pIgR的功能、调节以及与疾病的联系

单东凤 王浩澄 董 娅 于 壮

（青岛大学附属医院，青岛266011）

1 引言

IgA 是免疫系统中非常重要的一种抗体，在正常人血清中的含量仅次于IgG。按其免疫功能又分为血清型及分泌型。血清型IgA 存在于血清中，其含量占总IgA 的85% 左右。血清型IgA 虽有IgG 和IgM 的某些功能，但在血清中并不显示重要的免疫功能。分泌型IgA 存在于分泌液中，如唾液、泪液、初乳、鼻和支气管分泌液、胃肠液、尿液、汗液等。分泌型IgA 是机体黏膜局部抗感染免疫的主要抗体，因此又称黏膜局部抗体。IgA 不能通过胎盘，因此新生儿血清中无IgA 抗体，但可从母乳中获得分泌型IgA。新生儿出生4～6个月后，血中可出现IgA，以后逐渐升高，到青少年期达到高峰。从结构来看，IgA有单体、双体、三体及多聚体之分。其中多聚体IgA就是由多聚免疫球蛋白受体（poly-Ig receptor，pIgR）协助从黏膜上皮的基底膜侧运送到根尖侧，分泌进入黏膜外黏液中。形象地说pIgR是IgA分泌到胞外发挥抵抗病原微生物过程中一座必不可少的桥梁。

2 pIgR的结构和水解

pIgR 是一种单跨膜膜蛋白，其结构可分为胞外结构域、跨膜结构域和胞浆内结构域［1］。pIgR 是一种糖基化的Ⅰ型跨膜蛋白，即整个分子只有一次跨膜，且N 端在细胞外C 端在细胞内。整个糖蛋白由约620 个氨基酸构成的胞外结构域、23 个氨基酸构成的跨膜结构域和103个氨基酸构成的胞内结构域组成［2］。在小鼠实验中，将pIgR cDNA 稳定引入成纤维细胞的细胞系中，得到pIgR 的核心形态分子质量约为100 kD，最成熟的pIgR 的分子质量约为120 kD，在成熟过程中，通过糖基化作用，将110 kD的pIgR 转化为120 kD 的形式［3］。糖基化并不影响pIgR 的生物合成和转运，但是对pIgR 的胞吞作用有一定的影响［4］。

无论pIgR与配体结合与否，当pIgR被运输至上皮细胞黏膜表面端的时候都会被蛋白酶水解，且既往研究提示发生水解的位置不止一个［5］。这种被分裂后释放的部分称作分泌成分（secretory component，SC），来源于pIgR 的胞外结构域，pIgR 单独或与IgA 结合存在［6］。与此同时，与SC 相关的分泌dIgA 称为分泌IgA（SIgA），SIgA 是一种生物防御因子［1，7］。SC 具有天然的抗微生物特性，能够保护SIgA 不被蛋白降解［8］。SC 是由中性粒细胞丝氨酸蛋白酶裂解的，但是在上皮中的产生是由NF-κB 和P38 丝裂原活化蛋白激酶依赖通路促进的［9］。pIgR的水解也受到一些物质的调节。一方面，某些物质对pIgR 的水解和释放起到抑制的作用，比如蛋白酶抑制剂和C 端的序列［10-11］；另一方面，某些物质起到促进的作用，如：N 端的序列能够提高pIgR 的裂解［11］。

3 pIgR的功能

3.1 主要功能 pIgR 的主要功能是协同IgA 的转运，使IgA 发挥黏膜免疫的重要作用。pIgR 对于不同的单克隆抗体具有不同的转运能力，其中对于二聚体IgA 的转运能力是最强的，主要包括二聚体IgA和五聚体IgA，其转运方式是快速的、单向的。对三聚体的转运是双向的、少量的［12-13］。

3.2 pIgR 在不同免疫类型中的功能 pIgR 不仅参与机体黏膜的先天免疫，也参与获得性免疫。已有研究证实了pIgR和IgA在人Paneth细胞分泌颗粒中共域化，表明除了在先天免疫中被公认的作用外，pIgR还参与了胃肠道中IgA介导的获得性免疫［14］。

3.3 pIgR 在肺炎球菌感染中的功能 pIgR 在抵御病原菌感染人体的过程中扮演着双重角色，一方面参与黏膜免疫抵御病原微生物入侵，一方面又是病原微生物进入人体的得力助手。其中最典型的就是肺炎球菌，肺炎球菌是人体中一种常见的细菌感染病原体，感染后引发脑膜炎、鼻窦炎、中耳炎等［15］。肺炎球菌是全球细菌性脑膜炎的主要病因。观察死于肺炎球菌脑膜炎的患者大脑组织切片，研究者发现肺炎球菌与血脑屏障上两种受体相互作用，从而帮助肺炎球菌穿透血脑屏障侵入大脑，而pIgR 就是其中之一［16-17］。肺炎球菌表面的PspC 蛋白能和pIgR 的胞外结构结合，并借助正常细胞的网状蛋白协助肺细胞膜形成小泡，运送肺炎球菌进入正常细胞造成感染［18-20］。肺炎球菌胆碱结合蛋白A（CbpA）与pIgR 结合，增强肺炎球菌对培养的上皮细胞的黏附和侵袭［21-22］。

3.4 pIgR 在消化系统中的功能 在消化系统中，pIgR 能维持结肠上皮的上皮完整性和黏膜内环境稳定［23-24］。SIgA 抗体为肠道提供一线适应性免疫保护，抵抗致病性微生物，防止共生菌迁移到固有层引起促炎反应［25］。

4 pIgR的分泌调节

pIgR 的表达水平从一定程度上决定了生物体内的呼吸道和消化道黏膜表面IgA 表达水平的高低，即抵抗外界环境的病原微生物的能力强弱。众多研究结果说明，最终pIgR 蛋白的表达受到多种物质的调控，其调控机制非常复杂。

pIgR 的表达水平在很大程度上通过pIgR 基因在黏膜上皮细胞中的转录来控制。就转录水平来说，人类pIgR 启动子的22 bp 片段的靶向删除显示，从nt-63 到-84 的区域对于基础转录至关重要，并且两个上游区域可以充当正向或负向调节子。在近端启动子区域中鉴定出两个另外的调控基序：AP2的结合位点和结合未知蛋白的反向重复基序。这些结果表明多种转录因子的协同结合调节了人pIgR 启动子的基础活性［26］。细胞外调节蛋白激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）磷酸化可调控pIgA-pIgR 的胞吞作用，也间接影响了个体pIgR 的表达［27-28］。除此之外，NF-κB 是pIgR 调节的上游分子之一，能缓慢地促进pIgR的表达，这与NFκB中的两个亚基AEIA 和AEIB 的关系密切，敲除这2 个亚基均能明显下调pIgR 的表达，相反的过表达AEIB 亚基能够快速而稳定地增强pIgR 的表达［29-30］。此外，树突状细胞特异性NF-κB 激酶是肠上皮细胞中IgA转运蛋白pIgR表达所必需的［31］。最具有代表性的，在pIgR 的翻译水平，上皮细胞产生的细胞因子（TNF-α、IFN-γ、IL-4 和TGF-β）等都能促进pIgR mRNA 的表达水平，以产生更多的抗体来对抗病原微生物［32-33］。而且，不管是急性还是慢性的TNF 刺激都能促进pIgR 的表达水平，并且TNF-α 介导的pIgR 表达还能随着ERK 通路的抑制而被阻断［28，34］。病原微生物的感染也会刺激pIgR 的产生，比如衣原体感染增强下生殖道上皮细胞的pIgR 表达和SIgA分泌，而感染前的激素干预能下调pIgR 的表达和IgA 的胞吞［35］。机体为了促进共生革兰氏阴性菌存在时IgA介导的稳态，通过LPS/TLR4的信号可以上调pIgR 的表达，同时最小化促炎反应，以使机体达到稳态。除了这些机体内的分子对pIgR 表达水平的调节外，个体的营养摄入方式也能影响pIgR 的表达。肠外营养，即缺少肠道内食物的刺激会一定程度地损伤肠黏膜，会下调肠腔pIgR和IgA的水平，甚至下调肺上皮细胞中IgA 的表达水平，但是这种损伤能够被肠内营养逆转［33，36-37］。这与Th2 细胞因子IL-4 和IL-13 的表达增加，JAK 的激活和STAT6 信号通路相关，从而引起运输蛋白pIgR 水平升高［36］。大约40% 肠内营养的补充可有效挽救肠黏膜因肠外营养获得的免疫损伤。肠外营养会减少气道和小肠内的免疫，通过降低T细胞、B 细胞和IgA 的方式。其中气道黏膜免疫降低主要是因为IgA 的运输被降低，而小肠黏膜主要是因为pIgR 的表达减少［37］。研究发现，在小鼠实验中，与足量喂食组相比，热量限制组小鼠的pIgR 表达明显下调［38］。不良的生活习惯也能影响机体的pIgR 表达，长期慢性的酒精刺激也能够降低大肠和小肠的IgA和pIgR水平［39］。与不吸烟人群相比，吸烟人群支气管、肺泡上皮和血浆pIgR 明显升高，且与梗阻显著相关［40］。肠道内的菌群，也能影响个体pIgR 的表达水平。小鼠肠道移植模型中，加热灭活的潜在益生双歧杆菌OLB6378 能够上调pIgR、IL-1α 和IL-1β 的表达水平［41］。维生素是体内必需的物质之一，维生素也能在pIgR 的调节过程中发挥作用。维生素A代谢物全反式维甲酸与IL-4 和IFN-γ 强烈相互作用，调节HT-29 细胞中pIgR 的表达，提示在体内对黏膜感染时IgA 转运的适当调控可能需要维生素A［42］。细胞所处的环境也和pIgR 的表达相关，与基质细胞缺失相比，基质细胞存在时pIgR 的产生较多［43］。这也提示基质细胞能够分泌某种抑制pIgR 产生的信号。pIgR 参与被动免疫和主动免疫两个过程，而且在两种免疫方式中，pIgR 的表达情况也不相同，一项小鼠实验中，在缺乏被动免疫的小鼠体内，近端小肠上皮中pIgR mRNA 水平在发育早期增加了100%。在缺乏获得性免疫的小鼠中，pIgR的表达明显减弱［44］。

5 pIgR与疾病的关系

5.1 炎症 炎症反应广泛存在于机体的各大系统和器官中，既作为机体的保护机制但同时过强或过弱的炎症反应也威胁着人类的健康。pIgR 在机体免疫中发挥着举足轻重的作用。

在表皮中，也有pIgR 的表达，并在这个人体最大的器官中也起着防御的作用，在炎症性皮肤病中有抗炎的作用［45-46］。在肠道黏膜中，pIgR 作为克罗恩病的特征基因之一，其mRNA 的表达水平能够预测克罗恩病患者的疾病行为和对治疗的反应［47-48］。在鼻黏膜和呼吸道黏膜中，慢性鼻窦炎合并鼻息肉患者的黏膜上皮中pIgR 的表达也是明显降低的［49］。从某种程度上来说，黏膜上皮中pIgR 的表达水平代表了黏膜外分泌物中IgA 抗体的表达量［40］。pIgR 在慢性阻塞性肺疾病中显著下调，吸烟者与不吸烟患者相比，pIgR 的转录均上调。但是重度慢性阻塞性肺病患者支气管上皮的pIgR 免疫染色是下降的。即与对照组相比，重度慢性阻塞性肺疾病患者的培养物中pIgR 表达和IgA 转运能力下降，导致固有免疫反应持续激活常驻肺菌群，驱动进行性小气道重塑和肺气肿，而且慢性阻塞性肺疾病程度越严重，其pIgR 的表达就越低，转运和分泌IgA 的能力越弱［50-52］。人类哮喘支气管上皮中存在pIgR 表达缺陷，其上游可能成为哮喘治疗的分子靶点［53］。在脑膜炎小鼠模型中，pIgR 与肺炎球菌有着共定位，并且利用pIgR 抗体也能有效抑制肺炎球菌性脑膜炎的进展［17］。在肾移植患者中，pIgR 作为一种生物标志物可以提示肾移植术后容易发生慢性主动抗体介导的排斥反应［54］。肾脏中pIgR mRNA 的表达与一种参与浆细胞类转化为IgA 的细胞因子TNFSF13表达相关［55］。这些结果表明，pIgR 诱导是肾小管细胞损伤表型的重要组成部分［55］。pIgR 在非酒精性肝硬化患者的血浆蛋白中是显著升高的，可以作为早期非酒精性肝硬化的一个检测标志物［56］。敲除pIgR 的小鼠比野生型小鼠更容易受到双歧杆菌的感染［57］。在心血管疾病中，一项全基因组的跨种族相互作用研究显示，pIgR 也参与了长期暴露于高浓度环境中的冠状动脉粥样硬化个体中的炎症反应，与冠状动脉粥样硬化的发生发展有一定的关系［58］。

5.2 癌症 pIgR 在多种癌症中可以作为一种预测癌症预后和早期检测癌症的生物标志物的身份存在，但是不同的是，它在不同的癌症中扮演两种不同的角色，分别提示较好的预后和较差的预后。其中在脑胶质瘤和肝细胞肝癌中，该基因的高表达提示患者有较差的预后和术后较高的复发风险［59］。pIgR 作为肝细胞肝癌的预后生物标志物，提示不良预后，与乙型肝炎感染、慢性肝脏炎症、诱导上皮间质转化、术后复发和转移进展相关［60］。这可能与pIgR 能增强TGF-β 的免疫抑制作用有关，因此抑制pIgR 的治疗策略可能有助于抑制肿瘤切除后肝癌复发或转移［61］。

但是有趣的是，在其他癌种中，如胃癌、食管癌、非小细胞肺癌、胰腺导管癌、鼻咽癌、肠腺癌、子宫内膜瘤、黑色素瘤中该基因的较高水平表达与患者较好的预后相关［62-66］。有实验验证pIgR基因的缺失能够促进非小细胞肺癌的癌细胞增殖，从而促进肺癌的进展［62］。在非小细胞肺癌中，有研究者提出pIgR的下调与转录因子USF和AP2相关［62］。

虽然在既往研究中，大多数研究的方向都是pIgR 在癌症组织与癌旁组织的表达差异和pIgR 对预后的提示作用，只有少数研究涉及机制的研究。具体如下，pIgR 的转运和加工是导致癌症发病的机制之一。EB病毒感染是鼻咽癌的病因之一，但是在能够表达pIgR 的内皮细胞中，pIgR-EBV（EB 病毒）复合物能够被有效地转运，从而避免EBV 感染，抑制鼻咽癌的发生［67］。如pIgR 的错义突变，即A580V突变，导致pIgR-pIgA 复合体的转运效率降低，从而导致鼻咽癌的发生［68］。pIgR 是HBV（乙肝病毒）源性肝炎和肝细胞肝癌转移之间的潜在联系，也是肝细胞肝癌的预后生物标志物［69］。在肝细胞癌中，pIgR-DAP12-Yes 复合物能够激活Rac1/CDC42-MEK/ERK 信号通路从而促进肿瘤的进展，另外也有研究者提出在肝癌中，pIgR 能够通过激活Smad信号来促进EMT（上皮间充质转化）的进程［69-70］。在食管癌中，pIgR 的甲基化水平也影响疾病的预后，甲基化水平越高，患者预后越差［71］。

6 展望

基础研究本是立足于临床实际问题开展的，大量对pIgR 的研究将在临床实践中体现自己的价值，而且已经有相关的药物在脑膜炎的小鼠模型中展现了良好的治疗效果，在小鼠实验中，以pIgR 和PECAM-1 抗体作为抗生素的辅助治疗可以大大提高肺炎球菌性脑膜炎的治疗效果，包括抑制炎症发展和相关的脑损伤［72］。pIgR 介导的dIgA 的拮抗抗体的胞外转运可用于常染色体显性遗传性多囊肾的靶向治疗［73］。临床上有很大一部分人群不能进行肠内营养，但是肠外营养的并发症较多。有研究者表明肠内营养有利于肠黏膜获得性免疫作用的增强，更深入的研究还为临床医生提供了肠外营养期间补充肠内营养的最佳剂量指导［36］。

另外，相对于传统的IgG 类药物，IgA 抗体因其优越的受体介导的细胞毒性、对病原体的有效中和以及通过pIgR 介导的转运跨越黏膜屏障的能力而具有广阔的治疗前景。开发的IgA 抗体现在可以在保持低系统暴露的同时，特异性靶向pIgR 表达组织［74］。

精准医疗的时代已经到来，并且在癌症领域取得了振奋人心的疗效，同样地，人类哮喘支气管上皮中存在pIgR表达缺陷，是否提示pIgR及其上游的某种分子能够作为哮喘精准医疗的分子靶点呢？而且pIgR 在多种癌症中也出现了异常表达，是否能够像癌胚抗原一样在肿瘤早期的诊断中能够作为生物标志物辅助诊断呢？以脑膜炎的小鼠实验为启发，pIgR 既然参与了多种炎症的发生发展过程，是否能通过pIgR 与脑膜炎特殊的结合方式和位点进行阻断以及时控制炎症的恶化呢？或者pIgR 抗体作为抗生素的辅助治疗是否可以提高其他炎症的治疗疗效呢？既然作为全反式维甲酸能促进pIgR 的表达，那针对pIgR 或IgA 相关的免疫力低下的疾病，是否可以通过补充全反式维甲酸改善机体免疫呢？除此之外，越来越多的研究表明人体内的菌群与许多分子有着非常复杂的联系，能够相互影响，共生菌群，特别是肠道共生菌，与宿主免疫系统相互作用，以维持健康的、自我平衡的状态，这已被越来越多的人所接受［75-76］。相同地，是否能开发相应的益生菌乳制品，让更多的人群在日常饮食中增强免疫力呢？

黏膜系统与人体所有系统都息息相关，是抵御病原微生物感染的重要组成部分，而pIgR 作为黏膜屏障重要的抗体转运者，其更深入的研究定将为多种疾病的预防和治疗带来巨大的帮助。