探析白细胞介素

探析白细胞介素?21 对免疫细胞的调节 作用 摘要： IL?21 在发挥生物学活性过程中与 IL?2、 IL?4、 IL?7、 IL?9 和 IL?15 等细胞因子受体共用 链1, 均属于 c（共同 链）依赖 性细胞因子家族成员。近几年的研究, 对 IL?21 的生物学活性有了深入的认识, 它可以广泛调节 T 细胞、 B 细胞、 NK 细胞和骨髓细胞的功能, 在自身免疫性 疾病、 变态反应性疾病和抗肿瘤免疫中扮演重要角色, 因此具有潜在的临床研 究价值。本文中主要综述了 IL?21 对三大免疫细胞 T、 B 和 NK 细胞的生物学 调节作用, 为理解其在疾病过程中扮演的角色以及为将来用于疾病的生物治疗 提供指导意义。 关键词：白细胞介素 21 免疫调节 B 细胞 NK 细胞 T 细胞 1 IL?21 及其受体 1.1 IL?21 成熟人 IL?21 的相对分子质量（Mr）是 15000, 由 131 个 氨基酸形成四螺旋束状结构域, 与 IL?2、 IL?4 和 IL?15 结构具有同源性。 IL?21 基因与 IL?2 和 IL?15 基因位于相同的染色质区域, 定位于 4q26?q27 区, 与 IL?2 基因只相距约 180 kb2。臂力论文网 IL?21 主要来源于活化的 CD4+T 细胞2。Wurster 等3观察到, 起初在 Th1 或 Th2 极化条件下刺激的 C57BL/6 鼠 T 辅助细胞前体可微量表达 IL?21, 一旦分化为 Th2 细胞后可稳定 表达 IL?21 细胞因子且不受 IL?4 和 IFN?拨玫母扇?, 但在 Th1 细胞中没有看 到 IL?21mRNA 的转录, 因此他们认为 IL?21 是 Th2 细胞因子的一种。Coquet 等4最近发现用 anti?CD3/CD28 联合 CD1d 限制性鞘糖脂抗原（?舶肴樘擒 丈窬?酰胺）刺激的 NKT 细胞比通常的 CD4+T 细胞分泌更高的 IL?21, 表明 NKT 细胞可能是潜在分泌 IL?21 的重要细胞, 通过分泌 IL?21 介导对 B、 T、 NK 细胞和自身的免疫调节。这与 IL?21 在免疫反应发生早期（固有免疫阶段）就 能发挥相应生物学调节效应的理论推断相符合。 1.2 IL?21R 早期 Ozaki 等5克隆了一种新的白细胞介素受体（NILR）, 发现它与 IL?2R 链高度相关, 与 IL?4R 链基因相临, 位于 16 号染色体。 经 Parrish?Novak 等后来鉴定为 IL?21R 亚单位, 是一种新的型细胞因子受 体, 并发现它包含 4 个保守的半胱氨酸残基, 一段 Trp?Ser?X?Trp?Ser 基 序, 一段 IL?2R 链高度保守的氨基酸序列。人 IL?21R 是一个由独有的 IL?21R 亚单位（IL?21R）和 c (common ?chain) 组成的复合体1。 其中 IL?21R 亚单位为配体识别部位, c 为信号传导单位。IL?21R 通常广泛 表达于 T 细胞、 B 细胞、 NK 细胞和一些骨髓细胞及角化细胞表面1, 2。同 IL?2、 IL?4、 IL?7、 IL?9 和 IL?15 相似, IL?21 活化 JAK 家族蛋白酪 氨酸激酶 JAK?1 和 JAK?3, 其中 JAK?1 结合 IL?21R 亚单位, JAK?3 结合于 共同 链。与其他 c 家族细胞因子不同的是, 这两个激酶主要介导 IL?21 依赖的 STAT1 和 STAT3 的活化, 而不是 STAT5A 和 STAT5B 的活化1, 6, 7。最 近对 IL?21 介导增殖的分子机制的研究表明, IL?21R 胞质区酪氨酸 510（Y510）可以有效的介导 STAT1 和 STAT3 磷酸化, 从而介导完整的增殖效应, 但并不引起 STAT5 的磷酸化。STAT1/STAT3 基因双敲除鼠的 CD8+T 细胞对 IL?21+IL?15 刺激的增殖反应明显减弱。研究还观察到 MAPK 和 PI3K 通路被 特异抑制因子阻断后 IL?21 介导的增殖即被阻断, 表明至少有 JAK?STAT、 MAPK 和 PI3K 传导途径参与了 IL?21 介导的信号传导8。 2 IL?21 对 B 细胞的免疫调节 2.1 IL?21 对 B 细胞的增殖和凋亡的调节 B 细胞的增殖和凋亡对维持体 内 B 细胞的稳态至关重要, IL?21 在对 B 细胞的生长调节方面发挥了不可替代 的作用。早期 Parrish?Novak 等发现 IL?21 联合 anti?CD40 mAb 可诱导人 外周血 B 细胞的增殖2, 但对 anti?CD40 mAb 介导的 C57BL/6 鼠 primary B 无此作用9; 另一方面又抑制 anti?IgM 和 IL?4 诱导的人外周血 B 细胞2 或鼠 primary B 细胞的增殖9。Hao 等观察到 IL?21 对 B 淋巴细胞生物学效 应存在多态性, 表现在 IL?21 能分别诱导 anti?CD40 活化的 C57BC/6 鼠 B 细 胞凋亡和 anti?CD40 活化的 BALB/c 鼠 B 细胞的增殖, 这因不同种系来源的 B 细胞而异; 其次 IL?21 对不同活化状态的 B 细胞介导不同的生物学活性。如对 于 LPS 和 CpG DNA 通过 TLRs4 和 TLRs9 受体途径活化的 B 细胞, IL?21 主要介 导其凋亡和生长抑制作用; 经 anti?CD40 或 anti?CD40+anti?IgM 共同刺激 的 B 细胞, IL?21 可介导其增殖10。IL?21 虽然能促进 anti?CD40 或 anti?IgM 单独活化的 B 细胞增殖但作用都很弱10, 11, 甚至介导 anti IgM 单独活化的人 B 细胞凋亡12, 而只有 anti?IgM 和 anti?CD40 同时存在 时, IL?21 才能促进这种类似于通过抗原和 T 细胞共同活化途径的 B 细胞得到 最大程度的增殖或分化10, 11。这样 IL?21 通过诱导凋亡（主要是通过 Bim 介导的线粒体途径而非 Fas/FasL 或 TNF/TNFRs 途径）清除了一批不完全活化的 B 细胞, 保证了正常活化的 B 细胞功能状态, 这对维持体内 B 细胞稳态, 预防 自身免疫疾病的发生是很有利的。 2.2 IL?21 对 B 细胞产生抗体的调节 IL?21 是调节 Ig 产生的重要细胞 因子。IL?21R 和 IL?4R 缺陷型鼠有以严重的 IgG 反应缺陷为特征的异丙种球 蛋白血症表型13; IL?21 能通过抑制 IL?4 所介导的 C 基因转录抑制 IgE 的表达而对 IgG1 表达无影响14; IL?21 转基因鼠和含 IL?21 基因质粒注射 鼠血清中 IgG 和 IgM 水平升高, 脾 IgG1+B 细胞数量增加11。IL?21 能通过 促进脾 B 细胞中浆细胞分化所需的转录抑制因子 Blimp?1 和 Bcl?6 基因的转 录活性和蛋白表达, 诱导浆细胞的分化形成11; 通过特异诱导 1 和 3 转 录, 和 S/S switch circule DNA 产生机制而引发免疫球蛋白的类别转换 15。IL?21 较其他细胞因子（IL?2 和 IL?10）对诱导 B 细胞向浆细胞分化 更具有潜力, 能特异促进人脐血 naive B 细胞和 CD27+ memory B 细胞向浆细胞 分化, 分别刺激脐血 B 细胞产生 IgG3 和成熟 B 细胞产生 IgG1 和 IgG3, 以及促 使 memory B 细胞 产生各种类型 IgG 和 IgA12。在 IL?21 诱导浆细胞分化过程中, 虽然浆细胞 分化所需的转录抑制因子 Blimp?1 及促类别转换以及体细胞高频突变的特异因 子 AID(活化诱导的胞嘧啶脱氨酶)是表达上调的, 但是 IL?21 只诱导产生类别 转换而不能使体细胞高频突变发生, 提示在这里 AID 的表达不足以引起体细胞 高频突变的发生12。 3 IL?21 对 T 细胞的免疫调节 3.1 IL?21 对 T 细胞增殖的调节 早期研究表明 IL?21 刺激 anti?CD3 活化的 C57BL/6 鼠胸腺 T 细胞及成熟 CD8+CD4-T 细胞增殖。进一步发现 IL?21 对 anti?CD3 预活化的人 primary（CD45RA+）T 细胞有促增殖作用而对 memory （CD45RO+）T 细胞无促增殖作用2。IL?21 单独对 T 细胞没有促增殖活性或 维持其存活的能力, 但能协同增强 IL?15 诱导的 memory CD8+T 细胞和不依赖 抗原的 naive CD8+T 细胞增殖, 这种协同作用对 CD4+T 细胞却不明显。IL?21 和 IL?15 可以共刺激 CD62LhighCD44low 和 CD62LlowCD44high 的 memory CD8+T 细胞和 naive(CD44low)CD8+T 细胞扩增, 并且使它们分泌 IFN?拨玫墓 茉銮?16。而另一篇文章报道 IL?21 抑制 IL?15 介导的 CD44highCD8+memory T 细胞扩增17, 这种差别可能由于两个试验中 IL?21 用量不同或者 T 细胞当时所处的活化或分化状态不同造成的16。 3.2 IL?21 对 Th1/Th2 反应的调节 Strengell 等6发现 IL?21 可以迅 速诱导人 primary T 细胞和 primary NK 细胞中固有免疫反应和 Th1 免疫反应相 关基因 IFN?拨谩? T?bet、 IL?2R、 IL?12R2、 IL?18R 及 MyD88(骨 髓细胞分化因子 88, 一种与 IL?18 和 Toll 样受体信号传导有关的接头蛋白) 的表达; 能通过活化 STAT3 结合到 MyD88 GAS(IFN?拨没罨?序列)和 SIE(c?sis 诱导元件, 能与活化的 STAT3 结合), 和增强 IL?12 诱导的 STAT4 DNA 结合到 IL?2R GAS 而促进 IFN?拨玫幕?因转录和蛋白表达。IL?21 联合 IL?15 或 IL?18 对诱导 IFN?拨玫谋泶镒饔酶?强。从这些试验中可以看到 IL?21 在直接 诱导早期 primary T 细胞向 Th1 继发性免疫反应过渡的关键作用7。但是, Wurster 等3观察到 IL?21 通过抑制 STAT4 的表达和活化机制来抑制鼠 Th 前 体细胞以及向 Th1 分化的细胞表达 IFN?拨?, 而不影响已经分化的 Th1 细胞分 泌 IFN?拨?, 对其他 Th1 相关的细胞因子表达和分泌也没有影响。在以 Th1 反 应为主的迟发型超敏反应（DTH）模型中, IL?21R 缺陷鼠这种 DTH 比野生鼠增 强 2 倍, 体内外试验都证明 IL?21 可以通过抑制 IFN?拨玫牟?生来限制 Th1 细 胞反应。从这种实验间的差别至少可以看到, IL?21 并不能引起 T 细胞发生像 在 IL?4 或 IL?12 环境下的明显极化状态。 4 IL?21 对 NK 细胞的免疫调节 4.1 IL?21 对 NK 细胞增殖的调节 Parrish?Novak 等报道 IL?21 可以 增强人骨髓前体细胞产生 NK 细胞2。为进一步确定 IL?21 对 NK 细胞产生的 影响, Kasaian 等17对 IL21-/-鼠和野生型鼠脾组织中成熟 NK 细胞 （NK1.1+/CD3-）数量比较发现两组鼠成熟 NK 细胞百分比无统计学意义, 同时 观察到 IL?21R-/-鼠 NK 细胞完全能够对 polyI: C(体内试验)和 IL?15（体外 实验）的刺激产生反应, 并被诱导具有溶细胞活性, 与同型野生型鼠比较无明 显的不同, 这说明 IL?21R-/-鼠能产生具有正常功能的内源性成熟 NK 细胞。 可见 IL?21 对早期 NK 细胞的产生不是必需的细胞因子。在增殖实验中, 发现 IL?21 和 IL?15 体外共同培养 NK 细胞, 其 NK 细胞增殖明显被抑制, IL?15 剂量的改变不能消除 IL?21 对 NK 增殖活性的抑制。Brady 等18从 RAG1-/-鼠 骨髓和脾中分离纯化 DX5+细胞, 发现 IL?21 能明显抑制 IL?15 或 IL?2 对 NK 细胞的促增殖作用。增殖试验表明 IL?21 单独不能使 NK 细胞增殖或存活, 而 能增加 NK 细胞凋亡率。转 Vac?BCL2 基因的 NK 细胞能抵制 IL?21 诱导的 24 h48 h 细胞的死亡, 表明 IL?21 诱导 NK 凋亡是通过经典的凋亡途径发生的。 4.2 IL?21 对 NK 细胞杀伤功能的调节 IL?21 对 NK 细胞功能成熟和细胞 毒活性的研究主要是从它对 NK 细胞表面功能性受体的改变和 NK 细胞分泌效应 因子的能力方面来观察的。Kasaian 等17发现 IL?21 单独不能活化 resting NK 使之具有溶解靶细胞 YAC?1 的能力, 而能诱导 polyI: C 体内预先活化和 IL?15 体外预先活化的脾 NK 细胞使其具有较强的细胞毒活性。IL?21 能诱导 IL?2 活化的鼠骨髓和脾来源的 DX5+NK 细胞功能成熟, 虽使表面活化性受体 NK1.1 表达下调, 但可上调 CD94?NKG2A/C/E、 KLRG1 和 CD154 的表达, 并高 表达 IL?10 和 IFN?拨?, 导致活化的 NK 胞质颗粒度增加、 细胞体积增大和穿 孔素表达增强而发挥抗肿瘤微转移灶形成作用, 以及通过活化 NK 细胞 NKG2D 受 体而具有杀伤敏感肿瘤细胞株的细胞毒作用18。Takaki 等19发现 IL?21 可以通过增强鼠 NK 细胞的杀伤活性对 NKG2D 配体阳性的肿瘤细胞有抑制作用, 而对 NKG2D 配体缺陷的肿瘤细胞或用抗 NKG2D 抗体阻断后 NK 细胞介导的肿瘤杀 伤作用消失。但是 Burgess 等20发现 IL?21 通过负调节接头分子 DAP10 的基 因表达而下调人 primary NK 和 CD8+T 细胞表面 NKG2D/DAP10 的表达, 从而抑制 primary NK 细胞通过 NKG2D 介导的细胞毒作用。他们认为这可能是由于种系差 别造成的, 因为 IL?21 使鼠细胞 DAP10 下调的同时 DAP12 可以替代作为 NKG2D 的接头分子而维持 NKG2D 的表达, 而人细胞 DAP12 却不能与 NKG2D 结合。同时 发现一些活化性受体如 NKp30、 NKp46 和 2B4 是表达上调的, 也就是说 IL?21 可能对 NKG2D 配体阳性的肿瘤达不到预期治疗效果, 而对自身免疫性疾病的治 疗有一定作用。 总体看来 IL?21 能够诱导产生较高水平的效应 NK 细胞（高分泌 IFN?拨谩? 较高的细胞毒活性）, 同时伴有凋亡的发生, 维持 NK 细胞的动态平衡。这种对 NK 细胞增殖的限制, 以及对抗原特异性 T 细胞活化的增强, 似乎可以说明 IL?21 是连接固有免疫向适应性免疫过渡的中间因子。 5 结语 综上可见 IL?21 对免疫细胞具有广 泛的调节作用, 主要对它们的增殖分化和功能成熟产生刺激信号。但 IL?21 对 免疫细胞的调节多数是在其他细胞因子或共刺激信号的参与下完成的, 这充分 体现了细胞因子网络性特点。炎症部位活化的 CD4+T 细胞分泌 IL?21 的同时应 该分泌其他的细胞因子, 这就为 IL?21 与其他的细胞因子或抗原协同作用提供 了很好的活化微环境。这样 IL?21 通过对不同状态下免疫细胞的活化或凋亡清 除的网络性调节而维持免疫细胞内环境稳态, 对预防自身免疫性疾病、 肿瘤形 成和抗感染都发挥关键性作用, 预示着 IL?21 是一个有潜力的用于免疫治疗的 细胞因子, 值得进一步研究和开发。然而正是因为 IL?21 有复杂的生物学效应, 在对患者的治疗过程中不免会产生相应的副作用, 其在临床应用会受到一定程 度的限制, 因此应用 IL?21 临床治疗需要对不同的患者采用不同的用药方案, 其具体应用有待于进一步探索。 【参考文献】 1 Habib T, Senadheera S, Weinberg K, et al. The common gamma chain (c) is a required signaling component of the IL?21 receptor and supports IL?21?induced cell proliferation via JAK3J. Biochemistry, 2002, 41(27): 8725-8731. 2 Parrish?Novak J, Dillon SR, Nelson A, et al. Interleukin 21 and its receptor are involved in NK cell expansion and regulation of lymphocyte functionJ. Nature, 2000, 408(6808): 57-63. 3 Wurster AL, Rodgers VL, Satoskar AR, et al. Interleukin 21 is a T helper (TH) cell 2 cytokine that specifically inhibits the differentiation of naive TH cells into interferon ?producing TH1 cellsJ. J Exp Med, 2002, 196(7): 969-977. 4 Coquet JM, Kyparissoudis K, Pellicci DG, et al. IL?21 is produced by NKT cells and modulates NKT cell activation and cytokine productionJ. J Immunol, 2007, 178(5): 2827-2834. 5 Ozaki K, Kikly K, Michalovich D, et al .Cloning of a type I cytokine receptor most related to the IL?2 receptor beta chainJ. Proc Natl Acad Sci USA, 2000, 97(21): 11439-11444. 6 Strengell M, Sareneva T, Foster D, et al. IL?21 up?regulates the expression of genes associated with innate immunity and TH1 responseJ. J Immunol, 2002, 169(7): 3600-3605. 7 Strengell M, Matikainen S, Siren J, et al. IL?21 in synergy with IL?15 or IL?18 enhances IFN?拨? production in human NK and T cellsJ. J Immunol, 2003, 170(11): 5464-5469. 8 Zeng R, Spolski R, Casas E, et al. The molecular basis of IL?21?mediated proliferationJ. Blood, 2007, 109(10): 4135-4142. 9 Mehta DS, Wurster AL, Whitters MJ, et al. IL?21 induces the apoptosis of resting and activated primary B cellsJ. J Immunol, 2003, 170(8): 4111-4118. 10 Jin H, Carrio R, Yu A, et al. Distinct activation signals determine whether IL?21 induces B cell costimulation, growth arrest, or Bim?dependent apoptosisJ. J Immunol, 2004, 173(1): 657-665. 11 Ozaki K, Spolski R, Ettinger R, et al. Regulation of B cell differentiation and plasma cell generation by IL?21, a novel inducer of Blimp?1 and Bcl?6J. J Immunol, 2004, 173(9): 5361-5371. 12 Ettinger R, Sims GP, Fairhurst AM, et al. IL?21 induces differentiation of human naive and memory B cells into antibody?secreting plasma cellsJ. J Immunol, 2005, 175(12): 7867- 7879. 13 Ozaki K, Spolski R, Feng CG, et al. A critical role for IL?21 in regulating immunoglobulin productionJ. Science, 2002, 298(5598): 1630-1634. 14 Suto A, Nakajima H, Hirose K, et al. Interleukin 21 prevents antigen?induced IgE producti on by inhibiting germ line C. transcription of IL?4?stimulated B cellsJ. Blood, 20