核轉錄因子κB與免疫調節和免疫耐受

王童 聶漢祥

武漢大學人民醫院呼吸與危重癥學科430000

免疫調節和免疫耐受在預防自身免疫性疾病中發揮著重要的作用。免疫耐受按其形成時期不同,可以分為中樞耐受和外周耐受。中樞耐受是指在胚胎期及出生后,T、B細胞在發育過程中接觸自身抗原經歷陰性選擇而形成的耐受。外周耐受是指成熟的T、B 細胞接觸內源性或外源性抗原時,不產生免疫應答,而顯示免疫耐受。核轉錄因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)在免疫調節和免疫耐受形成過程中發揮著重要的作用。NF-κB 是一個二聚體轉錄因子家族,在哺乳動物中包括p50 (又稱NF-κB-1,由前體蛋白p105產生)、p52 (又稱NF-κB-2,由前體蛋白p100產生)、Rel A (又稱p65)、RelB和c-Rel[1]。這些NF-κB 家族成員結構上都有類似的地方,它們的N 端都具有一個由300個氨基酸組成的Rel同源區,該區域包括二聚化區域、DNA結合區、核定位信號序列和核因子κB抑制劑 (inhibitor of nuclear factor-κB,IκB)結合位點。p65、RelB 和c-Rel的C端含有轉錄激活域,能直接作用于轉錄元件而激活轉錄過程。前體蛋白p105和p100經過泛素/蛋白酶體途徑處理后,它們包含錨蛋白重復序列的C 末端區域被選擇性地降解,從而產生成熟的NF-κB 亞基,如p50 和p52。NF-κB的內源性抑制因子是IκB家族,這個蛋白家族有7個成員,包括IκBα、IκBβ、IκBε、IκBγ、Bcl-3、p105 和p100。IκB激酶 (IκB kinase,IKK)由一個大的蛋白激酶復合體組成,包括3個亞單位,即具有催化活性的IKKα (IKK1)、IKKβ(IKK2)和一個具有調節功能的IKKγ (NEMO)。

1 NF-κB信號轉導通路

NF-κB激活通過2個主要的信號通路發生,即經典和非經典NF-κB信號通路。經典途徑介導p50、Rel A 和c-Rel(也被稱為經典NF-κB 家族成員)的激活,而非經典途徑選擇性激活p52和RelB (也稱為非經典NF-κB家族成員)。細胞在靜息狀態下NF-κB二聚體通常與IκB家族成員結合,以非活性形式存在于細胞質中[2]。經典NF-κB途徑主要在促炎刺激中被激活,在受到這些因素的刺激后,細胞內信號級聯的第一步是轉化生長因子β激活激酶1 (TAK1,也稱為MAP3K7)的激活,活化的TAK1 進而激活三聚體IKK 復合物,隨后IKK 復合物磷酸化IκBα或其他IκB家族成員,磷酸化的IκB家族成員經歷泛素化和蛋白酶體降解,導致經典NF-κB家族成員的核定位信號序列暴露,并移位到細胞核。這些成員以各種二聚體復合物 (如Rel A-p50、c-Rel-p50和p50-p50)的形式與特定的DNA 元件結合,作為靶基因的κB 增強子啟動靶基因轉錄與表達[3]。非經典NF-κB途徑可以通過激活腫瘤壞死因子受體 (tumor necrosis factor receptor,TNFR)超家族成員而被激活,這個家族成員包括淋巴毒素β受體 (lymphotoxinβreceptor,LTβR)、屬于腫瘤壞死因子家族受體的B 細胞激活因子、CD40和NF-κB 受體激活劑 (receptor activator of nuclear factor kappa-B,RANK)。在正常條件下,非經典NF-κB途徑中最重要的激酶NF-κB 誘導激酶 (NF-κB inducing kinase,NIK)通過與由TNFR 相關因子2、3和細胞凋亡抑制蛋白1/2組成的多亞基泛素連接酶復合物的分子相互作用而持續降解[4]。當非經典NF-κB途徑被TNFR 超家族成員激活,泛素連接酶復合物被降解,釋放出功能穩定的NIK,允許IKKα同源二聚體的磷酸化,IKKα的激活導致p100的磷酸化,p100隨后被泛素化并不完全降解為p52。最后形成主要由RelB和p52組成的異源二聚體,并移位到細胞核以激活基因轉錄。此外,TNFR 超家族成員也能激活經典途徑,并且2 條途徑之間存在相互作用。經典NF-κB途徑的激活會抑制免疫細胞中的非經典途徑[5],同樣地,非經典途徑對經典途徑也會有類似的限制作用[6]。

2 經典NF-κB途徑

T 細胞介導的適應性免疫應答在機體對抗外來病原體入侵時發揮著關鍵性的作用,經典NF-κB途徑在感染期間T 細胞的激活、擴增和效應功能中發揮重要作用。胸腺中產生的原始CD4+T 細胞在接觸不同的病原體時,能夠分化為不同的T 細胞亞群,包括1 型輔助性T 細胞 (T helper 1 cell,Th1)、Th2、Th17、Th9、Th22、濾泡輔助性T 細胞和調節性T 細胞 (regulatory T cells,Treg)。不同T 細胞亞群的發育依賴于特定的轉錄因子,如Th1依賴T-bet,Th2 依賴 GATA3,Treg 依賴Foxp3[7]。經典NF-κB通路在不同輔助性T 細胞亞群的發育和功能分化過程中發揮重要的調節作用[8]。T 細胞中表達非降解型IκB的轉基因小鼠由于經典NF-κB途徑受阻,導致Th1型反應顯著受損。此外,c-Rel基因缺陷的小鼠表現出Th1細胞介導的免疫反應缺陷和T 細胞產生干擾素-γ的減少[9]。Th2細胞的發育是由IL-4刺激啟動的,GATA3有助于IL-4基因的表達,而NF-κB信號對于GATA3基因的表達是必不可少[10]。p50缺陷小鼠的CD4+T 細胞在體內外Th2細胞分化條件下均不能表達GATA3,因此p50缺陷小鼠的Th2細胞發育受損,由此導致過敏性氣道炎癥反應缺陷。

此外,經典NF-κB途徑也與免疫耐受相關。Treg是免疫應答的主要負性調節細胞,參與機體免疫耐受。NF-κB亞基c-Rel與Foxp3位點非編碼序列CNS3結合,在胸腺和外周Foxp3的表達和Treg細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細胞的百分比和絕對數顯著減少[12]。導致NF-κB激活的上游信號轉導分子的缺失會顯著減少胸腺中Treg細胞的數量。Treg細胞中p65的條件缺失導致了全身性自身免疫綜合征,c-Rel的缺失會進一步加劇這種癥狀。

3 非經典NF-κB途徑

非經典NF-κB途徑在維持免疫耐受中發揮重要作用。在中樞耐受中,非經典NF-κB途徑通過參與T 細胞陰性選擇發揮作用。自身反應性T 細胞在胸腺內接觸自身抗原,經歷陰性選擇而被消除。自身抗原的呈遞主要靠2種抗原提呈細胞,即造血系統來源的樹突狀細胞和基質來源的胸腺髓質上皮細胞 (medullary thymic epithelial cells,m TEC)[13]。然而在甲狀腺和胰島等器官中表達的自身組織特異性抗原可能導致T 細胞陰性選擇不能完全接觸到機體所有的自身抗原。胸腺基質細胞中存在著自身免疫調節基因 (autoimmune regulator,AIRE),可以促使這些組織特異性抗原在胸腺上皮細胞中表達[14]。TNFR 超家族成員介導的非經典NF-κB 途徑可以維持m TEC 的正常功能和AIRE表達,從而維持中樞免疫耐受[2]。淋巴毒素β與其受體相互作用導致胸腺基質細胞中非經典NF-κB 途徑的激活,有助于AIRE-m TEC的產生[15];當AIRE-m TEC形成后,RANK-RANKL誘導的信號轉導在小鼠胚胎期和出生后有助于AIRE在m TEC 上的表達[16];而CD40-CD40L誘導的信號轉導可能對小鼠出生后m TEC 的功能更為重要[6]。在淋巴瘤小鼠中,NIK 基因突變導致IKKα不能激活,非經典NF-κB途徑受阻,這些小鼠表現出一種紊亂的胸腺結構,并且m TEC 和AIRE+細胞數量減少[6],這些都表明非經典NF-κB 途徑在中樞免疫耐受中發揮重要作用。此外,研究表明經典NF-κB途徑對m TEC的發育也起著調節作用,Rel A 通過調節RelB 的表達調控分化的m TEC數量,但Rel A 的缺失只影響m TEC 的數量,而m TEC的功能似乎沒有受損[17]。

在外周耐受中,非經典NF-κB途徑有助于次級淋巴器官的發育[18],次級淋巴器官不僅對啟動獲得性免疫反應非常重要,而且對外周耐受的調節也很重要。在外周樹突狀細胞中,非經典NF-κB信號通路通過介導吲哚胺2，3-雙加氧酶的誘導參與免疫耐受的調節,這種誘導依賴于NIK[19]。吲哚胺2，3-雙加氧酶是催化人體必需氨基酸色氨酸經過犬尿氨酸途徑代謝的關鍵限速酶,可以抑制T 細胞的增殖和分化,并誘導Treg細胞激活[20],這表明樹突狀細胞中非經典NF-κB通路的激活可能誘導樹突狀細胞的免疫調節程序。

CD4+Foxp3+Treg是免疫應答的重要調節細胞,非經典NF-κB途徑對Treg細胞的數量和抑制功能有著重要的調節作用。NF-κB-2限制Treg細胞的外周增殖,敲除小鼠T 細胞中的NF-κB-2導致脾臟和外周淋巴結中Treg細胞的百分比顯著增加。另一方面,NF-κB-2可以維持Treg細胞的抑制能力。在缺乏NF-κB-2 的Treg 細胞中,CTLA4 m RNA 下調,導致Treg 細胞抑制功能的喪失[21]。此外,另一個非經典NF-κB家族成員Rel-B也可以抑制Treg細胞的發育和增殖,但Rel-B 不會改變Treg 細胞的抑制功能[22]。

盡管非經典NF-κB途徑主要與免疫耐受相關,但其也參與了免疫調節。非經典NF-κB途徑在體液免疫中發揮重要作用。外周淋巴組織中B細胞的存活、成熟和動態平衡需要非經典NF-κB途徑,并且非經典NF-κB途徑還參與生發中心的形成和維持以及免疫球蛋白類別的轉換。在細胞免疫中,幼稚T 細胞的初始激活依賴經典NF-κB途徑,T細胞激活之后導致TNFR 的誘導,從而介導了非經典NF-κB途徑的激活,非經典NF-κB 途徑激活后可以調節效應T 細胞的擴張和存活以及效應細胞因子的產生[3]。

4 NF-κB途徑與相關疾病

NF-κB幾乎在人體所有細胞的細胞質中普遍表達,并且參與機體的免疫調節和耐受,因而許多疾病的發生都與NF-κB的調節失衡有關。肺癌是世界范圍內最常見的惡性腫瘤之一,腫瘤免疫逃逸是腫瘤細胞發生發展的重要原因,腫瘤誘導的樹突狀細胞耐受在腫瘤免疫逃逸中起重要作用。作為特異性抗原提呈細胞,樹突狀細胞是啟動適應性免疫反應的關鍵,然而它們的抗原識別、處理和提呈功能在癌癥的發展過程中通常被破壞或阻斷[23]。在腫瘤誘導的樹突狀細胞分化過程中,經典NF-κB途徑被持續干擾并維持在低水平,NF-κB途徑的大部分免疫相關靶基因表達下調,包括細胞因子、趨化因子、免疫受體和幾種轉錄因子,從而導致樹突狀細胞的功能缺陷。與此相反的是,非經典NF-κB信號持續激活,并誘導樹突狀細胞耐受。經典途徑的抑制和非經典途徑的激活共同作用有利于在肺部形成免疫抑制微環境,促進了腫瘤免疫逃逸[24-25]。

氣道炎癥是COPD 和哮喘的主要特征之一,NF-κB 在哮喘和COPD 的氣道炎癥中起核心作用。哮喘患者氣道組織中NF-κB 核定位或DNA 結合、IκB 磷酸化或降解以及IKK-β表達的增加證明了NF-κB信號的存在。與哮喘一樣,在COPD 患者的支氣管活檢和炎性細胞中觀察到較高水平的活化NF-κB[26]。暴露于香煙煙霧增加了肺部的氧化應激和炎癥,導致COPD 的發病,通過調節經典NF-κB信號通路可以減輕吸煙者的氧化應激和氣道炎癥,從而抑制香煙煙霧誘導的COPD[27]。哮喘和COPD 患者體內NF-κB的激活主要是對IL-1 和腫瘤壞死因子 (tumor necrosis factor,TNF)等炎癥介質的反應,或者是與細菌或病毒加重期間Toll樣受體的激活有關。NF-κB 通過調節細胞因子、趨化因子和細胞黏附分子的表達在氣道炎癥中發揮重要作用。糖皮質激素是哮喘的主要治療藥物,其通過抑制經典NF-κB途徑誘導的基因轉錄發揮抗炎作用。

5 NF-κB途徑與疾病治療

由于炎癥中的多條信號轉導途徑匯聚在NF-κB/IκBα復合體上,針對NF-κB信號通路的各種策略已被考慮用于哮喘和COPD 的治療。IKK 在NF-κB信號轉導中是必不可少的,因此抑制其活性是治療哮喘和COPD 的一種很有前景的方法。在人支氣管上皮細胞中,IKK 抑制劑S-1145和ML120B降低了IL-1和TNF 對NF-κB 依賴的細胞間黏附分子11的轉錄和表達。NF-κB抑制劑脫羥甲基氧奎諾霉素被證明在體外可以抑制支氣管上皮細胞產生嗜酸粒細胞趨化因子,在體內可以抑制嗜酸性氣道炎癥,包括Th2細胞因子的產生和隨后的氣道壁重塑[26]。在膠原誘導的關節炎小鼠模型中,抑制樹突狀細胞中的NF-κB信號可以減輕膠原誘導的關節炎的發展程度,顯示出治療效果[28]。1型糖尿病患者體內存在Treg 激活缺陷,表現為靜息Treg(CD4+CD25+Foxp3+CD45RA)增加和激活Treg (CD4+CD25+Foxp3+CD45RO)減少。TNFR2 是一種發現于T細胞表面的信號分子,可通過NF-κB途徑促進這些T 細胞增殖。在1 型糖尿病患者中,TNFR2 激動劑可以刺激Treg從靜息狀態轉化為激活狀態,TNFR2激動劑處理的1型糖尿病Treg 顯示出抑制自體細胞毒性T 細胞的作用,從而對1型糖尿病患者產生治療效果[29]。

目前臨床上使用的各種常用抗炎藥都可以調節NF-κB途徑,包括糖皮質激素、非甾體抗炎藥、抗風濕病藥物和某些免疫抑制劑。這些藥物作用于NF-κB信號通路的不同階段,雖然沒有顯示出NF-κB的特異性,但它們的免疫調節特性至少部分歸因于對NF-κB信號通路的抑制[30]。例如非甾體抗炎藥柳氮磺胺吡啶可以用于治療類風濕性關節炎和炎癥性腸病等自身免疫性疾病,其療效已被證明部分依賴于抑制NF-κB途徑。柳氮磺吡啶可以干擾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,從而發揮抗炎作用[30]。糖皮質激素可以通過抑制DNA 結合活性、IKK 活性和反式激活來抑制NF-κB信號通路,從而抑制同種異體移植排斥反應[31]。針對NF-κB信號通路的特異性抑制劑的開發是最近研究的方向,這些抑制劑可以通過分別靶向IKK 復合體、IκB蛋白、泛素-蛋白酶體系統或NF-κB與DNA 的結合等來抑制NF-κB 信號通路。然而NF-κB參與了許多動態平衡和發育途徑,以及與病原體清除有關的有益炎癥。全身性地阻斷NF-κB信號通路會產生一些治療之外的不良反應,因此必須在抑制不必要的炎癥反應的同時保證不干擾正常細胞功能,以組織或細胞特異性方式靶向NF-κB信號的潛在藥物可能會顯示出更佳的治療效果并降低全身毒性。

6 結語和展望

免疫調節和免疫耐受是預防自身免疫性疾病發展的關鍵,NF-κB在免疫調節和維持免疫耐受中發揮著重要的作用。經典NF-κB途徑參與了CD4+T 細胞向不同亞群發育和分化的調節,而非經典NF-κB途徑則在維持中樞和外周耐受中發揮作用。NF-κB 通路失衡與多種疾病密切相關,因此基于NF-κB信號通路的特異性藥物在治療方面顯示出巨大的潛力,深入了解NF-κB在免疫調節和免疫耐受中的作用將有利于優化對疾病的治療。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突