細(xì)胞因子TNF-α、IL-1β、IL-6的信號通路調(diào)控及作用機(jī)制解析

引言  
炎癥是機(jī)體對病原體感染、組織損傷產(chǎn)生的重要免疫應(yīng)答過程，適度的炎癥反應(yīng)可清除致病因子、促進(jìn)組織修復(fù)，而異常的炎癥激活則會介導(dǎo)自身免疫性疾病、神經(jīng)退行性疾病、腫瘤等多種病理過程的發(fā)生發(fā)展。細(xì)胞因子作為炎癥反應(yīng)的重要調(diào)控分子，通過復(fù)雜的信號傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)調(diào)控免疫細(xì)胞活化、增殖及炎癥介質(zhì)釋放，其中 TNF-α、IL-1β、IL-6 是炎癥級聯(lián)反應(yīng)中的核心因子，三者在信號通路調(diào)控上相互關(guān)聯(lián)、協(xié)同作用，共同構(gòu)成炎癥反應(yīng)的核心調(diào)控體系。深入解析其作用機(jī)制，并建立高效、準(zhǔn)確的檢測方法，對炎癥相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制研究、診斷及靶向藥物開發(fā)具有重要意義。                            

一、 腫瘤壞死因子α （TNF-α）：炎癥與細(xì)胞命運的“雙重開關(guān)”
TNF-α 主要由巨噬細(xì)胞、淋巴細(xì)胞分泌，同時多種免疫細(xì)胞與組織細(xì)胞也可產(chǎn)生該因子，屬于腫瘤壞死因子家族，最初因被發(fā)現(xiàn)具有抗腫瘤活性而得名，后續(xù)研究證實其在免疫調(diào)節(jié)、炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡與存活等生理病理過程中具有多效性調(diào)控作用。TNF-α 的生物學(xué)效應(yīng)主要通過激活NF-κB 通路和MAPK 通路實現(xiàn)，兩條核心通路的交叉調(diào)控與平衡，最終決定靶細(xì)胞的增殖、存活或凋亡命運。

（一）NF-κB 通路：炎癥與細(xì)胞存活的核心調(diào)控
NF-κB 是廣泛存在于真核細(xì)胞中的轉(zhuǎn)錄因子，靜息狀態(tài)下與抑制蛋白 IκB 結(jié)合形成無活性復(fù)合物，定位于細(xì)胞質(zhì)中。當(dāng) TNF-α 與細(xì)胞膜上的 TNFR1 結(jié)合后，會招募 TRADD、TRAF2、RIP1 等蛋白形成信號復(fù)合物，進(jìn)而激活由 IKKα、IKKβ、IKKγ 組成的 IKK 復(fù)合物。活化的 IKKβ 會對細(xì)胞質(zhì)中的 IκB 蛋白進(jìn)行磷酸化修飾，磷酸化的 IκB 會被泛素化并通過蛋白酶體降解，使 NF-κB 從復(fù)合物中游離。游離的 NF-κB 進(jìn)入細(xì)胞核后，與炎癥因子（IL-1、IL-6、CCL2 等）、抗凋亡蛋白（Bcl-2、c-FLIP 等）的靶基因啟動子或增強(qiáng)子區(qū)域結(jié)合，啟動基因轉(zhuǎn)錄。該過程既會促進(jìn)大量炎癥因子釋放，放大炎癥反應(yīng)，又能通過上調(diào)抗凋亡蛋白表達(dá)抑制細(xì)胞凋亡、維持細(xì)胞存活，在感染免疫和組織損傷修復(fù)中發(fā)揮雙重調(diào)控作用。                     

（二）MAPK 通路：細(xì)胞應(yīng)激與命運的 “調(diào)節(jié)器”
MAPK 通路是高度保守的細(xì)胞信號通路，主要包括 ERK、JNK、p38 MAPK 三個亞家族，在 TNF-α 介導(dǎo)的細(xì)胞應(yīng)激、增殖及凋亡調(diào)控中發(fā)揮差異化作用。ERK 通路被激活后，通過 TRAF2-Raf-MEK1/2-ERK1/2 的級聯(lián)反應(yīng)，使磷酸化的 ERK1/2 進(jìn)入細(xì)胞核，調(diào)控 c-Fos、c-Myc 等細(xì)胞增殖相關(guān)基因表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞增殖，該過程在組織修復(fù)及腫瘤發(fā)生發(fā)展中可能發(fā)揮作用；JNK/p38 MAPK 通路主要被 TNF-α 等應(yīng)激信號激活，通過 TRAF2-ASK1-MKK4/7/MKK3/6 級聯(lián)反應(yīng)分別磷酸化 JNK 和 p38 MAPK，活化后的二者入核后磷酸化 c-Jun、ATF2 等轉(zhuǎn)錄因子，啟動促凋亡蛋白（Bax、FasL）和炎癥相關(guān)基因的表達(dá)。在不同細(xì)胞類型或微環(huán)境中，JNK/p38 MAPK 通路的激活可誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡（如高濃度 TNF-α 可通過強(qiáng)激活 JNK 通路誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡），也可參與炎癥反應(yīng)的放大，是 TNF-α 調(diào)控細(xì)胞命運的重要 “開關(guān)”。      

二、 白細(xì)胞介素-1β （IL-1β）：炎癥小體依賴的“烈火干柴”
IL-1β 主要由激活的巨噬細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞及其他免疫細(xì)胞合成，是重要的促炎細(xì)胞因子，在炎癥反應(yīng)啟動、免疫穩(wěn)態(tài)維持、組織修復(fù)等過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，其作用機(jī)制依賴于雙重信號激活與經(jīng)典炎癥信號通路的傳導(dǎo)，且對炎癥反應(yīng)具有雙向調(diào)控特征。

（一）合成與激活：雙重信號介導(dǎo)的成熟過程
IL-1β 并非以活性形式直接合成，而是先以無活性的前體形式（pro-IL-1β）存在，需經(jīng)雙重信號激活才能生成成熟的活性形式并分泌。第一信號由病原體相關(guān)分子模式（PAMPs）或損傷相關(guān)分子模式（DAMPs）通過模式識別受體（如 Toll 樣受體）激活 NF-κB 通路，誘導(dǎo) IL-1β 基因轉(zhuǎn)錄，產(chǎn)生 pro-IL-1β；第二信號由 DAMPs 或 PAMPs 觸發(fā) NLRP3 炎癥小體組裝，激活 Caspase-1，通過蛋白切割作用使 pro-IL-1β 轉(zhuǎn)化為有活性的成熟 IL-1β，并分泌至細(xì)胞外發(fā)揮作用。

（二）信號傳導(dǎo)：NF-κB 與 MAPK 通路的協(xié)同激活
成熟的 IL-1β 與細(xì)胞膜上的 IL-1 受體 1（IL-1R1）結(jié)合后，會募集銜接蛋白 MyD88，進(jìn)而激活 IRAK1/TRAFF6 蛋白復(fù)合體，該復(fù)合體一方面驅(qū)動 NF-κB 通路的活化，誘導(dǎo)促炎細(xì)胞因子、趨化因子等基因的轉(zhuǎn)錄，放大炎癥級聯(lián)反應(yīng)；另一方面激活 MAPK 通路，調(diào)控基質(zhì)金屬蛋白酶（MMPs）等參與組織重塑的因子表達(dá)，實現(xiàn)炎癥反應(yīng)與組織修復(fù)的協(xié)同調(diào)控。            

（三）炎癥生物學(xué)效應(yīng)：急性啟動與慢性雙向調(diào)控
IL-1β 是急性炎癥反應(yīng)的重要啟動因子，可誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)粘附分子，促進(jìn)炎性細(xì)胞向炎癥部位募集，同時刺激基質(zhì)細(xì)胞釋放趨化因子，進(jìn)一步放大炎癥反應(yīng)；在慢性炎癥過程中，IL-1β 表現(xiàn)出雙向調(diào)控作用，適度的 IL-1β 釋放有助于清除病原體、促進(jìn)組織損傷修復(fù)，而過度產(chǎn)生則會介導(dǎo)炎癥病理損傷，參與自身免疫性疾病、神經(jīng)退行性疾病等慢性炎癥性疾病的發(fā)生發(fā)展。

三、 白細(xì)胞介素-6（IL-6）：功能多效的“炎癥信使”
IL-6 是一種功能廣泛的多效性促炎細(xì)胞因子，為分子量 19~28 kDa 的小分子糖蛋白，由 184 個氨基酸形成四個 α 螺旋結(jié)構(gòu)，通常以單體形式發(fā)揮作用。其細(xì)胞來源廣泛，成纖維細(xì)胞、單核 / 巨噬細(xì)胞、T/B 淋巴細(xì)胞、上皮細(xì)胞及多種腫瘤細(xì)胞均可分泌 IL-6，該因子在免疫反應(yīng)、炎癥進(jìn)程、造血過程及機(jī)體代謝等多種生理和病理過程中發(fā)揮關(guān)鍵調(diào)控作用。與 TNF-α、IL-1β 不同，IL-6 通過經(jīng)典信號傳導(dǎo)、反式信號傳導(dǎo)、反式呈遞三種獨特模式發(fā)揮作用，核心信號傳導(dǎo)依賴 JAK/STAT3 通路的激活，同時存在負(fù)反饋調(diào)控機(jī)制維持免疫穩(wěn)態(tài)。

（一）經(jīng)典信號傳導(dǎo)：細(xì)胞表面受體介導(dǎo)的正向調(diào)控
IL-6 首先與細(xì)胞膜上的 IL-6 受體（IL-6R）結(jié)合形成 IL-6/IL-6R 復(fù)合物，該復(fù)合物進(jìn)一步與細(xì)胞膜上的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白 gp130 結(jié)合，形成三聚體復(fù)合物。gp130 的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域因構(gòu)象變化，使與之結(jié)合的 Janus 激酶（JAK）相互靠近并發(fā)生磷酸化激活，活化的 JAK 進(jìn)而磷酸化 gp130 胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域的酪氨酸殘基，招募并磷酸化信號轉(zhuǎn)導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄激活子 3（STAT3）。磷酸化的 STAT3 形成二聚體后轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核內(nèi)，與靶基因的啟動子區(qū)域結(jié)合，調(diào)控相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄，介導(dǎo)細(xì)胞增殖、分化、存活及炎癥反應(yīng)等多種生物學(xué)效應(yīng)。               

（二）反式信號傳導(dǎo)：擴(kuò)大作用范圍的旁分泌 / 自分泌調(diào)控
細(xì)胞膜上的 IL-6R 可被金屬蛋白酶切割為可溶性 IL-6 受體（sIL-6R），sIL-6R 在細(xì)胞外與 IL-6 結(jié)合形成 IL-6/sIL-6R 復(fù)合物，該復(fù)合物可與不表達(dá)膜型 IL-6R 的細(xì)胞表面 gp130 蛋白結(jié)合，進(jìn)而激活胞內(nèi)信號傳導(dǎo)通路，實現(xiàn)對這類細(xì)胞的調(diào)控。反式信號傳導(dǎo)是 IL-6 發(fā)揮旁分泌、自分泌作用的重要方式，大幅擴(kuò)大了 IL-6 的作用范圍，在炎癥微環(huán)境的調(diào)控中具有重要意義。

（三）反式呈遞：抗原特異性的免疫細(xì)胞調(diào)控
反式呈遞主要發(fā)生在樹突狀細(xì)胞與 T 細(xì)胞的抗原特異性相互作用過程中，樹突狀細(xì)胞內(nèi)的 IL-6 與自身的 IL-6R 結(jié)合后，復(fù)合物被運輸至細(xì)胞膜表面，通過 gp130 介導(dǎo)的機(jī)制使與之相互作用的 T 細(xì)胞內(nèi) STAT3 發(fā)生磷酸化，進(jìn)而啟動 T 細(xì)胞內(nèi)的信號傳導(dǎo)過程，調(diào)控 T 細(xì)胞的活化、分化，參與機(jī)體適應(yīng)性免疫反應(yīng)的精準(zhǔn)調(diào)控。  

（四）負(fù)反饋調(diào)控：免疫穩(wěn)態(tài)的維持
IL-6 的信號傳導(dǎo)存在精密的負(fù)反饋調(diào)控機(jī)制，SOCS1、SOCS3 等蛋白可通過抑制 JAK/STAT3 通路的過度激活，避免 IL-6 介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)失控，從而維持機(jī)體的免疫穩(wěn)態(tài)，防止過度炎癥造成的組織損傷。

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TNF-α、IL-1β、IL-6是炎癥調(diào)控核心因子，其信號通路的平衡是免疫穩(wěn)態(tài)關(guān)鍵，通路失衡更是各類炎癥相關(guān)疾病的重要病理基礎(chǔ)，也是抗炎靶向藥研發(fā)的核心靶點。LabEx依托單細(xì)胞測序、空間多組學(xué)、多因子檢測等30+技術(shù)平臺，覆蓋基因、蛋白、細(xì)胞、組織多水平檢測與專業(yè)數(shù)據(jù)分析，可實現(xiàn)炎癥因子時空動態(tài)表達(dá)、信號通路調(diào)控的精準(zhǔn)解析，為炎癥機(jī)制研究、生物標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)及抗炎靶向藥研發(fā)提供一站式實驗服務(wù)，助力炎癥研究向精準(zhǔn)化、靶向化發(fā)展。

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