α7煙堿型乙酰膽堿受體在調控動物炎癥反應中的作用

吳 培 馮 琳 姜維丹 周小秋*

(1.四川農業大學動物營養研究所，成都 611130；2.動物抗病營養教育部重點實驗室，成都 611130)

在動物生產中，許多炎性疾病如豬的腸炎、奶牛的乳房炎等，會削弱動物健康狀況和生產力[1-2]。因此，緩解炎癥反應對保證動物健康非常重要。研究發現，膽堿能神經系統在調控炎癥反應中發揮重要作用[3]。在敗血癥豬上，刺激傳出迷走神經降低了活化單核細胞數量，緩解了多器官功能障礙[4]；仔豬腹瀉則伴隨著回腸黏膜迷走神經遞質乙酰膽堿含量的降低[5]。α7煙堿型乙酰膽堿受體(α7-nicotinic acetylcholine receptor，α7nAChR)是煙堿型乙酰膽堿受體的一種亞型，是介導突觸間快速信號傳遞的配體門控離子通道蛋白，在巨噬細胞、淋巴細胞等免疫細胞中均有表達[3]。研究發現，青年母豬發生子宮內膜炎時，子宮內膜和肌層α7nAChR蛋白表達降低[6]；抑制α7nAChR表達后提高了脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)誘導的牡蠣血細胞中腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF)表達[7]；與野生型小鼠相比，α7nAChR缺失提高了LPS誘導的小鼠血清中炎性細胞因子含量，同時電刺激迷走神經不能降低LPS誘導的α7nAChR缺失小鼠血清中炎性細胞因子含量[8]。以上結果說明，α7nAChR在膽堿能神經系統介導的抗炎途徑中是必需的。本文擬就α7nAChR介導的抗炎作用與作用機制作一綜述。

1 α7nAChR簡述

1.1 α7nAChR蛋白結構

α7nAChR屬于神經遞質門控離子通道超家族，是由5個獨立α7亞基組裝成的一個同型五聚體[3]。雞、大鼠和人α7亞基均含有502個氨基酸殘基，包括由23個氨基酸殘基組成的信號肽[9-11]，斑馬魚α7亞基則含509個氨基酸殘基[12]。雞α7成熟亞基有479個氨基酸，與大鼠、斑馬魚和人α7亞基同源性分別為79%、76%和88%[11-12]；其N末端胞外區含有3個糖基化位點、5個半胱氨酸(Cys)殘基，并含有4個α螺旋結構的跨膜區[11]。N末端胞外的3個糖基化位點和其中4個Cys殘基及胞內區第365位絲氨酸(Ser365)磷酸化位點在雞、大鼠、斑馬魚和人上是保守的。

1.2 α7nAChR蛋白分布

α7nAChR在神經系統分布的主要區域為：大腦灰質、海馬、基底神經節、丘腦、視葉及視網膜等，其表達分布的細胞主要包括腦區海馬星形膠質細胞、成熟樹突狀細胞、小膠質細胞等[3]；此外，α7nAChR在哺乳動物血管內皮細胞、支氣管上皮細胞、胸腺上皮細胞、T淋巴細胞、B淋巴細胞、血液白細胞、單核細胞、巨噬細胞等均有表達[3,13]，且其結構和功能與神經節上的神經元α7nAChR相似。在斑馬魚上，α7nAChR在后腦及其附近區域有表達[12]。α7nAChR在神經、循環、呼吸、免疫系統中的廣泛分布，表明其很可能與多種疾病之間存在聯系。

2 α7nAChR介導的抗炎作用及其機制

2.1 α7nAChR介導的抗炎作用

α7nAChR在調控動物炎癥反應中具有重要作用。研究發現，α7nAChR敲除加劇了腎炎小鼠腎臟損傷和炎性細胞浸潤[14]以及結腸炎小鼠的結腸炎癥[15]。抑制α7nAChR活化則加重了大鼠胰腺炎[16]、LPS誘導的大鼠肝臟組織炎性細胞浸潤[17]以及關節炎小鼠軟骨變性[18]。激活α7nAChR則緩解了結腸炎小鼠的結腸組織損傷[19]、LPS誘導的大鼠回腸損傷[20]以及敗血癥導致的和LPS誘導的小鼠肺臟損傷[21-22]，但是加劇了關節炎小鼠關節腫脹[23]。以上結果說明，α7nAChR參與了動物炎癥反應的調控，且對不同組織器官炎癥的調控存在差異。

細胞因子是炎癥反應的主要介質，TNF-α、白細胞介素(interleukin，IL)-1等是重要的炎性細胞因子，能調控其他炎癥介質的產生。研究發現，α7nAChR敲除提高了小鼠血清中IL-1β含量[24]以及結腸炎小鼠血清中IL-1β、IL-6和TNF-α含量[15]。抑制α7nAChR活化提高了肺臟損傷兔肺臟組織中TNF-α和IL-6含量[25]以及右美托嘧啶處理的急性肝臟損傷[17]和急性胰腺炎[16]大鼠血清中TNF-α和IL-6含量，但降低了LPS誘導的小鼠骨髓來源的單核/巨噬細胞中TNF-α和IL-10含量[26]。激活α7nAChR則降低了結腸炎小鼠結腸組織中IL-6和干擾素-γ(interferon-γ，IFN-γ)含量[19]，燒傷小鼠血清中IL-6含量[27]，肺臟損傷大鼠肺臟中TNF-α、IL-1β和IL-6含量[28]，以及LPS誘導的小鼠血清[29]、星形膠質細胞[30]和單核巨噬細胞[31]中TNF-α和IL-6含量。以上結果表明，α7nAChR能介導調控炎性細胞因子的產生進而調節炎癥反應。

細胞因子的產生受到基因和蛋白質水平的調控。α7nAChR介導的細胞因子含量變化可能與其參與調控細胞因子基因表達、蛋白質合成有關。研究發現，α7nAChR敲除提高了腎炎小鼠腎臟[14]和心肌梗塞小鼠脾臟[32]TNF-α、IL-1β和IL-6等細胞因子基因表達。抑制α7nAChR活化提高了右美托嘧啶處理的急性肝損傷大鼠肝臟組織TNF-α和IL-6的基因表達[17]。激活α7nAChR則降低了燒傷小鼠脛前肌中IL-1β和IL-6基因表達[27]，以及LPS誘導的小鼠海馬體、前額皮質區[33]和單核巨噬細胞J774[34]中TNF-α和IL-1β基因表達。這說明α7nAChR能介導調控細胞因子基因表達。此外，激活α7nAChR降低了LPS誘導的小鼠星形膠質細胞[30]和單核巨噬細胞J774[34]中TNF-α蛋白表達以及LPS誘導的大鼠神經元-小神經膠質細胞共培養中TNF-α和IL-1β蛋白表達[35]，說明α7nAChR能介導調控細胞因子蛋白質合成。以上結果說明，α7nAChR介導的抗炎作用可能通過調控細胞因子的基因表達、蛋白質合成來實現。

2.2 α7nAChR介導的抗炎作用機制

經典的α7nAChR活化產生的胞內效應由離子通道介導，在一些非神經細胞中，如T細胞中，α7nAChR活化能提高胞內鈣離子(Ca2+)濃度[36]。在神經元和非神經元細胞中，α7nAChR活化還能通過活化雙面神激酶2(Janus kinase 2，JAK2)和磷酸肌醇3激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)引起絲氨酸/蘇氨酸激酶(Akt)磷酸化[37]。研究表明，α7nAChR介導的抗炎作用可能主要通過核轉錄因子-κB(nuclear factor-kappa B，NF-κB)信號途徑與JAK2-信號傳導與轉錄激活子3(signal transducer and activator of transcription 3，STAT3)信號途徑實現。

2.2.1 NF-κB信號途徑

NF-κB信號途徑在調控炎癥反應中發揮重要作用，參與調節多種細胞因子的表達[3]。研究發現，激活α7nAChR降低了LPS誘導的心肌損傷小鼠心肌組織中NF-κB/p65的表達[38]，燒傷小鼠肌肉[27]和子癇前期病人單核細胞中NF-κB活性[39]，LPS誘導的小鼠單核巨噬細胞中NF-κB/p65磷酸化[31,34]，LPS誘導的小鼠星形膠質細胞中NF-κB核轉位及其活性[30]，以及小鼠炎性脂肪細胞中NF-κB/p60和p65的轉錄活性[40]。抑制α7nAChR活化則增加了LPS誘導的心肌損傷小鼠心肌組織[38]和慢性阻塞性肺病大鼠肺臟組織中NF-κB表達[41]，心搏停止大鼠大腦皮質和海馬體中NF-κB磷酸化水平[42]，右美托嘧啶處理的急性肝損傷大鼠肝臟組織中NF-κB/p65磷酸化[17]，以及LPS誘導的人支氣管上皮細胞中NF-κB/p65的表達和轉錄活性[43]。這說明α7nAChR介導的抗炎作用與NF-κB密切相關。靜息狀態下，NF-κB通常以p50-p65異二聚體的形式與NF-κB抑制蛋白(inhibitor nuclear factor-kappa B，IκB)結合而呈非活化狀態；當IκB被IκB激酶(IκB kinase，IKK)磷酸化進而泛素化被降解后，p65和/或者p50亞基進入細胞核調控相關基因表達。同時，NF-κB受到上游信號分子Toll樣受體4(Toll-like receptor 4，TLR4)和髓樣分化蛋白88(myeloid differential protein 88，MyD88)的調控。研究發現，激活α7nAChR抑制了LPS誘導的小鼠單核巨噬細胞和星形膠質細胞中IκB磷酸化[30-31]，并抑制了LPS誘導的小鼠單核巨噬細胞中IKKα/β磷酸化[31]以及心肺分流術導致的大鼠海馬區TLR4和MyD88基因和蛋白表達[44]。抑制α7nAChR活化提高了LPS誘導的人支氣管上皮細胞[43]和右美托嘧啶處理的急性肝損傷大鼠肝臟組織[17]中IκB的磷酸化。以上結果說明，α7nAChR活化后能抑制IκB的降解，進而抑制NF-κB核轉位，最終抑制炎性細胞因子表達，緩解炎癥反應。

2.2.2 JAK2-STAT3信號途徑

JAK2-STAT3信號途徑在調控細胞因子表達、炎癥反應中發揮重要作用[45]。α7nAChR介導的抗炎作用可能與JAK2-STAT3信號途徑密切相關。研究發現，激活α7nAChR活化提高了LPS活化的小鼠巨噬細胞中STAT3磷酸化，且不能降低STAT3活性缺失小鼠巨噬細胞中TNF-α表達[45]；提高了小鼠炎性脂肪細胞中STAT3S727磷酸化[40]；但降低了燒傷小鼠肌肉[27]和小鼠單核巨噬細胞[34]中STAT3磷酸化以及小鼠炎性脂肪細胞中STAT3Y705磷酸化[40]。抑制α7nAChR則阻止了尼古丁誘導的小鼠巨噬細胞和人冠狀動脈內皮細胞中STAT3磷酸化[45-46]。STAT3能被胞質中JAK2激活。進一步研究表明，抑制α7nAChR提高了慢性阻塞性肺病大鼠肺臟組織中JAK2表達[41]，而抑制JAK2磷酸化后抑制了α7nAChR活化誘導的小鼠巨噬細胞中STAT3磷酸化[45]。以上研究結果表明，α7nAChR活化能通過JAK2-STAT3信號途徑發揮抗炎作用，但在不同組織器官炎癥或損傷模式下的作用方式存在差異。

2.2.3 其他途徑

除了NF-κB和JAK/STAT3途徑外，α7nAChR介導的抗炎作用還可能與其他信號通路有關，如胞外信號調節激酶(ERK)、p38絲裂原活化蛋白激酶(p38 MAPK)、環磷酸腺苷(cAMP)與蛋白激酶A(PKA)等。研究發現，激活α7nAChR活化抑制了LPS誘導的小鼠腹膜巨噬細胞中ERK、JNK與p38 MAPK磷酸化[21]。此外，前列腺素E2(prostaglandin E2，PGE2)能提高cAMP含量與PKA活性。研究表明，激活α7nAChR活化提高了LPS活化的人單核細胞中PEG2含量，而抑制α7nAChR則降低了PEG2含量，說明α7nAChR活化后可能通過調節內源PGE2的產生來發揮抗炎作用[47]。

3 營養物質通過α7nAChR對炎癥反應的調控作用

越來越多的研究發現，多種營養素，包括精氨酸(Arg)、ω-3脂肪酸、維生素D3、膽堿等能夠提高動物免疫功能。研究表明，一些營養物質可以通過激活迷走神經緩解動物炎癥，調節動物免疫功能。Niijima等[48]報道，靜脈注射Arg與賴氨酸(Lys)提高了大鼠胸腺迷走傳出神經活性和胸腺T細胞釋放，而對肝臟迷走神經切除大鼠沒有影響，說明Arg與Lys可以通過迷走神經調節大鼠免疫功能。另外，高脂飼糧能降低出血性休克大鼠血液中TNF-α與IL-6含量，而化學阻滯迷走傳入神經或切斷迷走神經抑制了這一作用[49-50]，說明高脂飼糧能通過迷走神經調節動物炎癥。

進一步研究發現，營養物質能通過α7nAChR調節動物炎癥反應。高脂飼糧降低了LPS誘導的小鼠肺泡巨噬細胞和肺間質巨噬細胞[51]以及母鼠后代肝臟[52]中α7nAChR蛋白表達，但提高了大鼠下丘腦外側和腹中側α7nAChR與配體的結合[53]；抑制和激活α7nAChR則分別抑制了高脂飼糧降低出血性休克大鼠血液中TNF-α與IL-6含量的作用[50]和高脂誘導的小鼠肝細胞中TNF-α與IL-6基因表達[52]。膽堿是一個內源性α7nAChR激動劑[54]。研究發現，飼糧膽堿緩解了腦損傷導致的大鼠大腦海馬體等區域α7nAChR活性下降及腦部炎癥[55]，但降低了LPS誘導的大鼠胎盤α7nAChR蛋白表達[56]；注射膽堿則上調了LPS處理的小鼠海馬區α7nAChR表達及活性[57]，且不能降低α7nAChR敲除小鼠血清中TNF-α含量[58]，說明膽堿能通過活化α7nAChR調控動物炎癥反應。此外，Arg提高了大鼠前額皮質和海馬體α7nAChR蛋白表達[59]；維生素D3降低了糖尿病大鼠大腦皮層[60]和小腦[61]α7nAChR基因表達；而蛋氨酸-膽堿缺乏誘導了α7nAChR敲除小鼠肝臟中TNF基因表達[62]。以上結果說明，飼糧脂肪水平、膽堿、維生素D3等營養因素可能通過α7nAChR調控動物炎癥。

腸內信號可以通過活化位于迷走傳入神經纖維的化學感受器激活迷走神經[63]。膽囊收縮素1受體(CCK-1R)則是位于迷走傳入神經纖維上的化學感受器之一[64]。在大鼠上的研究表明，抑制CCK-1R表達能抑制高脂飼糧降低出血性休克大鼠血液中TNF-α與IL-6含量的作用，而抑制α7nAChR表達也有同樣的作用，說明高脂飼糧可能通過活化迷走傳入神經上的CCK-1R，刺激迷走神經，活化α7nAChR調節動物炎癥[49-50]。這一結果說明，腸內營養可能通過激活迷走傳入神經，進而活化α7nAChR調控動物炎癥反應。

4 小結與展望

α7nAChR廣泛存在于神經細胞與多種免疫細胞中，其活化后可以通過阻止IκB降解和p65核轉位、調控NF-κB轉錄活性進而調控細胞因子的產生，緩解炎癥；同時還可以通過JAK2-STAT3信號途徑調控細胞因子表達，產生抗炎作用。近年來，α7nAChR介導的抗炎作用越來越受到研究者的關注，并被廣泛用于治療人類多種炎性疾病。但對于α7nAChR介導的抗炎作用在動物上研究較少，且其活化后胞內信號傳遞機制，尤其是不同信號通路之間的相互作用研究較少，有待進一步研究。此外，α7nAChR在營養物質調控炎癥反應中的作用研究非常少，有必要開展相關研究，為動物抗病營養研究提供新的支撐。