白細胞介素21及其免疫調(diào)節(jié)研究進展

陳 敏，彭克美，何 敏

（1.華中農(nóng)業(yè)大學動科動醫(yī)學院，湖北 武漢 430070；2.信陽農(nóng)業(yè)高等專科學校動物科學系，河南 信陽 464000）

白細胞介素21（interleukin－21，IL－21）是2000年P(guān)arrish－Novak報道發(fā)現(xiàn)的一種細胞因子[1]，IL－21序列和結(jié)構(gòu)與IL－2、IL－4、IL－15高度同源。IL－21通過IL－21受體（interleukin－21receptor，IL－21R）發(fā)揮生物學功能。IL－21R和IL－2、4、7、9、IL－15R同屬Ⅰ型細胞因子受體超家族，并共同享有γ鏈（γc）[2]。最初認為IL－21僅由CD4＋T細胞產(chǎn)生，但近年來的研究表明 Th17、Tfh、NKT細胞也分泌IL－21[3]。雖然IL－21僅由淋巴細胞產(chǎn)生，但IL－21R分布于免疫細胞和非免疫細胞，提示IL－21具有廣泛的生物學功能[4]。近幾年的研究表明IL－21對免疫細胞的發(fā)育和功能發(fā)揮起到重要的調(diào)節(jié)作用。

1 IL－21與IL－21R的發(fā)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)特征和表達分布

IL－21的發(fā)現(xiàn)是基于人們對Ⅰ型細胞因子受體超家族的研究。由于Ⅰ型細胞因子受體超家族在胞外膜結(jié)構(gòu)域具有較高的氨基酸同源性和相似的分子結(jié)構(gòu)，這促使研究者基于同源性在已知的cDNA文庫中尋找新的Ⅰ型細胞因子受體家族成員及其相應配基，2000年P(guān)arrish－Novak從EST文庫中篩選出一段具有Ⅰ型細胞因子受體同源結(jié)構(gòu)特征的序列，并克隆出全長cDNA，將其編碼的蛋白質(zhì)正式命名IL－21R，通過GenBank檢索發(fā)現(xiàn)與同年Ozaki等獨立報道的一種新的Ⅰ型細胞因子受體cDNA序列一致，隨后Parrish－Novak等利用活化的人CD3＋T細胞構(gòu)建cDNA文庫，并轉(zhuǎn)染至幼倉鼠腎細胞，通過激活轉(zhuǎn)染IL－21R的BaF3細胞系增殖能力為指標篩選并克隆到IL－21R的配基，即IL－21[1－2]。

人IL－21基因位于染色體4q26－q27上，與IL－2、IL－15位于同一染色體上，距IL－2基因僅隔180kb。人IL－21cDNA編碼含162個氨基酸殘基的前體肽，成熟的人IL－21是一個包含131個氨基酸殘基的多肽，分子質(zhì)量為15ku，含有一個四螺旋的細胞因子結(jié)構(gòu)域。小鼠IL－21基因位于染色體3，緊鄰IL－2，相隔95kb，成熟的小鼠IL－21包含122個氨基酸殘基[1－2，5]。人和小鼠的IL－21氨基酸序列同源性達57%。其他動物中，豬、牛、雞、犬的IL－21基因克隆已見報道[6－8]。最初的研究表明IL－21僅表達于激活狀態(tài)下的CD4＋T細胞，使用佛波醇豆蔻酸乙酸酯（PMA），離子霉素或抗CD3和CD28抗體可以誘導IL－21的表達。在CD8＋T細胞、CD19＋B細胞、骨髓DCs細胞、CD14＋單核細胞沒有發(fā)現(xiàn)IL－21的表達。體外和體內(nèi)試驗研究顯示在CD4＋T亞型細胞中，IL－21選擇性表達于 TH2分化細胞[5]。目前的研究證實，IL－21也表達于Th17、Tfh和NKT細胞，進一步支持IL－21對于免疫反應的調(diào)節(jié)具有重要的作用[7]。

人IL－21R基因位于染色體16p11，包含9個外顯子，其cDNA編碼538個氨基酸殘基。小鼠IL－21RcDNA全長已克隆，編碼529氨基酸殘基，與人IL－21氨基酸水平同源性達62%[2，5]。應用 Northern blot分析表明IL－21R主要分布于淋巴組織，包括脾、胸腺、淋巴結(jié)和外周血液淋巴細胞。流式細胞術(shù)和Northern blot分析顯示IL－21R也表達于B、T和NK源細胞系包括IM－9（B細胞），Jurkat（T 細胞），NK－92（NK 細胞）等[4]。研究表明 T 細胞、B細胞、NK細胞、NKT細胞，DC細胞、巨噬細胞、角質(zhì)化細胞、腸成纖維細胞都有IL－21R的表達[6]。

2 IL－21信號通路

就目前的研究IL－21與IL－21R／γc結(jié)合后主要通過JAKs－STATs通路發(fā)揮生物學功能。依賴于細胞系的不同，IL－21R／γc可以激活不同的下游靶因子包括Jak1、Jak3、Stat1、Stat3、Stat4and Stat5。在人的 T 細胞系，IL－21誘導Jak1、Jak3、Stat1和Stat3的激活；在人的B細胞系，IL－21誘導Jak1、Jak3和Stat5的激活；而在人的NKT細胞系，IL－21誘導Stat1、Stat3和Stat4的激活[4，9]。

IL－21通過IL－21R和γc組成的復合物發(fā)揮生物學功能，IL－21R和γc共轉(zhuǎn)染的Ba－F3細胞導致具有更強的增殖能力，表明γc在IL－21R的全部功能發(fā)揮是必須的。研究表明在缺乏γc的情況下，IL－21R可以和IL－21結(jié)合，但信號無法向細胞內(nèi)轉(zhuǎn)導。γc的重構(gòu)可以恢復信號通路[10]。此外，使用抗γc抗體可以破壞IL－21誘導的反應。雖然在缺乏γc的情況下，IL－21R仍然可以結(jié)合Jak1但不能導致其磷酸化反應，表明γc在IL－21R復合物中的細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)換是必須的[10]。

3 IL－21的免疫調(diào)節(jié)作用

機體免疫應答的過程和水平必須適應免疫防御的需要和維持生物的體內(nèi)穩(wěn)態(tài)，需要通過精確的免疫調(diào)節(jié)實現(xiàn)。免疫細胞的功能發(fā)揮受到多種因素調(diào)節(jié)，其中細胞因子發(fā)揮重要的作用。眾多的細胞因子形成網(wǎng)絡以調(diào)控恰當而適度的免疫應答。IL－21獨自或與其他細胞因子參與對各種免疫細胞功能的調(diào)節(jié)，目前的結(jié)果分析表明IL－21免疫細胞功能的調(diào)控是復雜的，在免疫細胞不同狀態(tài)和階段中，不同其它細胞因子協(xié)同作用下，其調(diào)控作用不同。研究表明IL－21可影響體內(nèi)多種免疫細胞的增殖、生存、分化和功能，參與對免疫反應穩(wěn)態(tài)平衡的調(diào)節(jié)，現(xiàn)分述于下。

3.1 IL－21對T細胞的調(diào)節(jié)

Parrish－Novak J等[1]在發(fā)現(xiàn)IL－21之初就證實IL－21顯著促進抗CD3單抗誘導的胸腺細胞和外周血液中 T細胞的增殖。在IL－2、IL－15、IL－7的配合下，無論有無抗CD3單抗體的刺激，IL－21都可增強外周T細胞的增殖。在缺乏抗CD3或其他共刺激因子情況下，IL－21對T細胞的增殖沒有顯著的作用[11]。IL－21可促進IL－15介導的鼠 CD4＋／CD8＋記憶型T細胞的增殖，隨之上調(diào)IL－2、IL－15和γ干擾素（IFN－γ）的受體，提示IL－21可調(diào)節(jié)記憶T細胞的功能[12－13]。IL－21顯著增強小鼠 T 細胞對異種抗原的反應，獨自或與IL－2或IL－15協(xié)同作用下增強T細胞細胞毒作用和γ干擾素的產(chǎn)生[11，14]。T細胞體外細胞培養(yǎng)試驗證實IL－21在IL－15或IL－18的協(xié)同作用下加 強IFN－γmRNA 的合成[15]。IL－21主要由活化的CD4＋T細胞產(chǎn)生，CD4＋T細胞作為輔助性T細胞，激活狀態(tài)下可以分泌各種細胞因子以引導形成適當?shù)拿庖邞?。由此提示激活狀態(tài)下CD4＋T細胞所產(chǎn)生的IL－21可能與其他的細胞因子協(xié)同作用，進一步加強細胞免疫應答強度。

3.2 IL－21對B細胞的調(diào)節(jié)

IL－21對于B細胞的增殖、生存和分化起到重要的作用。IL－21發(fā)現(xiàn)之初就證實和其他共刺激因子可以協(xié)同調(diào)節(jié)B細胞的增殖。IL－21在CD40協(xié)同刺激下促進人初始B細胞的有絲分裂，抑制抗IgM 或IL－4誘導的增殖[1，16]。IL－21 在 LPS或抗IgM抗體協(xié)同作用下抑制小鼠B細胞增殖，IL－21能夠?qū)筁PS對B細胞增殖的T細胞依賴協(xié)同刺激作用，這表明IL－21在固有免疫反應向適應性免疫反應轉(zhuǎn)換中起到重要作用[17]。IL－21能誘導抗原特異的B淋巴細胞的凋亡，參與了活化B淋巴細胞的自穩(wěn)調(diào)節(jié)，抗CD40抗體可以保護IL－21所介導的凋亡作用，可能通過誘導Bcl－XL、Bcl－2的表達來發(fā)揮作用[16]。IL－21介導的凋亡作用在 Bcl－2轉(zhuǎn)基因小鼠上能夠被阻斷。IL－21能夠調(diào)節(jié)B細胞的增殖和生存表明IL－21對于決定激活B細胞的命運起到重要的作用[17]。從整體來說，當前的研究結(jié)果提示IL－21促進被抗原和Th細胞適當激活的B細胞的生存和增殖，而抑制經(jīng)BCR接受非特異性的信號或經(jīng)TLR接受的強烈信號的B細胞的增殖并引起凋亡。此外，有研究報道IL－21可促進B細胞分化成漿細胞和下調(diào)IgE的水平[18－19]。和野生型小鼠比較，IL－21R基因敲除的小鼠血清中IgE水平增高而IgG1水平降低[20]。這表明IL－21不僅調(diào)節(jié)激活的B細胞的增殖和凋亡，也能誘導B細胞產(chǎn)生抗體類型轉(zhuǎn)換，從而進一步影響體液免疫應答。

3.3 IL－21對NK細胞的調(diào)節(jié)

作為先天免疫系統(tǒng)的重要構(gòu)成，NK細胞在機體適應性免疫發(fā)揮作用之前對病原微生物和腫瘤細胞的防御和清除起到重要的作用。IL－21R在靜息和激活狀態(tài)下的NK細胞都有表達，IL－21對NK細胞的增殖和功能起到調(diào)節(jié)作用。研究證實IL－21單獨或與IL－15及Flt3L協(xié)同作用均可促進人骨髓源NK細胞的增殖、分化和成熟，增強已活化NK細胞的細胞毒活性[1，21]。在IL－15或IL－18的協(xié)同作用下，IL－21增強人 NK 細胞的γ－IFN的產(chǎn)生[15]。Kasaian M T[11]報道IL－21抑制IL－2或IL－15誘導的靜息狀態(tài)小鼠NK細胞的增殖，促進激活狀態(tài)NK細胞的凋亡，同時促進CD8＋T細胞的增殖、增強CD8＋T細胞的細胞毒性功能，但IL－21R敲除的小鼠的成熟NK細胞數(shù)量和功能正常，提示IL－21對于小鼠NK細胞的成熟不是必須的，可能在調(diào)節(jié)先天免疫反應向適應性免疫反應過渡起到重要的作用。但Brady J等[22]報道IL－21誘導小鼠NK細胞成熟，用IL－21處理NK細胞時，NK細胞體積增大，胞內(nèi)顆粒增多，膜CD154的表達也顯著上調(diào)。Iannello A等[23]報道在健康和HIV感染的患者上IL－21可以通過激活STAT－3等增強NK細胞的功能，同時通過增加Bcl－2和Bcl－X－L的表達抑制NK細胞的凋亡。這表明IL－21對NK細胞的調(diào)節(jié)作用與NK細胞的來源種屬、激活狀態(tài)以及發(fā)育階段似乎存在差異，不同的細胞因子協(xié)同作用也影響IL－21對NK細胞的調(diào)節(jié)作用。總的來說IL－21主要增強NK的活性，增強天然免疫。

3.4 IL－21對樹突細胞的調(diào)節(jié)

樹突細胞（dendrite cell，DC）作為專職抗原遞呈細胞，由骨髓產(chǎn)生，未成熟樹突細胞廣泛分布于各個組織器官，受病原體刺激后遷移至次級淋巴組織并逐漸成熟，分泌細胞因子，啟動并決定適應性免疫應答方向。IL－21能夠促進骨髓造血干細胞源的樹突細胞發(fā)育，但抑制DC的成熟[24]。體外分化試驗表明在IL－21存在條件下導致DC減少MHCⅡ型分子的表達，降低抗原遞呈作用，限制了抗原依賴T細胞免疫反應，這提示IL－21具有降低和終結(jié)免疫反應的潛在作用。然而，有研究顯示IL－21處理后的DC促進NKT細胞產(chǎn)生γ干擾素[25]，提示IL－21對DC的調(diào)控作用是復雜的，需要進一步研究。

3.5 IL－21對巨噬細胞的調(diào)節(jié)

IL－21R在小鼠和人的巨噬細胞都有表達，提示IL－21可能也參與巨噬細胞發(fā)育和功能的調(diào)節(jié)，但相關(guān)研究報道較少。IL－21增強巨噬細胞產(chǎn)生趨化因子CXCL8／IL－8，增強巨噬細胞的吞噬作用和蛋白分解酶活性，增強巨噬細胞促進抗原依賴性T細胞的增殖能力[26－27]。

4 展望

自2000年發(fā)現(xiàn)IL－21以來，眾多的研究報道表明IL－21在免疫細胞的發(fā)育以及免疫效應的調(diào)節(jié)過程中均發(fā)揮重要作用，但這些調(diào)節(jié)往往是和其他細胞因子協(xié)同下發(fā)揮，有關(guān)IL－21在機體的免疫調(diào)節(jié)網(wǎng)絡和相關(guān)疾病的病理機制中扮演何種角色仍然不甚清楚。迄今，有關(guān)IL－21的功能研究主要在人和小鼠開展，并且關(guān)注其對發(fā)育成熟的外周淋巴細胞的調(diào)控作用，而對中樞免疫器官內(nèi)培育階段的淋巴細胞的作用未見報道。IL－21是否在中樞免疫器官內(nèi)產(chǎn)生，是否對T、B淋巴細胞的分化、發(fā)育起到調(diào)控作用，IL－21在畜禽免疫系統(tǒng)中的作用與人和小鼠的是否一致，需要進步一研究證實。因此，對畜禽IL－21的深入研究將有助于理解IL－21對免疫器官發(fā)育、功能的調(diào)節(jié)作用，為畜禽疾病發(fā)生、治療的機理研究以及科學飼養(yǎng)提供理論依據(jù)。

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