王芷涵 羅藝晨 帥學(xué)宏 顧國婧 李博文 李文杰 周志雄 趙宇 伍莉 陳吉軒 黃慶洲 焦寒偉
摘要 ? ?髓樣分化蛋白-2(Myeloid differentiation protein-2,MD-2)是一種分子量為20~30 kD的分泌蛋白,它結(jié)合在Toll樣受體4(Toll-like receptor 4,TLR4)胞外區(qū),能與TLR4組成復(fù)合體(MD-2/TLR4),在細(xì)菌脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)的識(shí)別及其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮重要作用,MD-2也是目前炎癥、感染、免疫等病理過程研究的熱點(diǎn)之一。本文對(duì)MD-2基因結(jié)構(gòu)、基因表達(dá)及MD-2與機(jī)體天然免疫等方面研究結(jié)果進(jìn)行綜述,以期闡釋MD-2的基因與天然免疫的關(guān)系,為揭示MD-2基因的功能提供技術(shù)參考。
關(guān)鍵詞 ? ?MD-2;TLR4;信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo);天然免疫
中圖分類號(hào) ? ?Q71 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ? ?A
文章編號(hào) ? 1007-5739(2019)19-0210-03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID)
Research ?Progress ?on ?Myeloid ?Differentiation ?Protein-2
WANG Zhi-han ? ?LUO Yi-chen ? ?SHUAI Xue-hong ? ?GU Guo-jing ? ?LI Bo-wen ? ?LI Wen-jie ? ?ZHOU Zhi-xiong ? ?ZHAO Yu ? ?WU Li ? ?CHEN Ji-xuan ? ?HUANG Qing-zhou ? ?JIAO Han-wei *
(College of Animal Sciences,Veterinary Scientific Engineering Research Center,Southwestern University,Chongqing 402460)
Abstract ? ?Myeloid differentiation protein-2 is a kind of molecular weight of 20-30 kd secreted protein,it combines the toll-like receptor 4(TLR4)extracellular area,and forms a complex with TLR4(MD-2/TLR4).In the recognition and signal transduction of LPS,it plays an important role,too.Futhermore,MD-2 is one of the hottest spot of research such as the inflammation,infection,and immune pathological process.This paper summarized the structure,gene expression of MD-2 and innate immune reaction to MD-2,in order to elucidate the relationship between MD-2 gene and natural immunity and provide technical references for revealing the function of MD-2 gene.
Key words ? ?MD-2;TLR4;signal transduction;innate immune
MD-2是一種分子量為20~30 kD的分泌蛋白[1],它結(jié)合在TLR4胞外區(qū),能與TLR4組成復(fù)合體(MD-2/TLR4)引起TLR4的活化,在LPS的識(shí)別及其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮重要作用。此外,MD-2還是天然免疫中的調(diào)控分子,在炎癥、感染、免疫等病理過程中發(fā)揮極為廣泛的生物學(xué)功能。MD-2的功能研究對(duì)治療膿毒癥和肝臟相關(guān)疾病具有重要意義[2-4]。對(duì)MD-2水平的調(diào)控有可能成為治療膿毒血癥的有效方法[5]。本文對(duì)MD-2基因等方面研究結(jié)果進(jìn)行綜述,以期闡釋MD-2的基因與天然免疫的關(guān)系,為揭示MD-2基因功能提供參考。
1 ? ?MD-2基因概述
1.1 ? ?MD-2結(jié)構(gòu)
MD-2蛋白由160個(gè)氨基酸組成,分子質(zhì)量為25~30 ku,因其與MD-1具有高度同源性而被鑒定和命名,其N端有1段由16個(gè)氨基酸殘基組成的信號(hào)肽,使MD-2具有分泌性[5-6](圖1)。
MD-2由二硫鍵連接成穩(wěn)定的二聚體或寡聚體、多聚體,屬于ML蛋白家族,含ML-功能結(jié)構(gòu)域,與LPS信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和脂質(zhì)代謝有關(guān),它在結(jié)構(gòu)上可能存在2個(gè)相對(duì)獨(dú)立的功能結(jié)構(gòu)域,使其能與LPS直接結(jié)合,并促進(jìn)LPS和TLR4結(jié)合。其中單體MD-2比多聚體MD-2更易于結(jié)合TLR4,能更有效地賦予TLR4對(duì)LPS的反應(yīng)性。同時(shí)研究表明,MD-2氨基酸序列上的2個(gè)糖基化位點(diǎn)(26位和114位)和7個(gè)半膀氨酸殘基(25、37、51、95、105、133、148位)對(duì)MD-2的功能發(fā)揮具有重要作用,MD-2的第102~116位富含堿性芳香族氨基酸,可形成一環(huán)形,能中和LPS,結(jié)合LPS和脂磷壁酸(lipoteichoic acid,LTA),抑制細(xì)菌生長[7-8]。
1.2 ? ?MD-2基因表達(dá)
髓樣分化蛋白-2是近年新發(fā)現(xiàn)的參與機(jī)體識(shí)別細(xì)菌脂多糖的重要基因,MD-2基因多態(tài)性與創(chuàng)傷后多器官功能衰竭、膿毒癥的發(fā)生和預(yù)后有著密切聯(lián)系[9]。
大量研究猜測(cè),MD-2基因啟動(dòng)子區(qū)-1625G可能是一個(gè)重要的導(dǎo)致嚴(yán)重創(chuàng)傷后并發(fā)癥發(fā)生的危險(xiǎn)區(qū)域。MD-2基因啟動(dòng)子-1625C/G單核苷酸多態(tài)性與漢族人嚴(yán)重創(chuàng)傷后多器官功能衰竭、膿毒癥的易感性相關(guān),-1625G可能是嚴(yán)重創(chuàng)傷后并發(fā)癥發(fā)生的危險(xiǎn)因素。同時(shí)化學(xué)發(fā)光結(jié)果顯示,-1625C→G堿基變異可增強(qiáng)MD-2基因啟動(dòng)子活性,變異引起的MD-2基因啟動(dòng)子活性的增強(qiáng)最終有可能導(dǎo)致靶基因表達(dá)升高,從而影響TLR4、MD-2、CD14復(fù)合物對(duì)LPS的反應(yīng)性[9-10]。
2003年有學(xué)者在對(duì)創(chuàng)傷患者進(jìn)行觀察后發(fā)現(xiàn),患者體內(nèi)TLR4、MD-2基因表達(dá)均降低,預(yù)后良好的在傷后第5天恢復(fù)正常水平,預(yù)后差的則仍處于低水平。創(chuàng)傷可引起內(nèi)毒素血癥,創(chuàng)傷后人外周血單核細(xì)胞內(nèi)TLR4、MD-2 mRNA的表達(dá)與患者的免疫機(jī)能、預(yù)后情況密切相關(guān)。因此,推測(cè)TLR4、MD-2表達(dá)的降低可能是機(jī)體對(duì)過度炎癥反應(yīng)而產(chǎn)生的一種保護(hù)性措施[11]。
大量研究發(fā)現(xiàn),正常雌性和雄性大鼠肺組織均可表達(dá)少量TLR4、MD-2和腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF-α)基因,性別間差異均無顯著性,但膿毒癥雌性大鼠各項(xiàng)指標(biāo)表達(dá)均明顯弱于雄性。LPS注射后大鼠心肌組織、大鼠肝臟組織TLR4、MD-2及TNF-α基因表達(dá)均存在性別差異,內(nèi)源性雌激素的作用可能導(dǎo)致雌性膿毒癥大鼠心肌組織對(duì)LPS的反應(yīng)性弱于雄性,肝臟組織損傷較雄性輕。目前認(rèn)為膿毒癥發(fā)生的根本原因在于機(jī)體過度釋放細(xì)胞因子和炎性介質(zhì)導(dǎo)致炎癥反應(yīng)失控和免疫機(jī)能紊亂。內(nèi)源性雌激素可能通過抑制TLR4/MD-2基因表達(dá)而減弱膿毒癥發(fā)生時(shí)細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的活化,從而介導(dǎo)了對(duì)雌性膿毒癥大鼠肝臟功能的保護(hù)作用[12-14]。
研究表明,膿毒癥可迅速上調(diào)心肌組織TLR4、MD-2基因廣泛表達(dá),膿毒癥發(fā)生時(shí)TLR4識(shí)別LPS是以TLR4/MD-2復(fù)合體形式完成的,而且在識(shí)別過程中MD-2是TLR4必需的作用分子[15]。在此狀態(tài)下大鼠心肌TLR4/MD-2基因表達(dá)變化規(guī)律基本保持一致,同時(shí)TLR4、MD-2基因表達(dá)上調(diào)又能促進(jìn)LPS刺激局部組織合成、釋放早期炎癥細(xì)胞因子——TNF-α,從而可能共同參與了機(jī)體失控性炎癥反應(yīng)的病理生理過程[16]。
此外,MD-2基因啟動(dòng)子區(qū)域的rs11465996多態(tài)性與新生兒壞死性小腸結(jié)腸炎(Necrotizing enterocolitis of newbo-rn,NEC)嚴(yán)重程度有關(guān)[17]。
CHI Xinjin等[18]研究表明,MD-2基因降低使TLR2/4活化作用的增加減弱,降低了原位自體肝移植后的急性肺損傷。目前國內(nèi)已成功構(gòu)建人TLR4及MD-2基因反義真核表達(dá)載體,為研究其在肺炎癥反應(yīng)中的作用奠定基礎(chǔ)[19]。
2 ? ?MD-2與機(jī)體天然免疫
2.1 ? ?與TLR4組成復(fù)合體
近年來,熒光共振能量轉(zhuǎn)移(fluorescence resonance ene-rgy transfer,F(xiàn)RET)技術(shù)為TLR4和MD-2在活體細(xì)胞中的相互作用提供了直接證據(jù)。TLR4的功能需要有髓樣分化蛋白-2的輔助,在只有TLR4而沒有MD-2存在的情況下,細(xì)胞對(duì)LPS不發(fā)生反應(yīng)或反應(yīng)微弱[6];另一方面,TLR4 mRNA與MD-2 mRNA表達(dá)具有顯著正相關(guān)[15],這表明它們?cè)跈C(jī)體免疫方面具有一定聯(lián)系。
TLR4識(shí)別LPS信號(hào)是以TLR4/MD-2復(fù)合受體的形式完成的,而且在識(shí)別過程中MD-2是TLR4必需的作用分子[16],其表達(dá)的功能域結(jié)合TLRs并在TLRs激活中發(fā)揮關(guān)鍵調(diào)控作用[18],起調(diào)節(jié)TLR4的胞內(nèi)分布和輔助TLR4識(shí)別LPS作用;另一部分MD-2釋放到血漿中,形成可溶性MD-2(sMD-2),在白細(xì)胞分化抗原14(CD14)參與下能結(jié)合血漿中的LPS[5]。
MD-2、TLR4以及白細(xì)胞分化抗原14(CD14)三者通常組成復(fù)合物受體識(shí)別LPS,完成信號(hào)傳導(dǎo)。復(fù)合物結(jié)構(gòu)的完整性是其發(fā)揮功能的基礎(chǔ),其中,MD-2與TLR4結(jié)合,賦予TLR4對(duì)各種配體(包括LPS)的反應(yīng)性,并且與TLR4在細(xì)胞內(nèi)的分布密切相關(guān)[2,8,20]。因此,MD-2不僅僅是TLR4的輔助分子,而且還是天然免疫中的調(diào)控分子,可能在感染、炎癥、免疫等病理生理過程中具有更廣泛的生理學(xué)功能[8]。
可溶性TLR4/MD-2受體復(fù)合物能顯著降低細(xì)菌感染后炎癥性細(xì)胞因子IL6 /IL8的分泌水平以及炎癥細(xì)胞表面共刺激分子的表達(dá),它能有效阻斷體外感染模型中炎癥介質(zhì)的釋放,為探索新的炎癥性損傷防治途徑提供了試驗(yàn)依據(jù)[3]。
一系列研究顯示,LPS可以對(duì)心肌組織TLR4/MD-2進(jìn)行上調(diào)基因表達(dá),本過程中,MD-2是TLR4必需的作用分子。TLR4和MD-2結(jié)合在細(xì)胞表面形成的受體復(fù)合物在LPS誘導(dǎo)的免疫應(yīng)答中具有關(guān)鍵作用。這個(gè)變化有可能是引發(fā)術(shù)后全身炎癥反應(yīng)綜合征(systemic inflammatory response syndrome,SIRS)的分子機(jī)制之一[7]。
2.2 ? ?相關(guān)藥物
近年來,越來越多髓樣分化蛋白-2的相關(guān)藥物和物質(zhì)受到重視。研究發(fā)現(xiàn),苦參素對(duì)EAE大鼠有防治作用,其作用機(jī)制可能與下調(diào)大鼠脊髓中TLR4和血清中MD-2的表達(dá)有關(guān),其通過影響TLR4/MD-2的表達(dá)進(jìn)而影響EAE的發(fā)病情況[1]。槐定堿作用于TLR4/MD-2,以抑制TLR4-NF-κB-TNF-α通路活化來作為其抗內(nèi)毒素機(jī)制之一[21]。
宣白承氣湯能減輕內(nèi)毒素致ALI大鼠肺組織損傷,對(duì)肺損傷有保護(hù)作用,其機(jī)制可能與其能降低內(nèi)毒素致ALI大鼠MD-2 mRNA、髓樣分化蛋白抗原(myeloid differential pro-tein-88,MyD88)蛋白及其mRNA的表達(dá)有關(guān)[22];此外,ZHA-NG Yali 等[23]研發(fā)出了新的姜黃素類似物MACs,它通過與LPS競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合到MD-2上,進(jìn)而抑制TLR4/MD-2信號(hào)復(fù)合物,其中MAC17和28具有最強(qiáng)的抗炎作用,90%以上抑制了LPS刺激巨噬細(xì)胞的細(xì)胞因子分泌,對(duì)LPS誘導(dǎo)的急性肺損傷和膿毒癥有防衛(wèi)作用。
分化誘導(dǎo)劑豆蔻酸-佛波醇-乙酯酸(PMA)在濃度1~100 ng/mL下均可將THP-1細(xì)胞誘導(dǎo)分化為成熟巨噬細(xì)胞,增加誘導(dǎo)質(zhì)量濃度可顯著提高炎癥因子TNF-α、IL-6的分泌水平,但對(duì)其膜表面受體MD-2表達(dá)和分布無明顯影響。因此,對(duì)內(nèi)毒素致炎效應(yīng)的研究,應(yīng)盡可能選擇低質(zhì)量濃度的PMA(1.5 ng/mL),因?yàn)榈唾|(zhì)量濃度的PMA既可誘導(dǎo)THP-1分化為形態(tài)和活性良好的成熟巨噬細(xì)胞,又可避免過高的炎癥因子TNF-α、IL-6的分泌,從而可最大程度地減小誘導(dǎo)過程對(duì)于后續(xù)的巨噬細(xì)胞功能試驗(yàn)的影響[24]。
2011年,丙泊酚已經(jīng)廣泛應(yīng)用于ICU膿毒癥、嚴(yán)重創(chuàng)傷等危重患者的鎮(zhèn)靜治療,早期使用丙泊酚對(duì)膿毒癥大鼠肝臟具有明顯的保護(hù)作用。研究顯示,正常大鼠肝組織內(nèi)可見少量TLR4、MD-2 mRNA表達(dá),脂多糖可迅速上調(diào)肝組織中TLR4、MD-2基因的廣泛表達(dá),丙泊酚干預(yù)后TLR4、MD-2 mRNA表達(dá)明顯下降,對(duì)膿毒癥大鼠有明顯的治療作用。肝組織中TLR4、MD-2基因的表達(dá)與早期膿毒癥的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān),2種基因的mRNA表達(dá)成顯著正相關(guān),動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)TLR4、MD-2 mRNA改變對(duì)膿毒癥發(fā)病及治療過程具有一定意義[25]。
Wolf-Grosse等[26]試驗(yàn)表明,氧化鐵納米顆粒(iron oxide nanoparticles,IONPs)對(duì)TLR配體誘導(dǎo)的細(xì)胞因子有不同程度的影響,顆粒介導(dǎo)的TLR4誘導(dǎo)細(xì)胞因子的增強(qiáng)不能用補(bǔ)體激活來解釋,而是依賴于TLR4/MD-2和CD14。在Saenger等[27]的研究中,牛奶蛋白αS1-casein被確認(rèn)為是TLR4星質(zhì)域的粘結(jié)劑,相較于LPS而言,αS1-casein對(duì)于TLR4/MD2顯示出更高的親和力。
2.3 ? ?臨床應(yīng)用
視網(wǎng)膜缺血再灌注(ischemia reperfusion,I/R)損傷在許多眼科疾病中很常見。Huaicheng Chen等[28]的研究表明,TL-R4參與缺血性視網(wǎng)膜損傷,抑制MD-2可能是調(diào)節(jié)TLR4信號(hào)通路和缺血性視網(wǎng)膜損傷中有害下游效應(yīng)的一種新途徑。MD-2參與TLR4-NADPH氧化酶4(NADPH oxidase4,NOX4)復(fù)合物的形成,在視網(wǎng)膜I/R損傷的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮關(guān)鍵作用。因此,抑制MD-2可減少視網(wǎng)膜I/R損傷過程中TLR依賴性損傷。
高遷移率組box-1(High mobility group box-1,HMGb1)是一種內(nèi)源性危險(xiǎn)因子相關(guān)分子模式蛋白(danger-associated molecular pattern protein,DAMP),其胞外釋放與無菌損傷以及各種炎癥疾病和條件有關(guān),現(xiàn)已被證明是一種有價(jià)值的臨床藥物靶點(diǎn)。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn),假設(shè)二硫化物A-box片段與TLR4/MD-2結(jié)合,而不促進(jìn)TLR4二聚體的形成,則其可與HMGb1結(jié)合位點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng),從而達(dá)到防止HMGb1誘導(dǎo)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和下游炎癥的目的。促炎B-box片段保留MD-2活性構(gòu)象,并與復(fù)合物中的TLR4蛋白結(jié)合,協(xié)助TLR4二聚體的形成,激活細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路下游炎癥通路和細(xì)胞因子釋放[29]。
Babazada等[30]研究表明,自組裝脂肪肝素衍生物通過拮抗TLR4/MD-2來抑制免疫系統(tǒng),其對(duì)乙二醇拆分肝素-d-紅細(xì)胞-鞘氨嘧啶偶聯(lián)物(glycol split heparin-d-erythrosp-hin-gosine conjugates,NAHNP)及其具有短脂鏈的區(qū)域選擇性脫硫衍生物與TLR4/MD-2相互作用的生物物理性質(zhì)進(jìn)行了研究。二維核奧弗豪斯效應(yīng)光譜研究表明,在乙二醇裂解后,肝素主干獲得了額外的適應(yīng)性,有助于與蛋白質(zhì)結(jié)合。然而,與天然肝素或乙二醇拆分非抗凝劑肝素(nonanticoag-ulant heparin,NAH)不同,NAH的疏水衍生物迫使硫酸酸化的艾杜糖醛酸殘基的構(gòu)型從2S0斜船型改變?yōu)?C4椅型,而肝素和NAH則并未有明顯效果。NAHNP則顯著地抑制脂多糖誘導(dǎo)NF-κB轉(zhuǎn)錄因子的激活,當(dāng)它與TLR4/MD-2結(jié)合時(shí),親和力為62.3 nM?;谏飩鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)關(guān)系研究表明,6-O-sulfo組d-氨基葡萄糖殘基在與受體復(fù)合物的TLR4和MD-2結(jié)構(gòu)域精氨酸結(jié)合中起重要作用,6-O-sulfo基團(tuán)的脫硫使締合動(dòng)力學(xué)下降,導(dǎo)致親和力降低800 nM。與脂多糖類似,NAHNP的2個(gè)脂族鏈與MD-2口袋結(jié)合,鏈長度下降導(dǎo)致NF-κB轉(zhuǎn)錄抑制活動(dòng)以及與TLR4/MD-2的結(jié)合親和力的喪失。
色氨酸t(yī)RNA合成酶(Tryptophanyl-tRNA synthetase,WRS)是一種具有非典型功能的氨基酰基tRNA合成酶(am-inoacyl-tRNA synthetases,ARSs)。在細(xì)菌感染過程中釋放全長WRS,啟動(dòng)TLR4/MD-2復(fù)合物,誘導(dǎo)先天免疫應(yīng)答。有研究表明,重組WRS蛋白處理細(xì)胞可以促進(jìn)炎癥細(xì)胞因子和1型干擾素(type 1 interferons,IFNs)的產(chǎn)生,并抑制THP-1和Raw264.7細(xì)胞中的病毒復(fù)制,但在TLR4-/-或MD-2-/-骨髓源性巨噬細(xì)胞(bone marrow-derived macrophages,BMD-Ms)中則不能[31]。
在疫苗的設(shè)計(jì)和配制方面,一種名為佐劑的疫苗成分可增強(qiáng)宿主免疫系統(tǒng)對(duì)抗原的識(shí)別,從而刺激其細(xì)胞和適應(yīng)性反應(yīng)。特別是具有自組裝特性的合成toll樣受體激動(dòng)劑被認(rèn)為是佐劑開發(fā)的良好候選者。TLR4衍生20殘基肽(TR-433)存在于TLR/MD-2復(fù)合體的二聚反應(yīng)界面,在短暫轉(zhuǎn)染TLR4/CD14/MD-2和Balb/cmice的THP-1單核細(xì)胞和HEK293T細(xì)胞中誘導(dǎo)促炎反應(yīng),作為一種新的佐劑在治療應(yīng)用中具有很大的發(fā)展?jié)摿32]。
3 ? ?參考文獻(xiàn)
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