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1、全国趋化因子理论与实验学习班参考资料北京大学人类疾病基因研究中心2002年8月18-19日细胞因子总论1 导言 在免疫系统中，各种免疫细胞均能合成和分泌小分子的多肽类因子,它们调节机体的免疫调节功能,参与免疫细胞的增殖,分化和行使功能,这些因子统称为细胞因子(cytokine)。细胞因子除存在于免疫系统外，在机体的各个系统也广泛存在,发挥极为重要的生理调节作用，某些情况下可产生病理作用。与免疫有关的细胞因子主要包括淋巴细胞产生的淋巴因子、单核巨噬细胞产生的单核因子、白细胞介素(interleukin,IL)、干扰素(interferon,IFN)、集落刺激因子(colony stimulati
2、ng factor,CSF)、肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)、 趋化因子(chemokine)、转化生长因子b（transforming growth factor b,TGFb） 等,它们在免疫系统中起着非常重要的调控作用,在异常情况下也会导致免疫病理反应。1.1 研究历史 1957年,Issacs等人发现病毒感染的细胞产生一种因子, 可抵抗病毒的感染, 干扰病毒的复制, 因而命名为干扰素，这是发现第一个细胞因子。但以后很长时间内，对细胞因子的了解只限于发现一些细胞培养上清液具有各种生物学活性,例如,分裂素或抗原刺激的T淋巴细胞培养上清含有T细胞生长因子(
3、T cell growth factor,TCGF)、B细胞生长因子(B cell growth factor,BCGF)、T细胞替代因子(T cell replacing factor)活性；脂多糖(LPS)刺激的单核巨噬细胞可产生淋巴细胞活化因子(lymphocyte activating factor,LAF)、 肿瘤坏死因子活性等,这主要是由于这些细胞因子的含量非常低, 并且多种细胞因子同时存在, 纯化困难, 因而限制了对其进行结构和功能的研究。70年代末以来,随着分子生物学技术的发展,为细胞因子的研究提供了新的契机,利用cDNA克隆化技术,一个又一个的细胞因子结构被阐明,利用外源基因
4、表达技术,可获得大量的重组细胞因子纯品,使细胞因子的功能研究获得明确的结果。在短短的十几年时间内,细胞因子研究领域获得惊人的成果,分子克隆成功并阐明结构与功能的细胞因子已达数百种,有上百种重组细胞因子在进行临床研究,治疗肿瘤,感染,造血功能障碍等疾病,其中数十种细胞因子或其抑制剂已被批准做为药物正式上市，一些细胞因子基因治疗的研究也已进入临床。12 命名121 白细胞介素(IL)在1979年第二届淋巴因子的国际会议上,将介导白细胞间相互作用的一些细胞因子命名为IL,并以阿拉伯数字排列,如IL-1、IL-2、IL-3。以后不断有新的IL被命名,迄今已被命名到IL-27。表1介绍了近2年发现的新白
5、细胞介素,可以预期,新的IL还可能被不断发现。目前的研究发现,许多IL不仅介导白细胞相互作用,还参与其它细胞的相互作用,如造血干细胞、血管内皮细胞、纤维母细胞、神经细胞、成骨和破骨细胞等的相互作用, 在机体的多系统中发挥作用。表1：新白细胞介素的结构与功能名称结构功能IL-19成熟区153个氨基酸，与IL-10有同源性；染色体1q32对抗原呈递细胞具有调节和促增殖效应。活化Stat3，受体为IL20R1/IL20R2IL-20成熟区164个氨基酸，与IL-10有同源性；染色体1q32结合IL-20R1/IL-20R2，重组IL-20小鼠腹腔注射可明显刺激中性粒细胞的移动；参与上皮细胞发育，活化
6、角质细胞Stat3，与牛皮癣有关IL-21成熟区131个氨基酸，与IL-2、IL、4、IL-15空间结构同源，受体包括IL2Rg链; 染色体4q26-q27促进骨髓NK细胞的增殖与分化，与抗CD40抗体协同刺激B细胞的增殖，与抗CD3抗体协同刺激T细胞的增殖。IL-22成熟区146个氨基酸，与IL-10有同源性；染色体12q15活化多种细胞系的STAT1，3，包括TP-10（肾癌细胞系）和SW480（肠癌细胞系）。促进炎症时的急性期蛋白产生；结合IL22R/IL10R2 OR IL22BPIL-23与IL-12有同源性，异源双聚体，链为p19，含189个氨基酸，与IL-12 p35 同源性；染
7、色体12q13；其链为IL-12的p40.经Stat4活化PHA刺激的T细胞，促进其增殖和g干扰素产生，并诱导记忆性T细胞的增殖。IL-24与IL-10有同源性，206个氨基酸；染色体1q32结合IL-22R1/IL-20R2 or IL-20R1/IL-20R2，活化Stat3信号转导途径，促进肿瘤细胞凋亡IL-25与IL-17有同源性，含161个氨基酸；14号染色体TH2细胞产生，刺激TH2细胞功能，参与速发型变态反应；支持淋巴样细胞增殖，刺激FDCP2的增殖IL-26/AK155与IL-10有同源性，全长171个氨基酸；染色体12q15T细胞产生IL-27与IL-12有同源性，异源双聚体
8、，链为p28，与IL-12 p35同源；其链为EBI3,Y与IL-12的p40同源.由抗原呈递细胞活化早期阶段产生，促进naive T细胞增殖，与IL-12协同刺激T细胞的g干扰素产生122 集落刺激因子(CSF) 在进行造血细胞的体外研究中,发现一些细胞因子可刺激不同的造血干细胞在半固体培养基中形成细胞集落,这类因子被命名为CSF。根据它们的作用范围,分别命名为G-CSF(粒细胞CSF)、M-CSF(巨噬细胞CSF)、GM-CSF(粒细胞和巨噬细胞CSF)和多集落刺激因子(multi-CSF,又称IL-3),不同的CSF对不同发育阶段的造血干细胞和祖细胞起促增殖分化的作用,是血细胞发生必不可
9、少的刺激因子。从广义来说,凡是刺激造血细胞的细胞因子都可统称为CSF,例如刺激红细胞的红细胞生成素(erythropoietin,Epo)、刺激造血干细胞的干细胞因子(stem cell factor,SCF)、刺激胚胎干细胞的白血病抑制因子(leukemia inhibitory factor,LIF)、以及刺激血小板的血小板生成素(thrombopoietin)等均有集落刺激活性。另外, CSF也可作用于多种成熟的细胞,促进其功能,具有多相性的作用。123 干扰素(IFN) IFN是最先发现的细胞因子,早在1957年,Issacs等人发现病毒感染的的细胞产生一种因子,可抵抗病毒的感染,干扰
10、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-,它们分别由白细胞、纤维母细胞和活化的T细胞产生。IFN-为多基因产物,有十余种不同的亚型,但它们的生物活性基本相同。IFN除有抗病作用外,还有抗肿瘤、免疫调节、控制细胞增殖、及引起发热等作用。124 肿瘤坏死因子(TNF) TNF是一类能直接造成肿瘤细胞死亡的细胞因子,可直接诱导肿瘤细胞的凋亡,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a(lymphotoxin a，LTa)。最近还发现了TNF家族的一些新成员，包括LTb、TRAIL（
11、TNF-related apoptosis-inducing ligand）等。 TNF除有杀肿瘤作用外,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,因而TNF-又称恶液质素(cachectin)。125 趋化因子趋化因子是一组具有趋化作用的细胞因子,能吸引免疫细胞到免疫应答局部,参与免疫调节和免疫病理反应。它们多为小于100个氨基酸的小分子多肽,根据结构可主要分为4个趋化因子亚家族:Cys-X-Cys（CXC）、Cys-Cys（CC）、Cys（C）、Cys-X3-Cys（CX3C）亚家族。CXC家族成员多数基因定位于第4对染色体,包括IL-8、IP-10(IFN ind
12、ucible protein-10)、MGSA等,CC家族成员多数基因定位于第17对染色体， 包括MIP-1，(macrophage inflammatory protein)、 MCP-1(macrophage chemotactic protein)、 RANTES (regulated upon activation、 normal T expressed and secreted)等。C家族只有一个成员Lymphotactin，基因定位于1号染色体。CX3C家族也只有一个成员Fractalkine (neurotactin)，基因定位于第16对染色体。 2来源21 正常细胞来源 细胞因
13、子主要由活化的免疫细胞合成和分泌。免疫细胞遭遇外来抗原或病原体后,因受到刺激而被活化,从而产生多种细胞因子,激发体内一系列生物应答过程,促进免疫功能的行使,最终达到清除异物、维持自身稳定的目的。淋巴细胞是细胞因子的最重要的产生细胞,特别是辅助性T细胞(TH),它的许多重要功能是通过分泌细胞因子来完成的。近年来发现，根据产生的IL种类不同,可将TH细胞分为TH1和TH2两种亚类细胞,前者主要分泌IL-2、干扰素、肿瘤坏死因子,后者主要分泌IL-4、IL-5、IL-6、IL-10、IL-13等。IL-12和干扰素可诱导TH1细胞的产生,IL-4和IL-10可诱导TH2细胞的产生。进一步的研究发现,
14、TH1细胞主要介导细胞免疫功能,TH2细胞主要介导体液免疫功能,两者间有相互抑制作用和此消彼长的关系。有关TH1和TH2的调节关系的发现为免疫调节理论提供了新的观点。除淋巴细胞外,单核巨噬细胞也是一些细胞因子的重要来源,包括IL-1、IL-6、IL-8、IL-10、干扰素、肿瘤坏死因子、CSF等,单核巨噬细胞通过分泌这些因子对机体免疫系统产生调节作用。一些非免疫细胞,如内皮细胞、上皮细胞、纤维母细胞、神经细胞亦可产生某些细胞因子。这表明体内有多系统在通过分泌细胞因子来调控免疫系统。22 肿瘤细胞来源 体外研究发现,一些肿瘤细胞可持续性产生某些细胞因子,例如,Jurkat细胞株在体外分泌较大量的
15、人IL-2,骨髓瘤细胞在体内体外均可分泌较大量的IL-6,由于IL-6同时为骨髓瘤细胞的生长因子,因而可产生自分泌的现象,造成骨髓瘤细胞的失控生长,是多发性骨髓瘤的重要发病机理之一。此外,一些白血病细胞亦可分泌CSF,产生自分泌现象,对白血病发病起促进作用。23 重组细胞因子 为研究细胞因子的结构与功能,必须要有要大量的细胞因子纯品。过去,只能通过免疫细胞或肿瘤细胞株体外培养,从培养上清液中获取微量的细胞因子制剂,不但纯度很难保证,而且价格昂贵。80年代以来,随着基因工程技术的发展,细胞因子的研究也进入基因水平。现在可以利用大肠杆菌、酵母菌、昆虫细胞、哺乳动物细胞等工程细胞大规模生产重组的细胞因子纯品,其产量、纯度、成本等指标均优于天然来源的细胞因子。这不仅大大促进了细胞因子的结构与功能研究,也促进了细胞因子作为生物应答调节剂治疗各种疾病的应用研究,为肿瘤、感染、造血障碍等疑难病症的治疗带来了新的希望。 3结构 绝大部分细胞因子为小分子的分泌型多肽,少数细胞因子能以膜结合的形式存在于细胞表面,如TNF、 LT、 SCF等。从肽链结构来看,多数细胞因子为单链结构,少部分细胞因子为同源双体结构,如IL-5、IL-8、IL-10、M-CSF等;此外,IL-12、IL-23、IL-27等的结构比较特殊,为异源双体结构,两条肽链分别由不同的基因编码。
