PI3K在白细胞趋化中的作用

【关键词】 pi3k 白细胞

　　磷酸肌醇3激酶（phosphoinositide 3kinase，pi3k）也称磷脂酰肌醇3激酶（phosphatidylinositol 3kinase，pi3k），是指能够磷酸化磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol，ptdins）及其衍生物肌醇环3位羟基的磷酸激酶。其产物的主要功能是作为膜引导信号介导质膜募聚相应的选择性蛋白。在真核细胞中，pi3k及其调节蛋白转位的功能是相当保守的［1］。基因阻断或增强pi3k活性均对细胞和机体的功能产生较大影响［2，3］。大部分关于pi3k的早期研究主要集中在鉴定能够活化该酶的受体，以及观察激酶活化后继发的细胞应答。后来，学者们对pi3k的下游效应分子进行了鉴定。近些年来，由于实验方法的革新，人们对pi3k的研究取得了长足的进步。如使用基因敲除小鼠有助于分析单个pi3k基因对正常生理功能的影响，荧光探针的制备成功有助于精确定位、定量pi3k催化产物3磷脂酰肌醇在细胞内的分布及水平。目前，大量实验表明pi3k参与介导免疫细胞的多种重要生物学功能，如pi3k在白细胞的趋化、吞噬以及肥大细胞脱颗粒等过程中起重要作用［1，3，4］。炎症反应时，外周血及组织中的大量白细胞在各种化学趋化物的作用下能够迁移、趋化至炎症部位。到达炎症部位的中性粒细胞能吞噬、清除病原体发挥先天免疫和致炎症作用。而单核/吞噬细胞除能发挥以上作用外，还能通过其高效的抗原提呈能力启动获得性免疫。这些白细胞是机体抵御感染性病原体的重要防线。白细胞趋化过程一旦出现障碍，则机体的保护性炎症反应和免疫应答均受到严重影响。可见，白细胞趋化在炎症反应和免疫应答中扮演十分重要的角色。这也使得pi3k与白细胞趋化过程的研究成为学者们密切关注的前沿课题。有鉴于此，本文集中综述了pi3k与白细胞趋化方面的一些研究进展。

　　1 pi3k激酶家族

　　pi3k根据它们的亚单位结构、调节方式和底物选择性可分为ⅰ型、ⅱ型、ⅲ型［2］。ⅰ型又可分为ⅰa和ⅰb两个亚型。ⅰ型pi3k是唯一能将ptdins(4,5)p2转变为第二信使ptdins(3,4,5)p3（也称为pip3）的亚型，由分子量大约为110 kd的催化性亚单位和一个与催化性亚单位紧密相关并能调节其活性和定位的调节性亚单位组成。在哺乳动物细胞，ⅰa亚型存在3个催化性亚单位同工型（p110α、p110β、p110δ），由3个不同基因编码。调节性亚单位由3个基因编码但存在5个同工型（p85α、p85β、p55γ、p55α和p50α）［1］。ⅰb亚型仅存在1个同工型，由催化性亚单位p110γ和调节性亚单位p101组成，其在免疫细胞表达水平较高［2］。ⅰa亚型的调节性亚单位存在多个能调节激酶功能的模块结构域。例如每个同工型均含两个sh2结构域，能够选择性结合ptyrxxmet序列，这一相互作用在激酶活化中起着至关重要的作用。p85α和p85β还存在一个rac结合结构域，亦称为断点聚集区（breakpoint cluster region，bcr）同源（bcr homology,bh）结构域，该结构域与racgaps（gtpaseactivating proteins）同源但缺乏gap活性。另外，p85α和p85β还存在sh3结构域和脯氨酸富含基序，它们也可能参与分子间和分子内的相互作用［1］。在细胞信号转导中最为重要的是ⅰ型pi3k。本文中化学趋化物受体一般活化ⅰa和/或ⅰb pi3k，继而催化产生ptdins(3,4,5)p3。胞浆中的效应器蛋白通过ph（pleckstrin homology）结构域结合ptdins(3,4,5)p3，从而驱动进一步的信号转导。

　　ⅱ型pi3k在哺乳动物细胞有三个催化性亚单位（c2α、c2β、c2γ），且不与调节性亚单位组成性相关［2］。该酶主要是以ptdins为底物催化合成ptdins(3)p。尽管一些实验提示胞外信号能够调节ⅱ型pi3k的活性和定位，但至今对其在免疫细胞受体下游的功能仍了解不多。ⅲ型pi3k在生物中普遍以单同工型存在，其能催化产生ptdins(3)p，可能与吞噬过程有关［4］。

　　2 pi3k与白细胞趋化

　　许多白细胞包括嗜中性粒细胞、嗜酸性粒细胞、巨噬细胞、nk细胞以及t淋巴细胞的趋化过程是pi3k依赖性的。但新近的实验对pi3k在t细胞趋化中的作用提出了质疑［5］。目前，大量的实验表明pi3k抑制剂能够抑制微生物产物（如fmlp）、炎性产物（如c5a）和多种趋化因子诱导的白细胞趋化［1］。pi3k催化产物3磷脂酰肌醇在不同种属细胞中的作用在进化上是非常保守的，它的合成及定位受到精确的调节［6］。使用能够检测ptdins(3,4,5)p3的gfpph融合探针，发现迁移嗜中性粒细胞的导引端（leading edge）存在明显高浓度的ptdins(3,4,5)p3［7］。近些年来，人们开始认识到ⅰ型pi3k的特定同工型参与白细胞趋化过程。利用微量注射特异性催化性亚单位抗体方法，发现ⅰa pi3k同工型p110β和p110δ参与巨噬细胞向集落刺激因子的趋化过程［8］。另外，ⅰa pi3k对于t细胞向某些趋化因子的趋化过程是必需的［9］。在ⅰb pi3k催化性亚单位p110γ的基因敲除小鼠，发现p110γ参与fmlp、c5a和il8诱导的嗜中性粒细胞的趋化反应［1012］。p110γ缺陷小鼠嗜中性粒细胞和巨噬细胞的体外趋化能力以及缺陷小鼠体内白细胞的趋化能力均大大减弱。p110γ缺陷嗜中性粒细胞导引端rac的活化以及factin的积累也受到影响［11，13］。可见，pi3k及其特定的同工型参与多种白细胞的趋化过程。

　　一般在趋化反应中有三个主要过程。第一、细胞极化产生导引端和尾端；第二、细胞运动速度加快；最后，细胞向化学趋化物方向运动。很明显，细胞极化是趋化反应中的关键环节。极化不仅让细胞运动速度加快，而且能使细胞察觉和感知某个方向上化学趋化物梯度的特性。趋化白细胞的很多分子是极化分布的。一些位于信号通路头端的极化分子是细胞极化过程的关键控制部位［14］。pi3k抑制剂能阻断一部分分子的极化，但不能阻断全部［15］。由于pi3k参与白细胞趋化过程且其催化产物3磷脂酰肌醇在趋化细胞呈极化分布，再加上细胞极化是趋化反应的中心环节，因此，关于pi3k调节趋化细胞极化过程的研究一直是非常重要的前沿课题，也是本文将在下面详细讨论的问题。

　　许多化学趋化物受体属于g蛋白偶联受体（gproteincoupled receptor，gpcr）超家族。g蛋白成分βγ（gβγ）在趋化反应信号转导中是至关重要的，但尚不能排除g蛋白α亚单位的作用［14］。gβγ能在趋化细胞导引端积累到一定程度，且依赖于极化的其他分子（可能是肌动蛋白为基础的细胞骨架）［16］。g蛋白解离能激活多个下游的效应靶蛋白。其中rho家族gefs和ⅰ型pi3k两个靶蛋白在协调细胞极化过程中可能起着中心作用，因为它们在信号通路的早期起作用，而且它们的效应输出是高度甚至可能是完全极化的［4］。由于rho家族gtp酶也参与调节趋化白细胞的极化过程，且其和pi3k之间存在密切的关系，故除了重点讨论pi3k外，也对rho家族gtp酶在调节白细胞极化过程中的作用作一介绍。

　　3 rho家族gtp酶与趋化白细胞的极化调节

　　rho家族gtp酶成员rac参与白细胞的极化和趋化过程。另一成员cdc42在细胞极化中的作用尚不太明确，它可能参与校正细胞运动至化学趋化物浓度梯度方向［17］。g蛋白（最可能是gβγ）活化这些gtp酶的机制仍不是很清楚。因为在哺乳动物细胞至今尚未发现g蛋白成分能直接激活这些酶的选择性gefs。

　　实验表明，rac和cdc42一旦被活化，它们就能够驱动趋化细胞导引端质膜附近肌动蛋白的局部多聚化。这可能是由于rac和/或cdc42募聚了肌动蛋白结合蛋白wasp（wiskottaldrich syndrome protein），它反过来能结合并活化arp（actinrelated protein）复合体［4］。该复合体由arp2、arp3和5种其他蛋白构成，在体内和体外均能促进肌动蛋白的多聚化。在趋化的嗜中性粒细胞，有学者发现多聚化的肌动蛋白是极化分布的，而且能够招募arp复合体［18］。新肌动蛋白丝的形成可能与肌动蛋白结合蛋白进一步转位至导引端有关［19］。可见，rho家族gtp酶驱动肌动蛋白多聚化的过程是一个类似正反馈的过程。这一家族激酶通过诱发并驱动极化的肌动蛋白多聚化在趋化白细胞的极化调节中扮演重要角色。另外，由于rac可能参与调节pi3k的活性，故rho家族gtp酶也可能通过间接调节pi3k的活性参与细胞的极化调节（详见下）。

　　4 ⅰ型pi3k与趋化白细胞的极化调节

　　gβγ亚单位能够直接激活ⅰb pi3k。有趣的是，gβγ亦能够驱动白细胞中ras的快速活化，但机制尚不清楚。激活的ras与其他调节子（如gβγ）协同作用能激活所有的ⅰ型pi3k，故这可能是一个激活pi3k的重要因素［2］。新近发现，ras在趋化细胞的导引端能被迅速、短暂活化，且不依赖factin细胞骨架，而pi3k的定位依赖factin细胞骨架。抑制ras活化则细胞定向运动出现严重缺陷，提示局部ras信号可能通过活化质膜上的pi3k和其他趋化所必需的ras下游效应分子来介导细胞导引端的形成。局部多聚化的factin能募聚胞浆pi3k至导引端放大信号，从而形成一个正反馈环路。可见，导引端的ras信号能调节pi3k活性、细胞极性以及细胞定向运动［20］。

　　一般认为ⅰ型pi3k的活化部位即是ptdins(3,4,5)p3和ptdins(3,4)p2出现的部位。在嗜中性粒细胞中异源表达gfpph融合探针，发现ptdins(3,4)p2和ptdins(3,4,5)p3在细胞导引端迅速积累［7］。抑制rho家族gtp酶（最可能是rac或cdc42）的功能能够阻断ptdins(3,4,5)p3的极化积累［7，14］，提示rho家族gtp酶作用于ⅰ型pi3k的上游。然而它们活化后是否足以产生极化的ptdins(3,4,5)p3和/或赋予pi3k信号通路以极性仍不是十分确切。由于化学趋化物可以以极化的、pi3k非依赖性的方式活化rac和/或cdc42（见上），因此，这一输入信号可能在pi3k信号通路中起着非常重要的极化作用。

　　在某些情况下，rac在ⅰ型pi3k的下游被激活，故rac依赖性活化ⅰ型pi3k可能是pi3k极化信号放大的一个正反馈环路［2，14］。最近，学者们对ptdins(3,4,5)p3在趋化细胞导引端极化积累的机制进行了研究［21，22］。结果发现输送外源性ptdins(3,4,5)p3到嗜中性粒细胞后能诱导一个正反馈环路，通过内源性pi3k产生更多的ptdins(3,4,5)p3，推测可能是ptdins(3,4,5)p3依赖性激活了rho家族g蛋白（可能是rac），其反过来再活化pi3k。rac能够以ptdins(3,4,5)p3依赖性的方式结合gtp。有学者利用这一特点从嗜中性粒细胞提取物中提纯了racgef prex1［23］。prex1存在一个ph结构域，但尚未证实能介导ptdins(3,4,5)p3的效应。gβγ能促进prex1的活化，且反义抑制prex1能够抑制rac依赖性合成过氧化物的过程，提示prex1参与gpcr下游rac的活化，且该活化过程是ptdins(3,4,5)p3依赖性的［24］。综上，似乎prex1、rac、局部多聚化的factin、ⅰ型pi3k、ptdins(3,4,5)p3组成了一个复杂的正反馈环路。这一环路可能在放大pi3k信号中起着至关重要的作用。

　　目前，对于导致ptdins(3,4,5)p3极化积累的具体、详细机制仍不是特别清楚。由于局部的ptdins(3,4,5)p3能够募聚多种ptdins(3,4,5)p3结合蛋白，因而ptdins(3,4,5)p3的极化积累可能是趋化细胞极化调节中的一个关键环节。许多分子的极化就发生在这个环节的下游。例如，pkb能在白细胞导引端迅速积累，这可能是因为pkb通过其ph结构域结合ptdins(3,4,5)p3和/或ptdins(3,4)p2而被磷酸化激活（在哺乳动物细胞通过磷脂酰肌醇依赖的蛋白激酶1）［2，7，19］。趋化细胞是明显极化的。一些分子甚至仅定位于导引端。化学趋化物极小的浓度梯度变化即可引起明显的细胞极化。目前认为，pi3k信号极化放大可能是上述正反馈环路作用的结果，或者是不同极化信号整合作用的结果。但最可能是两者均起作用。总之，pi3k通过催化产生极化分布的ptdins(3,4,5)p3募聚多个下游靶分子，继而进一步调节细胞的极化过程。但这些被ptdins(3,4,5)p3募聚、活化的靶分子在趋化反应中的作用尚有待于进一步明确。

　　5 结语

　　目前，关于pi3k与趋化方面的研究主要集中在嗜中性粒细胞、巨噬细胞和淋巴细胞。尽管大量的实验结果表明，pi3k在趋化反应中扮演着十分重要的角色，但目前的研究还不够深入，仍有许多重要的问题有待于进一步解决。例如，不同pi3k同工型在调节细胞极化中的相互关系是怎样的？导致ptdins(3,4,5)p3极化积累的确切机制是什么？ptdins(3,4,5)p3下游靶分子在趋化反应中扮演着什么样的角色？这些问题的解决将有助于我们进一步深入了解白细胞趋化的分子机制，并可能为临床上白细胞趋化障碍的病人提供一些干预治疗措施。相信进一步深入研究pi3k在白细胞趋化中的作用机制具有重要的病理、生理意义，并有一定的临床应用前景。

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