III型干擾素的抗病毒免疫作用

杜江龍,薛宇佳,冶眩青,楊學財,曹 欣,馬忠仁

（1.西北民族大學甘肅省動物細胞工程技術(shù)研究中心,甘肅 蘭州 730030;2.西北民族大學生命科學與工程學院,甘肅 蘭州 730030）

天然免疫系統(tǒng)是機體抵抗病毒感染的第一道防線,它是通過細胞模式受體（pathogen-recognition receptors,PRRs）來識別不同類別病原體。I型干擾素主要是通過抑制病毒復(fù)制來發(fā)揮直接的抗病毒活性,并且可以維持機體天然免疫與適應(yīng)性免疫系統(tǒng)的功能[1]。因此,I型干擾素在病毒感染前期不僅發(fā)揮抑制作用還能發(fā)揮長期的免疫功能。另外,I型干擾素是一種參與抗病毒免疫的重要效應(yīng)分子,可利用I型干擾素的生物學活性將其作為藥物來治療慢性病毒的感染。III型干擾素是作為白介素（Interleukin,IL）28A/B,29或干擾素-λ1–3而被人們研究發(fā)現(xiàn)的,研究證實III型干擾素具有I型干擾素的許多功能[2-3]。2003年,2個獨立的研究組利用生物信息學首次研究發(fā)現(xiàn)了III型干擾素]。他們利用GenBank的TBLASTN查詢和ENSEMBL數(shù)據(jù)庫鑒定出一個稱為CRF2–12的基因,CRF2–12就是目前已知的白介素-28Rα或干擾素-λR1。隨后研究發(fā)現(xiàn),細胞因子刺激這個受體可導(dǎo)致干擾素-λ轉(zhuǎn)錄,認為干擾素-λ轉(zhuǎn)錄是由病毒誘導(dǎo)而引起的,并且能誘導(dǎo)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和基因表達[4]。

1 干擾素-λ信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與基因表達的活化

細胞因子與其特異性受體結(jié)合后,通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑來誘導(dǎo)胞內(nèi)活性。I型干擾素通過IFNAR復(fù)合物傳遞信號,該復(fù)合物由干擾素AR1和干擾素AR2組成[5]。干擾素-λ利用一個完全不同的受體復(fù)合物激活其生物學活性,這個過程參與的分子有IL-10R2和IL-10超家族的其他一些成員以及干擾素-λ特異性的IL-28Rα[6]。盡管I型干擾素和III型干擾素采用的受體系統(tǒng)缺乏相似之處,但是干擾素-λ激活的胞內(nèi)信號程序是相似的。Marcello等人檢測了在含有丙型肝炎病毒復(fù)制子的Huh.7細胞中干擾素的反應(yīng),發(fā)現(xiàn)干擾素-α和干擾素-λ能共同誘導(dǎo)一組高度重疊的基因,通常干擾素-λ誘導(dǎo)基因表達的動力學低于干擾素-α。因此,干擾素-λ的潛在刺激能產(chǎn)生更持久的抗病毒反應(yīng)。Doyle等人用HepG2細胞研究了相同的問題,通過嚴格的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),經(jīng)由干擾素-α和干擾素-λ處理細胞后,可高度誘導(dǎo)35個基因,在這個細胞中干擾素-α和干擾素-λ誘導(dǎo)基因表達的動力學是一致的。對干擾素-α和干擾素-λ在B細胞系Raji內(nèi)的反應(yīng)進行比較,結(jié)果發(fā)現(xiàn),干擾素-α誘導(dǎo)的反應(yīng)比干擾素-λ誘導(dǎo)的反應(yīng)強;更為重要的是,所有干擾素-λ可誘導(dǎo)的基因也能被干擾素-α所誘導(dǎo)。因此,干擾素-λ采用I型干擾素樣信號和基因誘導(dǎo)程序來行使抗病毒活性。

2 病毒感染期間III型干擾素的表達

2.1 Ⅲ型干擾素的表達 大部分的病毒和一些細菌能夠誘導(dǎo)III型干擾素。III型干擾素和I型干擾素呈現(xiàn)出相似的表達模式,這表明兩者之間具有相似的誘導(dǎo)機制。III型干擾素和I型干擾素都是通過轉(zhuǎn)錄機制來誘導(dǎo)的[7],該轉(zhuǎn)錄機制涉及轉(zhuǎn)錄因子干擾素調(diào)節(jié)因子 （IRFs）和細胞核因子NF-κB。在干擾素反應(yīng)中,只有胞內(nèi)受體檢測到病原微生物后才可誘導(dǎo)干擾素表達[8],研究發(fā)現(xiàn),核苷酸是最強效的誘導(dǎo)劑。RLR/MAVS信號通路中RIG-I和MDA5能檢測到細胞質(zhì)中的雙鏈RNA和5′三磷酸RNA,Toll樣受體TLR3和TLR7/8能檢測到雙鏈RNA和單鏈RNA在核內(nèi)體中的定位。DNA也是誘導(dǎo)干擾素產(chǎn)生的有效誘導(dǎo)劑之一。研究報道顯示,DNA依賴的干擾素調(diào)節(jié)因子激活物DAI能檢測到細胞質(zhì)中的B-DNA,并可誘導(dǎo)干擾素的表達。通過對DAI基因缺失小鼠的研究顯示,對DNA的反應(yīng)沒有明顯的表現(xiàn)。此后又有一項研究報告認為DAI在活化IRF-3對人巨細胞病毒DNA的反應(yīng)過程中發(fā)揮功能。同時發(fā)現(xiàn)RNA與DNA感應(yīng)系統(tǒng)之間可以產(chǎn)生串擾,主要是由于一部分DNA能作為RNA聚合酶III的模板產(chǎn)生帶有雙鏈結(jié)構(gòu)的5′三磷酸RNA能有效的激活RIG-I[9]。近幾年研究顯示,運輸?shù)桨麅?nèi)的非RNA/DNA的PAMPs也能誘導(dǎo)干擾素表達,信號分子TRAF3在該過程中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用[10]。通過天然免疫系統(tǒng)的不同受體來感應(yīng)位于胞內(nèi)的微生物,然后通過傳輸信號給NF-κB和IRFs,顯示I型干擾素和III型干擾素的表達。干擾素-λ1和干擾素-λ2/3啟動子區(qū)含有IRFs和NF-κB的結(jié)合位點,并且它們的起始特征具有相同的激活機制。有報道稱,I型干擾素和III干擾素通過IRF和NF-κB通路激活。

2.2 Ⅲ型干擾素表達水平 在特定條件下I型干擾素和III型干擾素具有不同的表達水平,主要是由基因啟動子引起的。在IFN-λ1啟動子中發(fā)現(xiàn)了位于NF-κB位點末端的基因簇,這些基因簇對誘導(dǎo)IFN-λ1的產(chǎn)生起重要作用。這些NF-κB位點起源于一些轉(zhuǎn)座子,在不依賴IRF-3/7的條件下可獨自激活I(lǐng)FN-λ1基因啟動子[11]。因此,該研究證實在IFN-λ1啟動子處IRFs和NF-κB通過空間上間隔的啟動子元件來獨自激活基因的表達,這種方式與IFN-β轉(zhuǎn)錄因子的協(xié)同激活不同。在樹突狀細胞和動物體內(nèi)抑制NF-κB信號通路,同時也抑制了IFN-λ的誘導(dǎo)表達[12],但對I型干擾素的表達僅有較小的影響。盡管參與激活I(lǐng)型干擾素和III型干擾素表達轉(zhuǎn)錄因子相同,但IRFs在IFN-α/β的表達過程中發(fā)揮顯著的作用,而NF-κB是IFN-λ表達的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[13]。同時,IFN-λ啟動子比IFN-β更具有強的靈活性,這是由于NF-κB和IRF-3/7具有各自獨立的活性,因此能接受獨自激活I(lǐng)II型干擾素表達的特定信號。

3 III型干擾素在天然免疫反應(yīng)中的作用

IFN-λs具有抗病毒活性,可以抵抗一些病毒的感染。Robek等人首次報道,在特定的鼠肝細胞系中,IFN-λ2可抑制乙型肝炎病毒 （HBV）的復(fù)制;并且在人肝細胞Huh7中,IFN-λ2可阻斷乙型肝炎病毒亞基因組和全基因組的復(fù)制。在HepG2細胞上,重組的IFN-λ1和IFN-λ2可以有效的減弱單純皰疹病毒（HSV）的復(fù)制[14]。Mordstein等人證實了在肺臟內(nèi),外源性的IFN-λ2和IFN-λ3對甲型流感病毒有很強的抗病毒活性。在人巨噬細胞上,IFN-λ1和IFN-λ2能抑制HIV實驗室適應(yīng)毒株和臨床毒株[15]。因此,在不同的細胞系和病毒研究中,IFN-λ能抑制結(jié)構(gòu)與功能不同的病毒的復(fù)制。

IFN-λs的抗病毒活性與I型干擾素非常相似,這表明在免疫系統(tǒng)中IFN-α/β和IFN-λs具有一些相同的功能。但是,這2種類型干擾素作用的靶細胞不同。IFN-ARs的表達普遍存在,而IL-28Rα僅能在幾種細胞系內(nèi)表達,尤其是上皮細胞和一些白細胞,如巨噬細胞、漿液性樹突狀細胞和傳統(tǒng)的樹突狀細胞。因此,III型干擾素的細胞反應(yīng)僅局限于一些細胞系和組織,作用范圍較窄。在有機體內(nèi)的抗病毒反應(yīng)過程中,I型干擾素對III型干擾素受體的差異表達對其生物學活性產(chǎn)生深遠的影響。隨著IFN-λs在體外的早期抗病毒活性被發(fā)現(xiàn)后,一些報道研究了重組IFN-λ在小鼠體內(nèi)的抗病毒作用,這些研究顯示,外源性重組IFN-λs或重組病毒表達的IFN-λs可強效抑制HSV-2、牛痘病毒和甲型流感病毒在上皮細胞中的復(fù)制[16]。上述研究表明,體內(nèi)的IFN-λs的確具有天然的抗病毒活性。在天然免疫反應(yīng)過程中,上皮細胞的表面是IFN-λ激活的關(guān)鍵位點。為了評估內(nèi)源性IFN-λs在抗病毒防御中發(fā)揮的功能,克隆生產(chǎn)了IL-28RA–/–基因鼠,對IL-28RA–/–基因鼠進行了各種病毒攻毒試驗。令人吃驚的是,這些感染模型缺失了對IFN-λ的感應(yīng)能力,從而影響了抗病毒反應(yīng)。這個結(jié)果與體內(nèi)的重組IFN-λs的抗病毒活性有著鮮明的對比,用相同的病毒感染IFNAR–/–小鼠后,同樣影響IFN-α/β抗病毒活性。當用TLR3和TLR9的拮抗劑作為局部殺菌劑的時候,只有IFN-λ在抗病毒防御中體現(xiàn)其必要的作用。在這樣的情況下,IL-28RA–/–基因鼠不能抵抗后期HSV的陰道感染。所以對于廣譜抗病毒感染的天然防御而言,IFN-λs是多余的。在完全有效的I型干擾素系統(tǒng)存在的條件下,不需要IFN-λs發(fā)揮作用。Staeheli及其同事后來驗證了該假說,他們克隆產(chǎn)生了缺失I型干擾素和III型干擾素受體系統(tǒng)的基因鼠,并且該基因鼠是在Mx+/+遺傳背景的基礎(chǔ)上生產(chǎn)的。并用甲型流感病毒對基因鼠做了攻毒試驗,研究人員發(fā)現(xiàn) IFNAR–/–和 IL-28RA–/–這2 種基因缺失小鼠肺內(nèi)的病毒滴度提高比較弱,而 IFNAR/IL-28RA雙缺失基因鼠有明顯受制于其抗病毒反應(yīng),不能控制病毒而最終死于感染,甚至用弱化的甲型流感病毒株感染也可致其死亡。這些數(shù)據(jù)表明,IFN-λs能夠有助于機體天然防御一些病毒的感染,并且與I型干擾素共同發(fā)揮作用,可以作為天然抗病毒的第一道防線。對感染流感病毒的IFNAR/IL-28RA雙缺失基因鼠進行研究之后,又進一步延伸到其他病毒,通過鼻內(nèi)感染后,IFNAR/IL-28RA雙缺失基因鼠對很多人類的致病性病毒都具有較高的易感性?；谶@些發(fā)現(xiàn)得出III型干擾素在呼吸道上皮細胞和胃腸道發(fā)揮了抗病毒感染的作用[17],采用IFN-λs激活STAT1的研究發(fā)現(xiàn),在一些疾病模型中,相對于IFNAR–/–基因鼠而言,由于STAT1–/–基因鼠抗病毒反應(yīng)受損,因此I型干擾素和III型干擾素不再發(fā)揮作用[17]。

特別需要指出的是,用于靶向作用I型和III型干擾素表達與功能的病毒分子至關(guān)重要,這些病毒分子可逃逸這2類干擾素的抗病毒活性,這些病毒包括一些RNA病毒和DNA病毒。通過對痘病毒類的研究證明了IFN-λs在抗病毒免疫保護中的作用,該病毒能導(dǎo)致靈長類動物患水泡皮膚病,并且能傳染給人類,其編碼的分泌型蛋白Y136可結(jié)合I型干擾素和III型干擾素,從而抑制它們的生物學活性?？傊?III型干擾素在天然抗病毒免疫中發(fā)揮重要的功能,特別是在上皮細胞的表面上,病毒靶向作用III型干擾素從而建立感染[18]。

4 III型干擾素在適應(yīng)性免疫中發(fā)揮的作用

最早發(fā)現(xiàn)III型干擾素時,有報道稱它的細胞因子的抗病毒功能與傳統(tǒng)的I型干擾素不同。III型干擾素的有些功能可能會影響適應(yīng)性免疫的性質(zhì)。Mennechet和Uze首次表明III型干擾素可參與適應(yīng)性免疫反應(yīng),他們曾報道稱在細胞分化過程中,樹突狀細胞可捕獲IFN-λs受體復(fù)合物,通過這個受體刺激特異性誘導(dǎo)耐受性CD4+CD25+Foxp3+調(diào)節(jié)T細胞 Treg的增殖反應(yīng)。基于這些發(fā)現(xiàn),認為與Th1促進I型干擾素不同,III型干擾素可致樹突狀細胞進入成熟期,并促進調(diào)節(jié)T細胞增殖。在適應(yīng)性免疫反應(yīng)發(fā)展過程中,IFN-λs降低了Treg活性[19],這說明IFN-λ在適應(yīng)性免疫中扮演著非常重要的作用。

有研究組報道了在人外周血單核細胞中,IFN-λ1可誘導(dǎo)促炎細胞因子的表達,主要是由于單核細胞的靶向作用而導(dǎo)致。隨后又證明了IFN-λs也可靶向作用于輔助性T細胞,下調(diào)IL-4和IL-13的表達,但是并不影響IFN-λs的反應(yīng)同時發(fā)現(xiàn)IL-28Rα可在人的天然CD4+T細胞和記憶CD4+T細胞中表達,通過下調(diào)GATA3和IL-4Rα對IFN-λ刺激產(chǎn)生反應(yīng)。最后,IFN-λs可抑制中樞記憶T細胞轉(zhuǎn)變?yōu)樾?yīng)記憶T細胞。報道稱IFN-λ3（IL-28B）作為DNA疫苗的佐劑比IL-12更能引發(fā)機體的適應(yīng)性免疫反應(yīng),并能提高脾臟內(nèi)CD8+T細胞的數(shù)量,這些細胞有更多的顆粒,并顯示出更高的抗原特異性脫粒反應(yīng)。有研究報道認為,干擾素能重新誘導(dǎo)Th2細胞形成一個穩(wěn)定的GATA3+Tbet+細胞亞克隆,上述結(jié)果表明,III型干擾素的主要作用是通過阻斷Th2細胞分化,重現(xiàn)Th細胞顯型的形成和強有力的抗原特異性的細胞毒性活性的刺激為抗病毒感染提供一個最佳的T細胞環(huán)境。

總之,盡管目前研究報道認為,III型干擾素抗病毒作用很好,但是其精確的機制還有待于進一步闡明。