医学免疫学第七章细胞因子讲义(新)

第一节细胞因子概述一、细胞因子的概念1.细胞因子(cytokine）：是一类由细胞分泌的具有生物活性的小分子蛋白物质的统称。是由活化的免疫细胞和某些基质细胞分泌的小分子多肽，是除免疫球蛋白和补体外的另一类非特异性免疫效应分子。2.淋巴因子（lymphokine）：是由活化的淋巴细胞产生的细胞因子。如IL-2等。3.单核因子（monokine）：是由单核巨噬细胞产生的细胞因子。如IL-1等。4.集落刺激因子（colonystimulatingfactor，CSF）：可刺激骨髓干细胞或祖细胞分化成熟的细胞因子。如G-CSF。第一页，共40页。1．相对分子质量低绝大多数细胞因子均为分子量为6～60KD的多肽或糖蛋白，以单体形式存在。IL-5、IL-10、IL-12、M-CSF、TGF-β及PDGF等少数细胞因子以二聚体形式存在，TNF则呈三聚体形式。2．细胞因子的高效能作用：细胞表面存在相应的高亲和性的受体（10～10，000/细胞），极少量的细胞因子（10-12mol/L）即有明显的生物学作用。二、细胞因子的共同特性第二页，共40页。3．细胞因子分泌的短时自限性：细胞因子一般无前体状态的储存，必须通过适当刺激才有mRNA的转录及蛋白的合成。刺激停止后合成即停止，转录及合成产物随即被迅速分解。4．细胞因子的自分泌、旁分泌及内分泌效应：在生理状态下，绝大多数细胞因子只在产生的局部发挥生物学作用，通常以自分泌（autocrine）或旁分泌（paracrine）形式作用于产生细胞因子的细胞本身或附近细胞。但在一定的条件下，少数细胞因子（IL-1、IL-6、TNF-α等）也可通过内分泌（endocrine）效应作用于远端细胞，介导全身反应。第三页，共40页。5．细胞因子产生的多源性及多向性：在抗原、有丝分裂原或其它刺激物活化下，体内多种类型的细胞都可产生细胞因子，且一种细胞可分泌多种细胞因子，几种不同类型的细胞可产生一种或多种相同的细胞因子。6．细胞因子发挥作用的非特异性、多效性及重叠性：细胞因子对靶细胞的作用非抗原特异性，且不受MHC限制。多效（pleitropic）性表现在一种细胞因子可对多种靶细胞发生作用，产生不同的生物学效应。重叠（redundant）性则表现在多种不同的细胞因子对同一靶细胞发生作用，产生相同或相似的生物学效应。第四页，共40页。7．细胞因子作用的双重性：细胞因子主要参与免疫反应和炎症反应。一方面可以介导生理作用和抗御疾病，如免疫调节、促进造血功能及抗感染、抗肿瘤等。另一方面在某些情况下，可介导病理作用。如介导炎症反应，诱导自身免疫病及参与肿瘤的发生、发展等。第五页，共40页。8．细胞因子的网络效应：细胞因子间生物学活性可相互影响，一种细胞因子的产生可增强或抑制其它细胞因子的某种生物学作用，表现为协同性（synergism）或拮抗性（antagonism）。此外，细胞因子的合成分泌可相互调节，受体表达可相互调控，共同组成了细胞因子网络。9．细胞因子与激素、神经肽和神经递质共同组成了细胞间信号分子系统第六页，共40页。表1细胞因子的产生细胞T细胞B细胞巨噬细胞基质细胞血管内皮细胞纤维母细胞IFN-γIFN-αTNF-αIL-1IL-1IL-6TNF-βTNF-βIL-1IL-6IL-6IL-7IL-2～6IL-1IL-8IL-7IL-7IL-8IL-9IL-2GM-CSFIL-8IL-8GM-CSFIL-10IL-6M-CSFGM-CSFGM-CSFG-CSFGM-CSFIL-10IFN-α,γG-CSFG-CSFIFN-βTGF-βIL-12TNF-βEPOIFN-βTGF-βIL-13IL-11IL-14第七页，共40页。细胞因子的种类根据功能，可将细胞因子大致分为六大类：⒈白细胞介素（IL）⒉干扰素（IFN）⒊肿瘤坏死因子（TNF）⒋集落刺激因子（CSF）⒌趋化因子（chemokine）⒍生长因子（GF）其中前五类和免疫调节的关系很大，而生长因子类中的很多细胞因子主要作用是促进细胞增殖，与免疫调节的关系较小。第二节细胞因子的种类和功能第八页，共40页。一.白细胞介素（interleukin，IL）：最初是指由白细胞产生的介导白细胞间相互作用的细胞因子（也可由其他细胞产生，作用于其他细胞）。是能够介导白细胞之间和白细胞与其他细胞之间相互作用的细胞因子。已报告的IL已有20余种。现将其中经典的IL作以下简要介绍，其他见表2。1．IL-1IL-1来源广泛，主要由活化的单核-巨噬细胞产生，其它如淋巴细胞、内皮细胞及角化细胞等也能合成和分泌IL-1。免疫调节作用。IL-1家族包括IL-1α，IL-1β，IL-1RA。高浓度进入血流，可诱发急性期蛋白的合成，引起发热等。第九页，共40页。2．IL-2IL-2主要由活化的T细胞产生，以自分泌与旁分泌方式作用于局部的靶细胞。是参与免疫应答的重要的细胞因子，具有明显的免疫效应。促进T、B细胞增殖及分泌。3．IL-4IL-4主要来源于T细胞、肥大细胞及嗜碱性粒细胞，能促进B细胞的增殖分化，诱导IgE和IgG1的产生，故在I型超敏反应中起重要作用。4．IL-6单核-巨噬细胞、成纤维细胞及内皮细胞等多种细胞在IL-1和少量TNF作用下可诱导IL-6产生。免疫增强作用，参与炎症反应。第十页，共40页。表2白细胞介素的特性白细胞介素产生细胞

效应IL-1单核巨噬细胞(树突状细胞)T、B细胞的增殖分化,炎症反应

IL-2活化的T细胞

T、B细胞的增殖分化，增强NK杀伤活性

IL-3活化的T细胞

促进多能造血干细胞增殖IL-4活化的T细胞

T、B细胞的增殖,造血祖细胞增殖分化IL-5活化的T细胞

B细胞的增殖分化IL-6淋巴细胞(单核细胞）促进B细胞分化，参与炎症反应IL-7骨髓及胸腺基质细胞促进前T、前B细胞增殖和T细胞生长IL-8单核巨噬细胞(血管内皮细胞)

中性粒细胞活化和趋化作用IL-9活化的T细胞

促进TH细胞的增殖IL-10活化的T细胞（B细胞等）抑制TH细胞产生细胞因子IL-11骨髓基质细胞促进B细胞分化IL-12B细胞促进Tc,NK,LAK细胞杀伤功能第十一页，共40页。二.干扰素（interferon，IFN）：是最早发现的细胞因子，因其具有干扰病毒感染和复制的能力而得名。1.Ⅰ型干扰素：病毒感染是合成Ⅰ型干扰素最强有力的天然诱生剂。Ⅰ型干扰素包括α-IFN、β-IFN和ω-IFN。白细胞产生α-IFN，ω-IFN和少量β-IFN。纤维母细胞主要产生β-IFN。具有抗肿瘤、抗病毒和参与免疫调节的作用。2.Ⅱ型干扰素：γ-IFN（Ⅱ型干扰素）由活化的T细胞等产生，免疫调节作用。第十二页，共40页。三.肿瘤坏死因子（tumornecrosisfactor，TNF）：

使肿瘤发生出血坏死的细胞因子。TNF-α：由活化的单核-巨噬细胞和T细胞等分泌。诱发炎症反应，还具有抗肿瘤和免疫调节作用。高浓度TNF-α可进入血流，起内分泌激素样作用，可诱发急性期蛋白的合成，引起发热等。TNF-β：淋巴毒素（lymphotoxin，LT）。主要由活化的T细胞等产生。在局部发挥免疫效应。第十三页，共40页。四.集落刺激因子（colonystimulatingfactor，CSF）：是指能够刺激多能造血干细胞和其他造血祖细胞增殖分化而形成相应细胞集落的细胞因子。包括SCF，G-CSF，GM-CSF，M-CSF，EPO等。1．干细胞因子（stemcellfactor，SCF）SCF又称c-Kit配体或肥大细胞生长因子，主要由骨髓基质细胞产生。激活多能干细胞。2．Flt3配体（Flt3ligand，FL）FL主要由基质细胞分泌，分跨膜型和分泌型两种。可调节最原始的造血干细胞的增殖和分化，并与多种细胞因子协同，提高造血功能。第十四页，共40页。3．粒细胞-巨噬细胞CSF（granulocyte-macrophageCSF，GM-CSF）活化的T细胞、单核-巨噬细胞、内皮细胞、成纤维细胞等均可产生GM-CSF。T细胞、单核-巨噬细胞一般在免疫应答过程中或炎症反应中直接产生，而内皮细胞及成纤维细胞需通过IL–1等诱导而产生。GM-CSF的生物学活性是多方面的，主要为刺激骨髓各系前体细胞生长和分化，刺激骨髓前体细胞向粒细胞和单核细胞分化。4．粒细胞CSF（G-CSF）主要生物学作用是刺激粒细胞前体细胞的分化成熟。第十五页，共40页。5．巨噬细胞CSF（M-CSF）单核-巨噬细胞、淋巴细胞、纤维母细胞、内皮细胞、上皮细胞等均能生成M-CSF。M-CSF仅能在局部发挥作用，可促进单核-巨噬细胞增殖分化，延长其存活时间，增强其功能。6．红细胞生成素（erythropoietin，EPO）EPO的主要来源是肾小管周围间质细胞，生成后随血液循环而作用于骨髓。EPO能促使骨髓红细胞前体分化成为成熟红细胞，对其它造血细胞则几乎无任何作用。7．血小板生成素（thrombopoietin，TPO）TPO主要由肾脏及肝脏的平滑肌细胞及内皮细胞产生，刺激骨髓巨核细胞分化成熟为血小板。第十六页，共40页。表3集落刺激因子的特性细胞因子产生细胞

效应multi-CSF活化的T细胞促进多能造血干细胞增殖GM-CSF活化的T细胞(巨噬细胞等）刺激粒细胞,巨噬细胞集落形成G-CSF纤维母细胞（骨髓基质细胞等）刺激粒细胞集落形成及其功能M-CSF巨噬细胞刺激巨噬细胞集落形成及其功能SCF纤维母细胞（骨髓基质细胞等）刺激髓系、淋巴系等造血祖细胞EPO肾细胞刺激红系造血祖细胞LIF基质细胞,单核细胞促进胚胎干细胞增殖和某些白血病细胞分化第十七页，共40页。五.趋化性细胞因子（chemokine）：是指主要由白细胞等分泌的具有对粒细胞/单核细胞、淋巴细胞趋化和激活活性的细胞因子。如IL-8属CXC亚族（α亚家族）MCP-1属CC亚族（β亚家族）淋巴细胞趋化蛋白属C亚族（γ亚家族）。第十八页，共40页。六.生长因子（growthfactor，GF)：是指具有刺激细胞生长的作用的细胞因子。生长因子包括TGF-β、EGF、VEGF、FGF、NGF、PDGF等。转化生长因子-β（TGF-β）不仅影响一些非免疫细胞的增殖和分化，而且对免疫系统有显著的负调节作用。主要表现在抑制免疫效应细胞的增殖、分化和活性，如抑制T细胞增生、抑制CTL的成熟、抑制巨噬细胞的激活等。TGF-β还可抑制前炎性细胞因子的产生及其免疫调节作用。TGF-β主要作为一种抑制性细胞因子，可能是免疫应答被切断的信号。第十九页，共40页。第三节细胞因子受体家族及信号传导机制一、细胞因子受体家族的分类：

均为跨膜糖蛋白1.Ig超家族：如IL-1、FGF受体等。2.Ⅰ型细胞因子受体家族：IL-2～7等的受体。3.Ⅱ型细胞因子受体家族：干扰素的受体。4.Ⅲ型细胞因子受体家族：TNF、NGF受体等。5.趋化因子受体家族：MCP受体。第二十页，共40页。二、细胞因子受体肽链组成及共同信号链多亚单位受体（共用亚单位）1.共同γ链（γc）：IL-2R由α、β、γ三条多肽链组成，α为细胞结合亚单位，β、γ为信号传递亚单位。其中γ链为IL-4、IL-7、IL-9、IL-11受体所共有。2.共同β链：为IL-3、IL-5、GM-CSF所共有。3.gp130：为IL-6、IL-12所共有。三、可溶性细胞因子受体（sIL-2R等）：1.细胞因子的运载体。2.膜受体的天然拮抗剂，抑制作用。第二十一页，共40页。图1细胞因子受体家族Ig超家族TypeⅠTypeIITypeⅢG-蛋白第二十二页，共40页。图1细胞因子受体共用亚单位共同γ亚单位IL-2IL-4IL-7IL-9IL-15第二十三页，共40页。四、细胞因子受体的信号传导细胞因子通过与其靶细胞上的特异性受体结合，激活一系列的信号转导分子来完成其信号转导的使命。各种细胞因子受体具有不同的结构特征，决定了其信号转导机制有所不同。近年来，JAKs-STATs途径成为当前分子生物学领域研究的热点，许多细胞因子均通过此途径转导信号。第二十四页，共40页。JAKs（JanuskinasesorJustanotherkinases）属于非受体型胞浆酪氨酸蛋白激酶，共有JAK1～3和TYK2四个家族成员。其氨基端A～E区是JAKs的同源区域（JAKshomologyregion，JH），此区域是与细胞因子受体胞浆区域结合的部位。羧基端为激酶功能区（kinasedomain，KD），与其相连的为激酶样功能区（kinaselikedomain，KLD），是与STAT结合的部位。在KD区含两个相邻的酪氨酸残基，磷酸化后JAKs被活化，去磷酸化后JAKs失活。第二十五页，共40页。STATs（signaltransducersandactivationsoftranscription）即信号转导和转录活化因子，是一种DNA结合蛋白，家族成员有STAT1～4、STAT5a、STAT5b和STAT6。结构上分成五个功能域，氨基端为蛋白酪氨酸磷酸激酶（protein-tyrosinephosphatase，PTPases）功能域，然后为DNA结合功能域（DNA-bindingdomain，DB）。羧基端是具有转录活化的功能域（transactivationdomain，TA），含有与转录因子相互作用的基序和酪氨酸磷酸化位点，在TA与DB之间排列有Src的同源（SH2、SH3）功能域。第二十六页，共40页。细胞因子诱导的受体二聚化或三聚化导致JAKs激活，使受体胞浆区酪氨酸残基迅速磷酸化，成为STATs等含SH2区的信号转导分子的结合位点。STATs与受体胞浆区结合后激酶酪氨酸磷酸化，离开受体，形成同源或异源二聚体入核，调节靶基因的表达。第二十七页，共40页。图1JAKs的结构ABCDEKDKIDNH2COOH第二十八页，共40页。图2STATs的结构DBSH3SH2TANH2COOH第二十九页，共40页。图2JAKs-STATs途径细胞因子CK磷酸化JAKSTATDNARNA激酶二聚体第三十页，共40页。细胞因子的作用具有两面性，在生理条件下，细胞因子可通过免疫学机制及非免疫学机制防御和治疗某些疾病，对机体产生有利的作用。在某些特定的条件下，又可导致或促进某些疾病的产生，介导对机体有害的病理学作用。由于许多疾病过程均可出现细胞因子水平的变化，可作为疾病诊断的指标之一。一.细胞因子与疾病的发生1.感染与炎症反应TNF和IL-1，IL-6，IL-2等细胞因子引起炎症反应。第四节细胞因子在临床上的应用第三十一页，共40页。2.肿瘤：许多肿瘤细胞大量分泌TGF-β，IL-10等细胞因子。3.移植物的排斥：IL-2,IFN-γ参与介导排斥反应。抗IL-2或IL-2受体的制剂可抑制同种移植物的排斥。4.免疫性疾病：免疫性疾病包括免疫缺陷、超敏反应及自身免疫性疾病。先天性性联重症免疫缺陷病人（XSCID）由于其位于X染色体上的IL-2受体γ链基因突变，导致IL-2、IL-4、IL-7、IL-9及IL-15等细胞因子功能障碍，使免疫功能严重受损，表现为体液免疫和细胞免疫的双重缺陷。IL-1及TNF等还参与I型超敏反应晚期相反应。Th1、Th2功能失调亦与自身免疫性疾病相关，Th1功能亢进可促进某些自身免疫性疾病的发展。第三十二页，共40页。二.细胞因子与疾病的诊断及治疗（一）诊断很多病理过程可出现细胞因子水平的改变，一般情况下缺少特异性，所以细胞因子的检测只能作为疾病的辅助诊断指标之一。多种类型白血病、多发性硬化、AIDS、移植排斥反应等疾病血清sIL-2R水平升高，对疾病具有一定的诊断价值，可作为监测机体免疫功能状态、疾病预后和治疗效果判断的参考。

第三十三页，共40页。（二）治疗根据细胞因子的类型和疾病的种类，可利用细胞因子的抗御及治疗作用采用细胞因子补充添加疗法，或阻断拮抗细胞因子导致促进疾病发生发展的病理作用，达到治疗疾病的目的。第三十四页，共40页。（二）治疗1．感染与炎症反应IFN-α可治疗一些病毒引起的感染，如对单纯疱疹病毒引起的角膜炎、HPV引起的宫颈炎。HBV引起的乙型肝炎等均有很好的效果。应用具有抑制效应的细胞因子如IL-10可抑制类风湿性关节炎滑膜产生的TNF-α和IL-1β，减轻炎症损害。2．肿瘤：IL-2，TNF3．自身免疫性疾病：IFN-γ4．移植排斥某些细胞因子如IL-2、IL-3、IL-6、GM-CSF等可显著促进骨髓移植后造血重建作用，有效防止感染出血等并发症，提高骨髓移植成功率。第三十五页，共40页。5．造血系统疾病CSFs可用于造血功能的恢复，如应用EPO治疗肾性贫血；大剂量M-CSF静脉注射，能增加外周血白细胞的数目，且无明显毒副作用。第三十六页，共40页。表4已批准生长的细胞因子多肽药物药物名称适应症IFN-α白血病、肉瘤、肝炎、恶性肿瘤、AIDsIFN-γ慢性肉芽肿、疣、恶性肿瘤、皮炎G-CSF自身骨髓移植、化疗、AIDs、白血病、再障GM-CSF自身骨髓移植、化疗、AIDs、白血病、再障EPO