BTK基因敲除小鼠与X-连锁无丙种球蛋白血症的相关研究

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BTK基因简介
BTK基因，英文全称Bruton tyrosine kinase，编码Bruton酪氨酸激酶。BTK属于高度保守的非受体酪氨酸激酶TEC家族，也是B细胞受体（BCR）信号通路中的关键组成部分，参与B细胞的增殖、运输、趋化和黏附。BTK包含五个结构域：与SRC激酶同源的SH2和SH3、催化结构域、具有氨基末端的pleckstrin同源(PH)结构域和富含脯氨酸的TEC同源(TH)结构域。BCR复合物与二硫键连接的Igα-Igβ异二聚体非共价结合。在抗原与BCR结合后,SRC家族蛋白酪氨酸激酶LYN磷酸化Igα和Igβ免疫受体酪氨酸激活基序(ITAM),从而产生SYK的停靠位点，同时，LYN磷酸化BCR共受体CD19的细胞质尾部中的酪氨酸残基,这使得能够结合和激活PI3K，PI3K通过PH结构域相互作用将BTK从细胞质吸引至细胞膜,同时SYK和LYN通过Y551的反式磷酸化完全激活BTK，活化的BTK将PLCy2磷酸化，以此分解PIP2为IP3和DAG，从而激活NFκB信号通路。BTK基因位于X染色体，该基因缺陷会引发X连锁性丙种球蛋白血症(XLA)。
 

图1. BTK在信号级联中的位置的示意图^[1]

表1. BTK的基本信息

备注：标有√的意为赛业红鼠资源库有该种保存状态的小鼠

X-连锁无丙种球蛋白血症
XLA是最早发现的人类原发性免疫缺陷病，该病由Bruton1952年首次报道，为原发性免疫缺陷病（PID）发病率最高的类型之一，是一种常见于男性的抗体缺陷性疾病。据美国XLA患者登记处数据显示，379000例活产婴儿中约有1例。在B细胞分化成熟的发育早期，胞浆中的B细胞的信号转导分子酪氨酸激酶（BTK）被磷酸化后可与G蛋白Src家族成员结合，参与细胞内活化信号转导。而XLA患儿由于B细胞的BTK基因突变，BTK基因编码的BTK蛋白合成受阻，使B淋巴细胞发育停止在前B细胞阶段，引起外周血成熟B细胞数目减少，免疫球蛋白IgG、IgA、IgM减少，从而使机体对外界的抵抗力降低，机体易感染各种病原菌。通过分析该疾病女性携带者的X染色体，发现X染色体的发育缺陷只存在于B细胞谱，并且表现出带有突变BTK基因的 X 染色体的失活。因此，XLA 的女性携带者并不会出现免疫异常。XLA的患者常表现为患儿出生后4-12个月开始发生反复、严重的细菌感染和血清免疫球蛋白显著减少或测不出、外周血B淋巴细胞缺乏。
 

图2. XLA诊断流程[2]

XLA相关小鼠模型
1995年，Khan教授通过使小鼠胚胎干细胞产生基因突变，从而使BTK的PH结构域和激酶结构域无法表达。这两种突变都会阻断BTK蛋白的表达，并导致成熟的B细胞数量减少[3]。此后有关研究XLA的动物模型都是通过同样的或类似的方式获得。BTK 缺陷小鼠无法对T细胞非依赖性II型抗原做出反应，当使用T细胞非依赖性抗原刺激时，与正常小鼠相比，BTK 缺陷小鼠血清特异性抗体IgM 和 IgG3 水平显着降低。由于BTK缺陷小鼠的抗体形成减少和 IL-10 产生减少，导致Th2反应降低，因此在BTK缺陷小鼠中，丝虫感染率大大提高。此外，BTK缺陷小鼠对某些能被天然抗体中和的细菌产物（如LPS）不敏感，因此，易发生感染性休克。然而BTK 缺陷小鼠对流感病毒感染具有正常的免疫反应。
 

图3. BTK -/-小鼠脾脏组织B细胞缺陷

XLA的治疗
XLA患者终生且完全依赖抗生素和静脉内或皮下免疫球蛋白替代疗法。当维持足够的Ig治疗时，患者可保持健康。为了开发可治愈XLA中缺陷的B细胞的疗法，一些实验室已经证明了在XLA小鼠模型中使用慢病毒载体来纠正BTK表达的可行性[4]。然而，BTK的过度表达及BTK信号传导通路的异常激活会发出启动B细胞恶性生长的信号，从而导致B细胞恶性肿瘤。正因如此，BTK抑制剂在治疗慢性淋巴细胞白血病（CLL）、小淋巴细胞淋巴瘤（SLL）、套细胞淋巴瘤(MCL)等疾病中作用显著。与其他原发性免疫缺陷疾病不同，基于干细胞的基因疗法目前对于治疗XLA弊大于利，尚未进入 XLA 的临床治疗。

小结
BTK属于高度保守的非受体酪氨酸激酶 TEC家族，也是B细胞受体（BCR）信号通路中的关键组成部分，BTK基因突变将会导致BTK蛋白合成受阻，使B淋巴细胞发育停止在前B细胞阶段，从而引起免疫缺陷疾病，如XLA，而BTK的过表达或BTK信号通路异常激活也会导致B细胞异常增殖，从而导致B细胞恶性肿瘤。目前针对XLA患者的治疗主要为免疫球蛋白替代疗法，而其高昂的价格也增加了患者和社会的负担。从理论层面来讲，纠正BTK的表达可以治疗XLA，而抑制BTK异常活化可以减少肿瘤的发生，然而在临床实践中，纠正BTK的表达并不能很好的缓解病人症状，并且还会增加患者罹患肿瘤和其他副作用的可能。如何有效的纠正BTK在XLA患者的表达，并减少副作用，仍然值得深入探讨和研究。
 

参考文献：

1. Crofford LJ, Nyhoff LE, Sheehan JH, Kendall PL. The role of Bruton's tyrosine kinase in autoimmunity and implications for therapy. Expert Rev Clin Immunol. 2016 Jul;12(7):763-73. doi: 10.1586/1744666X.2016.1152888. Epub 2016 Mar 4. PMID: 26864273; PMCID: PMC5070917.

2. X连锁无丙种球蛋白血症诊疗指南（2019版）

3. Khan WN, Alt FW, Gerstein RM, Malynn BA, Larsson I, Rathbun G, Davidson L, Müller S, Kantor AB, Herzenberg LA, et al. Defective B cell development and function in Btk-deficient mice. Immunity. 1995 Sep;3(3):283-99. doi: 10.1016/1074-7613(95)90114-0. PMID: 7552994.

4. Yu PW, Tabuchi RS, Kato RM, Astrakhan A, Humblet-Baron S, Kipp K, Chae K, Ellmeier W, Witte ON, Rawlings DJ. Sustained correction of B-cell development and function in a murine model of X-linked agammaglobulinemia (XLA) using retroviral-mediated gene transfer. Blood. 2004 Sep 1;104(5):1281-90. doi: 10.1182/blood-2003-09-3044. Epub 2004 May 13. PMID: 15142874.