趋化因子和肾脏疾病

Chemokines and renal disease. 

U O Wenzel, H E Abboud

American journal of kidney diseases : the official journal of the National Kidney Foundation 1995 Dec;26(6):982-94 doi:10.1016/0272-6386(95)90065-9

PMID:7503075

趋化因子是低分子炎性细胞因子，其主要生物学作用是趋化。它们至少被分为两个科。C-X-C趋化因子(α亚家族)主要作用于中性粒细胞，而C-C趋化因子优先作用于单核细胞。趋化因子受体是G蛋白偶联受体，形成了一个结构和功能相关的蛋白质家族。趋化因子在细胞和组织中被诱导，以响应促炎细胞因子。它们由肾小球、管状间质和血管细胞产生。有充分的证据表明趋化因子有助于中性粒细胞和单个核细胞浸润肾小球和间质。它们的表达在肾脏疾病中增加，体内使用抗体的中和研究证明某些趋化因子在介导肾脏病理和蛋白尿中的作用。IL-8、RANTES和MCP是肾脏中研究得最好的趋化因子。特异性抗体和受体拮抗剂的开发应该有助于确定这些介质在肾脏疾病中的确切作用。这项工作可能产生重要的治疗意义。

“趋化因子”一词于1999年在奥地利举行的第三届趋化细胞因子国际研讨会上提出。该术语是趋化细胞因子(Chemotactic cytokine)的缩写，反映了这些细胞因子作为炎症细胞趋化剂和调节剂的早期特征。以前用于趋化因子家族的名称是“intercrines”，SIS(小诱导分泌)，或趋化细胞因子。应该注意的是，并非所有具有趋化活性的细胞因子都被认为是趋化因子，因为趋化因子这个术语是基于结构和功能的考虑。这些令人眼花缭乱的首字母缩写和代码从平淡无奇的(PF4血小板因子4)到冗长的RANTES(调节激活，正常T细胞表达和分泌)。以下综述集中在趋化因子生物学的某些方面及其在肾脏疾病中的潜在作用。关于趋化因子的生物学及其在其他疾病中的病理生理作用的详细讨论已经在其他地方得到了广泛的回顾。趋化因子的历史背景、性质和受体趋化因子构成了一个结构和功能相关的蛋白质大家族(图1；表1和表2)具有高度保守的氨基酸序列，表明它们起源于单一的祖先基因。趋化因子家族的大多数成员的蛋白质分子量在8到10 kd范围内，并且是基本的肝素结合多肽。在结构上，趋化因子形成了一个由至少22个已知蛋白质组成的超家族，其特征是四个半胱氨酸基序。

超家族可以根据基因的染色体位置、整体序列同源性以及四个保守半胱氨酸残基中的前两个的分布，分为α和β两个亚家族。在C-X-C或α亚家族中，前两个半胱氨酸由一个中间残基分开；在C-C亚族中，它们是相邻的。C-X-C趋化因子聚集在人类染色体4上，主要作用于中性粒细胞。另一方面，C-C趋化因子优先作用于单核细胞，并聚集在人类17号染色体上。小鼠的C-C簇位于11号染色体上。Schall*最近基于淋巴趋化素的克隆和表征提出了一类新的趋化因子C亚家族，淋巴趋化素是一种淋巴细胞趋化剂，在四半胱氨酸趋化因子基序中缺乏第一和第三半胱氨酸。趋化因子家族最初只不过是一组编码功能未知的小结构相关蛋白质的cdna。Boyden在1962年引入趋化室，允许在确定的可溶性趋化剂梯度下对白细胞迁移进行体外定量，这是30年后趋化因子功能描述的先决条件。虽然许多C-X-C趋化因子是通过蛋白质化学纯化首先确定的，但大多数C-C趋化因子是通过分子克隆技术发现的。研究人员发现了以细胞特异性或激活状态特异性方式表达的新基因。趋化因子的三个共同特性是显而易见的。首先，趋化因子在体外吸引一种或多种髓系细胞类型。其次，它们的产生和/或分泌明显受促炎刺激，如脂多糖(LPS)、肿瘤坏死因子-a (TNF-α)或白细胞介素-1 (IL-1)诱导。最后，所有这些已被测试的趋化因子在皮内注射到动物体内时诱导炎症浸润。除了趋化活性外，大多数趋化因子还激活白细胞的几种功能，如脱颗粒和氧化剂爆裂。趋化因子的其他生物学活性包括调节白细胞粘附性、血管收缩、增加血管通透性、刺激或抑制增殖以及血管生成。为了进入间质组织腔室，循环的白细胞必须首先粘附在血管壁的内皮细胞上，通过内皮细胞连接迁移，并穿透基底膜。所谓的粘附级联已经审查，涉及一个三步过程。第一步是通过选择素家族中的一种分子将白细胞滚动和松散地结合或“捆绑”到内皮上。接下来是触发，其中信号转导到白细胞将非活性整合素分子转化为活性黏附结构。最后一步是由白细胞整合素与内皮细胞上的配体结合介导的强粘附。随后向组织迁移。趋化因子似乎在这些步骤中都起作用。所有趋化因子都是碱性的，会与肝素结合，因此，可能会与细胞外基质成分结合。这一特性使人们认为它们是通过触趋性起作用的，即目标细胞沿着吸引剂的梯度向上移动，而吸引剂在细胞外液中是固定的，而不是自由的。可溶性细胞因子会被血流迅速从产生区域冲走。蛋白聚糖是呈现促黏附和趋化细胞因子的良好候选者，因此触发白细胞迁移。IL-8的触控特性已得到证实。

趋化因子受体是G蛋白偶联受体家族的成员。趋化因子受体和它们的配体一样，形成了一个结构和功能相关的蛋白质家族，可分为四类:只结合一种趋化因子的特定受体；共享α或β趋化因子特异性受体，但不是两者都有；白细胞α或β趋化因子受体的疱疹病毒同源物；以及Duffy红细胞抗原，它混杂地结合几种α和β趋化因子。最近已发表了详细的概述。Duffy抗原/趋化因子受体定位于肾脏毛细血管后小静脉的内皮细胞。毛细血管后小静脉是一个动态界面，可能是炎症期间白细胞从血管间隙转移到组织腔室的重要部位。该受体可以作为一种对接蛋白，将配体集中在细胞表面，以呈现给适当靶细胞上的特定受体。或者，它可能作为血管内生理“下沉”，它可以结合和灭活循环趋化因子。这可能会产生趋化因子梯度，在内皮下基质中发现更高浓度的趋化因子，促进白细胞外渗和迁移。肾脏中Duffy抗原/趋化因子受体的生理和病理生理相关性显然需要进一步研究。C-X-C类趋化因子的实验研究历史更悠久，其原型PF4于1955年首次被描述。PF4最初被认为能够与肝素结合，导致肝素抗凝血功能失活。虽然对炎症细胞的趋化活性很小，但PF4是一种有效的血管生成抑制剂。这一活性导致了对其抗肿瘤特性的评估。目前正在进行一期和二期临床试验，以测试其疗效。生长相关癌原(GRO)- α、- β和- γ是密切相关的C-X-C趋化因子，其中GRO- α最初被描述为黑色素瘤生长刺激活性。nh2末端截断形式的血小板基本蛋白包括结缔组织激活蛋白III， β -血栓球蛋白和中性粒细胞激活蛋白-2。当血小板碱性蛋白从血小板颗粒中释放并被单核细胞来源的蛋白酶水解裂解时，nh2端截断形式产生。这个家族中研究最广泛的趋化因子是IL-8(表3)，以前称为“中性粒细胞激活蛋白1”(表4)。1987年IL-8的发现揭示了一类新的小细胞因子的存在，现在称为“趋化因子”。与C-C家族的MCP-1相似，IL-8由一系列免疫和非免疫细胞产生。除了是一种有效的趋化剂和中性粒细胞的激活剂外，它最近被认为是一种有效的内皮细胞趋化和血管生成以及血管平滑肌细胞有丝分裂的刺激剂。

C-X-C趋化因子可进一步分为含有或缺乏蛋白质的ELR。ELR基序表示紧接在蛋白质的第一个半胱氨酸氨基酸残基之前的三种氨基酸glu-leu-arg。该motif在中性粒细胞受体/配体相互作用中很重要。缺乏趋化因子如PF4、IP-10和MIG的ELR基序只是中性粒细胞的弱趋化剂(表1)。然而，在PF4 N端插入ELR基序将其转化为强效中性粒细胞激活剂和吸引剂，与IL-8受体结合。C-X-C趋化因子与肾脏体外和体内证据表明，该家族的趋化因子可能参与介导肾脏病理。大鼠系膜细胞被诱导表达KC，小鼠模拟gro - α，以响应IL- 1。4肿瘤坏死因子-a在人肾小球上皮细胞' 5和近端小管上皮细胞中诱导IL-8的表达。“'培养中的人系膜细胞，当TNF-(I!和IL-l，也表达与细胞和细胞外基质相关的IL-8 mRNA和蛋白。地塞米松治疗部分抑制了细胞外IL-8的释放，而IL-8 mRNA和细胞相关IL-8没有明显改变。间质炎性细胞浸润是同种异体肾移植失败的重要组成部分。急性排斥反应时，单个核细胞和多形核细胞均可浸润肾间质。细胞被吸引到小管间质室的机制仍有待完全阐明。人肾皮质上皮细胞对IL- 1、LPS或TNF-a以时间和剂量依赖的方式表达和分泌IL-8急性同种异体移植排斥反应患者肾活检标本的近端和远端上皮细胞IL-8染色强烈。环孢素通过与亲环蛋白等免疫调节蛋白结合发挥其免疫抑制活性。白细胞介素-8可以特异性结合环孢素。基于IL-8和环孢素之间的结构相似性，可以确定环孢素与IL-8的假定结合位点。这种结合的生物学重要性需要进一步研究。Wada等人发现，几种增殖性肾小球肾炎患者尿中IL-8的排泄增加，尿中IL-8水平升高与病变肾小球中IL-8的免疫组织学检测有关。这些研究表明，IL-8可能促进急性同种异体移植排斥反应和增殖性肾小球肾炎中多形核细胞(PMNs)的浸润。急性肾盂肾炎患者血清和尿液中IL-8水平升高。急性肾盂肾炎期间尿中IL-8浓度高的患者随访时与尿中IL-8水平低的患者相比，肾小球滤过率较低。这提示肾细胞分泌IL-8可能参与了肾炎症的发生和维持，并可能参与了肾小球滤过率的下降趋化因子表达与中性粒细胞或单核细胞浸润之间存在密切的时间关系?“在肾小球肾炎的实验模型中，使用中和抗体也有很好的证据表明C-X-C趋化因子有助于白细胞的涌入和肾脏病理的发展。”在大鼠注射抗肾小球基底膜抗体后的第一个小时内，中性粒细胞迅速涌入肾小球。Wu等人最近证实，细胞因子诱导的中性粒细胞趋化剂(人gro - α和小鼠KC的大鼠对应物)的mRNA在肾脏中被诱导。肾炎诱导后分离肾小球制备相应蛋白。此外，在体内给药抗细胞因子诱导的中性粒细胞趋化抗体选择性地减弱了中性粒细胞流入肾小球的60%，并相应地减少了蛋白尿，这强烈表明细胞因子诱导的中性粒细胞趋化剂在伴随免疫复合物介导的肾小球肾炎的早期事件中起作用。& Feng等人发现另一种趋化因子MIP-2在类似的肾炎模型中表达增加45对MIP-2的中和抗体使中性粒细胞的流入减少了40%，并减少了蛋白尿，这表明MIP-2，一种中性粒细胞趋化剂，有助于抗肾小球基底膜抗体疾病中中性粒细胞的流入值得注意的是，在这两项研究中，pmn的流入减少了，但没有消除。这些数据表明，在肾小球损伤模型中，不止一种趋化因子可能是中性粒细胞浸润肾小球的原因。在单个炎症部位释放多个趋化因子可能确实是规律而不是例外，这表明需要中和多个趋化因子或共同受体来防止或减弱炎症细胞浸润。

目前已经鉴定出9种不同的C-C趋化因子。其中包括MCP-1、2和3；MIP- 1 α和β；RANTES；I 309, FIC，和C10(图1；表2)最近发现了一种新的C-C趋化因子eotaxin。许多编码MCP-1和MIP-1蛋白的cDNA及其人类同源物已被不同的小组使用各种方法独立分离出来(表5)。RANTES是该家族中唯一一个在造血细胞中转录不能迅速诱导的成员。缺乏快速的诱导可能解释了为什么RANTES在这个家族中不寻常，因为它没有被许多群体独立隔离。与肾脏病理相关的研究主要集中在RANTES和MCP-1的潜在作用。人类RANTES首先通过其在选定的cDNA文库中的差异表达被鉴定，其cDNA在T细胞中的表达水平高于B细胞。RANTES是单核细胞、嗜碱性粒细胞、嗜酸性粒细胞和T细胞的趋化剂。MCP-1的历史可以追溯到Co&ran等人于19852年发现小鼠脑炎，随后由Rollins及其同事于19885年克隆和鉴定。JE被发现是一种在成纤维细胞中由血小板衍生生长因子快速诱导的转录本。1984年，Valente等人从狒狒血管平滑肌细胞中纯化出一种趋化蛋白，并称之为平滑肌源性趋化因子；这种蛋白质后来被确定为mcp - 1的净化。人类MCP从神经胶质瘤细胞系(glioma-derived趋化因子(GDCFI)和单核细胞的细胞系(单核细胞趋化和激活因子[MCAF])由两个不同的团体在1989.56中,实现了57随后克隆的cDNA MCP-1显示它非常类似于小鼠JE.54The MCP-1蛋白质62%相同的小鼠我68年区域共享的氨基端残留,但小鼠脑炎在分子的羧基部分增加了49个残基。虽然人们普遍认为JE和MCP- 1是物种同源，但预测的蛋白质差异的意义尚不清楚。MCP- 1在氨基酸水平上也与IL-8有21%的同源性。大鼠乙脑基因与鼠乙脑基因同源性为82%。人MCP-1是一个含有76个残基的多肽。MCP-1在十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)上分解为8 ~ 18kd的多种分子质量。Leonard和Yoshimura报道了一种胶质瘤细胞系可分泌15和13-kd，分别被命名为MCP- 1-alpha和MCP- 1-beta。I4大小的差异不是由于不同的氨基酸组成，而是由于翻译后修饰。Rollins等人报道了COS细胞中三种主要形式的重组蛋白的分泌，即使在n -链糖基化抑制剂被衣霉素的存在下。54另一方面，Jiang等人的数据表明，o -链碳水化合物加工过程的差异导致了不同细胞系产生MCP-1的异质性已描述了人MCP- 1基因的序列组织。该基因的三个外显子和两个内含子横跨大约1,900个DNA碱基对。在5 '侧翼区域的595个碱基对中已经描述了几个调控DNA序列。Ueda等人最近克隆了人MCP- 1启动子，并描述了IL- 1、TNF和LPS诱导MCP- 1所必需的上游NFkB元件。@-“我们已经分离出一个1874碱基对克隆的5 '侧翼区域。将荧光素酶转染血管平滑肌细胞表明凝血酶对MCP-1的转录调控。MCP- 1受体的信号通路包括细胞内钙的动员和百日咳毒素敏感G蛋白对腺苷酸环化酶的抑制。@ Van Damme等人最近的报告揭示了MCP-2和MCP-3的存在，与MCP-1.65有62%和73%的氨基酸相同。大多数细胞或组织在激活时产生MCP-1。然而，MCP-1的靶点似乎仅限于单核细胞、嗜碱性粒细胞和最近报道的淋巴细胞。MCP- 1激活新分离的单核细胞，诱导颗粒相关酶n -乙酰β - d -葡萄糖苷酶的释放和超氧阴离子的产生。Rollins等人还证明MCP-1刺激单核细胞产生H202 69，而Leonard和Yoshimura发现单核细胞对MCP-1的反应很少或不释放超氧化物。i4 MCP-1也刺激由IL-3启动的人类嗜碱性粒细胞释放组胺。池田等人最近报道，白细胞并不是MCP-1的唯一靶标。这些研究人员发现MCP-1对大鼠血管平滑肌细胞增殖有微小但显著的抑制作用。“这是第一份证明MCP-1对体细胞有生物学作用的报告。