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   中国临床医学  2023, Vol. 30 Issue (5): 893-899      DOI: 10.12025/j.issn.1008-6358.2023.20220945
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叉头框蛋白O3介导Th1/Th17/Treg失衡在白塞综合征发病机制中的潜在作用
鲍华芳 , 管剑龙     
复旦大学附属华东医院风湿免疫科, 上海 200040
摘要:白塞综合征(Behçet's syndrome, BS)是一种慢性复发性、可累及多种重要脏器的变异性血管炎。免疫紊乱是BS发生发展的基石,其中辅助性T细胞(T helper cell, Th)1/Th17/调节性T细胞(regulatory T cell, Treg)失衡起重要作用。叉头框蛋白O3(forkhead box O3, FOXO3)可调节T细胞活化、分化和T细胞功能。FOXO3表达改变与Th1/Th17/Treg失衡相关,使FOXO3成为免疫疾病治疗的潜在靶点。目前尚缺乏FOXO3与BS相关的研究,故本文对FOXO3作为BS潜在治疗靶点的机制进行总结与展望。
关键词白塞综合征    叉头框蛋白O3    辅助性T细胞1    辅助性T细胞17    调节性T淋巴细胞    
The potential role of forkhead box O3 mediated Th1/Th17/Treg imbalance in the pathogenesis of Behçet's syndrome
BAO Hua-fang , GUAN Jian-long     
Department of Rheumatology and Immunology, Huadong Hospital, Fudan University, Shanghai 200040, China
Abstract: Behçet's syndrome (BS) is a chronic recurrent variant vasculitis involving multiple important organs. The immune disorder is the basis of occurrence and development of BS, and the imbalance of T helper cell (Th) 1/Th17/regulatory T cell (Treg) plays an important role. Forkhead box O3 (FOXO3) can modulate the activation, differentiation, and function of T cells. The change of FOXO3 expression is related to the imbalance of Th1/Th17/Treg, which makes FOXO3 a potential target for the treatment of immune diseases. At present, there is few research on FOXO3 and BS, so this paper summarizes and looks forward to the mechanism of FOXO3 as a potential therapeutic target for BS.
Key words: Behçet's syndrome    forkhead box O3    T helper cell 1    T helper cell l7    regulatory T cell    

白塞综合征(Behçet’s syndrome, BS)是一种病因不明的变异性血管炎,可累及眼、肠道、心脏、血管、关节、神经和血液系统[1]。内脏受累常提示疾病预后不佳,肠道、心脏、血管、血液和神经系统受累可能引起患者死亡[2]。BS在古丝绸之路沿线的国家高发,又称为“丝绸之路病”;其中,土耳其发病率最高,约240例/10万人,而中国发病率约14例/10万人[3-4]

叉头框蛋白O(forkhead box O, FOXO)家族在哺乳动物中存在4个基因,分别为FOXO1、FOXO3、FOXO4和FOXO6,其共同特征是有叉状的DNA结合结构域。其中,最重要的成员是FOXO3,也称为FOXO3a,参与细胞增殖、凋亡、自噬、氧化应激和衰老等过程[5-6]。既往研究[6-8]提示,FOXO3与人类长寿相关,其下调促进肿瘤发生,且与几种癌症预后不良和耐药性相关。但近来研究[5]发现,FOXO3可调节T细胞活化、分化和T细胞功能,调节B细胞增殖,在免疫疾病中发挥重要作用,可成为免疫疾病治疗的潜在靶点。目前,尚缺乏FOXO3在BS领域的机制研究。本文总结FOXO3的生物学功能以及对免疫系统的影响,分析FOXO3在BS发生和发展中的潜在作用。

1 FOXO3蛋白的结构和功能 1.1 生物学结构

FOXO3基因位于6号染色体长臂2区1带[7],FOXO3相对分子质量约为71 000,由5个主要结构域组成:1个高度保守的FOX家族成员具有的翼状螺旋结构,负责FOXO3和DNA之间的相互作用;2个核定位序列参与FOXO3因子的重新定位;1个核输出序列;1个C末端反式激活结构域,是FOXO3下游基因反式激活的基础,包含1个蛋白激酶B磷酸化位点和14-3-3结合基序,在FOXO3蛋白和DNA复合物的稳定性上起关键作用[7]

1.2 生物学功能

FOXO3转录因子是进化上保守的FOXO家族的成员之一,在多种生物过程中发挥着重要作用,如抑制有氧糖酵解、减轻氧化应激、促进DNA损伤修复、促进/抑制细胞凋亡、激活自噬、调节免疫和抑制炎症等[9-11]。在前列腺癌中,使用siRNA抑制FOXO3表达可促进葡萄糖摄取,乳酸和ATP的产生,FOXO3的过表达在一定程度上降低了糖酵解水平[12]。FOXO3可通过靶向凋亡基因促进细胞凋亡,如Bcl-2家族促凋亡蛋白BIM(BCL2L11)[13]和肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体(tumor necrosis factor-related apoptosis-inducing ligand, TRAIL)。FOXO3可激活自噬相关基因3(autophagy related gene 3, ATG3)和RNA结合基序蛋白47(RNA binding motif protein 47, RBM47)形成循环并促进自噬[10],也可促进Bcl-2/腺病毒E1B 19-kDa相互作用蛋白3(Bcl-2/adenovirus E1B 19-kDa interacting protein 3, BNIP3)上调介导线粒体自噬[14]。FOXO3可以通过抑制NF-kB活性来调节辅助性T细胞的活化和耐受性,并且抑制炎性细胞因子的产生[15]。研究[16]表明,小鼠腹膜巨噬细胞中FOXO3过表达可诱导IκB mRNA和蛋白质水平升高,同时降低核NF-κB p65水平,从而抑制NF-κB活化和炎症反应。滤泡辅助性T细胞(follicular helper T, Tfh)相关研究[17]发现,FOXO3能够与IL-21启动子结合并调节IL-21分泌,FOXO3在调节Tfh分化和IL-21产生中起关键作用。调节FOXO3活性可能有利于增强或预防抗体介导的免疫反应。

FOXO3的上述生物学效应受到翻译后修饰、蛋白质稳定性和蛋白质-蛋白质相互作用的活性调节[9]。FOXO3的翻译后修饰包括磷酸化、去磷酸化、乙酰化和去乙酰化。上述过程影响其在细胞核和细胞质中的定位,这决定了FOXO3的生物学活性[18]。乙酰化能促进FOXO3驱动的细胞凋亡,近期研究[19]证明一种特定的c-Jun N-末端激酶(c-Jun N-terminal kinase, JNK)依赖的S574磷酸化形式(p-FOXO3)是具有凋亡特异性的。p-FOXO3可选择性地结合到凋亡前启动子,作为Bcl-2的转录抑制因子,并诱导肝细胞和单核细胞凋亡。FOXO3乙酰化是S574磷酸化和细胞凋亡的必要条件,而去乙酰化酶SIRT1和SIRT7过表达都能够在体外和体内使FOXO3去乙酰化,从而阻止FOXO3在S574位点磷酸化并阻断凋亡。FOXO3的转录活性取决于其磷酸化状态,被丝氨酸/苏氨酸激酶AKT(又称蛋白激酶B,PKB)磷酸化后,p-FOXO3与14-3-3蛋白结合并从细胞核转移至细胞质。同时,FOXO3上的核定位信号被隐藏,阻止FOXO3重新进入细胞核,使FOXO3在细胞质中富集,转录活性受到抑制,也抑制了FOXO3介导的多种细胞功能[20-21]。此外,三结构域家族蛋白33(tripartite motif containing 33, TRIM33)通过抑制FOXO3泛素化和降解,能避免细胞凋亡[22]。而p-FOXO3与E3泛素连接酶相互作用并发生多次泛素化,可导致FOXO3蛋白降解。当AKT通路被抑制时,去磷酸化的FOXO3会在细胞核中积累,并激活多种靶基因的表达[23]

2 Th1/Th17/Treg失衡和BS

BS的发生与环境、遗传和免疫紊乱相关[24]。免疫紊乱是BS发生发展的基石,其中辅助性T细胞(T helper cell, Th)1、Th17和调节性T细胞(regulatory T cell, Treg)功能改变起重要作用[25]。BS的免疫发病机制由自身炎症性反应和自身免疫性反应共同参与[24, 26]。BS的发生过程大致为:环境或内源性刺激激活固有免疫系统,产生过量炎性细胞因子,如白细胞介素(interleukin, IL)-1、IL-6和肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α, TNF-α),这些细胞因子激活适应性免疫系统,导致T细胞活化(如Th1、Th17、Th22分化)和Treg细胞表达下调,进而刺激中性粒细胞、上皮细胞等介导组织炎症反应发生。

Th1免疫反应促进BS发生及活动。IL-12和γ干扰素(interferon-γ, IFN-γ)诱导产生大量转录因子T-bet,从而促进CD4+T细胞分化为Th1细胞,分泌IFN-γ和IL-2等细胞因子,参与细胞介导的免疫应答。Th1细胞分化和相关细胞因子的表达水平升高与BS活动相关。活动期BS患者Th1型细胞因子,如IL-2,IL-12,IL-18和IFN-γ水平增加[27]。Touzot等[28]研究发现在BS中,IFN-α可以通过促进IL-10分泌抑制Th1炎性反应。

Th17细胞在自身免疫性疾病的机制研究中处于中心地位,在BS机制研究中也十分重要。IL-6、肿瘤生长因子β(transforming growth factor-β, TGF-β)、IL-21和IL-23通过激活RORγt和STAT3等转录因子促进CD4+T细胞向Th17细胞分化并产生IL-17A、IL-17F、IL-6和TNF-α等细胞因子,继而动员、募集及活化中性粒细胞介导的组织炎症反应。活动期BS患者的血清IL-17水平升高,疾病活动也可促进Th17细胞分化[27, 29]。Puccetti等[30]通过基因表达网络分析提示BS患者和健康对照的外周血差异基因功能富集在免疫应答,特别是Th17和Ⅰ型干扰素相关基因上调,并通过流式细胞荧光分选技术确认了Th17极化。

Treg细胞可以抑制效应T细胞反应。Treg和Th1/Th17细胞之间保持适当的平衡才能在保持有效免疫力的同时,防止自身免疫性疾病发生。在TGF-β单独作用下,活化的初始CD4+T细胞分化为Treg细胞,Foxp3为重要的转录因子。Treg细胞可以分泌抑炎的细胞因子,例如IL-10、IL-35和TGF-β[27]。Albayrak等[29]研究表明,BS葡萄膜炎患者IL-10产生受损,提示Treg功能障碍可能在BS葡萄膜炎发生中发挥作用;IFNα-2a治疗有效可能与Treg细胞功能恢复、Th17细胞受抑制以及CD4+T细胞和单核细胞上TLR表达减少有关。此外,其他免疫细胞介导的免疫反应也参与BS的发生发展,包括B细胞[31]、CD8+T细胞[32-33]、巨噬细胞[34]、NK细胞[35]、γδT细胞[25]等。

3 FOXO3作为BS的潜在治疗靶点 3.1 FOXO3影响Th1/Th17/Treg平衡

研究[36]证明,STAT3通过直接与启动子结合来上调转录因子FOXO1和FOXO3,能广泛地影响T细胞活化和凋亡,STAT3可通过上调FOXO1/FOXO3表达来限制T细胞的IL-2分泌水平,从而保护T细胞免于凋亡。FOXO3在Th1/Th17/Treg细胞分化及相关免疫反应中起重要作用。与野生型相比,FOXO3缺陷型MRL/lpr(系统性红斑狼疮模型)小鼠产生过度活化的Th细胞并产生更多的Th1和Th2型细胞因子,如IL-2、IL-4、IL-5、IL-6、IL-10和IFN-γ[15]。FOXO3过表达可显著减弱脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)对细胞增殖和Th1/Th17型促炎细胞因子TNF-α、IL-6和IL-1β释放的促进作用[37]。Park等[38]研究发现,结节性硬化复合物1(tuberous sclerosis complex 1, TSC1)缺陷型Treg细胞中的FOXO3缺失在很大程度上促进Treg细胞向Th17细胞转化。Wei等[39]研究发现,FOXO3通过抑制IL-23受体表达可负向调节致病性Th17细胞反应,而miR-223-3P抑制转录因子FOXO3表达后能促进Th17细胞反应。

FOXO3是Foxp3的关键激活剂,可促进Foxp3基因的表达,进而促进Treg细胞分化[40]。Du等[41]发现,巨噬细胞刺激(macrophage stimulating, MST)激酶可同时激活FOXO1及FOXO3,并抑制TCR刺激的TCR信号下游AKT以促进Foxp3表达和Treg发育,为更好地治疗自身免疫疾病提供了新思路。Ouyang等[42]研究T细胞特异性缺失FOXO1和FOXO3转录因子的小鼠,发现Treg细胞缺陷使多个内脏系统发生炎症紊乱;FOXO1和FOXO3蛋白与Foxp3位点结合并能控制Foxp3启动子活性;转录组学分析提示,FOXO蛋白调节Treg细胞相关基因的表达。因此,FOXO3对Treg细胞分化具有重要作用。

3.2 BS相关致病通路参与FOXO3影响Th1/Th17/Treg平衡 3.2.1 AKT/mTOR通路

Liang等[43]报道了AKT/mTOR通路激活可影响BS患者树突状细胞(dendritic cells, DCs)产生细胞因子。该研究发现,miR-155通过激活AKT/mTOR信号通路和影响活动期BS患者DCs的自噬过程,改变了DCs产生TNF-α、IL-6和IL-1β的水平。

既往研究[44]提示,抑制AKT可以增加FOXO3的活性并促进Treg的形成。当AKT通路被抑制,去磷酸化的FOXO3会在细胞核中积累,并激活各种靶基因的表达[23]。Delgoffe等[45]发现,免疫细胞表达的配体信号素4A(semaphorin 4A, Sema4A)和Treg细胞表达的受体神经纤毛蛋白-1(neuropilin-1, Nrp1)在体外和体内炎症部位相互作用,增强Treg细胞的功能和存活。Nrp1与Sema4A连接后通过磷酸酯酶与张力蛋白同源物(phosphatase and tensin homolog, PTEN)抑制AKT在细胞和免疫突触的磷酸化,增加了FOXO3的核定位,可限制Treg细胞介导的肿瘤诱导的耐受性,而不诱导自身免疫。

雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)参与调控T细胞生长发育,包括Th17、Treg等细胞的分化过程。FOXO家族蛋白在Treg的发育和功能中也是必不可少的[46]。Park等[38]发现TSC1缺失减弱了mTORC2和AKT介导的FOXO1/FOXO3磷酸化的激活。TSC1缺陷Treg细胞中FOXO3的缺失在很大程度上加速了Treg细胞向Th17细胞转化。此外,在TSC1缺陷小鼠和TSC1/FOXO3双敲除小鼠Treg中IL-17A产量的增加可以被雷帕霉素治疗阻断,突出了mTORC1激活对Treg功能和稳定性损害的主要影响。

3.2.2 TGF-β信号通路

比较土耳其和日本的2项BS全基因组关联分析(GWAS)研究结果,搜索疾病相关有显著差异的通路,发现前10项中有6条通路重叠,包括TGF-β通路和MAPK通路等[47]。Shimizu等[48]研究发现,BS皮肤病变中CD4+T细胞内TGF-β的表达量明显高于非BS结节性红斑的CD4+T细胞。

FOXO蛋白已被证明是TGF-β信号通路下游的辅激活因子,通过与SMAD蛋白相互作用,最终微调TGF-β诱导的转录程序,该途径对诱导型Treg(induced Treg, iTreg)细胞的发育也至关重要。iTreg在胸腺外发育,研究[49]表明其是肠道中Treg细胞的一个重要群体。Ouyang等[42]研究显示,T细胞特异性缺失FOXO1和FOXO3转录因子的小鼠出现致命的多灶性炎症紊乱,部分原因是Treg细胞缺陷。FOXO3以Treg细胞固有的方式调节TGF-β诱导的Foxp3表达,与FOXO3结合Foxp3位点并控制Foxp3启动子活性的能力一致。转录组分析表明,FOXO3调节额外的Treg细胞相关基因的表达,是抑制Treg细胞获得效应T细胞特性的必要条件。因此,TGF-β信号通路参与FOXO3蛋白在指定Treg细胞谱系中起着关键作用。

3.3 FOXO3介导Th1/Th17/Treg失衡在BS中的潜在作用

FOXO3的转录水平在各种自身免疫性疾病中下调。FOXO3表达降低促进Th细胞产生Th1和Th2型细胞因子,如IL-2、IL-4、IL-5、IL-6、IL-10和IFN-γ;当FOXO3过表达,可减少Th1/Th17型促炎细胞因子TNF-α、IL-6和IL-1β释放的促进作用;激活FOXO3,可促进Treg发育。同时,这些细胞因子与Th1/Th17/Treg型免疫反应及BS的发生发展相关。此外,FOXO3在自身免疫疾病发病机制中的作用可能与翻译后修饰(尤其是磷酸化)相关,如阻断p-FOXO3激活可影响狼疮肾炎炎症和纤维化[21]。FOXO3翻译后修饰也可能与BS发病机制相关。

动物模型实验提示FOXO3通过影响Th1/Th17/Treg平衡成为了自身免疫性疾病的潜在治疗靶点。FOXO3a缺陷型MRL/lpr小鼠可产生过度活化的Th细胞并产生更多的Th1和Th2型细胞因子[15]。雌性C57BL/6(B6, 10周龄)小鼠模型的研究[39]结果提示,miR-223-3p通过抑制转录因子FOXO3表达,促进实验性自身免疫性葡萄膜炎(experimental autoimmune uveitis, EAU)中的Th17细胞反应。LPS的刺激导致类风湿关节炎-成纤维样滑膜细胞中FOXO3表达下调以及炎性细胞因子分泌增强;FOXO3或TRIM3过表达降低了大鼠胶原诱导的关节炎;FOXO3a过表达可显著减弱LPS对细胞增殖和对TNF-α、IL-6和IL-1β释放的促进作用[37]

3.4 靶向FOXO3的潜在治疗方案

临床研究和基础研究也支持FOXO3作为自身免疫性疾病和肿瘤的潜在治疗靶点。系统性红斑狼疮患者B细胞中的FOXO3水平与患者疾病活动度负相关,并且在抗dsDNA升高的患者中降低[50]。FOXO3可能通过抑制促炎反应在糖皮质激素(glucocorticoids, GCs)对系统性红斑狼疮的治疗过程中发挥了至关重要的作用。进一步研究[51]发现,通过抑制PI3K/AKT介导的FOXO3磷酸化和阻滞细胞核内FOXO3,GC使FOXO3表达上调;并且FOXO3可能通过与NF-κB p65蛋白相互作用,参与GC介导的NF-κB活性抑制过程。抑制剂LY294002阻断FOXO3磷酸化、抑制PI3K/AKT/FOXO3通路,随后细胞核中FOXO3上调,导致MRL/lpr小鼠肾脏炎症和纤维化程度加重。并且,FOXO3的上调导致了肾功能改善和循环抗dsDNA抗体的降低,提示靶向阻断FOXO3磷酸化过程和上调FOXO3有望成为治疗狼疮肾炎的新策略[21]

在肿瘤的治疗中,几种酪氨酸激酶抑制剂(tyrosine kinase inhibitors, TKI)已被开发用于治疗恶性肿瘤。吉非替尼主要抑制HER2酪氨酸激酶活性,而拉帕替尼靶向EGFR和HER2的酪氨酸激酶活性。两种TKI都被证明可以通过FOXO3-FOXM1轴起作用[52]

FOXO3也受microRNAs(如miR-155)的调控,参与自身免疫性疾病的发生、发展和转归。一项关于类风湿关节炎(rheumatoid arthritis, RA)的研究[53]发现,RA滑膜组织中miR-155表达与FOXO3表达负相关,与炎性细胞因子IL-1β、IL-6和TNF-α的释放正相关。RA滑膜组织分离出的成纤维细胞样滑膜细胞(fibroblast-like synoviocytes, FLS)中,miR-155可抑制FOXO3的表达。miR-155还通过靶向FOXO3促进FLS增殖并分泌炎性细胞因子IL-1β、IL-6和TNF-α。上述研究提供了分子药物和microRNA等治疗措施通过阻断FOXO3磷酸化或上调FOXO3,有望成为治疗自身免疫病和肿瘤新策略的一些科学依据,为FOXO3治疗BS提供了新的研究方向。

4 小结

FOXO3在细胞凋亡、免疫和炎症等多种生物过程中发挥着重要作用。Th1/Th17/Treg失衡是BS发生发展的重要环节,FOXO3可通过多个环节影响Th1/Th17/Treg细胞分化及相关免疫反应。此外,翻译后修饰决定FOXO3的生物学活性,影响各种靶基因的表达,也参与了多种风湿免疫疾病的发病机制。由此,靶向FOXO3可能成为BS治疗的新方法。

利益冲突: 所有作者声明不存在利益冲突。

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引用本文
鲍华芳, 管剑龙. 叉头框蛋白O3介导Th1/Th17/Treg失衡在白塞综合征发病机制中的潜在作用[J]. 中国临床医学, 2023, 30(5): 893-899.
BAO Hua-fang, GUAN Jian-long. The potential role of forkhead box O3 mediated Th1/Th17/Treg imbalance in the pathogenesis of Behçet's syndrome[J]. Chinese Journal of Clinical Medicine, 2023, 30(5): 893-899.
通信作者(Corresponding authors).
管剑龙, Tel:021-62483180, E-mail:jianlong_guan@126.com.
基金项目
国家自然科学基金面上项目(81871276)
Foundation item
Supported by the General Program of National Natural Science Foundation of China (81871276)

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