巨噬细胞迁移抑制因子的功能及其相关信号通路研究进展

巨噬细胞迁移抑制因子的功能及其相关信号通路研究进展 巨噬细胞迁移抑制因子的功能及其相关信 号通路研究进展 赵然，姚伟娟 (北京大学医学部基础医学院生理与病理生理学系，北京 100191) 5 摘要:巨噬细胞迁移抑制因子(MIF)是一类具有独特结构的多效免疫调节细胞因子，具有 类似趋化因子的功能。自 1966 年被发现以来，MIF 在人体内的功能，尤其是在非特异性免 疫、免疫细胞招募和炎症反应等方面有了突飞猛进的发展。虽然名字被称为巨噬细胞抑制 因子，但其实 MIF 还具有促炎症反应，促进细胞定向迁移，拮抗糖皮质激素，抑制细胞凋 亡，促进其他促炎因子释放等功能。本文就 MIF 的分子通路和功能方面的研究进展进行综 10 述。 关键词:巨噬细胞迁移抑制因子;分子通路;功能 中图分类号:Q291 15 The Functions and Signaling Pathways of Macrophage Migration Inhibitory Factor Zhao Ran, Yao Weijuan (Department of Physiology and Pathophysiology, School of Basic Medical Sciences, Peking University Health Science Center, Beijing 100191) Abstract: Macrophage migration inhibitory factor (MIF) is a pleiotropic immunoregulator which 20 has a unique structure and a chemokine-like function. Since it was dicovered in 1966, the functions of MIF have been indicated, such as non specific immunity, the inflammatory cell recruitment, and reaction to inflammatory. Despite its eponymic activity, MIF also has a proinflammatory function and promotes the directed migration and recruitment of leukocytes into infectious and inflammatory sites; it also has functions such as anti-glucocorticoids, anti-apoptosis, 25 and promoting the release of other cytokines. In this review, we will discuss the molecular pathways and functions mediated by MIF. Keywords: Macrophage migration inhibitory factor; Singaling pathway; Function 0 引言 30 巨噬细胞迁移抑制因子(Macrophage migration inhibitory factor, MIF)是第一个被发现 的具有多效炎性介质功能的细胞因子，同时也是重要的内分泌激素，具有变位酶和氧化还原 酶两大酶活性[1-6]。MIF 预先合成储存于胞质中，可由免疫细胞如单核/巨噬细胞、B 细胞、 T 细胞，以及非免疫细胞如内皮细胞、上皮细胞、内分泌细胞、血管平滑肌细胞等合成[4, 7]; 甚至在下丘脑-垂体-肾上腺皮质轴中都有储存，以便在信号刺激时快速释放[2]。MIF 的产生 35 释放受多种因素调节，包括细菌代谢产物、增殖信号、低氧、其他炎性因子(如 IFN-γ、TNF-α、 糖皮质激素等)[8, 9 10-12]。MIF 无论是在胞内或者胞外都具有相应的功能[13]。MIF 在正常情 况下血清浓度为 2~10ng/ml，且有昼夜波动现象[5]。MIF 具有独特的分子结构，与其他促炎 因子有很大不同，仅在拓扑结构上与 D-多巴胺变位酶同源。MIF 的功能性分子为同源三聚 体，其单体为 12.5kDa，具有 2 个 α 螺旋和 6 个 β 折叠[4, 6]。在 MIF 单体中，氨基酸片段 50-68 40 与 86-102 最为重要，二者都属于 β 折叠区，其中第 57-60 位氨基酸为氧化还原活性中心位 基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(20090001120041);国家自然基金(81000053);国 家基础科学人才培养基金(J1030831/J0108) 作者简介:赵然，(1990-)，男，临床专业八年制学生，临床医学。 通信联系人:姚伟娟，(1975-)，女，副教授，生物力学和心血管生理学。E-mail: weijuanyao@bjmu.edu.cn -1- 点[4]。当上述两个 MIF 片段突变或被特异性受体阻断时，相应的 MIF 酶活性降低，其诱导 炎性因子释放的能力下降。 1 MIF 介导的信号通路 45 MIF 作为多功能的趋化因子，其可在胞内和胞外发挥相应的功能。因此，MIF 既可作为 信号分子作用于其他细胞，又可通过自分泌和旁分泌的形式进行自体调节和微环境调节[14]。 MIF 通过与 CXC 家族、CD74 等受体结合，通过与 AKT、AMPK、ERK 等受体通路介导， 发挥相应的作用。 MIF 的相关受体1.1 与 MIF 相关的受体分子有 CXC 趋化因子受体家族的 CXCR2、CXCR4 和 CXCR7，以 50 及 CD74 和 CD44[15, 16]。这些受体并不是孤立的，而是以受体复合物的形式结合 MIF，传递 信号。受体复合物包括 CXCR2/CD47 复合物，CXCR4/CD47 复合物[3, 15]。CD74 是在 MHCII 型抗原传递蛋白中起固定抗原肽作用的跨膜糖蛋白[17]，其无胞内活性部分，需与 CD44 构成 复合物才能完成信号的转导;CD44 无磷酸酶活性，MIF 与 CD74/CD44 复合物结合后，使 55 [18]。 得其丝氨酸磷酸化，激活 Src 酪氨酸激酶通路，介导信号传递 T 细胞表面主要表 不同的细胞系表达受体类型不同。单核细胞表面主要表达 CXCR2， 达 CXCR4，白细胞表面主要表达 CXCR2 和 CXCR4。以上的这些受体均是 G 蛋白偶联受体。 胞外的 MIF 只有在 CXCR2 存在的情况下，才能完成对白细胞的招募。MIF 具有伪 LR 结构， 因此可模拟 ELR 结构来代替相应 CXCLs 的功能，与 CXCR2 受体结合[15]。研究证实，CXCR2 可介导 MIF 的炎性趋化作用，以及动脉粥样硬化等疾病发生。CXCR4 与 AKT 信号通路相 60 关[15]。 MIF 通过受体介导的信号传导不仅与质膜型受体(plasma membrane receptor)有关，而 且最新研究表明与内吞型受体(endocytosis of the ligated receptor)也有很大关系[19]。在三种 主要的内吞型受体中，与 MIF 相关的属于网格蛋白依赖型受体，与 LDL 胞吞机制有相似之 处。MIF 与细胞表面 CXCR4/CD74 受体结合后，通过胞吞作用进入细胞，形成信号传导型 65 胞内体，可参与信号传导。这一途径在单核细胞、T 细胞等细胞系均有发现。这一胞内体途 径与 PI3/AKT 信号通路有很大关系。当然，关于 AKT 通路的受体信号传导途径与具体细胞 系有关[19]。同时，ROS 相关基因也与 MIF 内吞相关，Th1 相关细胞因子如 IFN-γ、TNF-α、 IL-12 等可促进 MIF 内吞，Th2 相关细胞因子如 IL-4、IL-10 可阻止 MIF 内吞[20]。 上述这些受体信号通路为经典通路。更多的研究显示，在无 CXCR2/4 表达或 CD74 缺 70 失的情况下，MIF 的信号传递功能将相应降低或中断。但在横纹肌肉瘤细胞系(RMS)中， 无 CXCR2 和 CD74 的表达，但 MIF 仍能通过 CXCR4 和 CXCR7 介导信号传递，调节细胞 对其他趋化因子的反应性及细胞增殖与血管新生[21]。同样，在无 CD74 表达的早幼粒细胞时 期 MIF 也可以发挥功能[3]。这些情况都有待于进一步的研究。 75 与 MIF 相关的信号分子通路 1.2 与 MIF 相关的信号分子包括 Jab1/JNK 通路，PI3K 通路，Akt，p53，ERK1/2 等，下面 将针对这些分子做详细阐述。 1.2.1 Jab1 Jab1 是一可溶性胞浆蛋白，是 CSN 的亚单位，在 N-末端含有 MPN 结构域，MIF 与 -2- MPN 结构域相结合[14]。Jab1 存在与胞浆内和核内。MIF 与 Jab1 两者的影响是相互的。细胞 80 自分泌或通过 CD74 受体胞吞摄入细胞体的 MIF 与胞内的 Jab1 直接结合，对 Jab1 有反向调 节的作用，可抑制 Jab1 对 JNK、AP-1 等的磷酸化[19, 22]。Jab1 可与核内 p27 结合，诱导 p27 出核，促进 p27 降解;MIF 可阻止 Jab1 与 p27 的结合，导致 p27 的聚集，使细胞处于 G1 24] 期[23, 。Jab1 与 MIF 的结合导致 MIF 的移位与内在化，反馈抑制胞内 MIF 的合成。Jab1 85 也可抑制 MIF 对 Akt 通路的活化作用[14]。Jab1 对多条信号通路都有调控作用，其可以调控 β2 整合素信号通路[18, 26]、MAPK 信号通路以及 JNK 信号通路[14, 25]。 1.2.2 JNK JNK 是 MAPK 家族成员，属于丝/苏氨酸蛋白激酶蛋白激酶，能结合 c-Jun 的氨基末端 并激活 c-Jun。c-Jun 和 c-Fos 共同组成 AP-1。AP-1 是细胞核内重要的转录因子，通过 MAPK 90 信号传导通路活化。AP-1 可调控细胞生长转化、上调炎性因子，调控癌细胞迁移等。MIF [22, 27-29]。 对 JNK 既有抑制作用又有促进作用，这一效果取决于细胞的类型 Jab1 可使 JNK 磷酸化，进而激活 AP-1。MIF 与 Jab1 的结合可反向调节 Jab1 的作用， 抑制其对 JNK 与 AP-1 的作用，且呈剂量依赖性[14]。AP-1 的下调会导致多种信号分子如 Bcl-2、p53 等的表达量下调。在缺氧情况下，心肌细胞通过这一通路下调 JNK 通路活性， 进而下调 bcl-2 的表达，从而阻止心肌细胞凋亡，保护受损心肌[30]。Bcl-2 的下调可使得 BAD 95 等细胞凋亡蛋白下降，从而抑制细胞凋亡，这一效果在癌症的发生发展中也有重要作用。同 时，存在 MIF 通过 CD74 受体活化 JNK 的通路:在 T 细胞中 MIF 与细胞表面的 CXCR4/CD74 受体结合，通过 Src 酪氨酸激酶活化，使得 JNK 上游分子 PI3K 激活，进而使得 JNK/c-Jun/AP-1 通路有一个快速、短暂的激活。这一反应使得下游的信号分子相应调整，如 IL-8 表达上调 等 31。 100 1.2.3 ERK1/2 MIF 通过 CD74/CD44 介导上调 ERK1/2 通路的表达，这一通路主要由 G 蛋白偶联受体 介导 Ras-Raf-MAP K,ERK kinase-ERK 途径传导，也可经由酪氨酸激酶传导通路。Ras 通 路是连接 MIF 受体与 Ets-1，Ap-1，和 c-Myc 的信号通路[25]。胞外的 MIF 也可通过内吞进 105 [32]。MIF 对 ERK1/2 的激活有持续激活和快速短暂 入，与胞浆内的 MLCK 结合以发挥作用 激活两种不同的机制。在持续激活通路中， Jab1 的过表达会抑制 MIF 的活性，阻碍 ERK 的磷酸化[25]。同时，PI3K 的抑制剂也可以抑制 MIF 对 ERK1/2 的活化。相关研究表明，血 清中过高 MIF 会阻碍这一通路的表达，而内分泌型 MIF 会诱导该通路的持续活化[25]。 ERK 信号分子的上调可促进 cox-2、PGs、p53、MSK 等一系列分子水平的提高。在脊 髓小神经细胞系中，MIF 通过这一通路促进 PGE2 的表达上调，从而诱导 cox-2 的表达，这 110 在炎症反应中有重要作用[33]。同时，cox-2 可抑制 p53 在细胞内的聚集，从而抑制细胞凋亡。 这在自身免疫病与癌症发生中有重要作用。ERK1/2 通路还含有促进血管新生的作用[34]。通 过对 IL-8 及 MSK1 和 RSK1 等下游因子的释放，来调节细胞活性[35]。通过对 PLA2 的调节 来调控细胞增殖[36]。 在短暂快速激活通路中，胞核内 Elk-1 转录因子的表达量明显上调。血清中 MIF 的量对 115 ERK 的激活量效关系呈钟形，且受温度、pH 等的影响。当给予短暂胞外 MIF 处理后，胞内 ERK 通路会快速激活，这在持续激活通路中是不曾见到的。微量 Jab1 对 ERK1/2 的上调是 必须的[25]。相关实验证实在短暂快速通路中 MIF 通过酪氨酸激酶传递信号，可使 MEK1/2 磷酸化，且应用其上游激酶 Raf-1 的拮抗剂并不能完全阻断这一通路，存在 MEK1/2 上 -3- 游的其他激酶参与了这一通路的发生。 120 1.2.4 PI3K/Akt MIF 通过与 CD74 受体的结合使得 Src 酪氨酸激酶磷酸化，从而激活 PI3K;PIP3 表达 量上调，招募丝/苏氨酸激酶 Akt 于细胞膜，并磷酸化。无论是胞内还是胞外的 MIF 均可调 控 Akt 的表达，Akt 受质膜型受体或内吞型受体传导信号，具体情况要依据细胞系而定[14, 19]。 125 Akt 通路与 MIF 的抗细胞凋亡以及血管新生等作用相关。PI3K 可促进 IL-8、ICAM-1、VCAM-1 等细胞因子的释放，从而促进血管新生;同时，ICAM-1 与炎性细胞的粘附与动脉粥样硬化 37] 的发生也有很大关系[34, 。Akt 可使 BAD 蛋白磷酸化，从而使其不能阻止 Bcl-2 和 Bcl-xL 抗凋亡的功能。同时 Akt 通路的激活还可以抑制 caspase-3 的活化，抑制细胞凋亡[34]。这在 癌症的发生以及治疗中有很大的提示作用。 其他分子 130 1.2.5 MIF 可上调 TLR-4 的表达。MIF 可通过作用于一种转录因子 ETS 家族成员 PU(1 来激 活 TLR-4 的基因，其可编码与 LPS 结合的受体复合物。TLR-4 具有信号传导功能，有类似 NF-κB 的活性，可引起巨噬细胞活化、增生、释放炎症因子，因此其在固有免疫中有重要作 用[38-40]。MIF 可上调基质金属蛋白酶(MMPs)的功能，这一调控机制是通过 MEK1/2-JNK 135 (AP-1)-MMPs 通路进行，而不是经由 MMPs 活化经典通路。该功能与癌细胞浸润，粥样 硬化斑块不稳定，以及自身免疫疾病有重要关系。 MIF 与 p53 的关系是非常复杂的，要依据细胞的特性而定。Jab-1 可与 p53 结合，诱导 [41];同时，MIF 也可诱导 NO p53 进入细胞质中降解，MIF 与 Jab-1 的结合可抑制 p53 降解 的产生，从而促进 p53 的产生，促进细胞凋亡。但是，MIF 也有阻碍 p53 产生，促进其降解 的效果。MIF 的第 81 位半胱氨酸可与 p53 结合，介导 p53 降解[42];同时，MIF 也可通过对 140 cox-2 的调控抑制 p53 聚集。p53 也可抑制 MIF 的功能。 MIF 与 NF-κB 可以形成正性环路。许多炎性因子如 TNF-α、IL-1β、oxLDL 等可经由次 通路促进 MIF 的释放[43-46]。MIF 通过 CD74/CD44 受体介导，经由 Akt 通路激活 NF-κB 的 释放 47。NF-κB 可调节多种炎性因子的表达量，其可诱导 IL-1β、IL-8 生成，保证 B 细胞存 活等[47, 48]。同时 MIF 也连接了 NF-κB 与 p53 之间的关系，在细胞衰老与炎症反应中有重要 145 作用。 由以上研究可以看出，MIF 与各通路间的关系并不是孤立的，而是以调节网络的形式存 在。MIF 对单一的信号分子的调控也要依据不同的细胞系而定。目前，MIF 的机制研究还未 完全清楚，需要进一步的探索证明。 2 MIF 的功能 150 MIF 作为炎性趋化因子，在许多疾病如传染性疾病(如败血症)、自身免疫病、癌症、 代谢性疾病(如动脉粥样硬化)、伤口愈合中都有非常重要的作用，因此可作为这些疾病的 生物标记物或据此靶点研究新的治疗[5]。同时，MIF 也是重要的内分泌激素，具有调节 血糖、调控糖皮质激素(GCs)的功能[5, 49]。本节将对 MIF 的基本功能作详细介绍。 与激素的相互作用 155 2.1 GCs 在人体具有免疫抑制的作用，好处是可以增强人体各器官对紧张、炎性刺激的容许 作用;坏处是降低人体免疫力，抑制蛋白质合成等一系列问题，浓度过高可导致库欣式综合 -4- 症。MIF 与 GCs 间的作用是相互的。虽然 GC 对免疫细胞中其他炎性因子具有抑制作用， 但是其对 MIF 的释放的促进作用要大于拮抗作用;相反 MIF 对 GCs 具有拮抗作用，调节 160 [50]。MIF 可在紧张以及生理条件下伴随 GCs 而释放，且每日 MIF 与 GCs 浓度使其不致过高 GCs 在体内的浓度曲线有很好的契合度。生理浓度的 GCs 可刺激 MIF 的释放，但是高浓度 的 GCs 可抑制 MIF 释放。MIF 通过与 CD74/CD44 受体结合，从而介导 MAPK 受体通路， 通过对磷脂酶 A2 及花生四烯酸的调节，从而拮抗 GCs 作用。虽然 MIF 与 GCs 在免疫功能 上是拮抗关系，但是二者的精确调整也维持了免疫的平衡[13]。虽然 MIF 与 GCs 有重要关系， 但是在库欣式综合症患者及胰岛素过高引起的低血糖患者中，MIF 的表达量并没有提高，这 165 个问题还有待于研究。 MIF 可调节胰岛素的释放以及糖代谢。MIF 可由胰岛 β 细胞合成，其与胰岛素在共同的 释放颗粒中释放入血，并且有自分泌和旁分泌激素功能[51]。当局部环境葡萄糖水平过高时， 可促进 MIF 的释放，从而促进胰岛素释放，降低血糖和 MIF 的含量。MIF 可促进骨骼肌、 心肌对葡萄糖的摄取和利用。在分子水平上，MIF 上调葡萄糖转运体 4 和磷酸果糖激酶 2 170 的浓度;同时其可通过上调 TNF-α 促进糖酵解，这一效果在应激情况下更明显[52-54]。在全 身炎性反应导致的血糖改变现象中，MIF 与胰岛素受体 1 和 Akt 通路有关[53]。 促炎性作用 2.2 MIF 是多功能促炎性因子，同时其可调节固有免疫与特异性免疫。MIF 可促进巨噬细胞 175 [51]。MIF 通过多种途径完成炎症细胞的招募:通过上调 的活化，从而形成正性反馈环路 VCMA-1 与 ICAM-1 的量促进白细胞与血管内皮粘附;通过与 CXCR2/4 受体结合，从而促 进炎性部位对白细胞的招募;通过促进单核细胞趋药蛋白-1(MCP-1)的表达[3, 37, 55]。同时， MIF 通过促进 cox-2、抑制 p53 通路从而阻止巨噬细胞因激活导致的凋亡，维持炎性反应[56]。 MIF 的促炎性功能可由 TLR4 调节，其可促进 IL-6、IL-1β、TNF-α 等一系列炎性因子的释 放，并经由 MAPK 通路激活致炎相关基因的转录因子，同时拮抗抗炎物质的作用(如糖皮 180 质激素)[11]。 3 结论 随着对 MIF 研究的日渐深入，对其功能的了解也有了进一步的发展，这大大促进了与 其相关疾病的了解，也为新靶点的治疗奠定了基础。目前针对 MIF 的功能已经有了部分临 床的应用，如作为相关疾病的诊断标志物，及作为相关疾病的治疗靶点。但是对于 MIF 的 185 研究还没有完全清楚，其应用范围还有进一步的扩大空间，有待于我们进一步的研究。 [参考文献] (References) [1] David JR. 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