白细胞介素7研究进展.doc

白细胞介素7研究进展摘要：目前对于T细胞生长的研究主要集中在白细胞介素Interleukin 7（IL-7）对于抗凋亡功能上，而对维持体内T细胞增殖平衡的信号通路有待更深入的研究。最新研究表明IL-7作为一个调控子在T细胞维持上起着重要的作用，但细胞如何产生IL-7信号的生物应答通路，以及在CD4+T细胞和CD8+T细胞上为何会产生差异，对于这两者知道的并不清楚。本综述将集中于目前IL-7信号通路和功能在T细胞中的最新研究进展，为进一步研究提供帮助。关键字：白细胞介素7 T细胞白细胞介素7是由多种细胞产生并作用于多种细胞的一类细胞因子。最初是由于由白细胞产生又在白细胞间发挥作用，现在是指一类分子结构和生物学功能已基本明确，具有重要调节作用而统一命名的细胞因子。IL-7是由骨髓基质细胞分泌的糖蛋白，分子量为25kd；其基因位于第8号染色体。在免疫、生长活性等方面具有重要作用。现已证明白细胞介素7和T细胞受体信号是体内T细胞增殖平衡的主要驱动因素，也是T细胞代谢的一个调控因子1。另一方面，在淋巴细胞减少的宿主中，T细胞再生主要通过胸腺合成和胸腺依赖的外周T细胞的体内增殖。临床上胸腺的生成被化疗、放疗、HIV感染、移植排斥反应等限制2，所以体内T细胞增殖与外周T细胞数量密切相关。但是，相比于CD8+T细胞，CD4+T细胞平衡增殖效率却要低很多，而现有理论和模型在细胞和分子水平上不能解释为什么此机制其只对CD+8T细胞有明显效果3。在本综述中我们将探讨IL-7对于T细胞增长的生物学机制，以及对CD4+T细胞和CD8+T细胞间的差异。1. IL-7与T细胞生长代谢通常认为IL-7是由淋巴组织中的基质细胞所产生的，而非淋巴细胞IL-7通过与细胞表面受体的结合活化，具有潜在促T细胞增殖功能的信号通路。IL-7受体由IL-7R链和常见的细胞因子链组成异源二聚体，与IL-2，IL-4，IL-9，IL-15和IL-21受体等组成相似4。在和配位结合后导致与受体相关的酪氨酸及激酶家族如JAK1和JAK3的活化5，活化的激酶能够磷酸化IL-7受体上的特异性残基，使得受体构象改变，暴露出与信号分子的锚定位点6。目前认为与IL-7促T细胞生长的两条主要途径为JAK/STAT通路和PI3K/AKT信号通路。目前JAK/STAT信号模型主要是针对以STAT5为信号分子构建的。IL-7首先与IL-7受体结合，触发细胞内与IL-7受体相关联的JAK活化，活化后的JAK能够磷酸化STAT细胞因子，使得STAT形成二聚体，然后进入细胞的细胞核发生作用，在细胞核调控一系列的细胞生存和生长因子，如BCL-XL，c-myc等。最终促进T细胞在体内的增殖7,8。PI3K/AKT通路是一个潜在的T细胞生存通路，具有调控多方面调控细胞功能的作用，如循环，翻译和代谢等。T细胞从G0期进入G1期需要一个细胞周期抑制因子的下调，该过程通过G1期的循环因子实现9,10。而IL-7能够增强PI3K的活性，活化AKT，AKT能够通过使糖原合成酶的失活来增强细胞周期蛋白的稳定性11。但是研究表明IL-7作用下的PI3K/ATK信号通路并不是维持T细胞增殖的主要影响因子，而是参与其它的信号通路来实现的。IL-7依赖细胞的体积调控与葡萄糖代谢有关，葡萄糖转运物的表达和活性提高能够维持细胞的体积，而当细胞因子下调时能够引起细胞体积的萎缩和减小9。在T细胞中，其中一个重要的引号通路是PI3K信号通路。当受体与IL-7结合后，能够激活PI3K信号，PI3K在葡萄糖转运体GLUT1起着非常重要的作用12。另外，一些研究同时发现IL-7与其它的细胞营养物质转运体的表达有关。所以，根据目前对于IL-7在T细胞中的作用的研究，我们大致可以得到如下一张代谢图13。首先IL-7与受体的结合能引起受体两条链的二聚化，激活与受体相联的JAK1和JAK3的活性。JAK随后磷酸化STAT5的受体结合位点，引起转录因子的磷酸化、二聚化和核内转移，诱导提高细胞生存的基因表达。X因子能够通过PI3K途径能够抑制凋亡蛋白和细胞周期抑制因子的表达，提高葡萄糖的转运。目前认为X因子可能还调控压力激酶p38MAPK的活性，其下调能够稳定Cdc25A的表达，促进细胞的增殖和生长。STAT5信号通路则能够上调控BCl-2生存蛋白。因此，与IL-7相关的机制不仅包括了促进细胞生长繁殖的信号，还有避免细胞凋亡、增强代谢的存活信号。2. IL-7与T细胞凋亡由于人类免疫缺陷病毒HIV对人类造成的巨大危害，目前对于IL-7与T细胞凋亡的研究主要集中于HIV感染的T细胞凋亡机制。感染HIV-1后能够引起大量的CD4+T细胞的消耗，包括直接的病毒诱导的细胞溶解、T细胞再生减少和凋亡等14。被感染T细胞凋亡水平的增加暗示以减少凋亡为目的的干预性治疗能够降低T细胞减少的水平，而其中一个具有潜在功能的细胞因子就是IL-7。令人注意的是，之前报道的一些研究得出了截然不同的结果。一些科学家坚信IL-7的注入能够降低T细胞衰减的水平，而另外一些科学家则对此表示质疑，甚至认为IL-7有可能还有助于诱导HIV-1的体内复制。2007年权威杂志美国科学院院刊报道了由国立健康研究所的一份研究结果，该小组从29个HIV-1感染者和14个血清阴性的个人中抽取了血液样本，然后从中分离外周血单核细胞（Peripheral blood mononuclear cells, PBMC），并纯化、培养了CD4+T细胞和CD8+T细胞。然后在给定不同的注射药物后，用羟基荧光蛋白二乙酸琥珀酸二酯（carboxyfluorescein diacetate succinimidyl diester, CFSE）标记技术、流式细胞测量技术、分光光度测量等技术检验了细胞的增长情况、凋亡水平和病毒复制。证明了IL-7能够降低T细胞凋亡的水平，而且与潜在的病毒毒性复活无关15。该小组的研究发现，外源的IL-7增加能够导致所有HIV-1感染者中提取的CD4+T细胞和CD8+T细胞自动凋亡水平的剧烈下降，而且在CD4+T细胞和CD8+T细胞分离的独立试验中也获得了相同的结果。其内在机制主要是细胞内促凋亡因子caspase3的水平受到了IL-7的抑制，结合先前的观察，这个由IL-7调控的凋亡减少与胞内Bcl-2的水平上升有关16。但是在血清阴性的对照组中，IL-7的抑制作用却非常有限，部分甚至不能检测出。由于感染HIV-1细胞的自主凋亡倾向与血浆中病毒含量和CD4+T细胞的循环水平相关17，所以研究人员通过数学模型评估了凋亡敏感性与可能的相关因素。包括人口统计、临床病症以及免疫学的相关因子，发现其与循环的CD4数量存在正相关，而且，IL-7的凋亡减少与记忆CD4+T细胞的绝对数量有非常吻合的负相关，因此IL-7的有效性检测能够判断患者体内的CD4+T细胞的水平。因为IL-7能够运用浓度依赖性作用于CD4+T细胞和CD8+T细胞，研究人员测量了经历循环周期的细胞和IL-7处理的细胞增长的比值，数据显示IL-7的抗凋亡作用与诱导细胞生长之间没有必然联系。此外，因为相关报道认为高剂量的IL-7能够诱导潜在病毒的活化18，故该小组做了大量的实验比对，并没有发现在抗凋亡和促生长期间病毒的复制有所改变。这个具体、全面的研究结果将为治疗HIV带来新的曙光。IL-7在不同条件下的不同活性能够有助于潜在的治疗应用，因此能够监视提高免疫和病毒复制所具有的潜在危险性，此外，IL-7具有的免疫重组性能够与抗逆转录治疗共同使用来降低病毒的复制。更深入的研究将揭示IL-7注入水平与抗凋亡效率之间的关系以及免疫重组的效果。3. IL-7与CD4+T细胞白细胞介素7和T细胞受体信号被证明是体内T细胞增殖平衡的主要驱动因素，而目前的研究表明IL-7在CD4+T细胞中促增长的效果远低于CD8+T细胞。今年刚发表在自然免疫学杂志上的一篇论文Interleukin 7 signaling in dendritic cells regulates the homeostatic proliferation and niche size of CD4+T cells揭示了其中的分子机制19。该文的作者运用鼠嵌合体、分子探针、流式细胞计数、RT-PCR和免疫染色等方法证明在淋巴细胞减少时由于机体对IL-7使用的减少伴随着IL-7密度增加；另外，作用于+IL-7-受体(IL-7R+)树突细胞(DC)的IL-7信号在淋巴细胞减少调整中反常地降低了CD4+T细胞的体内增殖。相关实验证明部分原因是由于IL-7向下调节IL-7R+树突细胞上的主要组织相容性复合物II，而IL-7R+树突细胞是外周CD4+T细胞生境的调控子。另一方面也说明作用于树突细胞上的IL-7信号能够避免CD4+T细胞因失控而过度增殖。该研究小组将老鼠分为野生型对照组（WT），白细胞介素7受体缺陷组（Il7r-/-）,重组活性基因I缺陷组（Rag1-/-）和白细胞介素7缺陷组（Il7-/-）。在实验一中该小组用定量实时PCR法分别检测了WT、Rag1-/-和Il7r-/-三组的IL-7mRNA的表达，发现包细胞介素7与白细胞介素7受体的含量呈负相关，当IL-7R+的表达受影响时会激发细胞高表达IL-7mRNA，反之依然，形成一个具有调控作用的反馈环。另外在该实验中同时发现，在患有淋巴细胞减少症的宿主中大量的IL-7蛋白是由于IL-7的聚集而不是细胞大量合成的结果。对于反馈环的深入研究表明该反馈环能够消除高浓度的IL-7对CD4+T细胞的有害作用。目前研究证明抗原递呈细胞（APC）数量的调控能够诱导CD4+T细胞的体内增殖20，该理论强调了MHC II+树突细胞对外周CD4+T细胞生境的影响，但一些研究认为IL-7才是主要因素之一21。为了进一步探明机制，该小组用CFSE标记的T细胞注射到抗辐射基质和与辐射敏感的骨髓诱导细胞嵌合体小鼠中，结果发现在CD8+T细胞增殖中伴随IL-7大量的产生，而只有骨髓细胞诱导的IL-7的产生才能使得CD4+T细胞在体内增殖，说明骨髓细胞诱导的IL-7对CD4+T细胞是必须的，帮助CD4+T细胞达到体内最大平衡状态；随后人为的将IL-7信号阻断，使骨髓诱导细胞不能接收到该信号，之后的检测发现体内出现了大量的CD4+T细胞和CD8+T细胞，说明在骨髓诱导细胞中通过IL-7R+和STAT5通路的IL-7能够阻止CD4+T细胞的体内增长。对缺少链的APC也做了该实验，排出了是由于胸腺基质淋巴细胞素调控该阻断作用的可能性。该小组为了评估IL-7信号对APC上MHC II的作用，测量了IL-7R mRNA在不同脾细胞亚群中的转录情况，发现MHC II的表达受到了IL-7信号的调控，该机制类似于IL-7R+树突细胞调控CD4+T细胞的体内增长。另一个实验同时也表明IL-7R信号能够向下调控主要组织相容性复合物II型（MHC II）的表达和树突细胞中IL-7的产生。该课题的另一个重要目的在于研究为什么高浓度的IL-7对CD4+T细胞增殖不起作用。之前有报道认为在Rag1-/-小鼠体中多克隆CD4+的增长局限于快速的分裂细胞，该细胞是IL-7依赖细胞，在环境抗原条件下交叉作用，从诱导的记忆CD4+T细胞而来22；对TCR转基因小鼠的研究发现CD4+T细胞只有唯一的与MCH II对应的T细胞受体，而CD8+T细胞可能带有其它的TCR基因23。本研究的科学家则通过体外实验证实，可能因为不同的IL-7R受体表达，CD8+T细胞相对于CD4+T细胞在IL-7限制情况下更有竞争优势，因此在给予一定的IL-7药物剂量时，优先选择扩大CD8+T细胞的含量，而仅有的多克隆CD4+T细胞积累则能使CD4+T细胞在不良环境中存活。后续实验也证明了与APC结合的能力而非IL-7的含量才是限制CD4+T细胞的主要原因，即在淋巴细胞减少症中，作用于抗原递呈细胞的IL-7信号才是主要的CD4+T细胞体内增殖的调控因子。实验表明由同一APC表达的IL-7和MCH II是CD4+T细胞体内增殖所必须的，该情况应与低频率IL-7R+树突细胞或少量的IL-7释放相关，但对于CD4+T细胞来说同时接受来自不同细胞的两个信号可能性非常小。因此，这个假设是否正确还有待确认。此外还需要对APC诱导的IL-7的生理功能与潜在的作用于IL-7R+树突细胞、可能影响CD4+T细胞增殖的下游IL-7信号的作用进行研究分析。该结果有以下几个临床意义：首先，实验结果说明了涉及类浆树突细胞是一个调控外周CD4+T细胞生境的核心因子，该类浆细胞的减少被认为是临床上与CD4+T细胞缺失有关，如HIV感染、骨髓移植等24，增加了IL-7R+树突细胞的缺失导致慢性的CD4+T细胞缺失的可能性。其次，该小组的实验为今后在增加IL-7R+树突细胞治疗方面打下了基础；同时，IL-7信号对APC的调控可能有助于提高免疫重组和潜在的继承细胞疗法（adoptive cell therapy）的有效性。最后，APC上的IL-7R信号可以在体内控制自我攻击的T细胞，在病理学上通过CD4+数量调控自我免疫。结语白细胞介素7作为白细胞介素家族的明星分子，吸引了越来越多的研究者的目光，尤其是其潜在的HIV治疗作用更是让科学家对其抱有极大的兴趣和希望。近几年在白细胞介素7上的研究成果也非常丰富，目前来说，对于白细胞介素7的了解已经有了一个整体的、在细胞水平上的把握，但是在相关分子机制上仍有所欠缺。同时，由于T细胞调控网络是一个庞大、复杂的系统，因此相关实验结果间的矛盾也是在所难免，需要更细致的实验去发现。最后，随着对白细胞介素7在抗HIV上的研究不断深入，也一定会有一种新的治疗手段配合抗逆转录治疗法对HIV进行体内干预。参考资料：1 Surh CD., et al. 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