miR-155在狼瘡性腎炎細胞焦亡中作用機制的研究進展

吳昱升 林 栩

系統(tǒng)性紅斑狼瘡(systemic lupus erythematosus,SLE)是一種涉及對內(nèi)源性核顆粒的不適當免疫反應(yīng)而造成的自身免疫性疾病,能夠影響多個器官和系統(tǒng)[1]。狼瘡性腎炎(lupus nephritis,LN)作為一種免疫復(fù)合性腎小球腎炎,是SLE最常見和最嚴重的靶器官疾病之一[1]。LN的治療主要以激素沖擊和免疫抑制劑為主,但效果并不理想。10%～30%的LN患者在確診后15年內(nèi)發(fā)展為終末期腎病(end-stage renal disease,ESRD)[1]。因此,進一步研究LN的發(fā)病機制,有助于LN患者病情的早期診斷和治療。LN的病理機制復(fù)雜,細胞焦亡作為一種伴隨炎性壞死反應(yīng)的程序性細胞死亡方式貫穿LN發(fā)生、發(fā)展的始終[2]。此外,自身反應(yīng)性白細胞、免疫復(fù)合物和補體蛋白等也可以通過調(diào)節(jié)各種細胞的炎性介質(zhì)在LN的發(fā)病機制中發(fā)揮重要作用。

microRNA (miRNA)是一種高度保守的非編碼RNA分子,由約22個核苷酸組成,它們可以通過直接與mRNA的3′非翻譯區(qū)(3′UTR)結(jié)合來調(diào)節(jié)靶基因的表達。miRNA主要參與多種信號通路并通過改變促炎介質(zhì)的產(chǎn)生、免疫細胞反應(yīng)、淋巴細胞功能、Toll樣受體(Toll-like receptors, TLR)和核因子κB蛋白(NF-κB)信號通路在LN的發(fā)病機制中發(fā)揮作用[3]。miR-155作為miRNA家族的成員,可介導(dǎo)先天性和適應(yīng)性免疫反應(yīng),在調(diào)節(jié)血細胞生成、炎癥和免疫反應(yīng)方面發(fā)揮重要作用[4]。目前有研究表明,脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)可誘導(dǎo)miR-155的表達,miR-155的表達失調(diào)可能是誘發(fā)LN等多因素疾病的潛在誘因[5]。本文就近年來miR-155在細胞焦亡及LN中的作用機制進行綜述,旨在能為后續(xù)LN治療及預(yù)后的研究提供幫助。

一、細胞焦亡的經(jīng)典通路

細胞焦亡是一種針對細胞內(nèi)危險信號做出反應(yīng)的程序性細胞死亡反應(yīng)模式,焦亡過程的主要特征是由炎性小體觸發(fā)的gasdermin(GSDMD)蛋白家族介導(dǎo)的膜穿孔、細胞破裂和炎性細胞因子[包括白細胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)和白細胞介素-18(interleukin-18,IL-18)]的釋放,促進炎性反應(yīng)從而快速啟動免疫應(yīng)答過程。在細胞焦亡過程中,細胞膜受損并發(fā)生穿孔,由于胞內(nèi)外滲透壓的變化,細胞變得腫脹和破裂,膜完整性喪失引起炎性細胞因子釋放[6]。然而,在這個過程中,線粒體的結(jié)構(gòu)和功能保持完整[6]。由于依賴的半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶(caspase)不同,細胞焦亡可分為依賴caspase-1的經(jīng)典途徑和依賴人源caspase-4/5及鼠源的caspase-11的非經(jīng)典途徑。

經(jīng)典細胞焦亡途徑由病原相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular pattern, PAMP)或損傷相關(guān)分子模式(damage-associated molecular pattern, DAMP)與位于細胞內(nèi)的模式識別受體(pattern recognition receptor,PRR)相互作用,引起細胞內(nèi)炎性小體激活并寡聚成多蛋白復(fù)合物介導(dǎo)級聯(lián)反應(yīng),經(jīng)典細胞焦亡主要通過兩條信號通路實現(xiàn)其功能:第1條信號通路是PAMP或DAMP與細胞膜上的TLR結(jié)合,經(jīng)過NF-κB通路引起細胞內(nèi)白細胞介素-1β(pro-IL-1β)和白細胞介素-18(pro-IL-18)等前炎性細胞因子表達增加[7]。第2條信號通路是在PAMP或DAMP的刺激下,胞內(nèi)PRR被激活,引起炎性小體多蛋白復(fù)合物組裝,激活caspase-1,進一步切割pro-IL-1β、pro-IL-18、GSDMD,引起細胞焦亡。在非經(jīng)典焦亡途徑中,LPS可以直接與caspase募集結(jié)構(gòu)域(CARD域)結(jié)合激活caspase-4/5/11并切割GSDMD,也可以通過炎性小體(NLRP3)-凋亡相關(guān)斑點樣蛋白(ACS)-caspase-1途徑從而促進細胞焦亡的發(fā)生[8]。

二、細胞焦亡的主要蛋白

caspase-1最初以IL-1β轉(zhuǎn)換酶的命名被關(guān)注,caspase-1可以直接切割pro-IL-1β、pro-IL-18,使成熟的細胞因子在其細胞外釋放時結(jié)合其同源受體,而caspase-11則需要激活NLRP3炎性小體以在非經(jīng)典炎性體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的背景下分泌細胞因子[9,10]。gasdermin家族是一類在細胞焦亡通路下游發(fā)揮胞膜成孔功能的蛋白質(zhì)家族,gasdermin D(GSDMD)作為caspase-1/4/5/11的切割靶標,是細胞焦亡的關(guān)鍵執(zhí)行蛋白,其他gasdermin超家族蛋白,如gasdermin E (GSDME),可以被caspase-3激活,caspase-3在癌細胞和正常細胞中均參與了細胞焦亡,caspase-8主要參與由耶爾森菌效應(yīng)蛋(YopJ)通過抑制轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)激活激酶1從而引起的受體相互作用蛋白激酶1和GSDMD切割,進而導(dǎo)致細胞焦亡[11]。作為細胞焦亡的“執(zhí)行者”,GSDMD活化后其N、C端自身相互作用被抑制,氨基末端片段(GSDMDN)具有成孔結(jié)構(gòu)域,可以與細胞質(zhì)膜的磷酸肌醇結(jié)合,導(dǎo)致細胞膜孔洞形成,細胞不斷膨脹直至破裂,細胞內(nèi)容物IL-1β和IL-18等釋放,從而激活并放大炎性反應(yīng),引發(fā)細胞焦亡[12]。

IL-1β是白細胞介素家族的關(guān)鍵促炎性細胞因子,作為功能失活的蛋白質(zhì)被儲存在細胞質(zhì)中,同時它也是細胞焦亡的主要分泌蛋白。pro-IL-1β的蛋白質(zhì)表達主要局限于骨髓細胞,并進一步受到NF-κB和絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase MAPK)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)對其轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié),與IL-1受體1(IL-1R1)結(jié)合后會觸發(fā)三級受體復(fù)合物并與IL-1受體輔助蛋白(IL-1RAcP)在效應(yīng)細胞上組裝,從而促進炎性介質(zhì)的分泌、免疫細胞局部浸潤、B細胞產(chǎn)生抗體以及T輔助17(Th17)反應(yīng)的發(fā)展[12]。IL-18是γ-干擾素(interferon-γ,IFN-γ)產(chǎn)生的刺激因子,也是自然殺傷細胞和T細胞功能的刺激劑,IL-18啟動細胞焦亡過程的必要因子,主要通過p38蛋白的MAPK信號通路影響焦亡途徑[13]。Jorgensen等[14]利用細菌感染的方法構(gòu)建了體內(nèi)細胞焦亡模型,發(fā)現(xiàn)IL-18等前炎性細胞因子啟動了細胞焦亡;Kim等[15]研究發(fā)現(xiàn),NLRP3炎性小體能夠介導(dǎo)IL-18、IL-1β和caspase-1的分泌、活化從而引發(fā)細胞焦亡;Li等[16]研究發(fā)現(xiàn),miR-30能夠上調(diào)caspase-1、IL-1β和IL-18,啟動心肌細胞焦亡。該研究提出一條高糖條件下啟動心肌細胞焦亡的信號通路:miR-30d↑→fOXO3a↓→ARC↓→caspase-1↑→IL-1β、IL-18↑→細胞焦亡↑。

細胞焦亡主要是通過核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域NOD樣受體(NLR)或Toll樣受體(TLR)識別細胞內(nèi)外PAMP和DAMP,進而促進炎性小體的激活而引發(fā)。NLR家族包括NLRP3、NLRP1、NLRC4等,NLRP3是當前研究最多的可形成炎性小體的內(nèi)源性PRR,其可以被病毒、細菌、真菌、抗原抗體免疫復(fù)合物、成孔毒素、細胞外ATP、活性氧等通過JNK、MAPK、NF-κB信號通路激活[17]。研究發(fā)現(xiàn),在SLE腎炎患者中,NLRP3的功能增益變異體出現(xiàn)頻率更高,反映了NLRP3炎性小體不僅在SLE中且在腎臟疾病中起著重要的作用[18]。Fu等[19]研究發(fā)現(xiàn),絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶-1(Pim-1)是LN患者致病機制中的重要調(diào)節(jié)因子,并可以通過Pim-1/NFATc1/NLRP3通路調(diào)控LN的致病過程。

三、細胞焦亡參與LN的發(fā)生和發(fā)展

近年來,細胞焦亡在LN中發(fā)揮的作用被廣泛關(guān)注,NLRP3/ASC/caspase-1、P2X7/NLRP3/caspase-1等信號通路在LN中的作用豐富了人們對LN發(fā)病機制的研究,為LN的靶向研究提供了基礎(chǔ)[20]。有研究顯示,在LN患者活檢報告中,炎性小體成分(NLRP3/caspase-1)的表達明顯增加,通過Kahlenberg等[20]構(gòu)建的LN小鼠模型實驗明確了炎性小體參與了LN的發(fā)生,而缺乏炎性小體中樞caspase-1的小鼠,則不表現(xiàn)出SLE和LN的癥狀,由此可以揭示細胞焦亡是LN的重要環(huán)節(jié)。

1.免疫細胞(巨噬細胞)焦亡參與LN的發(fā)生和發(fā)展:炎性小體作為細胞內(nèi)的多蛋白復(fù)合物,積極參與炎癥/自身免疫性風(fēng)濕性疾病的發(fā)病機制,如類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、SLE等,其導(dǎo)致細胞焦亡和促炎性細胞因子的分泌在巨噬細胞的炎性反應(yīng)過程中起到協(xié)調(diào)抗病原宿主防御的作用[21]。血液中的單核細胞可以在細胞因子的誘導(dǎo)下遷移到腎臟中轉(zhuǎn)變?yōu)榫奘杉毎?腎巨噬細胞和樹突狀細胞都是LN的關(guān)鍵參與者。Zhang等[21]研究發(fā)現(xiàn),SLE患者體內(nèi)抗dsDNA抗體可以與巨噬細胞中的TLR4結(jié)合,通過誘導(dǎo)ROS合成和K+外排激活SLE患者單核細胞或巨噬細胞NLRP3炎性小體并產(chǎn)生IL-1β,進而參與SLE的發(fā)病,并且巨噬細胞增高程度與血清抗dsDNA抗體水平以及疾病活動相關(guān)。

中性粒細胞胞外殺傷網(wǎng)格(neutrophil extracellular trap, NET)是中性粒細胞壞死或凋亡后形成的一種特殊結(jié)構(gòu),由促炎性狼瘡中性粒細胞自發(fā)釋放,被稱為低密度粒細胞,它有助于免疫復(fù)合物的形成和Ⅰ型干擾素合成[22]。有研究顯示,在SLE患者來源的巨噬細胞中,NET增多可以激活巨噬細胞中的NLRP3炎性小體,促進caspase-1的活化,進而導(dǎo)致IL-1β和IL-18的成熟和釋放,誘導(dǎo)細胞焦亡的發(fā)生。重要的是,IL-18能夠再次誘發(fā)NETosis,并導(dǎo)致前饋循環(huán),加重SLE的復(fù)發(fā)和器官損害[23]。另有研究在pristine構(gòu)建的LN小鼠腎損傷模型中,腹腔巨噬細胞中的NLRP3、caspase-1較對照組明顯增加,并且其腎臟中F4/80巨噬細胞增多,腎損害明顯。綜上可以揭示腎臟中巨噬細胞焦亡在LN的發(fā)病機制中發(fā)揮重要作用。

2.腎臟固有細胞焦亡參與LN的發(fā)生和發(fā)展

(1)足細胞焦亡參與LN的發(fā)生和發(fā)展:足細胞是高度分化的上皮細胞,通過足突延伸固定在基膜上,與相鄰足細胞相互作用,形成狹縫隔膜,即最終過濾屏障。這種狹縫隔膜是一種獨特的細胞連接,由足細胞特異性蛋白質(zhì)形成,如nephrin、P-cadherin和podocin,足細胞的結(jié)構(gòu)和功能破壞往往對腎小球疾病的治療和預(yù)后有著嚴重的影響[24]。Fu等[19]研究顯示,在LN患者和LN小鼠足細胞中均出現(xiàn)NLRP3的激活,且caspase-1也隨之升高,用NLRP3抑制劑MCC950治療LN小鼠后,腎損傷和足細胞融合程度均得到有效緩解,表明NLRP3炎性小體參與LN足細胞損傷的發(fā)展。Guo等[24]研究顯示,LN小鼠腎臟中NLRP3、caspase-1、IL-1β升高,人和小鼠足細胞中caspase-1升高,并表明在LN損傷過程中足細胞的受體相互作用蛋白3(RIP3)依賴的NLRP3炎性小體途徑被激活。另有研究表明,anti-dsDNA抗體可以引起小鼠足細胞NLRP3和caspase-1激活。以上研究表明,足細胞焦亡參與了LN的腎損傷。

(2)腎小管上皮細胞焦亡參與LN的發(fā)生和發(fā)展:腎小管是腎臟的組成部分之一,腎小管損傷往往在早期腎臟疾病中就有所體現(xiàn)。研究顯示,與正常腎組織比較,LN患者腎小管細胞中的caspase-1明顯升高,在LN患者中,NLRP1主要在LN Ⅱ類和Ⅳ類腎小管細胞中表達,而NLRP3在LN Ⅳ類腎小管細胞中表達,且NLRP3的表達水平與LN患者的活動指數(shù)評分呈正相關(guān),提示在LN中腎小管上皮細胞可能出現(xiàn)細胞焦亡。Chen等[25]研究發(fā)現(xiàn),在IgA腎病中腎小管上皮細胞中NLRP3明顯升高,并與其預(yù)后明顯相關(guān)。提示在LN中腎小管上皮細胞可能出現(xiàn)細胞焦亡。這明確了腎小管上皮細胞焦亡參與LN的腎損傷機制。

(3)腎小球血管內(nèi)皮細胞焦亡參與LN的發(fā)生和發(fā)展:研究表明,在高糖的刺激下,人腎小球內(nèi)皮細胞中的IL-1β、IL-18、GSDMD明顯升高,表明高糖誘導(dǎo)糖尿病腎病中的內(nèi)皮細胞焦亡。在LN中常常伴隨腎內(nèi)血管損傷,所以在LN中內(nèi)皮細胞也可出現(xiàn)焦亡[26]。Kahlenberg等[26]研究表明,來源于在SLE患者的血管內(nèi)皮祖細胞或循環(huán)血管生成細胞中的炎性小體、caspase-1的含量是正常人的3倍。血管內(nèi)皮祖細胞或循環(huán)血管生成細胞參與血管修復(fù),是內(nèi)皮細胞的前體。這表明了在LN中內(nèi)皮細胞也可以出現(xiàn)細胞焦亡參與LN的腎損傷。

四、miR-155參與細胞焦亡的發(fā)生和發(fā)展

1.miR-155對巨噬細胞焦亡的影響:miRNA是一種長度為18～25nt的高度表達、高度保守的非編碼小RNA,并且與癌癥和炎癥等多種疾病有關(guān)。miR-155在病原體誘導(dǎo)的宿主細胞增殖、分化和凋亡障礙中起重要作用,并且是巨噬細胞中重要的炎性介質(zhì)。有研究表明,miR-155是巨噬細胞極化過程中的重要調(diào)節(jié)分子之一,miR-155在用牙齦卟啉單胞菌刺激的巨噬細胞中表達增加,當miR-155的表達被敲低時,巨噬細胞中的細胞焦亡率和NLRP3、caspase-1、IL-1β和IL-18水平顯著減少,巨噬細胞清除病原體的能力增強,提示miR-155在巨噬細胞焦亡中具有負性調(diào)控作用。多項研究發(fā)現(xiàn),細胞因子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制因子(suppressors of cytokine signaling, SOCS)1可以通過調(diào)節(jié)JAK/STAT通路抑制巨噬細胞炎性反應(yīng),而miR-155則通過下調(diào)SOCS1的表達并促進從pro-caspase-11到caspase-11的轉(zhuǎn)化,這增加了NLRP3的表達并最終促進巨噬細胞發(fā)生焦亡。在miR-155沉默的巨噬細胞中,SOCS1表達增加,而caspase-11、caspase-1、NLRP3、GSDMD-NT、IL-1β和IL-18等一系列細胞焦亡經(jīng)典途徑關(guān)鍵因子表達降低。由此得出結(jié)論,miR-155的高表達模式通過調(diào)節(jié)SOCS1、JAK/STAT通路的表達來促進細胞焦亡。

2.miR-155對腎小管細胞焦亡的影響:腎缺血再灌注損傷(ischemia-reperfusion injury,IRI)誘導(dǎo)的腎小管細胞死亡是急性腎衰竭(acute renal failure,ARF)發(fā)生、發(fā)展的主要原因。研究表明,細胞焦亡和壞死是導(dǎo)致IRI后腎小管細胞死亡的主要途徑。FOXO3a是多種細胞活動的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子,如細胞周期停滯、氧化清除、細胞增殖、存活和死亡。FOXO3a下游存在一種具有caspase募集結(jié)構(gòu)域的凋亡抑制因子(apoptosis repressor with caspase recruitment domain, ARC),可拮抗細胞死亡的內(nèi)在和外在途徑。而有研究證實,miR-155在IRI后人腎小管細胞系(HK-2細胞)中顯著高表達,miR-155可以通過直接靶向抑制FOXO3a其下游蛋白ARC,上調(diào)炎性細胞因子caspase-1的表達從而促進腎小管細胞焦亡,而miR-155的敲低則導(dǎo)致caspase-1、IL-1β和IL-18水平降低,減弱HK-2細胞的焦亡。此外,有實驗研究顯示,在IRI誘導(dǎo)的ARF的大鼠模型中,miR-155的表達顯著上調(diào),并通過TCF4/Wnt/β-catenin信號通路靶向調(diào)節(jié)腎小管上皮細胞的凋亡[27]。這說明miR-155在腎小管細胞焦亡的發(fā)病機制中起關(guān)鍵作用。

3.miR-155對足細胞焦亡的影響:炎性小體NLRP1的旁系同源物NLRP1b在小鼠體內(nèi)可以通過激活caspase-1/pro-IL-1β/pro-IL-18通路參與焦亡,而近年來有研究顯示,miRNA可以靶向調(diào)節(jié)NLRP1的表達從而調(diào)控細胞焦亡的過程,在足細胞焦亡中,miR-155-5p和miR-155-3p作為miR-155的2個剪接體能夠分別識別IL-18BP的3′UTR區(qū)上的多個位點和IL-18BP CDS區(qū)上的位點,這提示miR-155-5p和miR-155-3p能夠通過直接結(jié)合IL-18BP的方式抑制IL-18BP的功能,從而啟動IL-18信號通路,進一步調(diào)控caspase-1、IL-1β、IL-18等焦亡關(guān)鍵因子的表達,miR-155的過表達可以啟動miR-155↑→IL-18BP↓→caspase-1↑→GSDMD、IL-1β、IL-18↑→細胞焦亡↑的經(jīng)典信號通路,且足細胞焦亡隨著miR-155的降低而緩解[28]。TGF-β1可以通過miR-155信號通路抑制nephrin蛋白表達,放大desmin和caspase-9等蛋白表達,抑制miR-155的表達可以減輕TGF-β1對足細胞的影響從而緩解足細胞的凋亡。因此,miR-155在足細胞焦亡的過程中發(fā)揮重要的作用。

五、miR-155對LN的影響

miRNA是基因表達的重要調(diào)節(jié)因子,在表觀遺傳調(diào)控因子中,miRNA已成為負調(diào)控靶基因的內(nèi)源性分子。已發(fā)現(xiàn)miRNA在腎小球細胞群(足細胞、腎小球內(nèi)皮細胞等)的失調(diào)所導(dǎo)致的細胞特異性反應(yīng)和損傷參與多種腎小球疾病,如LN、IgA腎病和糖尿病腎病等。有研究表明,miR-155的過度表達可以通過下調(diào)CXCR5-ERK信號通路抑制B細胞趨化因子誘導(dǎo)的LN中腎小球系膜細胞的增殖和TGF-β1的產(chǎn)生,在小鼠模型的體內(nèi)實驗中,miR-155的敲除促進了足細胞裂孔蛋白nephrin和P-cadherin的表達并減輕了糖尿病腎病的腎損傷,這表明miR-155可作為腎小球疾病的新靶點。在構(gòu)建miR-155-/-Faslpr/lpr模型小鼠實驗中,miR-155的敲除顯著緩解了LN癥狀的嚴重程度、腎小球部位IgG、IgM等免疫復(fù)合物的沉積及一系列炎性反應(yīng)。有研究表明,miR-155作為天然的特異性免疫反應(yīng)調(diào)節(jié)劑,在SLE合并LN患者的淋巴細胞、樹突狀細胞和巨噬細胞中的表達顯著升高,miR-155在LN患者血清中的表達水平也明顯高于正常人群,且與SLE的活動度呈正相關(guān)。因此,miR-155可以成為新的LN活動度評估及預(yù)后判斷的分子標志物。

綜上所述,miR-155通過對細胞焦亡相關(guān)通路的調(diào)控從而參與到LN的致病過程中,細胞焦亡可以通過免疫細胞和腎臟固有細胞引起腎損傷,miR-155在細胞焦亡及LN中的作用已經(jīng)不容小覷,其在細胞焦亡及LN中的機制有待于進一步研究。本文總結(jié)了miR-155在細胞焦亡中的負性調(diào)控作用,為LN的治療及預(yù)后提供了新的靶點,降低miR-155在LN患者體內(nèi)的表達或許可以延緩細胞焦亡從而改善LN的癥狀及預(yù)后,為LN的特異性治療提供了新的方向。