《Biocell》：Natural Killer Cell Cytotoxicity: STAT3 Interactions with NF-
κB Dimer Composition Modulate Mitochondrial Melatonergic Pathway: Tumor, and Viral Infection Treatment Implications#
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本文系统探讨了调节自然杀伤（NK）细胞功能的核心机制，重点关注昼夜节律过程、芳烃受体（AhR）及迷走神经的作用。文章创新性地提出，NK细胞内源性线粒体褪黑素通路可能受信号转导和转录激活因子（STAT）3与核因子κB（NF-κB）二聚体组成相互作用的调控。这一通路的激活或抑制，不仅影响NK细胞对肿瘤细胞和病毒感染的细胞毒性，还通过褪黑素的流出调控肿瘤微环境中的免疫检查点（如PD-L1），从而在癌症预防、免疫治疗增效及延缓衰老相关疾病（如神经退行性疾病）方面具有深远的研究与临床意义。
1. 引言
自然杀伤（NK）细胞清除新生肿瘤的能力早已被认知，但其全部潜力尚未被充分开发。肿瘤已发展出通过增加吲哚胺2,3-双加氧酶（IDO）将色氨酸转化为犬尿氨酸的机制来抑制NK细胞和CD8+T细胞，活化的犬尿氨酸外流激活NK细胞上的芳烃受体（AhR），诱导其进入“耗竭”状态。这种状态的特征是无法上调糖酵解，并伴随程序性细胞死亡（PD）-1等免疫检查点的上调。驱动NK细胞表型改变的进程尚待阐明，但涉及上调糖酵解产能能力的抑制，而这是NK细胞发挥有效细胞毒性能力（尤其是在预防肿瘤发生方面）所需的。
多种因素与NK细胞功能改变相关，包括信号转导和转录激活因子（STAT）3和核因子κB（NF-κB）二聚体组成。STAT3在酪氨酸705位点（经典的核转位）和丝氨酸727位点（非经典的线粒体转位）被磷酸化激活，产生截然不同的后果。STAT3Tyr705与NF-κB二聚体组成相互作用，可抑制或激活褪黑素通路，这取决于不同细胞类型中不同的NF-κB二聚体组成。褪黑素通路的上调/下调可能发生在细胞核和/或线粒体中。因此，细胞核STAT3与NF-κB的相互作用可能直接调节核内褪黑素通路基因，或调节导致STAT3Ser727线粒体转位的激酶。STAT3Ser727与14-3-3蛋白结合，限制了14-3-3在线粒体中的可用性，从而影响了14-3-3对芳烷基胺N-乙酰转移酶（AANAT）的稳定作用，而AANAT是启动线粒体褪黑素通路所必需的。因此，STAT3与NF-κB二聚体组成的相互作用是决定褪黑素通路诱导或抑制的强大因素。
图中展示了经典的、核转位的pSTAT3Tyr705如何与细胞核NF-κB二聚体组成相互作用，以上调或下调褪黑素通路，其中NF-κB二聚体成分具有细胞特异性。褪黑素通路可能在细胞核中被诱导，但更可能存在于线粒体中，超过98%的松果体细胞褪黑素在线粒体中产生。核（绿色阴影）转位的STAT3Tyr705与NF-κB二聚体成分（如p65/50和p50/p50）相互作用，刺激或抑制褪黑素通路，其具体效应部分取决于细胞类型。核STAT3Tyr705与NF-κB二聚体成分的相互作用也可能调节非经典的、线粒体转位的pSTAT3Ser727，包括改变磷酸化和激活pSTAT3Ser727的特异性激酶。在不同细胞类型中，线粒体pSTAT3Ser727调节线粒体功能的许多核心方面，包括：1）线粒体相关膜（MAMs），它强力决定内质网来源的Ca2+流入线粒体，这是改变线粒体功能的关键驱动因素；2）pSTAT3Ser727结合并减弱线粒体14-3-3的可用性。14-3-3是稳定AANAT所必需的，因此对启动褪黑素通路至关重要。因此，减弱14-3-3的可用性（包括通过miR-7、miR-375和miR-451）会抑制褪黑素通路；3）在一些细胞中，线粒体pSTAT3Ser727可以与LETM1结构域包含蛋白1（LETMD1）形成正反馈循环，从而调节线粒体Ca2+和K+流；4）pSTAT3Ser727的线粒体转位增强了NLRP3炎症小体、NF-κB和p65的线粒体转位，从而影响细胞核和线粒体中的模式化基因表达。这些促炎过程将通过增加白细胞介素（IL）-6和NLRP3炎症小体诱导的IL-1β和IL-18释放，对局部微环境中紧邻的细胞产生影响，驱动邻近细胞的炎症过程。
STAT3和NF-κB二聚体组成是NK细胞细胞毒性调节的重要方面。STAT3可以增强或抑制NK细胞毒性，其变异性被认为由宿主细胞特异性因素介导。由于NF-κB二聚体组成也调节NK细胞毒性，其中NF-κB成分c-Rel增加穿孔素和颗粒酶B的表达以增强NK细胞毒性，这表明STAT3与NF-κB的相互作用可能调节NK细胞的内源性褪黑素通路，正如在其他几种细胞类型中所示。在巨噬细胞中，从促炎性M1样表型的转变是由NF-κB c-Rel增加褪黑素产生和外流驱动的，其自分泌效应使巨噬细胞转变为M2样表型。外源性褪黑素早已被认为可以增加NK细胞毒性，部分通过JAK3/STAT5激活从而增加T-bet介导。这表明STAT3与NF-κB二聚体组成的相互作用可能通过调节NK细胞内源性褪黑素通路来调节NK细胞功能。
NK细胞毒性随昼夜节律和衰老而变化。这表明衰老相关的松果体褪黑素变化及其与睡眠后半段皮质醇升高的相互作用在调节NK细胞功能中发挥作用。由于衰老与松果体褪黑素在青春期至90岁之间急剧下降10倍相关，夜间松果体褪黑素可用性的降低将调节STAT3和NF-κB，以及许多可以磷酸化经典和非经典STAT3的激酶。褪黑素通常抑制STAT3磷酸化，这表明衰老过程中松果体褪黑素的丧失可能与包括NK细胞在内的体细胞褪黑素通路调节的改变密切相关。松果体褪黑素的丧失也可能解除对更广泛的皮质醇系统作用的抑制，包括在调节NK细胞NF-κB和IL-6诱导的JAK/STAT3方面。这些数据表明，衰老过程中夜间抑制和重置的变化将调节NK细胞，影响其功能和细胞毒性能力。
2. 衰老过程中夜间抑制和重置的昼夜节律变化
衰老和衰老相关疾病中松果体褪黑素的丧失解除了糖皮质激素受体（GR）-α的抑制，从而改变了包括免疫细胞在内的体细胞在夜间被抑制和重置的方式，对一系列不同的、衰老相关的疾病（包括神经退行性疾病和癌症）产生影响。这也与加速衰老的进程相关，例如2型糖尿病（T2DM），其中松果体褪黑素可能因肠道通透性增加和循环脂多糖（LPS）升高而受到抑制，LPS激活松果体小胶质细胞上的Toll样受体（TLR）4，增加肿瘤坏死因子（TNF）α从而抑制松果体褪黑素。由于松果体褪黑素抑制肠道通透性和相关的肠道菌群失调，衰老过程中松果体褪黑素的丧失将产生更广泛的系统性影响，包括通过抑制肠道微生物组短链脂肪酸丁酸盐，丁酸盐与褪黑素一样，抑制细胞质GR-α核转位并系统性地优化线粒体功能。因此，松果体褪黑素抑制可能与更广泛的系统性变化有关，这些变化进一步解除了对GR-α的抑制，导致更广泛的皮质醇系统改变，包括GR-β/GR-α比率增强，以及GR定位位点（可以是细胞质、质膜、线粒体膜和/或线粒体基质）的改变。GR-β和GR-α存在于NK细胞中，就像存在于其他循环白细胞中一样，癌症和病毒感染中明显的促炎细胞因子升高会增强GR-β/GR-α比率。GR-β/GR-α比率增加（在男性中更为明显）会抑制皮质醇和皮质类固醇抑制炎症活动的能力，这至少部分是由GR-β减弱GR-α抑制NF-κB的能力所介导的。需要研究GR-β/GR-α比率的增加是否会调节特定的NF-κB二聚体组成，从而影响褪黑素通路是上调还是下调。
图中展示了松果体褪黑素如何随衰老急剧下降，而T2DM抑制松果体褪黑素，加速了衰老相关的变化。在衰老过程中，夜间和早晨的皮质醇觉醒反应（CAR）水平保持相似。重要的是，受抑制的褪黑素与皮质醇效应相互作用。这可以通过几种方式发生，包括褪黑素抑制肾上腺皮质醇产生，以及抑制细胞质糖皮质激素受体（GR）-α的核转位（皮质醇的大部分效应是通过GR-α研究的）。因此，衰老和T2DM过程中松果体褪黑素的抑制可能解除皮质醇对体细胞和系统（包括NK细胞）如何为即将到来的一天做准备的影响。增强的GR-α激活（对促炎细胞因子）会增加11β-羟基类固醇脱氢酶1（11β-HSD1）和局部皮质醇的产生。增强的GR-α会导致负反馈，包括GR-β的诱导，从而减弱GR-α的激活，同时GR-β对转录有独立影响，并抑制GR-α抑制NF-κB的能力。衰老/T2DM如何抑制褪黑素调节GR的定位位点尚不清楚，但可能会给衰老和加速衰老条件下夜间抑制和重置过程中发生的变化增加另一层复杂性。
松果体褪黑素和皮质醇系统的变化对所有体细胞（包括NK细胞）的调节都有影响。褪黑素可以上调或下调经典和非经典STAT3，并调节NF-κB二聚体组成，这表明松果体褪黑素可能通过几种可能依赖于特定细胞和情况的方式来调节线粒体褪黑素通路。与褪黑素对NK细胞功能和细胞毒性的刺激作用相反，皮质醇通过GR-α抑制NK细胞毒性，并可以表观遗传地增加NK细胞水平和促炎细胞因子（包括IL-6）的外流，IL-6是JAK/STAT3通路的主要诱导剂。因此，夜间皮质醇/褪黑素比率升高将抑制NK细胞功能，这是衰老细胞积累的重要因素，因为NK细胞对衰老细胞的免疫监视很重要，对新生肿瘤细胞也是如此。因此，衰老相关的夜间昼夜节律抑制和重置的变化将对NK细胞功能的更广泛方面产生影响，包括加剧衰老相关的“炎症衰老”增加。
3. 芳烃受体和犬尿氨酸通路
肿瘤来源的犬尿氨酸激活NK细胞上的芳烃受体（AhR）是肿瘤细胞和病毒感染的主要目标，因为它可以诱导NK细胞进入“耗竭”状态，尽管AhR对NK细胞毒性的影响复杂且多变。肿瘤通过促炎细胞因子诱导的吲哚胺2,3-双加氧酶（IDO）和11β-HSD1衍生的皮质醇激活GR-α来诱导色氨酸2,3-双加氧酶（TDO），从而实现NK细胞“耗竭”。IDO和TDO将色氨酸转化为犬尿氨酸，由肿瘤和病毒感染的细胞释放，通过AhR激活抑制NK细胞。AhR通常表达在细胞质中，激活后转位到细胞核，调节多种基因。AhR也表达在线粒体膜上，有限的数据表明它在其他细胞中调节电压依赖性阴离子通道（VDAC）1，从而调节线粒体Ca2+流。
AhR激活还通过上调细胞色素P450（CYP）1B1和CYP1A2来调节褪黑素通路，它们可以羟基化褪黑素和/或将褪黑素O-去甲基化为其前体N-乙酰褪黑素（NAS），从而抑制褪黑素水平和可用性。将褪黑素O-去甲基化为NAS在癌症中可能尤其成问题，因为NAS通过激活脑源性神经营养因子（BDNF）受体酪氨酸受体激酶（Trk）B来模拟BDNF。如果在AhR激活诱导的“耗竭”过程中，NAS由NK细胞和CD8+T细胞释放，那么NK细胞和CD8+T细胞不仅可能被抑制杀死癌细胞，还可能通过NAS激活TrkB（尤其是在癌症干细胞样细胞上）提供营养支持，因为TrkB激活会增加增殖和存活。因此，AhR在NK细胞中的作用可能比通常建模的复杂得多，如果褪黑素通路存在于NK细胞中（这似乎很有可能）。
AhR在NK细胞调节中的作用因AhR调节STAT3和NF-κB而进一步复杂化，这在多种细胞类型中都有显示。AhR与NF-κB（包括NF-κB成分p65和RelB）存在密切的交互作用，这增加了IL-22，从而增强了肿瘤细胞的存活和增殖。AhR激活可以增加NF-κB诱导的促炎细胞因子和趋化因子，包括IL-6，而IL-6是JAK/STAT3通路的主要诱导剂。AhR也可以直接调节NF-κB激活，同时AhR激活也可以调节STAT3，表明存在复杂的相互作用。因此，AhR可以对STAT3与NF-κB二聚体组成的相互作用产生复杂影响，从而影响线粒体褪黑素通路。这可能与AhR激活NK细胞抑制线粒体褪黑素通路相一致，包括通过核STAT3与NF-κB二聚体组成的相互作用和/或STAT3Ser727线粒体转位，从而导致NK细胞“耗竭”。这需要实验研究，结合线粒体褪黑素通路可能有助于更全面地理解AhR始终“复杂”的效应。
图中的七个点（红色编号方块）强调了调节色氨酸-褪黑素通路的因素如何调节NK细胞。（1）AhR调节STAT3和NF-κB二聚体组成，因此可能与褪黑素通路调节密切相关，包括通过STAT3Ser727抑制14-3-3稳定AANAT。（2）AhR/CYP1B1/CYP1A2将褪黑素O-去甲基化为NAS并羟基化褪黑素，以抑制褪黑素的可用性/效应，同时增加NAS，如果释放，可以激活TrkB以增加肿瘤干细胞的存活和增殖，表明“耗竭”的NK细胞可能矛盾地成为肿瘤细胞的营养支持来源。（3）AhR与NF-κB的相互作用可以增加促炎细胞因子，如IL-6，从而激活JAK/STAT3通路以诱导STAT3与NF-κB二聚体组成的相互作用，同时增加IDO和色氨酸向犬尿氨酸的转化以激活AhR。（4）高血糖衍生的甲基乙二醛，通过与色氨酸的蛋白质-蛋白质相互作用，不仅抑制色氨酸，还抑制色氨酸衍生的犬尿氨酸通路产物（这些产物可以激活AhR），从而改变AhR激活的后果。（5）饮食（可能还有肠道莽草酸通路）对色氨酸可用性至关重要，因此对于GR诱导的TDO和细胞因子诱导的IDO将色氨酸转化为犬尿氨酸所需的色氨酸也至关重要。（6）松果体褪黑素和肠道微生物组衍生的丁酸盐与促炎细胞因子和GR激活具有相互负向作用，松果体褪黑素和肠道丁酸盐还增加去乙酰化酶Sirtuin-3，从而解除对丙酮酸脱氢酶复合体（PDC）的抑制，增加线粒体乙酰辅酶A，用于将血清素转化为NAS以启动褪黑素通路。（7）作用于调节色氨酸-褪黑素通路的因素与NK功能以及NK细胞与局部微环境细胞相互作用的变化密切相关，因此也与稳态的细胞间相互作用密切相关。
4. 迷走神经、褪黑素通路和NK细胞
如图2所示，减弱的松果体褪黑素对衰老和加速衰老条件（如T2DM）下的细胞和系统过程有重大影响。除了褪黑素直接的抗氧化、抗炎和优化线粒体作用丧失外，这对更广泛的抑制过程有许多影响，包括迷走神经激活，褪黑素可能直接并通过褪黑素诱导催产素来诱导迷走神经激活。松果体褪黑素和肠道微生物组衍生的丁酸盐对GR-α的抑制减弱，增强了皮质醇对GR-α的激活，这可能对迷走神经功能产生复杂影响，包括抑制其功能。然而，这可能因GR-α和GR-β以及GR定位位点（细胞质、质膜、线粒体膜和/或线粒体基质）上皮质醇作用的解除抑制而变得复杂，其多样化效应取决于GR亚型和位点。皮质醇效应升高，就像促炎细胞因子水平升高一样，通过11β-HSD1诱导局部产生。因此，皮质醇的许多差异化效应可能发生在皮质醇水平本身没有任何持续升高的情况下，而皮质醇水平本身受到松果体褪黑素和肠道丁酸盐抑制的显著调节，最终导致迷走神经诱导的抑制和重置（包括夜间）的改变。
昼夜节律中迷走神经的抑制效应是由乙酰胆碱（ACh）释放驱动，ACh激活ACh受体，尤其是α7烟碱型乙酰胆碱受体（α7nAChR）。α7nAChR通常抑制免疫细胞活化，部分通过上调特异性促消退介质（SPMs）介导，SPMs被认为直接或通过IL-10驱动NF-κB二聚体成分组成的转变，导致NF-κB二聚体与核pSTAT3相互作用以上调褪黑素通路。迷走神经激活增加巨噬细胞中IL-10的产生，这是通过局部褪黑素的诱导、释放和自分泌效应介导的，而释放的IL-10通过可能由STAT3与NF-κB相互作用诱导线粒体褪黑素通路（如其他细胞类型中所示）来增加NK细胞毒性。松果体褪黑素还增加α7nAChR，这是松果体褪黑素抑制减弱炎症消退过程中系统性迷走神经抑制的另一个方面。
迷走神经也调节NK细胞功能，迷走神经切断术会减少NK细胞数量。数据表明，迷走神经刺激减少转化生长因子（TGF）-β1和巨噬细胞极化，从而间接（也可能更直接地）增加NK细胞毒性。迷走神经激活也增加CD8+T细胞毒性，表明迷走神经刺激在肿瘤微环境中具有更广泛的益处。最近的一项荟萃分析显示，迷走神经激活抑制与癌症患者总生存期降低相关，而迷走神经刺激被认为在肿瘤管理中具有益处，包括通过下调IL-6治疗多形性胶质母细胞瘤（GBM）。迷走神经对IL-6的抑制具有多种后果，包括减弱IL-6/JAK/STAT3通路以及STAT3与NF-κB二聚体组成在调节线粒体褪黑素通路中的相互作用。因此，迷走神经是抗炎过程的重要贡献者，包括在夜间抑制和重置过程中，从而与松果体和局部褪黑素的调节密切相关。这与数据显示肿瘤从夜间过程的改变中出现有关，包括衰老相关的松果体褪黑素产生减少。
松果体褪黑素（通过松果体隐窝和第三脑室）以及外源性褪黑素诱导催产素，催产素不仅激活迷走神经，还可能通过强力调节NK基因复合体中的C型凝集素样受体（CTLRs）直接调节NK细胞，CTLRs显著调节NK细胞功能，就像在其他免疫细胞中一样。松果体褪黑素（包括通过催产素）如何调节迷走神经以改变炎症活动如图4所示。重要的是，与褪黑素/催产素/迷走神经刺激对大多数免疫细胞的抗炎作用相反，褪黑素/催产素/迷走神经刺激增强NK细胞数量和细胞毒性。由于迷走神经刺激的抗炎作用需要在炎症部位上调局部褪黑素产生，由褪黑素/催产素/迷走神经ACh/α7nAChR/SPMs/NF-κB二聚体组成与sSTAT3的相互作用介导，因此褪黑素通路的局部调节将决定迷走神经效应。褪黑素/催产素/迷走神经刺激的NK激活效应是否同样依赖于NK细胞中褪黑素通路的诱导，将是一个重要的研究点。
图中展示了松果体褪黑素如何直接（尤其是通过增加室旁核（PVN）催产素）激活迷走神经，迷走神经释放乙酰胆碱（ACh）到几种ACh受体上，包括α7nAChR。α7nAChR的激活通常会抑制免疫炎症活动，这是通过上调特异性促消退介质（SPMs）介导的，SPMs改变NF-κB二聚体组成，使NF-κB能够与核STAT3相互作用以上调褪黑素通路，从而驱动炎症消退。这将是迷走神经激活增加NK细胞数量和细胞毒性的一种机制，后者主要由局部褪黑素驱动，就像昼夜节律中的松果体褪黑素一样。由于松果体褪黑素增加α7nAChR，这可能是抑制的松果体褪黑素调节更广泛的抑制和重置过程（包括通过迷走神经及其对NK细胞的调节）的另一条途径。松果体和迷走神经驱动的局部褪黑素也有助于维持肠道屏障的完整性，从而减少肠道菌群失调和循环脂多糖，同时增加肠道微生物组衍生的丁酸盐，从而增强NK细胞毒性。
5. 未来研究启示
NK细胞中是否存在褪黑素通路？如果存在，它是否受经典和非经典STAT3与NF-κB二聚体组成相互作用的调节，从而调节NK细胞色氨酸-褪黑素通路？如果NK细胞中存在褪黑素通路，NAS和褪黑素的效应是内分泌和/或线粒体内的，还是NAS和/或褪黑素被外流以产生自分泌和旁分泌效应，就像在巨噬细胞和小胶质细胞中发生的那样？
IL-10对NK细胞毒性的普遍刺激作用（通过增加氧化磷酸化和糖酵解）是否由经典和非经典STAT3与NF-κB二聚体组成的相互作用改变介导，从而诱导NK细胞线粒体褪黑素通路，正如在其他细胞类型中所示？
褪黑素/催产素/迷走神经刺激的NK激活效应是否依赖于NK细胞中褪黑素通路的诱导，类似于临床前模型中迷走神经诱导的局部褪黑素在抑制炎症过程中的作用？
迷走神经中是否存在线粒体褪黑素通路？如果存在，它是否受STAT3与NF-κB二聚体组成相互作用的调节？假设的迷走神经褪黑素通路的调节是否会调节迷走神经功能，从而调节身体器官和组织中的系统性抑制和重置？
NK细胞上的AhR激活是否会抑制线粒体褪黑素通路，包括通过核STAT3
