芳香烴受體調(diào)節(jié)腸道免疫功能的研究進展

全書麗 黃婧溪 陳貴琴 楊 鷹

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,北京 100193)

1 AhR的結(jié)構(gòu)

AhR是一種配體激活的轉(zhuǎn)錄因子,屬于堿性螺旋-環(huán)-螺旋(basic helix-loop-helix,bHLH)家族PAS(Per-ARNT-Sim)亞家族[4],廣泛表達于全身不同類型細胞中。AhR蛋白的功能結(jié)構(gòu)域從N端到C端分別為bHLH結(jié)構(gòu)域、PAS結(jié)構(gòu)域和富含谷氨酸結(jié)構(gòu)域。bHLH結(jié)構(gòu)域可以輔助AhR結(jié)合到靶基因的啟動子區(qū)域和蛋白質(zhì)二聚化。PAS結(jié)構(gòu)域包括PAS-A和PAS-B 2部分,其中PAS-A區(qū)與AhR核轉(zhuǎn)運蛋白(AhR nuclear translocator,ARNT)結(jié)合,PAS-B區(qū)與配體結(jié)合形成復(fù)合物[4]。富含谷氨酸的結(jié)構(gòu)域具有募集和轉(zhuǎn)錄激活及保護相關(guān)輔酶因子的作用[5]。

2 AhR的信號通路

2.1 經(jīng)典通路

2.2 非經(jīng)典通路

AhR信號通路與其他信號通路交叉形成AhR與其配體作用的非經(jīng)典通路,其中部分靶基因轉(zhuǎn)錄起始位點不包含DRE。例如,AhR可以與RelA和RelB形成復(fù)合物,并將其募集至核因子-κB(nuclear factor-kappa B,NF-κB)響應(yīng)位點,從而參與調(diào)控NF-κB及其依賴的轉(zhuǎn)錄程序[13]。此外,AhR還能夠與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子(signal transducer and activator of transcription,STAT)1以及NF-κB結(jié)合,抑制IL-6啟動子活性,進而負向調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)[14]。配體激活的AhR還能夠與類固醇激素受體通路相關(guān)聯(lián)。在缺乏雌激素受體(estrogen receptor,ER)配體的情況下,AhR/ARNT復(fù)合物能夠與ERα和ERβ結(jié)合,形成的AhR/ER復(fù)合物募集至雌激素反應(yīng)元件啟動子上,誘導(dǎo)雌激素效應(yīng)[15]。此外,作為E3泛素連接酶,AhR能夠與Cullin 4B泛素連接酶形成復(fù)合物,誘導(dǎo)ERα泛素化和降解,調(diào)節(jié)非基因組水平的雌激素效應(yīng)[16]。

3 AhR的配體

AhR是一種配體依賴的轉(zhuǎn)錄因子,它能夠與不同結(jié)構(gòu)、生化特性和來源的配體結(jié)合,并且不同配體的親和力和反應(yīng)活性也不同,因此調(diào)控靶基因的通路也存在差異。

3.1 AhR的外源性配體

十字花科蔬菜(如西蘭花、花椰菜、甘藍和卷心菜)中含有大量葡糖甘藍素,經(jīng)酶促分解后可生成AhR激動劑前體吲哚-3-甲醇(indole-3-carbinol,I3C)和吲哚-3-乙腈(indole-3-acetonitrile,I3ACN)[18],在胃酸作用下生成AhR高親和力配體,包括3,3′-二吲哚甲烷(3,3′-diindolylmethane,DIM)和吲哚并[3,2-b]咔唑(indole[3,2-b]carbazole,ICZ)[19]。研究發(fā)現(xiàn),I3C及其縮合產(chǎn)物在治療腸道炎性疾病中具有潛在活性,它們通過激活A(yù)hR調(diào)控T細胞的分化和功能,促進調(diào)節(jié)性T細胞(Treg細胞)生成,同時減少輔助性T細胞(Th細胞)數(shù)量,進而緩解腸道炎癥反應(yīng)[20]。植物提取物白藜蘆醇能夠通過抑制AhR與配體的結(jié)合抑制AhR的活性,逆轉(zhuǎn)自身免疫性疾病患者Th17/Treg細胞失衡,對AhR介導(dǎo)的疾病具有治療潛力[21]。此外,體外試驗發(fā)現(xiàn),黃酮類化合物染料木黃酮能夠通過ERα的負向調(diào)節(jié)激活A(yù)hR及下游靶基因CYP1A1和CYP1B1的表達[22]。

3.2 AhR的內(nèi)源性配體

人體必需氨基酸色氨酸是內(nèi)源性AhR配體前體的主要來源。在腸道中,色氨酸通過犬尿氨酸代謝途徑或腸道微生物的代謝活動生成AhR配體,激活下游信號通路,參與調(diào)節(jié)機體代謝、免疫應(yīng)答、腸道穩(wěn)態(tài)等生物學(xué)過程。色氨酸代謝產(chǎn)物犬尿氨酸可促進CD4+幼稚T細胞分化為具有抗炎作用的Treg細胞,抑制免疫反應(yīng)[23]。此外,色氨酸光氧化副產(chǎn)物6-甲?；?5,11-二氫吲哚并[3, 2-b]咔唑[6-formylindolo(3,2-b)carbazole,FICZ]是AhR的高親和力配體,可在低至pmol范圍內(nèi)激活A(yù)hR信號通路[24],促進CYP1家族基因的表達,而生成的CYP1A1會快速降解FICZ,形成負反饋調(diào)節(jié),保證FICZ處于低水平[25]。此外,FICZ可誘導(dǎo)Th17細胞的分化和炎性細胞因子IL-17的表達,抑制Treg細胞的分化,加重小鼠自身免疫性疾病的癥狀[26]。

除了光照外,一些微生物也能夠?qū)⑸彼岽x生成AhR配體,例如羅伊氏乳桿菌能夠?qū)⑸彼岽x為AhR激動劑吲哚-3-甲醛[27]。在小鼠中,吲哚-3-甲醛可激活A(yù)hR誘導(dǎo)IL-22生成,維持腸道黏膜免疫穩(wěn)態(tài)[27]。此外,其他共生微生物菌群的色氨酸代謝產(chǎn)物也具有AhR激動劑活性,如吲哚-3-乙酸、吲哚-3-乙醛、色胺和3-甲基吲哚等[2,28]。

4 AhR對腸道免疫的影響

腸道黏膜免疫系統(tǒng)不僅是機體抵御病原體入侵的關(guān)鍵防線,同時還能夠調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答,維持免疫系統(tǒng)的平衡,促進機體健康。在腸道中,AhR廣泛表達于不同類型的免疫細胞中,包括B細胞、T細胞受體(T-cell receptor,TCR)γδT細胞、上皮內(nèi)淋巴細胞(intraepithelial lymphocytes,IELs)、Th17/22細胞、Treg細胞、固有淋巴細胞(innate lymphoid cells,ILCs)、巨噬細胞、樹突狀細胞和中性粒細胞等[29]。AhR可以調(diào)節(jié)腸道免疫細胞的發(fā)育、增殖和功能,并且調(diào)控相關(guān)細胞因子(如IL-22、IL-17A和IL-10等)產(chǎn)生,影響腸黏膜屏障功能和免疫應(yīng)答,對于維持腸道免疫穩(wěn)態(tài)具有重要意義[30-31]。

4.1 AhR調(diào)節(jié)腸道上皮內(nèi)淋巴細胞的功能

腸道IELs是位于腸上皮細胞之間的特異性淋巴細胞,在黏膜穩(wěn)態(tài)、組織修復(fù)和屏障保護中發(fā)揮關(guān)鍵作用。IELs主要由表達TCRαβ和γδ的T細胞組成,AhR通過調(diào)節(jié)IELs的發(fā)育、增殖和功能維持腸道免疫系統(tǒng)的平衡。在缺乏AhR或其配體的情況下,腸道黏膜部位的IELs數(shù)量減少,破壞腸道微生物負荷和組成,激活免疫反應(yīng),提高腸道對病原體的敏感性[32]。通過在腸道中移植富含AhR的TCRγδT細胞能夠重建AhR缺失小鼠腸道IELs,但是移植缺乏AhR的骨髓細胞不能重建腸道IELs,表明AhR對維持腸道IELs的重要性[32]。AhR激動劑FICZ能夠降低葡聚糖硫酸鈉(dextran sulphate sodium,DSS)誘導(dǎo)的結(jié)腸炎小鼠腸道中CD8αβ+和CD8+IELs亞群數(shù)量,提高TCRγδ+IELs亞群數(shù)量,從而抑制腸道炎癥反應(yīng)[33]。此外,色氨酸的吲哚衍生物也能夠通過激活A(yù)hR,將上皮內(nèi)CD4+T細胞分化為免疫調(diào)節(jié)性T細胞CD4+CD8αα+IELs[34]。因此,AhR能夠通過調(diào)節(jié)IELs的組成和數(shù)量,維持腸道黏膜免疫穩(wěn)態(tài)。

4.2 AhR調(diào)節(jié)固有淋巴細胞的功能

腸道ILCs是一類不表達特異性抗原識別受體的淋巴細胞,主要位于腸道黏膜下層,通過調(diào)控細胞因子產(chǎn)生和信號通路激活來發(fā)揮免疫防御作用。在腸道免疫中,ILCs通過產(chǎn)生細胞因子,如IL-22、IL-5和IL-13等,調(diào)控腸道上皮屏障的完整性、腸道微生物群的平衡以及腸道炎癥反應(yīng)等[35-36]。研究表明,腸道中AhR的激活可以促進ILCs發(fā)育和分化,并影響ILCs功能,調(diào)節(jié)腸道免疫應(yīng)答。Kit基因調(diào)節(jié)細胞的生長、存活和分化。研究發(fā)現(xiàn),AhR通過與Kit基因啟動子區(qū)域的DRE結(jié)合,促進Kit基因表達,從而維持ILC3數(shù)量[37]。IL-7通過激活A(yù)hR和STAT3能夠上調(diào)ILC3中IL-7受體水平,提高孤兒核受體γt+(retinoid-related orphan nuclear receptors,RORγt+)ILC3比例,促進IL-22分泌,調(diào)節(jié)腸上皮干細胞DNA損傷反應(yīng),從而保護腸上皮完整性[36]。此外,AhR的激活能夠抑制ILC2的功能,維持ILC3數(shù)量,保護宿主免受病原菌的侵襲[35]。然而,AhR缺陷型ILC3中Ki67的表達水平降低,抑制ILC3增殖,降低腸道IL-22+RORγt+ILCs比例,抑制IL-22分泌,提高宿主對病原菌的易感性,加重腸道炎癥[38]?？傊?AhR調(diào)控的轉(zhuǎn)錄程序?qū)S持ILCs數(shù)量、調(diào)節(jié)腸道ILCs功能具有重要作用。

4.3 AhR調(diào)節(jié)腸道Th17/Treg細胞平衡

CD4+幼稚T細胞在機體和環(huán)境誘導(dǎo)下可向Th1、Th2、Th17和Treg細胞分化,其中Th17和Treg細胞能夠表達AhR。AhR通路的功能障礙會導(dǎo)致Th17/Treg細胞失衡,加重炎癥反應(yīng)[39]。補充AhR配體能夠通過激活A(yù)hR通路調(diào)節(jié)Th17/Treg細胞平衡,改善腸道炎癥,重建腸道免疫穩(wěn)態(tài)[40]。

激活的AhR信號通路能夠調(diào)節(jié)T細胞分化途徑,其效果與AhR配體類型相關(guān)。例如,TCDD可通過激活A(yù)hR誘導(dǎo)Treg細胞分化,而FICZ激活A(yù)hR則可以抑制Treg細胞發(fā)育,并促進Th17細胞分化[26]。STAT蛋白是Th細胞分化的重要調(diào)節(jié)因子,AhR通過調(diào)節(jié)STAT表達控制Th17和Treg細胞分化[26]。轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)和IL-6誘導(dǎo)激活STAT1,AhR通過結(jié)合STAT1抑制Th17細胞分化,促進叉頭/翼螺旋轉(zhuǎn)錄因子P3+(forkhead/winged helix transcriptional factor P3+,Foxp3+)Treg細胞分化[41]。在潰瘍性結(jié)腸炎模型中,黃芩苷通過激活A(yù)hR調(diào)節(jié)Th17/Treg細胞平衡,降低促炎細胞因子IL-17、IL-6、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)水平,提高抗炎細胞因子IL-10、TGF-β和IL-22水平,從而維持腸道免疫穩(wěn)態(tài)[42]。多形擬桿菌(B.thetaiotaomicron)是一種與炎癥性腸病相關(guān)的腸道微生物,研究發(fā)現(xiàn),多形擬桿菌通過代謝色氨酸生成AhR激動劑吲哚乙酸和吲哚丙酸,促進抗炎Treg/Th2細胞分化,同時抑制促炎Th1/Th17細胞分化,從而減輕結(jié)腸炎癥反應(yīng)[43]。

4.4 AhR調(diào)節(jié)腸道巨噬細胞極化

腸道巨噬細胞來源于骨髓單核吞噬細胞,能夠協(xié)調(diào)先天性免疫和適應(yīng)性免疫反應(yīng),調(diào)節(jié)Th和Treg細胞之間的平衡并維持腸道穩(wěn)態(tài)。在炎癥反應(yīng)初期,M1型巨噬細胞被激活并分泌炎性細胞因子,如IL-6、IL-1β和TNF-α,從而誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)發(fā)生,啟動適應(yīng)性免疫,清除外源物質(zhì)。隨后,M2巨噬細胞分泌抗炎細胞因子,如IL-4、IL-10和TGF-β,從而抑制炎癥反應(yīng)進一步發(fā)展,緩解組織損傷,并促進組織修復(fù)和再生[44]。

AhR信號通路對M1/M2巨噬細胞極化及其誘導(dǎo)的免疫反應(yīng)具有調(diào)節(jié)作用。當(dāng)AhR缺失時,巨噬細胞表現(xiàn)炎癥表型,M1型巨噬細胞分泌促炎細胞因子水平升高,一氧化氮(NO)生成和吞噬能力下降,而M2型巨噬細胞標(biāo)志物水平降低,表明AhR在調(diào)節(jié)M1/M2巨噬細胞極化中的必要性[45]。當(dāng)?shù)蛲黾毎c巨噬細胞共培養(yǎng)時,凋亡細胞的吞噬作用能夠激活巨噬細胞中AhR,誘導(dǎo)AhR與IL-10和精氨酸酶-1(arginase-1,Arg-1)啟動子結(jié)合,促進抗炎免疫反應(yīng)并抵御凋亡細胞的吞噬作用。相反,AhR缺失或抑制會轉(zhuǎn)變?yōu)镮L-6、IL-12p40和TNF-α主導(dǎo)的促炎反應(yīng),減弱IL-10主導(dǎo)的抗炎反應(yīng)[46]。在腸易激綜合征小鼠模型中,黃酮類化合物苦參素(kurarinone,KAR)能夠激活A(yù)hR抑制M1型巨噬細胞標(biāo)志物IL-1β、IL-12、TNF-α和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)表達,促進M2型巨噬細胞標(biāo)志物Arg-1和IL-10等表達,從而改善小鼠的腸易激綜合征。然而,AhR缺失會抑制KAR對M1/M2巨噬細胞極化的調(diào)節(jié)作用,加重腸道受損程度[47]。因此,配體激活的AhR能夠誘導(dǎo)巨噬細胞向M2表型轉(zhuǎn)化,促進抗炎反應(yīng),緩解腸道炎癥。

5 小 結(jié)

AhR作為一種配體依賴的轉(zhuǎn)錄因子,能夠與來自環(huán)境、飲食、宿主代謝產(chǎn)物和微生物群的配體作用,參與機體代謝、免疫調(diào)節(jié)和穩(wěn)態(tài)維持等生理過程。在腸道中,AhR能夠影響免疫細胞的分化、增殖和功能,調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答和炎癥反應(yīng),維持腸道黏膜屏障功能,對腸道免疫和穩(wěn)態(tài)具有重要的調(diào)節(jié)作用。然而,AhR配體種類繁多,不同配體通過AhR信號通路參與調(diào)節(jié)腸道免疫功能的作用機制復(fù)雜多樣。因此,在未來研究中,探究不同來源的AhR配體在特定的腸道疾病模型和細胞群中的作用機制對開發(fā)新的腸道疾病治療方法具有重要意義。