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轉(zhuǎn)化生長因子β1與支氣管哮喘的研究進(jìn)展*

2015-02-01 11:06常琴田新瑞
中國醫(yī)學(xué)創(chuàng)新 2015年30期
關(guān)鍵詞:磷酸化重構(gòu)氣道

常琴田新瑞

轉(zhuǎn)化生長因子β1與支氣管哮喘的研究進(jìn)展*

常琴①田新瑞①

支氣管哮喘是一種慢性氣道炎癥,其主要病理改變包括氣道炎癥、平滑肌功能紊亂和氣道重構(gòu)。轉(zhuǎn)化生長因子β1(TGF-β1)作為一種多效細(xì)胞因子,通過多種途徑參與哮喘氣道炎癥反應(yīng)和氣道重構(gòu)。本文就TGF-β1在哮喘氣道炎癥及氣道重構(gòu)中的作用及可能機制作一綜述。

轉(zhuǎn)化生長因子β1; 哮喘; 氣道炎癥; 氣道重構(gòu)

支氣管哮喘簡稱哮喘,屬于慢性氣道炎癥病變,涉及多種類細(xì)胞(如嗜酸性粒細(xì)胞、肥大細(xì)胞、T淋巴細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、氣道上皮細(xì)胞等)和細(xì)胞因子。主要特征改變包括氣道慢性炎癥、氣道高反應(yīng)性(AHR)、可逆性氣流受限及氣道結(jié)構(gòu)的改變,即氣道重構(gòu)。氣道重構(gòu)是氣道反復(fù)損傷和修復(fù)的結(jié)果[1],其病理改變主要為上皮細(xì)胞損傷脫落,氣道平滑肌增生、肥大,肌成纖維細(xì)胞增生及腺上皮化生等[2]。TGF-β1因其特有的促炎、抗炎及促纖維化作用,在哮喘發(fā)病中具有中心地位[3]。

1 TGF-β家族及其受體

TGF-β家族含有30余種蛋白成分,包括TGF-βs(TGF-β1、2、3)、骨形成蛋白、激活素、抑制素和其他結(jié)構(gòu)相關(guān)因子,廣泛存在于動物正常組織細(xì)胞及轉(zhuǎn)化細(xì)胞中,以骨組織和血小板中最為豐富[4]。

T GF-βs主要存在于哺乳動物中[5]。其受體分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種:I型受體又稱為激活素受體樣激酶(ALKs),有7種亞型(ALK1-7),且不同亞型參與不同的信號轉(zhuǎn)導(dǎo):ALK1、2、4、5、7主要轉(zhuǎn)導(dǎo)TGF-β信號(ALK5為著);ALK3、6主要轉(zhuǎn)導(dǎo)BMP信號。Ⅱ型受體是一種結(jié)構(gòu)型絲/蘇氨酸激酶,有TβR-Ⅱ、ActR-Ⅱ、ActR-ⅡB、BMPR-Ⅱ和AMHRA五種亞型,通過結(jié)合不同的家族成員介導(dǎo)不同的信號通路[6],主要通過跨膜的TGF-βI型受體(TβRI)和Ⅱ型受體(TβRⅡ)發(fā)揮作用[7]。

2 TGF-β1的結(jié)構(gòu)特點及生物學(xué)作用

TGF-β1在進(jìn)化中被高度保留,小鼠與人的TGF-β1中氨基酸序列相似度高達(dá)99%,而豬、牛、猴、雞的相應(yīng)序列與人類完全相同[4]。TGF-β1是一種由二硫鍵連接的堿性蛋白,基因位于人染色體19q3[8],該基因C端有5個明顯的基因調(diào)控區(qū):一個類增強子活性區(qū),兩個負(fù)調(diào)控區(qū)和兩個啟動子區(qū)。

TGF-β1具有多重生物效應(yīng),包括參與細(xì)胞增殖與分化、免疫功能抑制及細(xì)胞外基質(zhì)形成、分泌,特別是在誘導(dǎo)上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)中起關(guān)鍵作用。

3 TGF-β1發(fā)揮作用的通路

TGF-β1主要通過三條途徑發(fā)揮作用:Smad通路、非Smad通路和Wnt/β-catenin通路。

3.1 Smad通路 Sekelsky等[9]在果蠅中發(fā)現(xiàn)惡性疾病相關(guān)性DNA結(jié)合蛋白MAD參與TGF-β的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。目前在脊椎動物中共發(fā)現(xiàn)9種Smad蛋白,根據(jù)其功能可分為三類:一類是受體活化型,包括Smad1、2、3、5、8;第二類是通用調(diào)節(jié)型,Smad4;第三類為抑制型,包括Smad6、7。

TGF-β1與TβRI和TβRⅡ結(jié)合,形成異聚體復(fù)合物發(fā)揮作用。過程如下:TGF-β1首先與TβRⅡ結(jié)合,再激活募集TβRI形成受體復(fù)合物[10]。TβRⅡ

自身磷酸化,進(jìn)而磷酸化TβRI的甘氨酸-絲氨酸富集區(qū)域(GS序列),同時活化TβRI的絲氨酸/蘇氨酸活性[10]?;罨腡βRI又磷酸化相關(guān)Smad蛋白。Smads蛋白是參與TGF-β1信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的主要因子,通過與細(xì)胞核內(nèi)DNA分子結(jié)合發(fā)揮轉(zhuǎn)錄因子功能,激活的TGF-β1將信號放大,隨之激活細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)介質(zhì)Smad2、3,磷酸化的 Smad2、3與 Smad4結(jié)合形成復(fù)合體,轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核內(nèi)[11],與EMT等相關(guān)基因啟動區(qū)的Smad4結(jié)合原件結(jié)合,調(diào)控EMT等相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá),進(jìn)而調(diào)節(jié)器官、組織纖維化過程。TGF-β1通過抑制型Smad發(fā)揮負(fù)性調(diào)節(jié)作用[12]。刺激后,Smad 7轉(zhuǎn)移至胞漿,與胞漿內(nèi)Smurf 2形成復(fù)合體,抑制R-Smads磷酸化,從而抑制TGF-β1通路的作用。

3.2 MAPK通路 MAPK通路可將細(xì)胞外信號轉(zhuǎn)導(dǎo)至細(xì)胞及細(xì)胞核內(nèi),導(dǎo)致細(xì)胞增殖、分化、轉(zhuǎn)化及凋亡等。TGF-β1激活促分裂原活化蛋白激酶(MAPK),主要包括細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(ERK)、c-Jun氨基末端激酶(JNK)和P38分裂原活化的蛋白激酶通路[13]。ERKs通過磷酸化胞漿蛋白及核內(nèi)的轉(zhuǎn)錄因子如c-Jun、EIK-1、c-myc和ATF2等,調(diào)控細(xì)胞增殖、分化;磷酸化ERKs上游蛋白(NGF受體、Raf-1、MEK等),對該通路進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)節(jié)。

研究發(fā)現(xiàn),P38激活后,由胞質(zhì)轉(zhuǎn)至細(xì)胞核內(nèi),通過級聯(lián)反應(yīng)活化其下游轉(zhuǎn)錄因子,從而介導(dǎo)靶細(xì)胞分化、增殖、合成、分泌細(xì)胞外基質(zhì),誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡及炎性反應(yīng)等[14-15]。

3.3 Wnt通路 Wnt通路在胚胎發(fā)育、腫瘤發(fā)生和器官纖維化等重要生理及病理過程中發(fā)揮重要作用。Wnt信號通路未活化時,Gsk-3β在β-catenin的絲氨酸/蘇氨酸殘基添加磷酸基團(tuán),將β-catenin磷酸化,隨之與β-TRCP蛋白結(jié)合,受泛素化的共價修飾,被蛋白酶降解。該通路激活后,Wnt與卷曲蛋白(Frz)結(jié)合,作用于細(xì)胞質(zhì)中的蓬亂蛋白(Dsh),阻斷β-catenin的降解,β-catenin在胞質(zhì)及核中積聚,進(jìn)而調(diào)控靶基因表達(dá)[16]。

4 TGF-β1在哮喘發(fā)病中的作用

哮喘是一種慢性氣道炎癥[17],其病理過程主要包括氣道炎癥,AHR及氣道重構(gòu)[18],是多種細(xì)胞和細(xì)胞因子共同參與、相互作用的結(jié)果。氣道慢性炎癥作為哮喘的基本特征,存在于所有的哮喘患者中,表現(xiàn)為炎癥細(xì)胞浸潤及氣道分泌物增加等[18]。若哮喘長期反復(fù)發(fā)作,可見支氣管平滑肌肥大、增生、氣道上皮細(xì)胞黏液化生、上皮下膠原沉積和纖維化、基底膜增厚等氣道重構(gòu)的表現(xiàn)。

在哮喘炎癥反應(yīng)中,TGF-β1作為多種炎癥細(xì)胞的強趨化因子和激活因子發(fā)揮作用。對哮喘患者支氣管肺泡灌洗液(BALF)的研究發(fā)現(xiàn),TGF-β1可促進(jìn)炎癥細(xì)胞水平的增加[19-21]。應(yīng)原進(jìn)入體內(nèi)后,巨噬細(xì)胞濃度增加,誘發(fā)TGF-β1增加,誘導(dǎo)輔助性Th 17細(xì)胞擴(kuò)大炎癥反應(yīng)[22-24]?;罨木奘杉?xì)胞和氣道上皮細(xì)胞釋放IL-18,可促進(jìn)哮喘炎癥反應(yīng)的發(fā)生[25]。另一方面,TGF-β1可抑制多種炎性細(xì)胞的功能,通過負(fù)性調(diào)節(jié)作用降低AHR及氣道炎癥[26];同時抑制Th2細(xì)胞及IL-4、IL-5 等細(xì)胞因子的釋放[23],在哮喘氣道炎癥中發(fā)揮作用。此外,TGF-β1作為一種有效的抗炎因子,其化學(xué)吸附能力可引起巨噬細(xì)胞和粒細(xì)胞在局部炎癥反應(yīng)中聚集[23],還可以促進(jìn)Th17和FoxP3調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的增殖、分化,從而誘導(dǎo)IL-9產(chǎn)生Th細(xì)胞[27-29],發(fā)揮免疫應(yīng)答反應(yīng)。

Simon等[18]利用OVA致敏Balb/c小鼠,建立小鼠慢性氣道炎癥模型,9周后收集BALF進(jìn)行細(xì)胞計數(shù),發(fā)現(xiàn)OVA致敏組小鼠BALF中嗜酸性粒細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、巨噬細(xì)胞較正常對照組均明顯增加;對肺組織進(jìn)行免疫組化AB-PAS染色發(fā)現(xiàn),OVA致敏組小鼠肺組織TGF高表達(dá),與正常對照組比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。表明TGF-β1在氣道慢性炎癥反應(yīng)中發(fā)揮作用。

哮喘患者氣道中TGF-β1水平顯著高于正常個體[30]。TGF-β1具有強烈的促纖維化作用,能刺激氣道平滑肌細(xì)胞增生,在氣道重構(gòu)中發(fā)揮作用[31]。實驗發(fā)現(xiàn),哮喘患者BALF中TGF-β1水平較正常組明顯升高,與其下游信號通路TGF-β1/Smad活化成正相關(guān)[32]。TGF-β1通過調(diào)節(jié)炎癥細(xì)胞表達(dá)、促進(jìn)基質(zhì)沉積、上皮下纖維化、平滑肌增生等參與哮喘氣道重構(gòu)[33]。

綜上所述,T GF-β1作為一種多效細(xì)胞因子,在哮喘發(fā)病中發(fā)揮促炎、抗炎及促纖維化的作用。

5 TGF-β1在哮喘發(fā)病中的可能機制

近年來實驗證明,TGF-β1主要通過Smad、非Smad和β-catenin三條通路在哮喘氣道炎癥及重構(gòu)中發(fā)揮作用。

Sagara等[10]以磷酸化Smad2作為活性TGF-β信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的標(biāo)記,對40例哮喘患者支氣管活檢標(biāo)本研究發(fā)現(xiàn),健康組中磷酸化Smad2表達(dá)水平低下,而哮喘組呈高表達(dá)。Rosendahl等[34]利用卵白蛋白(OVA)致敏、激發(fā)Balb/c小鼠,建立小鼠哮喘炎癥階段(4周)模型,觀察肺組織中TGF-β1受體的表達(dá),發(fā)現(xiàn)在小鼠氣道上皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞中磷酸

化Smad 2水平在吸入OVA后升高,而未吸入激發(fā)劑的致敏小鼠磷酸化Smad2則呈低表達(dá);免疫組化法和RT-PCR均發(fā)現(xiàn)正常肺組織中幾乎不表達(dá)Smad3,而哮喘小鼠肺組織中Smad3表達(dá)水平明顯升高,證實Smad2和Smad3之間存在協(xié)同作用,且促進(jìn)氣道重構(gòu)。此外,Nakao等[35]應(yīng)用免疫組化法觀察40例哮喘患者及6例正常個體的支氣管活檢標(biāo)本,發(fā)現(xiàn)Smad蛋白主要表達(dá)于支氣管上皮細(xì)胞,且哮喘組中Smad7蛋白表達(dá)水平較正常組低,W estern blot方法檢測亦有相同結(jié)果。Ming Chen等[36]通過建立Balb/c小鼠OVA致敏哮喘模型(8周),觀察小鼠BALF中TGF-β1含量(ELISA法)及肺組織中Smad7表達(dá)水平(Western Blot),發(fā)現(xiàn)OVA致敏組小鼠BALF中TGF-β1含量明顯高于正常組,但其肺組織中Smad 7表達(dá)水平明顯低于正常對照組,證實Smad7在哮喘發(fā)病中起保護(hù)性作用。說明,TGF-β1通過Smad通路在哮喘發(fā)病中發(fā)揮作用。

MAPK(特別是ERK1/2)是哮喘病理生理過程中重要的細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,但其機制尚不清楚[37]。但Ming等[37]通過實驗證實,TGF-β1通過抑制NF-κB,而不是ERK1/2通路誘導(dǎo)大鼠氣道上皮細(xì)胞增殖和遷移。Khalil等[38]通過建立大鼠肺纖維化模型,分別利用ELISA、Western Blot檢測肺組織中TGF-β1總量及P38 MAPK的表達(dá)量,證實TGF-β1受體介導(dǎo)的P38 MAPK通路與肺纖維化過程密切相關(guān),但在哮喘中的作用需進(jìn)一步證實。

Tian等[39]通過蛋白敲除β-catenin,證實TGF-β1通過與β-catenin/Smad結(jié)合而非LEF-1發(fā)揮作用,且抑制β-catenin/Smad3相互作用可以分離TGF-β1的促纖維化及抗炎作用。

TGF-β1具有抗炎和促纖維化的雙重作用,通過多種途徑參與哮喘氣道炎癥反應(yīng)和氣道重構(gòu)。TGF-β/ Smad信號通路在支氣管哮喘的發(fā)生、發(fā)展中起重要作用,深入研究該信號通路對于開發(fā)以TGF-β1信號通路中的環(huán)節(jié)為靶點的靶向治療具有積極意義。

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The Research Progress of Transforming Growth Factor-β1and Bronchial Asthma/

CHANG Qin,TIAN Xin-rui.//Medical Innovation of China,2015,12(30):146-149

Asthma is a chronic airway inflammation,the main pathological changes includes airway inflammation,smooth muscle dysfunction and airway remodeling.As a pleiotropic cytokine,TGF-β1involves in airway inflammation response and airway reconstruction through various pathways.This paper reviews the effect and potential mechanism of TGF-β1in airway inflammation and remodeling.

TGF-β1; Asthma; Airway inflammation; Airway remodeling

10.3969/j.issn.1674-4985.2015.30.049

2015-03-17) (本文編輯:陳丹云)

山西省自然科學(xué)基金(2013011055-1)

①山西醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院 山西 太原 030001

田新瑞

First-author’s address:The Second Hospital of Shanxi Medical University,Taiyuan 030001,China

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