哮喘氣道重塑中smads蛋白變化及其對免疫的影響機(jī)制

婁春艷 綜述，李 敏 審校

(1.瀘州醫(yī)學(xué)院，四川 瀘州 646000;2.四川省醫(yī)學(xué)科學(xué)院·四川省人民醫(yī)院兒科，四川 成都 610072)

支氣管哮喘(哮喘)是呼吸道最常見的慢性疾病，其發(fā)病率及死亡率呈逐年上升趨勢［1］。哮喘患者的氣道重塑是長期炎癥刺激所導(dǎo)致組織損傷后不完全或過度修復(fù)所致，最終導(dǎo)致氣流不可逆性阻塞和氣道高反應(yīng)，是哮喘反復(fù)發(fā)作的病理基礎(chǔ)，同時(shí)也是哮喘不能完全根治的最主要原因。免疫異常是哮喘發(fā)病的核心機(jī)制，T細(xì)胞的免疫失衡在哮喘發(fā)病中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。近年來隨著研究的深入，單純的Th1/Th2平衡理論已不能完全解釋哮喘的發(fā)病機(jī)制，由初始CD4+T細(xì)胞分化的Thl7細(xì)胞和CD4+CD25+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(CD4+CD25+regulatory T cells，Treg)之間的平衡，已成為哮喘發(fā)病機(jī)制研究的新熱點(diǎn)。TGF-β/smads信號(hào)通路是哮喘氣道重塑的主要調(diào)控途徑之一，它直接影響氣道壁膠原蛋白的沉積，促進(jìn)纖維化的形成［2］。闡明smads蛋白家族對哮喘氣道重塑的影響將為我們進(jìn)一步研究提供理論基礎(chǔ)。本文對smads蛋白家族對哮喘氣道重塑的影響、Th17/CD4+CD25+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞與氣道重塑的關(guān)系、smads蛋白家族與哮喘氣道重塑中Th17/CD4+CD25+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞變化的相互作用作一綜述。

1 smads蛋白家族的來源、生物學(xué)特性

smads蛋白家族是在脊柱動(dòng)物、昆蟲和線蟲體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)錄因子家族，是迄今為止唯一一個(gè)被證實(shí)的TGF-β受體作用的底物。Raftery等［31］首先在果蠅體內(nèi)發(fā)現(xiàn)可以補(bǔ)救dpp缺失突變的分子，命名Mad(mothers against dpp)，它是Dpp受體信號(hào)傳遞必需的下游效應(yīng)分子。隨后savage等［4］通過對線蟲進(jìn)行基因分析克隆出Mad相關(guān)基因sma-2、sma-3、sma-4，它們共同存在一個(gè)保守的結(jié)構(gòu)域，是Mad同源物，可以形成復(fù)合物協(xié)同發(fā)揮作用，所以將Mad和sma蛋白及其類似物統(tǒng)一命名為 smad。根據(jù)smads蛋白家族結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)將其分為3類:①受體調(diào)節(jié)型Smads蛋白(receptor-regulated smads，R-smads)包括 smad1、smad2、smad3、smad5 和 smad8，研究［5］表明smads蛋白家族是細(xì)胞內(nèi)重要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白，直接參與 TGF-β、骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogeneticprotein，BMP)、活化素等的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，其中smad2和 smad3能被活化素、TGF-βI受體激活;而smad1、5和8能被BMP-I型受體磷酸化而激活;②通用調(diào)節(jié) smads蛋白(common-mediator smads，smad4)smad4可以與被磷酸化后的R-smads形成異源性多聚體，這些復(fù)合物轉(zhuǎn)入細(xì)胞核內(nèi)與DNA轉(zhuǎn)錄因子、不同的smad結(jié)合原件、轉(zhuǎn)錄共激活劑或者共抑制劑結(jié)合，正性或負(fù)性調(diào)控靶基因的表達(dá)［6］對于R-smads發(fā)揮功能是必不可少的;③抑制型smads蛋白(Anti-smads)，包括 smad6與 smad7，大多數(shù)靜息狀態(tài)的細(xì)胞中，Anti-smads主要存在于細(xì)胞核內(nèi)，當(dāng)外界因素作用時(shí)，其將從細(xì)胞核進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮作用比如TGF-β刺激、活化素和BMP信號(hào)等［7］，其中smad7作用較為廣泛，對R-smads均有抑制作用，而smad6對抑制BMP的信號(hào)更有特異性，故僅對smad1、5和8具有抑制作用。另外研究表明［8］smad7也可以在細(xì)胞核內(nèi)直接發(fā)揮作用，從而抑制特定基因轉(zhuǎn)錄。

2 smads蛋白家族對哮喘氣道重塑的影響

哮喘的發(fā)病機(jī)制較為復(fù)雜，目前大多認(rèn)為與免疫機(jī)制有關(guān)，涉及到多種細(xì)胞、炎癥介質(zhì)及細(xì)胞因子，而氣道炎癥及氣道重塑是哮喘發(fā)生及反復(fù)發(fā)作的病理基礎(chǔ)。近年來人們把哮喘防治研究的重點(diǎn)放在延緩氣道重塑上，目前發(fā)現(xiàn)TGF-β/smad信號(hào)通路是導(dǎo)致哮喘氣道重塑發(fā)生的重要信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制之一。Smads蛋白家族是細(xì)胞內(nèi)重要的TGF-β信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和調(diào)節(jié)分子，是唯一比較明確的TGF-β信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的下游信號(hào)蛋白，smads蛋白可逆的磷酸化作用在適當(dāng)?shù)腡GF－β信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中起關(guān)鍵作用［9］smads蛋白家族中 smad2、smad3、smad4、smad7 均參與 TGF-β信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，在哮喘氣道重塑中發(fā)揮著重要作用。

2.1 R-smad與哮喘氣道重塑的發(fā)生 R-smad與哮喘氣道重塑的發(fā)生存在相關(guān)性，smad2、smad3可以促進(jìn)纖維母細(xì)胞向纖維細(xì)胞分化，促進(jìn)氣道肌成纖維細(xì)胞增殖。Lisa等［10］通過過表達(dá) TGF-β、smad2可以增加氣道膠原蛋白沉積，平滑肌增生，明顯導(dǎo)致氣道平滑肌增厚，由此推測smad2與哮喘氣道重塑有關(guān)。Rosendahl應(yīng)用雞卵清蛋白(ova)制備小鼠哮喘模型，應(yīng)用免疫組化及RT-PCR方法檢測smad蛋白發(fā)現(xiàn)健康小鼠肺組織中幾乎無smad3蛋白的表達(dá)，而哮喘小鼠中smad3蛋白表達(dá)水平顯著上調(diào)。Park等［11］研究通過抑制 smad2、smad3的磷酸化，下調(diào) TGF-β-Ⅰ型和Ⅱ型受體的表達(dá)，降低TGF-β誘導(dǎo)的報(bào)告基因的活性，可以抑制α-SMA、纖連蛋白、膠原纖維在人的纖維母細(xì)胞中表達(dá)，表明抑制Smad2、3的活性能抑制纖維母細(xì)胞分化，由此推測哮喘小鼠中smad3、smad2蛋白高表達(dá)與哮喘氣道肌成纖維細(xì)胞增殖相關(guān)。Dijke等［12］研究發(fā)現(xiàn)磷酸化后的smad2、smad3可以使內(nèi)皮細(xì)胞表型向間質(zhì)細(xì)胞表型轉(zhuǎn)化。Gregory等［13］研究發(fā)現(xiàn)smad3基因缺陷的小鼠經(jīng)過敏原的長期刺激可見支氣管周圍肌成纖維細(xì)胞的數(shù)目減少、纖維化程度降低。國內(nèi)孫祝美等［14］的研究通過RT-PCR及Westen Blotting測定慢性哮喘大鼠模型肺組織中 smad2mRNA、smad7mRNA表達(dá)和smads蛋白表達(dá)發(fā)現(xiàn)肺組織中smad2mRNA、smad2蛋白高表達(dá)，而 smad7mRNA、smad7蛋白低表達(dá)，由此推測在慢性哮喘發(fā)生中，R-smads蛋白有作用。但具體如何發(fā)揮作用的仍需進(jìn)一步研究。

2.2 CO-Smads與哮喘氣道重塑 CO-Smads即smad4是整個(gè)TGF-β/smad信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，一旦其表達(dá)異常將會(huì)影響TGF-β/smad的生物學(xué)功能，Smad4主要與磷酸化的R-smads蛋白形成異源性多聚體發(fā)揮作用。研究表明在哮喘大鼠氣道重塑模型中發(fā)現(xiàn)TGF-β1、smad3與smad4蛋白高表達(dá)與氣道重塑程度成正相關(guān)［15，16］。

2.3 Anti-Smad與哮喘氣道重塑 Anti-Smad包含smad6與smad7，其主要通過抑制活化的R-smad而發(fā)揮作用，smad7可以對TGF-β、活化素、BMP信號(hào)傳導(dǎo)均有抑制性，但smad6僅對BMP信號(hào)具有特異性，所以哮喘氣道重塑中主要是smad7通過阻斷TGF-β/smad信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)發(fā)揮作用。smad7可以與活化的TGF-β的Ⅰ型受體結(jié)合后阻止smad2與其結(jié)合和發(fā)生磷酸化，smad7主要表達(dá)與支氣管上皮細(xì)胞，Sagara等［17］發(fā)現(xiàn)哮喘患者支氣管上皮細(xì)胞中smad7蛋白表達(dá)較正常組低表達(dá)，且與哮喘氣道重塑程度呈負(fù)相關(guān)，體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)取消內(nèi)源性smad7可以增強(qiáng)TGF-β的表達(dá)，而過表達(dá)smad7抑制TGF-β的表達(dá)，由此推測是否通過人為增加smad7蛋白表達(dá)就可以延緩或者減少氣道重塑的發(fā)生。

3 Th17/CD4+CD25+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞與哮喘氣道重塑的關(guān)系

目前人們認(rèn)為機(jī)體內(nèi)Th17/CD4+CD25+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞存在動(dòng)態(tài)平衡，二者既存在密切相關(guān)聯(lián)系，在生物學(xué)功能及分化過程中又相互拮抗，TGF-β是調(diào)節(jié)分化的關(guān)鍵因子，單獨(dú)存在時(shí)使活化的CD4+T細(xì)胞向CD4+CD25+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞分化，當(dāng)與IL-6或者IL-23同時(shí)存在時(shí)趨向于向Th17分化，CD4+CD25+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞還能通過自身分泌的TGF-β促進(jìn)Th17細(xì)胞的發(fā)育。體外試驗(yàn)研究表明［18］氣道局部的IL-17可以促進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)細(xì)胞(支氣管纖維母細(xì)胞、上皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、上皮細(xì)胞及成纖維細(xì)胞)的活化，使這些細(xì)胞高度表達(dá)IL-6、IL-8和GCSF等細(xì)胞因子，進(jìn)而促使中性粒細(xì)胞活化和趨化，加重氣道炎癥;此外，活化的中性粒細(xì)胞所產(chǎn)生的中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶是一種絲氨酸蛋白水解酶，能降解彈性蛋白并促進(jìn)氣道腺細(xì)胞分泌，是影響氣道和肺組織結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。Sagara等［17］、Bullens等［19］的研究均證實(shí)，中重度持續(xù)的哮喘患者中均可發(fā)現(xiàn)高水平IL-17AmRNA表達(dá)，中性粒細(xì)胞蛋白酶能夠增大支氣管內(nèi)成纖維細(xì)胞介導(dǎo)的膠原纖維的收縮反應(yīng)，由此推測IL-17間接參與了氣道重塑的發(fā)生。Kearley等［20］研究證實(shí)CD4+CD25+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞細(xì)胞活性與哮喘發(fā)展相關(guān)，它可以通過IL-10減輕急性過敏性炎癥、氣道高反應(yīng)及氣道重塑的發(fā)生。龐英等［21］應(yīng)用OVA制備小鼠哮喘模型發(fā)現(xiàn)，哮喘小鼠脾單個(gè)核細(xì)胞中CD4+CD25+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞百分率較正常小組顯著降低。黃花榮等［22］研究證實(shí)CD4+CD25+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞與哮喘的嚴(yán)重程度具有相關(guān)性，哮喘患兒病情越嚴(yán)重，患兒外周血 CD4+CD25+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞表達(dá)水平越低。由此推測哮喘患者體內(nèi)Th17細(xì)胞數(shù)量及CD4+CD25+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞數(shù)量表達(dá)異常與氣道炎癥和氣道重塑的發(fā)生相關(guān)，Th17/CD4+CD25+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞平衡失調(diào)影響了哮喘患者疾病的嚴(yán)重程度。

4 氣道重塑中Smads蛋白家族對Th17/CD4+CD25+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的影響

在既往的研究中證實(shí)，smads蛋白家族、Th17/CD4+CD25+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞之間的平衡紊亂在哮喘氣道重塑的發(fā)生發(fā)展中具有重要作用，而TGF-β/smad信號(hào)通路是導(dǎo)致哮喘氣道重塑發(fā)生的重要信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制之一。但目前研究對TGF-β/smads信號(hào)通路如何影響CD4+CD25+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞和Th17細(xì)胞分化增殖的途徑尚不清楚。牟達(dá)等［23］表明在TGF-β誘導(dǎo)的CD4+CD25+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞生成中FOXP3的表達(dá)與smad4的表達(dá)呈負(fù)相關(guān)。Tone等［24］最初認(rèn)為FOXP3的第一增強(qiáng)子存在于smad3的作用位點(diǎn)，在iTreg分化的初期smad3就開始在此結(jié)合并促進(jìn)foxp3的表達(dá)，當(dāng)Smad3結(jié)合位點(diǎn)突變或者人們早期應(yīng)用smad3的抑制劑就會(huì)導(dǎo)致CD4+CD25+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞體外分化的完全消失，但隨后Takimoto等［25］的研究提示 smad2和 smad3在 CD4+CD25+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的分化中具有互補(bǔ)作用，當(dāng)smad3缺失時(shí)，smad2可以承擔(dān)相應(yīng)的作用而維持CD4+CD25+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的分化，只有smad2和smad3都缺失時(shí)，CD4+CD25+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的分化才會(huì)被完全抑制，由此推測smad2和smad3調(diào)控CD4+CD25+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的分化。Martinez等［26］研究表明 smad2在RORYt的協(xié)同作用下可以促進(jìn)Th17細(xì)胞的生成，敲除smad2蛋白基因的小鼠體內(nèi)Thl7細(xì)胞的反應(yīng)降低，Smad2缺陷的小鼠體內(nèi)T細(xì)胞分化成Thl7細(xì)胞的能力減少，由此推測smad2與Th17細(xì)胞的生成呈正相關(guān)。Fantini等［27］研究表明FOXP3可以通過下調(diào)smad7來增強(qiáng)TGF-β信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，從而介導(dǎo)tregs的細(xì)胞發(fā)揮免疫抑制作用。當(dāng)T細(xì)胞中缺乏smad7時(shí)可以延緩TH1細(xì)胞的應(yīng)答反應(yīng)及外周T細(xì)胞的增殖，但是對Th17細(xì)胞的應(yīng)答反應(yīng)卻無影響。由此推斷在哮喘氣道重塑中smads蛋白家族同樣影響了Th17及CD4+CD25+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞細(xì)胞的分化和平衡調(diào)節(jié)，是我們今后進(jìn)一步研究哮喘發(fā)病機(jī)制和降低疾病嚴(yán)重性的新的方向之一。

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