炎癥反應中雙糖鏈蛋白聚糖作用機制研究進展

趙婷婷 ，馬 然 ，封 棣 ，張浩軍 ，李 平 ?

（1.中日友好醫院 臨床醫學研究所，北京 100029；2.北京市免疫炎性疾病 重點實驗室，北京 100029；3.北京工商大學 食品與化學工程學院，北京 100048）

雙糖鏈蛋白聚糖（biglycan，BGN）是一種胞外基質蛋白聚糖，現已被證明是參與炎癥反應的關鍵分子。當組織應激或損傷時，BGN從細胞外基質水解釋放后以損傷相關分子模式 （damage-associated molecular patterns，DAMPs）發揮作用，目前已經成為炎癥反應尤其是無菌性炎癥疾病研究的重要課題。本文就近年來炎癥疾病中BGN與Toll樣受體（Toll-like receptors，TLRs）相互作用的研究進展做一綜述。

1 BGN的生物學特性

BGN是富含小分子亮氨酸的蛋白聚糖（small leucinerich proteoglycans，SLRPs）家族成員之一，由2條糖胺聚糖側鏈和一個核心蛋白組成。其核心蛋白分子量約42kD，含12 個亮氨酸重復單位（leucine-rich repeat，LRR），糖胺聚糖由硫酸皮膚素或硫酸軟骨素組成。BGN又稱蛋白聚糖-I（proteoglycan-I，PG-I），最早于骨 組織中發現，由 Fisher等人于1989年報道。BGN編碼基因由7個內含子和8個外顯子構成，位于Xq27-Xq28。它廣泛分布在骨、軟骨、肌腱、纖維組織等多種細胞外基質組織中，是細胞外基質的重要成分。

組織應激或損傷后，基質成分被大量釋放，并與病原模式識別受體（pathogen recognition receptors，PRRs）發生相互作用。研究發現，眾多的細胞外基質成分中，只有極少數能夠與PRRs相互作用，并作為PRRs的內源性配體參與信號轉導。由于BGN含有LRR，所以它能與含有LRR基序的Toll樣受體等結合，將危險信號傳遞到免疫系統中去，啟動快速應答反應。最新研究表明，BGN在感染性炎癥反應和缺血性腎損傷[1]、活性氧介導的炎癥性疾病[2]、非小細胞肺癌[3]等無菌性炎癥反應中均發揮了重要作用。

2 BGN在炎癥中的調控作用

2.1 感染性炎癥與無菌性炎癥

炎癥不僅是機體抵御微生物入侵的防御機制，也是無菌條件下組織損傷的關鍵反應。過去的幾十年里，對有關病原體介導的炎癥機制已經有了深入的認識。中性白細胞、巨噬細胞和樹突狀細胞能夠通過特定的病原模式識別受體識別高度保守的微生物結構，稱為病原相關分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs）[4，5]。 PRRs根據不同的識別配體和細胞定位可以分為五類：跨膜的TLRs，細胞質的NLRs，細胞內的維甲酸誘導基因-Ⅰ樣受體，跨膜的C型凝集素受體（如Dectin-1）和黑素瘤缺乏因子2樣受體[4，6]。PAMP通過PRRs引起先天免疫應答識別啟動核因子 κB（nuclear factor κB，NFκB）、促分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）、P38 或Ⅰ型干擾素信號通路[5～7，12]。這些信號通路的激活導致了腫瘤壞死因子 α（tumor necrosis factor α，TNFα）、白細胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）等細胞因子的分泌，繼而趨化因子招募更多的炎性細胞到感染部位[8]。在先天免疫應答激活后，適應性免疫系統提供更具體的反應來控制和消除引起感染的原因。受體在連接先天免疫與適應性免疫中具有重要作用[9，10]。

過去研究也發現，在沒有微生物病原體的情況下組織損傷期間也會發生炎癥[2，5，8]。而且無菌性炎癥是許多肺、腎臟和肝臟疾病的共同特征，也是動脈粥樣硬化、腫瘤、痛風、心肌梗死、中風和多種自身免疫性疾病（如系統性紅斑狼瘡等）的重要特征，并且可導致器官纖維化[5，11]。越來越多的研究發現，組織應激或損傷會引起細胞內或細胞外的內源性分子以DAMPS的形式釋放。細胞壞死過程中，一些特定的細胞成分，如熱休克蛋白，嘌呤代謝產物（ATP或尿酸）和高遷移率族蛋白B1被釋放到細胞外的空間，從而變成DAMPs。細胞外的DAMPs和PAMPs類似，都可以通過PRRs的特異性配體識別并引起先天免疫應答。目前無菌性炎性疾病的發病率正逐年升高，但缺乏微生物病原體的先天免疫激活機制仍有待進一步研究。

2.2 BGN是TLR2和TLR4的內源性配體

BGN可被骨形態發生蛋白 （bone morphogenetic pro-tein，BMP）-1、 基質金屬蛋白酶 （matrix metalloproteinase，MMP）-2、MMP-3、MMP-13 等水解[12]。 已有研究發現，可溶性BGN參與了巨噬細胞的信號轉導。巨噬細胞和樹突狀細胞中完整的BGN可作為TLR2和TLR4的內源性配體，使p38和NFκB通路快速激活，并且提高促炎細胞因子TNFα 的合成[10，13]。 此外，BGN 通過 TLR2/4 促進中性白細胞和巨噬細胞合成多種趨化因子，例如，巨噬細胞炎性蛋白-1α （macrophage inflammatory protein-1α，MIP-1α）、單核細胞趨化蛋白-1（monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1）與調節活化正常T細胞表達與分泌的趨化因子（regulated upon activation， normalT-cell expressed and secreted，RANTES）[10]。另外，浸潤的巨噬細胞經促炎細胞因子（如IL-1β）的刺激，自身就能合成BGN。從細胞外基質中釋放的BGN蛋白水解片段可能不全都與TLR2/4結合并發出信號。因此，由巨噬細胞從頭合成的BGN作為放大機制，在損傷部位提供BGN完整的“信號”形式。基于這種機制，BGN啟動了一個能在自分泌和旁分泌方式中引發和促進炎癥應答的前饋循環。

2.3 BGN調控TLR2/4與嘌呤受體P2X7和P2X4復合物

除了作為TLR2/4內源性配體，BGN還能聚集幾類受體，誘導它們形成受體復合物[13，14]，并進行信號轉導[13]。在急性和慢性炎癥中，BGN均能促進重要的促炎細胞因子IL-1β的分泌[15]。通常，成熟IL-1β的合成、加工和分泌至少需要兩個步驟。首先，通過依賴TLR的NFκB的活化合成IL-1β前體；進而，在NOD樣受體家族含pyrin結構域蛋白 3 （NLR family， pyrin domain-containing 3，NLRP3）炎性小體和半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-1（caspase-1）的刺激下使IL-1β前體裂解形成成熟的IL-1β。但是，可溶性BGN可以通過誘導 TLR2、TLR4和嘌呤受體 P2X7和P2X4在巨噬細胞表面形成多受體復合物，直接刺激成熟IL-1β的合成和分泌。BGN通過結合TLR2/4啟動IL-1β前體和NLRP3炎性小體的合成；同時，通過結合P2X7和P2X4受體，誘導NLRP3/凋亡相關斑點樣蛋白（apoptosis associated speck-like protein containing a CARD，ASC）炎性小體和caspase-1的形成與活化，驅動IL-1β的成熟和分泌。這一過程需活性氧和熱休克蛋白70的參與[4]。此外，研究發現只有完整的BGN才能在巨噬細胞和樹突狀細胞中觸發促炎信號，提示BGN的核心蛋白和糖胺聚糖側鏈在TLR2/4與P2X7/P2X4受體的聚集中均發揮重要作用[16]。

2.4 感染性和無菌性炎癥中BGN與TLR2/4的相互作用

研究表明，隨著炎癥的增強，BGN高表達并伴隨著嚴重的組織損傷。而且，無論是在病原體誘導[2]還是無菌條件下[13]，BGN的缺乏均能減少炎癥反應。

2.4.1 在肺部

肺是膿毒癥的主要靶器官，BGN能夠促進肺部內的炎癥反應[19]。有研究表明[2]，在膿毒性條件下，浸潤的肺實質細胞中BGN含量顯著增加。而下調BGN可以抑制肺組織中的免疫細胞，減輕肺損傷，同時在肺部僅檢測到少量激活的caspase-1和少量成熟的IL-1β[13]。在TLR4和TLR2依賴的和LPS或酵母多糖誘導的膿毒癥小鼠中，BGN基因的缺失均明顯提高了模型存活率，并且降低了循環TNFα和IL-1β水平以及浸潤性單核細胞數量[13]。而且，缺乏BGN的小鼠血漿和肺中的IL-1β水平較低，這與NLRP3炎性小體的表達減少和caspase-1活性降低有關[13]。上述結果表明，BGN下游信號通路的炎性小體是體內炎癥反應的重要環節。由此提示，在由細菌引起的炎癥反應中BGN并不參與病原體傳感，而是通過TLR觸發炎癥信號從而增強病原體誘導的炎癥應答。

2.4.2 腎臟中

BGN除了參與病原體誘導的免疫應答，也參與無菌性炎癥反應。在糖尿病腎病小鼠模型[17]和急性缺血性腎損傷的小鼠模型[1]中檢測到BGN高表達。在單側輸尿管梗阻和狼瘡性腎炎[10，13]等非感染炎癥性腎臟疾病模型中下調BGN水平可有效降低NLRP3表達和caspase-1活性，顯著減少腎臟TNFα、IL-1β和浸潤性單核細胞數量，從而起到腎保護作用。相反，可溶性BGN過度表達能夠聚集多種趨化因子，促進單核細胞的浸潤，加劇器官損傷[10]，說明BGN是無菌性炎癥性腎臟疾病的關鍵介質[18]。然而，在敲除TLR2/4復合基因的小鼠中，腎功能損傷明顯改善，這一結果提示BGN與TLR2/4的相互作用是體內炎癥反應的關鍵環節[1]。

2.4.3 其他組織

主動脈中BGN升高能夠激活TLR2[19]，促使磷脂轉運蛋白合成增加，引起脂質積聚和炎癥反應，最終導致主動脈狹窄[20]。穿刺確診的慢性乙型肝炎患者血清BGN濃度顯著高于正常人 （337.3±363.0pg/ml vs 189.1±61.9pg/ml），且與纖維化程度顯著相關[21]。此外，腎臟移植冠狀動脈粥樣硬化[22]、嚴重的眼部疾病[23]以及脂肪組織損傷中[24]均發現BGN高表達。

3 展望

目前無菌性炎癥疾病患病率很高，如動脈粥樣硬化、心肌梗塞、中風、痛風、各種器官的纖維化、自身免疫疾病和腫瘤，闡明上述疾病的炎癥反應機制還需開展大量研究。細胞外基質釋放的成分能夠直接參與組織應激或損傷的信號傳導，這一發現提升了我們對無菌性炎癥病因的認知水平。各種細胞外基質成分中，富含小分子亮氨酸的蛋白聚糖類分子尤其適合與含有LRR基序的TLR和NLR相互作用。目前對于炎癥調節中富含小分子亮氨酸的蛋白聚糖的作用研究得還很少[25]。除了BGN，也有關于基膜聚糖影響炎癥反應過程的報道[26]。探討富含小分子亮氨酸的蛋白聚糖與不同受體分子特異性親和力及其下游信號通路的調控將是未來研究無菌性炎癥機制的重要方向。

雖然BGN介導炎癥反應的研究越來越多，但是還有諸多問題有待闡明。只有可溶性和完整的BGN能夠觸發促炎信號。那么，BGN何時并且為何在循環中出現？循環中BGN是否能夠成為未來炎癥性疾病的生物標志物？此外，蛋白核心和糖胺聚糖側鏈在BGN介導炎癥反應中分別發揮何種作用，以及它們如何發揮作用仍有待深入研究。

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