巨噬细胞中的炎症信号：从急性到耐受和替代激活状态的转变

摘要

急性炎症状态

巨噬细胞急性炎症反应的快速激活是先天免疫和宿主防御的关键部分。急性巨噬细胞活化由感受微生物产物并激活有效炎症信号通路的受体介导。感知微生物产物的关键激活受体包括TLR、NOD样受体（NLR）、RIG-I样受体和C型凝集素受体[1]. 这些受体以及ITAM相关受体和炎性体也能感应内源性“危险”信号，例如组织损伤/降解和细胞坏死引起的信号。此外，急性巨噬细胞活化由炎症细胞因子受体（如TNF）介导。虽然这些受体的近端信号不同，并且产生复杂的信号来微调和聚焦功能反应，但这些受体都激活了对急性激活至关重要的核心炎症信号程序[1]. 这种核心反应包括活化MAPK、NF-κB和IRF转录因子，导致关键细胞因子、趋化因子和炎症介质的瞬时表达(图1A).

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图1

（A） 急性巨噬细胞活化。由MAPK、NF-κB和IRF介导的激活受体下游的核心炎症信号通过诱导转录因子与炎症基因位点结合、组蛋白的乙酰化（Ac）或三甲基化（Me3）等染色质修饰来激活炎症基因表达，以及解雇转录抑制因子，如NCoR。同时，核心炎症信号诱导反馈抑制机制，抑制激活程度并终止信号和基因表达的急性期。反馈抑制由包括IκBa、SOCS1和A20在内的信号抑制剂以及包括STAT3和ATF-3在内的转录阻遏物介导。（B） 过渡到容忍和替代激活。如（A）所述的强烈激活数小时后，在用相同的激活刺激物重新激发时，MAPK、NF-κB和IRF的炎症信号被包括A20、IRAK-M和SHIP的信号抑制剂抑制。此外，炎症基因位点的染色质呈现抑制性结构，包括部分组蛋白赖氨酸残基的乙酰化和甲基化减少。非油化基因的表达被炎症刺激维持并进一步诱导。调控非油性化基因表达的机制尚不清楚，但似乎涉及低水平的核心炎症信号（MAPK）、替代信号通路（GSK3，p50）和允许的染色质重塑。

最近，在炎症基因位点向转录因子和染色质传递信号的重要性得到了重视[2,三] (图1). 转录因子和染色质蛋白的翻译后修饰（在本文中称为“表观遗传调控”）在调节炎症基因表达中起着关键作用。例如，MAPK信号在炎症基因诱导中的一个功能是染色质的修饰，例如通过p38-MSK信号促进组蛋白3在丝氨酸10（H3S10）上的磷酸化，从而消除抑制性染色质标记。此外，MAPKs和NF-κB在炎症基因座中释放前结合转录抑制因子和辅助抑制因子，如Bcl6、NCoR和SMRT中发挥作用[4,5]. 这种对预束缚阻遏物的“消除”消除了阻止炎症基因基线表达的一系列刹车，这种消除促进了对阳性基因激活信号的反应。炎症基因表达与其他染色质修饰相关，如组蛋白乙酰化和甲基化以及核小体重塑，这些修饰打开基因位点并促进转录和转录延伸[2,三,6–8]. 因此，染色质是炎症信号的靶点和转导者，特定染色质蛋白可以作为治疗靶点来抑制炎症[9]. 一个重要的问题是，在巨噬细胞的发育和先前的环境刺激过程中诱导的表观遗传景观如何影响细胞对传入信号的反应，以实现基因特异性和精细定制的基因表达反应([10]并在本文中进行了讨论观点系列[11,12]).

激活后过渡状态：急性炎症信号传导的反馈抑制和终止

强烈的炎症信号（如TLR诱导的信号）同时激活反馈抑制机制，通过减弱炎症信号和基因表达来抑制炎症反应的程度[13] (图1A). 因此，炎症基因的表达天花和伊尔6短暂，在TLR刺激数小时后恢复到基线。炎症受体信号的反馈抑制已被广泛研究，概念上可分为两类：（i）输入信号的终止和（ii）炎症基因表达的主动抑制。输入信号通过受体脱敏和信号抑制剂的诱导而终止，该信号抑制剂也可以通过异源激活受体抑制信号。诱导反馈信号抑制剂的突出例子是抑制多个受体近端信号的SOCS和A20蛋白，以及抑制更多下游信号事件的IκBα和MAPK磷酸酶（称为MKP或DUSP）。SOCS、A20、IκBα和MKP的表达由相同的NF-κB和MAPK途径诱导，它们反馈抑制(图1A).

除了终止阳性信号外，急性炎症反应还诱导了抑制炎症基因表达的积极机制[13]. 这些机制中最确定的是诱导IL-10激活STAT3以抑制炎症基因表达。STAT3的作用机制尚不明确，但STAT3可能通过诱导转录阻遏物间接发挥作用，而转录阻遏物反过来又直接抑制炎症基因[14]. IL-10-STAT3反馈机制的重要性通过其缺失时细胞因子产生和炎症病理的显著增加而得到强调。炎症信号也直接诱导炎症基因的转录抑制因子，如ATF-3[15]; IκBα还通过促进NF-κB组分从细胞核向细胞质的输出来终止NF-kb B靶基因的表达[16]. 最后，炎症基因的表达受到促进mRNA降解和抑制蛋白翻译的微RNA的诱导([17]还有这个观点系列[18])。一个有待研究的有趣问题是，染色质的表观遗传变化在终止炎症基因转录中是否发挥积极或因果作用。

过渡到容忍和替代激活状态

上述“经典”巨噬细胞激活的初始和反馈抑制阶段已经过深入研究，并由相同的核心信号通路介导。虽然激活信号可能会振荡，但在大多数情况下，信号的初始阶段会在两到四个小时后终止。关于“经典”巨噬细胞激活的后续阶段以及介导激活和分化的信号事件，人们知之甚少。巨噬细胞暴露于强烈炎症刺激（如TLR配体）后的一个常见功能结果是形成耐受状态，这种耐受状态大约在刺激后6小时开始，持续数天[19]. 这种状态称为内毒素耐受，其特征是炎症基因诱导无法通过TLR配体的后续激发而激活。因此，许多在初始激活阶段被激活的基因，尤其是那些编码炎性细胞因子的基因，受到抑制，不再可诱导（称为可耐受基因）。耐受性是基因特异性的，因为其他基因，例如编码抗菌肽的基因，在耐受性巨噬细胞的LPS挑战下得到表达和进一步诱导。内毒素耐受的一个明确机制是抑制TLR信号；这种信号传导阻滞是由TLR4的脱敏和IRAK-M、SHIP、SOCS1和A20等抑制近端TLR信号传导的分子的诱导介导的[19] (图1B). 最近的报告表明，染色质水平的调节在内毒素耐受性中起着重要作用[20–22]. 因此，在耐受性巨噬细胞中，炎症基因位点上允许的染色质标记和核小体重塑的诱导受到抑制，可能是由转录阻遏物如NF-κB p50同源二聚体或染色质修饰酶如G9a和HP-1所抑制的[20–23] (图1B). 相反，非油性化基因表现出允许进行基因表达的开放染色质环境。因此，表观遗传调控允许对传入信号和基因特异性调控进行微调。

一个有趣的问题涉及耐受性巨噬细胞的功能表型。基因表达研究表明，编码抗菌蛋白的非耐受性基因的表达表明，耐受性巨噬细胞可以参与宿主防御，同时避免与高细胞因子产生相关的过度毒性。在LPS攻击之前和之后，被耐受的巨噬细胞比未被耐受的巨噬细胞以更高的水平表达大量参与各种巨噬细胞功能的基因[21,23]. 因此，耐受细胞也可能介导与代谢、体内平衡、适应性免疫调节和组织重塑相关的额外巨噬细胞功能。事实上，LPS耐受的巨噬细胞表达基因，如Ccl2、Ccl17、Ccl22和精氨酸酶1，通常由“M2”（或活化的巨噬细胞）表达[23]. TLRs和ITAM相关受体的联合初始刺激导致高IL-10产生和M2相关表型，并表达具有选择性激活或调节巨噬细胞特征的基因子集([24,25]并在本文中进行了讨论观点系列[26])。因此，TLR-tolerized巨噬细胞表达选择性激活，可能与M2巨噬细胞谱上的一个亚型相对应[25–28]. 与暴露于IL-4/IL-13、IL-10或糖皮质激素后向替代激活方向的直接极化相反，TLR配体刺激的巨噬细胞在转化为替代激活表型之前首先经历炎症“M1样”阶段。

将LPS-tolerized巨噬细胞添加到交替激活连续体中，引发了关于“耐受”和“交替激活”状态之间重叠程度的问题，以及TLR配体以外的刺激是否可以诱导“交替激活的”耐受巨噬细胞。我们将这些细胞称为耐受/交替激活的巨噬细胞，并将其定义为在炎症挑战中不产生炎性细胞因子但表达各种其他基因并介导替代功能的细胞。最近的研究表明，免疫复合物通过激活ITAM-相关Fc受体，急性激活短暂炎症的“M1”巨噬细胞表型，生成交替激活的巨噬细胞，在更慢性的抗肿瘤免疫环境中促进血管生成[29]. 肿瘤相关巨噬细胞产生少量促炎细胞因子，从而表达耐受性，这可能有助于免疫抑制的肿瘤环境[27]. 连接具有急性炎症效应的ITAM相关β2整合素也能有效诱导IL-10和信号抑制剂的表达，从而阻断TLR反应，并可能导致耐受/交替激活表型[30]. 最后，经典的炎症细胞因子“M1”TNF在巨噬细胞中诱导耐受状态，阻断TLR4信号传导并抑制炎症基因位点的染色质重塑[31]. 总之，这些研究支持这样一种观点，即各种微生物产物和内源性炎症配体会诱导一种短暂的炎症状态，这种状态会转变为复杂相关但部分不同的表型，这些表型结合了耐受元素（以避免炎性毒性）和替代激活元素（以执行必要的功能）因此，替代激活并不一定存在于光谱的另一端，而是与炎症“M1激活”密切相关，并且可以紧随其后。

一个尚未探索的重要问题是，从急性炎症向耐受状态过渡的信号是什么？上文讨论的一些导致炎症基因表达最初下调的机制可能有助于耐受性的发展，但不能解释：（i）炎症基因位点的持续沉默状态或（ii）在耐受性呼叫中活跃并在LPS攻击后增加的“非耐受性”基因的转录。抑制基因表达持续存在的一种解释是，表观遗传过程，即诱导稳定的非许可染色质状态，发挥了作用；然而，导致非许可染色质环境的机制尚不清楚。鉴于在表观遗传水平诱导耐受需要新的基因表达，确定作为初始炎症反应一部分诱导的基因沉默介质将非常重要。

耐受持续性的另一个线索是，抑制TLR信号的抑制剂，如SHIP、IRAK-M和A20，以及炎症基因位点的阻遏物，如p50和RelB，似乎是由非olerizable基因编码的[19,22,23,31]. 这些抑制剂的表达在耐受期内稳步增加，并且可以通过二次LPS攻击进一步诱导。LPS对非油酸化基因的超诱导依赖于核心炎症MAPK信号[21]，但新出现的证据表明，核心MAPK/经典NF-κB/IRF信号模块以外的信号有助于耐受过程中基因表达的逐渐和持续增加。例如，非经典NF-κB信号传导有助于LPS诱导的耐受[22,23]最近的研究表明，GSK3激酶在持续的A20表达和TNF诱导的耐受中，通常由PI3K-Akt信号调节[31] (图1B). 此外，TNF刺激在1-3天后产生第二波信号，诱导Jun、典型和非典型NF-κB成分以及钙调神经磷酸酶NFAT信号[32]. 总的来说，这项工作表明，在核心炎症信号减弱的同时，出现了第二波替代信号级联，导致耐受/交替激活的巨噬细胞。理解诱导和调节晚相信号的机制以及替代信号的功能相关性是该领域的一个重要挑战。

体内外巨噬细胞转化的调节

从急性炎症转变为耐受/交替激活状态有助于解决急性炎症。如果耐受性是强烈炎症信号的结果，那么在持续感染或慢性炎症性疾病的情况下，炎症是如何维持的？一个答案是，微弱的激活刺激可能无法有效地进行反馈抑制，或者M1细胞因子，如IFN-γ和GM-CSF可以抑制反馈抑制机制[33]，并防止分化为容忍/替代状态([20]以及其中的参考）。反馈抑制和耐受诱导减弱会延长巨噬细胞炎症状态的持续时间。因此，先天性和后天性免疫反应期间产生的细胞因子以及在炎症微环境中表达的细胞因子将调节急性炎症巨噬细胞向耐受性/交替激活的巨噬细胞的转变。另一个答案是，在体内持续的炎症过程中，单核细胞从循环中稳定迁移到炎症部位。我们认为，新到达的急性和经典激活的单核细胞是炎症的重要促成因素，其作用可以通过M1细胞因子和单核细胞分化为炎症Dcs而增强[34] (图2); 然而，在消炎或无菌炎症的情况下，当激活的单核细胞/巨噬细胞在炎症组织中迁移和分化时，它们可以过渡到耐受和交替激活状态。在体内观察到了这种转变[35]，并将确保炎性细胞因子和毒性的数量有限，细胞进化以承担新的功能，例如组织修复。该模型预测炎症部位的巨噬细胞，尤其是慢性炎症部位的细胞，将呈现多种表型，这些表型可能与炎症组织的不同解剖亚区有关。支持这一观点的证据包括与狼疮性肾炎和类风湿性关节炎骨髓细胞解剖位置相关的表型异质性[36,37]. 在后一种情况下，最近迁移的血管周围和亚衬里巨噬细胞可能代表典型的炎症表型，而迁移到衬里层或滑液中的细胞可能具有耐受性或选择性激活表型。

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图2

单核细胞和巨噬细胞进入炎症部位后的分化。进入炎症部位并被TLR、TNFRs或ITAM相关受体强烈激活的单核细胞将进入急性炎症状态（M1），也可以分化为炎症DC。细胞因子如IFN-γ和GM-CSF将维持炎症状态。随着时间的推移和炎症组织的迁移，炎性单核细胞/巨噬细胞转变为耐受性交替激活（Tol/Alt A）状态。在以M2细胞因子表达为特征的替代性炎症部位，单核细胞可以直接过渡到交替激活状态（未描述）。

结束语

目前的巨噬细胞分化范式承认巨噬细胞表型的可塑性，但认为不同表型的极化直接受不同环境线索的调节[25–28,38]. 在这些模型中，以低炎性细胞因子产生为特征的替代激活状态由抑制因子如IL-4/13、IL-10和糖皮质激素直接诱导，并且很容易可逆，包括染色质标记的改变[38–40]. 此外，巨噬细胞分化方案通常不包括经典内毒素耐受性。我们认为巨噬细胞的急性炎症激活状态是短暂的，固有的不稳定，并演变为与选择性激活特征相关的耐受状态。这种转变至少部分是由最初的炎症刺激“编程”的，这种编程是通过诱导对环境线索的不适应性和决定基因表达模式的表观遗传修饰来维持的。我们建议扩展巨噬细胞极化/分化的现有模型，将耐受表型纳入经典活化到替代活化的光谱中。控制耐受表型的信号机制和表观遗传修饰的未来研究将有必要对巨噬细胞功能的调节产生重要见解。

致谢

脚注

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