白细胞介素-21研究进展

白细胞介素-21研究进展 摘要：白细胞介素-21(Interleukin21，IL-21)[1]是一种新发现的细胞因子，主要由活化的CD4+T细胞分泌，与IL-2、IL-15、IL-4等细胞因子具有高度同源性。IL-21的受体广泛分布在脾、胸腺、淋巴结等器官和组织，可调控T细胞、B细胞增殖，增强自然杀伤（NK）细胞等的活性。并促进机体由先天性免疫向适应性免疫的转变。本文就IL-21及其受体的产生、分子结构、生物学作用及与疾病关系的研究进展作一综述。 关键词：白细胞介素-21；生物学作用；疾病 白细胞介素-21（IL-21）是最近命名的Ⅰ型细胞因子，由活化的CD+4T细胞合成，包括133个氨基酸残基和4个螺旋结构[2]，与IL-2、IL-15同为细胞因子受体γc家族的单链蛋白质[3]。IL-21通过特异性结合IL-21R介导多种生物学效应:IL-21对不同阶段的B、T淋巴细胞和自然杀伤(NK)细胞均起作用，在特定的刺激物存在时，可促进B、T淋巴细胞和NK等细胞增殖。近年的研究证实，IL-21及其受体选择性地在淋巴组织特别是NK细胞、B淋巴细胞、T细胞、树状突细胞、巨噬细胞和内皮细胞中达[2]，参与对多种免疫细胞的调节，尤其与NK细胞的功能调节密切相关，是NK细胞发挥抗肿瘤作用中起关键作用的因子。可见，IL-21有望成为临床一个重要的免疫治疗药物。 1​ IL-21的分子结构和基因 IL-21基因定位于人染色体4q26-q27，与IL-2、IL-15在同一染色体上，距IL-2基因大约180 kb，距IL-15则较远[4]。Asao等[5]报道IL-21cDNA共642个核苷酸，其中自42位至535位核苷酸为编码区，美国国立医学图馆的注解组报道IL-21cDNA为617位核苷酸，去除了最后25个核苷酸。IL-21开放阅读码框编码162个氨基酸的多肽前体，在31位G1y处被酶切后形成131个氨基酸残基成熟的IL-21蛋白质。成熟的IL-21含有四螺旋族细胞因子结构域，该结构域与IL-2、IL-4、IL-15的四螺旋族细胞因子结构域有较高的同源性。IL-21与IL-15在相同的位置有两对相同的半胱氨酸，其中一对在IL-2、IL-4、GM-CSF中具有保守性，另一对则为IL-21与IL-15所特有，表明IL-21与IL-15是结构上最相近的细胞因子。并且机体在正常情况下，IL-21的表达量很少，在模拟T细胞活化的条件下可诱导IL-21的高水平表达。 2​ IL-21的生物学活性 2.1​  对T细胞的作用　 IL-21能明显增强抗CD3mAb诱导的T细胞增殖，并增加CD8+T细胞的活化、增殖和效应功能，但在不同T细胞亚群或在不同状态下IL-21的反应不一致,它可和IL-4、IL-6等一起诱导Th细胞向Th2应答分化，抑制Th1应答，调节Th1/Th2的比例,保持机体的免疫自稳平衡。IL-21可促使T细胞分泌IFN-γ；IL-21能通过STAT4途径来抑制天然T前体细胞IFN-γ的产生，抑制IFN-γ对前体T细胞向Th1细胞分化的促进作用[6]。Kasaian等[7]研究报道，IL-21可促进抗CD3抗体活化的胸腺细胞、成熟外周血T细胞的增殖，在无抗CD3抗体的刺激下，IL-21与IL-2、IL-15、IL-7协同作用可促使外周血T细胞增殖；IL-21能影响T细胞初次免疫应答及效应T细胞的功能，在再次免疫应答过程中，IL-21单独作用或者与IL-2、IL-15协同作用可增强细胞毒性T细胞的胞毒活性并促其分泌IFN-γ，IFN-γ可上调肿瘤细胞表面MHCI类分子的表达，增强对杀伤细胞的敏感性，同时IL-21也能拮抗IL-15介导的CD44hiCD8+记忆T细胞的增殖，并抑制记忆T细胞表面的一些受体复合物(如IL-2、IL-15、IFN-γ受体)的表达。Eberl等[8]的研究表明IL-21能诱导Vγ9/Vδ2T细胞形成CD45RO+记忆性T细胞，其主要表达CD62L、CD81和CCR7，但不分泌TNF-α、IFN-γ或IL-4。 2.2​  对B淋巴细胞的作用 IL-21随着周围免疫共刺激物的性质不同，对B细胞增殖的影响也不同。单用IL-21不能使静止期B细胞发生增殖，当IL-21与抗CD40抗体协同作用时，可刺激B细胞的增殖。但是，对于抗IgM抗体和IL-4诱导的B细胞增殖，IL-21却具有抑制作用[9]。Parrish等[2]的研究表明IL-21能显著提高抗CD40 mAb诱导的B细胞增殖和亲和力，抑制由IgM和IL-4诱导的B细胞增殖，Suto等[10]发现IL-21能下调IL-4诱导的IgE的产生，但不影响IL-4和其他Th2细胞因子的分泌；另一方面，IL-21能恢复过高的嗜酸性粒细胞数量，而且抑制其向组织的浸润，因而可用于治疗IgE依赖的变应性疾病，例如哮喘、过敏性鼻炎等。但其具体机制仍未清楚，可能是通过抑制B淋巴细胞种系C基因的转录，但不抑制信号转导子及转录激活子的活化。IgE依赖的Pene等[11]的研究显示IL-21能有效地促进抗-CD40mAb刺激的B细胞分泌IgG1和IgG3。Mehta等[4]的研究表明，IL-21可以通过下调Bcl-2和Bcl-X的表达来诱导初始B细胞的凋亡，参与活化B淋巴细胞的自稳调节，并且IL-4、LPS和抗CD40的抗体不能逆转IL-21的这种作用。 2.3​  对NK细胞的作用 NK细胞是机体天然免疫的重要效应细胞， IL-21对NK细胞具有促进NK细胞的活化增殖，上调NK的细胞毒活性的功能，并能诱导杀伤细胞产生IFN等多种细胞因子。且随着种系、细胞活化状态等不同而发挥不同的作用，但其主要功能是诱导骨髓祖细胞来源的NK细胞的增殖和分化，增加NK的细胞毒功能，促进其分泌颗粒酶和穿孔素。Brady等[12]研究发现，当用IL-21处理NK细胞时，NK细胞体积增大，胞内颗粒增多，膜CD154的表达也显著上调。Strengll等用IL-21和IL-15作用初始NK细胞和NK-92细胞时发现，IL-21能快速诱导INF-γ、T-β、IL-2α、IL-12R、IL-18R和骨髓瘤分化因子MyD88等mRNA的合成，而这些因子对介导天然免疫反应具有很重要的作用。Kasaian等[7]发现IL-21能抑制IL-15诱导的NK细胞的过度扩增，从而抑制过强的天然疫，但不影响有利于抗原递呈的IFN-γ的产生。Parrish等[2]报道IL-21也可增强人外周血NK细胞的溶细胞活性，与IL-15或IL-18协同作用时可刺激人NK细胞产生IFN-γ，通过诱导IFN-γ生成而增强56+/CD16+NK细胞迁移能力和活性。IL-21能明显抑制黑色素瘤、结肠癌和纤维肉瘤肿瘤细胞的增殖，其作用机制可能主要是通过增强NK细胞的细胞溶解作用而起效。但目前研究发现，IL-21能促进NK细胞发挥杀伤效应作用的同时，抑制静止期鼠NK细胞的增殖，不能将其激活，其具体机制仍不清楚[13]。 2.4​  对树突状细胞(DC)的作用 DC是一类专职性抗原呈递细胞，机体启动免疫反应不仅要有抗原和淋巴细胞，还必须要有抗原递呈功能的辅佐细胞存在，其中功能最强的是DC。IL-21能抑制DC的功能成熟和抗原递呈，对DC的功能发挥起重要作用。Brandt等[14]在研究IL-21和IL-15对DC的分化、成熟和功能的影响时发现，用GM-CSF刺激的DC，在有IL-21存在的情况下，其MHC-1类分子表达明显下降、抗原的摄取能力增强，而对T细胞的激活作用却下降，IL-21处理的DC完全不能诱导由抗原特异的T细胞介导的超敏反应，他们还发现IL-21能阻止LPS对DC活化和成熟的诱导。因此，对于DC的活化，IL-21是一种抑制因子，而IL-15是一种有效的刺激剂，两者在DC诱导的免疫反应和调控方面具有重要作用[15]。 2.5​  调节免疫球蛋白的产生 IL-21和IL-4在体内可以调节B细胞功能，现经研究证明缺乏IL-21R表达的小鼠淋巴细胞可以正常生长，但在接触抗原后IgE生成增多，而IgG1生成减少，缺乏IL-21R与IL-4则出现明显的异常γ球蛋白血症的典型症状。在免疫应答时体内注射IL-21可以下调IgE的生成，IL-21可以在转录水平上直接抑制IL-4诱导的B细胞产生的IgE水平[16]。 2.6​  对骨髓瘤细胞的作用 Brenne等[17]研究发现IL-21对IL-6依赖的人骨髓瘤细胞系ANBL-6IH-1和OH-2可以诱导其增生并抑制凋亡。TNF可以上调IL-21R的表达水平, IL-21与TNF可以协同促进骨髓瘤细胞的增生。利用Western印迹法发现IL-21调节骨髓瘤细胞增生时细胞内的信号传递是通过JAK1、STAT3及Erk1/2的磷酸化来进行的。 3​ IL-21与相关性疾病 3.1​  IL-21与肿瘤 IL-21能增强效应T细胞和活化NK细胞的功能，而T细胞介导的细胞免疫和NK细胞介导的天然免疫在机体抗肿瘤免疫效应中起主要作用[1]。尽管IL-2在肿瘤治疗上已得到广泛应用，但随着IL-2应用剂量的增大，随之而来的毒副作用使其在临床上的应用受到限制。IL-21在高浓度状态时毒副作用很少，大大地增加了其在临床使用的可行性。IL-21是由激活的CD+4T淋巴细胞分泌的，可增强NK细胞的细胞毒作用，能抑制肿瘤细胞的增殖。Gang等[18]利用重组DNA质粒转化技术，使动物模型的血液内IL-21处于高剂量浓度水平，结果发现IL-21能明显抑制黑色素瘤、结肠癌和纤维肉瘤肿瘤细胞的增殖，其介导的抗肿瘤作用不受CD+4或CD+8T淋巴细胞耗竭的影响，T淋巴细胞不直接抗肿瘤，但是CD+8T淋巴细胞的存在能提高IL-21的抗肿瘤作用。研究还发现IL-21本身有明显的促进T淋巴细胞增殖的作用，处理组鼠的脾内T淋巴细胞结节数较未处理组明显增多，而NK细胞数量处理组较未处理组显著性减少，可能与高水平的IL-21致NK细胞凋亡有关。研究还发现高浓度的IL-21并没有明显的细胞毒性；另外,IL-21和IL-15协同刺激，可促进NK细胞从骨髓祖细胞中分化增殖和增强NK细胞对靶细胞的细胞溶解作用。可见，IL-21有望成为临床一个重要的肿瘤治疗药物。 3.2​  IL-21与炎症性肠病 炎症性肠病( inflammatory boweldisease，IBD)是主要以肠道炎症和肠黏膜损伤为特征的疾病，包括溃疡性结肠炎(ulcerative colitis，UC)和克罗恩病(crohn’s disease， CD)。T细胞介导的免疫反应在IBD组织破坏的发病机制中发挥着重要作用，其衍生的细胞因子IL-21能刺激人类的成纤维细胞合成分泌间质金属蛋白酶MMP-1、MMP-2、MMP-3和MMP-9，这种酶能直接降解黏膜，促进消化道组织的破坏。Fina等[19]研究报道，在从自身免疫和炎症性CD患者孤立的整个黏膜和固有层单核细胞中IL-21蛋白产量的研究显示，与健康的对照组相比较，在发病部位IL-21呈高水平表达，IL-21在CD中能促进慢性进行性黏膜炎症。Caruso等[20]用IL-21刺激肠内上皮细胞能引起ERK1/2和p38磷酸化的增强和增加MIP-3α(T细胞的化学诱导物)的合成。也有学者研究报道[21]，在消化道IL-21能调节除增强Thl细胞免疫反应外的其他的炎症路；这些均表明IL-21是IBD的一种致炎因子，在UC和CD的慢性炎症中起调节作用。 3.3​  IL-21与原发性干燥综合症　 原发性干燥综合症(pSS)是一种主要累及外分泌腺体尤以唾液腺和泪腺为主的自身免疫性疾病，可同时累及甲状腺、肺脏、肝脏、肾脏等多种器官出现多种临床表现。病理上表现为唾液腺呈灶性CD4+T淋巴细胞浸润，而且B淋巴细胞高反应性成为其最突出的免疫学特征之一，临床多数pSS患者体内存在着高免疫球蛋白血症。袁双龙等[22]研究发现pSS患者血清IL-21水平显著高于正常人水平，且与γ2球蛋白、ESR呈明显正相关，特别是自身抗体阳性组血清IL-21水平显著高于阴性对照组。表明IL-21在pSS患者体内是促进B细胞增殖的，并在调节免疫球蛋白的产生过程中起重要作用。 3.4 IL-21与系统性红斑狼疮　 系统性红斑狼疮(SLE)是同时涉及T、B淋巴细胞过渡活化的自身免疫性疾病。两种细胞的功能异常导致了SLE患者体内多种免疫指标及功能异常,在SLE的发生发展中具有重要意义。Mitoma等[23]观察SLE患者和正常人外周血B淋巴细胞IL-21R的表达情况发现: IL-21R的表达在SLE患者较正常人显著降低, SLE肾脏受累和抗双链DNA滴度增高与IL-21R的表达降低有关。 3.5 IL-21与艾滋病　 艾滋病(AIDS)是由人类免疫缺陷病毒(HIV)感染所引起的一种病死率极高的疾病。患者体内CD4+T淋巴细胞被大量破坏，丧失辅助B淋巴细胞分化的能力，致细胞免疫和体液免疫功能异常。Iannello等[24]了27例AIDS患者和27例艾滋病毒阴性的健康人的血清IL-21的水平，发现AIDS患者较正常人明显降低，血清IL-21的水平与CD4+T淋巴细胞计数有显著相关性。作者认为血清IL-21水平可以作为艾滋病毒感染进展程度和抗逆转录病毒疗法的反应的一个重要的免疫学参数。 3.6 IL-21与X-连锁重症联合免疫缺陷病(XSCID)有关　 XSCID发病机制是由于IL-2Rγc链基因发生突变，患者表现为外周T细胞和NK细胞数量减少，B细胞数量正常但对抗原和有丝分裂原刺激无增生反应，出生6个月内反复放生多种病原微生物的感染。有人利用动物实验表明XSCID发病与IL-21功能异常有关[16]， IL-21R的γc链功能异常可能诱导XSCID的发生。 3.7 IL-21与移植排斥反应有关　 Groot-Kruseman等[25]研究发现在心脏移植的患者体内，IL-21 mRNA表达水平在急性排斥期明显上调，表明IL-21在同种异型的移植排斥反应中发挥重要作用。可能的过程是: IL-21能增强NK细胞的杀伤活性，从而导致心肌细胞溶解。 3.8 IL-21与IgE介导的超敏反应有关　 IL-21可以调节免疫球蛋白的生成，下调IgE的产生[26],提示IL-21可以用于IgE介导的超敏反应的治疗。 4​ 展望 IL-21是一种具有多种生物学功能的重要免疫调节因子, 能调节B细胞的增生,促进T细胞、NK细胞的增殖、分化并能提高NK细胞杀伤活性,可以调节免疫球蛋白的生成, IL-21R受体具有重要的信号传导功能。现已证实IL-21与XSCID、移植排斥反应密切相关,并具有抗肿瘤作用。尽管它在有些临床相关疾病中的确切发病机制尚有待于进一步阐明,但随着其与临床疾病之间关系研究的不断深入, IL-21有希望成为在自身免疫性疾病、免疫缺陷病、IgE依赖性的变态反应性疾病和肿瘤等的治疗领域中的一个新的有力工具、其单独或联合运用于临床疾病方面的免疫治疗将指日可待。 参考文献： [1] 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