引用本文: 何燕超, 施天昀, 施劲东, 梅周芳, 钱凌, 黄琦慧, 揭志军. 白细胞介素27在呼吸道合胞病毒致肺部感染中的作用机制研究. 中国呼吸与危重监护杂志, 2016, 15(4): 356-360. doi: 10.7507/1671-6205.2016084 复制
呼吸道合胞病毒(respiratory syncytial virus,RSV)是导致婴幼儿毛细支气管炎最常见的病原体,严重的RSV感染可引起Ⅰ型干扰素水平降低,并影响RSV在气道的清除[1]。干扰素诱导跨膜蛋白3(interferon induced transmembrane protein-3,IFITM3)是近年来发现的一种抗病毒蛋白,它可以通过抑制病毒与内溶酶体膜融合而抑制病毒感染[2-3]。其表达的调节是由干扰素β(IFN-β)与其细胞膜上的受体结合,通过促进STAT1通路磷酸化实现的[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。白细胞介素27(IL-27)是IL-6家族的细胞因子,它是由p28和EBI3两个亚基构成的异质二聚体。IL-27主要由抗原提呈细胞(antigen presenting cell,APC)分泌,然后与其受体IL-27R结合发挥生物学效应。IL-27R同样是由WSX-1(也称T细胞因子受体)和gp130(也称IL-6受体)构成的二聚体[5],它表达于多种细胞上,包括T细胞、NK细胞、B细胞、肥大细胞、树突状细胞、上皮细胞、内皮细胞等[6]。IL-27与受体结合后激活JAK/STAT通路导致细胞下游信号的变化,但不同类型的细胞有不同的生物学效应[7]。研究发现IL-27可以在体外通过激活STAT1/2/3通路抑制H1N1病毒的复制[8],但它在RSV病毒感染中的作用尚未见报道。因为IL-27与IFN-β都可以激活JAK/STAT通路,并且有研究发现IFN-β可以上调IL-27的表达[7],因此推测IL-27可能在RSV感染中有同样的抗病毒作用。本研究希望通过检测IL-27、IFN-β、IFITM3、STAT1、pSTAT1在RSV感染中的变化,分析它们之间的相互作用,探讨IL-27在RSV感染中的作用机制。
材料与方法
一 材料
1.动物、细胞和病毒:7周龄SPF级雌性C57小鼠30只由国家啮齿类实验动物种子中心上海分中心(斯莱克公司)提供,动物证号SCXK(沪)2007-0005。人喉癌上皮细胞(Hep-2)和人肺腺癌上皮细胞(A549)由上海市公共卫生临床中心提供。RSV A2病毒株来源于美国ATCC(American type culture collection,ATCC)。
2.试剂:DMEM培养基(美国HyClone公司);磷酸盐缓冲液PBS(Thermo公司);胎牛血清FBS(美国Gibco公司);戊巴比妥钠(北京杰辉生物技术有限公司);4%多聚甲醛(谷歌生物赠);TRIZOL(Invitrogen公司);cDNA第一链合成试剂盒(康为生物科技有限公司);Real-time PCR试剂盒(康为生物科技有限公司);RNase free ddH2O(TIANGEN生化科技有限公司);无水乙醇(上海化学试剂公司);细胞染色液(珠海贝索生物技术有限公司);重组人IL-27蛋白(美国R&D公司);STAT1抗体、pSTAT1抗体、IFITM3抗体(美国Cell Signaling公司)、氟达拉滨(美国Selleck公司)。
3.仪器:细胞培养室专用室(生物安全级别BSL1、BSL2),倒置显微镜(Olympus公司),台式高速离心机(Thermo公司),小型高速冷冻离心机(Thermo公司),荧光定量PCR仪(Thermo公司),电热恒温水温箱(上海跃进医疗器械厂),液氮罐(Thermo公司),MCO-20型CO2培养箱(日本Sanyo公司),蛋白电泳仪、转移电泳仪(美国Bio-RAD公司)。
二 方法
1.RSV病毒悬液的制备:复苏Hep-2细胞传代培养2代,将RSV以MOI=100接种于Hep-2细胞,每日观察Hep-2细胞病变,当病变达80%以上时反复冻融细胞,离心取上清病毒液,用TCID50法测定病毒悬液的毒力。
2.RSV感染小鼠模型建立与分组:称重每只小鼠,用2%的戊巴比妥钠腹腔注射麻醉小鼠(用量80 μL/20 g),待动物完全昏迷后,给予107.5 TCID50/mL的病毒液20 μL分次滴鼻感染小鼠。根据实验将小鼠随机分6组,在RSV感染后0、0.5、1、2、4、8 d处死小鼠,取左肺用4%多聚甲醛溶液浸泡固定24 h,右肺匀浆后TRIZOL裂解冻存。
3.Real-time PCR实验:以TRIZOL法提取小鼠肺组织或A549细胞的总RNA,并测定RNA的浓度(A260/A280>1.8),根据浓度取2 μg总RNA按照逆转录试剂盒操作说明将RNA逆转录为cDNA,以10 μL反应体系行PCR扩增。每个样本设3个复孔。反应程序95 ℃预变性90 s,95 ℃退火5 s,58 ℃延伸30 s,共35个循环,获得待测基因Ct值,采用2-△△Ct法计算基因表达。引物见表 1。

4.RhIL-27刺激RSV感染:复苏A549细胞传代培养2代后接种12孔板,设3个复孔,分别用0、1、10、50 ng/mL浓度的rhIL-27联合MOI=5滴度的RSV病毒感染A549细胞24 h后收样,寻找适宜的rhIL-27浓度,然后分别用氟达拉滨(Fludarabine,FLUD)0、0.5、1、10 μmol/L浓度刺激rhIL-27+RSV病毒的A549细胞培养24 h后收样。以感染灭活RSV的A549细胞为对照组。
5.Western blot实验:胰酶消化并收集各组细胞,提取蛋白,用BCA法测定蛋白浓度。每个取30 μg蛋白样品经10%聚丙乙烯酰胺凝胶电泳分离后转移至PVDF膜,用5%脱脂奶粉的TBST缓冲液室温封闭2 h,一抗(IFITM3,STAT1,pSTAT1)4 ℃孵育过夜,TBST缓冲液洗膜3次,加二抗室温孵育1 h,再用TBST缓冲液洗膜5次,ECL化学发光染色,X光显影。
三 统计学处理
采用GraphPad Prism 5统计软件处理数据。数据采用x±s表示,两组间比较用独立样本t检验分析,多组计量资料间比较采用two-way ANOVA分析。P<0.05为差异有统计学意义。
结果
一 RSV感染小鼠后的表型变化
RSV感染小鼠肺部后,RSV-M mRNA水平在感染后第4 d达到高峰,到第8 d下降到正常水平。对小鼠肺行HE染色,肺部病理表现基本与RSV-M mRNA水平表现趋势一致,第4 d炎症表现最重,第8 d炎症基本吸收。结果见图 1。

与感染后0 d比较,***
二 RSV感染小鼠后小鼠肺IL-27 mRNA表达变化
进一步检测RSV感染后小鼠肺IL-27 mRNA表达的变化,结果发现IL-27 p28/EBI3 mRNA表达均在感染后的第1 d迅速升高达到峰值,随后逐渐恢复正常水平。而IFN-β mRNA表达在RSV感染后1、2、4、8 d均无明显变化(P>0.05)。随后进一步实验发现IL-27基因表达在感染后12 h有一过性升高,随后迅速恢复正常。结果见图 2。

与感染后0 d比较,*
三 RhIL-27抑制RSV病毒复制
与未刺激的RSV感染组(RSV组)相比,给予10 ng/mL、50 ng/mL浓度的rhIL-27后,RSV感染A549细胞的RSV-M mRNA表达明显降低(P<0.05),但未发现存在明显的剂量依赖性。而10、50 ng/mL浓度的rhIL-27刺激可以促进RSV感染A549细胞的IFITM3 mRNA的表达明显升高(P<0.05),但是RSV感染A549细胞的IFN-β却无明显变化(P>0.05)。结果见图 3。

与对照组比较,*
四 RhIL-27促进RSV感染A549细胞STAT1通路磷酸化,上调IFITM3蛋白表达
给予10 ng/mL、50 ng/mL浓度的rhIL-27刺激后,RSV感染A549细胞的STAT1、pSTAT1蛋白水平明显上调,而IFITM3蛋白无明显变化,结果见图 4a。进一步运用FLUD抑制STAT1通路,结果发现随着FLUD浓度增高,pSTAT1蛋白逐步下调,并且IFITM3也随之逐步下调,结果见图 4b。

讨论
RSV是婴幼儿呼吸道感染最常见的病毒之一,每年因RSV感染导致全球大约2%的确诊病例死亡[9]。截至目前,仍无药物对RSV感染有确切的疗效。本研究动物模型中发现RSV感染后第4 d基因表达达到高峰,肺部炎症最严重,随后病毒会逐渐被清除,肺部炎症被吸收。我们进一步采用Real-time PCR法检测检测小鼠肺部IL-27的亚基EBI3及p28、IFN-β的变化,发现IFN-β基因仅仅在感染后12 h表现为一过性升高,而IL-27p28/EBI3基因在感染后24 h达高峰,随后逐渐降低。上述基因的变化显示IFN-β和IL-27在RSV感染中可能存在某种联系。
通过动物模型,我们发现IL-27参与了RSV感染的免疫反应过程,但是IL-27对RSV感染的具体作用仍未明确。既往研究发现IL-27主要参与一些炎症性疾病的免疫反应,它可以与T细胞上的受体结合,同样通过促进STAT1的磷酸化调节炎症反应[10-11]。IFITM3是近年来新发现的一种抗病毒物质,Zhang等[12]发现IFN-β促进IFITM3基因表达,IFITM3的表达可以直接抑制RSV的复制。而且,IFN-β激活STAT1途径在抗病毒的天然免疫中起到关键性作用[13-15]。因此,我们认为IL-27可能通过IFNβ-STAT1-IFITM3途径发挥了抗病毒作用。我们初步运用不同浓度的rhIL-27刺激RSV感染的A549细胞,检测对RSV-M蛋白基因表达的影响。结果发现高浓度的rhIL-27(10 ng/mL、50 ng/mL)可以直接抑制RSV-M蛋白基因表达。在rhIL-27刺激RSV感染的A549细胞后,应用Real-time PCR法检测IFN-β、IFITM3等mRNA的变化,结果发现IL-27可以促进IFTIM3基因的表达。
为了进一步验证IL-27是否通过IFNβ-STAT1-IFITM3途径发挥作用,我们在细胞实验中检测了rhIL-27刺激后对IFITM3、STAT1、pSTAT1蛋白水平的影响,结果发现IL-27可以促进RSV感染的A549细胞STAT1的磷酸化。运用FLUD抑制STAT1磷酸化,IFITM3蛋白表达明显降低,这证明IFITM3表达通过STAT1磷酸化路径。总之,IL-27可能通过磷酸化STAT1磷酸化途径促进IFITM3的表达,从而抑制RSV复制。这些结果与我们的假设基本一致。
本研究并非是首次报道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细胞的细胞实验中得到了与我们类似的结论。他们发现IL-27在H1N1感染的A549细胞中升高,进一步研究发现IL-27可通过磷酸化STAT1/2/3通路促进抗病毒蛋白激酶R的表达而抑制病毒复制。还有一些研究发现IL-27在人类免疫缺陷病毒(HIV)和乙型肝炎病毒(HBV)、巨细胞病毒(CMV)等感染中也起到抗病毒作用[16]。
综上所述,IL-27可以通过直接与上皮细胞上的受体结合起到抑制RSV复制的作用,其主要途径为直接促进上皮细胞的STAT1磷酸化,上调IFITM3蛋白的表达,从而起到抑制RSV复制的作用。本研究结果为RSV感染的治疗提供了一个新的视点。
呼吸道合胞病毒(respiratory syncytial virus,RSV)是导致婴幼儿毛细支气管炎最常见的病原体,严重的RSV感染可引起Ⅰ型干扰素水平降低,并影响RSV在气道的清除[1]。干扰素诱导跨膜蛋白3(interferon induced transmembrane protein-3,IFITM3)是近年来发现的一种抗病毒蛋白,它可以通过抑制病毒与内溶酶体膜融合而抑制病毒感染[2-3]。其表达的调节是由干扰素β(IFN-β)与其细胞膜上的受体结合,通过促进STAT1通路磷酸化实现的[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。白细胞介素27(IL-27)是IL-6家族的细胞因子,它是由p28和EBI3两个亚基构成的异质二聚体。IL-27主要由抗原提呈细胞(antigen presenting cell,APC)分泌,然后与其受体IL-27R结合发挥生物学效应。IL-27R同样是由WSX-1(也称T细胞因子受体)和gp130(也称IL-6受体)构成的二聚体[5],它表达于多种细胞上,包括T细胞、NK细胞、B细胞、肥大细胞、树突状细胞、上皮细胞、内皮细胞等[6]。IL-27与受体结合后激活JAK/STAT通路导致细胞下游信号的变化,但不同类型的细胞有不同的生物学效应[7]。研究发现IL-27可以在体外通过激活STAT1/2/3通路抑制H1N1病毒的复制[8],但它在RSV病毒感染中的作用尚未见报道。因为IL-27与IFN-β都可以激活JAK/STAT通路,并且有研究发现IFN-β可以上调IL-27的表达[7],因此推测IL-27可能在RSV感染中有同样的抗病毒作用。本研究希望通过检测IL-27、IFN-β、IFITM3、STAT1、pSTAT1在RSV感染中的变化,分析它们之间的相互作用,探讨IL-27在RSV感染中的作用机制。
材料与方法
一 材料
1.动物、细胞和病毒:7周龄SPF级雌性C57小鼠30只由国家啮齿类实验动物种子中心上海分中心(斯莱克公司)提供,动物证号SCXK(沪)2007-0005。人喉癌上皮细胞(Hep-2)和人肺腺癌上皮细胞(A549)由上海市公共卫生临床中心提供。RSV A2病毒株来源于美国ATCC(American type culture collection,ATCC)。
2.试剂:DMEM培养基(美国HyClone公司);磷酸盐缓冲液PBS(Thermo公司);胎牛血清FBS(美国Gibco公司);戊巴比妥钠(北京杰辉生物技术有限公司);4%多聚甲醛(谷歌生物赠);TRIZOL(Invitrogen公司);cDNA第一链合成试剂盒(康为生物科技有限公司);Real-time PCR试剂盒(康为生物科技有限公司);RNase free ddH2O(TIANGEN生化科技有限公司);无水乙醇(上海化学试剂公司);细胞染色液(珠海贝索生物技术有限公司);重组人IL-27蛋白(美国R&D公司);STAT1抗体、pSTAT1抗体、IFITM3抗体(美国Cell Signaling公司)、氟达拉滨(美国Selleck公司)。
3.仪器:细胞培养室专用室(生物安全级别BSL1、BSL2),倒置显微镜(Olympus公司),台式高速离心机(Thermo公司),小型高速冷冻离心机(Thermo公司),荧光定量PCR仪(Thermo公司),电热恒温水温箱(上海跃进医疗器械厂),液氮罐(Thermo公司),MCO-20型CO2培养箱(日本Sanyo公司),蛋白电泳仪、转移电泳仪(美国Bio-RAD公司)。
二 方法
1.RSV病毒悬液的制备:复苏Hep-2细胞传代培养2代,将RSV以MOI=100接种于Hep-2细胞,每日观察Hep-2细胞病变,当病变达80%以上时反复冻融细胞,离心取上清病毒液,用TCID50法测定病毒悬液的毒力。
2.RSV感染小鼠模型建立与分组:称重每只小鼠,用2%的戊巴比妥钠腹腔注射麻醉小鼠(用量80 μL/20 g),待动物完全昏迷后,给予107.5 TCID50/mL的病毒液20 μL分次滴鼻感染小鼠。根据实验将小鼠随机分6组,在RSV感染后0、0.5、1、2、4、8 d处死小鼠,取左肺用4%多聚甲醛溶液浸泡固定24 h,右肺匀浆后TRIZOL裂解冻存。
3.Real-time PCR实验:以TRIZOL法提取小鼠肺组织或A549细胞的总RNA,并测定RNA的浓度(A260/A280>1.8),根据浓度取2 μg总RNA按照逆转录试剂盒操作说明将RNA逆转录为cDNA,以10 μL反应体系行PCR扩增。每个样本设3个复孔。反应程序95 ℃预变性90 s,95 ℃退火5 s,58 ℃延伸30 s,共35个循环,获得待测基因Ct值,采用2-△△Ct法计算基因表达。引物见表 1。

4.RhIL-27刺激RSV感染:复苏A549细胞传代培养2代后接种12孔板,设3个复孔,分别用0、1、10、50 ng/mL浓度的rhIL-27联合MOI=5滴度的RSV病毒感染A549细胞24 h后收样,寻找适宜的rhIL-27浓度,然后分别用氟达拉滨(Fludarabine,FLUD)0、0.5、1、10 μmol/L浓度刺激rhIL-27+RSV病毒的A549细胞培养24 h后收样。以感染灭活RSV的A549细胞为对照组。
5.Western blot实验:胰酶消化并收集各组细胞,提取蛋白,用BCA法测定蛋白浓度。每个取30 μg蛋白样品经10%聚丙乙烯酰胺凝胶电泳分离后转移至PVDF膜,用5%脱脂奶粉的TBST缓冲液室温封闭2 h,一抗(IFITM3,STAT1,pSTAT1)4 ℃孵育过夜,TBST缓冲液洗膜3次,加二抗室温孵育1 h,再用TBST缓冲液洗膜5次,ECL化学发光染色,X光显影。
三 统计学处理
采用GraphPad Prism 5统计软件处理数据。数据采用x±s表示,两组间比较用独立样本t检验分析,多组计量资料间比较采用two-way ANOVA分析。P<0.05为差异有统计学意义。
结果
一 RSV感染小鼠后的表型变化
RSV感染小鼠肺部后,RSV-M mRNA水平在感染后第4 d达到高峰,到第8 d下降到正常水平。对小鼠肺行HE染色,肺部病理表现基本与RSV-M mRNA水平表现趋势一致,第4 d炎症表现最重,第8 d炎症基本吸收。结果见图 1。

与感染后0 d比较,***
二 RSV感染小鼠后小鼠肺IL-27 mRNA表达变化
进一步检测RSV感染后小鼠肺IL-27 mRNA表达的变化,结果发现IL-27 p28/EBI3 mRNA表达均在感染后的第1 d迅速升高达到峰值,随后逐渐恢复正常水平。而IFN-β mRNA表达在RSV感染后1、2、4、8 d均无明显变化(P>0.05)。随后进一步实验发现IL-27基因表达在感染后12 h有一过性升高,随后迅速恢复正常。结果见图 2。

与感染后0 d比较,*
三 RhIL-27抑制RSV病毒复制
与未刺激的RSV感染组(RSV组)相比,给予10 ng/mL、50 ng/mL浓度的rhIL-27后,RSV感染A549细胞的RSV-M mRNA表达明显降低(P<0.05),但未发现存在明显的剂量依赖性。而10、50 ng/mL浓度的rhIL-27刺激可以促进RSV感染A549细胞的IFITM3 mRNA的表达明显升高(P<0.05),但是RSV感染A549细胞的IFN-β却无明显变化(P>0.05)。结果见图 3。

与对照组比较,*
四 RhIL-27促进RSV感染A549细胞STAT1通路磷酸化,上调IFITM3蛋白表达
给予10 ng/mL、50 ng/mL浓度的rhIL-27刺激后,RSV感染A549细胞的STAT1、pSTAT1蛋白水平明显上调,而IFITM3蛋白无明显变化,结果见图 4a。进一步运用FLUD抑制STAT1通路,结果发现随着FLUD浓度增高,pSTAT1蛋白逐步下调,并且IFITM3也随之逐步下调,结果见图 4b。

讨论
RSV是婴幼儿呼吸道感染最常见的病毒之一,每年因RSV感染导致全球大约2%的确诊病例死亡[9]。截至目前,仍无药物对RSV感染有确切的疗效。本研究动物模型中发现RSV感染后第4 d基因表达达到高峰,肺部炎症最严重,随后病毒会逐渐被清除,肺部炎症被吸收。我们进一步采用Real-time PCR法检测检测小鼠肺部IL-27的亚基EBI3及p28、IFN-β的变化,发现IFN-β基因仅仅在感染后12 h表现为一过性升高,而IL-27p28/EBI3基因在感染后24 h达高峰,随后逐渐降低。上述基因的变化显示IFN-β和IL-27在RSV感染中可能存在某种联系。
通过动物模型,我们发现IL-27参与了RSV感染的免疫反应过程,但是IL-27对RSV感染的具体作用仍未明确。既往研究发现IL-27主要参与一些炎症性疾病的免疫反应,它可以与T细胞上的受体结合,同样通过促进STAT1的磷酸化调节炎症反应[10-11]。IFITM3是近年来新发现的一种抗病毒物质,Zhang等[12]发现IFN-β促进IFITM3基因表达,IFITM3的表达可以直接抑制RSV的复制。而且,IFN-β激活STAT1途径在抗病毒的天然免疫中起到关键性作用[13-15]。因此,我们认为IL-27可能通过IFNβ-STAT1-IFITM3途径发挥了抗病毒作用。我们初步运用不同浓度的rhIL-27刺激RSV感染的A549细胞,检测对RSV-M蛋白基因表达的影响。结果发现高浓度的rhIL-27(10 ng/mL、50 ng/mL)可以直接抑制RSV-M蛋白基因表达。在rhIL-27刺激RSV感染的A549细胞后,应用Real-time PCR法检测IFN-β、IFITM3等mRNA的变化,结果发现IL-27可以促进IFTIM3基因的表达。
为了进一步验证IL-27是否通过IFNβ-STAT1-IFITM3途径发挥作用,我们在细胞实验中检测了rhIL-27刺激后对IFITM3、STAT1、pSTAT1蛋白水平的影响,结果发现IL-27可以促进RSV感染的A549细胞STAT1的磷酸化。运用FLUD抑制STAT1磷酸化,IFITM3蛋白表达明显降低,这证明IFITM3表达通过STAT1磷酸化路径。总之,IL-27可能通过磷酸化STAT1磷酸化途径促进IFITM3的表达,从而抑制RSV复制。这些结果与我们的假设基本一致。
本研究并非是首次报道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细胞的细胞实验中得到了与我们类似的结论。他们发现IL-27在H1N1感染的A549细胞中升高,进一步研究发现IL-27可通过磷酸化STAT1/2/3通路促进抗病毒蛋白激酶R的表达而抑制病毒复制。还有一些研究发现IL-27在人类免疫缺陷病毒(HIV)和乙型肝炎病毒(HBV)、巨细胞病毒(CMV)等感染中也起到抗病毒作用[16]。
综上所述,IL-27可以通过直接与上皮细胞上的受体结合起到抑制RSV复制的作用,其主要途径为直接促进上皮细胞的STAT1磷酸化,上调IFITM3蛋白的表达,从而起到抑制RSV复制的作用。本研究结果为RSV感染的治疗提供了一个新的视点。