IL-37在類風濕關節炎中作用機制的研究進展

黃潤祺，王安妮，陳廣潔

上海交通大學基礎醫學院免疫學與微生物學系，上海 200025

類風濕關節炎（rheumatoid arthritis，RA）是一種慢性進行性的自身免疫病，全球發病率為0.5%～1.0%，且女性高于男性[1]。RA的主要病理表現為關節滑膜的慢性炎癥、增生，形成血管翳以及侵犯關節軟骨、韌帶和肌腱，其可造成關節軟骨、骨和關節囊的破壞，最終導致關節畸形和功能喪失。研究[2]表明，多種細胞因子參與了RA的發生與發展，并發揮了重要作用。白細胞介素 -1（interleukin-1，IL-1）、IL-6、IL-17和腫瘤壞死因子 α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）等細胞因子可促進破骨細胞生成，而IL-4、IL-10、IL-13、干擾素-α（interferon-α，IFN-α）、IFN-β 和 IFN-γ等細胞因子則拮抗該細胞生成，從而調控骨平衡系統，參與骨與軟骨的破壞和修復[3]。此外，細胞因子還能直接或間接調節免疫活性細胞或調節性T細胞，參與調控炎癥反應。目前，已針對一些細胞因子研制出了多種生物制劑，用于治療RA患者，以達到緩解病情的效果[4]。

近年來的研究[5-6]發現，IL-1家族的新成員——IL-37能夠在RA患者體內過表達，發揮抗炎作用，而其具體作用機制可能與IL-37調控SMAD家族成員3（mothers against decapentaplegic homolog 3，SMAD3）、核因子 κB（nuclear factor κ-B，NF-κB）等信號通路有關。基于此，本研究針對IL-37的結構與功能以及與RA的關系進行綜述，為IL-37及RA的進一步研究提供參考。

1 IL-37的生物學功能

1.1 IL-37的結構與表達

IL-37的基因為IL1F7，位于2q13；該基因在IL1B與IL1F9之間，長度為3 617 bp；其距離IL1B基因78 932 bp，距離IL1F9基因59 808 bp[7]。IL1F7可以被剪切為5種不同的亞型，分別是IL1F7a、IL1F7b、IL1F7c、IL1F7d和IL1F7e；該5種亞型分別編碼了5種異構體，即IL-37a、IL-37b、IL-37c、IL-37d和IL-37e。編碼IL-37的基因含有6段不同的外顯子。IL-37a由外顯子3～6編碼而成；外顯子3編碼其N端，是5種亞型中唯一含有外顯子3編碼肽段的成員；外顯子4～6編碼了12條β-折疊結構的肽鏈，共同形成β-三葉草結構，這也是IL-1家族成員的結構特征，提示IL-37a可能行使細胞因子的功能[7]。IL-37b是研究最為清楚也是肽鏈最長的一個亞型，它由外顯子1、外顯子2以及外顯子4～6編碼而成；外顯子1和2編碼的肽鏈形成N端功能前區，提供剪切位點使細胞因子成熟；外顯子4～6編碼形成β-三葉草結構，同樣提示IL-37b可能行使細胞因子的功能。IL-37c與IL-37b十分相似，除了沒有外顯子4，其他編碼的外顯子均與IL-37b相同；由于外顯子4編碼3條β-折疊鏈，而缺少了該3條肽鏈β-三葉草結構無法形成，因此IL-37c無法行使細胞因子的功能。IL-37d由外顯子1以及外顯子4～6編碼，具有完整的β- 三葉草結構，能行使細胞因子的功能。IL-37e由外顯子1、外顯子5和外顯子6編碼而成，同樣由于缺少外顯子4，使得IL-37e無法行使細胞因子的功能。然而，上述異構體還需經過進一步的剪切加工才能成為成熟的細胞因子。目前，對于異構體后續的剪切研究主要集中在IL-37b上[8-9]，而有關IL-37的完整剪切加工過程尚待進一步分析。此外還有研究[10]表明，2個呈β-三葉草結構折疊的IL-37分子能形成穩定的頭對頭結合的二聚體，該二聚體的形成可減弱IL-37的抗炎功能。

IL-37主要來源于上皮細胞、單核細胞和巨噬細胞，能夠在許多正常組織中表達，如在睪丸、胸腺、子宮中大量表達，在心臟、胃、肝、胰、腎、腎上腺中少量表達，同時還能夠在腫瘤組織中表達，如乳腺癌、肺癌、結腸癌組織等[7]。值得注意的是，IL-37的部分異構體會表達于特定組織中，如在腦組織中僅有IL-37a表達，腎臟中僅有IL-37b表達，心臟中僅有IL-37c表達，骨髓和睪丸中僅有IL-37d和IL-37e表達[7]。繼而推測，其不同的異構體可能具有不同的功能，與不同組織細胞的功能相關。

目前，有關調控IL-37表達的機制研究尚不夠深入。有研究[6]表明，在人外周血單個核細胞（peripheral blood mononuclear cell，PBMC）中IL-37的表達量很低，但能被炎癥刺激和細胞因子上調，包括Toll樣受體（toll-like receptor，TRL） 激 動 劑、IL-1β、IL-18、TNF-α、IFN-γ、轉化生長因子 -β（transforming growth factor-β，TGF-β），同時粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子（granulocytemacrophage colony stimulating factor，GM-CSF）+IL-4 能夠下調IL-37的表達。另有研究[11]發現，一種從軟棗獼猴桃中提取的水溶性提取物——PG102，能夠通過磷酸化p38絲裂原活化蛋白激酶（p38 mitogen-activated protein kinase，p38MAPK）和細胞外信號調節激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）使下游SMAD3磷酸化，進而上調人永生化角質形成細胞內IL-37的表達，繼而表明IL-37在細胞內的表達可能與一些信號通路有關。

1.2 IL-37的受體及其信號通路

IL-37有2種調控細胞信號通路的方式：一種是被分泌至胞外，通過與細胞膜上的受體結合進而調控下游信號通路；另一種是在胞內與SMAD3結合并轉運到細胞核內，從而調控基因的轉錄。

在胞外，IL-37能夠同時與白細胞介素-1受體8（interleukin-1 receptor 8，IL-1R8）、 IL-18Rα形成聚合物發揮抗炎功能，且該2個受體缺一不可[12]。雖然IL-37能夠與IL-18受體結合，但并未表現出競爭性抑制IL-18的效果，反而較低濃度的IL-37對炎癥的抑制更為有效[13]。同時，一些IL-37參與調節的信號通路也同時需要IL-1R8及IL-18Rα的參與，因此在IL-1R8缺失的情況下，IL-37的抗炎效果會有所下降。此外，IL-37能夠抑制一些參與調節信號通路的分子，包括哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）、轉化生長因子 -β 活化激酶 1（transforming growth factor-β-activated kinase 1，TAK1）及組成NF-κB信號通路的分子等；且其也能激活一些參與調節信號通路的分子，包括ER受體酪氨酸激酶（tyrosine-protein kinase MER，MERTK）、PTEN（gene of phosphate and tension homology deleted on chromsome ten，PTEN）基因等[12]。

而在胞內，IL-37b能夠與SMAD3形成功能復合物，進入細胞核以影響基因的轉錄，從而抑制TRL誘導的促炎性細胞因子的表達，如IL-1β、IL-16和IFN-γ[14]。當敲除了Smad3基因后，IL-37的抗炎功能顯著降低[6]。在對IL-37胞外受體的研究中發現，一些分子不需要IL-1R8及IL-18Rα同樣也能被IL-37調控，如黏著斑激酶（focal adhesion kinase，FAK）、鈣依賴性酪氨酸激酶（calciumdependent tyrosine kinase，CADTK）、MAPK 等[12]，這可能是由于在胞內IL-37通過與SMAD3結合而調控基因的轉錄，從而進一步證實了IL-37存在2種分子調控機制。除IL-37b外，IL-37d同樣能夠與SMAD3結合并被轉運至細胞核，從而抑制促炎細胞因子的表達[15]。針對促炎信號通路中的重要組成部分，即磷酸化的信號轉導及轉錄激活蛋白（signal transducer and activator of transcription，STAT）1～4和 磷 酸 化 的p38MAPK而 言，SMAD3與IL-37的復合物不僅能夠抑制多種STAT的表達，減少 p38MAPK、ERK1/2、c-Jun氨 基 末 端 激 酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）的磷酸化，還能抑制多種參與促炎信號通路的激酶的表達，如FAK、富含脯氨酸的蛋白酪氨酸激酶2（proline-rich tyrosine kinase 2，Pyk2）以及樁蛋白[14]。需要注意的是，IL-37不僅能與SMAD3結合，還能與磷酸化的SMAD3結合[6]，而這2種復合物的功能有何區別，還有待進一步的研究。

1.3 IL-37的功能

研究顯示，IL-37在固有免疫及適應性免疫中不僅可以發揮免疫抑制因子的作用，還可以具有一定的抗腫瘤作用。

IL-37在健康人體組織內表達水平非常低，而在RA患者的外周血中卻高表達。當使用siRNA沉默IL-37基因后，再用脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）或TLR6-TLR2配體巨噬細胞活化脂肽刺激健康供者的PBMC，可以使IL-1、IL-6、IL-12、TNF-α、粒細胞集落刺激因子和GM-CSF的分泌顯著增加且具有劑量依賴性，但抗炎因子IL-10和IL-1Rα的表達不受影響[6]。用IL-37單克隆抗體中和PBMC產生的IL-37后，促炎細胞因子IL-1β、TNF-α和IL-6的表達則出現了增加。在轉染了pIRES-IL-37b質粒的THP-1和A549細胞系中，IL-1α和IL-1β等促炎細胞因子的表達均顯著下降。在轉染了pIRES-IL-37b質粒的小鼠巨噬細胞系RAW264.7中，受LPS刺激后，TLR配體誘導的促炎細胞因子的釋放受到明顯抑制。此外，IL-37b蛋白還可以減少IL-8、IL-17、IL-23、IFN-γ等促炎細胞因子及一些趨化因子的產生，但也能夠增加免疫抑制因子TGF-β1的產生[14]。上述研究均表明，IL-37可能通過減少促炎細胞因子及趨化因子的表達來增加免疫抑制因子的表達，即以負反饋方式抑制固有免疫并緩解炎癥，而這種調節方式不依賴于IL-10等抗炎因子。

Moretti等[16]發現，IL-37可以顯著抑制患有過敏性肺和支氣管曲霉病的小鼠的輔助性T淋巴細胞2/輔助性T淋巴細胞17（T helper 2 cell/T helper 17 cell，Th2/Th17）的活性。還有研究[17]顯示，IL-37可以誘導樹突狀細胞獲得免疫耐受，從而抑制適應性免疫。該研究通過接觸超敏反應（contact hypersensitivity，CHS）小鼠模型進行分析發現，與野生型小鼠相比，接種了過敏原的IL-37轉基因小鼠的局部皮膚水腫顯著下降，且野生型小鼠中的樹突狀細胞半抗原致敏后，其抗原反應也顯著減弱；體外實驗顯示，IL-37轉基因小鼠的MHCⅡ和樹突狀細胞表面的共刺激分子CD40的表達顯著降低，激活初始T細胞和抗原特異性T細胞的能力減弱，但樹突狀細胞誘導T細胞向調節性T細胞（regulatory T cell，Treg）分化的能力顯著提升；免疫組化結果顯示，IL-37轉基因小鼠的CD8+T細胞的數量顯著下降，而Treg細胞的數量明顯上升。Wang等[18]發現，IL-37可以增強Treg細胞對T細胞的抑制能力。此外，炎癥性關節炎的小鼠模型研究[19]發現，IL-37具有抗炎癥作用，即其能夠通過減少細胞浸潤實現對關節炎的抑制。上述結果均顯示，IL-37可以通過降低樹突狀細胞抗原提呈的能力，抑制多種T細胞亞群的增殖、分化，誘導Treg細胞分化等方式影響T細胞的平衡，并抑制T細胞介導的特異性免疫的發生。

在腫瘤組織中，IL-37的表達與CD57+自然殺傷細胞的密度呈正相關。體外實驗證明，IL-37有募集CD57+自然殺傷細胞的能力；且在小鼠肝細胞癌模型中，IL-37能夠通過增加CD57+自然殺傷細胞的募集來殺傷癌細胞，從而抑制腫瘤生長[20]。IL-37在腎細胞癌[21]和宮頸癌[22]中也有抑制腫瘤細胞的作用。上述研究均發現，IL-37可以抑制腫瘤細胞的增殖和遷移，還可以誘導細胞凋亡，推測其可能的途徑是抑制STAT3表達和磷酸化[14]。

2 IL-37與RA

2.1 IL-37在RA中的表達

研究[23-24]顯示，RA患者的血漿或PBMC中的IL-37水平顯著高于健康對照組，且隨著疾病活動程度的增加而升高；RA患者血漿中的IL-37水平與TNF-α、IL-6、IL-17A、C反應蛋白水平及疾病活動分數28（28-joint disease activity score，DAS28）評分呈正相關；而在接受抗風濕藥物（disease modifying anti-rheumatic drug，DMARD）治療后，RA患者的IL-37水平顯著降低。Wang等[25]研究發現，與健康對照組相比，RA患者的PBMC中的IL-37+CD4+T細胞、總的IL-37+淋巴細胞、IL-18Rα+CD4+細胞、IL-18Rα+CD4-細胞及總的IL-18Rα+淋巴細胞均有所增加。RA患者體內的IL-37水平高于健康者，但體內、體外實驗均顯示IL-37具有抗炎作用，當患者接受DMARD治療后其IL-37水平會有所下降，繼而提示IL-37在RA中表達水平的升高是一種反饋性增加，即為限制疾病的嚴重度而產生的應答。

2.2 IL-37在RA中的作用機制

IL-37在膠原誘導的關節炎（collagen-induced arthritis，CIA）小鼠中具有抗關節炎癥的作用。一方面，IL-37能夠使CIA小鼠的病理情況發生好轉。將腺病毒表達的IL-37（adenovirus vector expressing IL-37，Ad-IL-37） 注 射 入CIA小鼠的膝關節內發現，關節炎的癥狀顯著下調；組織病理學檢查顯示，經Ad-IL-37處理過的小鼠膝關節的滑膜增生、關節翳形成、軟骨損傷、骨侵蝕等情況均有大幅下降；與對照組相比，經Ad-IL-37處理過的小鼠Ⅱ型膠原特異性IgG2a抗體的滑液水平大幅下降，繼而提示IL-37可能直接參與抑制CIA小鼠的關節炎癥和病理癥狀[23]。另一方面，IL-37可以抑制小鼠及RA患者體內促炎細胞因子的表達。Cavalli等[26]證明，低劑量的IL-37可減輕小鼠的關節炎癥，顯著降低其滑膜中的IL-1β、TNF-α、IL-6、趨化因子配體3、趨化因子配體1及巨噬細胞炎癥蛋白1α的水平。經IL-37處理后，RA患者PBMC中的IL-17、IL-1β和IL-6等促炎細胞因子的水平也顯著受到抑制，這些細胞因子均與招募入關節的嗜中性粒細胞有關[14,23]。然而，經更高劑量的IL-37處理后則發現，IL-37并未對炎癥產生抑制作用，這可能與高濃度下的IL-37能夠自發形成同源二聚體有關[27]。此外，也有研究[5,28]發現，RA患者體內的IL-37 mRNA和血清中的IL-37蛋白含量均高于健康對照，但IL-37 mRNA主要高表達于CD3+T和CD4+T細胞，而在CD8+T和CD19+B細胞中的表達無差異。IL-37可以抑制IL-17及由其引起的促炎細胞因子的表達，降低RA患者體內CD4+T細胞中的Th17細胞的比例，抑制Th17細胞的增殖，使CIA小鼠的病理情況好轉，從而減輕RA的癥狀[28]。上述研究均提示，IL-37能夠在RA中通過多種方式緩解炎癥及病理癥狀，但目前報道較多的方式仍是通過下調促炎細胞因子及趨化因子的表達來實現。部分研究[29]針對該方式的作用機制進行分析，發現可能存在細胞內外共2種機制：① 在細胞內，IL-37可與SMAD3結合，抑制STAT1～4的功能以及p38MAPK的磷酸化，促進糖原合成酶激酶-3α/β磷酸化，繼而調節基因的轉錄，最終抑制TLR誘導的促炎因子的表達和樹突狀細胞的活化。②在細胞外，IL-37可以通過促進TGF-β的表達而抑制樹突狀細胞的活性，從而降低T細胞和B細胞的免疫應答；其還可以與白細胞介素-18結合蛋白結合來抑制IFN-γ，從而實現對TLR4下游信號轉導的抑制。

3 總結與展望

IL-37是IL-1家族的新成員，其基因IL1F7有5種亞型，可編碼5種異構體。該異構體均需要經過剪切加工才能夠成為成熟的細胞因子，而具體的剪切加工機制尚未被完全闡明。IL-37能夠在大部分正常組織中表達，部分異構體僅表達于特殊組織中，可能與不同組織細胞行使的功能有關。IL-37能被炎癥刺激，也能被部分細胞因子上調，可通過2種調控細胞信號通路的方式發揮抗炎作用。IL-37可以抑制一些促炎細胞因子及趨化因子的表達調控固有免疫，還可以通過抑制多種T細胞亞群的活性、降低樹突狀細胞抗原提呈的能力、誘導T細胞向Treg細胞分化等方式抑制特異性免疫，具有一定的抗腫瘤功能；同時，IL-37在RA患者體內的表達水平高于健康人群，還具有減緩炎癥及抗關節炎癥的作用，但具體的抗炎作用機制尚未被明確。隨著研究者們對IL-37抗炎機制研究的不斷深入，未來或將能夠為治療或緩解RA疾病進程提供新的思路與方法，造福更多患者。