愛麗斯,于巖波

愛麗斯,山東大學齊魯醫(yī)院(第一臨床學院) 山東省濟南市 250012

于巖波,山東大學齊魯醫(yī)院 山東省濟南市 250012

0 引言

克羅恩病(Crohn’s disease,CD)是一種以典型的節(jié)段性和透壁性潰瘍?yōu)樘卣餍员憩F(xiàn)的、慢性炎癥性消化道疾病,和潰瘍性結腸炎(ulcerative colitis,UC)同屬于炎癥性腸病(inflammatory bowel disease,IBD)[1].自1900年以來,CD在新興工業(yè)化國家的發(fā)病率不斷上升,并給患者和社會帶來負擔[2],因此需要我們更深入的探究CD可能的發(fā)病機制,從而再認識疾病的預防及潛在的治療新靶點.CD的病因尚不完全清楚,目前普遍認為它是由遺傳易感性、環(huán)境因素和腸道菌群相互作用導致異常的黏膜免疫反應和上皮屏障功能受損[3].研究表明[4],腸上皮屏障有助于維持黏膜免疫穩(wěn)態(tài),腸道免疫系統(tǒng)可以對共生菌群及食物抗原產(chǎn)生免疫耐受,而對腸道病原體產(chǎn)生適度的免疫應答,兩者在正常情況下保持平衡.然而由于腸黏膜穩(wěn)態(tài)遭到破壞,引起腸黏膜對共生非致病性細菌的異常免疫反應,導致CD患者腸道防御能力減弱,繼而在其他因素的共同作用下引發(fā)了慢性炎癥反應[5,6].

帕內特細胞(Paneth cell,PC)是一種在隱窩內自干細胞分化的小腸特化的上皮細胞[7],有助于維持腸黏膜穩(wěn)態(tài)[8],它通過表達表皮生長因子、轉化生長因子α等多種信號分子,使位于小腸隱窩底部的G蛋白偶聯(lián)受體5干細胞完成小腸隱窩的不斷更新[9,10].PC可以分泌包括抗菌肽(antimicrobial peptides,AMPs)在內的多種抗菌蛋白.防御素是AMPs重要的蛋白質家族之一[11,12],PC主要表達兩種α-防御素-人類防御素5(human α-defensin 5,HD5)和人類防御素6(human α-defensin 6,HD6).HD5可以調節(jié)腸道微生物群組成[13],HD6保護人類小腸免受多種腸道病原體入侵[14],PC功能障礙可能導致AMPs表達降低或活性受損,從而對腸道內微生物產(chǎn)生不利影響[15,16].研究表明[17],CD防御素的相對缺乏,使AMPs和腔內細菌之間的平衡被打破,腸道微生物黏附并侵入黏膜引發(fā)炎癥.PC功能障礙不僅阻礙小腸上皮細胞的更新,而且無法抵御細菌在黏膜的附著和入侵[18,19],在CD的發(fā)病過程中發(fā)揮關鍵作用.綜上所述,CD很可能是一種復雜的PC相關疾病[20].

1 帕內特細胞相關的CD易感基因

PC整合腸道微生物群、腸上皮屏障功能障礙和免疫異常等因素參與CD的發(fā)病[9],因此被認為可能是CD發(fā)病中的關鍵[20],分子遺傳學和流行病學研究表明,約50%的CD起源于宿主的基因構成[21],全基因組關聯(lián)研究確定了163個與IBD相關的基因變異,110個是CD和UC共同的變異位點,另有30個是CD特異性基因變異位點[22],其中有數(shù)個PC相關基因與CD易感性顯著相關[23,24],如核苷酸結合寡聚化結構域蛋白2 (nucleotide-binding oligomerization domain 2,NOD2)、自噬相關16樣蛋白1(autophagyrelated 16-like 1,ATG16L1)、免疫相關鳥苷三磷酸酶家族M(immunity-related GTPase family M,IRGM)、無翅相關集合位點(wingless-related integration site,Wnt)、富亮氨酸重復激酶2(leucine-rich repeat kinase 2,LRRK2)、組蛋白去乙?；?histone deacetylases,HDACs)、半胱氨酸蛋白酶-8(caspase-8,Casp8)、X盒結合蛋白1(X-boxbinding protein-1,XBP1)等[25].

2 先天性模式識別受體相關基因

NOD2是第一個發(fā)現(xiàn)的與PC相關的CD易感基因[26,27].目前已知約80%的CD易感性與NOD2在R702W,G908R,1007fs這3個位點的突變相關[28,29],該基因通過識別細菌細胞壁中的壁基二肽分子(muramyl dipeptide,MDP)直接激活適應性免疫系統(tǒng),或通過α-防御素、免疫刺激分子、輔助受體等途徑間接激活適應性免疫系統(tǒng)[30].另一方面,NOD2參與AMPs的分選:內質網(wǎng)合成的AMPs,在高爾基體中形成專一的高密度核心囊泡(dense core vesicles,DCV)[31],保留有AMPs的DCV從高爾基體中分泌后[32],NOD2首先將LRRK2招募到DCV表面,MDP強化NOD2的DCV定位,繼而招募受體相互作用蛋白2(receptor interacting protein 2,RIP2),LRRK2增強或穩(wěn)定由共生細菌來源信號傳導所觸發(fā)的NOD2-RIP2復合體[33],在DCV成熟過程中指導溶菌酶的分選[32].研究發(fā)現(xiàn)[34,35],如果NOD2缺乏,AMPs將不再繼續(xù)留存在DCV中從而影響溶菌酶分選,使腸道抗菌能力下降.已行回腸造瘺的活動期CD患者其回腸分泌物內HD5的含量低于健康對照組[36],當存在NOD2突變時HD5表達下降更明顯[37],因此,NOD2基因突變可以導致腸黏膜免疫反應異常啟動從而引發(fā)CD[36,37].

3 自噬相關基因

自噬在上皮細胞中起著重要的穩(wěn)態(tài)作用,包括避免宿主細胞損傷,抑制炎癥反應,降解病原體[38,39].自噬相關的遺傳變異可能導致病原體清除能力降低,在其他因素的共同作用下引發(fā)炎癥反應[40,41].因此,PC功能缺失可能是CD上皮細胞缺陷的基礎[42].

ATG16L1基因是編碼處理細胞內細菌自噬體途徑中的一種蛋白質[43],ATG16L1T300A是目前已知的與CD易感性最顯著的ATG16L1變異類型,攜帶ATG16L1T300A突變基因的人群的CD患病率是正常人群的2倍[44].ATG16L1和NOD2 通過同一途徑發(fā)揮抗菌作用,NOD2招募ATG16L1到細菌入侵部位的質膜表面啟動細菌自噬[45].研究發(fā)現(xiàn)ATG16L1 缺陷引起的自噬損傷會改變PC中的蛋白質組豐度譜[46],使PC分泌抗菌蛋白功能受到抑制.攜帶ATG16L1T300A基因的小鼠其沙門氏菌感染引起的結腸炎發(fā)生率增加[47].此外,ATG16L1對于防止PC細胞過度死亡至關重要,ATG16L1通過維持線粒體穩(wěn)態(tài)來防止TNF-α介導的PC壞死性凋亡,通過抑制上皮細胞的壞死來維持腸道屏障[48,49].

免疫相關的IRGM是一種在PC中介導炎癥和自噬的蛋白質,研究發(fā)現(xiàn)其對CD發(fā)揮保護作用[50].IRGM基因可通過穩(wěn)定細胞核心自噬調控因子、激活自噬、防止過度炎癥、增強IRGM組裝自噬核心機制等四種方式發(fā)揮其抗炎和抗微生物特性[41].IRGM通過抑制核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3(nucleotide oligomerization domain-like receptor family pyrin domain containing 3,NLRP3)從而抑制促炎細胞因子(白細胞介素1β、白細胞介素18和腫瘤壞死因子/腫瘤壞死因子-α)的轉錄發(fā)揮抗炎作用[51],IRGM1基因敲除的小鼠暴露于葡聚糖硫酸鈉(dextran sulfate sodium,DSS)后腸炎癥狀加劇,即使不暴露于DSS溶液,IRGM1基因敲除的小鼠也存在明顯的PC功能障礙[52].McCarroll等[53]發(fā)現(xiàn)了一個常見的IRGM缺失多態(tài)性,該多態(tài)性與CD的一個單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphisms,SNP)相關,他們還報道IRGM抑制了與CD相關的胞內細菌的自噬;Rufini等[54]報道IRGM多態(tài)性對CD的易感性和表型調節(jié)(纖維狹窄行為、回腸疾病、肛周疾病和腸切除)的重要性,表明IRGM變異可能調節(jié)CD的臨床特征.

LRRK2是一種具有多個可識別結構域的大型蛋白[55],研究發(fā)現(xiàn)[56]LRRK2表達增加的小鼠表現(xiàn)出Dectin-1介導的細胞因子反應增加,雖然LRRK2 轉基因小鼠沒有出現(xiàn)自發(fā)性腸炎,但暴露于DSS溶液后,這些小鼠的結腸炎發(fā)生率增加,由此說明,LRRK2轉基因小鼠在炎癥刺激后表現(xiàn)出對腸道炎癥的易感性.此外LRRK2還具有抑制自噬等功能,LRRK2信號介導的自噬抑制導致LRRK2的增加,從而可能導致炎癥的增強,此外,LRRK2介導的自噬抑制還具有促炎作用的可能[56],這些研究說明,LRRK2的激活會引發(fā)先天免疫反應從而引發(fā)CD.此外,LRRK2作用于RIP2定位到DCV的過程中,通過NOD2-LRRK2-RIP2-Rab2a組成的遺傳通路負責PC溶菌酶的分選,與NOD2共同作用并指導PC的溶菌酶分選[33].

4 帕內特細胞分化相關基因

Wnt是保持腸上皮干細胞增殖狀態(tài)的重要因子[57],能夠刺激PC的分化和成熟過程,從而調節(jié)HD5和HD6的表達[58].經(jīng)典的Wnt通路是通過PC釋放Wnt配體與細胞表面受體結合而激活[59],激活后的Wnt通路介導β-連環(huán)蛋白的穩(wěn)定,并使之轉移到細胞核中結合轉錄因子TCF-4、TCF-1等[60],并啟動HD5、HD6等靶基因轉錄.研究表明回腸CD患者的TCF-4、TCF-1的表達降低進而導致HD5和HD6的表達下降[61,62].回腸CD患者表現(xiàn)出較高頻率的TCF-4基因變異(rs3814570,rs10885394,rs10885395)[63],此外,另一個在β-連環(huán)蛋白的細胞質穩(wěn)定中起關鍵作用的Wnt因子-低密度脂蛋白受體相關蛋白6(low density lipoprotein receptor-related protein 6,LRP6),也在CD中被修飾從而導致HD5表達減少,18歲以下的回腸CD患者LRP6(rs2302685)突變率達10.63%[63].CD患者單核細胞Wnt配體表達減少對HD5和HD6的分泌產(chǎn)生負面影響,導致了細菌入侵和黏膜慢性炎癥[15].

5 維持腸上皮屏障相關基因

HDAC是一種調節(jié)轉錄、DNA復制和修復的酶,共有10多種亞型,其中HDAC1、HDAC2和HDAC3與PC和CD有關;研究發(fā)現(xiàn)[64],HDAC1和HDAC2都是重要的腸上皮細胞穩(wěn)態(tài)調節(jié)因子,其缺失會改變Notch和mTOR信號通路,從而導致慢性炎癥和內穩(wěn)態(tài)失衡[65,66].并表現(xiàn)出PC分化改變[65].腸上皮細胞特異性HDAC3基因敲除的小鼠(intestinal epithelial cell specific deletion of the epigenomemodifying enzyme histone deacetylase 3,HDAC3ΔIEC)表現(xiàn)出廣泛的腸上皮細胞抗菌相關的基因表達下降[67],且對腸道損傷和炎癥的易感性顯著增加,表明HDAC3的表達在維持腸道穩(wěn)態(tài)中起著重要作用,另外將HDAC3ΔIEC小鼠置于無菌環(huán)境中,發(fā)現(xiàn)腸道屏障功能在很大程度上得到了恢復,這一結果說明了HDAC3是整合共生細菌信號的關鍵因子,在維持腸道穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮了重要作用[67].

Casp-8是一種半胱氨酸蛋白酶,在調節(jié)細胞凋亡中起關鍵作用.在腸道中,Casp-8介導的細胞凋亡對腸上皮細胞的更新和塑造腸道結構至關重要[68].Casp-8通過抑制受體相互作用的絲蘇氨酸激酶1(receptor-interacting serine-threonine kinase 1,RIPK1)和受體相互作用的絲蘇氨酸激酶3(receptor-interacting serine-threonine kinase 3,RIPK3)抑制TNF-α誘導的壞死性凋亡,以此在預防PC壞死性凋亡和末端回腸炎中起關鍵作用[69,70],在鼠傷寒沙門氏菌感染過程中,Casp-8對于維持腸道屏障功能和阻止病原體定植至關重要[71],研究發(fā)現(xiàn)Casp-8缺失與暴發(fā)性腸上皮壞死、嚴重PC凋亡、繼發(fā)性腸炎相關[72].但目前為止Casp-8基因在CD中的作用尚未完全確定[73].

XBP1是核內體應激反應的關鍵轉錄因子,在CD患者中發(fā)現(xiàn)了XBP1的基因變異[74].一方面,XBP1通過阻止細胞凋亡、介導細胞更新來調節(jié)PC水平[74].研究表明[75],上皮細胞特異性XBP1基因缺失的小鼠表現(xiàn)PC功能顯著受損從而導致了AMPs的分泌不足,使腸道對致病菌的防御能力下降,另一方面,XBP1通過影響內質網(wǎng)應激途徑影響了PC的發(fā)育,內質網(wǎng)應激可增強腸上皮細胞中促炎JNK/SAPK信號通路[76].因此,XBP1在CD的發(fā)病中整合了腸道菌群和黏膜免疫系統(tǒng)因素,并且兩種機制共同作用,互相促進,進而導致腸炎的發(fā)生.

6 結論

帕內特細胞具有多種功能,它對黏膜發(fā)育、宿主防御和微生物群調節(jié)的貢獻是維持腸道穩(wěn)態(tài)的關鍵.PC維持腸道穩(wěn)態(tài)的研究主要集中在其產(chǎn)生的抗菌肽以及抗菌肽與腸黏膜表面微生物的動態(tài)相互作用上,PC分泌的抗菌肽可以調節(jié)腸道菌群組成,腸道菌群中的特定細菌種類能夠驅動宿主的免疫反應,促進炎癥的發(fā)生.因此,腸道黏膜表面細菌與抗菌肽等的互動能夠維持腸道內環(huán)境的平衡.由此,很容易理解PC功能障礙與CD的易感性相關,這種特化細胞的遺傳缺陷導致抗菌肽缺陷可能是CD的致病關鍵,這為CD的預防及治療新靶點帶來了全新的認識,因此我們需要進一步重視PC在CD發(fā)生中的重要作用.