調控巨噬細胞極化的相關信號通路及其調節機制研究進展①

劉利萍 張焱皓 李 茂 秦 歡 羅軍敏

（遵義醫科大學免疫學教研室，貴州省免疫分子應用研究工程中心，遵義563000）

作為機體固有免疫系統的重要組成部分，巨噬細胞具有吞噬并殺傷病原微生物、免疫信息傳遞等功能，在炎癥防御、組織發育和維持機體動態平衡等過程發揮重要作用。靜息巨噬細胞在體內外不同微環境信號作用下，可發生形態、功能及表型分化，即巨噬細胞極化。根據其免疫學功能差異可將極化的巨噬細胞分為：經典激活途徑的M1型巨噬細胞和替代激活途徑的M2型巨噬細胞。巨噬細胞極化受信號通路、轉錄因子、表觀遺傳機制和轉錄后調控因子等多種分子控制，在機體微環境變化過程中發生相應的功能轉換，影響疾病進程和轉歸，而這種功能轉換與信號通路的選擇性基因表達調控密切相關［1］。其中，信號通路受到廣泛關注。探索巨噬細胞極化的相關信號通路調控機制有利于闡明疾病的發生發展機制，為針對性地防治疾病提供新思路。本文對調控巨噬細胞極化的相關信號通路及其調節機制的最新研究進展進行綜述。

1 巨噬細胞極化

1.1 M1型巨噬細胞 在LPS和/或IFN-γ的刺激下，巨噬細胞可極化為M1型巨噬細胞，其細胞表面有MHC-Ⅱ分子、CD80、CD86等特異性標志物，以高表達IL-12和IL-23、低表達IL-10為表型特征，可產生活性氧、誘導性一氧化氮合酶（iNOS）以及生成大量TNF-α、IL-6和IL-1β等致炎因子。M1型巨噬細胞通過產生趨化因子CXCL9/MIG和CXCL10/IP-10吸引Th1淋巴細胞，并在Th1淋巴細胞介導的細胞免疫中或在活化的Toll樣受體（TLR）參與下被激活，參與Th1對病原微生物的反應，在殺傷病原菌、抵抗寄生蟲和腫瘤細胞及抗炎反應等生理病理過程中發揮重要作用［2］。

1.2 M2型巨噬細胞 與經典激活的M1型巨噬細胞不同，M2型巨噬細胞具有免疫調節作用，高表達抗炎細胞因子IL-10、IL-13、轉化生長因子（TGF-β）等分子，促進炎癥消退及病原體免疫逃逸，抑制寄生蟲、促進組織修復及腫瘤發展。根據M2型巨噬細胞誘導微環境及功能特征不同，可將其細分為M2a、M2b、M2c和M2d 4個亞型。M2a型巨噬細胞由IL-4和IL-13刺激分化，高表達精氨酸酶1（Arg1）、甘露糖受體（CD206）和清道夫受體（SR），低表達iNOS，促進細胞生長、凋亡細胞清除及組織修復。M2b型巨噬細胞由免疫復合物刺激分化，高表達IL-10，低表達IL-12，促進細胞成熟，抑制炎癥反應及淋巴細胞活化。M2a和M2b型巨噬細胞具有免疫調節功能，可參與Th2型細胞免疫反應。M2c型巨噬細胞由IL-10刺激分化，主要表達類幾丁質酶3樣分子3（Chi3L3）、穿透素3（PTX3），低表達IL-12和iNOS，抑制炎癥反應，發揮免疫抑制和組織重塑作用。M2d型巨噬細胞也稱為腫瘤相關巨噬細胞（TAM），抑制促炎M1型巨噬細胞，促進血管生成、傷口愈合及腫瘤細胞生長。

M1型和M2型巨噬細胞分子標記物差異顯著，功能相互拮抗，但二者在特定條件下可發生表型選擇性程序重排而相互轉化，而巨噬細胞在維持M1/M2表型平衡過程中涉及多種信號通路調節機制。

2 調控巨噬細胞極化的相關信號通路及其調節機制

巨噬細胞極化是多因子相互作用的復雜過程，受胞內多種信號分子及其通路調控。近年關于巨噬細胞極化相關信號通路的研究不斷深入，研究較為成熟的通路主要有JAK/STAT信號通路、PI3K/Akt信號通路、JNK信號通路、Notch信號通路及B7-H3/STAT3信號通路，研究表明丙酮酸激酶2（PKM2）/過氧化物酶體增殖物激活受體輔激活因子1β（TCA/PGC-1β）信號通路可能參與M2型巨噬細胞轉化［3］。本文將對4條主要的信號通路及其調節機制進行綜述。

2.1 JAK/STAT信號通路 JAK/STAT信號通路通過調控血細胞對各種細胞因子的反應參與細胞發育及免疫調節等重要生理過程，與肺癌、潰瘍性結腸炎等多種疾病發生發展密切相關［4-5］。與細胞因子結合后，受體二聚化使其偶聯的JAKs相互靠近并磷酸化各自的酪氨酸殘基繼而催化受體磷酸化，形成STAT停泊位點。STAT結合該位點時發生磷酸化激活形成二聚體，進入細胞核并結合特定DNA靶序列調節相應下游基因轉錄和表達［6］。

2.1.1 JAK/STAT信號通路介導的巨噬細胞極化 現已發現的JAKs和STATs家族成員分別包括JAK1-3、TYK2和STAT1-4、STAT5a、STAT5b及STAT6［7］。根據各細胞因子轉導JAK和STAT成員的特定組合可將巨噬細胞激活的通路分為以下幾種：①JAK/STAT1途徑：IFN-γ通過JAK/STAT1途徑促進人唾液腺導管細胞中CXCL10分泌，促使巨噬細胞發生M1型極化。而IFN-α和IFN-β通過負反饋調節抑制STAT1磷酸化，抑制M1型極化［8］。②JAK/STAT3途徑：研究發現，CaMKKβ在IL-4誘導的RAW264.7細胞極化過程中通過激活JAK/STAT3信號通路促進小鼠IL-4誘導的巨噬細胞向M2表型極化［9］。③JAK/STAT6途徑：IL-4與其受體結合后活化JAK，一方面直接介導STAT6磷酸化引發巨噬細胞M2型極化。同時，磷酸化的STAT6可與巨噬細胞樣因子4（KLF4）和過氧化物酶體增殖物激活受體（PPAR）-γ結合促進M2型極化［10］。另一方面可通過誘導p38絲裂原活化蛋白激酶（p38MAPK）磷酸化引起巨噬細胞M2型極化［11］。巰基乙酸誘導的小鼠腹膜巨噬細胞中，IL-4誘導p38MAPK磷酸化并激活STAT6和PI3K，采用基因沉默或藥理學方法抑制p38MAPK使其失活可抑制M2型極化。目前，JAK/STAT2（4和5）通路調控巨噬細胞極化研究極少，其機制研究尚未涉及，仍需進一步探索。

2.1.2 JAK/STAT信號通路的調節機制 JAK/STAT信號通路可通過自身的負反饋調節機制有效阻止細胞因子信號傳導，防止生理功能紊亂，其主要負調節因子包括：細胞因子傳導抑制因子（SOCS）、蛋白酪氨酸磷酸酶（PTPs）和活化STAT轉錄活性抑制蛋白（PIAS）。SOCS家族成員蛋白SOCS1-7可通過與JAK結合直接抑制其活性，或與STAT競爭受體結合位點抑制STAT磷酸化，泛素化降解靶標3條途徑調控巨噬細胞極化［12］。SOCS1是STAT1途徑的內源性抑制劑，通過其KIR和SH-2結構域啟動JAK/STAT信號通路，促進巨噬細胞極化為M2型。而SOCS3作為STAT3的負調節因子，其表達上調可抑制M2型極化［13］。PIAS與活化的STAT1和STAT3特異性結合隱藏其與DNA的結合位點可抑制STAT轉錄，促進轉錄因子SUMO修飾，負向調節JAK/STAT信號通路［14］。PIPs主要通過JAK去磷酸化終止轉導信號。除細胞因子調控外，蛋白化學修飾同樣發揮重要作用。研究發現，IL-4通過增強JMJD3脫甲基酶表達和活性在表觀遺傳水平上調IRF4表達。當沉默STAT6基因時，JMJD3和IRF4表達減少［15］。最近研究發現，一種lncRNA—MacORIS與巨噬細胞極化相關［16］。MacORIS可增強IFN-γ誘導的THP-1巨噬細胞中JAK2和STAT1磷酸化，促進巨噬細胞M1型極化。

2.2 PI3K/Akt信號通路 PI3K/Akt信號通路參與細胞生長、增殖、分化及凋亡過程，其失調可引發癌癥、糖尿病、心血管疾病等多種疾病［17］。某些信號因子激活I類PI3K，使第二信使磷脂酰肌醇4，5-二磷酸（PIP2）轉化為磷脂酰肌醇3，4，5-三磷酸（PIP3）。PIP3與Akt的PH結構域高親和力結合，使Akt向質膜轉位并磷酸化其自身的Thr308和Ser473而激活，活化的Akt通過調控下游靶基因轉錄進而調節細胞功能［18］。

2.2.1 PI3K/Akt信號通路介導的巨噬細胞極化PI3K/Akt1途徑介導TRAF6失活上調TLR4信號傳導抑制因子IRAK-M，同時使轉錄因子FOXO1磷酸化失活，從而抑制TLR4的靶基因，促進巨噬細胞M2型極化。巨噬細胞Akt1缺陷（Akt1-/-）可上調miR-155表達，降低mTORC1激酶活性和Rheb水平并激活NF-κB，從而誘導M1型極化；而Akt2-/-巨噬細胞通過上調miR-146a表達促進M2型轉錄因子C/EBPβ和Arg1、Ym1等M2型巨噬細胞標志物表達［19-20］。miR-155不僅可通過上述途徑影響巨噬細胞極化，也可抑制MyD88蛋白，促進M1型極化。但miR-155通過不同靶點改變M1/M2型極化的靶點間關聯尚未明確，仍需進一步研究。mTOR作為PI3K/Akt的下游靶點，在巨噬細胞極化中也發揮一定作用。LIAN等［21］發現結腸癌細胞分泌的EGF通過結合單核細胞EGFR激活Smad-PI3K-Akt-mTOR通路，促進單核細胞極化為M2巨噬細胞。

2.2.2 PI3K/Akt信號通路的調節機制 目前，PI3K、Akt和mTOR抑制劑及PI3K/mTOR雙重抑制劑的研發為PI3K/Akt通路的靶向治療提供了可能性，可通過干預上述通路達到治療目的，但尚未對多種分子進行深入研究。此外，還發現一些蛋白分子可調控該通路。同源性磷酸酶-張力蛋白（PTEN）是PI3K/Akt通路的上游負調節因子，其編碼產物使PIP3去磷酸化生成PIP2。BAO等［22］發現miR-32通過下調PTEN激活PI3K/AKT信號通路，從而誘導M2巨噬細胞極化并調節凋亡相關蛋白表達。OHASHI等［23］發現糖原合成酶激酶3β（GSK-3β）可作為PI3K/Akt信號通路的負調控因子抑制炎癥反應。由腺苷N1-氧化物激活的Akt在Ser9位點磷酸化其下游GSK-3β，活化的GSK-3β反過來抑制LPS誘導的炎癥反應。LIU等［24］發現沉默信息調節因子1（Sirt1）可通過PI3K/Akt/STAT6通路改變巨噬細胞極性，抑制PI3K/Akt通路可部分阻斷Sirt1的抗炎作用和STAT6易位，在Sirt1+/-小鼠中，IL-1β和Inos mRNA水平顯著提高且STAT6和Arg-1表達顯著降低，而激活Sirt1可上調STAT6磷酸化水平。

2.3 Notch信號通路 Notch受體在進化中高度保守，Notch信號通路功能復雜多樣，參與免疫細胞發育、血管生成、胚胎發育等重要生理過程，并與腫瘤形成和部分神經系統疾病密切相關［25-26］。表達Notch受體和表達Notch配體的細胞間相互作用導致Notch信號傳導級聯激活，使γ-分泌酶復合物水解配體激活的Notch受體，水解的Notch細胞內結構域（NICD）通過其核定位信號易位至細胞核，結合并激活DNA結合重組信號結合蛋白Jκ影響Notch靶基因轉錄［27］。在沒有NICD的情況下，轉錄因子CSL與CtBP、Hairless、SMRT和SPEN等輔阻遏物結合，抑制Notch靶基因表達［28］。

2.3.1 Notch信號通路介導的巨噬細胞極化 動脈粥樣硬化是一種慢性炎癥性疾病，Notch通路貫穿其各發展階段。研究表明，DLL4/Notch1軸在促進巨噬細胞M1型極化方面起關鍵作用，同時阻斷巨噬細胞M2型極化及其細胞因子表達［29］。NICD也可能通過直接與NF-κB蛋白結合獨立于RBP-J起作用，即非經典Notch信號通路［30］。

2.3.2 Notch通路的調節機制 NICD通過翻譯后修飾調節信號傳導反應，現已發現多個翻譯后修飾方式，包括甲基化、羥化、乙酰化、泛素化和非磷酸化。如高脂飲食誘導的肥胖通過DNA甲基化下調miR-30表達，從而在脂肪組織巨噬細胞中誘導Notch1信號傳導促使其向M1型極化［31］。泛素化是最主要的調節形式，NICD的穩定性和整個信號通路的功能及其激活過程均受泛素化過程調節［32］。E3泛素連接酶Fbwx7在PEST結構域中的CDK8磷酸化位點泛素化NICD。另一種E3泛素連接酶Deltex直接結合NICD或通過蛋白Kurtz修飾NICD［33］。除表觀遺傳分子調節外，非編碼RNA也在該通路中起調控作用。研究發現，LPS刺激后，lincRNA基因lincRNA-Tnfaip3與高遷移率族框1（Hmgb1）在巨噬細胞中組裝為NF-κB/Hmgb1/lincRNA-Tnfaip3復合體，通過調節Hmgb1相關的組蛋白修飾激活NF-κB調節的炎癥基因［34］。NF-κB也可通過和其他lincRNA結合調節巨噬細胞極化。研究發現，LPS刺激后，SWI/SNF復合體和lincRNA-Cox2被募集至Saa3和Ccl5基因的啟動子/增強子區域，調節NF-κB的RelA和p50亞基結合到SWI/SNF復合物并促進組蛋白H3甲基化而激活其轉錄［35］。而XUE等［36］發現lincRNA-Cox2也可結合NF-κB的p65亞基并促進其核易位和轉錄，從而調節炎癥小體傳感器NLRP3和適配器ASC。

2.4 JNK信號通路 MAPK通路的基本組成是保守的三級激酶模式，包括MAPK激酶激酶（MKKK）、MAPK激酶（MKK）和MAPK，3種激酶依次激活。JNK信號通路作為MAPKs通路的重要分支，在調節細胞發育、炎癥反應和心血管疾病發生發展等多種生理病理過程中發揮重要作用［37］。JNK的2個上游激酶MKK4和MKK7通過雙磷酸化JNK的蘇氨酸和酪氨酸位點特異性激活JNK，進而激活AP-1等下游底物，調節相關靶基因轉錄和表達［38］。

2.4.1 JNK信號通路介導的巨噬細胞極化 LPS通過TLR4/MyD88信號傳導上調CCL-2表達，活化JNK導致NF-κB/AP-1轉錄因子活化，促進M1型極化［39-40］。PARK等［41］發 現S1P激 活ERK而 抑 制p38MAPK和JNK，并增加IL-4受體表達及促進IL-4分泌，同時通過誘導STAT6磷酸化激活SOCS1并抑制SOCS3進一步促進M2型極化。研究發現，IL-4激活的巨噬細胞中，清道夫受體1（MSR1）通過K63泛素化導致JNK活化，從而促進表型從抗炎狀態轉變為促炎狀態，巨噬細胞向M2型轉變，而在MSR1缺失時向M1型轉變［42］。也有研究指出JNK通路可誘導巨噬細胞M2型極化［43］。巨噬細胞可激活M2型轉錄因子SMAD3從而限制M1表型形成。因此，JNK信號通路在巨噬細胞調節中表現出雙重作用。

2.4.2 JNK信號通路的調節機制 JNK信號通路調節主要有2種機制，一是識別MKKK與MKK、MKK與MAPK序列，二是使三級激酶模式與支架蛋白組成復合物。MAPK通過共同對接域和谷氨酸-天冬氨酸域2個保守序列與MKK特異性結合，而一些MKK通過多功能對接位點與MKKK結合，有助于底物識別、細胞內定位、信號傳導特異性和蛋白質復合物組裝［44］。一些分子，如JNK抑制劑可通過競爭結合位點調節JNK通路活化。支架蛋白可促進正確的亞細胞定位，介導不同信號傳遞并支持多蛋白復合物形成，其本身不具有催化功能，但通過在特定結構域與其他蛋白結合改變MAPK信號通路定位位點。DIETEL等［45］發現支架蛋白PTPIP51的酪氨酸176殘基在EGFR和其他激酶介導下磷酸化導致PTPIP51/14-3-3β/Raf-1復合物分解，抑制MAPK信號傳導。除上述經典調節機制外，最近研究發現lincRNAEPS通過JNK/MAPK信號通路調節BCG感染的RAW264.7巨噬細胞凋亡和自噬［46］。敲低lincRNAEPS可抑制細胞凋亡并增強自噬。此外，JNK抑制劑也是JNK信號通路調節的一種重要方式。在多種疾病的動物模型中，高通量篩選所確定的特異性JNK抑制劑療效較好，但仍需進一步臨床驗證。

3 信號通路的相互作用

在巨噬細胞極化過程中，雖然不同信號通路誘發的極化有所差異，但其極化途徑相關，使多條信號通路間構成復雜的網絡結構，通路間相互作用、相互影響，形成信號串話（圖1）。

3.1 JAK/STAT信號通路與其他巨噬細胞極化相關信號通路的網絡聯系JAK/STAT通路與TLR通路及NF-κB通路相互交叉，研究發現多個TLR依賴于MyD88信號傳導，誘導STAT1 Ser727磷酸化，TLR激活后產生腫瘤壞死因子相關受體因子6（TRAF6），TRAF6一方面直接募集并激活STAT1進而誘導巨噬細胞M1極化，一方面通過激活NF-κB通路上調IRF8蛋白表達促進巨噬細胞M1極化［47］。此外，HAMIPI等［48］發現TRAF6可多聚泛素化PI3K調節亞基p85α并促進TGF-βI型受體和p85α形成復合物，從而激活PI3K和Akt。JAK/STAT通路與JNK通路也存在相互聯系。S1P可激活ERK抑制p38MAPK和JNK，而P38MAPK可抑制STAT1磷酸化。調節SIP含量及其受體表達可以調控JNK通路和JAK/STAT通路相關轉錄因子表達，從而影響巨噬細胞極化［41］。

圖1 巨噬細胞極化相關信號通路圖Fig.1 Related signaling pathways of macrophage polarization

3.2 PI3K/AKT信號通路與其他巨噬細胞極化相關信號通路的網絡聯系 乳房鏈球菌感染中，PI3K/Akt/mTOR與TLRs/NF-κB信號通路協同促進炎癥反應。TLR參與PI3K、Akt、TSC2-TSC1和Rheb同種型協同激活過程，TLRs二聚化并招募Ⅰ類PI3K及其配體Mal和MyD88導致Akt活化，進而激活下游mTOR，促進巨噬細胞M2型極化［49］。研究顯示，Notch1通過HES1負調節PTEN表達誘導PI3K-Akt途徑表達上調。Notch1下游的PTEN轉錄調節受到來自HES1的負信號和MYC的正信號雙重調控。相反，PTEN突變缺失消除了這種轉錄調節節點，使PI3K-Akt通路與細胞外信號解偶聯［50］。WEISSER等［51］發現PI3Kp110δ催化亞基可增強IL-4/STAT6轉錄的驅動力，而非通過誘導STAT6磷酸化直接發揮作用。

3.3 Notch信號通路與其他巨噬細胞極化相關信號通路的網絡聯系 NF-κB通路是TLRs和Notch通路的交集通路，TLRs激活IRAK2-MNK1-eIF4E，上調NF-κB進而促進IRF8合成。Notch通路激活后轉錄因子RBP-J激活MNK1，同時通過調控eIF4E與TLRs通路發生交集共同促進IRF8蛋白合成［52］。研究發現，體外感染期間Notch通路和JAK/STAT3通路存在正反饋環。由TLR4激活產生IL-6通過與其受體IL-6R結合激活轉錄因子STAT3，間接誘導DLL1表達，DLL1表達升高進一步激活Notch通路，產生的NICD通過上調NF-κB亞基P65促進單核細胞中IL-6分泌，IL-6阻斷抗體或γ-分泌酶抑制劑可有效抑制IL-6表達及STAT3磷酸化［53］。

3.4 JNK信號通路與其他巨噬細胞極化相關信號通路的網絡聯系 LPS通過MyD88誘導轉錄因子NF-κB早期活化，并延遲誘導JAK1/STAT1活化。JNK可通過調節JAK1/STAT1通路促進巨噬細胞M1型極化［54］。T-2毒素是單端孢霉烯的主要化合物，通過激活MAPK通路抑制蛋白合成并誘導炎癥和細胞凋亡。最近研究發現，T-2毒素處理的RAW264.7細胞中，JNK1和STAT3可通過K-Ras介導進行通路間串話，調節JNK通路和JAK/STAT3通路平衡可決定巨噬細胞極化［55］。

4 結語

巨噬細胞具有高度可塑性，不同環境刺激下可極化為M1型和M2型，兩者極化功能幾乎相互拮抗。巨噬細胞極化涉及的誘導因子、信號通路、轉錄因子相互交叉，形成復雜的系統，特殊條件下M1/M2可相互轉化，形成動態變化過程。炎癥代謝性疾病、自身免疫系統疾病及腫瘤發生發展等過程中，通過調節M1/M2型巨噬細胞極化可有效控制疾病發生發展。因此研究調控巨噬細胞極化的相關信號通路及其調節機制對各類疾病的預防、治療和預后具有重要意義。目前對于巨噬細胞極化的信號通路和調節機制的研究不夠深入和系統，由于巨噬細胞功能的多樣性、信號通路轉導和調控的復雜性及各信號通路的網絡聯系導致巨噬細胞的表型轉換存在不確定性，因此需要對巨噬細胞極化的信號通路及調節機制進行進一步研究。