IRGM/Irgm1调节自噬和凋亡在炎症性疾病中的研究进展

孙松，郝欣然，邹小乙，万鑫，张芳妮，孙博，于波，房绍红

(1.心肌缺血教育部重点实验室，哈尔滨 150086； 2.哈尔滨医科大学神经生物学教研室，哈尔滨 150086；3.哈尔滨医科大学附属第二医院心内科，哈尔滨 150086)

人类基因组中有3个免疫相关GTP酶(immunity related GTPase，IRG)基因，即IRGC、IRGQ和IRGM，但只有IRGM在固有免疫应答中起作用[1]。IRGM基因位于5q33.1染色体上，具有5个外显子，其中第一个外显子编码181个氨基酸，另外4个外显子自第一个外显子向下游延伸超过50 kb[2]。GTP酶家族成员尤其是IRGM/Irgm1可介导对多种病原体的先天免疫[3-4]。IRGM亚科在宿主抗性中具有最重要作用[5]。研究已经确定，人类IRGM基因是克罗恩病[6]和结核分枝杆菌感染[7]的易感等位基因。IRGM/Irgm1是分子量为47 000的γ干扰素诱导性GTP酶，广泛表达于有核细胞(尤其是巨噬细胞和淋巴细胞)的高尔基体或内质网[8]。目前，国际上对IRGM/Irgm1的研究多集中在炎性肠病、肿瘤等疾病[9-10]。在克罗恩病实验小鼠模型中，Irgm1可通过抑制炎症小体的激活调控细胞焦亡，保护小鼠免受热休克和肠道炎症的影响[11]。在黑色素瘤实验小鼠模型中，Irgm1还可通过细胞凋亡和B细胞淋巴瘤(B-cell lymphoma，Bcl)-2基因相关X蛋白(Bcl-2 associated X protein，Bax)相互作用因子1依赖性自噬的双重调节，促进黑色素瘤的发生[12]。作为各种细胞应激的正常程序性死亡现象，细胞凋亡与自噬的调控机制及信号通路均存在复杂性、多样性的特点，既相互独立又密切相关[13]。现就IRGM/Irgm1调节自噬和凋亡在炎症性疾病中的研究进展予以综述。

1 IRGM/Irgm1与自噬的关系

自噬是一种高度保守的生物机制，可分解细胞内过量以及功能失调的成分(如错误折叠/聚集的蛋白质、受损的细胞器和入侵的病原体)，在维持细胞内稳态方面发挥重要的生理作用[14]。根据细胞内物质向溶酶体转移的具体机制，自噬可分为3种类型，即巨自噬、微自噬和分子伴侣介导的自噬，主要的自噬过程包括：①形成选择性识别和隔离底物的双膜自噬体；②双膜自噬体与溶酶体融合形成自噬溶酶体；③自噬产物在自噬溶酶体中的降解[15-16]。基本水平的自噬是细胞生存所必需的，可选择性消除不需要或受损的蛋白质和细胞器[15]。然而，过多的自噬活动会非选择性地降解大部分细胞器(如内质网和线粒体)，从而对细胞产生不利影响，功能失调自噬涉及各种生理或病理条件[16]。

近年来，已有30多个自噬相关基因(autophagy associated gene，ATG)和蛋白被发现[17]，它们均直接参与了自噬过程。一般情况下，自噬过程可分为诱导、起始、伸长、成熟和降解等步骤[15]。不同的ATG参与自噬的不同阶段，其中，一些高度保守的基因(如ATG5、微管相关蛋白轻链3、自噬受体p62和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物1)在自噬中起关键作用[18-19]。除ATG外，哺乳动物雷帕霉素靶蛋白和Beclin-1复合物等信号转导通路也参与了自噬的调节。目前，两种主要的调节自噬的信号通路已被阐明：①Ⅰ类磷脂酰肌醇-3-激酶/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白信号通路，该通路可抑制自噬[20-21]；②Ⅲ类磷脂酰肌醇-3-激酶/Beclin-1通路，该通路可促进自噬[22]。

越来越多的证据表明，自噬发生的级联反应可由宿主衍生的细胞因子(如γ干扰素)或模式识别受体(包括Toll样受体和核苷酸结合寡聚化结构域样受体2)诱发[23-24]。IRG，特别是Irgm1，被认为在γ干扰素诱导的自噬中发挥关键作用[25]。有研究报道，在永久性大脑中动脉闭塞小鼠模型中，Irgm1能够促进神经元细胞自噬、抑制凋亡，从而减少梗死面积，为缺血性脑卒中提供了新的治疗策略[26]。人类IRGM蛋白被RNA病毒广泛靶向，其中一些病毒可以利用人类细胞的自噬提高其复制能力[27-28]。近年研究发现，利用小干扰RNA抑制IRGM的表达可直接或间接导致细胞自噬的减少[29]。同时，有研究报道，抑制自噬可以恢复IRGM介导核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3与人细胞凋亡相关斑点样蛋白降解，但不能挽救核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3-人细胞凋亡相关斑点样蛋白的齐聚缺陷[30]。由此可见，IRGM/Irgm1与细胞自噬的关系是双向的。

2 IRGM/Irgm1与凋亡的关系

程序性细胞死亡(又称凋亡)在发育和疾病的细胞内稳态中起重要作用。细胞凋亡的复杂机制涉及不同的调控途径，主要包括内源性和外源性两种途径，这两种凋亡途径最终激活效应胱天蛋白酶(caspase)，其中最重要的是caspase-3和caspase-7[31]。外源性途径主要依赖肿瘤坏死因子受体家族的死亡受体与其配体的结合，在激活caspase-8的各种蛋白质相互作用的驱动下，触发细胞内级联反应，最终激活caspase-3和caspase-7，而caspase-3和caspase-7是细胞凋亡的最后“执行者”[32]。内源性途径是由线粒体/细胞色素C介导的通路，关键步骤是线粒体外膜通透化(mitochondrial outer membrane permeabilization，MOMP)增加，释放细胞色素C和其他蛋白质到细胞质[33]。细胞色素C与凋亡蛋白酶激活因子-1结合导致凋亡蛋白酶激活因子-1的构象发生变化并齐聚，形成一种称为凋亡体的七聚体结构[32]。凋亡体可促进caspase-9向活性caspase-9的聚集和裂解，而caspase-9反过来又激活caspase-3和caspase-7，而caspas-3和caspase-7是执行不可逆凋亡的最后步骤[34]。MOMP是细胞启动凋亡的关键步骤。抗凋亡Bcl家族蛋白共包括4个特征性BH(Bcl-2 homology)结构域，即Bcl-2、Bcl-xL、Bcl-w和Mcl-1；Bcl-2通过调控BH3结构域和效应蛋白抑制MOMP[35]。促凋亡蛋白分为两个亚家族，其中一个亚家族仅包含BH3域，仅含BH3的蛋白质通过检测细胞死亡的信号可激活内源性凋亡途径；另一个亚家族由Bax、Bcl-2拮抗/杀伤蛋白(Bcl-2 antagonist/kill protein，Bak)和一种研究较少的蛋白质Bcl-2相关卵巢杀伤蛋白(Bcl-2-related ovarian killer，BOK)组成，它们是细胞凋亡的效应器，由BH1-3结构域决定[36]。只有含BH3结构域的蛋白质能与Bax或Bak结合，这种结合可促进Bax和Bak的同源齐聚，从而形成MOMP[37]，形成MOMP的过程就是被家族中抗凋亡成员抵消的过程。Bax、Bak和BOK通过抑制BH3蛋白与Bax/Bak的相互结合发挥Bax、Bak和BOK的抗凋亡作用[38]。细胞内促凋亡因子和抗凋亡因子相互作用的平衡决定了细胞与凋亡阈值的距离，大多数癌症的治疗最终均通过诱导MOMP后肿瘤细胞的凋亡而起作用，一种有效的治疗药物或调控靶点可精准杀死癌细胞而不杀死正常细胞，这一概念依赖于不同细胞类型具有不同凋亡阈值的特征[39]。

IRGM(+313)rs10065172位点的纯合TT基因型与严重脓毒症中IRGM的表达降低及较高的病死率相关[40-41]。有文献报道，Irgm1基因缺陷也可通过促进活化CD4+T细胞凋亡，抑制实验性自身免疫性脑脊髓炎的发生[42]。小鼠实验性脑卒中研究发现，Irgm1在早期可有效激活自噬，保护缺血区神经元免于死亡，促进半影区细胞凋亡[43]。研究表明，Irgm1的增加对败血症相关性脑病小鼠具有保护作用，而且还可激活p38促分裂原活化的蛋白激酶信号通路，诱导海马神经元凋亡和自噬[44]，为临床预防和治疗败血症相关性脑病患者提供了新的可能，表明Irgm1是一个有效的治疗靶点。综上可知，IRGM/Irgm1在神经系统疾病中通过调控细胞凋亡发挥作用，但具体机制目前尚不明确。

3 IRGM/Irgm1调节自噬与凋亡在炎症性疾病中的作用

3.1IRGM/Irgm1在神经系统炎症性疾病中的作用 脑卒中是严重威胁人类生命的神经系统疾病之一，分为缺血性脑卒中和出血性脑卒中。缺血性脑卒中占脑卒中患病总数的87%，通常由脑血流的短暂或永久性减少引起[45]。在缺血期间，急性营养和氧气剥夺可能导致神经元死亡，而坏死和凋亡是缺血后神经元死亡的两种主要方式[46]。自噬是影响许多细胞类型存活的重要细胞平衡机制，在自噬过程中，胞质器官首先被隔离在双膜囊泡中，然后被输送至溶酶体进行降解，在短期内该过程可提供能量以保持细胞的“功能正常”[47]。研究显示，自噬在许多神经系统疾病中具有保护神经元存活的作用[48]。有研究表明，Irgm1在调节小鼠缺血性脑卒中模型神经元自噬和细胞凋亡中起重要作用，对于决定神经元的命运和缺血性脑卒中的总体预后至关重要，这可能是由于在缺血早期γ干扰素诱导Irgm1在缺血后的神经元中迅速表达增加，引起神经元自噬的激活，保护神经元免受缺血坏死[26]。此外，严重脓毒症时全身炎症反应可导致脓毒症诱导脑损伤，同时通过免疫调节、活化单核巨噬细胞发挥抗炎作用的γ干扰素表达上调，而γ干扰素可促进Irgm1在神经元中的表达，诱导细胞自噬，从而包裹、降解清除神经元内的某些毒素、变性的胞质成分，避免神经元遭受进一步损伤[48]。另有研究在自身免疫性脑脊髓炎中也证实了Irgm1对M1亚型巨噬细胞具有调控作用[49]。由此可见，IRGM/Irgm1在多种神经系统疾病中参与了巨噬细胞炎症的调控。

3.2IRGM/Irgm1在消化系统炎症性疾病中的作用 克罗恩病是由一种肠道慢性免疫介导的炎症性疾病。全基因组相关研究已经确定了编码先天免疫系统组成的多个克罗恩病风险等位基因，包括细胞因子(白细胞介素-23)、细菌识别受体(核苷酸结合寡聚化结构域样受体2)和新近发现的ATG(ATG16L1和IRGM)[50]。有研究使用Irgm1基因敲除小鼠检验Irgm1蛋白在抑制实验性结肠炎中的作用，结果发现，Irgm1是小肠和结肠炎症反应的关键调节剂[51]。在小鼠肠梗阻疾病模型中发现，当敲除Irgm1基因后，Paneth细胞的形态和功能发生了实质性改变，最显著的是其分泌颗粒的外观发生了显著改变[52]。Paneth细胞是抵抗肠道病原体的肠道上皮细胞，通过形成和释放富含抗菌肽的分泌颗粒来调节肠道微生物群；当Paneth细胞释放的分泌颗粒暴露于右旋糖酐硫酸钠后，Irgm1基因敲除小鼠的结肠和回肠急性炎症增加，临床反应恶化；即使未暴露于右旋糖酐硫酸钠，Irgm1基因敲除小鼠的Paneth细胞位置和颗粒形态的显著改变也存在；Irgm1基因敲除与肠道细胞(包括Paneth细胞)的线粒体吞噬及自噬受损有关，可通过频繁的肾小管和线粒体肿胀以及微管相关蛋白轻链3阳性自噬结构的增加来证明[53]。而微管相关蛋白轻链3阳性结构通常包含Paneth细胞颗粒，Irgm1基因敲除Paneth细胞分泌颗粒显著减少，微管相关蛋白轻链3阳性自噬室分泌颗粒增多[51]，提示Irgm1可能是自噬过程中的一个重要调节因子。这些结果表明，Irgm1可能通过调节肠道自噬过程调节小鼠肠道的急性炎症反应，这可能对Paneth细胞的正常功能至关重要。Irgm1缺乏对肠道炎症易感性和上皮功能的影响严重依赖于环境因素。

3.3IRGM/Irgm1在呼吸系统炎症性疾病中的作用 结核病是一个公共卫生问题，尤其在发展中国家。根据世界卫生组织的报告，每年约有200万人死于结核病；在世界上1/3的结核病感染者中，只有10%会发展为临床疾病，其中宿主遗传因素在结核病易感性中起重要作用[54]。结核分枝杆菌是一种细胞内病原体，尽管可引起强烈的适应性免疫应答，但是仍可以在宿主巨噬细胞内持续存在。结核分枝杆菌可以驻留在巨噬细胞的吞噬体内，并可阻止吞噬体的成熟[55]。自噬是细胞内成分在细胞溶酶体中降解的过程，对细胞内病原体(如分枝杆菌)起关键作用[56]。CD4+和CD8+T细胞产生的巨噬细胞活化因子γ干扰素是结核分枝杆菌免疫反应的重要组成部分，在小鼠被病原体感染的细胞中γ干扰素可刺激免疫相关的p47 GTPases(Irgm1)的产生[57]。Irgm1被募集到分枝杆菌吞噬体[58]，促进成熟和酸化[59]。Irgm1缺陷小鼠对结核分枝杆菌高度易感，是因为Irgm1缺陷小鼠无法控制肺部细菌的复制[60]。已有研究显示，IRGM可诱导巨噬细胞自噬，以控制结核分枝杆菌[61]。Irgm1在小鼠中具有抵抗一系列细胞内病原体(包括李斯特菌、弓形虫和结核分枝杆菌)的作用[62]。IRGM基因启动子区的变化已经显示出Irgm1与结核菌素的风险增加相关[61-62]。

目前，关于IRGM多态性与结核病相关性的信息较少。Singh等[63]研究发现，鼠Irgm1可诱导自噬并产生大的溶酶体细胞器，以消除胞内结核分枝杆菌；同时还发现，人类IRGM在自噬和减少细胞内负荷方面也发挥了作用。Intemann等[64]首次证实了IRGM基因型与结核之间的关系，发现IRGM基因型-261 TT提供了针对结核分枝杆菌的相对保护作用，但对非洲结核分枝杆菌或牛结核分枝杆菌则未提供保护作用；与-261 C IRGM变体相比，-261 T IRGM变体破坏了多个转录因子结合位点，并显著增加了-261 T IRGM变体的表达，表明TT基因型可能增强IRGM蛋白的表达，由此认为，IRGM和自噬在预防结核分枝杆菌方面起一定作用。Che等[65]对1.7 GM IRGM启动子区域进行了测序，发现了29个基因多态性，包括11个新位点，其中IRGM的-1208A等位基因和-1208AA基因型与结核病的易感性降低相关。与此相反，另一项研究检查了伊朗人群样本中IRGM-1208A/G、-1116C/T和-947C/T多态性对肺结核风险的影响，结果发现了人群中-1161C/T和-947C/T多态性对肺结核的保护作用，而且对照组与肺结核组在IRGM-1208A/G多态性方面差异无统计学意义[1]。

3.4IRGM/Irgm1在循环系统疾病中的作用 动脉粥样硬化是人类循环系统疾病中最常见的慢性炎性血管疾病[66]。动脉粥样硬化的确切病因目前尚不清楚。研究表明，高脂血症是心血管疾病最重要的危险因素之一，与动脉粥样硬化密切相关[67]。脂蛋白，特别是低密度脂蛋白在动脉内膜中的异常蓄积可通过常驻巨噬细胞中的氧自由基等进行调节，从而导致单核细胞衍生巨噬细胞的进一步募集[68]。单核细胞衍生巨噬细胞与平滑肌细胞共同吞噬了修饰的低密度脂蛋白，进而转化为泡沫细胞,这些泡沫细胞可以释放各种促炎细胞因子，并引发炎症级联反应，导致动脉粥样硬化斑块的形成[69]。巨噬细胞通过清道夫受体摄取氧化低密度脂蛋白是泡沫细胞形成和动脉粥样硬化的关键步骤，但具体机制目前尚不明确。有研究发现，Irgm1可调节巨噬细胞摄取氧化低密度脂蛋白，在动脉粥样硬化期间，氧化低密度脂蛋白可上调巨噬细胞中的Irgm1，进而调节受体-配体复合物CD36的内吞作用，并促进氧化低密度脂蛋白的摄取，这种正反馈过程涉及Irgm1对F-肌动蛋白聚合的调节[70]。还有研究发现，IRGM/Irgm1在人和小鼠损伤的巨噬细胞中均高表达，与动脉粥样硬化发展缓慢的野生型小鼠(Irgm1+/+)相比，Irgm1单敲鼠(Irgm1+/-)损伤的M1巨噬细胞浸润显著减少；Irgm1单倍体缺陷可影响干扰素调节因子5和干扰素调节因子8的表达，但对M2相关转录因子干扰素调节因子4的表达影响较小[48]。鉴于巨噬细胞的不同表型在动脉粥样硬化发生、发展中的重要作用，巨噬细胞极化干预是动脉粥样硬化潜在的治疗策略。

4 小 结

IRGM/Irgm1与多种生物功能相关，IRGM/Irgm1通过调节自噬和凋亡在神经系统疾病、呼吸系统疾病、消化系统疾病等炎症性疾病的发生、发展和转归中起重要作用。目前国际上的心血管研究对于不稳定斑块的早期诊断、形成机制以及调控靶点仍不明确，值得未来进一步深入探讨。因此，明确IRGM/Irgm1通过自噬和凋亡调控动脉粥样斑块稳定性的具体机制，可以为临床不稳定斑块的早期干预和有效治疗提供理论依据，有效地减少或预防急性心血管事件的发生，并为临床寻找新的药物靶点提供参考。