程培培,杜亞松
上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬精神衛(wèi)生中心兒少科,上海 200030
白細(xì)胞介素-1(interleukin-1,IL-1)通過(guò)刺激T淋巴細(xì)胞、B 淋巴細(xì)胞增殖,誘導(dǎo)產(chǎn)生黏附分子及其他炎癥細(xì)胞因子等方式,在啟動(dòng)免疫炎癥反應(yīng)的級(jí)聯(lián)事件中發(fā)揮重要作用[1]。IL-1可與白細(xì)胞介素-1受體(IL-1 receptor,IL-1R)、白細(xì)胞介素-1 受體輔助蛋白(IL-1 receptor accessory protein,IL1RAP)結(jié)合形成復(fù)合物,募集下游銜接蛋白——髓系分化初級(jí)反應(yīng)蛋白88(myeloid differentiation primary response protein 88, MyD88), 激活I(lǐng)L-1 受體相關(guān)激酶(IL-1 receptor associated kinases,IRAKs) 及其他蛋白激酶,在感染、組織損傷或應(yīng)激過(guò)程中誘導(dǎo)急性期反應(yīng)、促炎介質(zhì)的合成[2-3]。研究[4-7]發(fā)現(xiàn),除能夠在炎癥通路中發(fā)揮作用外,IL1RAP 還參與了過(guò)敏性疾病、病毒性肝炎、髓系白血病、神經(jīng)膠質(zhì)瘤等的發(fā)病過(guò)程,并與疾病的進(jìn)展及嚴(yán)重程度相關(guān)。且另有研究[8]顯示,IL1RAP被認(rèn)為是免疫系統(tǒng)及神經(jīng)系統(tǒng)之間的重要分子聯(lián)系?;谝酝芯?,本文對(duì)IL1RAP在神經(jīng)精神疾病中作用的最新研究結(jié)果進(jìn)行匯總,以期為探索其相關(guān)功能及臨床應(yīng)用提供更多的支持。
IL-1 家族共有11 種細(xì)胞因子,包含促炎因子及抗炎因子,如IL-1α、IL-1β、白細(xì)胞介素-1受體拮抗劑(IL-1 receptor antagonist,IL-1Ra)、IL-33、IL-36等;該家族成員擁有相似的結(jié)構(gòu)、分泌模式及受體配體結(jié)合方式,參與炎癥及免疫反應(yīng)的發(fā)生。研究[9]顯示,IL-1Ra 與白細(xì)胞介素-1 受體Ⅰ型(interleukin-1 receptor Ⅰ,IL-1RⅠ)的緊密結(jié)合可阻斷后者與IL-1 的結(jié)合。同時(shí),與IL-1α 或IL-1β 不同,IL-1Ra結(jié)合IL-1R Ⅰ后可改變?cè)撌荏w的構(gòu)象,阻斷其與IL1RAP 的結(jié)合。當(dāng)IL-1 刺激細(xì)胞后,其可與細(xì)胞膜上的IL-1R Ⅰ及IL1RAP 結(jié)合,形成IL-1/IL-1R Ⅰ/IL1RAP 復(fù)合物[10];這種三聚體復(fù)合物可先募集MyD88 結(jié)合受體的細(xì)胞內(nèi)部分,使IRAKs 及依賴(lài)于IRAKs形成的中間信號(hào)體[如轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β 激活激酶1(TGF-β activated kinase-1,TAK1)及轉(zhuǎn)錄因子NF-κB 抑制劑(inhibitor of NF-κB,IκB)激酶(IκB kinase,IKK)等]發(fā)生磷酸化;隨后,激活2 條信號(hào)通路:①NF-κB 信號(hào)通路。激活后的IKK 可誘導(dǎo)IκBα磷酸化,并通過(guò)泛素-蛋白酶體通路使IκBα發(fā)生靶向降解。在靜息狀態(tài)下,IκBα 將NF-κB 阻隔在細(xì)胞質(zhì)內(nèi);在IκBα 發(fā)生降解后,NF-κB 可被釋放,并易位進(jìn)入細(xì)胞核,繼而與靶基因啟動(dòng)子相結(jié)合,誘導(dǎo)促炎因子、黏附分子及趨化因子基因的表達(dá)。②絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases,MAPKs)。研究[3,11]發(fā)現(xiàn),激活后的TAK1 可激活MAPKs, 并引起細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/2(extracellular signal-regulated kinases 1 and 2,ERK1/2)、P38 及c-Jun 氨基端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)發(fā)生磷酸化激活。此外,IL-1 還可以使P38 MAPK發(fā)生磷酸化、增加其他生長(zhǎng)因子及炎癥細(xì)胞因子的分泌,從而促進(jìn)急性髓系白血病細(xì)胞的生長(zhǎng)[12]。
人類(lèi)IL1RAP基因位于染色體3q28,在Ensembl數(shù)據(jù)庫(kù)有19 個(gè)轉(zhuǎn)錄本,編碼IL1RAP 蛋白[10]。與IL-1RⅠ結(jié)構(gòu)相似,IL1RAP包含3個(gè)免疫球蛋白樣區(qū)域、1 次跨膜區(qū)及Toll/IL-1 受體(Toll/IL-1 receptor,TIR)區(qū)域[13]。當(dāng)IL-1刺激細(xì)胞后,其可與IL-1RⅠ的胞膜外區(qū)域結(jié)合并改變?cè)撌荏w的結(jié)構(gòu),而后再與IL1RAP結(jié)合形成三聚體復(fù)合物;此后IL-1RⅠ與IL1RAP 的TIR 區(qū)域靠近并結(jié)合MyD88,激活I(lǐng)RAKs 及其他蛋白激酶如IKK,使得釋放的NF-κB 易位進(jìn)入細(xì)胞核,繼而與靶基因序列結(jié)合,最終促進(jìn)相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄及表達(dá)[3,11]。研究[14]顯示,典型的IL1RAP[又名interleukin-1 receptor accessory protein(IL-1RAcP)]在人體組織中廣泛表達(dá),而其另一種新的可變剪接體IL-1RAcPb主要表達(dá)于腦、脊髓中。IL-1RAcP 及IL-1RAcPb 蛋白擁有相同的細(xì)胞外N-端結(jié)構(gòu),但細(xì)胞內(nèi)C-端結(jié)構(gòu)存在差異。對(duì)于體外培養(yǎng)的Il1rap基因敲除小鼠的海馬神經(jīng)元,給予IL-1β 刺激不能使其IκB、P38、Src 發(fā)生磷酸化,進(jìn)而不能釋放NF-κB 易位入細(xì)胞核;而對(duì)于體外培養(yǎng)的Il-1racpb基因敲除小鼠的海馬神經(jīng)元,給予IL-1β 刺激則不影響P38 磷酸化[13]。另外,與野生型及Il1rap基因敲除型小鼠相比,Il-1racpb基因敲除小鼠更易受中樞神經(jīng)系統(tǒng)局部炎癥的刺激,并表現(xiàn)出更嚴(yán)重的神經(jīng)元變性[14]。向野生型小鼠腹腔注射IL-1 或脂多糖,下丘腦-垂體-腎上腺軸可被激活,血清中皮質(zhì)醇及IL-6水平均有所升高。與對(duì)照組野生型小鼠相比,向Il1rap基因敲除小鼠腹腔注射脂多糖可引起血清中皮質(zhì)醇和IL-6水平顯著升高,而注射IL-1β 后小鼠血清中皮質(zhì)醇升高不顯著且IL-6 維持在基礎(chǔ)水平[15]。此外,向Il1rap基因敲除小鼠的腦室注射IL-1β 后,小鼠血清中皮質(zhì)醇升高亦不顯著,IL-6 亦維持在基礎(chǔ)水平[16]。然而,在Il1rap表達(dá)缺陷的小鼠淋巴瘤細(xì)胞中,過(guò)表達(dá)外源性Il1rap后,給予小鼠IL-1β 刺激可激活P38、ERK1/2及JNK,而過(guò)表達(dá)外源性Il-1racpb則不能引起相同的效應(yīng)[14]。上述結(jié)果提示,IL1RAP基因或蛋白表達(dá)的改變均能影響IL-1 信號(hào)傳遞,IL1RAP 是個(gè)體接受IL-1 刺激后進(jìn)行免疫應(yīng)答過(guò)程中不可缺少的重要成分。
炎癥因子IL-1α 及IL-1β 被認(rèn)為是腦缺血后炎癥反應(yīng)的關(guān)鍵參與者;其中,IL-1α 表達(dá)在缺血反應(yīng)早期,與局灶性血腦屏障破壞及神經(jīng)元死亡密切相關(guān)[17]。一項(xiàng)針對(duì)體外培養(yǎng)的大鼠海馬神經(jīng)元的研究[18]發(fā)現(xiàn),給予IL-1β 刺激可引起大鼠海馬神經(jīng)元中IL-1RⅠ及IL1RAP 蛋白表達(dá)升高。在持續(xù)夾閉大腦中動(dòng)脈引發(fā)小鼠缺血性腦損傷的條件下,相對(duì)假手術(shù)組,Il1rapmRNA 水平在野生型小鼠中顯著升高,在Il1r1敲除小鼠中輕度降低;向野生型小鼠腦室內(nèi)注射IL-1β 可加劇腦缺血損傷,而向其中注射IL-1Ra則能減輕該損傷程度[19]。采用中藥治療腦缺血損傷再灌注小鼠的研究[20]發(fā)現(xiàn),IL1RAP 蛋白在海馬體中表達(dá)下調(diào),可影響IL-1與其受體間的相互作用,促進(jìn)抗炎及抗凋亡反應(yīng)的發(fā)生。上述結(jié)果提示,IL1RAP 參與腦缺血后促炎因子尤其是IL-1 觸發(fā)的炎癥反應(yīng),可加重因血供減少引起的原發(fā)性損傷,因此抑制IL1RAP的表達(dá)可能有助于減輕腦缺血損傷。
阿爾茨海默?。ˋlzheimer's disease,AD)是一種原發(fā)性、退行性的腦變性疾病,主要病理特征為大腦實(shí)質(zhì)中形成老年斑及神經(jīng)元纖維纏結(jié),其分別由β-淀粉樣蛋白及高度磷酸化Tau 蛋白組成,可導(dǎo)致漸進(jìn)性認(rèn)知能力減退[21]。采用正電子發(fā)射斷層掃描(positron emission computerized tomography, PET)測(cè)量腦β-淀粉樣蛋白縱向負(fù)荷變化的全基因組關(guān)聯(lián)分析(genome-wide association studies,GWAS) 顯示,IL1RAP單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism,SNP)rs12053868-G 對(duì)β-淀粉樣蛋白沉積率影響最大的區(qū)域集中在雙側(cè)額葉、內(nèi)側(cè)和側(cè)頂葉、側(cè)顳葉及整個(gè)前后扣帶回皮層[22];該研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),IL1RAPSNP rs12053868-G 攜帶者比非攜帶者更有可能從輕度認(rèn)知功能受損發(fā)展為AD,且在磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)檢查中表現(xiàn)出更大的縱向顳葉皮層萎縮,繼而推測(cè)IL1RAPSNP rs12053868-G 與加速的認(rèn)知功能衰退相關(guān),IL-1/IL1RAP 通路可能成為調(diào)節(jié)β-淀粉樣蛋白沉積的潛在靶點(diǎn)。GWAS 研究[23]發(fā)現(xiàn),IL1RAPSNP rs9877502 與AD 及非AD 人群腦脊液中的Tau 蛋白及磷酸化Tau 蛋白的表達(dá)水平相關(guān);對(duì)一般人群的子樣本研究發(fā)現(xiàn),IL1RAPSNP rs3773976 與攜帶者的認(rèn)知水平及其下降程度有輕度關(guān)聯(lián),繼而提示IL1RAP與AD 的嚴(yán)重程度間具有一定的相關(guān)性。最新的一項(xiàng)針對(duì)AD 患者、輕度認(rèn)知障礙人群及健康老年對(duì)照者的腦電圖檢查研究[24]發(fā)現(xiàn),IL1RAP風(fēng)險(xiǎn)等位基因(rs10212109,rs9823517,rs4687150)攜帶者表現(xiàn)為腦電活動(dòng)變慢。既往研究[25]發(fā)現(xiàn),腦電活動(dòng)變慢與AD 密切相關(guān),提示IL1RAP可能參與了AD 發(fā)病前認(rèn)知能力下降的神經(jīng)機(jī)制。另外,動(dòng)物研究[18]發(fā)現(xiàn),大鼠腦中IL-1β 水平可隨年齡的增加而升高,繼而可使IL-1RAcP 蛋白水平升高,從而上調(diào)IL-1RAcP/IL-1RAcPb 比例,該種變化可增加IL-1β 對(duì)突觸可塑性及記憶的損害程度。上述結(jié)果均提示,IL1RAP可能參與了AD 的神經(jīng)病理變化,其表達(dá)異??赡芘c腦認(rèn)知功能下降有關(guān)。
神經(jīng)膠質(zhì)瘤是最常見(jiàn)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)原發(fā)性惡性腫瘤,占該惡性腫瘤的80%,其中75%的神經(jīng)膠質(zhì)瘤為星形膠質(zhì)細(xì)胞瘤。研究[26]顯示,膠質(zhì)母細(xì)胞瘤是迄今為止最常見(jiàn)的一種星形膠質(zhì)細(xì)胞瘤,也是最具侵襲性的彌漫性膠質(zhì)瘤。研究[21]發(fā)現(xiàn),中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤(包括惡性及非惡性)的年平均發(fā)病率為28.57/10萬(wàn)。經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)治療后,膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者的2年總體生存率約為25%[22,27],5 年總體生存率僅為5%[26]。為提高神經(jīng)膠質(zhì)瘤患者的臨床治療效果,延長(zhǎng)其總體生存時(shí)間,探索神經(jīng)膠質(zhì)瘤的發(fā)生與發(fā)展機(jī)制顯得尤其重要。研究[28]發(fā)現(xiàn),蛋白酪氨酸磷酸酶受體D(protein tyrosine phosphatase receptor type delta,PTPRD) 基因可調(diào)節(jié)人神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞M059J 和U373 的增殖周期,過(guò)表達(dá)該受體蛋白可增加S 期(有絲分裂DNA 合成期)細(xì)胞的比例、上調(diào)IL1RAP的表達(dá),低表達(dá)該蛋白則反之;繼而推測(cè),PTPRD可能通過(guò)調(diào)節(jié)IL1RAP 的表達(dá)來(lái)影響神經(jīng)突觸和神經(jīng)分化,促進(jìn)膠質(zhì)瘤進(jìn)展。研究[29]發(fā)現(xiàn),在人類(lèi)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中IL1RAPmRNA 及IL-33mRNA 的水平均較高。 可溶性 IL1RAP (soluble IL-1 receptor accessory protein,sIL1RAP)是由IL1RAP可變剪接mRNA 編碼,只具有IL1RAP 結(jié)構(gòu)中的細(xì)胞膜外的3個(gè)免疫球蛋白樣結(jié)構(gòu);sIL1RAP由細(xì)胞分泌,可進(jìn)入血液和細(xì)胞外液中與IL-1/IL-1RⅠ結(jié)合,從而抑制后者與跨膜形式的IL1RAP 結(jié)合,發(fā)揮負(fù)性調(diào)節(jié)IL-1 活性的作用[30]。sIL1RAP 在兒童低級(jí)別膠質(zhì)細(xì)胞瘤中表達(dá)較高,且在體外培養(yǎng)的U251 細(xì)胞中過(guò)表達(dá)sIL1RAP 可促進(jìn)其凋亡、抑制由IL-1 引起的細(xì)胞增殖;繼而提示,sIL1RAP的表達(dá)水平可能是兒童低級(jí)別膠質(zhì)瘤預(yù)后的潛在指標(biāo)之一[31]。上述結(jié)果提示,神經(jīng)膠質(zhì)瘤患者的IL1RAP 表達(dá)存在異常,其可能與該疾病的發(fā)生及預(yù)后相關(guān)。
在胚胎期及生長(zhǎng)早期,細(xì)胞因子表達(dá)異常可影響正常的腦發(fā)育過(guò)程,并誘發(fā)神經(jīng)發(fā)育障礙,如精神發(fā)育遲緩、孤獨(dú)癥等。有研究[32]顯示,早產(chǎn)兒外周血中IL-1β 水平的異常升高可能會(huì)增加其患有神經(jīng)發(fā)育障礙的風(fēng)險(xiǎn)。相關(guān)動(dòng)物研究[33]顯示,向孕鼠腹腔注射脂多糖可引起子鼠杏仁核內(nèi)IL-1β、TNF-α 及IL-6水平的持續(xù)升高,中央核區(qū)容積及細(xì)胞數(shù)目減少,并使其小膠質(zhì)細(xì)胞及星形膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)生免疫激活。同時(shí)有研究[34]發(fā)現(xiàn),向哺乳期母鼠注射病毒模擬物poly-Ⅰ:C 可減少子鼠海馬體及紋狀體容積。另有研究[35]顯示,IL-1β 可誘導(dǎo)胚胎期小鼠大腦皮層神經(jīng)元的遷移;采用RNA 干擾技術(shù)敲減Il1r1后,其表達(dá)下調(diào)能抑制上述神經(jīng)元放射狀遷移。上述研究結(jié)果提示,早期免疫激活可能會(huì)干擾正常的腦發(fā)育過(guò)程。
人類(lèi)白細(xì)胞介素-1 受體輔助蛋白類(lèi)1 (IL-1 receptor accessory protein-like 1,IL1RAPL1)屬于IL-1R 家族,與IL1RAP 存在52%的同源性;研究[36]證實(shí),IL1RAPL1與X 連鎖精神發(fā)育遲滯相關(guān)。研究[37]發(fā)現(xiàn), IL1RAPL1 與突觸后密度蛋白-95(postsynaptic density protein-95,PSD95)、蛋白酪氨酸磷酸酶δ(protein tyrosine phosphatase δ,PTPδ)等突觸相關(guān)蛋白相互作用可調(diào)節(jié)興奮性突觸的形成,而精神發(fā)育遲滯患者攜帶的IL1RAPL1p.C31R 點(diǎn)突變可減少I(mǎi)L1RAPL1 與PTPδ 間的相互作用,進(jìn)而誘發(fā)突觸生成缺陷。采用免疫熒光染色技術(shù)對(duì)體外培養(yǎng)的大鼠海馬神經(jīng)元進(jìn)行分析顯示,IL1RAP 在該神經(jīng)元胞體中呈強(qiáng)烈及彌散性表達(dá),而在樹(shù)突中的表達(dá)量較低且沿樹(shù)突彌散分布[38]。然而,在培養(yǎng)的胚胎期小鼠皮層神經(jīng)元中,敲減Il1rap可抑制神經(jīng)元樹(shù)突突起的形成,降低大腦皮層和海馬錐體神經(jīng)元樹(shù)突棘的密度[8]。另外,IL1RAP 可通過(guò)跨突觸與PTPδ 相互作用調(diào)節(jié)突觸形成[8]。以上結(jié)果表明,與IL1RAPL1結(jié)構(gòu)及作用相似,IL1RAP通過(guò)與PTPδ相互作用調(diào)節(jié)突觸形成,IL1RAP 表達(dá)下降可抑制胚胎期小鼠神經(jīng)元樹(shù)突的生長(zhǎng)、降低樹(shù)突棘密度,造成突觸形成受損,從而可能影響發(fā)育過(guò)程中腦的結(jié)構(gòu)及功能。
精神分裂癥是一種復(fù)雜、嚴(yán)重的精神疾病,全球患病率接近1%。該疾病的核心特征為陽(yáng)性癥狀(幻覺(jué)、妄想)、陰性癥狀(思維貧乏、情感淡漠、社交退縮)及認(rèn)知障礙[39]。目前,其病因尚未被完全闡明。許多研究[40]顯示遺傳、免疫及環(huán)境因素等均與精神分裂癥的發(fā)病相關(guān),但由于其機(jī)制復(fù)雜,至今尚不能用一種病因假說(shuō)進(jìn)行解釋。動(dòng)物模型的研究[41]顯示,圍產(chǎn)期環(huán)境因素(如感染、應(yīng)激、營(yíng)養(yǎng)缺乏、產(chǎn)科并發(fā)癥等)可異常激活母體免疫系統(tǒng),影響胚胎腦中炎癥因子水平,損害胚胎發(fā)育早期腦結(jié)構(gòu)及功能,增加子代患精神分裂癥的風(fēng)險(xiǎn)。研究[42]發(fā)現(xiàn),炎癥反應(yīng)可能通過(guò)影響神經(jīng)發(fā)育、神經(jīng)可塑性及神經(jīng)傳遞的機(jī)制,導(dǎo)致精神分裂癥的發(fā)生并影響病情進(jìn)展。相關(guān)動(dòng)物研究[43]顯示,分別給予體外培養(yǎng)的胚胎期大鼠皮層神經(jīng)元不同水平的IL-1β、TNF-α、IL-6或IL-1β+TNF-α 刺激,可不同比例地減少初級(jí)樹(shù)突、節(jié)點(diǎn)或總樹(shù)突的長(zhǎng)度,抑制樹(shù)突發(fā)育,降低皮層神經(jīng)元的復(fù)雜度;該結(jié)果與精神分裂癥神經(jīng)影像檢查結(jié)果[44](腦室增大、腦容積減少、腦灰質(zhì)及白質(zhì)容積減少)相一致。另一項(xiàng)研究[45]顯示,血清中可溶性TNF-α 及IL-1Ra 的水平與精神分裂癥患者的認(rèn)知功能均呈負(fù)相關(guān),繼而提示炎癥因子水平的異常升高可能會(huì)影響精神分裂癥患者的腦功能。一項(xiàng)針對(duì)精神分裂癥組和對(duì)照組(共1 408 個(gè)血液樣本、66 個(gè)尸腦樣本)的全基因組甲基化關(guān)聯(lián)研究[46]證實(shí),精神分裂癥患者中存在IL1RAP甲基化CpG-SNP rs3796293。另外,一項(xiàng)針對(duì)精神分裂癥患者的全外顯子組測(cè)序研究[47]發(fā)現(xiàn)了1例男性患者攜帶IL1RAPp.T509M 新發(fā)錯(cuò)義突變??紤]IL1RAP 在炎癥反應(yīng)中的作用,IL1RAP 表達(dá)異??赡軈⑴c了精神分裂癥患者的異常免疫調(diào)節(jié)過(guò)程;然而,對(duì)于IL1RAP在精神分裂癥發(fā)病機(jī)制中的作用仍需要更多的研究加以證實(shí)。
既往細(xì)胞實(shí)驗(yàn)、動(dòng)物研究及臨床研究均發(fā)現(xiàn)IL1RAP與人類(lèi)神經(jīng)精神疾?。ㄈ鏏D、精神分裂癥等)存在一定關(guān)聯(lián),這可能與IL1RAP參與介導(dǎo)炎癥反應(yīng)、調(diào)節(jié)神經(jīng)發(fā)育有關(guān)。神經(jīng)精神疾病的臨床癥狀復(fù)雜多樣,發(fā)病機(jī)制亦不盡相同;目前的研究?jī)H針對(duì)某些神經(jīng)精神疾病中IL1RAP在基因或蛋白水平的異常變化進(jìn)行描述,具體分子機(jī)制尚需要更深入的探索。因此,有關(guān)IL1RAP在神經(jīng)精神疾病過(guò)程中的作用機(jī)制研究或?qū)⑹俏磥?lái)疾病早期篩查與干預(yù)的方向之一。