第十一章　白细胞介素-11

白细胞介素-11（interleukin-11，IL-11）是IL-6细胞因子家族的成员之一，以共用广泛表达的糖蛋白130（gp130）信号转导受体亚基而著称。IL-11起初被认为是具有促血小板生成活性的造血细胞因子，随后发现在多种组织中都存在表达，并具有一定活性。1990年，Paul等用PU-34细胞系研究生长因子的产生时发现IL-11克隆增殖，并首次分离出该细胞因子。

人IL-11基因包含5个外显子和4个内含子，位于19号染色体长臂13.4位点和14.4位点之间。人IL-11基因5′端区域有参与转录调控的DNA基序，一个“TATA”盒似的序列，位于翻译起始密码子ATG上游180个核苷酸处，在这个区域里一个10 bp的起始序列包含一个激活蛋白-1（AP-1）位点。在骨髓成纤维细胞中，JunD/AP-1复合物对IL-11基因的组成性转录起到一定的调控作用。人IL-11基因的3′端包含两个聚酰胺酸化位点，分别位于6762和5591核苷酸位点处，这两个位点使2.5kb和1.5kb的IL-11 mRNA转录产物在IL-1α诱导的细胞系中表达增加。鼠IL-11 cDNA在核苷酸水平上与人IL-11有80%的同源性。鼠IL-11基因也包含了5个外显子和4个内含子，位于7号染色体的着丝粒端。

IL-11前体蛋白由199个氨基酸组成，其中包括含有22个氨基酸的信号肽序列。人IL-11蛋白分子量约19kD。虽然IL-11蛋白富含脯氨酸残基，缺乏半胱氨酸残基和二硫键，但人IL-11蛋白是高度螺旋的，并具有热稳定性。人IL-11蛋白包含一个四螺旋拓扑结构，这个拓扑结构由位于蛋白表面的蛋氨酸残基和赖氨酸形成。这些蛋氨酸残基经化学修饰后，能使人重组IL-11在体外的生物活性降低25倍，此外，赖氨酸经化学修饰后，导致生物活性降低3倍。人重组IL-11蛋白的C末端呈螺旋结构，参与主要受体结合位点的形成，这个位点的氨基酸残基促进IL-11与受体结合。在Pro ¹³和Lys ⁴¹之间存在大量残基，包括Pro ¹³、Glu ¹⁶、Leu ²²、Arg2 ⁵、Leu ²⁸、Thr ³¹、Arg ³²、Leu ³⁴和Arg ³⁹，这些残基对IL-11的生物活性起到关键作用，同时也构成gp130结合位点的一部分。Lys ⁴¹与带正电荷的精氨酸残基都参与受体gp130结合位点的结合。在氨基酸序列上，鼠IL-11与人IL-11具有88%的同源性。

IL-11最初在骨髓源基质干细胞中被发现，越来越多的研究发现，成骨细胞、滑膜细胞、成纤维细胞、软骨细胞、滋养细胞、肝细胞、胃肠上皮细胞、T细胞、B细胞、巨噬细胞、心肌细胞以及其他类型细胞都能产生并分泌IL-11，但IL-11分泌的主要来源至今还不明确。低水平的IL-11 mRNA分布于全身，在健康人血清中很难检测到，但在很多炎症疾病和恶性肿瘤中却很容易被检测到，预示炎症可能是促进IL-11表达的一种病理刺激。IL-11受体α亚基（IL-11Rα）识别IL-11并确定其表达模式。IL-11Rα有两个跨膜亚型IL-11Rα1和IL-11Rα2，IL-11Rα1在脑、肺、胸腺、脾、心脏、肾脏、骨髓等多种器官中低水平表达，IL-11Rα2不存在于胞质域，在胸腺、淋巴结和睾丸中限制性表达，因此，IL-11在具有免疫的上皮细胞中的表达模式占主要地位。研究显示，IL-11在胃肠黏膜主要由上皮下肌成纤维细胞分泌产生，此外，平滑肌细胞可作为IL-11分泌产生的内源性来源。

IL-11与IL-6是gp130细胞因子家族中唯一共用gp130同源二聚体信号传导受体的细胞因子。IL-11与IL-11Rα结合形成二聚体，二聚体与gp130相互作用形成一个四聚体复合物。四聚体复合物的配体分子、IL-11Rα和gp130以2∶2∶2的比例转变成一个多聚体复合物，多聚体复合物形成后，通过与gp130-JAK-STAT3途径、RAS-RAF-ERK途径和磷脂酰肌醇-3激酶（PI3K）-AKT-mTORC1途径相互作用，启动三条主要信号通路。

JAK-STAT3途径是IL-11信号转导中的一条主要信号通路。研究显示，JAK-STAT3途径在肿瘤发生中起到重要作用。JAK家族酪氨酸激酶由JAK1、JAK2和酪氨酸激酶2（TyK2）组成，结构上与gp130细胞内邻近膜的富含脯氨酸区域密切相关。IL-11配体与受体结合后，gp130同二聚体化，并通过交联磷酸化作用活化JAK激酶，活化的JAK激酶使gp130胞质尾端的高度保守酪氨酸残基磷酸化，为STAT3、STAT1、酪氨酸磷酸酶SHP-2和细胞因子信号传送阻抑蛋白3（SOCS3）提供锚定位点。STAT3直接被JAK激酶和gp130二聚体复合物磷酸化，而STAT1较小程度上被磷酸化。磷酸化的STAT3和STAT1以二聚体的形式进入细胞核内与靶基因结合，调控基因的转录，参与细胞增殖、分化、凋亡以及免疫调节等多种生物学功能。研究报道，SOCS3和活化的STAT3蛋白抑制物对STAT3进行调控。SOCS3由STAT3诱导的靶基因编码，同时，SOCS3通过掩盖JAK激酶的催化结构域，以及与gp130直接结合，调节受体复合物泛素化并对受体复合物进行降解，进而终止STAT3活化。活化的STAT3蛋白抑制物通过与活化的STAT3二聚体直接结合，终止活化反应。

RAS-RAF-ERK信号通路由gp130的酪氨酸磷酸化和酪氨酸磷酸酶SHP-2的聚集而激活，随后SHP-2通过JAK激酶依赖的磷酸化和SHP-2-Gab1激活。PI3K-AKT-mTORC1是另一条由gp130启动的信号通路。与JAK-STAT3途径、RAS-RAF-ERK途径相比，PI3KAKT-mTORC1途径的激活不需要gp130的酪氨酸残基磷酸化。PI3K-AKT-mTORC1途径参与胰岛素样生长因子-1、IL-6和IL-11促进细胞存活的作用。PI3K的调控亚基p85中含两个酪氨酸同源体的结构域与细胞质的受体结合，募集PI3K到细胞膜并活化PI3K的催化亚基p110，进而触发一系列磷酸化反应。其中，苏氨酸蛋白激酶AKT是PI3K-AKT-mTORC1途径的主要下游靶分子。PI3K的磷脂产物与AKT的氨基末端同源结构域结合促使AKT激酶膜易位到3′端磷酸肌醇依赖的激酶1和磷酸肌醇依赖的激酶2。随后磷酸肌醇依赖的激酶1和激酶2促使AKT的丝氨酸和苏氨酸残基磷酸化，进而促进AKT激酶的级联活化并激活mTORC1发挥调节细胞增殖、分化、凋亡、代谢等重要生物学作用。

在IL-3、IL-4、IL-7、IL-12、干细胞因子和粒细胞巨噬细胞集落刺激因子的协同刺激作用下，IL-11对不同阶段造血细胞进行多向刺激，主要发生在由G ₀时期进入活跃的细胞周期以及在细胞周期缩短的细胞中，刺激原始干细胞和来自不同系统的脐带血、骨髓、外周血中的多能祖细胞、定向祖细胞增殖，IL-11与造血微环境中其他细胞因子共同作用，促进原始干细胞进入多向祖细胞分化区，并刺激定向祖细胞的增殖和分化。体外实验证实，在致命辐射小鼠中，IL-11和干细胞因子促进鼠骨髓干细胞的增殖，增加短期移植的可能性，同时，这些扩增细胞在移植过程中起到维持造血的作用。此外，通过逆转录病毒介导的转基因使IL-11在造血细胞中的长期表达，与串行移植后原始细胞数量维持密切相关。在正常小鼠骨髓和脾脏中，IL-11增加了循环速率和髓系祖细胞的绝对数量，但对正常啮齿动物和非人类灵长动物外周血淋巴细胞的数量并没有影响。

IL-11在IL-3、促血小板生成素、干细胞因子的协同作用下，刺激鼠和人骨髓细胞中巨核细胞和血小板生成的不同阶段，包括巨核细胞的成熟、分化、产生以及血小板的形成。由IL-11引起巨核细胞集落的形成及乙酰胆碱酯酶活性的降低，使促血小板生成素受体减少，同时，抗促血小板生成素血清能减少90%IL-11诱导的巨核细胞集落细胞形成，但抗IL-3血清仅减少28%的集落细胞形成，说明IL-11的促巨核细胞和血小板生成作用，部分是通过促血小板生成素调控的。研究报道，人重组IL-11与纯化细胞孵育，能促进IL-11受体的gp130亚基磷酸化，能直接激活受体信号单元。IL-11和促血小板生成素能在短暂的G ₀期协同刺激休眠的多能祖细胞增殖，其中干细胞因子受体c-Kit能完全抑制这个增殖效应，IL-11和促血小板生成素对多能细胞的协同效应，部分是由干细胞因子及其受体c-Kit的相互作用所调控的。

IL-11与IL-3、干细胞因子和红细胞生成素协同以鼠和人骨髓细胞、胎肝细胞作为靶点多阶段刺激红细胞生成。体外实验揭示，IL-11的促进红细胞形成单元作用不能被干细胞因子、IL-3和粒细胞巨噬细胞集落刺激因子的抗体阻断，预示着IL-11可直接作用于人和鼠的红细胞祖细胞。IL-11与干细胞因子能促进多能干细胞向红细胞分化，同时与红细胞生成素进一步协同刺激诱导红细胞扩增。此外，IL-11和干细胞因子有助于红细胞从骨髓进入脾脏。

IL-11能调节造血干细胞的分化和成熟，与干细胞因子共同刺激骨髓细胞促进粒细胞集落形成，其中，这些集落细胞中大部分由粒细胞和骨髓原始细胞组成。IL-11与IL-13、IL-4共同作用能降低粒细胞和骨髓原始细胞在骨髓集落细胞区的比例，而增加巨噬细胞的比例；IL-11与干细胞因子、粒细胞集落刺激因子联合作用，会使新生小鼠外周血中性粒细胞数量增加。

在经5-氟尿嘧啶处理的小鼠中，IL-11与干细胞因子、IL-4联合作用有助于原始骨髓细胞域中B细胞的产生。同时，IL-11和IL-4能反转IL-3在早期B淋巴细胞发展中的抑制作用，此外，T细胞也在B淋巴细胞的分化中起着重要作用。

IL-11最初从造血微环境细胞中分离出来，是一个旁分泌或自分泌的生长因子。在人骨髓长期培养中，加入IL-11会增加黏附细胞的细胞性，抑制黏附细胞内的脂肪聚集，促进血细胞的生成。IL-11和干细胞因子促进再生障碍性贫血骨髓培养中的黏附基质层形成，预示着IL-11在具有造血微环境缺陷的再生障碍性贫血中起到治疗作用。巨核细胞的出现能加速骨髓成纤维细胞生长，此外，骨髓纤维化发展与异常的巨核细胞生成密切相关，而IL-11参与调节依赖巨噬细胞的骨髓成纤维细胞的刺激生长。研究显示，IL-11和其他细胞因子能调动体内外的原始造血干细胞和祖细胞，同时，IL-11和干细胞因子能增强脾切除小鼠骨髓内长期定植细胞进入脾脏和外周血。

肺泡和支气管上皮细胞分泌产生IL-11，且炎症因子、呼吸道合胞体病毒和视黄酸促进IL-11的表达分泌，表明，IL-11在抵抗肺部炎症中起到重要作用。IL-11和IL-11受体在胃肠道上皮细胞中表达，体外实验证实，IL-11能直接与胃肠道上皮细胞相互作用，抑制肠道隐窝干细胞的增殖，参与控制胃肠道上皮细胞的正常生长，保持消化道黏膜完整性。成视网膜细胞癌敏感的基因产物的低磷酸化积累导致G ₁到S期的转换延长，致使IL-11诱导胃肠道上皮细胞增殖减少。此外，IL-11能提高小鼠胃肠道吸收铁的能力，但吸收的铁与红细胞的生成改变没有关联。

IL-11与1α，25-二羟维生素D ₃、甲状旁腺激素协作，刺激破骨细胞生成并抑制骨髓培养中骨结节的形成。成骨细胞在破骨细胞介导的骨再吸收中起到重要调控作用，IL-11诱导的破骨细胞生成需要骨髓基质细胞或成骨细胞，IL-11是通过骨髓基质细胞和成骨细胞的其他因子刺激来发挥调控作用。IL-11依赖成骨细胞的骨再吸收能力能被降钙素和环氧合酶抑制剂吲哚美辛抑制。IL-11的中和抗体能部分消除甲状旁腺激素的骨再吸收作用，并抑制肿瘤坏死因子和1α，25-二羟维生素D3诱导的破骨细胞生成。IL-11能被人和鼠的原代成骨细胞和成骨细胞样的骨肉瘤细胞系诱导，原代成骨细胞表达IL-11Rα和gp130 mRNA，其中IL-11、甲状旁腺激素和1α，25-二羟维生素D3能上调gp130 mRNA的表达。成熟的成骨细胞也表达IL-11Rα mRNA。研究证实，IL-11是来源于成骨细胞旁分泌调节骨新陈代谢的重要调控物，其中骨形成细胞和骨再吸收细胞都是IL-11潜在的锚定靶点。

研究报道，海马神经细胞、脊髓运动神经和交感神经表达IL-11 mRNA，一定剂量的外源性IL-11能刺激海马神经祖细胞增殖。此外，IL-11和其他造血生长因子是小鼠胎儿海马神经祖细胞的生存及分化因子。肺泡和支气管上皮细胞产生IL-11，肺的上皮下区域含有大量神经分布，IL-11刺激交感神经产生神经递质，进一步说明，IL-11是感觉神经和运动神经的一个重要生存因子。

IL-11对其他非造血系统也具有调控作用，比如刺激体内外急性时相物质，抑制脂肪形成，调控细胞外新陈代谢机制等。此外，IL-11在结缔组织中发挥保护性作用，同时也参与肝纤维化和肝硬化的发病机制。在体外细胞培养实验中发现，IL-11减少促炎因子的表达，尤其是由单核巨噬细胞释放的肿瘤坏死因子明显减少。

IL-11和IL-6都是以JAK-ATAT3信号通路为主的gp130细胞因子家族的成员，它们是同一家族中仅有的两个完全依赖gp130同二聚体的细胞因子。其中，IL-6通过STAT3信号通路，诱导Th17细胞和转化生长因子的产生，并抑制Treg细胞的分化，刺激机体产生促炎症反应，参与多种恶性肿瘤疾病的发展，同时，通过直接活化STAT3、Bcl-2和Bcl-xL抑制慢性肠炎黏膜T细胞凋亡。IL-11在免疫调节中作用复杂。与IL-6不同，IL-11可作为一个抗炎细胞因子，在炎症位点直接与巨噬细胞和其他效应细胞作用发挥抗炎作用。譬如，IL-11通过抑制脂多糖介导的NO、TNF-α、IL-1β、IL-10、IL-12、TGF-β和IL-6的释放以及通过刺激产生的可溶性TNF-αR1抵抗由巨噬单核细胞诱导的TNF-α信号，来发挥抗炎作用，同时，IL-11也能通过抑制IL-1β、IL-12和NO的产生，抑制巨噬细胞的功能。IL-11能通过阻断转录因子NF-κB的核易位，及增加NF-κB抑制蛋白1κB-α、1κB-β直接抑制作用，激活巨噬细胞活性。研究证实，IL-11在CD4 ⁺T细胞的直接作用效应，体现在刺激Th2细胞的产生及抑制Th1细胞的生成，相反地，在以Th2细胞占主导地位的炎症疾病中，IL-11被诱导产生。此外，IL-11通过在CD4 ⁺T细胞效应使IL-4和IL-5的产生增加，IL-12的生成减少。IL-11通过活化内皮细胞减少炎症相关损伤的方式，对免疫损伤起到保护性作用，IL-11的保护性作用与IL-11通过STAT3信号通路诱导内皮细胞表达抗凋亡蛋白生存素的能力密切相关。此外，IL-11也存在促炎作用，如在不同炎性皮肤病中，IL-11能促进肥大细胞的生长；在炎症相关肿瘤中，IL-11和IL-11Rα过度表达，因此，IL-11信号在肿瘤发展中起到一定促炎作用。

大量动物及临床试验证实，IL-11在骨髓造血干细胞的增殖分化中起到重要作用，可刺激巨核细胞增殖及分化成熟，增加外周血小板数。体外细胞培养发现，rhIL-11能使巨核细胞数量明显增加，同时增大巨核细胞体积。当用rhIL-11治疗由化疗引起的血小板缺乏症时，发现rhIL-11使骨髓细胞集落形成单位增加，说明rhIL-11使骨髓干细胞增殖，同时，分析发现血小板升高的比例与rhIL-11的剂量呈正相关。骨髓增生异常综合征以及再生障碍性贫血，都是由于骨髓造血干细胞的功能异常导致骨髓造血功能衰竭引起的疾病，应用rhIL-11能不同程度改善这些疾病导致的血小板减少。

IL-11能保持消化道黏膜的完整性，通过直接与肠道黏膜表面的IL-11受体结合，在肠道局部发挥黏膜保护和免疫调节作用，减轻炎症反应。rhIL-11可通过维持肠道上皮的完整性及抗炎功能，减轻化疗引起的肠道黏膜损伤，改善胃肠黏膜炎，减少菌血症的发生。在炎性肠病中，rhIL-11能有效改善肠道炎症反应，减轻腹泻症状，降低组织中的髓过氧化物酶活性，表明内源性IL-11可能是上皮转运的调控因子，在肠道炎症的活动期是潜在的抗炎因子。

IL-11参与很多恶性肿瘤的发展，包括胃癌、大肠癌、胰腺癌、前列腺癌、乳腺癌、卵巢癌、子宫内膜癌和骨癌等，其中IL-11Rα在胃肠恶性肿瘤中的表达与肿瘤浸润的分期存在一定关联。研究证实，胃肠肿瘤、胰腺肿瘤、前列腺癌中都是高度表达IL-11与IL-11Rα；在乳腺癌中高度表达IL-11 mRNA和IL-11；在子宫内膜癌中IL-11表达明显增强，与肿瘤分级密切相关。IL-11信号转导通路中，可通过上调IL-11Rα促进骨肉瘤细胞生长，同时，IL-11信号促进软骨肉瘤细胞的活动性，进一步说明，IL-11在肿瘤细胞增殖中起到重要作用。与其他肿瘤不同，膀胱移行细胞癌的增殖和肿瘤细胞的形成与IL-11的下调密切相关，IL-11的保护和抗炎作用降低。研究报道，IL-11刺激巨核细胞生长，同时生长的巨核细胞被IL-11的反义寡核苷酸抑制，预示着IL-11是一个潜在的自分泌生长因子。其中，由IL-6及其受体产生的自分泌信号，能使内皮细胞活化，促进慢性炎症反应的发生。

IL-11主要是通过JAK-STAT3信号通路参与肿瘤发展。在肿瘤组织中IL-11与IL-11Rα的高度表达使STAT3途径过度激活，过度激活的STAT3途径能诱导促炎微环境产生，有助于癌细胞生长以及恶性转移。IL-11是一个抗炎细胞因子，但在起动STAT3途径中起到促炎作用。IL-11的一些促肿瘤细胞转移和浸润作用与STAT3级联信号密切相关，此外IL-11的促癌微环境信号与IL-6相似。依赖gp130的JAK-STAT3信号通路诱导产生基质金属蛋白酶2、7和9，这些蛋白有助于细胞外基质降解，使上皮间质转化更容易发生。其中，上皮间质转化是癌细胞浸润以及远处转移的一个重要因素。STAT3主要通过提高血管内皮生长因子A和缺氧诱导因子-1发挥促血管生成作用，进一步满足癌细胞生存的需求并寻找转移灶。STAT3信号通路在调节细胞生存中起到重要作用，同时辅助癌细胞逃避死亡。此外，IL-11的PI3K-AKT-mTORC1信号通路在癌细胞增殖和转移中也起到一定作用。IL-11的抑制细胞凋亡和促进癌细胞增殖作用在癌细胞转移中非常关键。

大量临床试验证实，IL-11直接和间接调控肿瘤微环境，促进肿瘤增殖，参与肿瘤发展，因而IL-11信号成为一个潜在的治疗靶点。与IL-6不同，IL-11并不是主要通过抗体中和来发挥治疗效果，而是通过IL-11潜在的抑制物发挥作用。IL-11-Mutein是IL-11信号的抑制物，其结合IL-11Rα的亲和力是IL-11的20倍，能有效减少肿瘤细胞增殖，增加肿瘤细胞的凋亡，减少癌症相关炎症细胞的产生。IL-11-Mutein的治疗效应，并不是影响了血小板的功能或者血液凝固，而是对巨核细胞系产生保护性作用。虽然靶向于IL-11信号转导通路的肿瘤治疗，具有潜在应用价值，但其临床适用性需要进一步评价，此外，JAK抑制物和STAT3抑制物对IL-11信号通路有一定抑制作用，对抑制肿瘤生长，指导临床治疗具有一定价值。

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