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BSBS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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