巨噬細胞極性轉化及其分子調控機制

應航潔(綜述)，史麗云(審校)

(杭州師范大學醫學院，杭州 310036)

巨噬細胞是機體固有免疫系統的重要成分之一，在炎癥、防御、修復、代謝等生理過程中發揮重要作用，是機體維持自身穩定的關鍵因素[1]。巨噬細胞源自單核細胞。單核細胞從血管滲出，進入器官和組織后，可進一步分化發育成為體內吞噬能力最強的細胞——巨噬細胞。單核-巨噬細胞系是一群異質性高的細胞系，表現為較強的可塑性。目前了解較多的巨噬細胞類型有兩種，即經典活化型細胞(M1細胞)和替代活化型細胞(M2細胞)[2]。巨噬細胞的極化是一個多因子相互作用的復雜過程，受到胞內眾多信號分子及其通路的調控。環境因子作用于細胞引起的轉錄調控因子活化，繼而在轉錄水平上參與巨噬細胞極化過程；同時，轉錄后調控機制，如微RNA(microRNA,miRNA)、乙酰化、泛素化和甲基化等同樣可參與巨噬細胞的極化調控[3]。

1 巨噬細胞的極化及其功能特征

巨噬細胞受環境因子刺激而活化，不同的胞外信號可導致巨噬細胞向不同類型轉化。細菌及其產物脂多糖、機體分泌的干擾素γ(interferon-γ,IFN-γ)以及腫瘤壞死因子等都可以促進M1細胞形成。相反，寄生蟲、真菌等可以誘導產生非經典激活的巨噬細胞[4]，白細胞介素(interleukin,IL)-4和IL-13也可以直接促使巨噬細胞向M2細胞極化。利用粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子(granulocyte-macrophage colony-stimulating factor,GM-CSF)可誘導骨髓細胞分化形成M1細胞；巨噬細胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor,M-CSF)則可誘導骨髓細胞分化形成M2細胞[5]。

經典激活的巨噬細胞M1細胞表現出很強的促炎及抗原呈遞能力，可大量分泌細胞因子IL-1、IL-6、IL-12、IL-23和一氧化氮合酶等。其功能主要是針對病原體和腫瘤細胞發揮宿主免疫清除功能。但是,M1細胞的促炎能力須有一定控制，否則會導致機體正常組織的炎癥損傷。M2細胞通過分泌轉化生長因子β、血管內皮生長因子和表皮生長因子等發揮抗炎作用，促進傷口愈合和纖維化，并擁有強大的組織修復功能，但其對于腫瘤生長和浸潤具有促進作用[6-7]。

2 巨噬細胞極化的分子標記

不同類型的巨噬細胞在體內承擔不同生理和病理功能，而其在分子標記上同樣具有自身特征。目前公認的M1細胞分子標記包括細胞因子IL-12、主要組織相容性復合體Ⅱ(type major histocompatibility complexⅡ，MHC Ⅱ)、一氧化氮合酶2等。M2細胞的標志分子則包括細胞因子IL-10、精氨酸酶1(arginase 1,Arg1)；類抵抗素α、類幾丁質酶3樣分子3 (chitinase 3-like 3,Chi3l3)以及巨噬細胞甘露糖受體1(macrophage mannose receptor 1,MMR1)等[8]。

3 巨噬細胞極化的分子機制

對于巨噬細胞極性轉換的機制目前仍未完全明確，就目前研究來看，巨噬細胞極化過程受到不同層面調控機制的影響，包括胞內信號通路、轉錄因子、表觀遺傳和翻譯后修飾等。

3.1轉錄因子與巨噬細胞極化 巨噬細胞極化的調控，特別是轉錄水平上的調控一直是研究的熱點[9]。研究表明，由外界刺激誘導激活的轉錄因子，可通過作用于特定基因的啟動子，而啟動特異性轉錄程序，從而決定細胞向不同方向分化。已知IFN-γ可引起M1細胞極化，該過程主要通過IFN-γ介導的酪氨酸激酶-信號轉導和轉錄激活子(janus kinase-signal transducer and activator of transcription,JAK-STAT) 通路的活化，使轉錄因子STAT1結合于一氧化氮合酶2、MHCⅡ轉錄活化子和IL-12基因啟動子的順式元件上，從而引起M1細胞型標志分子的轉錄表達[ 10]。而IL-4則是通過激活JAK-STAT6通路引起下游M2細胞細胞型標志分子的表達。研究顯示，Arg1、Mrc1、Chi313和類抵抗素α等M2細胞分子的表達均受到STAT6調控作用[11]。此外，核受體分子過氧化物酶體增殖物激活受體γ亦參與調節M2巨噬細胞的極化，其機制可能與STAT6的協同作用有關[12]。

另一個參與M2細胞極化的機制是環腺苷酸應答元件結合蛋白-CCAAT/增強子結合蛋白(CCAAT/enhancer-binding protein，C/EBP)β調節軸[13]。環腺苷酸應答元件結合蛋白可引起轉錄因子C/EBPβ的活化表達，進而激活M2細胞相關分子(Arg1、IL-10和Mrc1)的轉錄程序。干擾素調節因子(interferon regulatory factor,IRF)同樣參與巨噬細胞極性轉化調控。該家族成員可在M1/M2細胞不同方向極化過程中發揮不同作用。如IRF5可直接結合M1細胞標志分子IL-12的啟動子序列，并激活其表達，誘導細胞向M1細胞型轉化[14]。而IRF4主要通過活化組蛋白去甲基化酶Jmjd3，對M2細胞型基因轉錄起到去阻遏作用，從而促進M2細胞標記分子的表達[15]。

巨噬細胞極性的轉錄調控是受到多因子作用的過程，轉錄因子除了激活和促進M1細胞或M2細胞特異性標志分子表達外，有些調控因子通過抑制相反表型分子表達來發揮調控作用。如核因子κB抑制蛋白激酶(inhibitor of nuclear factor kappa B kinase,IκK)[16]、Kruppel樣轉錄因子(Kruppel-like factor，KLF)10和KLF11可抑制M1細胞極化[17]；而含Src同源結構域2的肌醇磷酸酶(Src homology2-containing inositol-5′-phosphatase,SHIP)和p50能夠抑制M2細胞極化[18-19]。還有一些分子在促進巨噬細胞向特定方向極化的同時，抑制其向相反方向轉化。如轉錄因子重組信號結合蛋白J(recombination signal binding protein-J,RBP-J)可通過Notch信號上調IRF8的表達，引起下游M1細胞相關基因的轉錄。同時，RBP-J通過抑制Jmjd3來下調M2細胞相關因子的表達[20]，兩者協同，有效推動巨噬細胞向M1細胞型轉化。另一轉錄因子KLF4協同STAT6誘導M2細胞相關基因的表達，同時它還通過阻斷核因子κB與其活化輔因子p300/CBP、p300相關因子的結合來抑制M1細胞極化[21]。由此可見，巨噬細胞的極性轉化往往是多因子協同作用的結果。

3.2miRNAs與巨噬細胞極化 miRNAs是一類長度為18～25個核甘酸的單鏈小RNA分子，它主要通過與相關蛋白質形成RNA誘導的沉默復合體，從而抑制靶基因的翻譯或者促進靶基因信使RNA的降解，實現對目標基因的轉錄后調控。這類小RNA分子的表達具有空間和時間上的特異性,對于細胞的增殖、凋亡、分化以及器官的形成具有重要的調控意義[22-24]。雖然miRNAs對于巨噬細胞極性轉化的調控機制大部分仍然未知，但是到目前為止人們已經發現不少miRNAs參與了巨噬細胞極性的調控。

Ponomarev等[25]研究發現，若將miR-124(一種大腦特異性表達的miRNA)在骨髓巨噬細胞(bone marrow-derived macrophage,BMM)中過表達后,其表達MHCⅡ、CD45、CD11b、F4/80和CD86的水平明顯降低，而M2細胞標志分子類抵抗素α和Arg1的表達水平顯著增強。miR-124在促進M2細胞和抑制M1細胞極化過程中有重要調控作用。體內實驗也證明，miR-124的過表達能明顯抑制實驗性自身免疫性腦脊髓炎，減少中樞神經系統炎癥。進一步研究證實，轉錄因子C/EBPα是miR-124的靶基因。miR-124與C/EBPα結合并抑制其活性，導致其下游基因PU.1活性隨之受到抑制，從而影響M1細胞分化。但是,C/EBP-α如何調控M2細胞型巨噬細胞的極化目前仍不清楚。

Zhuang等[26]研究發現，用脂多糖刺激BMM引起miR-223表達明顯上調，而IL-4作用導致miR-223表達下調。來自miR-223基因剔除小鼠的腹腔巨噬細胞對脂多糖誘導極其敏感，卻對IL-4刺激表現為應答延遲。進一步利用miR-223基因缺失小鼠高脂飲食喂養模型證實，miR-223基因的缺失可導致小鼠胰島素耐受性增高，并伴有脂肪組織炎癥增強現象。由此可見，miR-223可抑制經典的促炎(M1細胞)應答和增進抑炎(M2細胞)應答，這體現了一種特有的代謝性疾病的分子免疫調控機制。該研究還證實Pknox1是miR-223的靶基因，但是其具體調控機制仍需作進一步研究。

最近一些研究還證實，miRNA-155是巨噬細胞M1/M2細胞極化過程中的一個重要調控分子，對其M2細胞型分子的表達具有抑制作用。miRNA-155通過與靶基因C/EBPβ結合引起其表達下調，進而抑制M2細胞標志物Arg1表達[27]。miRNA-155也可通過與IL-13受體α1直接結合，引起STAT6介導的M2細胞型分子表達下降[28]。Xu等[29]研究還發現，磷脂酰肌醇3-羥激酶/蛋白激酶B通路可下調miR-155分子表達，繼而引起其靶分子——細胞因子信號抑制子的表達增加，從而抑制M1細胞型的產生和抗感染應答水平。

另有研究顯示[30]，與GM-CSF條件下培養的BMM(GM-BMM)相比，let-7c在M-CSF作用下其表達水平更高；若在GM-BMM中過表達let-7c不僅能明顯降低M1細胞標分子表達，還能抑制與相關細胞功能；而抑制M-BMM中let-7c表達則可增強M1細胞分子水平。表明let-7c能抑制M1細胞的極性轉化，而對M2細胞活化具有促進作用。研究證實，let-7c主要是通過下調其靶基因C/EBPδ來實現對巨噬細胞極化的調控作用,而C/EBPδ對M1細胞型的激活作用已被廣泛認知[31-32]，但它如何調節M2細胞型的極化仍然不清楚，可能是通過抑制STAT6與M2細胞型基因啟動子相結合而起到一定的調控作用。

從功能上來說，M2細胞巨噬細胞可抑制炎癥，促進組織修復。同時，M2細胞型還是組成腫瘤相關巨噬細胞的主要類型。腫瘤相關巨噬細胞可通過分泌免疫抑制因子和其他效應分子來促進腫瘤的發生、發展和浸潤。而Yang等[33]研究發現，miRNA-19a-3p可通過調控巨噬細胞極性轉化來抑制乳腺癌發展和轉移,其主要機制是miR-19a-3p以原癌基因Fra-1為靶基因，抑制其表達。Fra-1屬于激活蛋白1家族，在人類和小鼠上皮細胞高表達，并與淋巴細胞的轉移有密切關系。Fra-1表達的下調使其下游的M2細胞表型分子(如血管內皮生長因子、STAT3表達以及pSTAT3)活化受到影響，從而抑制巨噬細胞向M2細胞極化，有效地控制了腫瘤的生長和轉移。

3.3巨噬細胞極化與翻譯后修飾 蛋白翻譯后修飾包括乙酰化、糖基化、甲基化和泛素化等過程。這些翻譯后修飾在染色質的結構重塑、基因的轉錄調控、DNA的損傷修復等生命過程中發揮著極其重要的作用。目前已經有研究發現，一些蛋白翻譯后修飾對巨噬細胞的極化具有一定的調控作用。

神經調節受體降解蛋白1(neuregulin receptor degradation protein 1，Nrdp1)是一種新型泛素連接酶，能夠介導C/EBPβ的泛素化。研究顯示，Nrdp1可通過激活泛素依賴的非蛋白水解信號途徑，引起C/EBPβ活化，從而增強Arg1表達，促進M2細胞型巨噬細胞極化[34]。另有一些表觀遺傳分子被證實參與巨噬細胞的極性轉化調控，如組蛋白脫乙酰酶3能夠抑制由IL-4介導的M2細胞型相關基因的表達，使巨噬細胞更易向M1細胞型極化[35]。利用曼氏血吸蟲肺部感染模型，證實巨噬細胞中組蛋白脫乙酰酶3的缺失可顯著降低炎性反應，改善病變癥狀。去甲基化酶Jmjd3通過促進組蛋白3的Lys27位點(H3K27)去甲基化而引起M2細胞標志分子的表達，從而導致巨噬細胞的M2細胞極化，這對于機體抗寄生蟲感染具有重要意義[15]。

機體對于感染或非感染因子的刺激而產生的M1/M2細胞調控機制對于許多生理活動具有重要意義，同時也可能為一些病理機制提出新的注解。最近有關糖尿病神經病變的研究發現，晚期糖基化終產物及晚期糖基化終產物受體對巨噬細胞極化具有調控作用。晚期糖基化終產物集聚于糖尿病小鼠神經組織，引起巨噬細胞M1細胞轉化，抑制M2細胞基因表達，是引起糖尿病相關神經病變的重要原因。阻斷晚期糖基化終產物受體通路被證明是改善該病變的重要途徑[36]。

4 結 語

可塑性是巨噬細胞的一個顯著特征，近年來巨噬細胞的極化受到了廣泛關注。極化的巨噬細胞能夠與各種因子相互作用，調節機體抗感染和抗腫瘤應答，并參與免疫調節、組織修復重塑等過程。巨噬細胞的極化在炎癥、代謝、腫瘤、神經退行性疾病、心血管疾病病等過程中具有重要意義。對巨噬細胞極化調控機制的研究，不但可加強對其本身活化、分化和功能效應的認識，也將為了解相關疾病的發生和發展機制提供新的線索。

[1] Gordon S.The macrophage: past,present and future[J].Eur J Immunol,2007,37(Suppl 1):S9-S17.

[2] Mosser DM,Edwards JP.Exploring the full spectrum of macrophage activation[J].Nat Rev Immunol，2008,8(12):958-969.

[3] Martinez FO,Sica A,Mantovani A,etal.Macrophage activation and polarization[J].Front Biosci,2008,1(13):453-461.

[4] Noel W,Raes G,Hassanzadeh Ghassabeh G,etal.Alternatively activated macrophages during parasite infections[J].Trends Parasitol，2004,20(3): 126-133.

[5] Fleetwood AJ,Dinh H,Cook AD,etal.GM-CSF-and M-CSF-dependent macrophage phenotypes display differential dependence on type Ⅰ interferon signaling[J].J Leukoc Biol,2009,86(2):411-421.

[6] Gordon S,Martinez FO.Alternative activation of macrophages: mechanism and functions[J].Immunity,2010,32(5):593-604.

[7] Wynn TA,Barron L,Thompson RW,etal.Quantitative assessment of macrophage functions in repair and fibrosis[J].Curr Protoc Immunol,2011,14:14-22.

[8] Mantovani A,Sica A,Sozzani S,etal.The chemokine system in diverse forms of macrophage activation and polarization[J].Trends in Immunol,2004,25(12):677-686.

[9] Lawrence T,Natoli G.Transcriptional regulation of macrophagepolarization: enabling diversity with identity[J].Nat Rev Immunol，2011,11(11):750-761.

[10] Varinou L,Ramsauer K,Karaghiosoff M,etal.Phosphorylation of the Stat1 transactivation domain is required for full-fledged IFNγdependent innate immunity[J].Immunity,2003,19(6):793-802.

[11] Martinez FO,Helming L,Gordon S.Alternative activation of macrophages: an immunologic functional perspective[J].Annu Rev Immunol,2009,27:451-483.

[12] Odegaard JI,Ricardo-Gonzalez RR,Goforth MH,etal.Macrophage-specific PPARγ controls alternative activation and improves insulin resistance[J].Nature,2007,447(7148):1116-1120.

[13] El Kasmi KC,Qualls JE,Pesce JT,etal.Toll-like receptor-induced arginase 1 in macrophages thwarts effective immunity against intracellular pathogens[J].Nature Immunol,2008,9(12):1399-1406.

[14] Takaoka A,Yanai H,Kondo S,etal.Integral role of IRF5 in the gene induction programme activated by Toll-like receptors[J].Nature,434(7030):243-249.

[15] Satoh T,Takeuchi O,Vandenbon A,etal.The Jmjd3-Irf4 axis regulates M2 macrophage polarization and host responses against helminth infection[J].Nat Immunol,2010,11(10):936-944.

[16] Fong CH,Bebien M,Didierlaurent A,etal.An antiinflammatory role for IKK through the inhibition of "classical" macrophage activation[J].J Exp Med,2008,205(6):1269-1276.

[17] Zhang W,Wang X,Xia X,etal.Klf10 inhibits IL-12p40 production in macrophage colony-stimulating factor-induced mouse bone marrow-derived macrophages[J].Eur J Immunol，2013,43(1):258-69.

[18] Rauh MJ,Ho V,Pereira C,etal.SHIP represses the generation of alternatively activated macrophages[J].Immunity,2005,23(4):361-374.

[19] Porta C,Rimoldi M,Raes G,etal.Tolerance and M2 (alternative) macrophage polarization are related processes orchestrated by p50 nuclear factor B[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2009,106(35):14978-1483.

[20] Xu H,Zhu J,Smith S,etal.Notch-RBP-J signaling regulates the transcription factor IRF8 to promote inflammatory macrophage polarization[J].Nat Immunol,2012,13(7):642-650.

[21] Liao X,Sharma N,Kapadia F,etal.Kruppel-like factor 4 regulates macrophage polarization[J].J Clin Invest,2011,121(7):2736-2749.

[22] Lund E,Güttinger S,Calado A,etal.Nuclear export of microRNA precursors[J].Science,2004,303(5654):95-98.

[23] Croce CM.Causes and consequences of microRNA dysregulation in cancer[J].Nat Rev Genet,2009,10(10):704-714.

[24] Latronico MV,Condorelli G.MicroRNAs and cardiac pathology[J].Nat Rev Cardiol,2009,6(6):419-429.

[25] Ponomarev ED,Veremeyko T,Barteneva N,etal.MicroRNA-124 promotes microglia quiescence and suppresses EAE by deactivating macrophages via the C/EBP-a-PU.1 pathway[J].Nat Med,2011,17(1):64-70.

[26] Zhuang G,Meng C,Guo X,etal.A novel regulator of macrophage activation: miR-223 in obesity-associated adipose tissue inflammation[J].Circulation，2012,125(23):2892-2893.

[27] Arranz A,Doxaki C,Vergadi E,etal.Akt1 and Akt2 protein kinases differentially contribute to macrophage polarization[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2012,109(24):9517-9522.

[28] Martinez-Nunez RT,Louafi F,Sanchez-Elsner T.The interleukin 13 (IL-13) pathway in human macrophages is modulated by microRNA-155 viadirect targeting of interleukin 13 receptor alpha1 (IL13Ralpha1)[J].Biol Chem,2011,286 (3):1786-1794.

[29] Xu F,Kang Y,Zhang H,etal.Akt1-mediated regulation of macrophage polarization in a murine model of Staphylococcus aureus pulmonary infection[J].J Infect Dis,2013,208(3):528-538.

[30] Banerjee S,Xie N,Cui H,etal.MicroRNA let-7c regulates macrophage polarization[J].J Immunol,2013,190(12):6542-6549.

[31] Litvak V,Ramsey SA,Rust AG,etal.Function of C/EBPdelta in a regulatory circuit that discriminates between transient and persistent TLR4-induced signals[J].Nat Immunol,2009,10(4):437-443.

[32] Maitra U,Gan L,Chang S,etal.Low-dose endotoxin induces inflammation by selectively removing nuclear receptors and activating CCAAT/enhancer-binding protein δ[J].J Immunol,2011,186(7):4467-4473.

[33] Yang J,Zhang Z,Chen C,etal.MicroRNA-19a-3p inhibits breast cancer progression and metastasis by inducing macrophage polarization through downregulated expression of Fra-1 proto-oncogene[J].Oncogene,2014，33(23)：3014-3023.

[34] Ye S,Xu H,Jin J,etal.The E3 ubiquitin ligase neuregulin receptor degradation protein 1(Nrdp1) promotes M2 macrophage?polarization by ubiquitinating and activating transcription factor CCAAT/enhancer-binding Protein β(C/EBPβ)[J].J Biol Chem,2012,287(32):26740-26748.

[35] Mullican SE,Gaddis CA,Alenghat T,etal.Histone deacetylase 3 is an epigenomic brake in macrophage alternative activation[J].Genes Dev,2011,25(23):2480-2488.

[36] Juranek JK,Geddis MS,Song F,etal.RAGE deficiency improves post injury sciatic nerve regeneration in type 1 diabetic mice[J].Diabetes,2013,62(3):931-943.