引用本文: 何燕超, 施天昀, 施勁東, 梅周芳, 錢凌, 黃琦慧, 揭志軍. 白細胞介素27在呼吸道合胞病毒致肺部感染中的作用機制研究. 中國呼吸與危重監護雜志, 2016, 15(4): 356-360. doi: 10.7507/1671-6205.2016084 復制
呼吸道合胞病毒(respiratory syncytial virus,RSV)是導致嬰幼兒毛細支氣管炎最常見的病原體,嚴重的RSV感染可引起Ⅰ型干擾素水平降低,并影響RSV在氣道的清除[1]。干擾素誘導跨膜蛋白3(interferon induced transmembrane protein-3,IFITM3)是近年來發現的一種抗病毒蛋白,它可以通過抑制病毒與內溶酶體膜融合而抑制病毒感染[2-3]。其表達的調節是由干擾素β(IFN-β)與其細胞膜上的受體結合,通過促進STAT1通路磷酸化實現的[4]。由此可知,IFN-β-STAT1-IFITM3通路可能在RSV感染中起到了重要作用。白細胞介素27(IL-27)是IL-6家族的細胞因子,它是由p28和EBI3兩個亞基構成的異質二聚體。IL-27主要由抗原提呈細胞(antigen presenting cell,APC)分泌,然后與其受體IL-27R結合發揮生物學效應。IL-27R同樣是由WSX-1(也稱T細胞因子受體)和gp130(也稱IL-6受體)構成的二聚體[5],它表達于多種細胞上,包括T細胞、NK細胞、B細胞、肥大細胞、樹突狀細胞、上皮細胞、內皮細胞等[6]。IL-27與受體結合后激活JAK/STAT通路導致細胞下游信號的變化,但不同類型的細胞有不同的生物學效應[7]。研究發現IL-27可以在體外通過激活STAT1/2/3通路抑制H1N1病毒的復制[8],但它在RSV病毒感染中的作用尚未見報道。因為IL-27與IFN-β都可以激活JAK/STAT通路,并且有研究發現IFN-β可以上調IL-27的表達[7],因此推測IL-27可能在RSV感染中有同樣的抗病毒作用。本研究希望通過檢測IL-27、IFN-β、IFITM3、STAT1、pSTAT1在RSV感染中的變化,分析它們之間的相互作用,探討IL-27在RSV感染中的作用機制。
材料與方法
一 材料
1.動物、細胞和病毒:7周齡SPF級雌性C57小鼠30只由國家嚙齒類實驗動物種子中心上海分中心(斯萊克公司)提供,動物證號SCXK(滬)2007-0005。人喉癌上皮細胞(Hep-2)和人肺腺癌上皮細胞(A549)由上海市公共衛生臨床中心提供。RSV A2病毒株來源于美國ATCC(American type culture collection,ATCC)。
2.試劑:DMEM培養基(美國HyClone公司);磷酸鹽緩沖液PBS(Thermo公司);胎牛血清FBS(美國Gibco公司);戊巴比妥鈉(北京杰輝生物技術有限公司);4%多聚甲醛(谷歌生物贈);TRIZOL(Invitrogen公司);cDNA第一鏈合成試劑盒(康為生物科技有限公司);Real-time PCR試劑盒(康為生物科技有限公司);RNase free ddH2O(TIANGEN生化科技有限公司);無水乙醇(上海化學試劑公司);細胞染色液(珠海貝索生物技術有限公司);重組人IL-27蛋白(美國R&D公司);STAT1抗體、pSTAT1抗體、IFITM3抗體(美國Cell Signaling公司)、氟達拉濱(美國Selleck公司)。
3.儀器:細胞培養室專用室(生物安全級別BSL1、BSL2),倒置顯微鏡(Olympus公司),臺式高速離心機(Thermo公司),小型高速冷凍離心機(Thermo公司),熒光定量PCR儀(Thermo公司),電熱恒溫水溫箱(上海躍進醫療器械廠),液氮罐(Thermo公司),MCO-20型CO2培養箱(日本Sanyo公司),蛋白電泳儀、轉移電泳儀(美國Bio-RAD公司)。
二 方法
1.RSV病毒懸液的制備:復蘇Hep-2細胞傳代培養2代,將RSV以MOI=100接種于Hep-2細胞,每日觀察Hep-2細胞病變,當病變達80%以上時反復凍融細胞,離心取上清病毒液,用TCID50法測定病毒懸液的毒力。
2.RSV感染小鼠模型建立與分組:稱重每只小鼠,用2%的戊巴比妥鈉腹腔注射麻醉小鼠(用量80 μL/20 g),待動物完全昏迷后,給予107.5 TCID50/mL的病毒液20 μL分次滴鼻感染小鼠。根據實驗將小鼠隨機分6組,在RSV感染后0、0.5、1、2、4、8 d處死小鼠,取左肺用4%多聚甲醛溶液浸泡固定24 h,右肺勻漿后TRIZOL裂解凍存。
3.Real-time PCR實驗:以TRIZOL法提取小鼠肺組織或A549細胞的總RNA,并測定RNA的濃度(A260/A280>1.8),根據濃度取2 μg總RNA按照逆轉錄試劑盒操作說明將RNA逆轉錄為cDNA,以10 μL反應體系行PCR擴增。每個樣本設3個復孔。反應程序95 ℃預變性90 s,95 ℃退火5 s,58 ℃延伸30 s,共35個循環,獲得待測基因Ct值,采用2-△△Ct法計算基因表達。引物見表 1。

4.RhIL-27刺激RSV感染:復蘇A549細胞傳代培養2代后接種12孔板,設3個復孔,分別用0、1、10、50 ng/mL濃度的rhIL-27聯合MOI=5滴度的RSV病毒感染A549細胞24 h后收樣,尋找適宜的rhIL-27濃度,然后分別用氟達拉濱(Fludarabine,FLUD)0、0.5、1、10 μmol/L濃度刺激rhIL-27+RSV病毒的A549細胞培養24 h后收樣。以感染滅活RSV的A549細胞為對照組。
5.Western blot實驗:胰酶消化并收集各組細胞,提取蛋白,用BCA法測定蛋白濃度。每個取30 μg蛋白樣品經10%聚丙乙烯酰胺凝膠電泳分離后轉移至PVDF膜,用5%脫脂奶粉的TBST緩沖液室溫封閉2 h,一抗(IFITM3,STAT1,pSTAT1)4 ℃孵育過夜,TBST緩沖液洗膜3次,加二抗室溫孵育1 h,再用TBST緩沖液洗膜5次,ECL化學發光染色,X光顯影。
三 統計學處理
采用GraphPad Prism 5統計軟件處理數據。數據采用x±s表示,兩組間比較用獨立樣本t檢驗分析,多組計量資料間比較采用two-way ANOVA分析。P<0.05為差異有統計學意義。
結果
一 RSV感染小鼠后的表型變化
RSV感染小鼠肺部后,RSV-M mRNA水平在感染后第4 d達到高峰,到第8 d下降到正常水平。對小鼠肺行HE染色,肺部病理表現基本與RSV-M mRNA水平表現趨勢一致,第4 d炎癥表現最重,第8 d炎癥基本吸收。結果見圖 1。

與感染后0 d比較,***
二 RSV感染小鼠后小鼠肺IL-27 mRNA表達變化
進一步檢測RSV感染后小鼠肺IL-27 mRNA表達的變化,結果發現IL-27 p28/EBI3 mRNA表達均在感染后的第1 d迅速升高達到峰值,隨后逐漸恢復正常水平。而IFN-β mRNA表達在RSV感染后1、2、4、8 d均無明顯變化(P>0.05)。隨后進一步實驗發現IL-27基因表達在感染后12 h有一過性升高,隨后迅速恢復正常。結果見圖 2。

與感染后0 d比較,*
三 RhIL-27抑制RSV病毒復制
與未刺激的RSV感染組(RSV組)相比,給予10 ng/mL、50 ng/mL濃度的rhIL-27后,RSV感染A549細胞的RSV-M mRNA表達明顯降低(P<0.05),但未發現存在明顯的劑量依賴性。而10、50 ng/mL濃度的rhIL-27刺激可以促進RSV感染A549細胞的IFITM3 mRNA的表達明顯升高(P<0.05),但是RSV感染A549細胞的IFN-β卻無明顯變化(P>0.05)。結果見圖 3。

與對照組比較,*
四 RhIL-27促進RSV感染A549細胞STAT1通路磷酸化,上調IFITM3蛋白表達
給予10 ng/mL、50 ng/mL濃度的rhIL-27刺激后,RSV感染A549細胞的STAT1、pSTAT1蛋白水平明顯上調,而IFITM3蛋白無明顯變化,結果見圖 4a。進一步運用FLUD抑制STAT1通路,結果發現隨著FLUD濃度增高,pSTAT1蛋白逐步下調,并且IFITM3也隨之逐步下調,結果見圖 4b。

討論
RSV是嬰幼兒呼吸道感染最常見的病毒之一,每年因RSV感染導致全球大約2%的確診病例死亡[9]。截至目前,仍無藥物對RSV感染有確切的療效。本研究動物模型中發現RSV感染后第4 d基因表達達到高峰,肺部炎癥最嚴重,隨后病毒會逐漸被清除,肺部炎癥被吸收。我們進一步采用Real-time PCR法檢測檢測小鼠肺部IL-27的亞基EBI3及p28、IFN-β的變化,發現IFN-β基因僅僅在感染后12 h表現為一過性升高,而IL-27p28/EBI3基因在感染后24 h達高峰,隨后逐漸降低。上述基因的變化顯示IFN-β和IL-27在RSV感染中可能存在某種聯系。
通過動物模型,我們發現IL-27參與了RSV感染的免疫反應過程,但是IL-27對RSV感染的具體作用仍未明確。既往研究發現IL-27主要參與一些炎癥性疾病的免疫反應,它可以與T細胞上的受體結合,同樣通過促進STAT1的磷酸化調節炎癥反應[10-11]。IFITM3是近年來新發現的一種抗病毒物質,Zhang等[12]發現IFN-β促進IFITM3基因表達,IFITM3的表達可以直接抑制RSV的復制。而且,IFN-β激活STAT1途徑在抗病毒的天然免疫中起到關鍵性作用[13-15]。因此,我們認為IL-27可能通過IFNβ-STAT1-IFITM3途徑發揮了抗病毒作用。我們初步運用不同濃度的rhIL-27刺激RSV感染的A549細胞,檢測對RSV-M蛋白基因表達的影響。結果發現高濃度的rhIL-27(10 ng/mL、50 ng/mL)可以直接抑制RSV-M蛋白基因表達。在rhIL-27刺激RSV感染的A549細胞后,應用Real-time PCR法檢測IFN-β、IFITM3等mRNA的變化,結果發現IL-27可以促進IFTIM3基因的表達。
為了進一步驗證IL-27是否通過IFNβ-STAT1-IFITM3途徑發揮作用,我們在細胞實驗中檢測了rhIL-27刺激后對IFITM3、STAT1、pSTAT1蛋白水平的影響,結果發現IL-27可以促進RSV感染的A549細胞STAT1的磷酸化。運用FLUD抑制STAT1磷酸化,IFITM3蛋白表達明顯降低,這證明IFITM3表達通過STAT1磷酸化路徑。總之,IL-27可能通過磷酸化STAT1磷酸化途徑促進IFITM3的表達,從而抑制RSV復制。這些結果與我們的假設基本一致。
本研究并非是首次報道IL-27的抗病毒作用,Liu等[8]在研究IL-27在H1N1流感病毒感染A549細胞的細胞實驗中得到了與我們類似的結論。他們發現IL-27在H1N1感染的A549細胞中升高,進一步研究發現IL-27可通過磷酸化STAT1/2/3通路促進抗病毒蛋白激酶R的表達而抑制病毒復制。還有一些研究發現IL-27在人類免疫缺陷病毒(HIV)和乙型肝炎病毒(HBV)、巨細胞病毒(CMV)等感染中也起到抗病毒作用[16]。
綜上所述,IL-27可以通過直接與上皮細胞上的受體結合起到抑制RSV復制的作用,其主要途徑為直接促進上皮細胞的STAT1磷酸化,上調IFITM3蛋白的表達,從而起到抑制RSV復制的作用。本研究結果為RSV感染的治療提供了一個新的視點。
呼吸道合胞病毒(respiratory syncytial virus,RSV)是導致嬰幼兒毛細支氣管炎最常見的病原體,嚴重的RSV感染可引起Ⅰ型干擾素水平降低,并影響RSV在氣道的清除[1]。干擾素誘導跨膜蛋白3(interferon induced transmembrane protein-3,IFITM3)是近年來發現的一種抗病毒蛋白,它可以通過抑制病毒與內溶酶體膜融合而抑制病毒感染[2-3]。其表達的調節是由干擾素β(IFN-β)與其細胞膜上的受體結合,通過促進STAT1通路磷酸化實現的[4]。由此可知,IFN-β-STAT1-IFITM3通路可能在RSV感染中起到了重要作用。白細胞介素27(IL-27)是IL-6家族的細胞因子,它是由p28和EBI3兩個亞基構成的異質二聚體。IL-27主要由抗原提呈細胞(antigen presenting cell,APC)分泌,然后與其受體IL-27R結合發揮生物學效應。IL-27R同樣是由WSX-1(也稱T細胞因子受體)和gp130(也稱IL-6受體)構成的二聚體[5],它表達于多種細胞上,包括T細胞、NK細胞、B細胞、肥大細胞、樹突狀細胞、上皮細胞、內皮細胞等[6]。IL-27與受體結合后激活JAK/STAT通路導致細胞下游信號的變化,但不同類型的細胞有不同的生物學效應[7]。研究發現IL-27可以在體外通過激活STAT1/2/3通路抑制H1N1病毒的復制[8],但它在RSV病毒感染中的作用尚未見報道。因為IL-27與IFN-β都可以激活JAK/STAT通路,并且有研究發現IFN-β可以上調IL-27的表達[7],因此推測IL-27可能在RSV感染中有同樣的抗病毒作用。本研究希望通過檢測IL-27、IFN-β、IFITM3、STAT1、pSTAT1在RSV感染中的變化,分析它們之間的相互作用,探討IL-27在RSV感染中的作用機制。
材料與方法
一 材料
1.動物、細胞和病毒:7周齡SPF級雌性C57小鼠30只由國家嚙齒類實驗動物種子中心上海分中心(斯萊克公司)提供,動物證號SCXK(滬)2007-0005。人喉癌上皮細胞(Hep-2)和人肺腺癌上皮細胞(A549)由上海市公共衛生臨床中心提供。RSV A2病毒株來源于美國ATCC(American type culture collection,ATCC)。
2.試劑:DMEM培養基(美國HyClone公司);磷酸鹽緩沖液PBS(Thermo公司);胎牛血清FBS(美國Gibco公司);戊巴比妥鈉(北京杰輝生物技術有限公司);4%多聚甲醛(谷歌生物贈);TRIZOL(Invitrogen公司);cDNA第一鏈合成試劑盒(康為生物科技有限公司);Real-time PCR試劑盒(康為生物科技有限公司);RNase free ddH2O(TIANGEN生化科技有限公司);無水乙醇(上海化學試劑公司);細胞染色液(珠海貝索生物技術有限公司);重組人IL-27蛋白(美國R&D公司);STAT1抗體、pSTAT1抗體、IFITM3抗體(美國Cell Signaling公司)、氟達拉濱(美國Selleck公司)。
3.儀器:細胞培養室專用室(生物安全級別BSL1、BSL2),倒置顯微鏡(Olympus公司),臺式高速離心機(Thermo公司),小型高速冷凍離心機(Thermo公司),熒光定量PCR儀(Thermo公司),電熱恒溫水溫箱(上海躍進醫療器械廠),液氮罐(Thermo公司),MCO-20型CO2培養箱(日本Sanyo公司),蛋白電泳儀、轉移電泳儀(美國Bio-RAD公司)。
二 方法
1.RSV病毒懸液的制備:復蘇Hep-2細胞傳代培養2代,將RSV以MOI=100接種于Hep-2細胞,每日觀察Hep-2細胞病變,當病變達80%以上時反復凍融細胞,離心取上清病毒液,用TCID50法測定病毒懸液的毒力。
2.RSV感染小鼠模型建立與分組:稱重每只小鼠,用2%的戊巴比妥鈉腹腔注射麻醉小鼠(用量80 μL/20 g),待動物完全昏迷后,給予107.5 TCID50/mL的病毒液20 μL分次滴鼻感染小鼠。根據實驗將小鼠隨機分6組,在RSV感染后0、0.5、1、2、4、8 d處死小鼠,取左肺用4%多聚甲醛溶液浸泡固定24 h,右肺勻漿后TRIZOL裂解凍存。
3.Real-time PCR實驗:以TRIZOL法提取小鼠肺組織或A549細胞的總RNA,并測定RNA的濃度(A260/A280>1.8),根據濃度取2 μg總RNA按照逆轉錄試劑盒操作說明將RNA逆轉錄為cDNA,以10 μL反應體系行PCR擴增。每個樣本設3個復孔。反應程序95 ℃預變性90 s,95 ℃退火5 s,58 ℃延伸30 s,共35個循環,獲得待測基因Ct值,采用2-△△Ct法計算基因表達。引物見表 1。

4.RhIL-27刺激RSV感染:復蘇A549細胞傳代培養2代后接種12孔板,設3個復孔,分別用0、1、10、50 ng/mL濃度的rhIL-27聯合MOI=5滴度的RSV病毒感染A549細胞24 h后收樣,尋找適宜的rhIL-27濃度,然后分別用氟達拉濱(Fludarabine,FLUD)0、0.5、1、10 μmol/L濃度刺激rhIL-27+RSV病毒的A549細胞培養24 h后收樣。以感染滅活RSV的A549細胞為對照組。
5.Western blot實驗:胰酶消化并收集各組細胞,提取蛋白,用BCA法測定蛋白濃度。每個取30 μg蛋白樣品經10%聚丙乙烯酰胺凝膠電泳分離后轉移至PVDF膜,用5%脫脂奶粉的TBST緩沖液室溫封閉2 h,一抗(IFITM3,STAT1,pSTAT1)4 ℃孵育過夜,TBST緩沖液洗膜3次,加二抗室溫孵育1 h,再用TBST緩沖液洗膜5次,ECL化學發光染色,X光顯影。
三 統計學處理
采用GraphPad Prism 5統計軟件處理數據。數據采用x±s表示,兩組間比較用獨立樣本t檢驗分析,多組計量資料間比較采用two-way ANOVA分析。P<0.05為差異有統計學意義。
結果
一 RSV感染小鼠后的表型變化
RSV感染小鼠肺部后,RSV-M mRNA水平在感染后第4 d達到高峰,到第8 d下降到正常水平。對小鼠肺行HE染色,肺部病理表現基本與RSV-M mRNA水平表現趨勢一致,第4 d炎癥表現最重,第8 d炎癥基本吸收。結果見圖 1。

與感染后0 d比較,***
二 RSV感染小鼠后小鼠肺IL-27 mRNA表達變化
進一步檢測RSV感染后小鼠肺IL-27 mRNA表達的變化,結果發現IL-27 p28/EBI3 mRNA表達均在感染后的第1 d迅速升高達到峰值,隨后逐漸恢復正常水平。而IFN-β mRNA表達在RSV感染后1、2、4、8 d均無明顯變化(P>0.05)。隨后進一步實驗發現IL-27基因表達在感染后12 h有一過性升高,隨后迅速恢復正常。結果見圖 2。

與感染后0 d比較,*
三 RhIL-27抑制RSV病毒復制
與未刺激的RSV感染組(RSV組)相比,給予10 ng/mL、50 ng/mL濃度的rhIL-27后,RSV感染A549細胞的RSV-M mRNA表達明顯降低(P<0.05),但未發現存在明顯的劑量依賴性。而10、50 ng/mL濃度的rhIL-27刺激可以促進RSV感染A549細胞的IFITM3 mRNA的表達明顯升高(P<0.05),但是RSV感染A549細胞的IFN-β卻無明顯變化(P>0.05)。結果見圖 3。

與對照組比較,*
四 RhIL-27促進RSV感染A549細胞STAT1通路磷酸化,上調IFITM3蛋白表達
給予10 ng/mL、50 ng/mL濃度的rhIL-27刺激后,RSV感染A549細胞的STAT1、pSTAT1蛋白水平明顯上調,而IFITM3蛋白無明顯變化,結果見圖 4a。進一步運用FLUD抑制STAT1通路,結果發現隨著FLUD濃度增高,pSTAT1蛋白逐步下調,并且IFITM3也隨之逐步下調,結果見圖 4b。

討論
RSV是嬰幼兒呼吸道感染最常見的病毒之一,每年因RSV感染導致全球大約2%的確診病例死亡[9]。截至目前,仍無藥物對RSV感染有確切的療效。本研究動物模型中發現RSV感染后第4 d基因表達達到高峰,肺部炎癥最嚴重,隨后病毒會逐漸被清除,肺部炎癥被吸收。我們進一步采用Real-time PCR法檢測檢測小鼠肺部IL-27的亞基EBI3及p28、IFN-β的變化,發現IFN-β基因僅僅在感染后12 h表現為一過性升高,而IL-27p28/EBI3基因在感染后24 h達高峰,隨后逐漸降低。上述基因的變化顯示IFN-β和IL-27在RSV感染中可能存在某種聯系。
通過動物模型,我們發現IL-27參與了RSV感染的免疫反應過程,但是IL-27對RSV感染的具體作用仍未明確。既往研究發現IL-27主要參與一些炎癥性疾病的免疫反應,它可以與T細胞上的受體結合,同樣通過促進STAT1的磷酸化調節炎癥反應[10-11]。IFITM3是近年來新發現的一種抗病毒物質,Zhang等[12]發現IFN-β促進IFITM3基因表達,IFITM3的表達可以直接抑制RSV的復制。而且,IFN-β激活STAT1途徑在抗病毒的天然免疫中起到關鍵性作用[13-15]。因此,我們認為IL-27可能通過IFNβ-STAT1-IFITM3途徑發揮了抗病毒作用。我們初步運用不同濃度的rhIL-27刺激RSV感染的A549細胞,檢測對RSV-M蛋白基因表達的影響。結果發現高濃度的rhIL-27(10 ng/mL、50 ng/mL)可以直接抑制RSV-M蛋白基因表達。在rhIL-27刺激RSV感染的A549細胞后,應用Real-time PCR法檢測IFN-β、IFITM3等mRNA的變化,結果發現IL-27可以促進IFTIM3基因的表達。
為了進一步驗證IL-27是否通過IFNβ-STAT1-IFITM3途徑發揮作用,我們在細胞實驗中檢測了rhIL-27刺激后對IFITM3、STAT1、pSTAT1蛋白水平的影響,結果發現IL-27可以促進RSV感染的A549細胞STAT1的磷酸化。運用FLUD抑制STAT1磷酸化,IFITM3蛋白表達明顯降低,這證明IFITM3表達通過STAT1磷酸化路徑。總之,IL-27可能通過磷酸化STAT1磷酸化途徑促進IFITM3的表達,從而抑制RSV復制。這些結果與我們的假設基本一致。
本研究并非是首次報道IL-27的抗病毒作用,Liu等[8]在研究IL-27在H1N1流感病毒感染A549細胞的細胞實驗中得到了與我們類似的結論。他們發現IL-27在H1N1感染的A549細胞中升高,進一步研究發現IL-27可通過磷酸化STAT1/2/3通路促進抗病毒蛋白激酶R的表達而抑制病毒復制。還有一些研究發現IL-27在人類免疫缺陷病毒(HIV)和乙型肝炎病毒(HBV)、巨細胞病毒(CMV)等感染中也起到抗病毒作用[16]。
綜上所述,IL-27可以通過直接與上皮細胞上的受體結合起到抑制RSV復制的作用,其主要途徑為直接促進上皮細胞的STAT1磷酸化,上調IFITM3蛋白的表達,從而起到抑制RSV復制的作用。本研究結果為RSV感染的治療提供了一個新的視點。