氨酸2,3-双加氧酶调控炎症免疫反应在疾病中的作用

氨酸2,3 双加氧酶调控炎症
免疫反应在疾病中的作用
李素素 常 艳△ 魏 伟△
(安徽医科大学临床药理研究所,抗炎免疫药物教育部重点实验室,
抗炎免疫药物安徽省协同创新中心,合肥230032)
摘要 犬尿氨酸代谢通路(kynureninepathway,KP)是氨酸代谢的主要途径,参与机体多个病理生理过程。氨酸2,3 双加氧酶(tryptophan2,3 dioxygenase,TDO2)是KP的初始限速酶之一,能够催化氨酸(tryptophan,Trp)使其转化为犬尿氨酸(kynurenine,Kyn)及下游代谢产物。多项研究表明,TDO2介导的KP代谢异常参与的炎症免疫反应调控在炎症免疫相关性疾病、肿瘤、中枢神经系统疾病中发挥重要作用。本文综述了TDO2在炎症免疫调控中的作用及其介导的KP紊乱参与多种疾病病理机制的研究进展和药物研究现状。
关键词 氨酸 2,3 双加氧酶;炎症;免疫;氨酸;犬尿氨酸
中图分类号 R332;R341;R345;R364;R392;R977;R59
  氨酸(tryptophan,Trp)是机体的必需氨基酸之一,主要参与能量代谢、蛋白质合成和产生活性代谢产物,介导多种生理功能。Trp主要有两条代谢途径:犬尿氨酸(kynurenine,Kyn)和5 羟胺(5 hydroxytryptpamine,5 HT)途径,其中95%Trp通过Kyn途径代谢,称为犬尿氨酸代谢通路(kynureninepathway,KP)[1]。Trp在吲哚胺 2,3 双加氧酶1(indoleamine2,3 dioxygenase1,IDO1)、氨酸 2,3 双加氧酶2(tryptophan 2,3 dioxygenase2,TDO2)和吲哚胺 2,3 双加氧酶2(indoleamine2,3 dioxyge nase2,IDO2)三个限速酶的催化下生成重要中间代谢产物Kyn和一系列下游代谢产物,包括3 羟基犬尿氨酸(3 Hydroxykynurenine,3 HK)、3 羟邻氨苯甲酸(3 hydroxyanthranilicacid,3 HAA)、犬尿喹啉酸(kynyrenicacid,KYNA)、(anthra nilicacid,AA)等。Kyn及其它KP中间代谢物在维持机体免疫稳态的平衡中发挥重要作用[2]。
IDO1、IDO2和TDO2是催化Trp产生Kyn的重要限速酶。IDO1、IDO2和TDO2虽然具有同源性,但它们的组织分布、生理作用等并不相同。Furuza wa等(2011)发现IDO1在树突状细胞(dendriticcells,DCs)、巨噬细胞和成纤维细胞以及神经元等细胞都有表达。在炎症或感染过程中表达显著增加,如γ干扰素、脂多糖、细胞因子如肿瘤
局面的理解与判断坏死因子、白细胞介素 1等均可诱导其表达[3]。IDO1能够介导免疫调节和免疫耐受,参与肿瘤免疫逃逸和炎症免疫相关疾病的病理机制。IDO2与IDO1氨基酸同源性为43%,其酶解效率明显低于IDO1。TDO2是KP途径的另外一个重要限速酶,Trp是TDO2的唯一催化底物。Salter等(1995)最初对TDO2的研究是关于TDO2抑制剂在抑郁症中的作用,直到2011年,Pilotte等在Nature发表的一篇文章首次报道TDO2在神经胶质瘤高表达,且可通过免疫逃逸促进肿瘤生长。近年来,研究表明TDO2与机体免疫稳态平衡密切相关,本文综述了TDO2介导炎症免疫调控及其在疾病病理机制中的作用和TDO2靶向药物的研究进展。
一、TDO2与炎症免疫反应
(一)TDO2的结构和生理功能 20世纪30年代,Kotake等人在大鼠肝脏中首次发现TDO2。人类TDO2由4号染体上的TDO基因编码,由406个氨基酸组成。小鼠TDO编码基因位于第3号染体,大鼠则位于第2号染体[4]。研究表明,小鼠和大鼠肝细胞质中TDO2的表达量分别为人的9.6倍和5.0倍[5]。David等(1995)通过测序证明大鼠与人的TDO2序列同源性为88%。Allegri等(2003)报道小鼠与大鼠TDO2有明显的氨基酸同源性,分子量也相似。TDO2在小鼠,大鼠和人中功能相同。TDO2的调控区包括两个糖皮质激素反应元件。TDO2的结构为同源四聚体,其四个单体两两
国家自然科学基金面上项目(81573443;81673444;81973332);安徽省自然科学杰出青年基金(170808J10);2016年高校优秀青年人才支持计划重点项目(gxyqZD2016043)资助课题
△通讯作者 yychang@ahmu.edu.cn;wwei@ahmu.edu.cn
垂直,晶体结构有15个螺旋,包含N末端、大结构域和小结构域,大结构域为其活性部位。Watanabe等(1980)发现TDO2主要在肝脏中表达,在正常生理条件下,约90%的Trp由肝脏中TDO2降解,维持血液中Trp水平的稳定。TDO2可由糖皮质激素和Trp诱导,前列腺素E2(prostaglandinE2,PGE2)等炎症介质也可上调TDO2的表达[6]。在TDO2基因敲除(TDO2knockout,TDO2 KO)小鼠模型中发现75%的Trp由肝内TDO2代谢。与对照组相比,TDO2 KO小鼠发育和体重增长正常,肝脏形态差异小,精神行为轻微障碍,TDO2 KO小鼠血浆Trp浓度为野生型小鼠的9.3倍[7]。
(二)TDO2及其相关代谢物介导的炎症免疫调控作用 TDO2可直接或间接的发挥抑菌和免疫调节作用。Schmidt等(2009)构建了HeLa TDO2细胞。研究发现,经四环素刺激后,HeLa TDO2细胞能够抑制弓形虫、金黄葡萄球菌和单纯疱疹病毒的生长。作为对照,用等量的四环素刺激未转染TDO2的HeLa细胞,发现其不影响微生物的生长。补充Trp会阻断
这种抗菌作用,证明TDO2具有抗寄生虫、抗菌和抗病毒作用。用四环素预处理的HeLa TDO2细胞与T细胞共培养,发现T细胞增殖减少,补充Trp可使T细胞增殖恢复正常。而且发现HeLa TDO2细胞上清能够抑制抗原驱动的T细胞增殖,因此认为TDO2具有免疫调控作用。Bessede等(2014)在Nature上报道,与C57BL/6野生型小鼠相比,TDO2 KO小鼠对内毒素诱导的休克敏感性增加;同时发现,TDO2抑制剂680C91可以增加野生型小鼠对内毒素诱导的休克敏感性,提示TDO2介导的Trp降解参与了机体的炎症反应。
Kyn是KP重要的代谢物之一。Kyn与芳香烃受体(arylhydrocarbonreceptor,AhR)结合可以促进CD4+T细胞分化,产生调节性T细胞(regulatoryTcell,Treg),发挥免疫抑制作用。Zaher等(2011)总结发现KYNA作为免疫调节剂,可能与某些炎症细胞因子如IL 23和IL 17驱动的免疫性疾病有关系。3 HK能够减弱大鼠血管球性肾炎,降低脾脏T细胞增殖。3 HAA能促进Treg细胞的分化,导致免疫抑制细胞的增殖和免疫细胞的凋亡。Canto等(2015)发现NAD+可以调节T细胞免疫,而且NAD+动态平衡还与延长寿命、增加对传染病和炎症疾病的抵抗力有关。
二、TDO2与炎症免疫相关性疾病
多发性硬化症(multiplesclerosis,MS)是一种以脱髓鞘病变为主要特点的中
枢神经系统自身免疫病。Tobias等(2016)发现实验性自身免疫性脑脊髓炎(experimentalautoimmuneencephalomyelitis,EAE)小鼠肝脏中TDO2表达与活性增加。TDO2 KOEAE小鼠主要表现为脊髓神经元的保护作用,但对抗原特异的T细胞反应没有作用。提示TDO2可能成为MS等神经退行性疾病潜在的靶点。KP通路的慢性激活在MS发病机制中起着关键作用,TDO2介导的KP异常与MS的确切关系尚需进一步深入研究[8]。肺炎球菌脑膜炎(pneumococcalmeningitis,PM)是急性炎症感染性疾病。Lay等假设敲除TDO2对PM小鼠有益,研究了TDO2在PM发病机制中的作用。发现与对照组相比,TDO2-/-PM小鼠的行为参数(学习与记忆、光刺激反应等)没有明显差异,说明TDO2缺失不是引起PM小鼠行为改变的因素。同时发现,TDO2-/-PM小鼠中Trp显著升高,提示TDO2-/-PM小鼠的高Trp水平可能抵消了TDO2缺失产生的有益影响[9]。慢性鼻窦炎伴鼻息肉(chronicrhinosinusitiswithnasalpolyps,CRSwNP)是一种炎症性鼻窦疾病,肥大细胞和DCs等多种免疫细胞参与该病的发展。结果发现CRSwNP患者体内TDO2和Kyn水平升高,AhR靶基因cyp1a1和cyp1b1主要表达于CRSwNP的肥大细胞。利用骨髓来源的肥大细胞进一步发现,Kyn激活AhR信号,并诱导肥大细胞分化,提示TDO2介导的KP通路在CRSwNP中可能发挥重要作用[10]。
警惕娱乐化解读
Zhong等[11]研究了IDO1对CCl4诱导的肝纤维化小鼠作用的时候,发现该模型小鼠肝脏中TDO2表达明显增加。进一步发现TDO2表达增加可以减弱CCl4诱导的肝纤维化,作用可能与肝脏TDO2表达增加抑制Th17细胞的增殖有关,Trp消耗可以减少受损肝脏的CD8+T细胞比例。
三、TDO2在肿瘤中的炎症免疫调控作用
肿瘤的进展不仅与肿瘤本身有关,还与全身炎症免疫反应密切相关。多项研究表明,KP异常参与了肿瘤的疾病过程。TDO2在神经胶质瘤、乳腺癌、前列腺癌和肺癌等多种肿瘤中均有高表达,且与患者预后有密切关系[12]。表达TDO2的肿瘤有较低程度的T细胞浸润,使肿瘤细胞能够逃避免疫反应。Pilotte等(2011)研究显示,肿瘤细胞中TDO2的上调可直接促进肿瘤细胞的生长和转移。同时发现,TDO2通过消耗免疫细胞增殖所需的Trp储备以及产生大量Kyn,介导肿瘤的免疫逃逸。TDO2抑制剂LM10可促进肥大细胞瘤小鼠的免疫反应,抑制
肿瘤生长,提示TDO2有望成为肿瘤疾病免疫的新靶点[13]。
(一)神经胶质瘤 神经胶质瘤的免疫微环境是一个复杂的神经免疫网络。高表达TDO2的人脑胶质瘤组织中白细胞共同抗原阳性和CD8+T细胞浸润减少。研究发现,TDO2介导的Kyn产生以旁分泌和自分泌的方式发挥作用,抑制抗肿瘤免疫反应,影响肿瘤细胞的生长、迁移和侵袭。TD
O2催化Trp代谢产生的Kyn抑制同种异体T细胞增殖反应。通过细胞共培养发现,TDO2基因沉默的U87胶质瘤细胞恢复T细胞增殖,Kyn可逆转U87对T细胞增殖的作用。此外,Opitz等(2011)将人外周血单核细胞与U87共培养,发现人外周血单个核细胞对TDO2基因敲除的胶质瘤细胞杀伤作用增强。在神经胶质瘤细胞中,Adams等(2014)发现TDO2(而不是IDO1和IDO2)是降解Trp产生Kyn的主要限速酶。以上研究结果提示,TDO2介导的KP异常在神经胶质瘤中发挥重要作用。
(二)三阴性乳腺癌 三阴性乳腺癌(triple neg ativebreastcancer,TNBC)转移率较高,研究发现,TDO2的高表达与乳腺癌临床预后差有关。TDO2在TNBC细胞BT549中表达显著增加[14]。研究发现,通过细胞共培养,与对照组相比,用TDO2抑制剂680C91处理的BT549细胞可以抑制CD8+T细胞的活化和功能。体内实验中,预处理TDO2抑制剂680C9148小时的MDA MB 231细胞(表达荧光素酶)注入NOD/SCID小鼠尾静脉,并对其进行长期发光监测,发现模型组小鼠的肺发光显著高于对照组,提示接受680C91处理的小鼠肺转移结节数量显著减少。这些数据表明,抑制TDO2可降低TNBC的转移能力[15]。体外进一步发现AhR拮抗剂CH 223191抑制Kyn刺激的BT549细胞对CD8+T细胞的活化[16]。结果提示,TDO2 Kyn AhR信号轴通过肿瘤的自分泌效应与潜在的免疫抑制旁分泌作用相结合,参与TNBC的发展。
看穿食品包装上的噱头(三)肺癌 肺癌是我国最常见的癌症之一,发病率和死亡率均较高。肺癌发生后,肺成纤维细胞被激活,肺癌患者肺成纤维细胞中TDO2表达上调,提示TDO2是癌旁组织中成纤维细胞降解Trp的主要限速酶。Suzuki等(2010)通过细胞共培养发现,肺癌相关成纤维细胞(LCAF)影响DCs的分化及功能。靶向抑制TDO2可显著降低小鼠的肺癌进展率,恢复抗肿瘤免疫功能。680C91可提高DCs的免疫反应,其作用与其增加DCs中IL 12表达和降低IL 10表达有关。680C91还能增加Th1细胞因子IFN γ产生,降低Th2细胞因子IL 4、IL 5和IL 10水平。体内研究表明,TDO2抑制剂能显著改善DCs功能和T细胞反应[17]。以上结果提示,靶向TDO2可调控肺癌的肿瘤免疫,减少肺癌转移。
(四)其他肿瘤 TDO2过表达与食管鳞状细胞癌的肿瘤分期、复发及CD44肿瘤干细胞标记物有关。Schmitz等(2005)发现抑制TDO2在食管鳞状细胞癌细胞株TE 10和TE 11中的表达减少了细胞球状集落的数量和大小以及细胞的增殖。Tina等人用微阵列技术观察了TDO2在基底细胞癌中的表达,确定了基底细胞癌中TDO2表达的上调[18]。另外,TDO2蛋白的高表达与结直肠癌临床特征密切相关[19]。已证实尤文肉瘤细胞A673的Kyn水平受TDO2的调节,TDO2在尤文肉瘤细胞中对Trp的摄取起着重要作用[20]。
四、TDO2与中枢神经系统疾病
TDO2在脑部神经元中表达,TDO2介导的KP影响神经元的功能,与神经组织生理功能密切相关。TDO2在中枢神经系统疾病中发挥重要作用,如阿尔茨海默症(Alzheimerdisease,AD)、帕金森症(Parkinson'sdisease,PD)和亨廷顿病(Huntington'sdisease,HD)。研究发现在果蝇疾病模型中,沉默TDO2基因抑制KP代谢产物可以缓解这些疾病,还发现TDO2抑制剂可以逆转疾病表型,表明KP途径在神经退行性疾病中的重要性[21]。
(一)阿尔茨海默病 AD是一种神经退行性炎症性疾病,以认知能力逐渐丧失为特征。Pellicano等(2010)发现AD患者外周血单个核细胞可释放促炎细胞因子,如IL 1β、IL 6、TNF和IFN γ。生理情况下,TDO2主要在人和小鼠的神经元细胞和大脑星形胶质细胞中表达。AD患者血清的Kyn/Trp比例升高。在AD患者和AD小鼠大脑中TDO2表达增加,提示TDO2的激活可能参与神经原纤维缠结和老年斑的形成[22]。TDO2的高表达会导致Trp代谢产物的过度产生,参与AD的神经退行性进程。Rahman等(2011)发现,TDO2介导KP异常通过增加QUIN在大脑中的积累,参与AD的病理过程。
(二)抑郁症 5 HT是一种单胺类神经递质。慢性应激和感染可以将更多的Trp向KP途径分流,从而降低5 HT的合成,而5 HT的减少与抑郁症发生密切相关[23]。KP代谢物通过对大脑谷氨酸受体产生影响,将炎症和抑郁症联系起来[24]。Gibney等(2014)使用成
年雄性Sprague Dawley大鼠,通过糖
皮质激素诱导TDO2来研究TDO2与抑郁症之间的关系。对应激状态下的大鼠进行游泳实验,发现抑郁相关行为指数增加,而且肝和大脑皮质TDO2表达增加,说明肝脏和大脑中TDO2的表达与抑郁程度呈正相关。与对照组相比,用TDO2抑制剂别嘌呤醇给药后大鼠抑郁症状缓解。
(三)精神分裂症 Christine等发现精神分裂症患者脑组织TDO2mRNA表达是正常组的1.6倍,而IDO1的表达无明显差异。TDO2在星形胶质细胞、神经元和血管中高表达。Schwarcz等(2001)研究表明精神分裂症患者脑后前额叶皮质KYNA含量增加。KYNA是N 甲基 D 天冬氨酸受体的内源性拮抗剂,它可能参与精神分裂症的发展,而TDO2可能通过增加KYNA水平参与其病理过程。但TDO2如何参与精神分裂症的作用和机制,还需进一步探讨。
(四)其他中枢神经系统疾病 Liimatainen等(2011)发现TDO2在HD、PD、癫痫和自闭症中TDO2表达上调,Trp代谢异常。TDO2基因的一些内含子和外显子变异导致与精神疾病相关的多态性,如Tourette综合征和自闭症。在HD中,3 HK和QUIN在发病早期增加,神经炎症可诱导TDO2活性增加,提示TDO2介导的Trp代谢紊乱在HD的发病机制中可能起重要作用。PD患者TDO2活性上调,血清和脑脊液中的Kyn/Trp比值高
于对照组,研究表明,在蠕虫中抑制TDO2可以抑制该蛋白的毒性,从而产生神经保护作用[25]。
五、TDO2抑制剂的应用及其研究进展
近几年Nature和PNAS等多篇文章报道了TDO2对肿瘤细胞的直接作用,以及介导T细胞免疫逃逸间接促进肿瘤生长,TDO2得到了越来越多的关注。因此,目前主要集中于TDO2抑制剂的研究。Badawy等(1973)发现别嘌呤醇可以抑制TDO2,但可导致肝肾功能异常。Eguchi等(1984)发现吲哚类化合物,例如吲哚 3 乙酰胺,吲哚 3 乙腈和吲哚 3 丙烯酸对小鼠和大鼠肝脏TDO2活性具有显著抑制作用。Salter等(1995)研究发现680C91和709W92都能有效地抑制TDO2的活性,680C91是公认的体外抑制剂,但是溶解度差,生物利用度低。Austin等(2011)发现,由680C91结构改造得到LM10,LM10具有高选择性、生物利用度更好,而且长时间给药没有明显的肝脏和其他毒副作用,同时显示出有效的抗肿瘤活性。Larrieu等(2011)研究发现3 (2 (吡啶基)乙烯)吲哚类化合物,对TDO2具有较高的抑制作用,选择性高,口服生物利用度好。Pantouris等(2014)研究发现黄酮类化合物NSC36398是TDO2的有效选择性抑制剂。2015年,Wu等人根据研发的Compound1,通过结构虚拟筛选,确定N1 苄基 1H 萘酚[2,3 d][1,2,3]三唑 4,9 二酮为新型TDO2抑制剂。2018年,通过基因工程化合物
库的高通量筛选鉴定了一些相关的氨基异恶唑作为TDO2的抑制剂[26]。也有报道胺酮及其衍生物对TDO2具有抑制作用[27]。2019年,TDO2/IDO1双重抑制剂如RG70099和IOM D已用于临床前研究阶段,Ling等人通过酶活性检测和体外实验等证明了4,6 Substituted 1H Indazoles是潜在的TDO2/IDO1双重抑制剂[28]。目前,一些新型TDO2抑制剂,如苯基咪唑类似物及其稠环衍生物等也正处于研发中[29]
    图1 TDO2及其下游代谢产物介导的炎症免疫反应
在疾病中的作用
Trp,Glu和PGE2刺激可诱导TDO2表达。在炎症免疫相关性疾病、肿瘤和中枢神经系统疾病中,一方面,TDO2介导产生的KP
中间代谢物直接参与疾病的发生发展;另一方面,TDO2通过调
控免疫细胞的功能活化,介导炎症免疫反应,间接参与疾病的病
理机制
六、展望
综上所述,TDO2介导的KP异常导致机体免疫稳态失衡,与炎症免疫相关疾病、肿瘤和中枢神经精神系统疾病等密切相关(图1),但TDO2如何调控机体的炎症免疫反应参与疾病的发生发展,分子机制如何,还需要进一步阐明。随着TDO2选择性抑制剂的出现及TDO2 KO小鼠模型的应
用,TDO2的生物学特性及其介导炎症免疫调控的作用会得到更多的诠释。因此,进一步探讨TDO2的炎症免疫调控作用,阐述由TDO2介导的KP调控炎症免疫反应
在疾病中的作用,对发现疾病新的病理机制具有重要意义,而TDO2抑制剂也有望成为新的炎症免疫反应软调节药物[2,30]。
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