摘要:這篇綜述對(duì)趨化因子的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展過程進(jìn)行了歷史性回顧,趨化因子是細(xì)胞外可溶性蛋白或者細(xì)胞間起重要的調(diào)整和細(xì)胞先天適應(yīng)性炎癥免疫細(xì)胞的生長、分化、死亡,調(diào)控血管生成、生長和修復(fù)過程一類細(xì)胞活化劑的糖蛋白。盡管細(xì)胞因子偶爾由控制原有酶(或蛋白)產(chǎn)生的,但是它們通常幾乎是由每種能對(duì)有害刺激作出反應(yīng)的有核細(xì)胞產(chǎn)生的。細(xì)胞因子通過細(xì)胞上表達(dá)的與它互補(bǔ)的細(xì)胞因子受體相互作用起作用。細(xì)胞因子通過其受體結(jié)構(gòu)上的同源性可以分為好幾個(gè)家族。這篇綜述將為您呈現(xiàn)細(xì)胞因子從表觀發(fā)展到分子階段,從集中于配體分子特征描述細(xì)胞因子受體。分子生物學(xué)、單克隆抗體和微量測序的出現(xiàn)使得獲取純正的用于實(shí)驗(yàn)性和治療性的重組趨化因子變成可能。病毒粒子的鑒定,趨化因子配體核受體的替代品的同系物,為旨在發(fā)展細(xì)胞因子協(xié)同物及拮抗物用于治療應(yīng)用的生物技術(shù)公司提供了動(dòng)力。
關(guān)鍵詞:細(xì)胞因子;白介素;受體;免疫調(diào)節(jié)趨化性;造血作用
1 細(xì)胞因子定義、特點(diǎn)及分類
1.1 細(xì)胞因子的定義及特點(diǎn)。
細(xì)胞因子是指由機(jī)體多種細(xì)胞分泌的小分子蛋白質(zhì),通過結(jié)合細(xì)胞表面的相應(yīng)受體發(fā)揮生物學(xué)作用的一類小分子可溶性蛋白。它具有以下特點(diǎn):
1.1.1 低分子量蛋白或糖蛋白:以單體形式存在。IL-5、IL-10、IL-12、M-CSF、TGF-β等少數(shù)細(xì)胞因子以二聚體形式存在,TNF則呈三聚體形式。
1.1.2 必須與受體結(jié)合才發(fā)揮作用。
1.1.3 細(xì)胞活化過程中產(chǎn)生。
1.1.4 同一細(xì)胞因子可由不同細(xì)胞產(chǎn)生,多種細(xì)胞因子可由同一細(xì)胞產(chǎn)生。
1.1.5 細(xì)胞因子功能網(wǎng)絡(luò)。
1.2 細(xì)胞因子的分類。
根據(jù)功能,可將細(xì)胞因子大致分為六大類:白細(xì)胞介素(IL)、干擾素(IFN)、腫瘤壞死因子超家族(TNF)、集落刺激因子(CSF)、趨化因子(chemokine)、生長因子(GF)。
2 細(xì)胞因子研究的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀
要精確確定開始研究細(xì)胞因子的時(shí)間很難,因?yàn)樵?970年之前只通過現(xiàn)象學(xué)方法檢測其生物學(xué)活性方法就已經(jīng)可行了。第一個(gè)可溶性因子調(diào)節(jié)宿主反應(yīng)來自于Menkin [1]的“凈化”因子——發(fā)燒引起的炎性滲出液,并稱之為致熱素。這些因子隨后被證實(shí)污染了細(xì)菌的致熱源(內(nèi)毒素)。Bennett 和 Beeson [2]于1953年從急性炎性滲出物的內(nèi)毒素中分離到了內(nèi)源性致熱物(EP)并且他們甚至從外周血白血球中提取了EP。緊隨EP的鑒定之后的是由Levi-Montal-cini和Hamburger [3]于1953年發(fā)現(xiàn)類似的細(xì)胞間的信號(hào),即神經(jīng)生長因子(NGF)。Isaacs和Lindenmann [4]于1957年發(fā)現(xiàn)干擾素(IFNs)。
Gowans [5]于1959年鑒定了主要的正常免疫功能的淋巴細(xì)胞,Nowell [6]于1960年發(fā)展了運(yùn)用組織培養(yǎng)的技術(shù)體外在試管內(nèi)研究了惡性淋巴腫瘤對(duì)多克隆刺激物的反應(yīng),也就是植物血凝素,它開啟了免疫學(xué)家們通過可溶性介質(zhì)衍生淋巴細(xì)胞展開基礎(chǔ)研究。Pearmain [7]等人于1963年發(fā)現(xiàn)只有來自結(jié)核菌素敏感的捐贈(zèng)人的白血球能夠通過對(duì)結(jié)合抗原做出反應(yīng)發(fā)生淋巴細(xì)胞胚細(xì)胞樣轉(zhuǎn)變,Bain [8]等于1964年證實(shí)同種異體白細(xì)胞混合培養(yǎng)也會(huì)導(dǎo)致淋巴細(xì)胞胚細(xì)胞樣轉(zhuǎn)變,從而證明了體外試管培養(yǎng)的免疫學(xué)特異性。他們的演示充分地證明了這些臨床的觀察。這些從1964-1967年依次獲得發(fā)現(xiàn)開啟了免疫學(xué)家對(duì)細(xì)胞因子的研究。Kasakura和 Lowenstein [9]于1965年首次檢測到白細(xì)胞有絲分裂的存在,也就是抗原上清液中存在的母細(xì)胞形成因子,利用異體抗原培養(yǎng)白細(xì)胞。緊隨其后的是David [10]于1966年和Bloom與Bennett [11]于1966年在上清液中發(fā)現(xiàn)了巨噬細(xì)胞遷移抑制因子(MIFs)。Ruddle 和Waksman [11]于1967年, Granger和Williams [12]于1968年發(fā)現(xiàn)了被稱為淋巴毒素的細(xì)胞毒素因子。這三項(xiàng)發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是可能會(huì)引發(fā)特異性免疫反應(yīng)及令免疫學(xué)家非常感興趣的非特異性淋巴組織增生因子及宿主防御效應(yīng)器的體外細(xì)胞免疫。
免疫學(xué)家對(duì)LMF/BF作為淋巴細(xì)胞應(yīng)答的調(diào)節(jié)者很感興趣。Kasakura 和 Lowenstein [13]于1965年報(bào)道,受了雙向同種異體混合白細(xì)胞刺激(MLR)的白細(xì)胞能夠分泌BF。MLR上清液中比沒有受刺激的白細(xì)胞中含有更多的有絲分裂原,然而細(xì)胞提取物中的完全沒有活性。Gordon 和 MacLean [14]于1965年證實(shí),在MLR中用嘌呤霉素抑制母細(xì)胞化反應(yīng)或者5-氟二氧嘧啶也能阻止BF的產(chǎn)生,這表明BF是由淋巴母細(xì)胞合成的。Kasakura 和 Lowenstein [13],通過證明自體的和同源供體的未受刺激的白細(xì)胞受到BF刺激合成DNA和RNA進(jìn)入到細(xì)胞周期中,于1967年第一次證實(shí),特異性異體抗原刺激培養(yǎng)的白細(xì)胞可以產(chǎn)生非特異性的促細(xì)胞有絲分裂因子。Dumonde等人于1969年報(bào)道,這些非抗體促進(jìn)分泌的促有絲分裂原是抗原活化的白細(xì)胞的分泌產(chǎn)物,并且把淋巴源性調(diào)節(jié)因子稱為“淋巴因子”。
Kasakura [13]于1970年發(fā)現(xiàn)了迄今為止仍不明確的“特殊的”促有絲分裂原。他聲稱,用低水平的由未受刺激的白細(xì)胞產(chǎn)生的BF去刺激別的同源細(xì)胞,然而由MLR誘導(dǎo)產(chǎn)生BF是不均一的,它能刺激比自體的細(xì)胞多的異體細(xì)胞。Kasakura于1971年通過證實(shí),在由一個(gè)供體的經(jīng)輻射致死的白細(xì)胞和另一個(gè)供體的未經(jīng)輻射的白細(xì)胞組成的混合物組成的MLR中產(chǎn)生的BF對(duì)經(jīng)過輻射處理的白細(xì)胞的刺激活性要比未經(jīng)輻射處理的白細(xì)胞弱。Gery [14]等于1971年和1972年在一個(gè)獨(dú)立而收斂的研究中報(bào)道稱,活化的巨噬細(xì)胞能分泌一種促有絲分裂因子激活胸腺細(xì)胞,這種因子稱為淋巴細(xì)胞的活化因子(LAF)。由于LAF和EP生化和生物活性的重疊,Rosenwasser [15]等于1979年首先提出這些活性可以歸結(jié)于同種分子。后來報(bào)道說許多細(xì)胞因子是致熱性的,也就是IFN,白介素(IL)-1,IL-6和TNF。
然而隨著IL-3的命名,最初為了規(guī)范使用細(xì)胞因子免疫學(xué)術(shù)語是非常有限的,這個(gè)因子主要扮演一個(gè)多群落刺激因子,它對(duì)造血干細(xì)胞而言是一個(gè)生長因子(Ihle 1981) [16]。其他的許多種細(xì)胞因子包括TNF,LT-α(也包括TNF-β),干擾素家族和集落刺激因子(CSF)沒有被重命名。
第一種細(xì)胞因子,TNF-β1,于1980年被Taniguchi和他的同事們克隆后,很快Nagata及其合作者克隆了IFN-α。迄今為止,已經(jīng)由大概有16~20種IFN-α已經(jīng)得到確認(rèn),這些IFN-α通過相同的細(xì)胞表面受體起作用,并且能提高抗病毒能力。隨后,Gray和他的Genentech的團(tuán)隊(duì)(1982)克隆了IFN-γ。Taniguchi 和Ajinimoto 公司的同事克隆了IL-2。這種重組的IL-2使用激勵(lì)著許多研究者堅(jiān)信這種細(xì)胞因子對(duì)于T、B、NK細(xì)胞是一種主要的淋巴組織增生因子。IL-2通過誘導(dǎo)產(chǎn)生大量其他免疫刺激因子諸如IFN-γ,TNF,IL-1,來直接或間接提高免疫細(xì)胞活性。其他在LMF/BF準(zhǔn)備過程中的淋巴細(xì)胞增生因子IL-4,IL-6,IL-7,IL-9,IL-10,IL-13,IL-15也已經(jīng)被確認(rèn)了。
Leonard及其團(tuán)隊(duì)于1984年克隆了IL-2的受體的三條鏈中的第一條IL-2Rα,開啟了細(xì)胞受體時(shí)代。在1984年,兩種細(xì)胞毒素因子被克隆和表達(dá)了,Pennica(1984)克隆和表達(dá)了LT(后被重命名為TNF-β), Gray (1984) [17]克隆和表達(dá)了TNF(特定的TNF-α)。新技術(shù)的發(fā)展能夠產(chǎn)生定向刪除TNF或LT基因的老鼠品系,徹底地改變了我們的常識(shí)。缺乏LT的老鼠不能產(chǎn)生外周淋巴細(xì)胞,并且能引起脾組織生發(fā)中心功能的紊亂,從而導(dǎo)致免疫缺陷。這些研究首次顯示出,LT不應(yīng)該被定義為細(xì)胞毒素因子,因?yàn)樗谕庵苊庖呓M織的發(fā)生和發(fā)展中起著重要的作用。與之形成對(duì)照的是,TNF缺乏的老鼠的外周免疫組織只是有限的紊亂和對(duì)疾病感染的有限抵抗力。這些研究顯示TNF是一個(gè)關(guān)鍵免疫調(diào)節(jié)因子而不是抗癌因子。TNF的抗癌作用不是基于它的細(xì)胞毒性活性,而是很大程度上取決于TNF引起血管內(nèi)皮組織產(chǎn)生凝血因子導(dǎo)致新生的血管阻塞而是腫瘤的壞死的能力。TNF和LT的區(qū)別也引出了他們必須利用除了TNF-R1和TNF-RII以外的受體。因此,LT的特異性受體被確定為LTβR,因?yàn)槭怯蒐Tα和LTβ2形成的異源三聚體。FAS、TNF家族的另一名成員,已經(jīng)被確認(rèn)是蛋白性細(xì)胞毒性因子。Ward和他的團(tuán)隊(duì)的一篇關(guān)于抗原誘導(dǎo)淋巴細(xì)胞產(chǎn)生單核細(xì)胞的趨化物(1969)報(bào)告引起了人們對(duì)細(xì)胞因子的趨化作用的興趣。至今,人們已經(jīng)克隆了超過45種結(jié)構(gòu)上有明顯區(qū)別的對(duì)各種體細(xì)胞和許多非免疫細(xì)胞有趨化作用的細(xì)胞因子超家族。這些趨化性細(xì)胞因子現(xiàn)在被簡稱為趨化因子。趨化因子被證實(shí)具有調(diào)節(jié)白細(xì)胞對(duì)內(nèi)皮組織吸附,促進(jìn)血細(xì)胞滲出和白細(xì)胞滲出向炎癥部位遷移,調(diào)節(jié)血管再生、造血功能和促進(jìn)樹突細(xì)胞和T、B細(xì)胞向淋巴組織中適當(dāng)位置遷移的作用。Hirano等和Zilberstein等發(fā)起的克隆IL-6家族和其他趨化因子對(duì)T、B的作用已經(jīng)超出了本文的討論范圍。Mosmann首先提出存在CD4+T細(xì)胞產(chǎn)生的不同的淋巴因子家族。他和他的團(tuán)隊(duì)報(bào)道,過量刺激產(chǎn)生不成熟的幼稚T細(xì)胞(Thp)只能產(chǎn)生少量的IL-2。這些Thp細(xì)胞發(fā)展成為Th0細(xì)胞,Th0細(xì)胞經(jīng)活化后能產(chǎn)生少量的許多種淋巴因子,諸如IL-2,IFN-γ,IL-4。由于持續(xù)用適當(dāng)?shù)目乖图?xì)胞因子刺激Th0細(xì)胞,這些細(xì)胞分化為CD4+輔助細(xì)胞T1細(xì)胞或Th2細(xì)胞,Th1細(xì)胞能產(chǎn)生IL-2,IFN-γ和LT,它們能促進(jìn)細(xì)胞免疫,Th2細(xì)胞能產(chǎn)生IL-4,IL-5,IL-6,IL-10,它們能促進(jìn)抗體的產(chǎn)生和體液免疫。這些由T細(xì)胞亞群產(chǎn)生的細(xì)胞因子能夠相互調(diào)節(jié),例如IFN-γ能夠抑制Th2細(xì)胞的增殖和功能,然而Th2細(xì)胞的產(chǎn)物,IL-4和IL-10能夠抑制Th1細(xì)胞和單核細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞因子。盡管這些T細(xì)胞亞群可以被克隆并且在體外穩(wěn)定存在,但是它們?cè)诒硇蜕喜⒉幻黠@或者差別明顯。這些T細(xì)胞亞群的的識(shí)別是通過他們分泌的淋巴因子來實(shí)現(xiàn)的。但是,這些區(qū)別最近變得不是很明顯是因?yàn)樽罱慕Y(jié)果表明IL-10是由人的Th1,Th2,CD8+T細(xì)胞和B細(xì)胞及單核細(xì)胞產(chǎn)生的。此外,由B細(xì)胞和單核細(xì)胞分泌的IL-12對(duì)促進(jìn)CMI其主要作用,因?yàn)镮L-12能誘導(dǎo)IFN-γ的表達(dá)并且能使Th0細(xì)胞發(fā)育為Th1細(xì)胞。近來,按照類似的方式IL-6被認(rèn)為是Th2細(xì)胞響應(yīng)的一種誘導(dǎo)物。因此,這些能夠產(chǎn)生不同表型來源的具有免疫調(diào)節(jié)功能的細(xì)胞因子的細(xì)胞應(yīng)該被給予比這些細(xì)胞因子更少的關(guān)注。這些假設(shè)的關(guān)鍵因素在于諸如IL-12和IFN-γ的第一類的細(xì)胞因子類似于CMI,并且實(shí)際上妨礙了體液免疫。相反的,第二類諸如IL-4,IL-6和IL-10的細(xì)胞因子通過降低CMI產(chǎn)生的炎癥因子的產(chǎn)生促進(jìn)B細(xì)胞分泌合成抗體。
3 細(xì)胞因子的作用
3.1 在免疫細(xì)胞發(fā)育、定位及免疫應(yīng)答中的作用。
3.1.1 淋巴細(xì)胞生成與歸巢。
淋巴細(xì)胞在骨髓中生成,繼之分別在骨髓和胸腺中發(fā)育成熟,然后移行到二級(jí)淋巴組織定居,細(xì)胞因子在骨髓血細(xì)胞生成中起關(guān)鍵作用,體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)至少有25種趨化因子可以調(diào)節(jié)骨髓祖細(xì)胞增殖。細(xì)胞因子還參與次級(jí)淋巴器官的發(fā)育和組建。
3.1.2 抗原提呈與T、B細(xì)胞活化。
樹突狀細(xì)胞(den-dritic cell,DC)是目前發(fā)現(xiàn)的功能最強(qiáng)的抗原提呈細(xì)胞(Antigen presenting cell,APC)。趨化因子通過作用于具有不同趨化因子受體表達(dá)譜的DC,控制和調(diào)節(jié)DC完成其遷移過程。
3.1.3 T細(xì)胞極化。
T細(xì)胞極化成TH1或TH2是T細(xì)胞應(yīng)答的重要特征,TH1特征地表達(dá)INF-γ,而TH2則特征地表達(dá)IL-4。細(xì)胞因子能通過誘導(dǎo)TH0細(xì)胞定向分化為TH1或TH2,CCL3(Macrophage in-flammatory protein-1α,MIP-1α)與活化的T細(xì)胞孵育可導(dǎo)致向TH1的極化,增加IFN-γ的表達(dá)水平,下調(diào)IL-4表達(dá);而CCL2與活化的T細(xì)胞孵育后則導(dǎo)致向TH2的極化,增加IL-4的水平,下調(diào)IFN-γ水平。
3.2 調(diào)節(jié)造血。
3.2.1 趨化造血前體細(xì)胞,調(diào)節(jié)骨髓造血功能。
3.2.2 促進(jìn)B前體細(xì)胞的發(fā)育。
3.2.3 促進(jìn)Eos前體細(xì)胞發(fā)育成熟。
3.2.4 促進(jìn)血管生成ELRCXC、CCL2促進(jìn)血管生成;CXCL10、CCL21/SLC抑制血管生成。
3.3 病毒感染。
一方面細(xì)胞因子及其受體是宿主抵抗微生物侵入的重要防御分子,另一方面一些細(xì)胞因子受體可被病原微生物利用作為侵入宿主的途徑。病毒可以通過表達(dá)與細(xì)胞因子同源或與細(xì)胞因子受體相似的蛋白質(zhì)產(chǎn)物來破壞細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)的正常功能,目前已發(fā)現(xiàn)至少有30種病毒編碼與細(xì)胞因子及其受體相似的蛋白分子。
3.4 腫瘤生長、轉(zhuǎn)移、治療。
細(xì)胞因子對(duì)腫瘤生物學(xué)的影響是很復(fù)雜的。一方面,有些細(xì)胞因子能影響腫瘤細(xì)胞的存活,刺激腫瘤細(xì)胞生長和血管形成,進(jìn)而促進(jìn)腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移。另一方面,有些細(xì)胞因子可通過趨化免疫活性細(xì)胞以及抑制血管形成來抵抗腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移。
腫瘤轉(zhuǎn)移是一個(gè)嚴(yán)密的、非隨機(jī)的、器官選擇性的過程,其特異性轉(zhuǎn)移取決于它所表達(dá)的細(xì)胞因子受體及靶器官所表達(dá)的細(xì)胞因子。用不同方法中和這些細(xì)胞因子受體,不僅能降低腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移能力,而且也能抵制轉(zhuǎn)移瘤的生長。
針對(duì)細(xì)胞因子及其受體在腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移中的作用,通過細(xì)胞因子來調(diào)節(jié)血管生成細(xì)胞因子和血管穩(wěn)定細(xì)胞因子之間的平衡來達(dá)到抗腫瘤的目的。最新的抗腫瘤治療策略是進(jìn)一步開發(fā)中性粒細(xì)胞的功能,在臨床應(yīng)用粒細(xì)胞集落刺激因子(G-CSF)治療中,可有意義地提高中性粒細(xì)胞抗膠質(zhì)細(xì)胞瘤、卵巢癌和乳腺癌的抗腫瘤作用。
3.5 介導(dǎo)炎癥反應(yīng)。
炎癥反應(yīng)以以下環(huán)節(jié)為特征:炎癥細(xì)胞對(duì)損傷部位的識(shí)別,特異白細(xì)胞亞群的招募,侵入的病原微生物的清除,對(duì)損傷細(xì)胞/組織的“清創(chuàng)術(shù)”和損傷修復(fù)。細(xì)胞因子通過促進(jìn)炎癥細(xì)胞在損傷和感染組織的浸潤和活化參與炎癥過程。
3.6 生殖免疫。
細(xì)胞因子在生殖過程中也發(fā)揮獨(dú)特作用,與生殖系統(tǒng)內(nèi)免疫微環(huán)境的維持密切相關(guān)。在母胎界面通過趨化滋養(yǎng)細(xì)胞和免疫細(xì)胞的遷移介導(dǎo)的母胎耐受;在男性生殖系統(tǒng)內(nèi),細(xì)胞因子參與精子發(fā)生過程,睪丸感染。
3.7 胚胎種植。
胚胎種植從受精卵定位、黏附于子宮內(nèi)膜開始,經(jīng)在蛻膜化基質(zhì)中遷移,直至侵入母體血管。近年來隨著對(duì)細(xì)胞因子及其受體的研究,發(fā)現(xiàn)在母胎界面各種細(xì)胞之間存在一個(gè)聯(lián)系網(wǎng)絡(luò),而細(xì)胞因子及其受體對(duì)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)起重要調(diào)節(jié)作用,同時(shí),其功能上的紊亂將導(dǎo)致妊娠早期的流產(chǎn)和胎盤形成異常。
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