(CD207)、巨噬細胞半乳糖型凝集素(MGL、CD301)、膠原凝集素、樹突細胞相關凝集素1和2(dectin-1和dectin-2)等[32]。目前研究與多糖相互作用的C型凝集素受體主要是甘露糖受體以及dectin-1和dectin-2。

4.1 甘露糖受體 甘露糖受體屬于多凝集素受體,是一種相對分子質量為180 000的Ι型跨膜糖蛋白,表達于大部分組織巨噬細胞、內皮細胞和樹突狀細胞,可識別存在于細胞表面或病原體細胞壁上的多種糖分子,主要通過參與受體介導的內吞作用和吞噬作用,維護機體內環境的穩定,并將非特異性免疫與特異性免疫聯系起來,組成機體的一種免疫防御系統。甘露糖受體屬于Ca2+依賴凝集素家族,通過CRDs與糖結合[33]。甘露糖受體自身有八個CRDs位于一條多肽鏈上,其中CRD4和5對糖的結合極為重要,并且結合和攝取多價的配體至少需要一個臨近膜的CRD。

Zamze等[34]研究了離體巨噬細胞的甘露糖受體與不同細菌多糖的結合,表明該受體能與肺炎鏈球菌的莢膜多糖和脂多糖結合而不能和肺炎克雷伯桿菌的莢膜多糖結合。這種結合需要Ca2+的參與,并能被D-甘露糖抑制。甘露糖受體的融合蛋白含有4-7CRD,整個可溶性甘露糖受體表面所有跨膜區都特異性地和細菌多糖結合,表明這4-7個結構域足夠識別這些多糖結構。奇怪的是多糖結構域和甘露糖受體結合沒有直接的相關性,表明多糖的結構在受體的識別中起到很大作用。Liu等[35]報道,大黃多糖口服或腹腔注射均能具有明顯治療結腸炎作用。大黃多糖可明顯地升高結腸炎大鼠腹腔巨噬細胞甘露糖受體的活性和吞噬能力,能顯著抑制甘露糖受體與甘露糖的結合及巨噬細胞吞噬甘露糖的能力。大黃多糖能顯著升高健康大鼠巨噬細胞IFN-γ的分泌,甘露糖不影響細胞因子的分泌,但可以顯著抑制大黃多糖引起的IFN-γ分泌水平,表明大黃多糖治療結腸炎的免疫調節可能由甘露糖受體介導。郭振軍等[36]的進一步研究表明大黃多糖引起巨噬細胞分泌TNF-α作用是通過甘露糖受體介導,而當歸多糖的作用也與甘露糖受體有關。許多中藥多糖富含甘露糖或葡萄糖組分,且以反復串聯的結構存在,與甘露糖受體具有比抗體更高的結合特性[37],如殼寡糖可通過與巨噬細胞表面的甘露糖受體結合,產生白介素 -1β和 TNF-α[38]。

4.2 Dectin-1 2001年Gordon等[39]使用富含β-葡聚糖的酵母聚糖篩選巨噬細胞系的cDNA文庫后得到一種新的葡聚糖受體即Dectin-1。Dectin-1是一種模式識別受體,在抗真菌天然免疫中發揮著重要作用。 Dectin-1是吞噬細胞表面對β-葡聚糖特異性的受體,樹突狀細胞、單核細胞、巨噬細胞(如肺泡巨噬細胞和炎性巨噬細胞)、中性粒細胞均能廣泛表達β-葡聚糖受體[40]。β-葡聚糖是由β-(1,3)、β-(1,4)和/或β-(1,6)糖苷鍵連接的葡萄糖多聚體,廣泛存在于燕麥、大麥、海藻、毛霉菌、孢子絲菌、釀酒酵母真菌等。其在真菌中是真菌細胞壁產生的葡萄糖聚合物,如釀酒酵母和白色念珠菌的細胞壁產生的酵母多糖, Dectin-1先結合在針對β-葡聚糖介導的活性氧,激活NF-κB后產生促炎細胞因子。 酵母聚糖主要由β-葡聚糖、甘露聚糖、甘露糖蛋白和甲殼素組成,通過Dectin-1與TLR2協同介導發生免疫反應[41]。

Dectin-1是二型跨膜蛋白,分子量大約28000 Da,特征與其他免疫受體一致,可轉導感染與C型凝集素樣CRD處由秸稈連接的跨膜區域,然后細胞漿里包含一個基于酪氨酸酶激活基序的免疫受體(ITAM)。Dectin-1可以識別含有β-(1,3)和β-(1,6)糖苷鍵的葡聚糖,并誘使其自身信號通路[40-41],在與配體結合后,Dectin-1是由非受體酪氨酸激酶Src磷酸化,Syk被激活并誘導CARD9-Bcl10-Malt1復合體活化,該復合體介導NF-κB激活和炎癥細胞因子的產生,形成介導吞噬作用和介導NADPH氧化酶產生活性氧類的胞內信號,產生殺菌作用。最新數據表明,TLR介導NF-κB的信號,轉導并產生炎性細胞因子,這些反應可被Dectin-1增強。同樣,TLR信號轉導還可以增強Dectin-1激發的活性氧類產生。Dectin-1和TLR2/TLR6 通路相結合并加強每個受體引起的反應[41-44]。

Masuda等[45]從舞耳當中提取的多糖MZ-Fraction(klasma-MZ)是一種β-葡聚糖,分子量很小,大約在20000,由β-(1,3)和β-(1,6)糖苷鍵結合而成。能在體外誘導小鼠巨噬細胞J774A1的抗原遞呈和產生TNF-α和IL-12,并在體內表現出抗腫瘤活性。酵母多糖可以和Dectin-1結合,可以被真菌、植物、細菌來源的β-葡聚糖抑制,而其他聚合物如纖維素和甘露聚糖沒有抑制效果[46],同時研究發現β-葡聚糖抗腫瘤、抗感染活性還依賴于多糖自身的理化性能。人們還需要進一步的研究,以明晰Dectin-1和β-葡聚糖的特異性,從而闡明β-葡聚糖免疫調節機制。

4.3 Dectin-2 Dectin-2最初是從小鼠朗格漢斯細胞樣細胞系XS52中發現,被認為為朗格漢斯細胞特有的C型凝集素,隨后從樹突狀細胞以及巨噬細胞中檢測到有表達[47-48]。Dectin-2分子含有一個EPN序列(Glu-Pro-Asn)和一個鈣離子依賴性CRD,能夠識別甘露糖結構的碳水化合物,其特異性配體是高甘露糖結構[49]。Dectin-2在細胞漿缺乏一個已知信號區域,因為Dectin-2在它的跨膜區缺乏精氨酸,而精氨酸對于含有免疫受體酪氨酸抑制基序(ITIM)信號分子如Fc受體c(FcRc)鏈或者是DNAX激活蛋白12(DAP12)的膜組織十分重要,目前該信號傳導機制尚不清。研究表明Dectin-2與FcRc鏈的結合是通過Dectin-2胞漿區域的精氨酸殘基[49]。當甘露糖刺激FcRc鏈基因缺陷小鼠時,不能產生細胞因子,表明Dectin-2的生物學功能需要FcRc鏈的存在[50]。

Dectin-2能夠識別α-甘露聚糖,并通過與免疫受體酪氨酸抑制基序包含的FC受體γ鏈結合完成細胞信號的轉導。結合以后免疫受體酪氨酸活化基序(ITAM)結合脾激酶酪氨酸激酶激活胱天蛋白酶募集域蛋白9(CARD9),使NF-κB轉移到細胞核當中,最終激活TNF-α和白介素-1在內的多種細胞因子的表達,介導機體的免疫應答[51]。使用多糖點陣檢測發現,Dectin-2能和許多種物種包括真菌當中含有高甘露糖的結構結合[49,52]。最近有研究用白色念珠菌細胞壁甘露聚糖刺激Dectin-2基因缺陷小鼠的骨髓來源細胞完全不能產生細胞因子表明Dectin-2是甘露聚糖的功能性受體[50]。從A型白色念珠菌中提取甘露聚糖由α-1,6-鏈多聚甘露糖連接到精氨酸殘基與α-1,2-鏈寡甘露糖基側鏈[51,53]。然而,缺乏β-甘露聚糖的細胞壁甘露聚糖與自然的假絲酵母甘露糖刺激小鼠骨髓來源細胞釋放細胞因子效果相同,但不能引起Dectin-2缺乏的樹突狀細胞產生細胞因子,這些表明β-甘露聚糖不參與Dectin-2與假絲酵母菌甘露聚糖的識別[50]。Dectin-1和Dectin-2對真菌感染的免疫調節途徑見圖1。

圖1 Dectin-1和Dectin-2對真菌感染的免疫調節[51]

5 清道夫受體

清道夫受體是表達于巨噬細胞表面的一類模式識別受體,能識別細菌和真菌細胞壁多糖和脂質,介導吞噬作用。分為多種類型,主要為SRA和SRB,還包括SRC等。SRA為三聚體纏繞的糖蛋白跨膜分子,各帶有5個不同的結構域。其中膠原樣結構域可結合修飾過的脂蛋白,并由富含賴氨酸的分子束組成攜帶正電荷的結合槽,接納帶負電荷的配體,包括多聚核糖核苷酸(如PolyG和poly1)、多糖(如LPS和脂磷壁酸)和陰離子磷脂(如縮醛磷脂酰絲氨酸),以及氧化型和乙酰化的低密度脂蛋白(oxLDI、acLDL)等。SRB中的一個主要成員為CD36,分子質量為88 kDa,表達于血小板、單核/巨噬細胞及內皮細胞。其配體為血小板反應蛋白、膠原蛋白、磷脂及氧化型低密度脂蛋白。

Shnyra等[54]報道脂多糖在體外結合肝枯否細胞和內皮細胞是通過清道夫受體途徑。清道夫受體可結合多種配體,在巨噬細胞清除病原體、宿主防御以及信號轉導過程中發揮重要作用[55]。Nakamura等[56]研究發現,褐藻聚糖能通過清道夫受體使野生型小鼠腹腔巨噬細胞激活并釋放NO,且NO的釋放量與褐藻聚糖呈劑量依賴關系。褐藻聚糖作用于清道夫受體基因敲除(SR-/-)的小鼠腹腔巨噬細胞時并不能誘導細胞分泌NO,表明褐藻聚糖通過清道夫受體途徑激活巨噬細胞。p38 MAPK和NF-κB抑制劑能夠抑制褐藻聚糖刺激巨噬細胞產生iNOS,從而減少細胞上清中NO的量。實驗結果表明褐藻聚糖能夠通過與清道夫受體相結合而進一步激活細胞內p38 MAPK和NF-κB兩條信號通路,促進巨噬細胞釋放NO。

6 結語

多糖的免疫作用機制的調節受體已發現以上幾種,但是目前仍然停留在表面階段,有待于進一步深入研究。由于多糖結構的多樣性和復雜性,可以想象,多糖受體也是多樣的,今后還將會有更多的多糖受體被揭示。多糖的作用機制將會更加明了,為開發多糖藥物以及多糖藥物應用于臨床治療提供實驗依據和理論基礎。

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