任婷婷,李鸿斌
·新进展·
瓜氨酸化及相关抗体在类风湿关节炎中作用的研究进展
任婷婷,李鸿斌*
类风湿关节炎(RA)是以关节受累为主的全身性自身免疫疾病,有研究指出瓜氨酸化可能是其发病起点。但瓜氨酸化是人体内普遍存在的转录后修饰过程,并非RA的专利。而针对瓜氨酸肽产生的抗瓜氨酸肽抗体(ACPAs)对RA具有高度特异性。本文就瓜氨酸化及ACPAs在RA中的作用进行综述,以期了解其在RA发生发展过程中的意义。
关节炎,类风湿;瓜氨酸化;抗瓜氨酸肽抗体
任婷婷,李鸿斌.瓜氨酸化及相关抗体在类风湿关节炎中作用的研究进展[J].中国全科医学,2017,20(13):1654-1658.[www.chinagp.net]
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类风湿关节炎(rheumatoid arthritis,RA)是一种慢性、进展性,以关节受累为主的全身性自身免疫疾病,我国RA的患病率为0.32%~0.38%[1]。瓜氨酸化(citrullination)是人体内普遍存在的转录后修饰过程,并非RA专利。但针对瓜氨酸肽的自身抗体——抗瓜氨酸肽抗体(anti-citrullinated peptide antibodies,ACPAs)对RA具有高度特性,其可在关节症状出现前多年检出[2]。2010年美国风湿病学会/欧洲抗风湿病联盟将其中的抗环瓜氨酸肽(anti-cyclic citrullinated peptide,CCP)抗体列入RA的分类诊断标准[3]。RA中为什么会出现异常的瓜氨酸化蛋白/肽,抗CCP抗体除了诊断价值外,在疾病的发生发展中是否也起到了一定的作用,本文就此进行综述,以期了解其在RA发生发展过程中的意义。
瓜氨酸化是指肽酰基或游离氨基酸在酶的催化下脱掉一个亚胺基,转化为瓜氨酸的过程,是人体内普遍存在的转录后修饰过程[4]。可见于凋亡、细胞终末分化、基因调控、生殖发育等生理过程[5];也可见于类风湿关节炎、炎性关节病、多发性肌炎、炎性肠病、慢性扁桃体炎、多发性硬化及1型糖尿病等病理状态[6]。人体内的瓜氨酸化受到肽酰基精氨酸脱亚胺酶(peptidylarginine deiminase,PAD)的催化。目前人体内共发现5种PAD(即PAD1、2、3、4、6),其中PAD2及PAD4在RA研究中最为广泛。人体PAD的活性依赖于高Ca2+水平,只有Ca2+水平达10-5mol/L时才可发挥酶活作用[7],在高Ca2+水平下,PAD中的半胱氨酸残基结合到精氨酸的胍基上,脱去一分子氨,形成四面内旋的过渡状态,后利用水分子的亲核性恢复半胱氨酸残基并形成一个酮基,从而使精氨酸转化为瓜氨酸[8],转变的过程中蛋白展开,失去了阳性电荷,同时分子内和分子间的相互作用消失,最终被蛋白酶降解。
2.1 遗传与环境因素 RA具有一定的遗传易感性,全基因组研究(genome-wide association studies,GWASs)目前已发现100多个相关遗传易感位点,其中针对人白细胞抗原(human leukocyte antigen,HLA)的研究最多[9]。RA患者多携带HLA-DRB1*0401/*0404等位基因,其β链N末端的70~74位存在一段共同序列(gly-lys/arg-ala-ala,QQRAA/QKRAA/KKRAA),称为RA共同表位(SE),是HLA-DRB1抗原结合槽的主要构成序列[10]。HILL等[11]在研究T细胞在RA中的作用时发现,经瓜氨酸化的波形蛋白与SE的亲和力较未修饰的蛋白高100倍,后FEITSMA等[12]发现经瓜氨酸化的纤维蛋白原也有相似的表现。瓜氨酸化蛋白/肽与HLA-DRB1 SE是关节炎发生的两个必要条件[13]。PRATESI等[14]发现,ACPAs的滴度与SE呈剂量依赖关系,拥有2个SE的RA患者其ACPAs产生的数量要明显高于1个或没有SE的患者。针对RA的发病机制,有学者提出“二次打击”学说[15],即经过第1次打击健康个体转变为ACPAs阳性个体,这时产生的ACPAs滴度较低,只能识别个别表位,对瓜氨酸化的抗原的亲和力较低,不足以激发局部的免疫聚集反应。这似乎可以解释为什么ACPAs可在RA发病前10年检出,而没有任何关节症状。经过第2次打击后ACPAs出现同型扩张、数量增加及表位扩展现象,导致ACPAs阳性个体转变为ACPAs阳性的RA患者。既往认为HLA在整个过程中起到了重要作用,尤其是第1阶段的ACPAs的产生,但近来研究指出HLA并非增加了ACPAs的阳性率,而是增加了由ACPAs阳性转变为ACPAs阳性RA的风险[16],也可以说HLA并非参与ACPAs的形成,而是促进了其成熟[17]。
2.2 环境因素
2.2.1 吸烟 RA与吸烟的关系于1987年提出,VESSEY等[18]在研究口服避孕药与RA的关系时意外发现每天吸烟>15支的女性患者的住院率为非吸烟者的2.5倍。瑞典一项关于RA的流行病学调查发现,曾经吸烟且携带SE的健康人易发展为RA[19]。而吸烟与SE之间的相互作用,在ACPAs阳性人群中更加明显[20-21]。有研究指出健康吸烟者支气管肺泡灌洗液(bronchoalveolar lavage,BAL)中瓜氨酸化蛋白的检出率较不吸烟对照组明显增高,且其增加的程度与PAD水平呈正相关[22],这说明吸烟可能通过增加局部PAD来促进局部瓜氨酸化。烟草中的有害物质也会导致组织破坏,如硫氰酸盐可在髓过氧化物酶(MPO)的作用下产生高瓜氨酸化蛋白(homocitrullinated protein),这种高瓜氨酸化蛋白与瓜氨酸蛋白同源,其区别仅在于高瓜氨酸化蛋白侧链中多一个碳原子,故有假说认为机体可能通过模糊识别等方式对吸烟导致的高瓜氨酸化蛋白产生反应,导致ACPAs的产生RA的发展[23]。有研究小组随即指出使用高瓜氨酸化蛋白去免疫DR4-IE转基因小鼠,并未发现小鼠体内出现RA特异性ACPAs[23]。但这不足以推翻以上假说,目前检测手段有限,并非可以检测到所有针对瓜氨酸化的抗体,故并不能排除高瓜氨酸化的致RA作用。
2.2.2 牙龈卟啉单胞菌感染 牙龈卟啉单胞菌(porphyromonas gingivalis,Pg)是与RA密切相关的另一个环境因素,其是牙周疾病(periodontitis,PD)的主要病原体,是除人等脊椎动物外,唯一含有活性PAD的原核生物[24]。与人PAD作用方式有所不同,Pg的PAD活性不依赖高水平Ca2+,其主要作用于精氨酸的C末端,并可转化游离的精氨酸[25]。
RA患者的PD发生率为3.95%,较正常人群的1%明显增高[26]。KINLOCH等[27]对RA与Pg感染的遗传相关性进行了研究,该研究小组以DR4-IE转基因小鼠为实验组,以MHC-Ⅱ敲除小鼠为对照组,分别使用人和Pg来源的瓜氨酸化烯醇化酶-1(citrullinated enolase peptide-1,CEP-1)免疫两种小鼠,发现两者均会使DR4-IE转基因小鼠产生抗CEP-1抗体。这似乎也说明,人与Pg来源的瓜氨酸化CEP-1存在一定的相似性。后REED等[28]指出,RA患者中针对CEP-1的自身抗体同样会与Pg来源的CEP-1结合,也支持这一观点。有研究小组做了更细致的分析,发现人源性CEP-1与Pg源性CEP-1有82%的相似度,其中有9个氨基酸是完全一致的[29]。Pg中的PAD不仅可以催化自身组织,同样可以催化人体蛋白。除此之外,PAD在催化人的纤维蛋白原和α-烯醇化酶的同时也可激活中性粒细胞中的蛋白激酶受体-2(protease-activated receptor,PAR-2),从而升高细胞内Ca2+水平,进而活化人的PAD,造成反应的进一步扩大[30]。故Pg可通过多种机制诱导蛋白瓜氨酸化,促使自身抗体的产生。
2.3 细胞水平异常 环境因素作用于遗传易感者会导致局部内环境改变,细胞裂解死亡,造成Ca2+水平增高,原本处于胞内的蛋白暴露于胞外,溢出的蛋白受到激活的PAD的催化,暴露瓜氨酸表位,导致多种ACPAs产生,通过抗体的免疫介导作用使反应进一步扩大,造成组织不可逆损伤。目前认为有3种机制可能造成RA组织细胞损伤暴露抗原表位,即凋亡、自嗜及中性粒细胞胞外诱捕(neutrophil extracellular traps,NETs)[31]。
凋亡是指细胞的程序性死亡。在细胞凋亡过程中,细胞外的Ca2+不断进入细胞激活PAD,导致周围组织瓜氨酸化,经瓜氨酸化的蛋白其中间丝蛋白聚合能力和纤维形成能力的完全丧失,使蛋白易于降解。蛋白一旦被瓜氨酸化修饰很快被吞噬细胞吞噬,阻止了进一步的炎性反应[32]。凋亡过程的异常调节和/或凋亡片段无效清除可能会暴露核抗原,从而打破免疫耐受,形成针对瓜氨酸化的自身抗体。
自嗜是真核细胞中高度保守的信号通路,可以出现在细胞内大分子和细胞器通过溶酶体系统降解的生理过程;也可以出现在细胞衰老或生长因子缺乏的条件下,细胞以自残的方式死亡的病理过程[31]。IRELAND等[33]最早提出自嗜可能参与到抗原提呈细胞(antigen-present-ing cells,APCs)提呈瓜氨酸化肽的过程中。最近的研究证实了该观点,树突状细胞(dendritic cells,DCs)和巨噬细胞及B淋巴细胞均会出现自嗜现象,只有通过自嗜这些抗原提呈细胞才可呈递瓜氨酸化的抗原。自嗜抑制剂3-甲基腺嘌呤在抑制自嗜的同时也抑制了瓜氨酸肽的提呈,这反过来也证实了自嗜与瓜氨酸抗原提呈的相互关系[34]。
中性粒细胞可通过吞噬、氧化破裂和释放溶酶体酶等多种方式起到抗感作用。SOHN等[35]发现中性粒细胞来源的组蛋白是ACPAs的主要攻击目标,有90%以上的RA患者会出现针对瓜氨酸化的H2B型组蛋白的抗体。最近研究发现中性粒细胞可表现出NETs现象,其是自身抗原客观化的一个过程。细菌、脂多糖(LPS)、真菌及活化的血小板可刺激NETs的产生。NETs结构内富含抗微生物分子,具有捕杀病原体的作用,同时也可致组织损伤[35]。NETs可见于多种自身免疫疾病,如血管炎、系统性红斑狼疮、银屑病、痛风、RA等[36]。NETs可以形成一种新的细胞死亡形式叫做NETosis,在这个过程中,局部NADPH诱导活性氧(reactive oxygen species,ROS)生成,弹性蛋白酶(NE)和MPO从多型核中性粒细胞(polymorphonuclear neutrophil,PMN)胞内颗粒转运至核内,核膜破裂染色体释放。KHANDPUR等[37]发现,RA患者的血清、免疫球蛋白片段及高滴度ACPAs可显著增强NETosis。事实上,在NETosis的过程中,中性粒细胞会通过外化瓜氨酸化的自身抗原参与到RA发病机制中,而且ACPAs也会诱导NETs的形成。白介素17A(IL-17A) 及肿瘤坏死因子α(TNF-α)等细胞因子也会诱导RA中NETosis的发生,反过来NETs也可通过诱导白介素6(IL-6)、白介素8(IL-8)、趋化因子和黏附分子来扩大RA滑膜的炎性反应。也就是说NETosis可以通过外化瓜氨酸化的抗原及免疫刺激分子来推动关节及其周围异常的适应性和先天免疫反应[37]。
3.1 ACPAs的发现 ACPAs是RA的特异性抗体,可在关节症状出现前10年检出。1964年荷兰学者NIENHUIS等[38]使用颊黏膜细胞作为底物,采用间接免疫荧光法检测抗核抗体(antinuclear antibody,ANA)时发现细胞核周围的胞质内有均质形球状荧光颗粒,称其为抗核周因子(antiperinuclear factor,APF)。15年以后MALLYA等[39]以鼠食道的冰冻切片为抗原使用免疫荧光法在RA患者的血清及关节液中,检测出抗角蛋白抗体(AKA)。多年后发现,APF及AKA识别的是相同抗原:瓜氨酸化的聚丝蛋白(filaggrin),及后续发现的Sa抗体、抗聚丝蛋白抗体(AFA)及抗CCP抗体均是针对瓜氨酸蛋白/肽的自身抗体[40]。
3.2 ACPAs的产生机制及T淋巴细胞在其中的作用 目前认为有3种机制可以产生ACPAs:(1)交叉免疫,机体感染某些微生物后,病原体中的PAD酶会催化局部蛋白瓜氨酸化,随后机体会针对这些病原体及其瓜氨酸化产物产生免疫反应,激活了微生物特异性T淋巴细胞,T淋巴细胞辅助B淋巴细胞产生针对瓜氨酸肽的抗体,而这些抗体不仅会针对病原体中的瓜氨酸化,还可识别机体自身的瓜氨酸肽,造成组织损伤。(2)分子模拟,微生物中PAD催化形成的瓜氨酸肽与人体的瓜氨酸肽就有高度相似性,从而激活了自身反应性T淋巴细胞,通过针对瓜氨酸化的B淋巴细胞,产生自身抗体。(3)产生新的抗原,吸烟、感染含有PADI的细菌、PADI位点的多态性及机体针对PADI产生的抗体均会增加机体的瓜氨酸肽,这些新形成的瓜氨酸肽被机体视为异物,通过HLA-SE的提呈,活化了CD4+T淋巴细胞及产ACPAs的B淋巴细胞[41]。
CD4+T淋巴细胞在RA的发病过程中起到了重要作用,其在抗原的刺激下可分化为不同的效应T细胞,其中最为重要的是辅助性T细胞17(Th17)和调节性T细胞(Treg)。Th17为前炎性细胞,可加速自身免疫反应及组织破坏;而Treg具有拮抗作用,其在免疫耐受和调节对肿瘤、感染等过度免疫反应中起到了重要作用。研究发现RA患者的滑液中Th17明显聚集,其释放白介素17(IL-17),进而活化巨噬细胞、DCs及成纤维细胞样滑膜细胞,同时可促进TNF-α、IL-6、白介素1β(IL-1β)及基质金属蛋白酶(matrix metaloproteinases,MMP)的产生加速对软骨和骨的破坏[42-43]。本课题小组前期研究发现RA组Treg明显低于正常对照组,但CCP表达阳性组与阴性组间并无差异,但Th17/Treg比值在CCP阳性表达组明显高于阴性组,可能提示CCP介导的免疫应答以活化Th17为主[44]。
4.1 ACPAs致病的分子机制 ACPAs作为一种抗体其可以通过活化补体及Fc受体阳性的细胞来起到免疫募集效应。有3种激活补体的途径,大部分免疫球蛋白与相应的抗原结合后主要激活经典途径,而ACPAs不仅可以激活经典途径,也可激活旁路途径。除了激活补体外,ACPAs也可通过Fc受体来激发免疫反应,通过这种方式,ACPAs和激活多种细胞产生相应效应:ACPAs与瓜氨酸化的纤维蛋白原组成的免疫复合物,可通过巨噬细胞上的FcγR来促进TNF-α的分泌;IgE型ACPAs可通过与免疫球蛋白ε受体β型亚单位(FcεRI)的细胞连接,激活嗜碱粒细胞;且IgE型ACPAs阳性的患者,其脱颗粒巨细胞的水平也明显增高。由此可以看出ACPAs是致病因素而非局部滑膜炎的结果[40]。
4.2 ACPAs在关节表现中的作用 ACPAs可在RA患者的血清及关节滑液中检出,其在滑液中的水平要明显高于血清。ACPAs在滑膜局部聚集是RA关节破坏的重要原因之一。RA患者关节局部TNF-α、白介素1(IL-1)、IL-6水平明显增加,在这些细胞因子的作用下局部核因子κ-B受体活化因剂(receptor activator of nuclear factor κ-B ligand,RANKL)增多[45],RANKL是调整骨代谢的关键分子,是骨破坏的一个标志,其可刺激破骨细胞的生成。有研究指出,ACPAs阳性的RA患者血清RANKL水平高于阴性者,且骨侵蚀的面积与ACPAs及类风湿因子(rheumatoid factor,RF)的滴度相关,ACPAs阳性的RA患者骨体积、骨密度、骨皮质厚度均较健康对照组和骨关节炎组低[45]。一方面,ACPAs可能通过RANKL加速骨破坏;另一方面,破骨细胞可以表达高水平的PAD,其表面可形成多种瓜氨酸化蛋白,ACPAs通过与破骨细胞表面的瓜氨酸化抗原相互作用,来发挥作用;另外除了破骨细胞外,成骨细胞功能不全也是起到了一定的作用,滑膜内成纤维细胞会增加Dkk-1的表达从而抑制成骨细胞的分化,局部产生的硬化蛋白(sclerostin)也会抑制成骨细胞的活性[45]。
抗CCP抗体作为类风湿关节炎的特异性抗体,不仅具有诊断价值,且在疾病的发生发展过程中也起到了重要的作用,ACPAs是针对瓜氨酸肽抗原产生的,那么封闭相关抗原是否可以起到抑制疾病发生发展的作用呢?本课题组拟通过生物技术手段连接P53与anti-CCP-ScFv,通过原核表达体系构建抗CCP四价小分子抗体,并进行可溶性表达与鉴定,为后续在体试验奠定基础。
作者贡献:李鸿斌进行文章的构思与设计;任婷婷进行文章的可行性分析、文献/资料收集与整理、撰写论文、中英文修订,负责文章的质量控制及审校,并对文章整体负责,监督管理。
本文无利益冲突。
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(本文编辑:崔沙沙)
Research Progress of the Role of Citrullination and Related Antibody in Rheumatoid Arthritis
RENTing-ting,LIHong-bin*
DepartmentofRheumatology,theAffiliatedHospitalofInnerMongoliaMedicalUniversity,Hohhot010000,China
*Correspondingauthor:LIHong-bin,Professor,Mastersupervisor;E-mail:lhb73@126.com
Rheumatoid arthritis(RA) is a systemic autoimmune disease that characterized by joint affection.Studies have suggested that citrullination may be the onset of the attack of RA.However,citrullination is the ubiquitous posttranscriptional modification process in the human body,not the necessary causes of RA.While anti-citrullinated peptide antibodies(ACPAs) produced against citrullinated peptides are highly specific for RA.The paper reviews the effect of citrullination and ACPAs on RA,and hopes to understand the significance of them in the occurrence and development of RA.
Arthritis,rheumatoid;Citrullination;Anti-citrullinated peptide antibodies
R 593.22
A
10.3969/j.issn.1007-9572.2017.13.024
2016-10-15;
2017-01-23)
010000内蒙古呼和浩特市,内蒙古医科大学附属医院风湿免疫科
*通信作者:李鸿斌,教授,硕士生导师;
E-mail:lhb73@126.com