白细胞介素-8在炎症反应中的作用及其表达调控机制

Role and Expression Regulation of Interleukin-8 in Inflammatory Reaction

摘要: 白细胞介素-8是诱导炎症反应发生的主要趋化因子。其前体含99个氨基酸残基，经裂解活化后则由细胞分泌释放。白细胞介素-8可与免疫细胞和肿瘤细胞的细胞膜上受体结合，主要经由偶联G蛋白来激活下游相关的信号通路，如丝裂原活化蛋白激酶、磷脂酰肌醇-3-激酶、蛋白激酶C等。本综述将重点阐述这些信号通路的活化机制及其生理和免疫功能。此外，也将概括说明诱导白细胞介素-8表达的转录因子和促进其分泌的机制，并详述主要转录因子，核因子-κB的作用机理。了解白细胞介素-8的功能和调控机制，有助于阐明炎症反应发生的过程和开发新的抗炎药物。

Abstract: Interleukin-8 (IL-8) is a major chemotaxin that elicits the inflammation response. The proprotein of IL-8 including 99 amino acid residues is activated by proteolysis and then secreted by the cell. IL-8 binds to the receptor on the cell membrane of immune or tumor cells and via G protein-coupled mechanisms stimulates downstream signaling pathways, such as mitogen-activated protein kinase, inositol phosphate-3 kinase and protein kinase C, etc. This review mainly focuses on the activation mechanism of these signaling pathways and related physiological function and immune system. In addition, the review covers the transcription factors that stimulate IL-8 expression and secretion with a great attention on the major factor, nuclear factor-κB. Understanding the function and regulation of IL-8 may elucidate the development of inflammation and discover new anti-inflammatory drugs.

1. 引言

人体因感染或损伤而激活免疫系统，引发炎症反应 [1] 。炎症发生的过程与许多大小为8~10 kD的多肽分子–趋化因子有关 [2] [3] [4] 。其中白细胞介素-8 (Interleukin-8, IL-8)，又称CXCL8，是典型的趋化因子 [5] [6] 。当细菌被上皮细胞表面Toll-like受体识别后，会诱导白细胞介素-8的表达和分泌 [7] [8] 。另外，巨噬细胞也会大量释放白细胞介素-8，以招募其他白细胞到感染部位，进而引发炎症反应 [1] 。炎症环境的存在，也会进一步诱导呼吸道上皮细胞、平滑肌细胞和血管内皮细胞大量释放白细胞介素-8，产生免疫反应 [1] [9] [10] 。研究发现在人脐静脉内皮细胞中，白细胞介素-8经过重组人类白细胞介素-1B处理24小时后可被诱导产生，另外的组胺处理使人脐静脉内皮细胞以及粘膜内皮细胞的白细胞介素-8分泌量增加一倍 [9] 。还有研究指出，血清2型或4型肺炎球菌即使在没有多糖胶囊的情况下，也只能从上皮细胞系中诱导的白细胞介素-8表达 [11] 。A549细胞与用维生素D分化的巨噬细胞样THP-1细胞系或单核细胞来源的巨噬细胞共培养增强了白细胞介素-8的释放 [11] 。

白细胞介素-8前体蛋白含有99个氨基酸残基 [12] [13] ，经过加工后，在非免疫细胞中形成77个氨基酸的活性蛋白 [14] [15] 。在单核细胞和巨噬细胞中形成的活性蛋白则含72个氨基酸 [2] [4] [14] 。活化成熟的白细胞介素-8含有四个半胱氨酸残基且没有糖基化 [16] 。由于包含许多碱性氨基酸，如赖氨酸和精氨酸，成熟的白细胞介素-8的等电点大于8.5 [17] 。

综上所述，白细胞介素-8是促使炎症反应发生的主要趋化因子，所以了解其诱导分泌机制将有助于研发新的抗炎药物。因此，以下将探讨白细胞介素-8的功能及调控机制。

2. 白细胞介素-8的功能及其调控的信号通路

白细胞介素-8在炎症反应中主要有两个作用，一是参与中性粒细胞的激活，诱导中性粒细胞和其他免疫细胞向感染部位迁移 [18] [19] ，以促进炎症反应的发生。二是在免疫细胞(主要是中性粒细胞)到达炎症部位后，白细胞介素-8可诱导其产生吞噬作用 [20] [21] 。

已知白细胞介素-8与其受体结合会增加细胞内Ca²⁺浓度 [22] [23] 。白细胞介素-8通过与细胞膜表面受体结合来发挥功能，而其受体有两种：白细胞介素-8受体α (IL-8RA)，或称CXCR1 [24] [25] ；白细胞介素-8受体β (IL-8RB)，或称CXCR2 [24] [25] 。白细胞介素-8与CXCR1的结合具有高特异性 [26] [27] ，而与表达在基质细胞、内皮细胞和肿瘤细胞上的CXCR2结合的特异性较低 [26] [27] [28] 。CXCR1/2为细胞表面G蛋白偶联受体，它们可活化G蛋白相关的许多信号通路 [24] [25] ，包括丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)、磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)、蛋白激酶C(PKC)、粘着斑激酶(FAK)和非受体酪氨酸激酶(Src) [29] 。白细胞介素-8与受体结合可激活多种转录因子，如核因子-κB (NF-κB)、激活蛋白-1 (AP-1)、低氧诱导因子-1 (HIF-1)、信号转导和转录激活因子3 (STAT3) [29] 。

上述磷脂酰肌醇-3-激酶是G蛋白异三聚体(Gαi，β和γ)的主要靶点之一，其活性增强可以促进中性粒细胞的趋化作用 [29] 。磷脂酰肌醇-3-激酶通过增加其底物丝氨酸/苏氨酸激酶PKB/Akt磷酸化 [30] ，增加其活性。在癌细胞系(如前列腺癌细胞系)中，白细胞介素-8也藉由相似机理来发挥功能 [31] 。

白细胞介素-8还可以经由调控丝裂原活化蛋白激酶信号通路，活化丝氨酸/苏氨酸激酶分子，使其与细胞表面受体附近的支架蛋白相互作用 [29] 。例如，支架蛋白Ras激酶抑制子(KSR，Kinase Suppressor Ras)通过与Raf-1相互作用的方式去激活其相关信号通路 [32] 。同理，在中性粒细胞 [33] 和癌细胞 [31] [34] [35] 中，丝氨酸/苏氨酸激酶可经由Raf-1/MAP/ERK激酶1/Erk级联信号通路，增加下游Erk1/2的磷酸化 [33] 。

白细胞介素-8受体CXCR1与Gαi蛋白偶联，可以激活磷脂酶C [36] ，促进膜相关脂质转化为甘油二酯和肌醇三磷酸，导致细胞质内钙的含量增加和蛋白激酶C异构体的激活 [36] 。白细胞介素-8可诱导中性粒细胞中多种类型的蛋白激酶C如PKCα，PKCβI和PKCβII的磷酸化，促进细胞的分泌功能，呼吸氧化活性和Mac-1介导的粘附作用 [37] [38] 。有研究指出，在RBL-2H3细胞中，活化受体CXCR1介导的信号通路可以激活新发现的蛋白激酶C亚型-PKCε [37] 。同时，活化蛋白激酶C经由改变细胞内Ca²⁺信号，可以调节由白细胞介素-8诱导的人膀胱癌细胞的趋化性，这一反应被认为是蛋白激酶C介导的对肌动蛋白细胞骨架调节的结果 [29] 。另外，在癌细胞中也证实，白细胞介素-8也可以活化磷脂酶C信号通路 [39] 。

白细胞介素-8信号通路中的蛋白质酪氨酸激酶是肿瘤和内皮细胞中研究细胞增殖和细胞存活的靶点。研究表明，在卵巢癌和血管内皮细胞中，白细胞介素-8可以激活表皮生长因子受体，从而激活下游丝裂原活化蛋白激酶信号通路 [30] [40] 。在血管内皮细胞中，白细胞介素-8信号通路可以促进生长因子受体-2的磷酸化 [41] ，以及调节内皮屏障的通透性 [42] [43] 。非受体酪氨酸激酶(Src)也是白细胞介素-8诱导信号级联的重要中间物 [44] 。在CXCR1/2重组细胞系HEK293以及大鼠嗜碱性粒细胞性白血病细胞中，白细胞介素-8刺激Src家族成员和p125 [44] [45] 从而促进了它们的磷酸化 [46] 。在前列腺癌活检组织的恶性细胞中发现白细胞介素-8的表达和信号转导与粘着斑激酶(FAK)自磷酸化的增加有关，又有免疫印迹实验表明，在前列腺癌细胞系中白细胞介素-8诱导FAK-Src-皮质激素信号通路 [47] 。FAK和Src的激活可能与细胞增殖、细胞存活和化疗耐药性有关系，也可能参与细胞扩散、运动性和侵袭性的调节 [48] [49] 。有研究指出，活化联合的FAK和c-Src (Src家族成员)可能通过ERK2激活和诱导细胞周期蛋白D和E表达来促进间变性星形细胞瘤细胞的增殖 [50] 。其中，Src的异常活性会促进许多过程的失调，包括侵袭、迁移、增殖、血管生成和凋亡 [48] 。例如，Pories等人 [51] 表明在大鼠上皮细胞系，c-Src过表达后结肠肿瘤细胞的软琼脂生长和侵袭潜力增加。Irby等人 [52] 发现在裸鼠野生型细胞中，过表达c-Src会使结肠肿瘤细胞的原发性肿瘤的生长显着增强。Roche等人表明，c-Src或其近亲也是细胞分裂发生所必需的 [53] 。

白细胞介素-8参与的信号通路也可调控细胞增殖、组织重塑和血管生成 [54] 。白细胞介素-8与受体CXCR1的mRNA在收缩的骨骼肌中增加 [55] 。肌肉细胞产生的白细胞介素-8可能以旁分泌的方式局部作用于毛细血管内皮细胞，与毛细血管内皮细胞表面的CXCR2结合促进肌肉组织的新血管形成 [55] [56] 。

这些研究表明，白细胞介素-8相关的许多信号通路和下游各种信号分子，在免疫学、病理学以及生理学上扮演着重要角色。

3. 促进白细胞介素-8表达的可能途径

在正常生理条件下，白细胞介素-8在细胞内的表达是极少的，不容易检测到 [56] 。但在一些情况下它可以被刺激产生：1) 存在促炎细胞因子，如肿瘤坏死因子α和IL-1β [57] [58] ；2) 类固醇激素，如雄激素、雌激素和地塞米松 [59] ；3) 活性氧物质 [60] ；4) 细菌 [61] [62] 和病毒产物 [63] ；5) 化学药剂和环境因素，如暴露于化疗药物、缺氧状态 [29] 、酸中毒、高血糖和辐射条件下 [64] 。另外，基因突变的肿瘤细胞也会促使白细胞介素-8或其受体CXCR1/2表达增加 [65] 。

4. 转录因子NF-κB调控白细胞介素-8表达的分子机制

与NF-κB、AP-1等转录因子相关的信号通路中，有多种可诱导白细胞介素-8的表达 [66] 。例如，RAS-RAF信号通路可激活NF-κB转录因子，从而导致大量白细胞介素-8的产生 [67] 。在恶性肿瘤中，持续活化的NF-κB，会促进肿瘤的增大、转移及血管的生成 [68] [69] [70] 。除NF-κB外，AP-1和NF-IL-6也参与调控白细胞介素-8的表达 [71] [72] 。NF-κB通过协同AP-1和NF-IL-6促进白细胞介素-8的转录 [59] [60] 。其中NF-IL-6是C/EBP家族的成员 [73] 。与NF-κB不同，在有些细胞中，AP-1和NF-IL-6这两个转录因子结合位点不是白细胞介素-8基因转录所必需的 [74] [75] [76] 。

调控白细胞介素-8表达的转录因子NF-κB与炎症反应息息相关。NF-κB不仅参与诱导先天免疫细胞中各种促炎细胞因子的表达，还调控T细胞的激活、分化及其效应功能 [77] [78] 。NF-κB是二聚体蛋白复合物，由下列五个成员组成，即NF-κB1 (p50及其前体p105)、NF-κB2 (p52及其前体p100)、c-REL、REL A (p65)和REL B [79] ，它们通过组成同源或异源二聚体来调控基因转录。在细胞质中，抑制蛋白IκB与NF-κB结合 [80] ，IkB激酶(IKKα/β和IKKγ/Nemo)会磷酸化IκB蛋白中的两个N-端丝氨酸位点 [81] ，磷酸化的IκB被泛素化后，由蛋白酶体快速降解，从而释放NF-κB二聚体，包括p50/RelA和p50/c-Rel [82] 。活化的NF-κB二聚体进一步转移到细胞核中与白细胞介素-8和其他白介素的基因组上游启动子区域结合，促进这些基因的转录和表达 [80] 。其中，IKKs不仅磷酸化IκB，也磷酸化NF-κB成员分子 [83] 。因此，这些NF-κB成员分子p105，p100，c-Rel和p65以组成型磷酸化的状态存在 [84] [85] [86] 。同时，它们的磷酸化也会在一些刺激物作用下进一步增强 [78] 。例如，用十四烷酰佛波醇乙酸酯、植物血凝素、过氧化氢或TNF-α处理细胞可诱导p105磷酸化 [85] [86] [87] 。NF-κB诱导的转录活性也因辅激活因子的结合而增强 [88] 。

综上所述，白细胞介素-8的表达不止受一种信号分子调控 [29] ，参与其中的还有AP-1和NF-IL-6，其中的机制较为复杂，但主要的调控因子还是NF-κB [29] 。

5. 讨论与结论

巨噬细胞、上皮细胞和其他相关细胞会少量分泌白细胞介素-8，因此，在健康组织中，几乎检测不到其存在，但在促炎细胞因子、细菌或病毒产物以及细胞应激的作用下，其分泌量会增加10~100倍 [57] [58] [63] [89] 。此外，白细胞介素-8受体也在癌细胞、内皮细胞以及肿瘤相关的巨噬细胞等细胞上表达 [29] 。而且在肿瘤中，白细胞介素-8可招募中性粒细胞到肿瘤微环境中 [90] 。因此白细胞介素-8信号因子及其相关的促血管生成CXC趋化因子可作为许多实体瘤，例如，胃、胰腺、黑色素瘤、卵巢、膀胱和前列腺的研究靶点 [29] 。可见，白细胞介素-8除了在免疫生理调控上有重要的功能，在肿瘤疾病治疗方面也具有着重要的应用性与前瞻性。

致谢

诚挚感谢陈正豪老师对论文撰写的指导，及科研经费的支持。

基金项目

本研究得到了浙江省自然科学基金资助项目(LY20C050001)、浙江省自然科学基金资助项目(LQ23C110001)和金华市科技计划项目(KYZ04Y22372)的支持。

参考文献