天然免疫

天然免疫研究进展,天然免疫(innate immunity):又称固有免疫 是机体在种系发育和进化过程中形成的免疫防御功能。特点: 1. 作用范围广, 不针对特定抗原; 2. 先天获得, 出生后即具备获得性免疫(adaptive/acquired immunity): (又称特异性免疫)指出生后通过与抗原物质接触后所产生的一系列防御功能。,Phase of Immune Response,当前天然免疫的重要地位,90年代以前, 天然免疫一直不受重视, 90年代后, 随着多种天然免疫分子的发现, 其结构和功能的阐明, 导致了90年代后期天然免疫研究的崛起。当前天然免疫的重要地位:1996 Science “天然免疫对获得免疫应答的指导作用”1997 Cell , Current Opinion In Immunology中提出 PRR, Pattern Recognition Receptor, 即模式识别分子1998 Current Opinion In Immunology “天然免疫”专号1999 Scandinavia Journal Of Immunology “天然免疫 复兴时代已经到来” 2003 Microbiol Rev. Toll样受体在病原体识别中作用,2011年度诺贝尔生理学或医学奖,布鲁斯巴特勒（Bruce A. Beutler）、朱尔斯霍夫曼（Jules A. Hoffmann），表彰他们在先天免疫方面的发现；,拉尔夫斯坦曼（Ralph M. Steinman），表彰他对获得性免疫中树突细胞及其功能的发现。,一、天然免疫系统的组成,二、天然免疫的识别机制,三、Toll样受体四、NOD受体,六、天然免疫的生物学意义,五、天然免疫细胞,一、天然免疫系统的组成,屏障结构参与天然免疫的细胞参与天然免疫的分子 防御素/抗菌肽 溶菌酶 补体 炎性介质,免疫防御,天然免疫,屏障结构,体表屏障：物理、化学、生物屏障,内部屏障：血脑屏障、血胎屏障,吞噬细胞：中性粒细胞、单核/巨噬细胞,NK、gdT、B-1、NKT 、肥大细胞,体液中的抗菌物质：补体、防御素、炎性介质、 MBL,适应性免疫,黏膜免疫系统,体液免疫：抗毒素、抗菌抗体、抗病毒抗体,细胞免疫,CTL,TDTH及其释放的CK,膜式识别受体：甘露糖受体、清道夫受体TLR,*病原相关识别模式*模式识别受体*天然免疫识别自己和异己,二、天然免疫的识别机制,病原相关分子模式（pathogen associated molecular pattern，PAMP）,一类或一群特定的微生物病原体（及其产物）共有的某些非特异性、高度保守的分子结构，可被非特异性免疫细胞所识别。包括：脂多糖（LPS）、磷壁酸（LTA）、肽聚糖（PGN）、甘露糖、细菌DNA、双链RNA和葡聚糖等。,天然免疫识别模式 病原相关分子模式,天然免疫系统成分可识别自己与异己，仅对病原体应答，其识别病原相关分子模式具以下特征：1.病原相关分子只由病原微生物产生, 宿主细胞不产生。2.被天然免疫系统所识别的这些结构往往对微生物的生存或致病性势必不可少的。3.病原相关分子为宿主天然免疫细胞泛特异性识别的分子基础，是由一群或一类微生物所共同具有的恒定的结构。,病原相关分子模式(PAMP)示意图,模式识别受体 PRR (Pattern Recognition Receptor) 定义：一类主要表达于天然免疫细胞表面、非克隆性分布、可识别一种或多种PAMP的识别分子。 PRR的生物学特征： * 较少多样性； * 非克隆性表达:同一类型细胞（如巨噬细胞）表达的PRR具有相同的特异性。 * 介导快速的生物学反应，无需细胞增殖。几类重要的PRR：MBL、甘露糖受体、清道夫受体、Toll样受体,天然免疫模式识别受体,分泌型受体甘露聚糖结合凝集素 （MBL）胞膜受体：甘露糖受体(mannose receptor,MR)“清道夫”受体TLRFc受体和补体受体胞内受体NOD视黄酸诱导基因样受体(RIG-1 like receptor, RLR),分泌型PRR,甘露聚糖结合凝集素 （MBL）*属于肝脏合成的急性期反应蛋白*识别并结合G-/G+菌、酵母菌、某些病毒等表面的甘露糖*激活MBL补体途径，发挥调理、致炎作用。,Lectin（凝集素）途径MBL（mannan-binding lectin）途径,MBL/ficolin,病原体甘露糖残基/GlcNAc残基,-,MASP ,C4 -C4a + C4b,C2 -C2a + C2b, - C4b2b(C3转化酶) ,甘露糖受体：特异性识别微生物细胞壁糖蛋白和糖脂末端的甘露糖和岩藻糖残基，介导吞噬细胞吞噬。 清道夫受体：识别并与细菌细胞壁某些组分结合，有效地清除血循环中的细菌。,膜型PRR：内吞型PRR,Toll样受体属于先天免疫，TLR是防御微生物侵入的“哨兵”。toll介导的天然免疫信号系统是所有多细胞生物的最古老的防御系统。Toll 受体与CD14, IL-1R等同属富亮氨酸蛋白家族, 属于PRR, Pattern Recognition Receptor, 即模式识别受体 。 (Toll like receptor, TLR),三、Toll样受体,定义： 为一家族分子，因其胞外段与一种果蝇蛋白Toll同源而得名，在免疫应答的诱导和炎性反应中发挥重要作用，现已发现十余种。 TLR的生物学特征： * TLR识别的配体均属于保守的PAMP，并向机体提供微生物感染的信号； * 几乎所有TLR均可单独或共同识别多种结构不同的配体，某些TLR（TLR4)则须依赖于辅助蛋白才能识别相应配体。 * TLR与相应配体结合启动胞内信号转导介导多种生物学效应。,Toll样受体（Toll-like receptor, TLR),Toll 分子的发现与命名：Toll分子最初是作为建立早期果蝇胚胎背侧腹侧轴途径中的关键成员而发现的，发现Toll基因的缺失导致所有杂合子果蝇胚胎不能孵化。1997年, 第一个与果蝇Toll蛋白同源的人Toll分子首次得到证实，因其是位于细胞膜上的受体，因而又称Toll样受体(Toll like receptor, TLR)。至今为止，人类TLRs发现了13个家族成员，即hTLR113。,结构特点:1.所有Toll同源分子都是型跨膜蛋白。2.胞膜外区均有1831个富含亮氨酸的重复序列 （Leu-rich repeat, LRR）3. 胞膜内区均有一Toll/IL-1R同源区(TIR),(一)TLRs家族成员、组织分布表达及结构特点,基因定位:TLR5-第1号染色体TLR9-第3号染色体TLR1、2、3、6-第4号染色体TLR4 -第9号染色体TLR7、8-性别X染色体TLR10的染色体定位未见报道,组织分布表达: Toll表达于所有的淋巴组织中，在外周血白细胞中表达水平最高，单核、巨噬细胞、细胞、细胞及树突状细胞都表达TLR mRNA。此外，脂肪细胞、小肠上皮细胞和皮肤内皮细胞也表达, 是防御微生物侵入的“哨兵” 。,TLR1: 分布于各类免疫细胞；TLR2、TLR4、TLR5:分布于除T、B、NK外的免疫细胞；TLR3: 表达于幼稚的树突状细胞；TLR6-9: 广泛表达于多种细胞；TLR10: 表达于淋巴样组织中和脾脏细胞。,同源性比较:,比较已知的人类10种TLRs的氨基酸相似性， 进化关系和亲缘性,(二)TLRs与配体的相互识别及胞内信号的传导1. TLRs与配体的相互识别:Toll的配体, 一般属于病原相关分子模式PAMPs(pathogen associated molecular patterns, PAMPs), 其为具有脂质A类似性质的物质, 存在于细胞壁, 为多种微生物所共有的一类分子结构, 称为PAMPs, 其一般不为多细胞生物体所有。TLR4: 识别革兰氏阴性菌细胞膜上的重要成分LPS;TLR2: 识别革兰氏阳性菌、分枝杆菌、螺旋体和支原体;TLR4: 内源性配体,热休克蛋白Hsp60;,各种TLR及其相应配体,dsDNA,鞭毛蛋白,非甲基化CpGDNA,TLR6,TLR2,TLR1,CD14,TLR3,TLR5,TLR9,各种TLR及其相应配体,TLR4,TLR的生物学功能,激活天然免疫 识别微生物PAMP向机体发出危险信号，启动天然免疫。 激活巨噬细胞分泌炎性介质介导炎性反应。 参与特异性免疫应答的启动 激活APC表达MHC、共刺激分子和细胞因子参与T细胞等的激活和增殖。,TLR的生物学功能,2. 哺乳细胞TLRs与胞内信号的传导 (与果蝇的相比较): 关于TLRs的胞内信号传导，TLR2、TLR4研究比较多。TLR2和TLR4与相应配体结合后，在一些细胞膜分子，如CD14的协助下，随后活化MD-2、髓细胞样分化标志MyD88 (myeloid differentiation marker88)、IRAK(丝氨酸/苏氨酸先天免疫激酶的一种)、肿瘤坏死因子相关因子6（TNFR-associated factor 6，TRAF6），最终激活NF-B，NF-B转位进核，活化特定免疫基因使之表达。,TLR信号通路,(三) TLRs与天然免疫、特异性免疫和免疫耐受TLRs是一类激活人体天然免疫，在感染的早期发挥保护性作用的重要的膜受体家族。活化后引起一系列免疫效应。TLRs的活化引起多种细胞因子分泌，如IL-1、IL-6、IL-8、IL-12、IL-18、TNF-等以及NO的产生。TLRs也与特异性免疫相关。它能明显诱导人单核细胞系的B7和IL-1基因的表达，对T细胞的活化产生影响。LPS激活的B细胞抗原呈递能力增强，也可能与TLR4有关。TLRs与免疫耐受也有着密不可分的关系。已知细菌LPS诱发感染宿主可引起强烈的炎症反应，但在TLR4基因缺失的的小鼠，用LPS攻击后不发生炎症反应。,(四) TLRs与疾病在肠炎患者的肠上皮细胞中，可检测到TLR3和TLR4的异常表达，提示TLRs表达量或位置的异常与肠炎等某些疾病有关; Arbour指出人的TLR4基因存在着错义突变（Asp299Gly,Thr399Ile）影响了TLR4的胞外结构域，使吸入人体LPS不致于产生高敏感反应。可耐受高剂量的LPS攻击;阻断某些动物心肌细胞的TLR2, 可以抑制过氧化氢诱导的NF-B，AP-1的活化，却同时增加了细胞毒性作用，提示TLR2可能与心脏病有一定的关联。,(五) Toll/TLR家族成员的主要功能: TLR4介导对脂多糖的反应: TLR4的表达水平决定小鼠巨噬细胞对脂多糖的反应强度. LPS首先与CD14结合, 然后与TLR4结合, MD2作为辅助分子, 增强TLR4对LPS的反应。2. TLR4的其他功能: 与热激蛋白60相互作用: TLR4-HSP60; 参与凋亡细胞清除中的信号转导: CD14, TLR4,3. TLR9介导对甲基化CpGDNA的反应(1) 脊椎动物: CpG DNA都非甲基化, 二聚体少细菌等非脊椎动物: CpG DNA都甲基化, 二聚体多甲基化CpG DNA能刺激免疫细胞产生IL-12, IL-18等Th1型细胞因子, 高效免疫佐剂;(2) TLR9是非甲基化CpGDNA的受体, TLR9在非甲基化CpGDNA的识别和信号转导中起关键作用;,(3) TLR9意义及应用:a. CpG可能在防御细胞内病原体感染中起重要作用;b. DNA疫苗中, CpGDNA可激活免疫苗注射部位树突状细胞等抗原呈递细胞, 从而对DNA编码的抗原进行有效的呈递,确来激活特异免疫细胞;c. 在儿童哮踹, Th2偏离, 动物实验发现CpG可预防小鼠对Th2型变应原的致敏d. CpGDNA可诱导出不同类型的抗肿瘤反应, 抑制肿瘤的生长; 其机制可能是诱导APC产生I型干扰素, 或加强对T细胞的共刺激。,Therapeutic PossibilitiesResearchers are now looking at various ways to either artificially activate TLRs in order to enhance immune responses or inactivate TLRs to lessen inflammatory disorders. Examples of agents being evaluated in clinical studies include:TLR-4 and TLR-9 activators: as vaccine adjuvants to activate the immune system.TLR-7 activator: as an antiviral against hepatitis C.c. TLR-4 inhibitor: as an antisepsis agent against SIRS.d. General TLR inhibitors: to treat autoimmune disorders.,(六) TLRs研究的意义及其展望(1)有助于进一步了解生物进化的本质和动植物的胚胎发育。(2)它对自身和非己的识别中并没有淋巴细胞的参与，对传统的MHC-TCR模式提出了挑战。(3)TLRs不仅是参与天然免疫的重要受体，还涉及了特异性免疫、免疫耐受和一些疾病。(4)TLRs家族的发现和作用机制的研究，为治疗感染性疾病提供了新思路。已经有人建议用Toll信号受体作为靶向，去研究和开发出防治某些重大疾病的新药。(5)如果阐明在动物活体乃至人体复杂条件下对TLRs的生物学作用，将为研究人类感染免疫、免疫耐受、自身免疫、超敏反应、疫苗佐剂等提供了新的切入点和生长点。,四、NOD样受体,NOD样受体（ NLRs ）是存在于细胞内的模式识别受体。NOD样受体是一类在遗传上高度保守的蛋白质家族,广泛存在于植物、线虫、脊椎动物和人类细胞内。NLRs 能在许多不同类型的细胞中表达，其中包括免疫细胞、上皮细胞，但主要还是在吞噬细胞（巨噬细胞和中性粒细胞）中表达。NLRs主要具有两个亚类:NOD家族和NALP (NACHT-LRR-PYD-Containing protein)家族。,NLR结构图,目前确定的哺乳动物的NLR有23种,根据效应域的不同进行分类：N端为胱冬酶募集域(caspase recruitment domain, CARD)的属于NOD蛋白; N端为Pyrin域的属于NALP (nachtodomain, leukin-rich repeat and pyrin domain-containing protein);效应域为杆状病毒细胞凋亡抑制蛋白(baculovirus-inhibitor-of-apoptosis-repeats, BIR)的属于NAIP。其中,NOD1有1个CARD结构域而NOD2有2个。,NOD受体的结构,NLR属于胞内模式识别受体, NOD受体共同特点是具有3个特征性结构域: 1个C-末端富含亮氨酸的重复结构域( leu-cine-rich repea,t LRR),涉及配体的识别; 1个中心的核苷酸结合的寡聚结构域(nucleotide-binding ol-igomerization domain,NOD),也称为NACHT结构域; 以及1个N-末端蛋白-蛋白相互作用的结构域,如半胱天冬酶激活和聚集结构域(caspase activationand recruitmentdomain, CARD)。,NOD1和NOD2 的识别作用,到目前为止, 确定的哺乳动物的NLR有23种,其中最具代表性的是NOD1和NOD2(又分别称为CARD4和CARD15)。 NOD1 和 NOD2 是凋亡调节因子 Ced4Apaf1 家族中最先被发现的成员， 是 2 个重要的蛋白受体，属于胞浆蛋白质 NOD 样受体（NODlike receptors，NLR）家族，在先天免疫中发挥重要作用。 NOD1 和NOD2 的刺激能够导致 NFB 的激活，能够启动先天免疫和获得性免疫反应中许多基因的复制与表达，释放抗菌肽和相关的炎症因子。,NOD信号通路,NOD1和NOD2细菌细胞壁中的脂多糖和肽聚糖CARDRIP2MAPKsNF-b诱导细胞因子、生长因子、急性期蛋白、趋化因子、免疫受体和转录因子等多种物质的表达,NOD1和NOD2 的识别作用,NOD1蛋白的配体是-D-谷氨酸-meso-二氨基庚二酸(-D-glu-meso-DAP)；NOD2的配体是胞壁酸二肽(MurNAc-L-Ala-D-soGln,MDP)。,NOD2 的信号转导通路,MDP-NOD2-RIP2-IKK-NF-B-靶基因MDP-NOD2-RIP2-MAPK-JNK/Erk/p38-靶基因MDP-NOD2-Caspase-1-靶基因,NLR信号转导通路及TLR和NLR的交互作用,NOD受体和人类疾病,NOD1和NOD2的突变与炎症性黏膜屏障疾病有关。NOD1的突变还与哮喘和炎症性肠病的易感性增加有关。NOD2基因在编码NOD和LRR结构域的突变与一系列炎症性疾病有关,这些炎症性疾病的特点是肉芽肿性炎症,如Crohns病（又称局限性肠炎、节段性肠炎或肉芽肿性小肠结肠炎）、Blau综合征（儿童肉芽肿性关节炎）和早发的伯克氏肉样瘤病。,NOD1、NOD2 与 Toll 样受体的相关性,NOD样受体和Toll样受体它们不仅能各自通过信号转导产生级联反应来刺激不同的效应分子的表达,其共同作用在炎症过程和多种疾病的发生发展中也至关重要。有研究证明，在宿主应答细菌的过程中，NOD1、NOD2连同Toll样受体（Tolllike receptors，TLR）共同发挥作用，产生炎症反应细菌活素类和抗菌剂。在病原菌感染的早期，NOD1能发生自身结合，启动天然免疫反应。,Crit Rev Biochem Mol Biol.2012 Mar-Apr;47(2):194-206. Bruns AM1,Horvath CM.,RLR受体,五、天然免疫细胞,单核吞噬细胞中性粒细胞 树突状细胞自然杀伤细胞（NK）gdT细胞NK1.1T细胞B1细胞,1自然杀伤细胞（NK） 特点: 大颗粒淋巴细胞(large granular lymphocyte, LGL）胞浆中含嗜天青颗粒。分布:约占外周血中淋巴细胞总数的15； 脾中占34； 淋巴结和骨髓中也有NK细胞存在。表面标志：CD16，CD56,CD57,NK细胞受体 杀伤细胞活化受体（KAR） (1)识别糖类配体(靶细胞)活化细胞毒作用 (2)FcR（NK细胞）+ IgG抗体(结合抗原) 活化 杀伤作用杀伤细胞抑制受体（KIR） (1)P58分子和P70分子 识别MHCI类分子 (2)CD94-NKG2异二聚体分子 识别HLA-E分子,NK细胞的杀伤机制 1.穿孔素/颗粒酶途径（1）穿孔素：在钙离子存在的条件下，可在靶细胞的细胞膜上形成多聚穿孔素“孔道”，使水和电解质迅速进入细胞内，导致靶细胞崩解死亡。（2）颗粒酶（丝氨酸蛋白酶）：可循穿孔素在靶细胞上形成的孔道进入靶细胞，通过激活凋亡相关的酶系统而导致靶细胞凋亡。,2. Fas/FasL途径 活化后NK细胞（FasL）靶细胞（Fas） 形成Fas三聚体 胞浆内的死亡结构域相聚成簇 与Fas相关死亡结构域蛋白结合 募集和激活caspase caspase 级联反应导致靶细胞凋亡。,3. TNF-/TNFR-I途径 TNF- 靶细胞（I型TNF受体）结合形成TNF-R三聚体 胞浆内的死亡结构域相聚成簇 激活caspase 导致靶细胞凋亡。,4. 抗体依赖性细胞介导的细胞毒作用 （antibody-dependent cell-mediated cytotoxity, ADCC） NK细胞（IgG Fc受体、FcR ），识别杀伤与IgG抗体特异性结合的肿瘤或病毒感染细胞。,NK细胞的生物学功能: 1.抗感染:感染后23天发挥作用 2.抗肿瘤 3.免疫调节功能：分泌IFN-g，IL-2,2吞噬细胞,吞噬细胞,单核吞噬细胞系统（MPS）,中性粒细胞,单核细胞,巨噬细胞,单核巨噬细胞,单核细胞体积较大，蹄状核（左，普通光镜）。透射电镜显示其高尔基体发达、线粒体丰富、胞浆颗粒明显(中）。扫描电镜显示腹腔巨噬细胞粘附于玻璃表面（右）。,3. 树突状细胞（DC） 专职抗原递呈细胞。 未成熟DC：加工处理抗原 成熟DC：递呈抗原 髓样DC 浆细胞样DC,树突状细胞1. 抗原提呈功能最强的免疫细胞，为专职抗原提呈细胞。2. 参与胸腺内T细胞的阳性选择和阴性选择、免疫耐受的诱导和免疫记忆的维持。 3. 分泌的多种细胞因子也广泛参与免疫应答的调节。,4. 中性粒细胞,数量多，最早，清除病原体等抗原性异物；无加工递呈抗原功能；胞浆中有嗜天青颗粒和中性颗粒；吞噬胞外菌,Figure 21.4,Innatedefenses,Internaldefenses,Leukocytosis.Neutrophils enter bloodfrom bone marrow.,Margination.Neutrophils clingto capillary wall.,Diapedesis.Neutrophils flatten andsqueeze out of capillaries.,Chemotaxis.Neutrophilsfollow chemicaltrail.,Capillary wall,Basementmembrane,Endothelium,Inflammatorychemicalsdiffusingfrom theinflamed siteact as chemotacticagents.,1,2,3,4,Figure 21.4, step 1,Innatedefenses,Internaldefenses,Leukocytosis.Neutrophils enter bloodfrom bone marrow.,Capillary wall,Basementmembrane,Endothelium,Inflammatorychemicalsdiffusingfrom theinflamed siteact as chemotacticagents.,1,Figure 21.4, step 2,Innatedefenses,Internaldefenses,Leukocytosis.Neutrophils enter bloodfrom bone marrow.,Margination.Neutrophils clingto capillary wall.,Capillary wall,Basementmembrane,Endothelium,Inflammatorychemicalsdiffusingfrom theinflamed siteact as chemotacticagents.,1,2,Figure 21.4, step 3,Innatedefenses,Internaldefenses,Leukocytosis.Neutrophils enter bloodfrom bone marrow.,Margination.Neutrophils clingto capillary wall.,Diapedesis.Neutrophils flatten andsqueeze out of capillaries.,Capillary wall,Basementmembrane,Endothelium,Inflammatorychemicalsdiffusingfrom theinflamed siteact as chemotacticagents.,1,2,3,Figure 21.4, step 4,Innatedefenses,Internaldefenses,Leukocytosis.Neutrophils enter bloodfrom bone marrow.,Margination.Neutrophils clingto capillary wall.,Diapedesis.Neutrophils flatten andsqueeze out of capillaries.,Chemotaxis.Neutrophilsfollow chemicaltrail.,Capillary wall,Basementmembrane,Endothelium,Inflammatorychemicalsdiffusingfrom theinflamed siteact as chemotacticagents.,1,2,3,4,中性粒细胞主要膜分子 补体受体：CR1、CR3 和 CR4 Fc受体：lgG Fc受体（FcR/） 其他膜分子： LFA-1、IL-8R等,功能：中性粒细胞具有很强的趋化作用和吞噬功能，病原体在局部引发感染时，迅速穿越血管壁进入感染部位，吞噬和清除病原体。中性粒细胞表面具有IgG Fc受体和补体C3b受体，通过调理作用促进和增强中性粒细胞的吞噬、杀菌作用。,5、 T细胞,T细胞：是指表达型TCR的T细胞。 表型：组成性表达TCR-CD3复合体分子 大多数为CD4-CD8-T细胞(双阴性) 少数为 CD4-CD8+T细胞(单阳性)T细胞主要分布于粘膜和上皮组织细胞间，在外周血也有少量分布。T细胞具有抗感染、抗肿瘤和免疫调节作用。,6、NKT细胞,NKT细胞（natural killer T cells）为表达NK细胞表面分子CD56(小鼠NK1.1)和TCR-CD3复合体分子的T细胞。（1）特点: 1）NKT细胞表面TCR缺乏多样性。 2）NKT细胞识别抗原谱窄，主要识别靶细 胞表面由CD1分子提呈的磷脂和糖脂类抗原。 3）不受MHC限制。 4）NKT细胞不形成免疫记忆性。,（2） NKT细胞亚群：亚群有两种 大多数为CD4-CD8-NKT细胞(双阴性) 少数为 CD4+CD8-NKT细胞(单阳性)（3）发育途径：NKT细胞具有胸腺内和胸腺外两种 发育途径，肝脏可能是胸腺外主要的发育场所。成熟NKT细胞主要分布于骨髓和肝脏和胸腺，此外在小肠固有层、脾脏和淋巴结也有少量的分布。,6、B-1细胞,（1）来源与分布：B1细胞即细