Sema3A在风湿免疫性疾病中的研究进展

郭克磊, 李颖利, 韩 立, 卞 华

(1.南阳理工学院张仲景国医国药学院 河南 南阳 473004;2.南阳理工学院河南省张仲景方药与免疫调节重点实验室 河南 南阳 473004)

风湿免疫性疾病是一组以全身炎症反应为特征的疾病,免疫系统调节功能障碍引起自身免疫,炎症因子的过多产生可累及血管系统,几乎可导致广泛的组织和器官损伤或出现功能异常[1]。常见的风湿免疫性疾病包括系统性红斑狼疮(Systemic lupus erythematosus,SLE)、类风湿关节炎(Rheumatoid arthritis,RA)、系统性硬化症(Systemic sclerosis,SSc)、多发性硬化症(Multiple sclerosis,MS)及强直性脊柱炎(Ankylosing spondylitis,AS)等。目前,风湿免疫性疾病的发病机制还不明确,其治疗也无特效药物。

信号素(Semaphorin,Sema)家族是由神经系统发育过程中被称为轴突导向分子的大量分泌或膜结合蛋白质组成,其还在免疫调节、血管生成、骨重塑、细胞凋亡、细胞迁移和侵袭等诸多过程中发挥作用。Sema3A是Sema家族的一个分泌成员,大量研究证实其通过参与调节免疫和血管生成等过程,影响风湿免疫性疾病的发病机制,在风湿免疫性疾病的发生、发展中发挥调节因子的作用[2]。因此,本文就 Sema3A的结构、功能及Sema3A在风湿免疫性疾病中的作用进行综述,为风湿免疫性疾病的诊断、治疗及药物开发提供新的思路。

1 Sema3A 的结构、受体及功能

Sema3A最初命名为collapsin,是信号素3家族的一个分泌成员,含有771个氨基酸,其结构包括信号素结构域、丛状蛋白-信号素-整合素结构域、免疫球蛋白样结构域及C-末端,其中N-端信号素结构域是Sema家族成员共有的保守胞外结构域,包含约500个氨基酸,可与不同的受体结合,发挥不同的生物学功能[3]。Sema3A的受体主要包括神经肽1 (Neuropilin 1,NRP1)和丛状蛋白A(Plexin A)家族的成员,两者都是跨膜蛋白,具有胞外结构域,能够与信号素结构域相互作用,是Sema3A参与信号转导的重要组成部分[3]。

NRP1的胞外结构域包含两个补体结合结构域,两个凝血因子同源结构域和1个Meprin, A5, Mu结构域,而细胞质结构域长约40个氨基酸,并包含代表PDZ结合模块的C端3个氨基酸(S-E-A)序列。NRP1除了能够与Sema3A结合外,还可与PlexinA1及VEGF结合,参与血管生成信号的转导。NRP1与PlexinA1形成稳定的复合物,单独的PlexinA1不能结合Sema3A,但是NRP1/PlexinA1复合物与Sema3A的结合具有高亲和性,Sema3A高亲和力结合NRP1协助Sema3A结合PlexinA1并激活PlexinA1向下游传递信号[4]。NRP1也在内皮细胞和肿瘤细胞上表达,作为血管内皮生长因子(VEGF)的共受体,增强促血管生成活性,但在细胞表面NRP1与VEGF-A的结合被Sema3A竞争性结合,因此Sema3A通过与NRP1竞争性结合抑制VEGF的结合抑制血管生成[5]。

PlexinA1 与Sema3A显示出高度的结构同源性特征,PlexinA1胞外区N端包括信号素结构域、3个PSI结构域以及丛蛋白和转录因子共享的6个Ig结构域,胞内区包含两个GTPase激活蛋白结构域。PlexinA1直接与膜依赖型Sema3A结合,在信号转导中发挥作用,而分泌型Sema3A需与NRP1及PlexinA1形成复合物才能进一步介导信号传导[2]。

Sema3A分布广泛,在骨、癌细胞、结缔组织、心脏、肾、神经元、软骨、牙齿及免疫细胞等组织均有表达,尤其是在神经系统中表达较高,参与调控多种生物过程。Sema3A可在神经系统发育过程促进轴突分支和生长、突触形成及神经元迁移等,在骨重建中调节成骨和成骨细胞生成、抑制骨吸收和增强骨形成等,在免疫反应中抑制T细胞、B细胞等免疫细胞的增殖,促进炎性细胞因子的产生,引起自身免疫及维持免疫耐受等,在心血管系统中调节内皮细胞生长发育抑制血管生成、血管形成、心脏形成和淋巴管发育等,在肿瘤中发挥抗血管生成的作用而影响肿瘤细胞的生长、运动和转移等[6]。

2 Sema3A与风湿免疫性疾病

2.1 系统性红斑狼疮(SLE)

SLE是一种累及多器官或系统的自身免疫性炎症性疾病,主要临床表现为皮疹、肾脏疾病、关节炎、血液系统异常、免疫异常等,肾脏的长期器官损伤导致其高发病率和死亡率。研究发现SLE患者血清和外周血B细胞中Sema3A和NRP1表达均低于正常人,SLE患者循环Sema3A水平与疾病活动度和血液损伤显著负相关,与血小板减少呈明显正相关,而血小板减少是SLE血液系统损害中最常见的表现,且Sema3A受试者工作特征(receiver operating characteristic,ROC)曲线下面积分析显示Sema3A对SLE诊断敏感性较高,因此,Sema3A有望成为诊断SLE的潜在标志物[7-10]。狼疮肾小球肾炎(lupus glomerulonephritis,LGN)患者肾小管中高表达Sema3A,尿液中Sema3A排泄量显著降低,LGN患者尿液Sema3A水平低于无肾炎患者,且尿液中Sema3A 排泄量与蛋白尿及SLE疾病活动呈负相关,结果表明SLE患者尿液Sema3A水平可作为评估疾病活动和肾脏受累的生物标志物[11-12]。上述结果表明Sema3A在SLE患者血液及尿液中水平均降低,Sema3A可作为SLE潜在的诊断标志物。Jacob等[13]将NZB/W狼疮鼠分为预防组和治疗组,分别在蛋白尿出现前后注射Sema3A重组蛋白及空载体,与注射空载体对照鼠相比,预防性注射Sema3A组小鼠保持无蛋白尿的时间明显延长,治疗性注射Sema3A组小鼠严重蛋白尿的恶化情况被显著延迟,两组小鼠的肾小球和肾小管损伤得到显著保护,IgG和C3免疫复合物在肾小球中的沉积明显减少,治疗组小鼠的存活率明显升高。上述结果表明Sema3A可作为SLE潜在的诊断标志物及药物防治靶点。

2.2 类风湿关节炎(RA)

RA是一种影响关节的慢性自身免疫性疾病,其特征是滑膜组织中的慢性炎症细胞浸润和血管翳形成,导致关节软骨和骨骼的破坏,在RA关节中,各种炎症细胞通过各种细胞因子和趋化因子以及细胞间接触而被激活。Catalano等[14]研究发现RA患者CD4+T细胞低表达Sema3A,而NRP1及PlexinA1表达增加,同时RA患者PBMC中CD4+NRP1+ T细胞明显增多,IL-10分泌升高;随后研究了Sema3A在胶原诱导的RA动物模型 (CIA)中的预防和治疗效果,发现预防性注射Sema3A可显著降低RA发病率、疾病严重程度和关节炎症,Sema3A治疗降低了II型胶原抗体水平并抑制促炎细胞因子IFN-γ和IL-17的释放,增加血清IL-10的浓度。Tang等[15]研究早期RA患者滑膜组织、成纤维细胞样滑膜(FLS)细胞中Sema3A/NRP1 /PlexinA1表达水平,发现Sema3A及NRP1水平明显下调,PlexinA1表达无变化,Sema3A蛋白处理FLS细胞后通过NRP1 /PlexinA1轴促进FLS迁移和侵袭能力。Hong等[16]研究发现Sema3A促进RA-FLS细胞凋亡,抑制VEGF165诱导的FLS细胞迁移和侵袭。Gao等[17]研究发现与150例健康对照和215例其他风湿性疾病患者相比,130例RA患者血清Sema3A水平明显升高,血清及PBMC中Sema3A mRNA表达升高,NRP1表达减弱,血清Sema3A水平与炎症因子及骨损伤呈正相关,并与自身抗体产生和骨破坏有关。

吴晶金等[18]检测CIA小鼠模型滑膜组织,发现温阳通络方可明显升高Sema3A、PlexinA、NRP1蛋白及mRNA表达水平,同时可抑制滑膜细胞增殖,促进细胞凋亡,表明温阳通络方可能通过上调Sema3A/NRP1/PlexinA的表达治疗RA。Teng等[19]研究发现,RA血清和滑膜液中Sema3A水平显著低于骨关节炎患者,且Sema3A水平与RA严重程度呈负相关;Sema3A还可促进M1巨噬细胞向M2表型转变,抑制VEGF165诱导的内皮细胞增殖、迁移和激活,抑制 FLS细胞侵袭和促进凋亡;Sema3A给药延缓了RA小鼠模型破骨细胞的形成,减轻了关节组织损伤和关节炎的严重程度,延迟了RA的发展。上述结果表明Sema3A及其受体NRP1可能是RA潜在的一个诊断性标志物,也可能是一种新的关节炎预防和治疗靶点。

2.3 多发性硬化症(MS)

MS是由自身反应性T细胞介导的中枢神经系统(CNS)自身免疫性疾病,以炎症、脱髓鞘、轴索紊乱和神经退行性病变为特征,常累及大脑、小脑白质、脊髓和视神经。Costa等[20]研究44例MS脱髓鞘病变患者和10例非神经系统对照患者,发现在MS损伤的白质中小胶质细胞/巨噬细胞检测到Sema3A和NRP1,而在神经元、反应性星形胶质细胞仅表达Sema3A,Sema3A及NRP1的表达升高与MS病灶的炎症活动程度及斑块形成相关,表明Sema3A通过导致组织再生受损和调节免疫反应在MS发病中具有重要作用。Rezaeepoor等[21]研究发现15例MS患者复发期外周血及PBMC中Sema3A水平显著低于15例健康对照者,缓解期Sema3A水平轻微升高但差异无统计学意义,结果表明Sema3A水平可用作区分MS患者复发和缓解期以及区分MS患者与正常受试者的诊断指标。Shapoori等[22]研究发现与健康对照组相比,MS患者未治疗组的Sema3A及NRP1基因表达显著降低,而与未接受治疗患者相比,所有接受治疗患者的Sema3A和NRP1显著增加,表明Sema3A/ NRP1在MS患者的治疗中发挥关键作用。而Jacob等[23]对160例MS患者和70例健康对照者的横断面研究结果显示,女性血浆中高水平的Sema3A与MS风险及EDSS高评分相关,提示Sema3A可以作为MS进展的生物标志物。

Gutiérrez-Franco等[24]研究发现在实验性自身免疫性脑脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis,EAE) MS小鼠模型免疫系统中Sema3A及其受体NRP1、PlxinA1的表达水平比对照小鼠低,而在CNS中三者的表达水平显著增高,表明Sema3A参与MS的发病机制、免疫反应的调节及CNS神经退行性过程。Binamé等[25]研究发现在MS患者及鼠模型脑组织中,少突胶质细胞高表达PlexinA1;使用RNAi或多肽拮抗剂MTP-PlexA1降低PlexinA1表达后可抵消Sema3A对少突胶质细胞迁移和分化的抑制作用;MTPPlexA1在体外促进少突胶质细胞分化,在铜宗诱导的脱髓鞘及EAE模型减少NRP1/PlexinA1二聚体的数量,破坏Plexin-A1信号传导,恢复胼胝体中的脱髓鞘含量,表明MTP-PlexA1多肽具有保护髓鞘的作用,可作为MS治疗的候选药物。上述结果表明Sema3A/Nrp1/PlexinA1信号轴参与了MS的发病机制,Sema3A可成为MS诊断和治疗的靶标。但不同的研究发现Sema3A/Nrp1在MS患者中的表达水平相互矛盾,可能是由于Sema3A/Nrp1的双重作用及多效性,或者研究的细胞类型、器官/系统以及生理与病理条件不同导致的。

2.4 系统性硬化症(SSc)

SSc是一结缔组织疾病,其特征是广泛的血管损伤、免疫功能障碍及皮肤和内脏等器官的进行性纤维化,SSc死亡率高,且预后较差。Rimar等[26]对27名SSc病人和28名健康对照者进行研究,发现Sema3A在SSc患者血清和Treg细胞的表达水平低于正常对照,血清较低Sema3A水平与病程呈负相关,与SCL-70抗体阳性相关,结果表明SSc患者血清和Treg细胞低,Sema3A表达可能是减弱了Treg的激活导致免疫调节功能受损。另一项研究发现血清Sema3A水平显著高于正常对照组,同时NRP1的水平也显著升高,Sema3A和NRP1可能参与了神经血管机制的改变导致SSc血管生成失调[27]。Romano等[28]分析了49例SSc患者和39例健康对照的血清、皮肤及皮肤微血管内皮细胞,发现SSc患者血清及皮肤组织Sema3A水平与正常对照组相比无明显变化,但NRP1的表达显著降低,血管内皮细胞沉默NRP1可显著抑制血管生成能力,结果表明NRP1缺乏可能是导致SSc外周微血管病变和血管生成缺陷的关键因素。上述研究结果发现Sema3A水平在SSc患者存在差异表达,可能是由于疾病异质性或分析的患者数量少等原因造成的,但也说明了Sema3A信号参与SSc免疫紊乱及血管损伤的进程,在SSc的发生发展中发挥重要作用,Sema3A有望成为SSc的治疗靶点, Sema3A在SSc中的具体作用机制还需深入研究。

2.5 强直性脊柱炎(AS)

AS是血清阴性脊柱关节炎(SpA)的原型,是一种慢性自身炎症性风湿性疾病,以骶髂关节炎、炎性背痛、外周关节炎、附着点炎和前葡萄膜炎为特征。Perrotta等[29]评估40名AS患者及20名健康受试者发现血清Sema3A水平无明显差异,与放射学损伤指数无关联,但与ESR值及评估疾病活动度的VAS评分呈正相关,AS患者治疗4个月后Sema3A血清水平仍然没有差异。Liao等[30]测量了46名AS患者和30名健康对照血清Sema3A水平,AS患者Sema3A水平高于健康对照,血清Sema3A水平与Schöber试验负相关,与葡萄膜炎及间质性肺病之间存在正相关,ROC曲线下面积表明Sema3A水平高于2 ng/mL的情况下,其可作为比ESR或CRP更好的监测AS患者疾病活动和炎症程度的预测指标,在接受抗肿瘤坏死因子治疗3个月的AS患者表现出Sema3A变化与疾病活动度波动呈正相关。上述研究结果存在不一致的情况可能与患者数量、横断面研究类型及放射学指标等有关,但也表明Sema3A在AS异常骨重塑、高活性感觉神经支配降低痛阈及免疫调节的发病机制中具有重要作用,血清Sema3A水平是否可以作为监测炎症活动的生物标志物或作为AS患者关节外受累的预后预测因子仍需进一步研究。

3 总结

近年来,Sema3A已被证实在免疫反应的所有阶段都能够起到有效的调节作用。虽然Sema3A参与了大多数风湿免疫性疾病的发病机制,在风湿免疫性疾病的作用方面取得了巨大进展,但其在风湿免疫性疾病发生发展中的作用机制还未完全阐明,还需进一步研究。随着研究的广泛深入,Sema3A有望成为新的风湿免疫性疾病诊断生物标志物和治疗靶点,但还缺乏充足的证据,仍需大量基础和临床研究去证实。