综述：常见γ链/白细胞介素-2家族细胞因子受体的分子调控

《Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research》：Molecular regulation of common γ-chain / Interleukin-2 family cytokine receptors

本文深入探讨了免疫系统中的关键调节因子——常见γ链（γc）家族细胞因子（包括IL-2、IL-4、IL-7、IL-9、IL-15、IL-21）受体的复杂调控网络。文章聚焦于翻译后修饰机制，系统阐述了可溶性受体、糖基化、内吞降解及家族内“串扰”如何精细调控这些受体的功能、表达与信号转导，并展望了这些调控机制在自身免疫、免疫缺陷、肿瘤及炎症性疾病治疗中的应用前景，为开发靶向γc家族细胞因子信号通路的新型疗法提供了重要的理论依据。

　　

在复杂的免疫系统中，细胞间通讯依赖于一类称为细胞因子的小分泌蛋白。其中，常见γ链（γ_c）家族，也称为白细胞介素-2（IL-2）家族，已成为免疫反应的关键调节者。这个家族包括IL-2、IL-4、IL-7、IL-9、IL-15和IL-21，它们因共享使用γ_c（CD132）作为其受体亚基之一而被归为一类。这些细胞因子通过调节不同免疫细胞的分化、增殖和功能，执行多效性功能，并参与多种病理机制。每个细胞因子的复杂功能取决于共享和独特受体的表达。本文描述了γ_c家族受体如何被调控，重点关注翻译后机制。

1. 可溶性受体的调控

细胞因子受体的调控不仅限于其在细胞表面的表达，还包括可溶性形式的产生。可溶性细胞因子受体可通过两种不同机制产生：(1) 膜结合受体的蛋白水解切割（称为胞外域脱落），或 (2) 由不同mRNA转录本产生的、缺乏跨膜结构域的替代剪接受体变体。在这些机制中，蛋白水解切割是研究最深入的机制，已发现多种蛋白酶参与细胞因子受体的切割。可溶性细胞因子受体保留与其同源配体结合的能力，从而影响细胞因子的功能。它们可以作为诱饵抑制细胞因子，或通过将配体携带至信号转导受体而发挥激动作用。此外，细胞因子与其可溶性受体的结合还可以改变配体的稳定性。几乎所有γ_c家族成员的可溶性受体都已在人血清中发现，它们以中等至高亲和力保留与其同源配体结合的能力。

可溶性γ_c（sγ_c）在小鼠血清中发现，主要通过替代剪接产生，且在T细胞受体（TCR）激活后上调。重组sγ_c在体外可抑制IL-2、IL-4、IL-7和IL-9。体内，sγ_c的转基因过表达损害了T细胞发育，这主要归因于IL-7信号受损。相反，sγ_c缺陷小鼠由于IL-2活性更高而显示Th17细胞减少，因此在实验性自身免疫性脑脊髓炎（EAE）模型中症状较轻。

可溶性IL-2Rα（sIL-2Rα）存在于健康个体的血清中，并在多种疾病中升高。sIL-2Rα主要通过膜结合受体的胞外域脱落产生，主要来自T细胞表面。几种蛋白酶已被证明能够切割IL-2Rα，包括金属蛋白酶ADAM10和ADAM17，它们分别负责IL-2Rα的组成型和诱导性脱落。sIL-2Rα的生物学功能尚未完全清楚，因为激动和拮抗功能均有描述。目前的假设是，sIL-2Rα的功能取决于细胞表面IL-2Rα的量，这决定了受体复合物对IL-2的亲和力，表明可能存在细胞类型特异性效应。

可溶性IL-2Rβ存在于淋巴样细胞系上清液和人血清中。机制上，相关的金属蛋白酶ADAM10和ADAM17均可切割T细胞上的IL-2Rβ。关于sIL-2Rβ的生物学功能知识非常有限。一项早期研究报告称，sIL-2Rβ以低于家族中其他可溶性受体的亲和力与IL-2结合，并且中和IL-2信号需要sIL-2Rβ和sγ_c两者。

可溶性IL-4Rα（sIL-4Rα）也在人血清中检测到。在体外，该受体从活化T细胞上的切割是由金属蛋白酶介导的，尽管负责IL-4Rα切割的特定酶仍然未知。有趣的是，IL-4也被发现可诱导T细胞释放sIL-4Rα。sIL-4Rα最初被描述为在体外对人B细胞和T细胞中膜结合受体的拮抗剂。然而，后来的研究描述了sIL-4R在体外的激动作用，并发现可溶性受体的生物学功能取决于与IL-4的比例。重要的是，sIL-4R的这种剂量依赖性效应也在小鼠体内得到报道，表明sIL-4R的生物学功能可能是环境依赖性的，类似于在sIL-2Rα中观察到的情况。值得注意的是，重组sIL-4Rα在哮喘患者的临床试验中显示出缓解症状的效果，表明其具有抑制功能。

可溶性IL-7Rα（sIL-7Rα）存在于人血浆中，主要通过替代剪接产生。这种剪接变体缺少编码跨膜区的第6外显子，并包含一个移码，导致C末端有26个氨基酸，这是替代剪接可溶性形式所独有的。sIL-7Rα的量受遗传因素调控。IL-7诱导sIL-7Rα释放增加，这可能部分是由于蛋白水解作用，因为它伴随着表面IL-7Rα量的减少。sIL-7Rα的功能仍在争论中。初步分析发现sIL-7Rα在体外对CD8⁺T细胞中的IL-7信号具有拮抗作用。然而，当检查早期信号诱导时，另一项研究证实了这些发现，但在长期培养中，结果发现是相反的，表明sIL-7Rα也能增强IL-7功能。作者将此效应归因于存在sIL-7Rα时IL-7消耗减少。重要的是，sIL-7Rα的增强作用也在小鼠体内得到证实。同样，sIL-7Rα被证明可增强IL-7在肺癌模型中的抗肿瘤作用。这些短期与长期IL-7信号的差异凸显了IL-7/sIL-7Rα生物学的复杂性。

可溶性IL-9Rα已在人血清中检测到，尽管其产生机制仍然未知。在小鼠中，一种可能编码sIL-9Rα的转录本已被描述，尽管该蛋白尚未被检测到。因此，关于sIL-9Rα的功能尚不清楚。

sIL-15Rα也存在于人血清中。缺失突变体分析表明，体外的sIL-15Rα源自IL-15Rα的胞外域脱落。脱落可由PMA诱导，并且诱导的脱落可被广谱基质金属蛋白酶抑制剂GM6001阻断，提示是金属蛋白酶的作用。然而，组成型脱落不受影响，表明至少涉及两种不同的蛋白水解机制。此外，用促炎细胞因子刺激角质形成细胞也诱导sIL-15Rα释放，这可以被GM6001抑制。针对金属蛋白酶ADAM17的siRNA减少了细胞系释放的sIL-15Rα量，表明部分sIL-15Rα是通过该机制产生的。sIL-15Rα以高亲和力结合IL-15，并抑制其与膜结合受体的结合，从而在体外拮抗IL-15诱导的信号。这种拮抗功能也在小鼠模型中得到证实。相反，其他人报道sIL-15Rα在体内增强了IL-15功能，这导致了由两种蛋白质组成的超激动剂的设计，目前正处于临床前开发阶段。在体外，sIL-15Rα增强了表达IL-2Rβ和γ_c但不表达膜结合IL-15Rα的细胞中的IL-15活性，表明这种可溶性受体的功能可能是细胞类型特异性的。此外，与sIL-15Rα的相互作用也稳定了IL-15，表明生物利用度也可能发生改变。

目前没有关于天然存在的可溶性IL-21Rα的信息。

总之，γ_c家族的可溶性受体是其同源配体功能的主要调节者，这为使用这些分子调节细胞因子功能提供了可能性。在许多情况下，确切效应似乎是细胞类型和/或环境特异性的，且尚未完全理解，突出了进一步研究的必要性。

2. 受体糖基化

所有γ_c家族受体都是糖基化的，进一步强调了这种修饰的重要性，尽管其对配体结合的影响各不相同。糖基化是常见的翻译后修饰，其中碳水化合物共价连接到氨基酸残基上。糖基化可分为三组：N-糖基化、O-糖基化和C-甘露糖化。N-糖基化是最常见的形式，是将糖连接到共有序列Asn-X-Ser/Thr中的天冬酰胺残基上。O-糖基化是指将聚糖添加到丝氨酸或苏氨酸残基上，C-甘露糖化是将α-甘露糖连接到色氨酸残基上。N-和O-糖基化可以是多样的，包括复杂的糖部分，导致同一蛋白质的不同形式，其功能可能不同。有趣的是，聚糖已被证明可以控制免疫功能，并且各种疾病不仅伴随着糖基化的变化，这些变化也被认为有助于其病理机制。糖基化影响蛋白质生物学的不同方面，例如折叠、细胞内运输、稳定性和功能。此外，糖基化还可以调节受体蛋白水解，表明这两种翻译后机制之间的串扰是细胞因子功能的进一步调节者。

人类γ_c预计在N24、N71、N75、N84、N159和N249位点（此处及以下的编号是指包括信号肽在内的人类全长序列）发生N-糖基化。然而，这些糖基化位点的实验验证仍然缺乏。

人类IL-2Rα在D1结构域和结构域之间的柔性区域含有两个N-糖基化位点N70和N89，以及在受体茎区的T218、T224、T229和T237含有四个O-糖基化位点。由于用N-聚糖合成抑制剂处理的细胞结合正常量的IL-2，因此假定N-糖基化不直接影响IL-2结合，尽管细胞因子与未糖基化受体之间的直接相互作用尚未显示。最近描述，N-和O-糖基化通过金属蛋白酶ADAM10和ADAM17调节IL-2Rα脱落，其中N-糖基化，尤其是N70位的聚糖，促进蛋白水解，而O-聚糖则具有抑制作用。这些聚糖如何调节蛋白水解的确切机制尚不清楚。除了蛋白水解，IL-2Rα的N-糖基化还被报道通过调节内吞作用影响细胞表面量。

核心岩藻糖基化缺失导致IL-2Rβ表面水平降低，表明其是蛋白质运输或稳定所必需的。因此，这些细胞对IL-15的敏感性降低，尽管尚未分析IL-2Rβ与其配体之间直接相互作用的影响，因此该效应可能不是由蛋白质-蛋白质相互作用引起的，而仅仅是表面受体减少的结果。此外，四元IL-2/IL-2Rα/IL-2Rβ/γ_c复合物的晶体结构揭示了IL-2Rβ的D1和D2结构域之间N43位的一个N-聚糖，该聚糖与两个结构域相互作用，并可能参与结构域的相对定位。IL-2Rβ还在N29、N71和N149位携带N-聚糖，但这些功能尚不清楚。

人类IL-4Rα被证明是高度糖基化的，在N53、N98、N128、N134和N176位携带五个N-聚糖，并呈现具有双、三和四天线聚糖的复杂寡糖。聚糖的生物学功能尚不清楚，因为糖基化的变化对与IL-4的相互作用没有影响。同样，糖基化是否对IL-4R的细胞表面量或稳定性有影响尚未描述。

人类IL-7Rα在N49、N65、N151、N182、N232和N233位含有六个潜在的N-糖基化位点。N49、N65和N151位的N-糖基化已通过蛋白质晶体学证实，因为在电子密度中检测到代表N-聚糖核心的N-乙酰葡糖胺（GlcNAc）残基。IL-7Rα的糖基化不是IL-7结合所严格必需的，因为去糖基化不会改变IL-7/IL-7Rα复合物的构象。然而，受体糖基化显著增强了结合亲和力，糖基化的IL-7R与IL-7的相互作用比未糖基化受体强300倍。由于受体的N-聚糖不是结合界面的一部分，因此假定N-糖基化存在变构机制。

人类IL-9Rα在N117和N156位含有两个N-聚糖，其功能目前未知。

人类IL-15Rα在N137位携带一个N-糖基化位点。此外，该受体是高度O-糖基化的。值得注意的是，在缺少第2外显子的剪接变体（导致缺乏寿司结构域的无活性蛋白）中，大多数O-聚糖仍然可检测到，表明O-糖基化主要存在于受体的其他部分。sIL-15Rα的质谱分析证实了N137位的N-糖基化，并揭示了T32、T111、T116、T186、S188和S190位的O-糖基化位点，具有复杂的异质性、部分唾液酸化的Core 1和Core 2型结构。同样，聚糖的功能尚未描述。在四元IL-15信号复合物的晶体结构中，IL-15Rα是未糖基化的，表明受体糖基化不是复合物形成所必需的。

人类IL-21Rα在N73、N97、N104、N125和N135位含有五个潜在的N-糖基化位点。将天冬酰胺残基替换为甘氨酸的突变研究显示，只有N73位的突变具有深远影响，导致重组胞外域分泌几乎完全丧失。此外，IL-21Rα氨基酸序列显示一个保守的WSXWS基序，该基序在第一个W（W214）处发生C-甘露糖化。结构分析进一步揭示，N73位的N-聚糖通过N-连接聚糖桥与D2结构域中WSXWS基序的甘露糖化相互作用，突出了其在受体稳定性中的关键作用。这种稳定相互作用独立于IL-21的存在。尽管没有关于未糖基化IL-21Rα是否能够结合IL-21的数据，但N73位聚糖的缺失阻止了其运输到细胞表面，可能是由于折叠缺陷。因此，糖基化是IL-21信号传导绝对必需的。值得注意的是，虽然WSXWS基序的C-甘露糖化仅在IL-21Rα中得到证实，但所有γ_c家族的I型受体（即除IL-2Rα和IL-15Rα外的所有受体）都包含此基序。由于WXXW基序是C-甘露糖化的共有基序，这为其他受体也可能在该位点携带聚糖提供了可能性。这种对结构的影响（由与N-聚糖的相互作用引起）是否也有助于其他受体的功能尚不清楚。然而，对N-聚糖位点进行突变研究的受体并未显示出如此显著的影响，表明这可能不是所有受体的通用机制。

总之，糖基化对γ_c家族受体功能的影响差异很大，其中IL-7Rα和IL-21Rα受影响最大。然而，关于聚糖潜在作用的知识同样各不相同，为未来可能发现更多功能提供了可能性。

3. 受体内吞和降解

健康的细胞因子功能需要严格调节细胞表面受体的丰度。除了新受体的合成，以及上述描述的蛋白水解和糖基化的作用外，这是通过受体内吞和随后的降解或再循环的下调来实现的。细胞利用两种主要的降解系统：(1) 溶酶体，主要降解内吞的细胞外蛋白和膜蛋白，以及 (2) 蛋白酶体，主要在其泛素化后降解细胞质和核蛋白。有趣的是，可以观察到不同膜锚定蛋白的下调也与泛素化机制相关，突出表明内吞不仅是降解受体的机制，而且在许多情况下是信号传导所必需的。

泛素化涉及泛素（一种76个氨基酸的多肽）与靶蛋白赖氨酸残基的共价连接。这种连接然后导致被26S蛋白酶体降解。靶蛋白和泛素之间的连接由三类酶介导：泛素激活酶（E1）、泛素结合酶（E2）和泛素连接酶（E3）。蛋白质的溶酶体降解通常以内吞开始。内吞通过不同机制发生，但大致可分为网格蛋白依赖性和非依赖性途径。之后，受体或受体-配体复合物可以再循环回质膜，或分选到晚期内体和溶酶体进行降解。在许多情况下，配体结合诱导复合物的内吞。

γ_c组成型经历网格蛋白非依赖性、但发动蛋白依赖性的内吞。此外，其表达受泛素化严格调控。泛素连接酶c-Cbl促进受体泛素化和下调，而去泛素化酶DUB-2通过增加其表达水平和半衰期来稳定γ_c。此外，γ_c的溶酶体降解通过程序性细胞死亡蛋白1（PD-1）诱导的E3泛素连接酶MARCH5进行调节，该酶也靶向γ_c进行降解，揭示了PD-1如何负向调节γ_c细胞因子的功能。此外，PD-1还通过诱导含Src同源2结构域的蛋白酪氨酸磷酸酶2（SHP2）介导的去磷酸化来抑制γ_c信号传导。这表明了控制组成型γ_c内吞和降解的多层调控网络。除了组成型内吞，γ_c也在其信号复合物形成时被内吞。

IL-2与三聚体IL-2Rα/IL-2Rβ/γ_c复合物的结合诱导整个复合物的内吞。有趣的是，对人T细胞的研究表明，在配体诱导的内吞后，受体链遵循不同的细胞内途径。IL-2Rα主要再循环回细胞表面，而IL-2Rβ和γ_c被降解。与此一致，受体链在细胞表面的半衰期也大不相同：IL-2Rα相当稳定，而IL-2Rβ和γ_c仅在细胞表面停留很短时间。这些发现表明，受体复合物的组分在内吞后可以被差异分选。

与γ_c类似，IL-2Rα和IL-2Rβ以网格蛋白非依赖性途径组成型内吞，因为阻断网格蛋白介导的内吞并不影响受体的内吞。此外，研究表明受体复合物的内吞也是发动蛋白和RhoA依赖性的。此外，PI3K也被证明调节IL-2Rβ内吞。

IL-2Rβ也经历组成型泛素依赖性蛋白酶体降解。在ts20细胞（具有失活泛素化机制）中，观察到IL-2Rβ降解显著减少，但内吞