TGF-β 對T細(xì)胞發(fā)育分化的影響與運(yùn)動性免疫抑制

張琳 郝選明

1 華南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院（廣州 510631）

2 華南師范大學(xué)體育科學(xué)學(xué)院

運(yùn)動員長期從事大強(qiáng)度的運(yùn)動訓(xùn)練，會發(fā)生強(qiáng)烈的運(yùn)動性免疫抑制現(xiàn)象，表現(xiàn)在運(yùn)動員免疫功能顯著降低，細(xì)胞免疫和體液免疫之間的平衡產(chǎn)生明顯的漂移或極化，不僅直接影響運(yùn)動員的運(yùn)動能力和比賽成績，而且會影響其運(yùn)動壽命和身體健康。運(yùn)動訓(xùn)練影響機(jī)體的免疫功能表現(xiàn)在免疫細(xì)胞（尤其淋巴細(xì)胞）數(shù)量、活性及功能的變化。從機(jī)理上講，應(yīng)該是長期的運(yùn)動訓(xùn)練從某個或數(shù)個環(huán)節(jié)，通過特定生物信息系統(tǒng)影響到淋巴細(xì)胞的發(fā)育、增殖、分化和成熟。轉(zhuǎn)化生長因子β(transforming growth factor-beta，TGF-β)是一種高度多效、功能復(fù)雜的生長與分化因子，它廣泛地調(diào)節(jié)機(jī)體的生長、發(fā)育、修復(fù)、免疫和炎癥等許多生理病理過程，對T細(xì)胞的發(fā)育具有很強(qiáng)的抑制作用，主要抑制其增殖和分化[1]。本文試圖闡述TGF-β家族結(jié)構(gòu)特征及其影響T細(xì)胞發(fā)育分化的重要作用，并從TGF-β信號控制T細(xì)胞發(fā)育分化的角度探討運(yùn)動免疫抑制的可能機(jī)理。

1 TGF-β及其受體的結(jié)構(gòu)

已發(fā)現(xiàn)TGF-β有5種亞型，分別是TGF-β1～5。其中，哺乳動物主要表達(dá)TGF-β1～3，分別定位于 19， 1， 14 號染色體上[2]，由兩個相同或相似的亞基組成，借助二硫鍵相連接，分子量為12.5kD。TGF-β 受 體 (TGF-β receptor，TβR)是 具有跨膜域的絲氨酸/蘇氨酸激酶受體，已發(fā)現(xiàn)8種，目前研究比較清楚的為受體I、受體II和受體III，分子量分別為 55 kD、75 kD、280 kD[3]。信號傳導(dǎo)時，TGF-β與TβRII結(jié)合后，TβRII自身發(fā)生二聚化，然后與TβRI形成異源四聚體，TβRII磷酸化 TβRI的 GS區(qū)，活化的 TβRI結(jié)合信號分子，通過Smad或者Factor associated suicide/Factor associated suicide ligand（Fas/FasL），B cell lymphoma/lewkmia-2（Bcl-2）等信號通路調(diào)控細(xì)胞的增殖和凋亡[4]。

2 TGF-β對早期T細(xì)胞發(fā)育的影響

關(guān)于TGF-β作為早期T細(xì)胞內(nèi)源性調(diào)節(jié)因子的最有力的證據(jù)來自體內(nèi)基因功能的實驗[5]，該實驗通過TGF-β基因信號刪除、干細(xì)胞同源重組，或者通過種系特異性基因的靶向作用等技術(shù)進(jìn)行了研究，實驗中TGF-β的配體或受體信號受到干擾而失活，但最終的結(jié)果都能使T細(xì)胞激活，T細(xì)胞自發(fā)地產(chǎn)生效應(yīng)細(xì)胞因子和組織浸潤損傷；而且不論在定向的造血干細(xì)胞還是在T細(xì)胞中，上述效應(yīng)都可發(fā)生。實驗結(jié)果表明TGF-β可抑制早期T細(xì)胞的發(fā)育而使T細(xì)胞系失調(diào)。

有研究表明，TGF-β影響早期T細(xì)胞發(fā)育，與一些細(xì)胞因子影響細(xì)胞分化的效果有關(guān)。體外實驗發(fā)現(xiàn)[6]TGF-β通過抑制白介素 2 （interleukin2,IL-2）和IL-7活性而抑制T細(xì)胞的發(fā)育。在對胎兒胸腺器官培養(yǎng)時加入TGF-β可導(dǎo)致T細(xì)胞分化受阻，表現(xiàn)為抑制了CD44+CD25-T細(xì)胞的發(fā)育和分化進(jìn)程，減少CD44+CD25+和 CD44-CD25-等早期T細(xì)胞的表達(dá)。正常情況下，三陰性(TN)T細(xì)胞增殖時表達(dá)CD2，但CD3、CD4、CD8呈陰性，而加入TGF-β中和抗體抑制TGF-β活性后，這一狀況被逆轉(zhuǎn)[7]。胸腺上皮細(xì)胞表達(dá)TGF-β，可有效地阻止CD4--CD8loT細(xì)胞的增殖[8]。另外，在胸腺基質(zhì)細(xì)胞中添加TGF-β的中和抗體，導(dǎo)致T細(xì)胞進(jìn)入DNA合成期和合成后期/分裂期（S和G2/M）的細(xì)胞增加，表明TGF-β可影響T細(xì)胞的發(fā)育周期[9]。這些結(jié)果支持了TGF-β通過下調(diào)T細(xì)胞的增殖能力，抑制早期T細(xì)胞增殖。

3 TGF-β信號與T細(xì)胞增殖分化

成熟的T淋巴細(xì)胞進(jìn)一步分化為輔助性T淋巴細(xì)胞（T helper lymphocyte， Th，CD4+/CD3+）和細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞（cytotoxic T cell，Tc，CD8+/CD3+）。Th細(xì)胞可分化為Th1和Th2細(xì)胞。Th1細(xì)胞主要分泌IFN-γ、IL-2，Th2細(xì)胞主要分泌IL-4和IL-10。Th1和Th2細(xì)胞通過所分泌細(xì)胞因子進(jìn)行交互調(diào)節(jié)。T細(xì)胞的增殖、活化依賴這些細(xì)胞因子及其受體（如 IL-2[10]、IL-6[11]和 IL-7[12]等對淋巴細(xì)胞的增殖和活化發(fā)揮重要作用），因而影響這些細(xì)胞因子受體表達(dá)水平或受體反應(yīng)，可能是TGF-β抑制T細(xì)胞增殖的機(jī)制。

研究表明，TGF-β能抑制T細(xì)胞分化為Th和Tc細(xì)胞、誘導(dǎo)T細(xì)胞的凋亡[13]、抑制Th細(xì)胞分化為Th1細(xì)胞和Th2細(xì)胞[14]。TGF-β能直接通過抑制轉(zhuǎn)錄因子T-box expressed in T cells (T-bet)[15]和下游的IL-12應(yīng)答[16]，抑制IL-12依賴的Th1分化。TGF-β通過T細(xì)胞下游的信號阻斷Th1和Th2細(xì)胞分泌細(xì)胞因子，包括阻止磷酸化激酶、細(xì)胞內(nèi)鈣和MAPK級聯(lián)的活化[17]。在體模型大多支持TGF-β抑制Th1應(yīng)答的進(jìn)程，TGF-β1及其受體缺失的小鼠IFN-γ和其它致炎細(xì)胞因子的產(chǎn)出量顯著上升，特別是在造血干細(xì)胞池，T細(xì)胞表達(dá)顯性負(fù)相的TβRII，導(dǎo)致Th1和Th2細(xì)胞因子的生成增加[18]。此外，TGF-β1 還可通過抑制 T-bet和 GATA binding protein3（GATA-3）表達(dá)，阻斷Th1和Th2細(xì)胞的分化[19]。

4 TGF-β和調(diào)節(jié)性T細(xì)胞（regulatory T cells，Treg細(xì)胞）

目前，Treg細(xì)胞是免疫學(xué)領(lǐng)域研究的熱點。Treg細(xì)胞具有誘導(dǎo)機(jī)體免疫應(yīng)答低下和免疫抑制的功能，通過“主動”的方式抑制免疫系統(tǒng)對自身和外來抗原的應(yīng)答，在維持機(jī)體免疫耐受和免疫應(yīng)答穩(wěn)態(tài)方面具有非常重要的作用?，F(xiàn)已證實，除了CD4+Treg細(xì)胞外，一部分CD8+T細(xì)胞、CD4-CD8-T細(xì)胞、NKT細(xì)胞也具有免疫調(diào)節(jié)功能。CD4+Treg細(xì)胞根據(jù)其來源和抑制機(jī)制，可以分為天然產(chǎn)生 CD4+CD25+Treg細(xì)胞和誘導(dǎo)產(chǎn)生Treg細(xì)胞(如Th3、Trl細(xì)胞)。天然產(chǎn)生的Treg細(xì)胞抑制機(jī)制可能主要通過“感染免疫耐受”，是細(xì)胞接觸依賴性及細(xì)胞因子非依賴性；而誘導(dǎo)產(chǎn)生的Treg細(xì)胞則主要為細(xì)胞接觸非依賴性及細(xì)胞因子依賴性[20]。目前普遍認(rèn)為CD4+CD25+Treg細(xì)胞起源于胸腺，主要證據(jù)是，小鼠出生3d內(nèi)切除胸腺，成熟后外周無CD4+CD25+Treg細(xì)胞并患自身免疫性疾病。有研究推測是胸腺中CD4+T細(xì)胞受到中等強(qiáng)度的抗原刺激，活化后表達(dá)CD25分子并獲得抑制性調(diào)節(jié)活性[21]。

TGF-β作為T細(xì)胞增殖、分化的抑制因子[22]，對這些調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的發(fā)育[23]、亞型維持[24]和最終的效應(yīng)功能[25]等起調(diào)節(jié)作用。Schramm等[26]發(fā)現(xiàn)高表達(dá)TGF-β轉(zhuǎn)基因小鼠的外周和胸腺中CD4+CD25+T細(xì)胞數(shù)量明顯增加；如果同時阻斷其TGF-β信號則下降至正常值；相反，在單純TGF-β信號缺陷轉(zhuǎn)基因小鼠中，CD4+CD25+T細(xì)胞在外周淋巴組織中數(shù)量減少而胸腺無明顯變化，這表明TGF-β對CD4+CD25+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的調(diào)控可能主要在外周而非胸腺。

如上所述，天然產(chǎn)生CD4+CD25+Treg細(xì)胞的抑制功能是細(xì)胞因子非依賴性的，但是當(dāng)這種誘導(dǎo)產(chǎn)生的具有抑制功能的CD4+CD25+T細(xì)胞再去訓(xùn)導(dǎo)外周的初始 CD4+CD25-T細(xì)胞轉(zhuǎn)化為具有抑制功能的CD4+CD25+T細(xì)胞，這種第二代CD4+CD25+T細(xì)胞的抑制功能依賴于IL-10和TGF-β，而所有上述的這些具有抑制功能的T細(xì)胞都表達(dá)forkhead box P3 （Foxp3）[27]。這些結(jié)果表明上述作用可能與Foxp3的表達(dá)有關(guān)。Foxp3是調(diào)節(jié)性T細(xì)胞發(fā)育過程中必需的特異性轉(zhuǎn)錄因子，特異地表達(dá)于Treg細(xì)胞，在Treg細(xì)胞的發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用。TGF-β在體內(nèi)能調(diào)節(jié)Foxp3并增加其表達(dá)，進(jìn)一步表明TGF-β對維持CD4+CD25+T細(xì)胞的平衡十分重要。Fantini等人[28]通過TGF-β刺激初始CD4+T細(xì)胞后，發(fā)現(xiàn)smad7 mRNA表達(dá)上調(diào)，而在Foxp3+T細(xì)胞中，smad7 mRNA的升高則被抑制。由此說明TGF-β介導(dǎo)Foxp3表達(dá)可能與smad 7有關(guān)。

5 TGF-β與運(yùn)動免疫抑制的可能機(jī)制探析

鑒于上述TGF-β在T細(xì)胞增殖、分化、成熟及其功能調(diào)節(jié)中的重要作用，在運(yùn)動性免疫抑制的發(fā)生發(fā)展過程中，TGF-β將發(fā)揮其作用。運(yùn)動影響TGF-β與T細(xì)胞發(fā)育和免疫抑制功能之間關(guān)系的研究在運(yùn)動醫(yī)學(xué)中尚未引起足夠的重視?，F(xiàn)有的文獻(xiàn)多集中于TGF-β對機(jī)體免疫功能的影響，以及運(yùn)動如何影響TGF-β表達(dá)水平及其與某些相關(guān)細(xì)胞因子相互作用的研究。

Elenkov等[29]認(rèn)為，體內(nèi)TGF-β水平變化與機(jī)體所處的環(huán)境有關(guān)：急性或慢性應(yīng)激、長期應(yīng)激停止后、劇烈運(yùn)動時，以及懷孕和產(chǎn)后期，機(jī)體通過調(diào)節(jié)全身或局部的促/抗炎癥因子，可以抑制/激活TGF-β活性。在對急性運(yùn)動或長期訓(xùn)練的研究中發(fā)現(xiàn)，血清中 TGF-β1 水平上升[30]。Inoue 等[31]的研究表明，運(yùn)動訓(xùn)練后，TGF-β被激活，大腦中自發(fā)性神經(jīng)元活性受到抑制，這可能是機(jī)體產(chǎn)生疲勞感的誘因。Gosselin等的[32]研究也表明，運(yùn)動損傷引起的炎癥反應(yīng)時，TGF-β水平上升。Serra等[33]認(rèn)為，運(yùn)動訓(xùn)練可以阻止促炎因子如TNF和IL-6的上升，升高IL-10水平，減弱TGF-β1 mRNA的表達(dá)。而García等的[34]研究表明，一次性大強(qiáng)度運(yùn)動可通過增加中性粒細(xì)胞的吞噬能力和氧依賴性殺傷能力，從而提高機(jī)體炎癥應(yīng)答，但TGF-β沒有發(fā)生明顯變化。Hering等[35]對10名健康學(xué)生進(jìn)行低強(qiáng)度訓(xùn)練后，進(jìn)行4周的高強(qiáng)度運(yùn)動，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動后兩周TGF-β1濃度由基礎(chǔ)值525 pg/ml上升至710 pg/ml ，其后2周慢慢下降到650 pg/ml，4周后下降到440pg/ml，表明大強(qiáng)度運(yùn)動可短暫地提高血漿中TGF-β1的濃度，并且認(rèn)為血漿中TGF-β1的升高部分是由于骨髓中潛在的TGF-β1（包括TGF-β1的前體分子和結(jié)合蛋白）的釋放。

在對運(yùn)動后血液中TGF-β1來源問題的研究中，Czarkowska-Paczek等[36]認(rèn)為，運(yùn)動后血清中TGF-β1水平的升高不是來源于心肌或骨骼肌。他們發(fā)現(xiàn)，6周訓(xùn)練可引起骨骼肌TGF-β1 mRNA明顯升高，蛋白水平卻下降，6周訓(xùn)練心肌中TGF-β1表達(dá)也沒有明顯變化；對未訓(xùn)練及大強(qiáng)度訓(xùn)練6周的大鼠進(jìn)行一次性急性運(yùn)動后發(fā)現(xiàn)，急性運(yùn)動后即刻,未訓(xùn)練鼠骨骼肌TGF-β1 mRNA沒有顯著性變化，而訓(xùn)練組TGF-β1表達(dá)則下降。因此，運(yùn)動訓(xùn)練后骨骼肌和心肌TGF-β1水平并沒有升高。而Gavin等的[37]研究表明，5天的遞增負(fù)荷大強(qiáng)度運(yùn)動就可以明顯提高骨骼肌內(nèi)TGF-β基因表達(dá)水平。這提示：身體運(yùn)動對骨骼肌TGF-β1基因表達(dá)可能是一個潛在的刺激因素，其蛋白水平并不一定會升高。運(yùn)動中組織器官TGF-β1的表達(dá)是否存在一個閾值，它可能與運(yùn)動強(qiáng)度、運(yùn)動時間有關(guān)，具體機(jī)制尚需進(jìn)一步的實驗支持。

鑒于此，有必要對TGF-β與運(yùn)動性免疫抑制關(guān)系進(jìn)行深入研究。筆者認(rèn)為應(yīng)重視下述問題。

（1）T細(xì)胞發(fā)育的多個環(huán)節(jié)受到TGF-β調(diào)控，一旦T細(xì)胞亞群平衡遭受破壞(如CD4+/CD8+比例下降，Th1/Th2漂移等)， 就會引起免疫功能抑制。運(yùn)動對TGF-β表達(dá)水平有什么影響，以及不同運(yùn)動類型對TGF-β表達(dá)有何不同作用？運(yùn)動對TGF-β影響又是通過哪些途徑及機(jī)制來實現(xiàn)的? TGF-β表達(dá)水平的變化對T細(xì)胞發(fā)育有何影響？

（2）機(jī)體免疫功能是由神經(jīng)、內(nèi)分泌、免疫網(wǎng)絡(luò)共同調(diào)節(jié)的，T細(xì)胞作為重要的免疫細(xì)胞，對維持機(jī)體細(xì)胞免疫功能具有重要作用。有研究表明，運(yùn)動后大腦中的TGF-β可通過腹內(nèi)側(cè)和丘腦下核旁室的去甲腎上腺素能神經(jīng)元提高脂肪的氧化能力[38]。那么，在運(yùn)動訓(xùn)練條件下，TGF-β是否可通過下丘腦等神經(jīng)通路或內(nèi)分泌途徑調(diào)節(jié)T細(xì)胞的發(fā)育過程，從而影響機(jī)體的免疫功能？

（3）運(yùn)動訓(xùn)練過程中TGF-β濃度及活性在各組織或器官中的變化情況及其機(jī)制尚未明確。運(yùn)動過程中TGF-β如何在這些組織或器官之間發(fā)揮獨(dú)立和/或相互作用？通過哪些信號途徑？這些信號途徑對T細(xì)胞發(fā)育和功能有何影響？在運(yùn)動性免疫抑制發(fā)生發(fā)展中在多大程度上發(fā)揮作用？

（4）研究表明[39]，TGF-β對于成纖維細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞的作用與其濃度有關(guān)，低濃度時刺激其生長；高濃度時則起抑制作用。那么，在不同的身體運(yùn)動過程中，TGF-β的濃度有什么變化？這些變化是否與運(yùn)動強(qiáng)度、運(yùn)動時間以及運(yùn)動類型有關(guān)？而且TGF-β濃度的變化是否會影響到T細(xì)胞的分化與發(fā)育，進(jìn)而影響運(yùn)動性免疫抑制的發(fā)生與發(fā)展？

（5）由于TGF-β家族包含有5種亞型和8種受體，每種亞型及其受體的作用與結(jié)構(gòu)類型也有差異。所以對一種亞型的研究并不能成為所有亞型的生物學(xué)作用及其對運(yùn)動免疫機(jī)制的直接或間接證據(jù)。對于在運(yùn)動應(yīng)激引起的運(yùn)動性損傷與修復(fù)機(jī)制中，TGF-β各亞型及其受體起何作用，哪種因子起著更重要的作用，其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑如何等，仍然需要更多的實驗研究。

（6）TGF-β除了作為生長抑制性因子具有免疫抑制功能外，還可能作為抗炎因子，通過多種機(jī)制起到抗炎作用。通過補(bǔ)充TGF-β能否在運(yùn)動訓(xùn)練中有效抗炎止痛，保護(hù)機(jī)體免受更嚴(yán)重的損傷，促進(jìn)運(yùn)動創(chuàng)傷的康復(fù)與治療還有待證實。

總之，運(yùn)動時TGF-β與T細(xì)胞發(fā)育分化時細(xì)胞亞群、細(xì)胞因子及其調(diào)控因素和免疫功能之間有著非常密切的關(guān)系，在運(yùn)動性免疫抑制發(fā)生發(fā)展中可能起重要的調(diào)節(jié)作用。而這些問題的探討有助于在運(yùn)動訓(xùn)練過程中，選擇適度的運(yùn)動，以利于免疫功能的提高，抑制免疫功能的應(yīng)激激素和親炎性因子，穩(wěn)定抗炎性細(xì)胞因子的水平，減少及抑制疾病的發(fā)生發(fā)展，并可為探討運(yùn)動性免疫抑制的機(jī)理與運(yùn)動訓(xùn)練中運(yùn)動性免疫抑制的調(diào)理提供新的思路和方法。

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