李 偉 楊 晗 穆 昕*

（1）泰州醫(yī)藥高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)（泰州市高港區(qū)）醫(yī)藥產業(yè)園管理辦公室，泰州 225300；2）天津大學藥物科學與技術學院，天津 300072；3）天津大學-漢氏聯(lián)合藥物創(chuàng)新與轉化聯(lián)合實驗室，天津 300072）

天然免疫是機體抵抗病原微生物侵染的第一道屏障，主要由皮膚、黏膜等組織所組成的物理屏障以及天然免疫細胞等組成的化學防御組成［1-2］。如皮膚受損等情況的發(fā)生所導致的病原微生物入侵機體，會引發(fā)被感染細胞、組織包括干擾素信號（interferon signaling，IFN signaling）通路和炎癥信號（如NF-κB signaling）通路等應激信號通路的激活。這些通路既能直接參與抗病原微生物侵染的過程，又參與調動適應性免疫系統(tǒng)對受侵染部位做出防御反應［3-4］。其中，由干擾素信號通路激活而引發(fā)的大量防御基因的表達上調，是細胞對抗病原微生物侵染的有力手段，在天然免疫中發(fā)揮關鍵作用。

干擾素是由來自英國的病毒學家Alick Isaacs和瑞士的微生物學家Jean Lindenmann共同發(fā)現(xiàn)的［5］。流感病毒感染雞胚絨毛尿囊膜后，細胞被誘導產生一種“干擾”因子抑制流感病毒感染其他未感染的細胞，這種分泌蛋白被他們命名為“干擾素”［5］。隨著對干擾素的研究不斷深入，人們對該通路的認識不斷加深，對其激活機制、發(fā)揮抗病原微生物作用的功能原理和網絡調控等方面有了越來越多的認識。很多自身免疫疾病的發(fā)生與干擾素信號通路的異常激活密切相關，而調控干擾素信號通路的關鍵基因發(fā)生功能缺失型突變或功能獲得型突變，是導致通路異常激活的重要原因［6-8］。本綜述將從干擾素通路、自身免疫疾病特點和二者之間的關聯(lián)這三方面展開討論。

1 干擾素信號通路

細胞的DNA通常存在于細胞核和線粒體中，其所轉錄的RNA多為單鏈形式的mRNA或含有少量二級結構的rRNA、tRNA等［9］。這些核酸分子在各自的細胞器中發(fā)揮著各自應有的作用。病原微生物侵染細胞，會打破細胞內不同類型分子分布的平衡：DNA病毒，如單純皰疹病毒1（herpes simplex virus type 1，HSV-1），在侵染、復制過程中，使病毒DNA在細胞質中積累［10］；腦心肌炎病毒（encephalomyocarditis virus，EMCV）、水皰性口炎病毒（vesicular stomatitis virus，VSV）、甲型流感病毒（influenza A virus，IAV）等RNA病毒在基因組RNA復制的過程中，其所形成的雙鏈RNA（double-stranded RNA，dsRNA）中間體，會出現(xiàn)在細胞質或內吞體中［11-14］。此外，線粒體DNA會在如單純皰疹病毒或登革熱病毒感染等情況下，從應激受損的線粒體中釋放至細胞質中［12，15］。這種來自于病原微生物或與之直接相關的、具有特定結構特征的分子被統(tǒng)稱為病原相關模式分子（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs）。模式分子不僅局限于核酸類，還有細菌的脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）、鞭毛蛋白等［16］。滿足以下兩點之一，就可以稱之為PAMPs：a.來自于病原微生物的特定類型分子，如dsRNA、LPS等；b.分子類型為細胞已有，但是出現(xiàn)在錯誤的地點，如細胞質中出現(xiàn)的DNA、內吞體中出現(xiàn)的核酸分子等［17-18］。

細胞進化出受體，特異性結合這些模式分子，并觸發(fā)下游的干擾素通路，這一類受體分子統(tǒng)稱為模式識別受體（pattern recognition receptors，PRRs）［17］，如細胞質中識別DNA的cGAS（cyclic GMP-AMP synthase）、識別dsRNA的RIG-I（retinoic acid-inducible gene I） 和 MDA5（melanoma differentiation-associated protein 5），內吞體中識別dsRNA的TLR3（Toll-like receptor 3）、識別單鏈RNA（single-stranded RNA，ssRNA）的TLR7或TLR8、識別DNA的TLR9，細胞膜上識別LPS的TLR4和細菌鞭毛的TLR5等［17］。不同的受體-模式分子結合，會激活下游不同的適配蛋白（adaptor），之后會采用相同或類似的策略招募蛋白激酶（如TBK1等）完成對干擾素調節(jié)因子（interferon regulatory factors，IRFs）IRF3或IRF7的磷酸化。磷酸化的IRF3或IRF7發(fā)生構象變化，形成同源二聚體，進入細胞核行使轉錄因子的功能，激活I型干擾素（如IFNα或IFNβ等）mRNA的轉錄［19-20］。I型干擾素表達后分泌至細胞外，通過結合自己和周圍細胞的膜上受體（interferon-α/β receptor，IFNAR），引發(fā)其形成二聚體并激活下游JAK-STAT信號通路，最終激活細胞的效應基因表達，實現(xiàn)直接的抗病原微生物功能和對細胞生長、代謝狀態(tài)的調節(jié)，以更好地適應病原微生物入侵的應激環(huán)境［21］（圖1）。

Fig.1 Schematic view of IFN signaling activation［22-23］圖1 干擾素信號通路工作示意圖［22-23］

2 自身免疫疾病的發(fā)生

模式識別受體對“自己”和“非己”分子的正確識別，是干擾素通路發(fā)揮功能的關鍵?；蛲蛔兯l(fā)的蛋白質功能改變是導致干擾素通路異常激活的重要原因［7，24］。由單基因突變所引發(fā)的干擾素信號通路異常激活并最終引發(fā)的自身免疫疾病，在遺傳學上符合孟德爾定律，被稱為I型干擾素疾病（type I interferonopathy），這一概念由Yanick J.Crow最先提出［25-26］。這類疾病包括Aicardi-Goutières綜 合 征（Aicardi-Goutières syndrome，AGS）、 脊 椎 軟 骨發(fā) 育 不 良（spondyloenchondrodysplasia，SPENCD）、單基因突變引發(fā)的紅斑狼瘡（monogenic lupus）和補體缺乏（complement deficiency）等［25-26］。因為是單基因突變引發(fā)，所以這些突變體在研究基因功能上具有重要的提示作用，對理解基因產物對干擾素信號通路調控中如何發(fā)揮作用具有重要的指導意義。下面以AGS為例介紹該類疾病的病理特征，探討致病機理。

AGS是一種罕見的、早發(fā)型I型干擾素疾病，以非感染狀態(tài)下免疫系統(tǒng)的異常激活和I型干擾素的不正常上調為特征，主要影響腦、皮膚和免疫系統(tǒng)［27］。相比較于系統(tǒng)性紅斑狼瘡這種受到來自于遺傳、環(huán)境和生活習慣等多種因素影響而引發(fā)的疾病，AGS發(fā)病較早，1歲新生兒就會出現(xiàn)嚴重的腦部功能障礙，特定單基因的突變就可致病是其早發(fā)性的重要原因。腦部的障礙進一步惡化新生兒的飲食攝入和非感染狀態(tài)下發(fā)燒癥狀的發(fā)生，最終導致智力嚴重受損、頭部尺寸變小等?；颊咂つw出現(xiàn)疼痛、瘙癢和紅腫的表型，多發(fā)病于肢體末端，如手指、腳趾和耳部等。這些癥狀主要由血管炎癥引起，寒冷會加劇病情惡化。多數(shù)患者無法存活過童年期，但也有少數(shù)病情較輕的患者能夠生存至成年［28］。

高通量測序和生物信息學分析發(fā)現(xiàn)，單基因突變是AGS的致病原因，目前已經發(fā)現(xiàn)的突變基因有9種，這些基因被賦予一個AGS編號，以便于對其進行歸納研究：TREX1（AGS1）、RNASEH2A（AGS4）、RNASEH2B（AGS2）、RNASEH2C（AGS3）、SAMHD1（AGS5）、ADAR1（AGS6）、IFIH1（編碼MDA5蛋白）（AGS7）、LSM11（AGS8）和RNU7-1（AGS9）［29-34］?；蛲蛔兎譃楣δ塬@得型（gain-of-function，GOF）和功能喪失型（loss-of-function，LOF）兩種。除IFIH1基因為功能獲得性突變致病之外，其余基因都發(fā)生了功能喪失型突變。有趣的是，在這些基因的編碼產物中，MDA5直接參與干擾素通路的激活，其余均參與細胞內核酸（DNA、RNA）的代謝調控。這些突變體的發(fā)現(xiàn)，將細胞內環(huán)境穩(wěn)態(tài)與調控和干擾素通路緊密聯(lián)系到了一起，提示干擾素通路本身可能是作為一種監(jiān)控細胞狀態(tài)的機制，病原微生物侵染只是代表了一種應激狀態(tài)。

3 細胞內環(huán)境調控與干擾素通路和自身免疫疾病

細胞內的核酸包括DNA和RNA，前者主要分布于細胞核和線粒體，后者廣泛分布于細胞核、線粒體和細胞質等。DNA通過自身復制，保證了細胞分裂中遺傳物質的穩(wěn)定傳代，其轉錄的RNA，形成mRNA、tRNA、rRNA和多種ncRNA，共同參與細胞的正常生理功能。

細胞核中的染色質DNA在復制的過程中，偶爾會錯誤地摻入NTP，產生短的RNA序列，這種RNA∶DNA雜合鏈會引起染色質損傷，造成DNA的斷裂，引發(fā)cGAS對破損DNA分子的識別，進而激活干擾素信號通路［35-36］；RNASEH2A/B/C復合物通過降解這些RNA序列，維持了細胞核中DNA的穩(wěn)定性，避免了干擾素信號通路的激活［37-38］。這3個基因發(fā)生功能喪失型突變，會導致細胞內干擾素信號通路的異常激活［39］。

基因組DNA中存在大量的轉座子序列［40］。有證據(jù)表明，SAMHD1（SAM domain and HD domain-containing protein 1）不僅在穩(wěn)定細胞內dNTP水平中發(fā)揮重要作用，在抑制轉座子活性中也至關重要［41-43］。該蛋白質抑制內源性轉座子LINE-1的逆轉座活性，降低細胞質中DNA水平。轉座子活性的提高將導致細胞質中DNA序列的積累，激活cGAS受體。SAMHD1基因發(fā)生功能喪失型突變或表達沉默，將導致細胞中干擾素信號通路的異常激活［44］。

上述機制保證了細胞核中DNA的穩(wěn)定和細胞質中DNA的缺失。一旦出現(xiàn)殘留于細胞質中的DNA分子，將由TREX1（three prime repair exonuclease 1）負責清除［45］。在TREX1敲除的細胞中，發(fā)現(xiàn)大量轉座子DNA積累于細胞質中，成為cGAS的激活配體［46-47］。此外，從損傷的線粒體中泄漏的DNA，也會在細胞質中被TREX1降解，避免被cGAS識別［48］。因此，該基因的功能喪失型突變或表達沉默，將導致干擾素信號通路的異常激活［49］。

最近的研究發(fā)現(xiàn)，結合于基因組DNA的組蛋白功能受損也會引起cGAS介導的干擾素上調［34］。在對AGS病人的基因突變篩查中，Crow課題組［34］發(fā)現(xiàn)了兩種新的基因突變，分別位于LSM11和RNU7-1基因中。這兩種基因的編碼產物對組蛋白mRNA前體的正確加工至關重要，其功能突變導致組蛋白表達水平的降低，使得基因組DNA暴露于外，被cGAS識別，引發(fā)干擾素信號通路的激活。

前面介紹的都是在DNA代謝中，關鍵基因發(fā)生功能喪失型突變會引發(fā)干擾素的異常激活。在RNA代謝中，細胞核中轉錄的RNA會因序列互補配對而含有二級結構，特別是人源細胞中一類稱為Alu的轉座子元件［50］。這是一種長約300個核苷酸的散在重復序列，在整合進基因組的過程中兩個元件頭對頭或尾對尾整合在相鄰的位置，那么其在所插入基因的轉錄過程中，就會形成一條約300 bp的雙鏈結構［51］。這種雙鏈結構被稱為反向重復Alu，簡稱為IR-Alu（inverted repeat Alu）元件。細胞中編碼一種RNA特異性腺苷脫氨酶（RNA-specific adenosine deaminase 1，ADAR1），能結合dsRNA并具有脫氨酶活性，將dsRNA中的腺嘌呤A催化為次黃嘌呤I。通常情況下，由ADAR1將IR-Alu中的部分A修飾為I，從而將A:U配對改變成I和U的組合，無法形成配對結構［51］。ADAR1通過這樣的修飾作用，破壞了IR-Alu的雙鏈結構，使得該RNA在細胞質中，不會被MDA5識別。但在發(fā)生功能喪失型ADAR1突變或功能獲得型突變IFIH1（編碼MDA5蛋白）的情況下，IR-Alu元件被錯誤識別為“非己”分子，從而通過MDA5-MAVS（mitochondrial antiviral signaling protein）途徑，使細胞產生干擾素信號通路的異常激活［52-53］。

由此可見，干擾素通路的功能發(fā)揮，需要以細胞內環(huán)境的穩(wěn)定作為前提的，一旦這一平衡被打破，干擾素通路將發(fā)生異常激活，從而引發(fā)機體炎癥和自身免疫疾病的發(fā)生（圖2）。

Fig.2 Aberrant IFN signaling due to gene mutation［27，34］圖2 基因突變導致干擾素通路的異常激活［27，34］

4 總結與展望

綜上所述，干擾素抗病原微生物信號通路作為細胞的一種應激反應，其正常活性需要精確調控，即使在非感染情況下，細胞新陳代謝、分裂復制的過程中，也會產生很多刺激干擾素信號的化學分子。通過調控因子的作用，保證了這些危險信號分子的降解。

隨著對自身免疫疾病致病機理的研究越來越深入，這些調控因子對干擾素信號通路網絡調控的作用越來越清晰，核酸代謝穩(wěn)態(tài)對細胞在干擾素通路在非感染狀態(tài)下的靜息沉默至關重要。在未來的治療策略研究中，這些調控因子也許會成為新的精準化檢測目標和藥物靶點，而不僅限于依賴于抑制已經被異常激活的干擾素信號通路［54］。近年來，針對DNA代謝失調所引發(fā)的AGS病例，已經有使用逆轉錄酶抑制劑進行治療的臨床探索［27，55］。在未來的數(shù)年間，預期將有越來越多的特異性抑制劑或生物治療手段用來進行相關測試、研究［56］。