IL4抑制骨吸收的研究进展

　　作者：董锡亮 赵宏斌 作者单位：(昆明医学院第一附属医院骨科，云南 昆明 650031)

　　【关键词】 IL4;骨吸收;成骨细胞;破骨细胞;综述

　　L4是来源于多种细胞的细胞因子，对骨吸收有明显的抑制作用。这种抑制主要是通过上调成骨细胞OPG的产生和下调RANKL表达;抑制破骨细胞分化和抑制成熟的破骨细胞功能而发挥作用。本文对IL4与骨吸收的关系作一综述。

　　1 概述

　　1.1 IL4的发现和命名 IL4是1982年Howard于T细胞培养上清液中发现的具有多种生物学功能的细胞因子，Howard发现这种细胞因子能促进B细胞增殖，起初命名为B细胞生长因子1(BCGF1)。有的人称之为B细胞刺激因子1、T细胞生长因子2 (TCGF2)。1986年基因克隆成功，国际统一命名为IL4。

　　1.2 来源 IL4是一活化的Th2淋巴细胞、肥大细胞、嗜酸粒细胞和嗜碱粒细胞分泌的多效的Ⅰ型细胞因子，单核细胞和骨髓中的多种细胞也都可以产生，是许多造血祖细胞来源的骨祖细胞的生成、分化因子。

　　1.3 分子结构 人IL4相对分子质量为15 kD，有N个糖基化位点，且不同条件下呈现不同的糖基化程度，其前体是153肽，成熟的IL4去除信号肽后为129肽。IL4分子内的3组二硫键为生物活性所必需，分别形成于C3C127,C24C64,C46C99处。IL4分子构型以α螺旋为主。

　　1.4 受体及结构 IL4的生物学效应是通过与其受体结合来介导的，其受体(IL4R)广泛分布于T细胞、B细胞、胸腺细胞、骨髓细胞、巨噬细胞、肥大细胞、内皮细胞、滑膜细胞、造血细胞、肌肉细胞和脑组织中，一些肿瘤细胞也表达IL4R。IL4R在成骨细胞中也存在〔1〕，成熟破骨细胞、破骨细胞的前体细胞中也有IL4R的存在〔2〕。

　　IL4R由802氨基酸残基组成,分子量为140 kD,胞膜外区209氨基酸，跨膜区24氨基酸，胞浆区569氨基酸，与小鼠IL4R有53%同源性，属于红细胞生成素受体超家族成员,最近命名为CDw124。IL4R有2种类型:Ⅰ型受体复合物IL4Rα/ IL2Rγc和Ⅱ型受体复合物IL4Rα/IL13Rαl。IL4Rα的胞外结合域含对IL4有极强亲和力的结合表位，γc链是活化信号转导的必需链。已有大量突变和动力学实验数据分析鉴定了IL4与IL4 Rα以及γc的相关结合位点。IL4与IL4Rα的结合主要是IL4结构中的螺旋A，C表面氨基酸残基氢键和离子键作用，IL4的螺旋A，C垂直作用于IL4 Rα的L形结构，IL4的螺旋A，C的结合残基大多是极性基团并带有电荷，其互补受体的表位是被疏水残基包围的极性残基。位于螺旋C的Lys77，Arg81，Lys84，Arg85，Arg88以及螺旋A的Glu9和Thr13使IL4带正电荷，Asp67，Lys86使IL4Rα带负电荷，这些带电荷的氨基酸残基间的静电作用虽然不能显著增强亲合力，但是能促进复合物的形成〔3，4〕。IL4以及其结合蛋白的双突变分析显示，受体的结合簇之间并无协同作用，而只是存在簇内侧链相互作用〔5〕。IL4的信号启动作用是通过螺旋A，D的氨基酸残基与受体γc链表面结合介导的，这些结合残基不带电荷如Hell，Asn15，Tyr124和Ser125。IL4也可通过暴露在表面氨基酸残基Arg121和Tyr124的疏水作用结合于IL13Rαl〔3〕。

　　2 功能

　　IL4是Th2的特征细胞因子，有多效的免疫功能，是一种抗炎因子，具有强大而广泛的生物学活性，在Th2细胞为特征的免疫应答过程中发挥重要作用，调节T、B淋巴细胞的分化、活化。临床前不同阶段和临床研究表明其对白血病、肿瘤、自身免疫性疾病和感染性疾病有治疗作用，IL4还具有抗辐射和促进成肌细胞的融合、生长的作用，在老年痴呆的治疗中可抑制神经细胞损伤，并且IL4作为免疫佐剂在疫苗构建中也有一定的用途。

　　IL4 同时是抑制骨吸收的细胞因子，能抑制破骨细胞的形成,抑制骨吸收,促进骨矿化。破骨细胞负责骨吸收，在骨再塑型中发挥着重要的作用。在骨骼病症如骨质疏松，风湿性关节炎，恶性肿瘤高血钙(特发性)综合征和骨转移的发生中骨吸收主要是破骨细胞活动的增加所至〔2〕。高血钙综合征是成人型T细胞性白血病病人最常经历的严重的并发症，可导致破骨细胞积聚和骨吸收〔6〕，IL4是上述疾病的强抑制剂〔7，8〕。所以IL4一直是人们研究关注的一个热点。

　　3 IL4与破骨细胞的关系

　　3.1 IL4对破骨细胞分化的抑制性的影响及机制 破骨细胞所致的骨吸收代表了炎性疾病引起骨丢失的主要机制，调节破骨细胞分化关键的因子包括巨噬细胞集落刺激因子和RANKL。巨噬细胞集落刺激因子是基质细胞、成骨细胞分泌的产物，能增强单核细胞、破骨祖细胞的扩增能力。RANKL在基质细胞、成骨细胞中以跨膜蛋白的形式存在和可溶的蛋白的形式存在 〔9，10〕。RANKL在巨噬细胞集落刺激因子存在的情况下,通过与其在破骨细胞前体上的受体RANK结合而调节破骨细胞分化，RANKL通过激活RANK直接使祖细胞向破骨细胞系扩增，破骨细胞分化和激活对RANKL和RANK有绝对的依赖。成骨细胞和基质细胞产生RANKL的同时能产生RANKL的诱导受体OPG。 RANKL和RANK间的相互作用能被OPG抑制，OPG能通过阻断RANKL和其受体RANK的相互作用从而抑制破骨细胞的分化。RANKL和OPG基因表达的平衡对于骨矿密度的调节是关键的。破骨细胞分化和骨吸收依赖于基质细胞、成骨细胞表达RANKL、OPG和破骨祖细胞表达RANK。IL4经STAT6依赖的途径，通过激活成骨细胞和破骨细胞的受体影响RANKL/RANK/OPG系统从而抑制破骨细胞分化和骨吸收。IL4能增加成骨细胞OPG，并且减少RANKL表达。IL4在体外培养的颅盖骨中减少RANKL mRNA 和RANK mRNA 以及增加OPGmRNA 。另外，IL4在颅盖骨中减少RANKL蛋白质并增加OPG蛋白质〔1〕。IL4通过减少RANKL和增加OPG，同时能减少RANK表达，影响RANKL/RANK/OPG系统从而抑制破骨细胞分化和骨吸收〔11，12〕。

　　IL4具有直接抑制破骨细胞前体分化为成熟破骨细胞的作用。IL4基因敲除老鼠破骨细胞前体同样对RANKL的作用敏感。IL4抑制RANKL诱导破骨细胞前体的破骨细胞分化的过程。IL4直接作用于破骨细胞前体和通过抑制RANKL信号途径抑制破骨细胞的分化〔11，12〕。IL4也可直接作用于破骨细胞、巨噬细胞的前体,使其定向分化为单核细胞的前体细胞,转而在组织中分化为巨噬细胞,使破骨细胞数目减少。

　　IL4能减少关节炎鼠骨吸收。在类风湿性关节炎骨吸收体外研究中,发现IL4 抑制破骨细胞的出现。IL4 显示出对破骨细胞形成和分化的抑制作用〔13〕。IL4抑制骨吸收作用在于RANKL敏感的细胞和抑制RANKL和RANK的相互作用或作用于下游受体激活机制。一个机制是IL4激活破骨细胞受体引起破骨祖细胞RANK的形成下降。第二个机制是激活成骨细胞IL4R减少RANKL的形成和增加OPG的形成。这两个机制都依赖于IL4对信号转导子和转录激活子6(STAT6)的激活。STAT6在成骨细胞和破骨祖细胞中发挥着重要的作用，调节IL4对破骨细胞的形成和骨吸收的抑制性影响。

　　IL4抑制多种因素引起的骨吸收的作用主要通过阻碍破骨细胞前体转化为破骨细胞来实现。IL4作用的环节包括:①抑制RANKL诱导的信号转导,抑制核转录因子B (NFκB)活化,阻断eun氨基末端激酶(JNK)、丝裂原活化蛋白激酶(p38)、细胞外信号调节激酶(ERK)、丝裂原活化蛋白(MAP)激酶途径〔5〕;②通过抑制由RANKL诱导的转录因子激活的T细胞核因子细胞因子1(TNFATc1)和细胞蛋白Fos (cFos)的表达下调破骨细胞分化〔14〕。③抑制破骨祖细胞中 RANK介导的下游的细胞内的信号包括TNF受体相关因子6(TRAF6)依赖的NFKB激活,分裂素活化蛋白激酶 (MAP) 和转录因子AP1,以及细胞蛋白酪氨酸激酶(cSrc)的激活和磷脂酰肌醇3激酶/丝苏氨酸激酶途径〔9，10，13〕。④选择性阻断TNF信号途径。⑤激活破骨细胞前体细胞上的过氧化物酶体增殖物激活受体(PPAR)而减少破骨细胞数量。⑥RANK不依赖的信号通路Fc受体(FcR)和接头蛋白(DAP12) 以及下游的T细胞2核因子(NFAT2)的表达对破骨细胞的分化也是重要的〔14〕。IL4不仅使RANK信号受到抑制,而且使FcR/DAP12 信号也受到了抑制，这可从IL4引起NFAT2 mRNA表达的减少而得出结论〔15〕。IL4通过上述环节对破骨细胞的分化和骨吸收发挥抑制作用。

　　3.2 IL4对成熟破骨细胞的抑制及其机制 IL4是一个能调节骨内环境稳定的重要的免疫细胞因子，能抑制成熟的破骨细胞的功能和活动〔2〕。成熟的破骨细胞有IL4R存在，IL4可通过直接作用于活化的成熟的破骨细胞而抑制骨吸收,IL4 的这种影响依赖于与IL4R的结合。 在高纯度的成熟破骨细胞，IL4抑制RANKL诱导的骨吸收，而且抗IL4抗体能中和这种作用。IL4基因敲除老鼠成熟的破骨细胞对RANKL的作用敏感〔11，12〕。

　　IL4还通过抑制成熟的破骨细胞的骨吸收、在活体内迅速的降低RANKL诱导的高钙血〔2〕。IL4通过抑制NFKB的激活和 Ca2+的增加抑制骨吸收。RANKL能增加血离子Ca2+水平，IL4能明显降低RANKL刺激的血中离子Ca2+的水平〔16〕。RANKL诱导的高钙血(特发性)综合征在体内会因IL4的增加而减轻，会因IL4的缺乏而加重。而且,IL4基因敲除老鼠成熟的破骨细胞对RANKL激活、诱导的骨吸收的高血钙敏感。IL4能阻止细胞质和核的RANKL诱导的Ca2+增加。IL4导致的细胞内的Ca2+下降与NFKB激活下降有关。

　　IL4 也可抑制成熟的破骨细胞NFKB激活〔17〕，抑制成熟破骨细胞内的钙离子的变化。IL4直接地作用于成熟的破骨细胞和通过抑制NFKB和 Ca2+信号而抑制骨再吸收。RANKL对成熟的破骨细胞RANK的刺激导致对NFKB和Ca2+信号的激活。NFKB的激活和RANKL导致的成熟的破骨细胞核转位与细胞内的Ca2+的增加有关〔18，19〕。IL4 通过 IL4R介导的调节机制直接作用于成熟破骨细胞抑制NFKB的激活和 Ca2+信号,从而抑制骨吸收。

　　IL4抑制NFκB激活和Ca2+信号可能是IL4抑制成熟破骨细胞的活动的中心环节。Moreno报告了IL4对老鼠成熟的破骨细胞功能的抑制性影响，同时，显示这种影响需要 STAT6，IL4通过STAT6依赖的机制抑制骨吸收〔11〕。

　　RANKL活化的成熟的破骨细胞显示出TRAP(酸性磷酸酶)基因的强表达。TRAP活跃地在骨吸收成熟的破骨细胞中强烈的表达，过表达TRAP因子的转基因老鼠表现出骨质疏松和骨小梁密度的降低〔20〕。IL4可直接作用于成熟的破骨细胞和明显的抑制骨再吸收和剂量依存性的减少TRAP的表达。过表达IL4的转基因小鼠破骨细胞数目正常，然而，他们的功能因TRAP表达的降低而降低〔21〕。IL4抑制骨吸收是通过减少成熟的破骨细胞TRAP的表达而实现〔2〕。

　　IL4通过抑制成熟的破骨细胞肌动蛋白环的形成和破骨细胞的移动而抑制骨吸收。RANKL在成熟的破骨细胞的存活和激活中起着重要的作用，能迅速诱导肌动蛋白环的生成〔16，22，23〕，RANKL诱导肌动蛋白环的形成和成熟的破骨细胞的活力〔16，22〕。不同的聚合的肌动蛋白环表明成熟的破骨细胞的活化的状态，肌动蛋白环的形成与骨吸收有极好的相关关系〔24，25〕。在IL4存在的情况下观察到的破裂的肌动蛋白环和分散的染色的细胞质，这反映出破骨细胞骨架不正确的装配。IL4 通过抑制肌动蛋白环形成、减少肌动蛋白环的强度、使肌动蛋白环断裂和防止RANKL诱导的破骨细胞移动而抑制骨吸收。

　　4 展望

　　IL4是一种抗炎因子，具有强大而广泛的生物学活性，有多效的免疫功能。当它从重组体中释放或在基因治疗中与别的药物联合应用时就能在治疗骨骼病症如骨质疏松、风湿性关节炎和恶性肿瘤病例中发挥重要作用〔2〕。IL4 同时是抑制骨吸收的细胞因子，在骨重建过程中发挥重要作用。，目前虽然对IL4对破骨细胞分化的抑制和对成熟的破骨细胞功能的抑制有了比较明确的认识，但对IL4在糖皮质激素性骨质疏松、老年性骨质疏松、绝经后骨质疏松中是否发挥作用，仍有待于深入的研究。

　　【参考文献】

　　1 Palmqvist P，Lundberg P,Persson E,et al.Inhibition of hormone and cytokinestimulated osteoclastogenesis and bone resorption by interleukin4 and interleukin13 is associated with increased osteoprotegerin and decreased RANKL and RANK in a STAT6dependent pathway〔J〕.J Biol Chem，2006;281:241429.

　　2 Mangashetti LS,Khapli SM,Wani MR，et al.IL4 inhibits boneresorbing activity of mature osteoclasts by affecting NFkB and Ca2+ signaling〔J〕. J Immunol,2005;175:91725.

　　3 Easenmesser EZ，Horita DA，Altien AS,et al.Solution structure of interleukin13 and insights into receptor engagement〔J〕.Mol Biol,2001;310:23141.

　　4 Moy FJ，Diblasio E，Wilhelm J,et al.Solution structure of human interleukin13 and implication for receptor binding〔J〕.J Mol Biol,2001;310:21930.

　　5 Zhang JL，Simeonowa I，Wang Y,et al.The highaffinity interaction of human IL4 and the receptor a chain is constituted by two independent binding clusters〔J〕.J Mol Biol,2002;315：399407.

　　6 Nosaka KT，Miyamoto T,Sakai T,et al.Mechanism of hypercalcemia in adult Tcell leukemia:overexpression of receptor activator of nuclear factor B ligand on adult Tcell leukemia cells〔J〕.Blood,2002;99:63440.

　　7 Koga T，Inui M，Inoue K,et al.Costimulatory signals mediated by the ITAM motif cooperate with RANKL for bone homeostasis〔J〕.Nature，2004;428:75863.

　　8 Nakano Y，Watanabe K，Morimoto I,et al.Interleukin4 inhibits spontaneous and parathyroid hormonerelated proteinstimulated osteoclast formation in mice〔J〕.J Bone Miner Res,1994;9:15339.

　　9 Boyle WJ，Simonet WS，Lacey DL.Osteoclast differentiation and activation〔J〕.Nature，2003;423:33742.

　　10 Lerner UH.New molecules in the tumor necrosis factor ligand and receptor superfamilies with importance for physiological and pathological bone resorption〔J〕.Crit Rev Oral Biol Med，2004;15:6481.

　　11 Moreno JL，Kaczmarek M，Keegan AD,et al.IL4 suppresses osteoclast development and mature osteoclast function by a STAT6dependent mechanism:irreversible inhibition of the differentiation program activated by RANKL〔J〕.Blood，2003;102:107886.

　　12 Mirosavljevic D，Quinn JM，Elliott J,et al.Tcells mediate an inhibitory effect of interleukin4 on osteoclastogenesis〔J〕.J Bone Miner Res，2003;18:98493.

　　13 Teitelbaum SL，Ross FP.Genetic regulation of osteoclast development and function〔J〕.Nat Rev Genet,2003;4:63849.

　　14 Kamel Mohamed SG，Sugiyama E，Shinoda K,et al.Interleukin4 inhibits RANKLinduced expression of NFATc1 and cFos:a possible mechanism for downregulation of osteoclastogenesis〔J〕. Biochem Biophys Res Commun，2005;329:83945.

　　15 Kim Y，Sato K，Asagiri M,et al.Contribution of nuclear factor of activated T cells c1 to the transcriptional control of immunoreceptor osteoclastassociated receptor but not triggering receptor expressed by myeloid cells2 during osteoclastogenesis〔J〕.J.Biol.Chem，2005;280:3290513.

　　16 Burgess TL，Qian Y，Kaufman S,et al.The ligand for osteoprotegerin(OPGL)directly activates mature osteoclasts〔J〕.J Cell Biol,1999;145:52738.

　　17 Nagasaki K，Yamaguchi K，Watanabe K，et al.Interleukin4 blocks parathyroid hormonerelated proteininduced hypercalcemia in vivo〔J〕. Biochem Biophys Res Commun,1991;178：6948.

　　18 Myers DE，Collier FM，Minkin C,et al.Expression of functional RANK on mature rat and human osteoclasts〔J〕.FEBS Lett,1999;463：295300.

　　19 Komarova SV，Pilkington MF,Weidema AF,et al.RANK ligandinduced elevation of cytosolic Ca2+ accelerates nuclear translocation of nuclear factor B in osteoclasts〔J〕.J Biol Chem,2003;278:828693.

　　20 Angel NZ，Walsh N，Forwood MR,et al.Transgenic mice overexpressing tartrateresistant acid phosphatase exhibit an increased rate of bone turnover〔J〕.J Bone Miner Res,2000;15:10310.

　　21 Lewis DB，Liggitt HD，Effmann EL,et al.Osteoporosis induced in mice by overproduction of interleukin 4〔J〕.Proc Natl Acad Sci USA，1993;90:1161822.

　　22 Fuller BK，Wong B，Fox S,et al.TRANCE is necessary and sufficient for osteoblastmediated activation of bone resorption in osteoclasts〔J〕.J Exp Med,1998;188:9971001.

　　23 Lacey DL，Tan HL，Lu J,et al.Osteoprotegerin ligand modulates murine osteoclast survival in vitro and in vivo〔J〕.Am J Pathol,2000;157:43548.

　　24 Lakkakorpi PT，Vaananen HK.Kinetics of the osteoclast cytoskeleton during the resorption cycle in vitro〔J〕.J Bone Miner Res,1991;6：81726.

　　25 Vaananen HK，Horton M.The osteoclast clear zone is a specialized cellextracellular matrix adhesion structure〔J〕.J Cell Sci,1995;108:272932.