細胞自噬在機體免疫防御中識別、加工、遞呈抗原的作用①

doi:10.3969/j.issn.1000-484X.2015.11.028

細胞自噬在機體免疫防御中識別、加工、遞呈抗原的作用①

崔玉琳齊翀②王春鳳楊桂連

(吉林農業(yè)大學動物科學技術學院 吉林省動物微生態(tài)制劑工程研究中心，長春130118)

中圖分類號R392.12

文獻標志碼碼A

文章編號號1000-484X(2015)11-1565-04

①本文受國家“863”計劃項目(2013AA102806，2011AA10A215)、國家自然科學基金項目(31272541，31272552)、教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃項目(NCET-10-0175)、吉林省科技發(fā)展計劃項目(20111816)和吉林省世行貸款農產品質量安全項目(2011-Y07)資助。

②吉林大學白求恩第一醫(yī)院轉化醫(yī)學研究院，長春130061。

作者簡介：崔玉琳(1989年-)，女，主要從事動物微生態(tài)與黏膜免疫方面研究，E-mail:cuiyuzhanglin@163.com。

通訊作者及指導教師：王春鳳，(1972年-)，女，博士，教授，博士生導師，主要從事動物微生態(tài)與黏膜免疫方面研究，E-mail:wangchunfeng@jlau.edu.cn。

楊桂連(1978年-)，男，博士，副教授，碩士生導師，主要從事動物寄生蟲免疫學方面研究，E-mail:yangguilian@jlau.edu.cn。

細胞自噬(Autophagy)是通過細胞質中的酸性溶酶體對異常細胞器、蛋白質以及病原體的吞噬、降解，從而形成一種胞內環(huán)境分解代謝的平衡機制。細胞自噬對機體的保護與防御尤為重要，特別在免疫系統(tǒng)中發(fā)揮重要的生物學作用，是鏈接先天性免疫與適應性免疫的重要組成部分。當抗原表達時，細胞自噬還可通過先天免疫與適應性免疫的交叉途徑而潛在的獲得抗原，并在胸腺中調節(jié)CD4+T細胞的克隆，除此以外，樹突細胞交叉激活CD8+T細胞，促進淋巴細胞尤其是T細胞的存活，骨髓B細胞發(fā)育以及細胞因子的產生。

細胞自噬是細胞饑餓或低氧等不良條件下的應激反應，是眾多應激反應中第一個被描述的，可以說自噬形成了最古老的免疫防御。在真核細胞早期演化的活動中細胞自噬可能是保護細胞質免受外來生物侵入的重要途徑，這種原始免疫功能進化的殘余物可以觀察到自噬能有效地去除線粒體。應對復雜的環(huán)境與脊椎動物的自身免疫系統(tǒng)疾病，自噬發(fā)揮了很多方面的作用，是一個真正的監(jiān)管機制和免疫系統(tǒng)效應器。

1細胞自噬的有效機制

哺乳動物細胞中多個自噬途徑(微小細胞自噬和分子伴侶介導的自噬)存在退化模式，只有巨自噬(以下簡稱為“自噬”)有明確的免疫作用。自噬溶酶體不像蛋白酶，降解泛素標記的短鏈蛋白，自噬可以去除大的蛋白質聚合物和整個細胞器，傳遞到溶酶體[1]。細胞自噬相關蛋白(Autophagy-related geneproduct,Atg)控制吞噬并把目標吞噬到雙層囊泡中，稱為自噬體，之后與溶酶體融合，從而形成一個單膜的自溶酶體。而這里的腔內容物消化再生返回給細胞質重新利用。

自噬起始時，活化的UNC-51-樣激酶(ULK)(在酵母中稱為Atg1)與Ⅲ型的磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)hVPS34、Beclin 1和Atg14一起，在內質網(wǎng)形成隔離膜[2,3]。hVPS34產生磷脂酰肌醇3-磷酸(PI3P)招募PI3P-結合效應因子WIPI-1和WIPI-2，有利于進一步形成隔離膜[1]。微管相關的輕鏈3(LC3)，產生兩個蛋白共軛系統(tǒng)和自噬體原型標志，隨后新生的自噬體被拉長。共軛結合物Atg-5-Atg-12結合Atg16L1形成E3樣酶，有助于LC3與共軛腦磷脂(PE)形成LC3-PE(也簡稱為LC3-Ⅱ)。Atg5-Atg12-Atg16L1復合物也有利于定位第二共軛體系的隔離膜。LC3首先被Atg7激活，然后通過Atg3到內質網(wǎng)加工。之后LC3-Ⅱ可以插入隔離膜并促進其伸長成一個封閉雙膜的自噬體。最后，自噬體融合晚期內體或溶酶體細胞器，以形成終端消化室[1,4]。

2先天免疫中的細胞自噬

在先天免疫中，自噬有助于模式識別受體下游的效應反應，繼而促進吞噬作用和細胞因子的產生。

2.1自噬與模式識別受體模式識別受體(Pattern recognition receptor，PRR)是一組先天受體，其通過對外源微生物特定基序來確定檢測入侵的病原體。這些基序被統(tǒng)稱為病原體相關分子模式(Pathogen-associated molecular pattern，PAMP)，并且當他們結合同源PRR的同時也刺激了無數(shù)的效應反應[5]。Toll樣受體(TLRs)是一組與PRRs緊密相連的自噬途徑。在脂多糖(LPS)刺激后TLR4能夠誘導小鼠巨噬細胞的自噬[6]。LPS刺激TLR4的結果表明，細胞自噬可以增加結核分枝桿菌細胞間隙[7]。自噬不僅充當TLR下游信號，而且在TLRs識別PAMPS中也發(fā)揮作用。Lee等[8]的研究表明，自噬能夠在漿細胞樣樹突狀細胞(pDCs)中為TLR7提供病毒配體，且能誘導感染水泡性口炎病毒和仙臺病毒后的機體產生Ⅰ型干擾素。NOD樣受體(NLRs)是一組先天受體，負責感應胞內細菌，代表第二類PRRS并且鏈接自噬。自噬也可以充當RIG樣受體(RLRS)介導病毒檢測的下游通路。Tormo等[9]人的結果表明，用dsRNA模擬聚肌苷胞苷酸，通過RLR MDA-5治療，能夠在黑色素細胞中誘導自噬，導致自噬依賴性細胞死亡。多個研究表明自噬負調控RLRS,自噬在通過PRRS感染的途徑下，呈現(xiàn)出復雜的調節(jié)作用，在某些情況下，通過RLRS對病毒識別的處理，可有效調節(jié)和清除細胞內的細菌，但其功能上卻以被動形式存在。

2.2自噬和細菌處理雖然自噬經典定義為無針對性大批量降解途徑，自噬的形式卻演變?yōu)榫哂羞x擇性，如線粒體(線粒體自噬)，過氧化物酶(過氧化物自噬)和胞內細菌(異體吞噬)持續(xù)在細胞質中躲過了內吞途徑。自噬是由稱為P62(又稱為SQSTM1)的中央接頭器蛋白質介導，識別細菌的聚泛素，并且通過其LC3相互作用區(qū)(LIR)鏈接到LC3陽性吞噬泡，攝取胞內細菌[1,10]。通過這種方式，自噬體靶向定位胞內病原體李斯特菌。在這種細胞中，P62識別被多聚泛素標記的李斯特菌，反過來又結合LC3，在細菌表層形成多聚泛素-P62-LC3從而允許自噬體吞噬[10]。

自噬能促進B細胞融合，促進卡介苗空泡與溶酶體的融合，從而殺滅分枝桿菌[11]。結核分枝桿菌、沙門氏菌、幽門螺旋桿菌的吞噬體的相關研究證明，自噬是破壞胞內細菌的替代方法[12-15]。大多數(shù)細菌特異性自噬包括胞內細菌的捕獲，同時也可以消除胞內細菌。Yuan等[16]的研究表明，假單胞菌屬能誘導肺泡巨噬細胞株MH-S自噬。中性粒細胞胞外誘捕網(wǎng)(NETs)是由外染色質構成的，通過中性粒細胞的釋放，促進細胞死亡的過程，區(qū)別于細胞凋亡和壞死。Itakura等[17]對NET形成自噬的重要性進行了驗證，表明自噬可誘發(fā)或抑制NET形成且是調節(jié)NET功能的重要因素。

2.3自噬和細胞因子自噬只有在細胞因子和免疫相關的細胞表面受體的調控下才能發(fā)揮作用，且在各種促炎性細胞因子的生物合成和分泌中也發(fā)揮積極作用。IFN-γ是一類強效的Th1類自噬誘導劑，而Th2細胞IL-4和IL-13對其具有抑制作用。LPS刺激ATG16L1缺陷型巨噬細胞，IL-1β和IL-18的分泌都增加[4]。多種細胞因子在自噬缺乏時分泌增加，Atg5fl/fl LysM-Cre重組小鼠感染結核分枝桿菌較野生小鼠，IL-1α、IL-12、IL-17和CXCL1分泌量增加[18]，TNF-α和IL-6的分泌亦受自噬的調控[19]。用3-MA抑制自噬或敲除beclin1基因和ATG7，從而促進巨噬細胞與DC分泌的IL-1α、IL-1β和IL-23，這反過來又增強了γδ T細胞的IL-17、IFN-γ和IL-22[20]。

3獲得性免疫的自噬

3.1自噬與抗原呈遞抗原提呈是指有效地參與并提供抗原到主要組織相容性復合體(MHC)分子的途徑，往往需要細胞因子和細胞器之間復雜的相互作用。自噬在傳統(tǒng)的MHCⅠ類途徑中,通過高爾基體裝載到MHCⅠ類分子的細胞表面并在表達之前進行抗原加工(TAP)，蛋白酶體加工相關的轉運蛋白轉成肽運到內質網(wǎng)(ER)。自噬涉及MHCⅠ類呈遞的另一種途徑,存在于樹突細胞和巨噬細胞，稱為交叉呈遞。交叉呈遞，MHCⅠ類分子通常會通過MHCⅡ類途徑形成通路提供細胞外源抗原，從而誘導的CD4+T細胞免疫應答。通過這個機制CD8+T細胞可以對外源性抗原和吞噬成分進行免疫應答[21]。CD4+T細胞識別MHCⅡ類分子表達于專職抗原呈遞細胞(APC)和上皮細胞上的抗原[22]。與通過蛋白酶體產生的內源性MHCⅠ類肽不同，外源抗原在胞質溶膠中的溶酶體內被溶酶體蛋白酶降解并在內質網(wǎng)中轉運到MHCⅡ類隔室(MHCs)，裝配載成MHCⅡ分子。溶酶體系統(tǒng)在MCHⅡ類分子中有突出作用，并聯(lián)系著自噬的抗原遞呈。自噬體輸送物質到溶酶體，是胞內MHCⅡ類抗原的重要來源。最近研究報道DCs中從MHCs發(fā)出，形成自噬體樣結構。這些結構同時參與抗原處理以及自噬體標志物LC3和Atg16L1的分子機制[23]。自噬的一種特殊形式細胞APCs，對特定抗原進行呈遞時，自噬又進一步增加遞送抗原的MHC分子的復雜性。

3.2T細胞中的自噬自噬可以通過影響細胞表位的呈現(xiàn)，從而影響隨后的T細胞應答的性質與強度，因此認為自噬作用是T細胞活化的重要調節(jié)器。雖然較小細胞的胞漿有限，但T細胞也進行自噬和自噬基因的表達[24-26]。在小鼠和人的CD4+和CD8+T細胞進行低水平自噬，并且可以隨著TCR刺激[24,26]和HIV感染[27]而在體外誘導。小鼠胸腺的皮質胸腺上皮細胞(cTECs)上已經觀察到高水平的自噬，并表明自噬在T細胞的發(fā)育和選擇上有作用[28]?；|中Thymi(胸腺嘧啶)缺失Atg5表現(xiàn)出特異性CD4+T細胞的多器官炎癥，表明自噬在T細胞中具有選擇性與中樞耐受性[28]，但觀察到CD8+T細胞的選擇性沒有任何變化。一些遺傳模型系統(tǒng)已經被用來研究體內自噬在T細胞中的特定角色，例如在Atg5-/-胎兒肝臟嵌合體，Atg7flox/flox Lck-Cre 和Vps34flox/flox CD4-Cre自噬缺陷小鼠中，T細胞在胸腺內正常發(fā)育[26,29-31]，但外周血中的T細胞失去自噬的效果更明顯。在T細胞特異性缺失的Atg5-/-，ATG7-/-，ATG3-/-和VPS34-/-小鼠脾臟和淋巴結中T細胞數(shù)減少，與此同時觀察到Atg5-/-，ATG7-/-和VPS34-/-細胞凋亡水平的增加，激活后T細胞也不能有效地增殖[25，26,29-31]。這些缺陷的出現(xiàn)來源于自噬缺陷的T細胞調節(jié)細胞器質量的控制。最近發(fā)現(xiàn)自噬能夠調節(jié)T細胞的能量代謝，T細胞活化中溶酶體抑制劑阻斷自噬，抑制ATP的增加。胸腺早期發(fā)展的iNKT(階段0)，小鼠的特異性缺失VPS34的T細胞表現(xiàn)出阻斷作用[31]。同樣的研究也報道了自噬在FOXP3+Treg細胞穩(wěn)態(tài)和功能上起至關重要的作用，表明自噬的影響力在T細胞生物學中延伸到多個方向。

3.3B細胞的自噬Miller等[32]采用Atg5-/-Rag-/-小鼠和特異性Atg5vB細胞缺失小鼠進行實驗，結果發(fā)現(xiàn)自噬缺陷B祖細胞無法在骨髓B祖細胞和前B細胞之間過渡，表明自噬是B細胞發(fā)育的必要條件。與T細胞相同，當自噬受到周圍環(huán)境的影響，B細胞也隨之受到嚴重影響。而缺失Atg5的B細胞小鼠表現(xiàn)為B-1a中的B細胞動態(tài)平衡[32,33]。體外LPS刺激缺陷型Atg5的B細胞能有效地分化成漿細胞(PCs)，表現(xiàn)出正常的增殖、細胞腫大和CD138的表達。

4結語

現(xiàn)在我們知道，自體吞噬與免疫系統(tǒng)有很重要的聯(lián)系，并且免疫系統(tǒng)的許多方面依賴于自噬的調控和一些效應功能的介導。先天免疫系統(tǒng)最為明顯，并且自噬在固有免疫和適應性免疫中抗原加工和呈遞途徑上起支點作用。但對于MHCⅠ類的自噬不是很清楚。在適應性免疫中，自噬是淋巴細胞體內平衡必不可少的。相比其他免疫細胞，自噬可應對ROS的水平增加；或者在免疫細胞中，自噬相關的細胞器具有相對寬泛的動態(tài)平衡。在淋巴細胞感染反應中，我們隊B細胞的自噬進行了描述，而對于T細胞的自噬仍然缺乏了解。在B細胞中，我們在淋巴細胞感染反應中開始描述自噬的作用，而對于T細胞的自噬仍然缺乏了解。T細胞會以何種自噬途徑降解方式來應對抗原？ T細胞利用自噬蛋白的新作用仍然未被發(fā)現(xiàn)。通過操縱自噬以便有效地調節(jié)先天免疫系統(tǒng)的能力，表明在適應性免疫設定中針對自噬可能會在疫苗接種和老化領域上產生巨大的作用。

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[收稿2014-10-09修回2014-11-06]

(編輯倪鵬)