自噬異常與炎癥性腸病發(fā)病的關(guān)系*

宋楊達 鐘英強

中山大學(xué)孫逸仙紀念醫(yī)院消化內(nèi)科(510120)

·綜 述·

自噬異常與炎癥性腸病發(fā)病的關(guān)系*

宋楊達 鐘英強#

中山大學(xué)孫逸仙紀念醫(yī)院消化內(nèi)科(510120)

炎癥性腸病(IBD)患者體內(nèi)存在細胞自噬功能低下的現(xiàn)象。ATG16L1、NOD2、IRGM等自噬相關(guān)基因的單核苷酸多態(tài)性(SNP)與IBD的易感性有關(guān)。自噬可能通過免疫應(yīng)答與耐受、胞內(nèi)菌感染、免疫調(diào)節(jié)功能與Paneth細胞功能異常以及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激等過程影響IBD的發(fā)病。本文就自噬異常與IBD發(fā)病的關(guān)系作一綜述。

自噬； 炎癥性腸??； 多態(tài)性,單核苷酸； 免疫

炎癥性腸病(inflammatory bowel disease,IBD)是一組病因尚未完全清楚的腸道慢性非特異性炎癥性疾病，主要包括克羅恩病(Crohn’s disease,CD)、潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis,UC)和未定型結(jié)腸炎(intermediate colitis,IC)。隨著人類基因組計劃的開展，人們已通過全基因組關(guān)聯(lián)研究(genome-wide association studies,GWAS)發(fā)現(xiàn)160余個與IBD發(fā)病相關(guān)的基因位點[1]。多種自噬相關(guān)基因的單核苷酸多態(tài)性(single-nucleotide polymorphisms,SNP)被發(fā)現(xiàn)與IBD的易感性有關(guān)，使人們開始關(guān)注自噬與IBD的關(guān)系。

自噬是指細胞自身物質(zhì)被包裹吞噬并在自身溶酶體中降解消化的過程。在一些因素(如饑餓、缺血缺氧、感染等)的影響下，組織細胞可通過自噬途徑降解細胞內(nèi)受損的細胞器、無用的蛋白質(zhì)和核酸等物質(zhì)，并重新利用這些原料，增強自身生存力，維持細胞穩(wěn)態(tài)[2]。此外，自噬在維持機體免疫穩(wěn)態(tài)中起有重要作用，包括參與機體固有免疫和適應(yīng)性免疫應(yīng)答、免疫耐受、免疫調(diào)節(jié)等過程。目前發(fā)現(xiàn)自噬功能失衡與多種疾病密切相關(guān)，如IBD、感染、神經(jīng)退行性病變、腫瘤和自身免疫病等[3]。本文就自噬與IBD的關(guān)系及其可能的作用機制作一綜述。

一、自噬分類和途徑

作為一種在進化上比較保守的細胞代謝過程，自噬與其他降解途徑(如蛋白酶體)不同，可吞噬并消化降解一些較大的物質(zhì)，如老化的細胞器、異常的蛋白聚集體，甚至是入侵的病原體。根據(jù)細胞內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)運到溶酶體的途徑不同，自噬可分為巨自噬(macroautophagy)、微自噬(microautophagy)、分子伴侶介導(dǎo)的自噬(chaperone-mediated autophagy)等[4]。巨自噬是自噬的主要形式，大致過程如下：待降解物質(zhì)被非溶酶體起源的雙層膜結(jié)構(gòu)包裹，形成自噬體(autophagosome)，再與溶酶體融合，形成自噬溶酶體，最后在溶酶體酶作用下，自噬溶酶體內(nèi)的物質(zhì)被降解。

二、自噬相關(guān)基因多態(tài)性與IBD

對IBD易感基因的研究已發(fā)現(xiàn)多個自噬相關(guān)基因及其SNP位點，如ATG16L1、NOD2、IRGM等，均被證實與IBD發(fā)病相關(guān)。

1.ATG16L1：ATG16L1是自噬體形成過程中的一種關(guān)鍵蛋白質(zhì)，位于人染色體2q37.1。ATG16L1可與ATG12和ATG5相互作用形成ATG12-ATG5-ATG16L1共軛復(fù)合體，招募微管相關(guān)蛋白1輕鏈3(microtubule-associated protein 1 light chain 3)，后者可與磷脂酰乙醇胺連接，有助于自噬膜延伸，形成自噬體[5]。研究[6]發(fā)現(xiàn)，ATG16L1缺陷的細胞無法合成ATG12-ATG5-ATG16L1蛋白復(fù)合體，從而抑制自噬體的形成。ATG16L1缺陷小鼠對葡聚糖硫酸鈉(DSS)誘導(dǎo)的結(jié)腸炎更易感，白細胞介素(interleukin,IL)-1β和IL-18較對照組明顯升高。此外，小鼠ATG16L1基因的表達被抑制后，腸道Paneth細胞內(nèi)的顆粒數(shù)減少且形態(tài)異常，ATG16L1基因突變的CD患者Paneth細胞也存在類似改變，說明ATG16L1對Paneth細胞的功能有影響[7]。

Hampe等[8]通過GWAS分析發(fā)現(xiàn)一個與歐美白種人群CD發(fā)病相關(guān)的ATG16L1基因SNP突變位點rs2241880(T300A)。該突變使ATG16L1基因N端第300位上的蘇氨酸(Thr)變?yōu)楸彼?Ala)，且其發(fā)生在進化保守的WD重復(fù)區(qū)。研究[9]發(fā)現(xiàn)，攜帶T300A突變純合子的CD患者腸道狹窄的發(fā)生率更高，且病情容易復(fù)發(fā)，需早期加用免疫抑制劑干預(yù)。但在中國漢族人群中尚未發(fā)現(xiàn)ATG16L1基因T300A突變與CD的關(guān)系，說明CD相關(guān)的ATG16L1基因多態(tài)性改變可能存在地域和種族差異。

2.NOD2/CARD15：NOD2屬于NOD樣受體家族，是一類重要的模式識別受體，可識別病原相關(guān)分子模式，從而在固有免疫中發(fā)揮作用[10]。NOD2能識別細菌的胞壁酰二肽，誘導(dǎo)炎癥小體NLRP3形成，激活下游MAPK、NF-κB通路，然后通過自身的caspase活化募集結(jié)構(gòu)域(caspase-activating and recruitment domain,CARD)招募和激活caspase-1，釋放炎癥因子如IL-1β和IL-18，進一步引起免疫反應(yīng)。此外，NOD2還可通過CARD結(jié)構(gòu)域與ATG16L1的WD40結(jié)構(gòu)域相互作用，從而誘導(dǎo)細胞對入侵病原體的自噬過程[11]。

NOD2是第一個被發(fā)現(xiàn)的CD易感基因，后被命名為CARD15。在歐美人群中，NOD2/CARD15基因常見SNP位點目前主要包括rs2066844(R702W)、rs2066845(G908R)、rs41450053(L1007fsC)等[12]。研究[13]發(fā)現(xiàn)NOD2突變純合子罹患CD的危險度是正常人的20～40倍，且發(fā)病年齡更小，臨床表現(xiàn)更嚴重，如發(fā)生回腸狹窄和需要手術(shù)干預(yù)的概率增加。然而，上述SNP位點在亞洲和非洲南部國家中均未發(fā)現(xiàn)與IBD有明顯關(guān)聯(lián)，且這些國家的IBD發(fā)病率遠低于北歐和北美國家[14]，這或許也證實了NOD2/CARD15基因異常對IBD發(fā)病的促進作用。

NOD2基因SNP改變與CD發(fā)病關(guān)系的研究[11]發(fā)現(xiàn)，L1007insC突變的NOD2基因編碼的蛋白序列較正常序列短，導(dǎo)致招募的ATG16L1無法與細胞膜連接，自噬過程受阻，使病原體在細胞內(nèi)長期存在而出現(xiàn)慢性炎癥。此外，NOD2基因3020insC突變還可通過抑制IL-10轉(zhuǎn)錄使其表達下降，抑制抗炎作用。這可能是CD發(fā)病過程中腸道過度炎癥反應(yīng)的發(fā)生原因之一[15]。

3.IRGM：IRGM基因位于人染色體5q33.1上，其編碼的蛋白屬于免疫相關(guān)GTP酶家族。Singh等[16]發(fā)現(xiàn)IRGM可誘導(dǎo)自噬產(chǎn)生，協(xié)助清除入侵細胞的結(jié)核分支桿菌。GWAS分析[17-18]顯示，IRGM基因多態(tài)性與CD密切相關(guān)，如rs10065172和rs13361189等。研究[19]發(fā)現(xiàn)，IRGM基因敲除小鼠的腸道Paneth細胞發(fā)生了定位異常和分泌顆粒的形態(tài)改變，且這種小鼠對DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎更易感。上述研究均提示IRGM可通過影響自噬的功能來誘發(fā)IBD。

三、自噬與IBD發(fā)病機制的關(guān)系

自噬作為一種進化上高度保守的生理過程，廣泛參與機體生長、更新和免疫防御功能。根據(jù)自噬相關(guān)基因與IBD的關(guān)系，自噬可能通過以下機制參與IBD的發(fā)病過程。

1.自噬與免疫應(yīng)答和耐受：自噬參與細胞內(nèi)抗原的加工處理并通過MHC-Ⅱ類途徑將抗原呈遞至CD4+T細胞，誘導(dǎo)進一步的免疫反應(yīng)[20]。自噬缺陷可影響細菌抗原肽的呈遞，使胞內(nèi)感染持續(xù)存在，形成慢性炎癥[21]。

此外，自噬還參與了T細胞在胸腺發(fā)育過程中的陽性和陰性選擇[22]。自噬缺陷小鼠胸腺中CD4+T細胞的陰性選擇受阻，使對自身組織抗原起反應(yīng)的異常T細胞繼續(xù)發(fā)育成熟，并可在全身組織中浸潤，導(dǎo)致多器官的自身免疫性炎癥，其中結(jié)腸炎癥表現(xiàn)類似CD[23]。自噬缺陷導(dǎo)致機體對腸道共生菌和自身抗原的免疫耐受降低，使腸道適應(yīng)性免疫增強，誘發(fā)異常炎癥反應(yīng)，這可能是IBD的發(fā)病機制之一。

2.自噬與胞內(nèi)菌感染：自噬除可通過MHC-Ⅱ呈遞途徑促進適應(yīng)性免疫清除感染外，還可直接吞噬清除入侵的病原體。腸道菌群失衡和細菌持續(xù)感染可能是IBD的病因。累及回腸的CD患者腸上皮細胞內(nèi)常伴有黏附侵襲性大腸桿菌(adherent-invasiveEscherichiacoli,AIEC)感染。Lapaquette等[24]發(fā)現(xiàn)，生理水平的自噬可有效抑制AIEC的增殖，而IRGM和ATG16L1基因缺陷的細胞內(nèi)則有大量AIEC增殖。Nguyen等[25]的研究結(jié)果顯示，AIEC可通過NF-κB通路上調(diào)腸上皮細胞microRNA-30C和microRNA-130A水平，從而降低ATG5和ATG16L1的表達，抑制自噬過程，有助于AIEC的存活和進一步入侵。上述研究均證實了自噬缺陷和AIEC感染與CD發(fā)病的關(guān)系。自噬缺陷導(dǎo)致胞內(nèi)菌清除能力降低，使胞內(nèi)感染持續(xù)存在，招募更多的炎性細胞浸潤，引起細胞因子過度分泌并形成慢性肉芽腫，這些效應(yīng)可能均與CD的發(fā)病相關(guān)。

3.自噬與免疫調(diào)節(jié)功能：自噬可通過多種途徑調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答，抑制炎癥反應(yīng)的過度發(fā)生。

首先，自噬可下調(diào)NF-κB的活化。NF-κB信號通路的活化是多數(shù)病原物介導(dǎo)炎癥的關(guān)鍵。在炎癥反應(yīng)激活T細胞的同時，自噬能通過選擇性地抑制銜接蛋白BCL10復(fù)合體的形成來下調(diào)NF-κB活性，防止其過度激活[26]。

其次，自噬可抑制炎癥小體激活。炎癥小體是一種多蛋白復(fù)合體，在感染或其他應(yīng)激時，可通過調(diào)節(jié)caspase-1活化，使炎性細胞因子前體pro-IL-1β和pro-IL-18切割成熟，促進機體的炎癥反應(yīng)過程。自噬抑制炎癥小體激活的機制主要有以下兩個方面：①自噬可通過降解異常的蛋白聚集物、老化缺陷的細胞器等細胞內(nèi)殘余廢物，來阻止這些內(nèi)源性致炎物激活炎癥小體[27-28]；②自噬通過降解炎癥小體組分，來抑制其激活[29]。

第三，自噬還可影響T細胞分化。研究[30]表明，自噬能通過下調(diào)IL-1α和IL-1β等T細胞分化必需細胞因子的分泌來抑制T細胞向Th17細胞分化。而ATG5缺陷的結(jié)核感染小鼠肺組織中發(fā)現(xiàn)Th17細胞浸潤明顯增多，炎癥的病理表現(xiàn)亦更嚴重。

4.自噬與Paneth細胞功能異常：Paneth細胞是一類位于腸腺基底部的細胞，作為腸道抗菌生物屏障的重要組成部分，能通過分泌溶菌酶和防御素等殺菌物質(zhì)，溶解腸道細菌的細胞壁。Cadwell等[7]發(fā)現(xiàn)ATG16L1和ATG5缺陷小鼠中Paneth細胞分泌殺菌物質(zhì)的能力顯著下降，且臨床表現(xiàn)類似于人類CD。在ATG16L1缺陷CD患者中，Paneth細胞的分泌功能異常，可能通過削弱腸道抗菌生物屏障，改變了正常腸道菌群，引起腸道損傷和慢性炎癥的發(fā)生。

5.自噬與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是細胞內(nèi)與蛋白折疊修飾、轉(zhuǎn)運和分泌功能有關(guān)的一種重要細胞器。在多種應(yīng)激因素刺激下，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的正常功能可受到影響，導(dǎo)致蛋白未折疊或錯誤折疊，此過程稱為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。腸道內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可導(dǎo)致Paneth細胞和杯狀細胞分泌功能(如抗菌肽和黏蛋白等)異常，使正常腸道抗菌和黏蛋白屏障受損[31]，進而引起持續(xù)的炎癥刺激，促進IBD的發(fā)生。自噬有助于降解內(nèi)質(zhì)網(wǎng)產(chǎn)生的異常折疊蛋白，維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)。自噬缺陷小鼠的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)加重，NF-κB和TNF信號通路增強，可引起類似于CD表現(xiàn)的自發(fā)性回腸炎[32]。上述研究結(jié)果提示自噬和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可能與IBD發(fā)生有密切的關(guān)系。

四、結(jié)語

基因的功能學(xué)研究提示，自噬可通過多種途徑來維持自身內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。目前已明確，自噬可影響抗原呈遞、幼稚T細胞的陰性選擇與免疫耐受、T細胞增殖和分化、炎癥小體和炎性細胞因子分泌等過程。但目前仍有一些問題需深入研究，如自噬除可影響Th17細胞分化外，對T細胞其他亞群是否有影響；自噬與免疫系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和腸道共生菌群的復(fù)雜關(guān)系和具體作用機制等。這些問題的解決有助于深入理解自噬相關(guān)基因功能的改變對IBD發(fā)病的影響，并為IBD的臨床診斷和治療帶來啟發(fā)。目前已有不少研究開始應(yīng)用自噬誘導(dǎo)劑來治療IBD，取得了不錯的效果，如有病例報道應(yīng)用雷帕霉素治療1例難治性CD患者，其癥狀明顯改善，黏膜愈合良好[33]。隨著研究的進一步深入，上調(diào)自噬功能將可能成為IBD治療的新靶點和方向。

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(2016-10-04收稿；2016-11-10修回)

Relationship between Autophagy Abnormalities and Pathogenesis of Inflammatory Bowel Disease

SONGYangda,ZHONGYingqiang.

DepartmentofGastroenterology,SunYat-senMemorialHospital,SunYat-senUniversity,Guangzhou(510120)

ZHONG Yingqiang,Email:zhongyingqiang@126.com

Autophagy dysfunction is present in patients with inflammatory bowel disease (IBD),and the single-nucleotide polymorphisms (SNP) of autophagy related genes ATG16L1,NOD2 and IRGM might contribute to an increased susceptibility to IBD.Autophagy might participate in the pathogenesis of IBD through immune response and tolerance,intracellular bacterial infection,abnormalities in immune regulation and Paneth cells,and endoplasmic reticulum stress.This article reviewed the relationship between autophagy abnormalities and pathogenesis of IBD.

Autophagy; Inflammatory Bowel Disease; Polymorphisms,Single Nucleotide; Immune

10.3969/j.issn.1008-7125.2017.05.011

國家自然科學(xué)資金面上項目(81370499)、廣東省自然科學(xué)基金資助項目(2014-A030313020)

#本文通信作者，Email:zhongyingqiang@126.com