SOCS3在病理性疼痛中的作用

易小蘇, 王冬梅

(福建師范大學生命科學學院,福建省發育與神經生物學重點實驗室, 福州 350117)

急性疼痛屬于身體的報警系統,機體可在組織損傷的即刻作出反應,避免進一步傷害。慢性疼痛是指反復發作持續超過1個月的疼痛,病理性疼痛屬于慢性疼痛,發生于影響外周或中樞神經系統內感覺通路的病變或疾病[1, 2]。病理性疼痛由于其持續存在,嚴重影響患者生活質量,病理性疼痛的發生機制尚未弄清,因此,目前臨床仍無恰當的治療方法。近年的研究發現,細胞因子信號傳導抑制因子3(suppressor of cytokine signaling 3,SOCS3)在病理性疼痛及嗎啡耐受中發生表達的變化,通過負性調控多種細胞因子及信號通路發揮鎮痛作用。

1 細胞因子信號傳導抑制因子3的結構與功能

SOCS3是細胞因子信號傳導抑制因子蛋白質家族(suppressor of cytokine signaling protein family,SOCS)的一員[1, 3]。SOCS蛋白質家族包括8個成員(SOCS1～SOCS7和CIS)[2, 3]。SOCS3在N-末端有一個激酶抑制區(KIR),中間有一個Src同源2區(SH2),C末端區有一個高度保守的域稱為SOCS盒[4, 5]。SOCS盒大約由40個氨基酸殘基組成,包含2個保守區,分別稱為BC盒和Cul5盒[5]。細胞在受到一些生長因子和細胞因子刺激時,SOCS3的酪氨酸被磷酸化,并且只有204位和221位的酪氨酸被磷酸化,而這2個位點都定位在保守的SOCS盒[6]。SOCS3可以被泛素-蛋白酶體系統快速降解[7]。SOCS盒的N末端部分(1～12殘基)與elonginBC 結合,SOCS盒的C末端部分與滯蛋白(cullin)結合(滯蛋白形成E3泛素連接酶支架),SOCS盒通過與elonginBC和cullin蛋白結合,促進E3泛素連接酶的形成,誘導與SOCS3結合的蛋白質的降解[8]。SOCS3在多個水平上負調控CCAAT/增強子結合蛋白質β(CCAAT/enhancer-binding proteinβ,C/EBPβ),降低C/EBPβ蛋白質和mRNA表達,加速C/EBPβ蛋白質降解[9]。

細胞因子與細胞膜上受體結合,導致細胞發生一系列活動,而細胞因子介導的信號及時消失,避免信號過度激活,對細胞存活也是必要的,SOCS家族就是這樣一類抑制細胞因子介導信號傳導的蛋白質家族[10]。在未受刺激的細胞中大多數SOCS基因的表達水平非常低或無法檢測,外界條件例如腫瘤壞死因子(tumour necrosis factor,TNF)或脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)刺激下會誘導SOCS表達,過度表達的SOCS再抑制細胞因子介導的信號傳導[11]。在γ干擾素(interferon γ,IFNγ)、LPS刺激或泰勒鼠腦脊髓炎病毒(Theiler’s murine encephalomyelitis virus,TMEV)感染的小膠質細胞中,加入維生素D3的活性分子1,25(OH)2D3或25(OH)D3,以IL-10依賴方式增加SOCS3表達,從而降低感染導致的促炎因子例如IL-6、IL-12及誘導型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)的表達[12]。

SOCS3參與機體各種關鍵過程,包括免疫、生長、造血和新陳代謝[9],SOCS3功能失調導致多種疾病,例如免疫系統疾病、血管炎性疾病、肥胖與胰島素抵抗和癌癥等[10]。在合成髓磷脂少突膠質細胞糖蛋白肽35-55(syntheticmyelin oligodendrocyte glycoprotein peptide 35-55,MOG35-55)誘導的實驗性自身免疫性腦脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis,EAE)小鼠模型中,雷帕霉素治療會導致EAE小鼠SOCS3表達增加,提示雷帕霉素可能通過增加SOCS3表達發揮免疫抑制作用[13]。用腺病毒載體感染神經干細胞過表達SOCS3,抑制膠質纖維酸性蛋白質(glial fibrillary acidic protein,GFAP)生成,說明SOCS3會抑制神經干細胞向星形膠質細胞分化[14]。SOCS3在膽道系統惡性腫瘤(biliary tract cancer,BTC)組織中的陽性表達明顯低于癌旁組織,進一步分析發現,SOCS3的表達與BTC腫瘤分化程度和TNM分期有關,提示SOCS3的低表達可能參與了BTC的增殖分化、侵襲和轉移等惡變過程,SOCS3可能為BTC的抑癌基因[15]。而在糖尿病患者的血漿中SOCS3的表達明顯比空腹血糖受損(impaired fasting glucose,IFG)/葡萄糖耐量降低(impaired glucose tolerance,IGT)患者,或正常的葡萄糖耐量(normal glucose tolerance,NGT)人群高[16]。

2 細胞因子信號傳導抑制因子3在神經病理性疼痛的作用

SOCS3能通過調控下游因子和負反饋上游因子,在神經病理性疼痛中發揮鎮痛作用。并且SOCS3能在RNA層面被調控,在神經病理性疼痛中發揮鎮痛作用。

2.1 SOCS3負反饋抑制JAK/STAT3信號通路緩解神經病理性痛

細胞用白血病抑制因子(leukemia inhibitory factor,LIF)刺激,LIF與糖蛋白130(glucoprotein 130, gp130):LIFR異二聚體結合,誘導相連的JAK1的自磷酸化,磷酸化的JAK1(phosphorylatedp Janus kinase 1,pJAK1)再磷酸化受體的酪氨酸,STAT3結合到gp130上磷酸化的酪氨酸,被磷酸化,使其二聚化并轉移到細胞核內,誘導SOCS3的轉錄,通過SH2區結合到gp130上757位磷酸化酪氨酸,SOCS3與pJAK1結合,復合物從受體復合物上釋放,因此,STAT3不能被pJAK1磷酸化,接著SOCS3泛素化pJAK1,pJAK1以SOCS3的SOCS盒依賴方式被蛋白酶體降解[5, 10, 11]。SOCS3負反饋抑制JAK/STAT3信號通路機制如Fig.1所示。SOCS3可以通過兩個相鄰的結合表面同時與JAK2和受體相互作用,形成高親和力的三元復合物,增加SOCS3對JAK和細胞因子的抑制作用,而缺失受體的情況下削弱SOCS3對JAK的抑制作用[17]。SOCS3抑制JAK對底物磷酸化的原因為JAK插入環最后3個殘基GQM,突變GQM這一序列完全消除了SOCS3對JAK2的抑制能力,SOCS3與JAK2的結合可能改變GQM與JAK2底物結合位點的相對位置,從而影響JAK2對底物的磷酸化[17]。SOCS3是JAK2的非競爭性抑制劑(JAK的底物為ATP和含酪氨酸的底物),這一非競爭性抑制作用與ATP競爭性抑制劑相比有明顯優勢,因為體內ATP濃度很高,并且酪氨酸激酶ATP結合位點結構相似[17]。

Fig.1 SOCS3 inhibits the JAK/STAT3 signaling pathway in a negative feedback way[5] LIF binds to the receptor, which induces the auto-phosphorylation of JAK1 that is attached to the receptor, then pJAK1 phosphorylates the tyrosine of the receptor. STAT3 binds to the phosphorylated tyrosine of the receptor. It is then phosphorylated, dimerized and later translocates into the nucleus and induces the expression of SOCS3. SOCS3 binds to the phosphorylated tyrosine of the receptor, then binds to pJAK1 and dissociates from the receptor, so STAT3 cannot be phosphorylated by pJAK1

在慢性壓迫損傷(chronic constriction injury,CCI)模型中同側脊髓背角SOCS3表達增加,可能是磷酸二聚化的STAT3轉移到細胞核內誘導SOCS3轉錄,而SOCS3的表達會抑制磷酸化的STAT3水平,發揮鎮痛作用。例如在CCI模型大鼠中脊髓背角Janus激酶/信號轉導子和轉錄激活子3(Janus kinase/signal transducer and activator of transcription 3,JAK/STAT3)信號通路激活,鞘內注射慢病毒載體介導SOCS3過表達,其顯著降低脊髓背角中磷酸化的STAT3水平,抑制CCI誘導的IL-6、CC趨化因子配體2(CC chemokine ligand 2,CCL2)和激活轉錄因子3(activating transcription factor 3,ATF3)的表達,進而緩解CCI誘發的機械接觸誘發疼痛[18]。鞘內注射阿司匹林觸發的脂蛋白A4(aspirin-triggered lipoxin A4,ATL),為脂蛋白A4(lipoxinA4,LXA4)的差向異構體,促進CCI大鼠脊髓中SOCS3 mRNA進一步表達,抑制CCI大鼠脊髓中磷酸化的STAT3(phosphorylatedp signal transducer and activator of transcription 3,pSTAT3)的增加,抑制CCI誘導的炎性因子IL-1β、IL-6和腫瘤壞死因子α(tumour necrosis factor-α,TNF-α)的表達,從而緩解CCI機械接觸誘發的疼痛[19]。雙側坐骨神經慢性壓迫損傷(bilateral chronic constriction injury,bCCI)大鼠鞘內注射pcDNA-陰陽1(yin yang 1,YY1)表達載體,使YY1(陰陽1)過表達,其增加脊髓中SOCS3的mRNA和蛋白質的表達,降低pSTAT3的表達,降低炎癥因子 IL-1β和IL-6的分泌,緩解CCI大鼠的機械接觸誘發的疼痛、熱痛覺過敏和冷痛覺過敏[20]。鞘內注射WP1066(STAT3抑制劑)顯著抑制bCCI大鼠脊髓中上調的SOCS3的mRNA和蛋白質、抑制JAK2的mRNA和蛋白質表達,下調STAT3的mRNA和磷酸化水平,緩解bCCI大鼠的機械接觸誘發的疼痛、熱和冷痛覺過敏[21]。

2.2 非編碼RNA調節SOCS3表達緩解神經病理性痛

長非編碼RNA(long noncoding RNA,lncRNA)能調節SOCS3表達,在疼痛模型中負調控某些lncRNA,會增加SOCS3表達發揮鎮痛作用。例如在 bCCI大鼠脊髓中長非編碼RNA DILC(long noncoding RNA DILC,lncRNA DILC)表達增加,通過鞘內注射lncRNA DILC siRNA,降低 lncRNA DILC表達,會導致脊髓中SOCS3的表達增加,抑制STAT3的磷酸化,減輕bCCI大鼠的機械接觸誘發的疼痛、熱痛覺過敏和冷觸誘發的疼痛[1]。體外小膠質細胞分別轉染pcDNA-DILC和DILC siRNA,也證實lncRNA DILC能通過調節SOCS3的表達,調節JAK/STAT3信號通路[1]。bCCI組大鼠鞘內注射lncRNA-linc00311和lncRNA-AK141205的siRNA能抑制pSTAT3的表達,緩解bCCI大鼠的機械接觸誘發的疼痛和熱與冷痛覺過敏;細胞用WP1066(STAT3抑制劑)治療后lncRNA-linc00311和lncRNA-AK141205表達下調[22],表明lncRNA-linc00311和lncRNA-AK141205可能在STAT3的上游發揮致痛作用。

微RNA(microRNA,miRNA)為基因表達的關鍵轉錄后調節因子,microRNA-30a-5p能在轉錄水平負調控SOCS3[23]。在疼痛模型中抑制某些miRNA表達,會增加SOCS3表達發揮鎮痛作用。例如miR-218作用于SOCS3的3′非翻譯區并下調SOCS3表達,在CCI模型大鼠的脊髓中miR-218表達上調,鞘內注射miR-218抑制劑,上調CCI大鼠脊髓中SOCS3 mRNA和蛋白質表達,顯著降低CCI大鼠脊髓中STAT3的磷酸化,抑制CCI誘導的炎癥因子(IL-1β、IL-6和TNF-α)的表達,緩解CCI誘發的機械接觸誘發痛和熱痛覺過敏[24]。在糖尿病周圍神經病變(diabetic peripheral neuropathy ,DPN)模型大鼠中通過抑制miR-221表達,降低miR-221對SOCS3表達的負調控作用,增加SOCS3表達發揮鎮痛作用[25]。這些現象提示,非編碼RNA通過上游調控SOCS3作用參與神經病理性痛的發生與發展。

3 細胞因子信號傳導抑制因子3在其它病理性疼痛的作用

SOCS3不僅在神經病理性疼痛中發揮作用,還在炎性疼痛、骨癌痛、足底切口痛和嗎啡耐受中發揮鎮痛作用。

3.1 SOCS3通過抑制多種炎性因子介導的信號通路緩解炎性痛

在炎性疼痛模型中增加SOCS3表達能發揮鎮痛作用。例如完全弗氏佐劑(complete Freund’s adjuvant,CFA)誘導的炎性疼痛大鼠,PVN內SOCS3在急性期蛋白質表達水平增加,慢性期表達下降,PVN內注射SOCS3-腺相關病毒(adeno-associated virus,AAV),增加慢性期SOCS3表達量并降低PVN內c-fos(神經元興奮標志)陽性細胞數量,減輕CFA誘導的慢性期機械接觸誘發的疼痛和熱痛覺過敏[7]。在膠原誘導關節炎模型的大鼠,鼠耳草乙酸乙酯提取物通過增加SOCS3表達,抑制JAK/STAT信號通路發揮抗炎鎮痛作用[26]。SOCS3能抑制多種炎性因子介導的信號通路,這可能是SOCS3緩解炎性痛的原因。例如在BV-2細胞中用ATP敏感性鉀通道(ATP-sensitive potassium channel,KATP)打開劑克羅卡林預處理,增加SOCS3表達并且以SOCS3依賴方式,抑制LPS、IL-1β和IL-6介導的炎癥反應,發揮抗炎作用;并且克羅卡林以SOCS3依賴方式緩解IL-1β介導的小鼠機械性痛覺超敏[27]。在體外研究中,SOCS3通過抑制TNF受體相關因子6(TNF receptor-associated factor 6,TRAF6)的磷酸化,抑制TGFβ活化激酶1(TGFβ activated kinase1,TAK1)的激活,進而負調控IL-1介導的信號通路[28]。在成骨細胞中,LPS瞬時誘導SOCS3表達,抑制LPS誘導的IL-6的分泌,SOCS3的KIR、SOCS盒的204位酪氨酸和SH2區對SOCS3抑制IL-6的分泌是必不可少的;SOCS3通過抑制轉錄因子C/EBPβ而不是核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)結合到IL-6啟動子區,繼而抑制IL-6表達[9]。miR-218抑制劑能抑制IL-6刺激的體外培養的初級小膠質細胞中STAT3的磷酸化,抑制STAT3信號通路下游基因環氧合酶2(cyclooxygenase 2,COX2)和CCL2的表達[24]。SOCS3基因條件性敲除小鼠的肝和巨噬細胞在用IL-6刺激后,可延長pSTAT3表達的時間[29]。在LPS刺激的心肌細胞中,苯丙硝唑以SOCS3依賴方式抑制kappa B 抑制因子激酶(inhibitor of kappa B kinase,IKK)磷酸化和IκBα(NF-κB抑制劑)降解,從而抑制NF-κB的激活和核轉移[30]。在BV-2細胞中過表達SOCS3能減少LPS誘導的IL-6、 IL-1β和TNF-α的表達,能降低LPS誘導的p65和p38的磷酸化[2]。這些現象提示,SOCS3緩解炎性疼痛的機制涉及多種細胞因子、趨化因子及轉錄因子。

3.2 SOCS3在骨癌痛、足底切口痛和嗎啡耐受中的作用

在骨癌痛、足底切口痛、嗎啡耐受模型中增加SOCS3表達發揮鎮痛作用。例如在骨癌痛模型大鼠同側腰2～5背根神經節中SOCS3蛋白質水平顯著下降,免疫組化顯示,SOCS3在背根神經節(dorsal root ganglia,DRG)中主要定位于神經元,鞘內注射慢病毒載體SOCS3增加背根神經節中SOCS3蛋白質水平的表達,抑制背根神經節神經元的興奮性和背根神經節內TLR4的過表達,緩解腫瘤細胞注射同側后肢機械痛覺過敏[4]。在足底切口痛模型小鼠中,鞘內給藥KATP打開劑克羅卡林,以Gas6/Axl信號通路依賴方式增加脊髓中SOCS3表達發揮鎮痛作用[27]。足底切口模型小鼠腹腔或鞘內注射芍藥苷,能通過增加脊髓中熱休克蛋白70(heat shock protein 70,HSP70)表達,作用于細胞上的TLR4,增加脊髓中SOCS3表達,發揮抗炎鎮痛作用[31]。嗎啡是治療疼痛的有效藥物,但長期使用嗎啡治療疼痛會出現嗎啡耐受的現象,嗎啡的鎮痛效力下降或需加大嗎啡用量。在嗎啡耐受小鼠中,利多卡因通過增強小鼠脊髓中SOCS3表達緩解小鼠嗎啡耐受,并且在BV-2細胞中證實,利多卡因以SOCS3依賴方式抑制嗎啡誘導的IL-1β和TNF-α的mRNA增加,抑制嗎啡誘導的NF-κB的核轉移,并且在BV-2細胞中利多卡因以鈣依賴性蛋白激酶β(calcium-dependent protein kinase kinase β,CaMKKβ)-腺苷5′-單磷酸激活蛋白激酶(adenosine 5′-monophosphate (AMP)-activated protein kinase,AMPK)-依賴方式上調細胞中SOCS3的表達[32]。microRNA-30a-5p能在轉錄水平負調控SOCS3表達,AMPK激活劑二甲雙胍通過抑制microRNA-30a-5p表達增加SOCS3表達緩解小鼠嗎啡耐受[23]。

4 問題與展望

本文綜述了SOCS3的結構、功能、在疼痛中的作用及機制。SOCS3通過負反饋抑制JAK/STAT3信號通路及下游基因的表達,阻礙 IL-1、IL-6和TNF-α等多種炎性因子的分泌,調控NF-κB的激活和核轉移等,發揮抗炎鎮痛作用。疼痛產生的機制錯綜復雜,包括多種細胞因子之間的相互作用,不同的鎮痛藥物通過不同機制對不同或相同的細胞因子產生作用發揮鎮痛作用。通過特異microRNA精準調控SOCS3表達,會進一步調控特異性細胞因子或作為SOCS3治療疼痛的一個潛力研究方向。