黏蛋白5AC和黏蛋白5B在相关肺疾病发生发展中的作用机制研究进展

杨庆婵，李宽，王咏梅

1 天津市海河医院病理科，天津 300350；2 天津市呼吸疾病研究所；3 天津市海河医院基础医学实验部；4 天津市肺脏再生医学重点实验室

呼吸道上皮衬有黏液，是一种由水、离子、蛋白质和大分子组成的凝胶。黏液会捕获微生物和颗粒，并通过纤毛摆动或咳嗽将微生物和颗粒从肺部清除［1］，在气道免疫中起着至关重要的作用。黏液的主要大分子成份是黏蛋白（Mucin， MUC），是由上皮合成的高分子量、重度糖基化的O-连接糖蛋白，有分泌型和膜结合型两种类型。黏蛋白5AC（MUC5AC）和黏蛋白5B（MUC5B）是肺部主要的分泌型黏蛋白。多数黏液阻塞性肺疾病的发生发展，例如哮喘、囊性纤维化（cystic fibrosis， CF）和慢性阻塞性肺病（chronicobstructive pulmonary disease，COPD）等，均与MUC5B、MUC5AC 组成的小气道黏液栓有关［2］；MUC5B 启动子区域中的单核苷酸（rs35705950）多态性被认为是与特发性肺纤维化（idiopathic pulmonary fibrosis， IPF）发病相关的重要遗传因素［3］；而黏液产生及其生理特性的改变也是导致部分重症新型冠状病毒肺炎（COVID-19）患者气道症状持续存在的原因［4］。了解MUC5AC、MUC5B 在呼吸系统疾病发生发展中的信号通路和调节机制，深入研究MUC5AC 和MUC5B 的功能特性，使其有望成为新型药物的作用靶点，为许多肺部疾病的治疗开辟新的治疗途径。现将MUC5AC 及MUC5B 在相关肺疾病发生发展中的作用机制综述如下。

1 气道MUC的生物学功能

迄今为止，人类基因组中已被发现有21种MUC基因［5］，其编码的黏蛋白有14 种存在于气道中。其中有4 种黏蛋白在气道蛋白表达中占优势：四种具有跨膜结构域且与细胞表面相关，即膜结合型黏蛋白（MUC1、MUC4、MUC16、MUC20）；两种形成凝胶的分泌型黏蛋白（MUC5AC、MUC5B）和一种非凝胶形式的分泌型黏蛋白（MUC7）。分泌型黏蛋白在粘膜表面形成薄层，是黏液生理特性的物质基础并决定其黏弹性；而膜结合型黏蛋白附着在黏膜上，是纤毛周围凝胶状层的基础，并参与细胞信号传导、免疫调节、细胞运动、黏附和生长［1］。MUC5AC和MUC5B是呼吸道中两种主要的凝胶形成粘蛋白，编码MUC5AC 和MUC5B 的基因位于染色体11p15 上，它们的基因组结构由编码复杂多域蛋白的单个大外显子组成。MUC5AC 和MUC5B 的蛋白质结构大致相似［6］，都是大分子量的（5-50 MDa），具有特征结构域的O-聚糖的糖蛋白［7］。广泛的O-糖基化可以使黏蛋白骨架变硬，这对凝胶形成至关重要［1］。

MUC5AC在上呼吸道主要由表面上皮杯状细胞产生，而MUC5B 主要由黏膜下腺的黏液细胞分泌。在远端气道，MUC5AC和MUC5B均由上皮表面的分泌细胞（Club 细胞）产生［1］。MUC5AC 和MUC5B 在维持健康的气道上皮细胞中具有不同的作用。MUC5B 是健康人类气道中的主要黏蛋白。动物研究［6］表明，Muc5b 对黏液纤毛清除功能（mucociliary clearance， MCC）和通过控制细菌感染和减轻炎症来维持气道健康至关重要。在小鼠模型［6，8］中muc5b 基因缺失会导致气道金黄色葡萄球菌感染、黏液运输受损以及中性粒细胞、嗜酸性粒细胞和巨噬细胞聚集。相比之下，MUC5AC 在健康气道中的表达较低，但在人体应对病毒感染时可表达上调，充当病毒受体的诱饵，在炎症反应中发挥重要作用［1］。

2 MUC5AC、MUC5B 在黏液阻塞性肺疾病发生发展中的作用机制

2.1 MUC5AC、MUC5B 在COPD 发生发展中的作用机制 COPD 是一种以气流持续受限为特征的气道阻塞性疾病，其发病机制主要包括气道炎症、氧化应激、蛋白酶/抗蛋白酶失衡、肺气肿和气道黏液分泌障碍［9］。黏液产生过多是COPD的主要标志，并与肺功能下降及临床预后不良相关［10］。MUC5AC 和MUC5B 是与COPD 发病相关的主要黏蛋白［11］。研究［11］发现，COPD 患者痰液MUC5AC、MUC5B 水平均升高，MUC5AC 与MUC5B 的比率增加，且这种增加同COPD 严重程度及FEV1 降低相关［1］。因此，黏蛋白成分的改变可能在COPD发病机制中起重要作用。传统研究认为COPD 的黏液表型是由MUC5AC驱动的，然而近年来的一系列研究表明，MUC5B 在COPD 的黏液表型中也发挥重要作用。MUC5B 是COPD 患者痰液中的主要聚合黏蛋白，对呼吸道先天免疫和MCC 至关重要。降低MUC5B 水平可能导致黏液阻塞气道、MCC 损伤和增加感染风险［12］。进一步研究证明，MUC5B 可以促进COPD 小鼠模型气道上皮细胞向杯状细胞分化、黏液产生以及炎症反应，并且MUC5B是通过干扰信号转导和转录激活因子6（Signal transducers and activators of transcription， STAT6）-上皮特异性ETS 转录因子（SAM pointed domain-containing ETS transcription factor，SPDEF）通路或巨噬细胞的功能发挥作用的，而叉头转录因子A2（FoxA2）在该通路中充当负调节剂。因此，推测MUC5B可能是治疗黏液分泌过多的新型靶点［13］。而黏液溶解剂在体外可以降低人弹性蛋白酶诱导的MUC5AC 表达，从而减轻细菌黏附并改善体内黏液清除［11］。此外，PRECIADO 等［14］发现香烟可以诱导MUC5B启动子激活和基因表达，并且这种激活至少部分是由NF-κB 介导的，因此我们推测这可能与香烟烟雾导致COPD 气道粘液分泌过多和气道炎症相关。

2.2 MUC5AC、MUC5B 在哮喘发生发展中的作用机制 哮喘的主要症状包括喘息、呼吸困难、胸闷和咳嗽，这些都是由气道平滑肌收缩、MCC 受损引起的。而气道上皮杯状细胞增生和化生则会导致MUC 储存和分泌发生变化，最终导致黏液阻塞气道，这是哮喘发生的重要病理生理特征［15］。MUC5AC和MUC5B作为气道分泌的主要黏蛋白，它们的组成变化影响着黏液的生理特性［16］。有研究表明哮喘患者MUC5AC 基因表达增加，且MUC5AC 和MUC5B 的比例发生变化。但目前关于MUC5B 的变化仍存在争议，KIRKHAM 等［17］研究发现哮喘患者痰液中MUC5AC 和MUC5B 蛋白水平均增加。而另一项研究［18］认为哮喘患者（包括急性发作患者）气道MUC5AC浓度增加，但MUC5B浓度是降低的。在哮喘患者队列研究中，MUC5AC与MUC5B比率增加与2型炎症反应（嗜酸性粒细胞＞2%）相关。

参与哮喘炎症反应的是2型免疫细胞，包括2型T 辅助细胞（Th2）和先天淋巴细胞（iLC2s），它们协调哮喘患者的气道发生重塑。这些细胞在过敏性炎症期间产生白细胞介素（interleukin， IL）-13，诱导气道上皮细胞mRNA 和miRNA 表达发生特征性变化［15］。LIU 等［19］研究证明哮喘大鼠气道中MUC5AC蛋白水平增加与气道炎症因子IL-1β 水平升高有关。由于MUC5AC 和MUC5B 的分泌是影响哮喘的重要因素之一，因此探索调控其表达的关键信号通路在靶向治疗支气管哮喘患者杯状细胞增多和黏液分泌过多中具有重要意义。IL-13 通过依次激活Janus 激酶1（Janus kinase 1， JAK1）、STAT6 增加人气道上皮细胞和小鼠哮喘模型中MUC5AC 的表达［20］；相反，IL-13 通过抑制FoxA2 信号传导途径负相调节MUC5AC［21］。而在移植的胚胎肺中进行的一项研究发现，Notch信号参与调节气道分泌细胞中MUC5AC的表达，Notch 配体数量增加或Notch1 受体持续活跃导致黏液细胞数量增多［22］。而阻断Notch3 信号后哮喘患者气道上皮细胞中MUC5AC 产生减少［23］。因此需要更多的研究来确定Notch 信号调节气道上皮细胞MUC5AC 表达的确切分子机制，为药物靶向治疗提供更多新思路。

2.3 MUC5AC、MUC5B 在CF 发生发展中的作用机制 CF 是由编码囊性纤维化跨膜传导调节因子（cystic fibrosis transmembrane conductance regulator，CFTR）基因突变引起的，CFTR 功能障碍主要会导致氯化物分泌减少和钠吸收增加，以及碳酸氢盐分泌减少导致的钙黏蛋白交联过多，气道中的黏液脱水，黏液变得更黏稠并降低了纤周层的高度，尤其是在感染因子或毒素侵入机体阶段。这些变化导致黏液清除效率降低，从而形成了感染、炎症和损伤的恶性循环，最终导致肺功能进行性恶化［24］。CF 患者的黏液具有以下特征：中性粒细胞浸润；铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌和曲霉菌等病原体易感；脱水凝胶基质将微生物固定，从而促进生物膜的形成，以及抑制中性粒细胞的运动，造成感染难以清除。因此在影像学上表现为支气管扩张；病理学表现为中性粒细胞为主炎症、黏液分泌细胞数量增加和气道纤维化；在临床上表现为咳嗽，脓性痰，咯血，呼吸困难，肺部反复感染以及肺功能迅速丧失［20］。

GRONEBERG 等［25］报道，CF 患者和健康对照组相比，MUC5AC和MUC5B免疫组织化学染色表现无明显差异，但CF患者主气道和支气管表面上皮杯状细胞增生部位MUC5AC 呈阳性。KIRKHAM 等［17］研究发现与健康对照组相比，CF 患者痰液中MUC5B蛋白表达增加。气道表面上皮MUC5AC 和黏膜下腺体MUC5B 表达增加导致黏蛋白分泌到呼吸道的速度增加，从而导致黏液栓形成、感染和炎症。进一步研究黏蛋白基因中遗传或表观遗传学变化或CFTR突变与黏蛋白变化之间的联系对CF管理和治疗、防止肺移植或死亡具有重要意义。

3 MUC5AC、MUC5B 在IPF 发生发展中的作用机制

IPF 是最常见的特发性间质性肺疾病，它被定义为一种原因不明、病变局限于肺部的特殊类型慢性纤维化性间质性肺炎，其特征为气体交换障碍、进行性呼吸困难和总体预后不良。肺纤维化的关键病理生理机制包括反复发生的特发性肺泡上皮损伤、不可控制的胶原沉积及MUC5B 过表达导致的黏液纤毛功能障碍、缺氧和宿主防御改变等。MUC5B 是控制气道和肺泡感染以及维持肺部免疫稳态所必需的成分：在博莱霉素诱导的肺损伤小鼠模型中，肺部MUC5B 表达会导致肺纤维化加重、黏液纤毛清除率降低并促进蜂窝囊肿形成［26］。蜂窝囊肿是IPF 患者肺部的一种含黏蛋白结构，MUC5B 是其中主要的凝胶形成黏蛋白，蜂窝囊肿的形成导致肺泡气体交换功能障碍［27］。黏液溶解剂可清除肺部的炎症细胞并减少胶原纤维的产生，因此恢复受损的MCC 有助于预防和治疗肺纤维化［28］。研究发现IPF患者MUC5B的表达比健康对照组高14.1 倍，并且它主要位于远端气道、呼吸道细支气管和蜂窝囊肿等IPF 病变部位［29］。有研究［30］报道，MUC5B 基因序列中含有50侧翼区的DNA 片段包含了几个用于结合转录因子的推定序列，例如NF-κB 和激活蛋白1（AP-1），它们可以与MUC5B 启动子结合并随后诱导MUC5B 表达，这两种转录因子都参与了肺损伤和纤维化期间T细胞细胞因子的产生，这可能在IPF的发病机制中发挥关键作用［27］。

遗传学也进一步证实了MUC5B 和IPF 的相关性。IPF最重要的遗传风险因素是位于11号染色体p 末端的MUC5B 启动子rs35705950 多态性，这种多态性见于38%的IPF患者及34%的家族性间质性肺炎患者［29］。CHEN 等［31］研究发现具有MUC5B 启动子rs35705950 多态性的IPF 患者，其内质网应激可以通过ERN2-XBP1S 途径上调MUC5B 表达。PELJTO 等［32］对2个独立IPF患者队列的生存率进行回顾性研究发现具有MUC5B 启动子rs35705950 多态性的 IPF 患者预后反而得到改善，生存率提高。因此，在未来的临床治疗试验中检测MUC5B多态性具有一定的临床价值。

目前关于MUC5AC 和IPF 关系的报道很少，且仍然存在争议，MUC5AC 参与黏膜损伤后的上皮伤口愈合以及细胞应激、损伤和修复途径的激活，这表明它可能在修复IPF 气道上皮失衡方面发挥了关键作用。MUC5AC启动子中NF-kB结合位点被确定为IL-1β 和IL-17A 调控MUC5AC 表达的关键部位，而这两种物质在IPF 患者的支气管肺泡灌洗液（BALF）中表达增加［27］。据报道，与IPF 疾病有关的细胞因子IL-9 也可以通过呼吸道上皮细胞中的JAK/STAT 通路激活MUC5AC［33］。中性粒细胞弹性蛋白酶是肺纤维化进展中的一个关键效应物，它通过增强mRNA 稳定性来增加MUC5A CmRNA 表达水平［27］。但是，LAURENT 等［34］研究发现，IPF 患者与对照组相比，肺损伤部位的杯状细胞中MUC5AC表达降低。而KANEKO 等［35］比较了IPF 和健康者BALF 中MUC5AC 的分泌，发现并无差异，但是该研究样本数太小，需要扩大样本量进一步验证其结论。

4 MUC5AC、MUC5B 在COVID-19 发生发展中的作用机制

COVID-19是由新型冠状病毒（2019-nCoV）引起的以肺部炎性病变为主的疾病。重度COVID-19 患者在初次感染后，呼吸道症状可能仍会持续数月，包括咳嗽和呼吸急促。黏液产生及其生理特性的改变可能是导致COVID-19 气道症状持续存在的原因。在部分COVID-19 患者中，气道黏蛋白MUC5AC 和MUC5B 表达异常，有学者推测黏蛋白变化使气道上皮容易发生损伤并影响肺泡气体交换功能。在小鼠模型中，呼吸机引起气道损伤使MUC5AC 表达增加，在该研究中，MUC5AC丰度的变化与气道阻塞和肺水肿有关。作者认为MUC5AC 是呼吸机损伤的驱动因素，因为缺乏MUC5AC 的小鼠肺水肿和炎症不太严重［36］。一项对COVID-19 患者气道上皮单细胞进行RNA 测序的研究［37］表明，Club 细胞中MUC5AC和MUC5B的转录丰度增加，并推测黏蛋白分泌增加可能会加重炎症反应并导致继发感染。肿瘤坏死因子（TNF）-α 可能在COVID-19 黏液产生中发挥关键作用。TNF-α可诱导一系列下游细胞因子并调节MUC5AC和MUC5B的表达。在小鼠模型中，给予2周TNF-α 可以增加气道MUC5AC 的表达。因此，TNF-α 通过直接或间接调节黏蛋白并导致COVID-19 黏液异常［4］。MUC5AC 可通过增强中性粒细胞的转运功能加重肺损伤进程。因此，通过控制炎症因子和降低MUC5AC 的表达有希望成为治疗急性肺损伤的靶点［38］。

综上所述。MUC5AC 及MUC5B 在黏液阻塞性肺疾病、IPF 及COVID-19 的发生发展中发挥重要作用。可以通过雾化吸入高渗盐溶液进行水合作用或者通过脱氧酶α降低黏液的黏度和弹性。病理性气道黏液的靶向治疗不仅可以改善患者咳嗽和呼吸困难的症状，还可以减少与疾病相关的急性发作频率并减缓疾病进展。虽然目前对MUC5AC 和MUC5B调节机制、信号通路以及各种气道疾病关系的研究有了很大进步，但许多重要问题仍有待解决。了解黏蛋白及其基因表达如何在正常气道上皮细胞中进行功能调节，以及影响基因调节的遗传背景和环境因素同疾病的关系，以及如何控制黏蛋白的产生或者防止其生产过剩仍然是一项重大挑战。