激活芳香烴受體信號通路對白癜風和糖尿病的治療作用

趙麗鳳，沈建英，譚余慶，王洋

（中國中醫科學院 中藥研究所，北京 100029）

機體內氧化還原水平失衡是眾多疾病的病理、生理基礎，近年來新發現的機體內源性抗氧化應激（oxidative stress, OS）的芳香烴受體（aryl hydrocarbon receptor, AHR）信號通路參與調控數百種靶基因的轉錄表達，具有重要的生物學功能。能夠通過線粒體生物合成及損傷修復，增加黑素細胞凋亡，參與白癜風黑素細胞的OS過程。AHR信號通路能夠抑制胰島素分泌，成為體內葡萄糖、膽固醇和脂質代謝平衡的潛在調節劑，緩解OS造成的黑素細胞凋亡，給白癜風和糖尿病的治療提供了新的思路。

1 OS

在氧化能量代謝過程中產生的氧自由基統稱為活性氧（ROS）。過量的ROS損害DNA、蛋白質和脂類，ROS不斷生成，導致線粒體生成腺苷三磷酸，黃嘌呤氧化酶降解嘌呤核苷酸，一氧化氮合酶產生一氧化氮等等，造成細胞內氧化與抗氧化系統失衡，從而產生OS。既有內因也有外因，外因指接觸環境污染、石化制品或重金屬；內因指急慢性感染及血糖調節異常。外部刺激，如電離和紫外線（UV）輻射、環境污染物、接觸過敏原和藥物都能有效誘導ROS產生。此外也與生活方式有關，如飲酒、吸煙、過度運動、服用藥物、過量進食，過多的進行紫外線輻射和缺乏營養物質等。

輕微的OS可引起機體的保護反應，例如免疫反應引發線粒體低毒興奮效應、抗衰老等作用。嚴重的則可導致細胞的凋亡或壞死，導致病理改變或引發疾病。OS導致許多皮膚病，包括白癜風、過敏性皮炎、斑禿、光老化、癌變和細胞毒性[1-10]。

2 AHR信號通路

AHR是一種異型生物小型化學傳感器，是一種配體激活的轉錄因子。最近研究表明，與調節性T細胞（Treg）誘導分化有關，調控數百種靶基因的轉錄表達，具有抗OS的作用。AHR以緩解環境污染物的毒性反應著稱，如2，3，7，8-四氯二苯即二惡英（TCDD）。

2.1 AHR信號通路的組成和激活機制

AHR基因位于人染色體7p15，具有11個外顯子和10個內含子，805個氨基酸，分子量為110～150 kD，屬于基本螺旋-環-螺旋/Per-Arnt-Sim（Basic helix-loop-screw/Per-Arnt-Sim, bHLH-PAS）轉錄因子家族，調控細胞色素p450家族中的藥物代謝酶：Cyp1a1，Cyp1a2和Cyp1b1。與AHR結合的物質稱為“配體”，分為內、外源性，包括天然營養物質和人為的多環芳烴，如TCDD、其他環境污染物和多環芳烴（PAHs）。AHR與其結合會引發適應和特異性的細胞內反應。

AHR由2個具有轉錄活性的核轉運蛋白二聚體（AhR nuclear transportor, ARNT）組成，識別下游基因啟動子中的二惡英反應元件（DRE）[11]。目前已確認哺乳動物的AHR-ARNT異質二聚體的晶體結構，其結構相似，都包含：1個內部的PAS區域，即PAS-A和PAS-B，和1個氨基端基本-螺旋-環-螺旋區域（bHLH）和c端轉錄激活區域（TAD）（見圖1A）。bHLH結合DNA與PAS-A一起影響AHR-ARNT二聚化，AHR的PAS-B區域與不同的配體結合，觸發AHR核轉位、二聚作用和轉錄激活。ARNT在AHR周圍卷曲纏繞形成不對稱結構[12]，AHR和ARNT的bHLH和PAS-A區域通過AHR殘基形成大量的區域和跨區域之間的交互作用，符合不對稱的結構性質（見圖1B）。在AHR中bHLH和PAS-A之間具有大量的域間聯系，但是在ARNT中沒有（見圖1C）。雖然整體對稱，但是AHR和ARNT的bHLH是偽對稱排布的，其N-末端螺旋形成鑷子一樣的臂鞘延伸到DRE反面的深溝內（見圖1B）。每個AHR和ARNT能反應DRE結合的表面特征，其表面深入到DRE的深溝內，夾于2個帶正電荷的窄帶之間，與帶負電荷的DRE邊緣聯系，單個AHR和ARNT的靜電位反映二聚化和DRE結合的獨特表面特征和模式（見圖1C）。嵌入到主要的DRE深溝中被夾在2個帶正電的表面上接觸由磷酸基形成的帶負電荷的邊緣。在靠近DRE-位點處是廣泛、更疏水性的二聚化表面，表明AHR轉錄復合體的二聚化界面在很大程度是由疏水基團決定[13]。AHR通過蛋白質之間的相互作用對NF-κB、ARNTL、CCNT1、ESR1、NCOA1、NEDD8、NRIP1等信號通路都造成影響[14]。

圖1 帶有DRE的AHR-ARNT二聚體復合物的總體結構

2.2 AHR信號通路的作用

AHR的早期研究集中于多環芳烴的毒性激活、環境污染物方面，最近的研究強調AHR在正常生理和發育方面的重要作用。AHR信號通路會影響新陳代謝、葡萄糖代謝、脂質代謝和線粒體功能，調控環境毒性和免疫毒性機制、晝夜節律、繁殖、氧化還原反應、自身免疫、器官形成、黏膜屏障功能、脂肪毒性、以及細胞周期和各種各樣的細胞內過程。它調節先天免疫細胞的增殖、分化和細胞因子的分泌，特別是T輔助（Th）-17、調節T細胞（Tregs）和樹突狀細胞（DCs），在自身免疫中發揮著重要的作用。此外，AHR也與許多炎癥和能量調節有關。生化和遺傳研究表明，AHR對許多生理功能是必不可少，包括抵抗感染、肝臟對內毒素的耐受力[15-16]。AHR是一種強有力的抑制炎癥、OS和細胞凋亡的信號通路，是全球可預防死亡的主要原因。且AHR與胎兒皮膚的形成、表皮創面愈合、皮膚癌變和破壞組織再生等有關系。

2.2.1 白癜風與氧化應激 白癜風是皮膚表皮黑色素細胞失去功能或破壞的獲得性自身免疫疾病，目前病因尚不清楚，但是與遺傳易感性、自身免疫、OS和黑素細胞的異常有關。它會影響皮膚、頭發、眼睛等任何部位，皮膚脫色，且病變速度和程度是可變的、無法預測的。嚴重的會影響患者的身心健康及學習、工作、日常生活等[17]。

OS可誘發自身免疫反應，使表皮黑色素細胞基礎層退化。直接導致黑素細胞功能障礙和損傷，破壞核酸、脂質和蛋白質，導致細胞死亡，在白癜風發病中發揮核心作用，可能是發病的起始因素。白癜風患者在進展期時皮膚中H2O2濃度高達10-3mol/L，是正常生理濃度的103～104倍。并且患者的皮膚損傷組織和血漿中的脂質過氧化反應終產物丙二醛（MDA）含量與外周血中單核細胞DNA氧化含量升高。因此，說明OS是白癜風發病機制的主要誘因，基因研究表明細胞自身免疫功能異常，患者外周血液和病灶周圍的黑色素細胞T浸潤，細胞毒性水平升高，存在局部系統性氧化損傷。黑素細胞損傷的理論是T細胞的自身免疫毒性，氧化-抗氧化失衡，遺傳因素，神經機制或多因子的機制，氧化應激也可能由于表皮過氧化氫（H2O2）過量生產，導致黑素細胞損傷。此外，ROS和免疫系統會相互作用，從而引發白癜風的發病與放大。此外，體液反應也可能導致疾病的發展，但是白癜風主要是T細胞介導的，且Nrf2-ARE途徑中及其下游的抗氧化酶HO-1可以減輕人類黑素細胞中H2O2誘導的氧化損傷。

2.2.2 AHR信號通路對白癜風的作用 目前關于AHR信號通路與白癜風發病關系的研究較少。皮膚是人體最外層的器官，易受外源及內源性AHR配體的影響，受到AHR信號的調控。AHR在絕大多數正常人皮膚細胞中也是表達的，如黑素細胞、角質形成細胞、朗格漢斯前體細胞、成纖維細胞、γδT細胞及皮脂腺細胞，AHR是表皮角化細胞中大量表達的異生物化學傳感器[18]。AHR在免疫調節、皮膚解毒、皮膚穩態、色素沉著及抗氧化等方面密切相關。OS會對皮膚的正常分化和屏障功能產生不良影響，是白癜風的誘因之一，導致黑素細胞破壞，涉及氧化應激和黑色素合成的基因對于白癜風的發展至關重要。ROS加劇抗氧化系統異常致使ROS過量積累，線粒體內膜增多，膜電位降低，DNA拷貝減少，黑素細胞凋亡增加。使用H2O2建立的黑素細胞氧化應激模型中AHR發生核轉位，通路下游的靶基因上調，具有多個氧化修飾位點，使AHR構象改變，信號通路激活。AHR調節c-src-EGFR-MAPK信號通路或細胞周期，促使成纖維細胞分泌TGF-β，促進角質形成細胞的分化及遷移，分泌IL1-β及IL-8，維護皮膚屏障的功能，抑制特應性皮炎發病，參與創面修復過程，參與線粒體氧化損傷調控的細胞凋亡。為維持皮膚內穩態，ROS的過量生產應該被中和或最小化。許多抗氧化劑通過AHR相關的NRF2激活調控皮膚的角質細胞[19-23]，某些抗氧化劑能使絲氨酸表達（FLG）上調，對表皮屏障功能具有重要的作用[24]。最近研究表明，AHR對黑素細胞穩態的具有強烈的作用，可通過改善人類黑色素細胞中TYR/TYRP2或SCF/c-Kit表達水平，激活AHR通路刺激黑素合成或增殖分化，AHR缺陷小鼠由于SCF/c-Kit水平降低導致的尾部皮膚色素沉著減少，黑素細胞數量減少。此外，在白癜風患者的表皮中觀察到AHR和其靶基因的表達下降[25]。SP1與AHR啟動子之間的異常作用導致人類疾病中AHR下調。且AHR啟動子變異對AHR轉錄的調控對白癜風有深遠的影響，該數據意味著AHR的突變或功能障礙可能與白癜風有關[26]，可能也參與黑素細胞的OS損傷過程。患者皮損內AHR及其下游靶基因CYP1A1、COX2、抗氧化分子（Nrf2、NQO1、GST等）表達下降，內源性配體（色氨酸代謝產物）減少。黑素細胞暴露在壓力之下會損害它們的生理機能并導致生成ROS，黑色素細胞分泌/釋放HSP70（在某種程度上是與黑素細胞相關的抗原）激活轉移到皮膚淋巴結的CD4細胞，特別是CD8 T細胞，通過穿孔素或顆粒酶途徑殺死剩余的黑色素細胞，應用突變HSP70iQ345A去阻斷HSP70激活并保持自身免疫和相關的脫色，讓黑素細胞干細胞分化，在色素再生時遷移到皮膚的深染區（見圖2），OS抑制AHR信號通路，會導致ROS增多，線粒體膜電位減少，ATP合成能力降低，黑素細胞增殖抑制，凋亡明顯[27]。因此，充分地表明AHR信號通路對白癜風的產生與發展具有重要的作用。且研究結果表明AHR能夠通過保護線粒體的功能，來防止OS對黑素細胞的損傷，且AHR表達異?；蚣せ钫系K會使線粒體氧化損傷加重及黑素細胞凋亡，因此說明AHR在白癜風發病過程中具有極其重要的作用。也有研究表明黑素細胞中的AHR抗氧化信號通路能夠維持線粒體穩態，修復線粒體的氧化損傷，緩解黑素細胞損傷，對白癜風起到緩解作用。

2.2.3 糖尿病及其并發癥與氧化應激 糖尿病是一種代謝障礙疾病，包括1型糖尿病（胰島素分泌細胞自身免疫性損傷，type 1 diabetes mellitus, T1DM），或者2型糖尿?。ㄒ葝u素抵抗，type 2 diabetes mellitus,T2DM），或兩者的結合，近年來T2DM發病率逐漸升高。2013年國際糖尿病聯盟（IDF）統計20～79歲成人的全球患病率為8.35%，人數高達3.82億；在中國占9.6%，人數為9 840萬。

圖2 外界刺激導致OS損傷，導致黑素細胞調亡誘導白癜風的圖示

許多研究表明，T2DM患者的血液循環中游離脂肪酸、瘦素和其他循環因子升高，導致ROS的過度生產，且OS的評價指標MDA顯著增加[28]，導致氧化損傷，同時抗氧化防御機制減少，產生大量的ROS，攻擊脂質、核酸和蛋白質等，引起氧化損傷，干擾第二信使信號的正常轉導，NADPH氧化酶激活，直接導致胰島β細胞功能損傷，發生DN，并影響外周組織對胰島素的敏感性[29]，導致腎小球、神經元、內皮細胞等損傷并引起DN并發癥[30-32]。在T2DM患者中ROS增加被認為會激活許多有害的途徑包括己醣胺途徑及高級糖化終產物（AGEs）和PKCβ1/2的形成。糖尿病患者病程長，服用藥物種類多，并發癥涉及周圍神經病變、腎臟病變、心血管病變、足部病變、感染等?？寡趸瘎┠苡行б种评w維連接蛋白、TGF-β等的表達，使腎小球細胞外基質的沉積減少，腎小管上皮間質轉化減輕，以上表明OS在DN及其并發癥中具有重要作用。

2.2.4 AHR信號通路對糖尿病及其并發癥的作用T2DM是一種嚴重的代謝疾病，主要特征是體內葡萄糖和脂質代謝平衡的紊亂，是代謝綜合征（Mets）。AHR已被確認為是體內葡萄糖平衡和脂質代謝的潛在調節劑[33]。研究表明血清中AHRT活性是糖尿病腎病的危險因素，因此，嚴格控制血壓對DN患者也是有利的，DN腎病發病與代謝異常有關，包括：OS和ROS產生，大分子的非酶糖基化，葡萄糖代謝酶的活化及細胞因子和其他體液失衡。從流行病學角度講，暴露的AHR配體（如多環芳烴）與T2DM有關。AHR通路可以緩解TCDD毒性反應，參與調節壓力基因、糖原生成和脂質代謝的基因，通過野生型老鼠與敲除AHR基因的老鼠檢測葡萄糖耐量、胰島素抵抗、過氧化物酶體增殖物激活受體α（PPARα）（關鍵的葡萄糖生成和脂肪酸氧化酶）以及影響葡萄糖代謝或脂肪酸氧化和時鐘節律的基因，表明AHR基因敲除的老鼠胰島素敏感性和葡萄糖耐受性提高，PPARα下降，表明AHR對糖尿病有重要的意義。與正常胰島比較，糖尿病患者胰島的ARNT信使RNA減少90%。下調ARNT表達，刺激胰島素的分泌，降低Min β-6細胞系中血糖。小鼠缺乏ARNT的β-細胞表現出糖耐量異常，刺激受損的胰島分泌胰島素，且胰島基因表達的變化與人類T2DM相似。通過突變檢測、病例對照研究和基因表達分析表明AHRT基因是T2DM和糖前期研究的位點和功能的候選人。AHR是重要的免疫反應信號分子，可調節炎癥和T細胞反應之間的平衡和先天免疫細胞的分化程序[34]。AHR激活阻止NOD模型鼠中胰島損傷和Foxp3+調控的單個效應T細胞的發展[35]。最近的流行病學研究揭示了環境因素，尤其是與交通有關的空氣污染與糖尿病或代謝綜合征之間的聯系。表明持久性有機污染物和多環芳烴（PAH），特別是TCDD與胰島素抵抗的T2DM有關。TCDD激活AHR受體可以預防小鼠糖尿病，并增加胰腺淋巴結中的Foxp3+T細胞，且由生理配體激活的AHR應維持一個健康水平，非降解分子如TCDD的持續和強激活會損傷AHR的重要功能[36]，引發糖尿病。與TCDD的激活相比，缺乏AHR會影響脂質和葡萄糖代謝，或代謝綜合征的參數，尤其是在動物衰老的時候，且AHR敲除老鼠的葡萄糖耐量受損，研究表明T2DM隨著年齡的增長而發展，受遺傳、環境和不良生活方式的影響。環境因素如與AHR激動劑接觸的鎘[37]、汞等，影響胰島素分泌，葡萄糖穩態，并增加T2DM的發生率[38]。在細胞質中TCDD與AHR結合，TCDDAHR復合物轉移到細胞核，與ANT形成異質二聚體，與靶基因啟動子的異型區域結合，加速轉錄，導致生物反應或毒性，并抑制胰島素的分泌[39]，對DN造成影響。AHR信號通路調控TCDD的暴露，抑制胰島素分泌的第二階段，使胰島素含量減少，AHR在體內可調節葡萄糖、膽固醇、能量和脂質代謝的平衡，給DN治療提供了新的思路。首先，AHR在新陳代謝活躍的組織中表達非常強烈，包括肝臟、脂肪組織和巨噬細胞。其次，在肥胖老鼠體內，AHR和它的目標基因的表達增加。第三，AHR敲除小鼠表現出自發的脂質積累和肝纖維化。此外，全面分析低劑量TCDD處理小鼠的基因表達發現肝臟AHR與脂質、葡萄糖和膽固醇代謝有關。最后，識別出內源性配體或激活物，如花生四酸代謝物、改良的LDL和葡萄糖，都與能量和脂質代謝有關。因此，促進AHR信號通路能夠有效地促進胰島素分泌，從而對糖尿病起到治療的作用。

3 結語

AHR信號通路在生物體中起到重要作用，對OS所造成的白癜風、糖尿病等疾病也能起到良好的作用。AHR對新陳代謝、葡萄糖代謝、脂質代謝和線粒體功能、自身免疫調節等正常生理和發育方面具有重要的作用，因此，對AHR信號通路的了解有助于更加全面的了解其在維持機體氧化還原平衡的作用，為治療OS引起的疾病供新思路，為多種疾病的治療提供新途徑。