Sema4D:在自身免疫性和感染性疾病中的一種新型免疫調節劑

劉亨晶,曹莉婷,溫 雪,于曉輝,張久聰

(1中國人民解放軍聯勤保障部隊第九四○醫院消化內科,蘭州 730050;2甘肅中醫藥大學臨床醫學院;3寧夏醫科大學臨床醫學院;*通訊作者,E-mail:yuxiaohui528@126.com;#共同通訊作者,E-mail:zhangjiucong@163.com)

Semaphorin是一個分泌型和膜結合蛋白的大家族,具有高度保守的500個氨基酸的信號結構域,根據結構屬性分為8類,最早作為軸突導向在神經元發育中發揮關鍵作用,近年來因其在免疫系統中的功能受到越來越多的關注。Semaphorin4D(Sema4D,又稱CD100)是Semaphorin家族中的第Ⅳ類信號素,通過與其受體Plexin-B1和CD72相互作用,在T細胞的活化、抗體的產生和免疫調節過程中發揮著重要作用。許多研究報道Sema4D在自身免疫性和感染性疾病患者中表達異常,并且與病情嚴重程度密切相關[1,2],成為目前研究的熱點,因此本文就相關研究進行簡要綜述。

1 Sema4D的結構、表達和受體

Sema4D是一類跨膜糖蛋白,分子量為150 kD,由862個氨基酸組成,其分子結構包括Sema結構域、免疫球蛋白結構域、疏水性跨膜區和細胞質尾部[3]。

Sema4D在人體中分布廣泛,神經系統中主要分布在腦和周圍神經系統以及淋巴組織中,在靜止的T細胞上表達豐富,其表達隨T細胞的活化上調,B細胞和樹突狀細胞等抗原提呈細胞上表達微弱,血小板、粒細胞等也存在其表達。Sema4D主要以膜結合型和可溶型兩種形式存在,都具有生物活性,當免疫細胞激活時,細胞膜上Sema4D的表達增強,隨后導致某些基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMPs)在細胞膜附近聚集誘導Sema4D胞外結構域的脫落,產生120 kD生物活性可溶性的Sema4D(soluble Sema4D,sSema4D)。除此之外,頭頸部鱗狀細胞癌、乳腺癌、胃癌、宮頸癌等實體腫瘤組織中其表達水平也較高。

Sema4D作為配體可以與兩種不同的受體結合:淋巴組織中的低親和力受體CD72和非淋巴組織中的高親和力受體plexin-B1。CD72是一個分子量45 kD的Ⅱ型跨膜蛋白,是Sema4D的主要淋巴細胞受體,主要表達于B細胞、血小板、巨噬細胞、樹突狀細胞和一些T細胞亞群[4]。Plexin-B1雖然主要被認為是非淋巴組織中的Sema4D受體,但在T細胞、血小板、骨髓瘤細胞和濾泡終末細胞上也有發現。

2 Sema4D的免疫調節功能

2.1 Sema4D是正常T細胞與APC相互作用的基礎

一個完整的T淋巴細胞的激活涉及其與抗原呈遞細胞的相互作用。Shi等[5]研究發現抗原免疫可顯著降低Sema4D缺陷小鼠的抗原特異性T細胞反應及分泌細胞因子的能力,而體內注射重組sSema4D蛋白可增強T細胞的免疫應答,提示Sema4D在T細胞活化中至關重要,同時觀察到Sema4D并不是直接作用于T細胞的,而是通過與抗原遞呈細胞(antigen presenting cells,APCs)表面的CD72相互作用在T細胞的免疫應答中發揮重要的作用。Kumanogoh等[6]發現Sema4D和CD40配體同時表達于活化的T細胞表面,其可分別與B細胞和APC表面的CD72和CD40結合,提示Sema4D通過增強CD40誘導的DC活化在T細胞與APC相互作用過程中起著關鍵作用。

2.2 Sema4D增強體液免疫反應

通過與受體CD72的相互作用,Sema4D還具有調節體液免疫應答的功能。在B細胞中,CD72的酪氨酸磷酸化導致酪氨酸磷酸酶SHP-1與CD72胞漿基質上的免疫受體酪氨酸基抑制基序(immunoreceptor tyrosine-based inhibitory motif,ITIM)結合,負性調控B細胞的分化和發育,而Sema4D刺激可誘導CD72的酪氨酸去磷酸化,使SHP-1與CD72分離,導致B細胞活化,同時Sema4D刺激能協同增強CD40誘導的B細胞應答。Shi等[5]發現Sema4D缺陷小鼠中,CD40刺激后B細胞的體外增殖和免疫球蛋白的產生能力受到損害,Sema4D缺陷小鼠的脾B細胞在抗CD40單克隆抗體和脂多糖刺激后增殖減少,CD72缺陷小鼠中結果相反,Sema4D缺陷可通過抗CD72單克隆抗體消除。綜上所述,Sema4D通過其受體CD72增強CD40誘導的B細胞反應。

2.3 sSema4D的免疫調節功能

類似于Sema4D,sSema4D也被認為是CD40誘導的B細胞增殖的有效刺激因子,并通過樹突狀細胞(dendritic cells, DC)介導IL-12的分泌,自然脫落和重組的sSema4D都能刺激外周血單個核細胞中TNF和IL-6的產生。重組sSema4D還可以恢復Sema4D缺陷小鼠表現出的T細胞功能缺陷,增強B細胞的抗原特異性抗體反應。sSema4D還可以調節內皮細胞的遷移,抑制單核細胞和未成熟DC的遷移,這些對立的功能可能是因為不同的細胞類型表達不同的受體,并通過誘導不同的受體復合物和信號通路觸發。綜上,sSema4D和Sema4D一樣,具有免疫調節作用功能。但是,sSema4D的免疫功能在什么時候、在多大程度上起作用以及這會產生什么結果,目前尚不清楚。

3 Sema4D在免疫/炎癥性疾病中的表達

3.1 Sema4D在多發性硬化癥中的表達

研究表明,Sema4D在炎癥介導的多發性硬化(multiple sclerosis,MS)等神經退行性疾病中起著至關重要的作用。自身免疫性腦脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis,EAE)小鼠為MS的理想模型,Smith等[7]在EAE的病理性病變中發現,脊髓中Sema4D陽性的T細胞可以與plexin-B1陽性的小膠質細胞相互作用,引起小膠質細胞的活化、神經元突起塌陷、破壞血腦屏障的緊密連接,而Sema4D抗體可以顯著減輕多種嚙齒動物模型的EAE,Sema4D缺陷的小鼠不會發生EAE。Danchenko等[8]發現MS患者血清及T淋巴細胞表面的Sema4D較正常對照組明顯升高,與CD72相互作用后激活B細胞,釋放促炎因子TNF-α和LT-α,導致神經炎癥的發生,加重MS的臨床進程。Quintremil等[9]在人類T細胞嗜淋巴病毒-1誘導的脫髓鞘神經麻痹患者的腦脊液中檢測到sSema4D,但在非感染性神經損傷患者的腦脊液中未檢測到sSema4D,表明Sema4D在免疫神經損傷過程中起作用。綜上所述,Sema4D可能通過對中樞神經系統的直接作用和免疫調節作用,在疾病的發展過程中起作用,并可能成為MS和其他神經系統疾病的一種新的治療方法。

3.2 Sema4D在類風濕性關節炎中的表達

類風濕性關節炎(rheumatoid arthritis,RA)是一種長期的自身免疫性疾病,可導致關節慢性炎癥。Yoshida等[10]研究發現RA患者的血清和關節滑液中sSema4D較健康對照組顯著升高,并與RA活動標志物呈正相關,還發現sSema4D可刺激CD14+單核細胞產生TNF-α和IL-6增加,TNF-α和IL-6誘導滑膜細胞表達含Ⅰ型血小板結合蛋白基序的解聚蛋白樣金屬蛋白酶(A disintegrin-like and metalloproteinase with thrombospondin type-1 motifs-4,ADAMTS-4),而ADAMTS-4參與了sSema4D的水解,因此sSema4D/TNF-α/IL-6/ADAMTS-4的惡性循環可能是RA炎癥軸的自分泌促進劑。在對改善疾病的抗風濕藥物治療反應良好的患者中,血清sSema4D水平正常化,在膠原誘導性關節炎小鼠中,使用抗Sema4D抗體可以抑制關節炎并減少促炎因子的產生。Ha等[11]發現RA患者大約2年后的影像學損傷進展與Sema4D基線水平有關,但血清中的Sema4D與健康者并無明顯差異,這與Yoshida等[10]結果不一致,可能與試劑的不同有關。綜上,Sema4D在RA發病機制中的重要作用表明,Sema4D是RA治療的新靶點,并且可作為類風濕關節炎患者病情監測和預后評估的指標。

3.3 Sema4D在其他自身免疫性疾病中的表達

外周血輔助性T細胞17(T helper cell 17,Th17)的顯著增加和調節性T細胞(regulatory T cells,Treg)的顯著減少是強直性脊柱炎(ankylosing spondylitis,AS)主要的發病機制。Xie等[12]研究發現AS患者血清中sSema4D水平均升高,與臨床特征指標呈正相關。Sema4D通過與CD72的相互作用,誘導芳香烴受體(Aryl hydrocarbon receptor,AhR)靶基因CYP1A1的表達,進而促進CD4+T細胞增殖和Th17細胞分化,同時通過增強RORγT表達和降低Foxp3表達抑制Treg細胞分化,增加了IL-17和IL-22的分泌,介導AS的發生。Besliu等[13]發現系統性硬化(systemic sclerosis,SSc)患者CD4+T細胞膜上Sema4D和血清中sSema4D的表達水平較健康者均顯著升高,而系統性紅斑狼瘡(systemic lupus erythematosus,SLE)患者血清中sSema4D水平與健康人無明顯差異,表明sSema4D與SLE的發病機制無關[14],這可能是因為SSc和RA都是T細胞疾病,而SLE主要是B細胞疾病。

4 Sema4D在病毒感染性疾病中的表達

4.1 Sema4D在人類免疫缺陷病毒感染中的表達

Erikson等[15]發現人類免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus,HIV)感染者CD8+T、CD4+T細胞表面Sema4D的表達降低,此外,表達Sema4D的CD8+T細胞的絕對數量與HIV特異性T細胞反應的大小有關,Sema4D缺陷的CD8+T細胞功能受損,提示Sema4D缺乏表達在HIV感染的免疫功能障礙中起作用。在上述研究中未測定sSema4D水平,但作者推測,由于CD4+T和CD8+T細胞的分泌增加,血清中sSema4D的水平將很高。相反,Vadasz等[16]發現HIV患者血清中sSema4D水平較健康對照者低,高效抗逆轉錄病毒治療恢復了CD4+T細胞計數,但HIV患者血清中sSema4D水平仍較低,與CD4+T或CD8+T細胞計數無關,這表明Sema4D在HIV免疫功能障礙和T細胞衰竭中發揮著重要作用。Correa等[17]發現CD4+T和CD8+T細胞上的Sema4D水平與CD4+和CD8+T細胞上表達的程序性死亡受體1(programmed cell death protein 1,PD-L1)呈正相關,這可能是HIV患者Sema4D+CD8+T細胞增殖能力降低和效應器功能降低的原因,同時還發現CD19+B細胞表達的Sema4D與CD4+和CD8+T細胞上表達的細胞程序性死亡配體1(programmed cell death 1 ligand 1,PD-L1)呈正相關,表明T細胞和B細胞上的免疫調節標記物之間存在聯系,但是CD72/Sema4D與PD-1/PD-L1軸在HIV感染中的關系尚不清楚,因此,細胞表面標志物的異常調節在HIV-1感染過程中具有重要研究意義。

4.2 Sema4D在肝炎病毒感染中的表達

肝炎病毒的慢性持續性感染增加了終末期肝病,如肝硬化和肝癌的風險。He等[18]研究發現丙型肝炎病毒(hepatitis C virus,HCV)感染和IFN-α治療可以上調Sema4D的表達,而在獲得持續病毒學應答的HCV患者中,Sema4D表達下降到正常水平。重要的是,IFN-α誘導的B細胞Sema4D表達與HCV RNA水平呈負相關,提示IFN-α治療有助于逆轉被破壞的B細胞穩態,Sema4D表達增強可能與HCV感染的控制有關。該課題組[19]還發現IFN-α可以上調NK細胞表面Sema4D的表達,通過與靶細胞上的plexin-B1/B2作用可增強NK殺傷能力。除此之外,IFN-α還可以上調初始CD8+T細胞表面Sema4D的表達,Sema4D與CD72相互作用促進免疫細胞反應[20]。

Yang等[21]研究發現慢性乙型肝炎患者T細胞Sema4D表達增高,血清sSema4D水平降低。注射sCD100重組蛋白可誘導乙型肝炎病毒(hepatitis B virus,HBV)特異性T淋巴細胞的產生并實現病毒的肝內清除,而阻斷其受體CD72可減弱肝內抗HBVCD8+T細胞反應,該研究為建立慢性HBV感染治療新策略提供了理論依據,為研發增強抗HBV免疫應答的藥物提供了新靶點。而王若宇等[22]研究發現sSema4D在乙肝相關性肝癌中表達增加,并且通過影響炎癥因子IL-6、IL-8的表達及免疫反應在乙肝相關性肝癌的發生、發展中起著重要的作用。以上兩項研究中sSema4D的表達相反,需進一步研究sSema4D在HBV感染中的表達及作用。

4.3 Sema4D在漢坦病毒感染中的表達

漢坦病毒(Hantaan virus,HTNV)可引起人類嚴重的致死性腎綜合征出血熱(hemorrhagic fever with renal syndrome,HFRS)。Liu等[23]研究發現HFRS患者血清中sSema4D水平在急性期明顯升高,恢復期下降,并且其水平的升高與血小板計數、白細胞計數及疾病嚴重程度正相關,提示sSema4D與HFRS的進展有關。該課題組[24]還發現HFRS患者急性期CD4+T和CD8+T細胞上Sema4D的表達顯著降低,與HTNV病毒載量呈負相關,提示可能與病毒清除有關,感染后期發現PD-1在Sema4D+CD8+T細胞亞群中持續高表達,這表明疾病晚期Sema4D+CD8+T細胞數量的減少可能是由PD-1調節的。綜上所述,Sema4D的表達可能在HTNV感染期間的抗病毒反應中起保護作用,為我們認識人類感染HTNV后CD8+T細胞介導的保護性免疫以及免疫穩態提供新的機制。

5 Sema4D可作為潛在的治療靶點

Sema4D在不同疾病中的異常表達及免疫調節特性使其已成為一個潛在的治療靶點。在RA中,與對照組小鼠相比,關節炎小鼠給予抗Sema4D抗體可顯著降低關節炎評分、滑膜炎癥浸潤、血清TNF和IL-6水平[10]。mAb67-2是一種新開發的抗Sema4D抗體,對小鼠、大鼠、人和猴的膜Sema4D和sSema4D均有特異性。該抗體可抑制Sema4D與Plexin-B1、Plexin-B2和CD72的相互作用,其有效性和安全性在目前已進行了臨床前試驗。Smith等[7]在4種不同的嚙齒動物模型中研究了mAb67-2對MS的治療作用,與對照組相比,Sema4D抗體可以降低疾病的嚴重程度,保持血腦屏障和髓鞘片的完整性,并且不具有免疫抑制作用。

VX15/2503是一種人源化的抗Sema4D IgG4抗體。Patnaik等[25]在Ⅰ期試驗中將VX15/2503用于42名成人晚期實體瘤患者治療,發現B、T淋巴細胞升高的患者無進展生存期更長,并表現出良好的耐受性。LaGanke等[26]臨床實驗發現MS患者對VX15/2503單次靜脈輸注耐受性良好,但治療效果有待進一步評估。

6 小結與展望

Sema4D是一類表達于細胞膜表面的跨膜糖蛋白,通過與其受體CD72或plexin-B1的相互作用在免疫反應中發揮著重要的作用,尤其在自身免疫性疾病和病毒感染性疾病中的表達與患者疾病的嚴重程度密切相關,但Sema4D在疾病發病機制中的確切作用仍不清楚。鑒于近年來對Sema4D靶向治療的關注,研究sSema4D水平升高的機制,以及導致Sema4D釋放增強的途徑將具有重要價值。在未來,Sema4D可能會成為自身免疫性疾病和病毒感染性疾病治療的新靶點,并且可作為病情監測和預后評估的指標。