细胞与分子免疫学：第五章 细胞因子

1、第五章 细胞因子及其受体（Cytokine and receptor,CK CKR）,Interactions immune cells are controlled by soluble Cytokine,are a diverse group of intercellular signaling peptides and glycoproteins with molecular weights 8-30kD. Well over 200 different human cytokine have now been identified.,第一节 细胞因子,一 概念、命名及特性： （一）概念

2、：抗原或有丝分裂原刺激免疫细胞（Th）产生具有多种生物学功能的小分子多肽类物质。是免疫细胞在功能上相互联络的无声的信息“语言”及生物信息分子,Ag,（二）命名：,1、来源：淋巴因子 单核因子,2.功能：,趋化因子(chemokine）白细胞介素（Interleukin,IL ）;干扰素(interferon,IFN） 、集落刺激因子（colony stimulating factor,CSF）； 生长因子（growth factor,GF）；肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor,TNF）,（三）细胞因子作用方式及特点,1、低分子性：8-30KD 2、高效性(High eff

3、icience)微量细胞因子可产生强的效应(10-9-10-15M) 3、受体性(Receptors)CK需与受体结合才能发挥效应 4、分泌性(inductive)抗原或有丝分裂原刺激，自分泌(autocrine)或旁分泌(paracrine） 内分泌（endocrine）或细胞内分泌（intracrine）,5、多源性(Multiple sources):一种CK来自多种 免疫细胞 6、多效性(Pleiotropy)一种CK发挥多种生物效应,7、重叠性(redundancy)多种不同类型CK具有相同生物学效应（受体公用连）,8、拮抗性一种CK可抑制另一种CK的功能 9、协同性一种CK可强化另

4、一种CK的功能 10、网络性-数量庞大的细胞因子构成网络调控细胞活性.,二、细胞因子的分类(classification of cytokine),1. 白细胞介素（Interleukin,IL） 2. 干扰素（Interferon, IFN） 3. 肿瘤坏死因子（Tumor Necrosis Factor,TNF） 4. 集落刺激因子（Colony Stimulating Factor,CSF） 5. 趋化因子（Chemokine） 6. 生长因子（Growth factor,GF）,（一）、白细胞介素（Interleukin,IL）:IL1-IL35 主要来自白细胞，在白细胞间发挥作用。

5、IL1-单核巨噬细胞产生，活化Th细胞 IL2-活化的Th1产生,可激活T B NK LAK IL4-活化的Th2产生，诱导Ig发生抗体类型转换(IgM-IgE),IL4基因敲除 IgE IL6单核及Th2细胞产生，可致炎症发热及T B细胞增殖 IL10-活化Th2细胞产生,可抑制T及巨噬细胞活 性,（二）集落刺激因子(colony-stimulating factor,CSF),是基质细胞分泌的能够刺激多能造血干细胞和不同发育分化阶段的造血祖细胞增殖分化，在半固体培养基中形成相应细胞集落的细胞因子。根据它们的作用范围，分别命名为粒细胞CSF（G-CSF），巨噬细胞CSF（M-CSF），粒细胞

6、和巨噬细胞CSF（GM-CSF）和多集落刺激因子(multi-CSF,又称IL-3)，红细胞生成素（EPO）、干细胞生长因子（SCF）等,（三）干扰素,干扰素（interferon,IFN）是最先发现的细胞因子，可抵抗病毒的感染，干扰病毒的复制，因而命名为干扰素。根据其来源和结构，可将IFN分为IFN-、IFN-、IFN-。IFN-和IFN-主要由白细胞、纤维母细胞产生，合称为I型干扰素。IFN-主要由活化T细胞和NK细胞产生，也称为II型干扰素。,IFN主要生物学作用是：抑制病毒复制；抗寄生虫；抑制多种细胞增殖；参与免疫调节和抗肿瘤。IFN- 的生物学活性有高度种属特异性，其作用为：激活巨噬

7、细胞并促进其功能；促进多种细胞表达MHC I类和II类分子；促进Th0细胞分化为Thl细胞，并抑制Th2细胞增殖；促进CTL成熟及活性；促进B细胞分化，产生抗体及Ig类型转换；激活中性粒细胞功能和NK细胞杀伤活性；激活血管内皮细胞。,（四）肿瘤坏死因子超家族,肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)是一类能直接造成肿瘤细胞死亡的细胞因子。根据其来源和结构分为两种，即TNF-和TNF-。前者由单核巨噬细胞产生；后者由活化的T细胞产生，又名淋巴毒素(lymphotoxin，LT)。TNF除有杀肿瘤细胞作用外，还可引起发热和炎症反应，大剂量TNF-可引起恶液质，呈进行性消瘦

8、，因而TNF-又称恶液质素。,TNF- 具有广泛生物学活性，例如：参与炎性反应和免疫应答；抗肿瘤；参与内毒素性休克、动脉硬化、静脉血栓形成和脉管炎等病理过程；引起恶液质。 TNF- 也可趋化和激活中性粒细胞，促进黏附分子表达，但其不参与内毒素性休克等病理过程。TNF- 基因敲除小鼠外周淋巴结消失，提示TNF- 在外周淋巴器官发育中具有重要作用。,（五）趋化性细胞因子家族,结构相似、分子量约为8l0kD、具有趋化功能的细胞因子，称为趋化性细胞因子(chemokine)。目前已知的趋化性细胞因子达50种，它们均含4个半胱氨酸，并形成两个内部二硫键。趋化性细胞因子分为C-C、CXC、C、CX3C共4

9、个亚家族 CXCIL8 趋化及激活中性粒细胞 C-CMCP 对单核-吞噬细胞有趋化和激活作用 CX3C 可趋化淋巴及单核细胞 C-Lymphotactin 趋化T B Nk,（六）生长因子(growth factor，GF),生长因子是具有刺激细胞生长作用的细胞因子，包括转化生长因子- (TGF-)、表皮细胞生长因子(EGF)、血管内皮细胞生长因子(VEGF)、成纤维细胞生长因子(FGF)、神经生长因子(NGF)、血小板衍生的生长因子(PDGF)等。TGF-是免疫系统关闭的信号 ，使正常细胞癌变,(七)其他细胞因子,1白血病抑制因子(leukemia inhibitory factor，LIF

10、) 由活化的T细胞、单核细胞等多种细胞产生。LIF可调节细胞的增殖、分化和表型；可增加血小板数量；诱导肝急性期蛋白的产生等。LIF可直接作用于某些髓性白血病细胞，使其分化为单核细胞，丧失恶性增殖特性。,2肿瘤抑制素-M(oncostatin M，0SM) 乃由激活的巨噬细胞和T细胞产生。OSMR广泛分布于多种肿瘤细胞、内皮细胞和上皮细胞表面。OSM的主要生物学功能是抑制肿瘤细胞生长。,三、细胞因子的结构,多数细胞因子为小分子多肽，分子量为810kD。多由100个左右的氨基酸组成，不同细胞因子之间无明显的氨基酸序列的同源性。 多数细胞因子以单体形式存在，少数细胞因子为二聚体（如IL-5、IL-1

11、2、M-CSF、TGF-）或三聚体形式（如TNF）,大多数细胞因子带有糖基，但这些糖基多与细胞因子的生物活性无关，可能起延长细胞因子体内半衰期的作用。,四、细胞因子的生物学活性,细胞因子具有非常广泛的生物学活性，包括促进靶细胞的增殖和分化，增强抗感染和细胞杀伤效应，促进或抑制其它细胞因子和膜表面分子的表达，促进炎症过程，影响细胞代谢等。,（一）免疫应答的调节剂,免疫细胞之间存在错综复杂的调节关系，细胞因子是传递这种调节信号必不可少的信息语言。例如在T-B细胞之间，T细胞产生IL-2、4、5、6、10、13、干扰素等细胞因子刺激B细胞的分化、增殖和抗体产生；而B细胞又可产生IL-12调节Th1细

12、胞活性和TC细胞活性。在单核巨噬细胞与淋巴细胞之间，前者产生IL-1、6、8、10、干扰素、TNF-等细胞因子促进或抑制T、B、NK细胞功能；,（二）细胞凋亡的诱导剂,例如TNF和TNF可直接造成肿瘤细胞的凋亡(apoptosis),使瘤细胞DNA断裂,细胞萎缩死亡;干扰素、可干扰各种病毒在细胞内的复制，从而防止病毒扩散；LIF可直接作用于某些髓性白血病细胞，使其分化为单核细胞，丧失恶性增殖特性。,（三）造血细胞刺激剂,从多能造血干细胞到成熟免疫细胞的漫长道路中，几乎每一阶段都需要有细胞因子的参与。最初研究造血干细胞是从软琼脂的半固体培养基开始的，在这种培养基中，造血干细胞分化增殖产生的大量子

13、代细胞由于不断扩增而形成细胞集团，称为集落，而刺激造血干细胞形成细胞集落的细胞因子命名为集落刺激因子（CSF）。如GM-CSF、G-CSF、M-CSF、multi-CSF(IL-3)等。,（四）炎症反应的促进剂,炎症表现为局部的红肿热痛，病理检查可发现有大量炎症细胞如粒细胞、巨噬细胞的局部浸润和组织坏死，在这一过程中，一些细胞因子起到重要的促进作用，如IL-1、IL-6、IL-8、TNF等可促进炎症介质的释放、增加血管通透性、趋化白细胞，导致炎性细胞的聚集、活化，并可直接刺激发热中枢引起全身发烧,IL-8。在许多炎症性疾病中都可检测到上述细胞因子的水平升高.,（五）创伤的修复剂：TGF- EG

14、F FGF VEGF NGF，促进溃疡及创口愈合,（六）其它,许多细胞因子还参与非免疫系统的一些功能。例如IL-8具有促进新生血管形成的作用；M-CSF可降低血胆固醇；IL-1刺激破骨细胞、软骨细胞的生长；IL-6促进肝细胞产生急性期蛋白等。这些作用为免疫系统与其它系统之间的相互调节提供了新的证据。,第二节 细胞因子受体(CKR）,一 膜型细胞因子受体（mCKR）: （一）分类：按结构及功能分为五个家族 1造血生长因子家族（I型）：-WSXWS C-CEPO 2 IFN家族（II型）:4个不连续的半胱氨酸 3TNFR:富含半胱氨酸 C-C-C-Cn(III型) 4IgSF受体家族： 5趋化因子

15、受体家族：次跨膜的蛋白,HIV-1病毒株利用趋化因子受体CCR5或CXCR4来进入免疫细胞。研究阻断病毒利用CCR5的药物已经上市用于抗HIV治疗，但目前尚没有阻止病毒利用CXCR4受体的药物获得批准。来自慕尼黑和那不勒斯的研究人员通过轻微改造一种具有抗HIV活性的合成肽生成了一种新化合物，将与趋化因子受体CXCR4的结合亲和力提高了两个数量级，大大提高了抗HIV的活性。这一研究进展为设计出新型更有效对抗艾滋病的药物迈出了重要的一步。,（二）CKR受体的结构及公有链：,1 单链:EPOR G-CSFR a-结合细胞因子 私有链 2 双链：IL3R IL5R GM-CSFR a私有链,-信号传导

16、 公有链 3 多链：IL2R IL4R a a私有 链,-信号传导 公有链 受体共有链可使多种不同细胞因子与相应受体结合,可发挥相同生物学效应,二可溶性细胞因子受体(sCKR）:,为mCKR胞外区.结合细胞因子特异性与mCKR相同,但缺少跨膜区及胞内区. (一)产生机制: 1蛋白水平 膜受体脱落是形成sCKR的主要途径. 2基因水平 通过受体mRNA的不同剪接，或 阅读框架后移，使可溶性受体mRNA翻译后，如同分泌型CK一样直接分泌至胞外。,（二）sCKR的生物学功能,1作为CK的转运蛋白 sCKR与CK结合，可将CK转运至机体有关部位，增加局部CK浓度，从而更有利于CK在局部发挥作用。此外，

17、sCKR还可稳定CK，减缓CK“衰变”，从而发挥CK “慢性释放库”的作用，以维持并延长低水平CK的生物学活性。,2调节CK的生物学活性 sCKR可通过多种途径调节CK效应，如：作为膜受体的清除形式之一，使细胞对CK反应性下降；sCKR可与mCKR竞争性结合CK，对过量产生的CK起缓冲作用；某些sCKR可上调CK效应，如sIL-6R与IL-6特异性结合后可被靶细胞表面gpl30蛋白识别并传递刺激信号，从而促进IL-6效应的发挥；sCKR可与膜型CK结合，通过逆向分泌 (retrocrine)而介导反向信号的生物学效应。,sCKR对CK活性起抑制或增强作用，可能取决于CK与sCKR间浓度比。一般

18、而言，高浓度sCKR可抑制相应CK活性，而低浓度sCKR则可起增强作用。,（三）sCKR的临床意义,1sCKR与疾病诊断和预后 检测sCKR水平可用于某些疾病的早期辅助诊断，有助于判断病程发展与转归，评估患者免疫功能状态及预后。例如，类风湿关节炎患者滑膜液sIL-2R水平升高，可用于与其他关节炎的鉴别诊断；毛细胞白血病对IFN- 治疗有效者，其sIL-2R水平下降，复发时上升。,2sCKR与临床治疗,多数sCKR与CK结合后可阻断CK与膜受体结合，从而阻断CK生物学活性，故可用于防治CK过量产生所致病理过程。例如、应用sTNFR可减轻TNF在类风湿关节炎及Crohn病中介导的病理损害，并可缓解

19、内毒素性休克病情；给动物局部注射sIL-lR可抑制IL-1介导的炎症反应等。,第三节细胞因子的信号转导途径,结构不同的细胞因子受体传导细胞因子信号的分子机制不同。一种细胞可在多种细胞因子作用下表现出不同生物学活性，而同一种细胞因子作用于不同的靶细胞亦可表现出不同的生物学活性，这表明细胞因子信号传导机制相当复杂。单种细胞因子的信号传导可涉及到多条途径。,JAK-STAT途径在几乎所有细胞因子信号传导中均起重要作用。JAK即Janus激酶，是一种非受体型蛋白酪氨酸激酶(PTK)。JAKs代表Janus家族蛋白酪氨酸激酶(The Janus family of protein tyrosine ki

20、nases)。,JAK又称两面神激酶(Janus kinase),它具有向内和向外两个面孔的罗马天神-Janus命名. 它既能催化与之相连的细胞因子受体发生酪氨酸磷酸化，又能磷酸化下游信号分子。在信号转导中所起的作用也象个两面神.STAT即信号传导及转录激活因子(signal transducers and activators of transcription)。,JAK-STAT途径介导细胞因子信号传导的大体过程如图5-2所示，首先是由细胞因子与其特异性受体结合，使受体形成二聚体或多聚体，然后受体胞内段与JAK相互作用，使细胞因子受体发生酪氨酸磷酸化，并使JAK自身发生酪氨酸磷酸化而被激活

21、，再与含有SH2结构域的STAT相互作用，使其磷酸化，形成二聚体后进入胞核内，使基因转录激活，使细胞表现出一定的生物学活性。,CK+CKR-多聚体JAK-CKR磷酸化-STAT磷酸化二聚体胞核基因活化-生物学活性,第四节 细胞因子与临床,CK是双刃剑免疫调节及疾病 一CK与疾病： 1.高细胞因子血症（细胞因子风暴）-炎症感染（SARS 流感 脓毒血症） 、过敏反应（I型）、GVHR、自身免疫病（类风关、强直性脊椎炎 糖尿病） SARS：病原体免疫细胞ILl 6 TNFa IFNa 肺水肿、组织坏死、多器官功能衰竭严重全身免疫反应致死。CD28单抗-细胞因子风暴,SARS,糖尿病,类风湿性关节炎

22、（TNFa IL1） 强直性脊椎炎 SLE 银屑病（TNFa）,2.CK减少-免疫缺陷 肿瘤 IL2 Th细胞,When HIV infects a CD4+T cell (a), the viral glycoprotein gp120 first interacts with the CD4 receptor, then with the CCR5 or CXCR4 co-receptor, upon which the viral gp41 will bring the viral envelope in contact with the host cell membrane,（三）可溶

23、性细胞因子受体水平升高,在某些疾病(如肿瘤、类风湿关节炎)条件下，可出现可溶性细胞因子受体(sIL2R sIL1R)的水平升高。这类分子可能结合细胞因子(IL2)，使其不再与膜表面的细胞因子受体(mIL2R)结合，因而封闭了细胞因子(IL2)的功能。,二、细胞因子与治疗,细胞因子疗法（cytokine therapy）:即细胞因子补充和添加疗法及细胞因子阻断和拮抗疗法。重组细胞因子疗效佳，副作用小，是一种全新的生物制剂，已广泛用于肿瘤、感染（如肝炎、AIDS）、造血功能障碍、创伤、炎症等治疗。 目前已批准生产的细胞因子药物包括干扰素、，EPO，GM-CSF，G-CSF，IL-2，正在进行临床试

24、验的包括IL-1、3、4、6、11、M-CSF、SCF、TGF-等.,(一)细胞因子补充和添加疗法,1IFN-:,主要用于治疗病毒性感染和肿瘤。IFN-对于病毒性肝炎（主要是慢性活动性肝炎）、疱疹性角膜炎、带状疱疹、慢性宫颈炎等有较好疗效。IFN-对于血液系统恶性疾病如毛细胞白血病（有效率达80%以上）等疗效较显著，但对实体肿瘤的疗效较差。,2IL-2,目前多将IL-2与TIL合用治疗实体肿瘤，对肾细胞癌、黑色素瘤、非何杰金淋巴瘤、结肠直肠癌有较显著的疗效，应用IL-2（或与IFN合用）治疗感染疾病亦取得了一定疗效。,3TNF,由于其全身应用副作用严重且疗效差，目前多倾向将其局部应用如瘤灶内注

25、射治疗某些肿瘤和直肠癌，其确切疗效尚待进一步评价。,4CSF,应用GM-CSF和G-CSF治疗各种粒细胞低下患者。例如与化疗药物合用治疗肿瘤可以降低化疗后粒细胞减少程度，使粒细胞的数量和功能能尽快回升并能提高机体对化疗药物的耐受剂量，从而提高治疗肿瘤的效果。对再生障碍性贫血和AIDS亦有肯定疗效。用于骨髓移植后可使中性粒细胞尽快恢复，降低感染率。此外，应用EPO治疗肾性贫血取得了非常显著的疗效。,（二）细胞因子阻断和拮抗疗法,该疗法适用于自身免疫性病、移植排斥反应、感染性休克等的治疗。例如抗TNF单克隆抗体、CKR受体拮抗剂、可溶性细胞因子受体,三、 CK与诊断：CK检测1 活性检测-依赖株检测法-IFN TNF 病毒、肿瘤诊断2 免疫酶标技术（ELISA）-测细胞因子及可