動物固有免疫系統(tǒng)的免疫記憶研究進(jìn)展

畢文文， 陳國權(quán)， 張黔東， 王 娜， 梅世慧， 周碧君，2，3*， 程振濤，2，3， 王開功，2，3， 文 明，2，3*

(1. 貴州大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550025； 2. 貴州省動物疫病研究室，貴州 貴陽 550025； 3. 貴州省動物生物制品工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550025)

在與病原微生物的不斷斗爭過程中，動物機(jī)體經(jīng)過長期進(jìn)化形成了一系列抵抗病原入侵的保護(hù)機(jī)制。其中固有免疫的免疫記憶作用機(jī)制問題仍然是幾近年來免疫學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。經(jīng)典免疫學(xué)理論認(rèn)為只有獲得性免疫才能建立免疫記憶。然而近年來的研究發(fā)現(xiàn)，固有免疫細(xì)胞經(jīng)過馴化后能在再次受到病原刺激后產(chǎn)生增強(qiáng)的免疫反應(yīng)，這種現(xiàn)象被稱為固有免疫記憶或訓(xùn)練免疫。深入研究固有免疫的免疫記憶作用機(jī)制可為感染性疾病、癌癥及炎癥的發(fā)病機(jī)理及治療提供新的思路。

1 固有免疫系統(tǒng)簡介

固有免疫系統(tǒng)廣泛存在于多細(xì)胞動物中，是多細(xì)胞動物長期為適應(yīng)外界環(huán)境和抵抗病原入侵而逐漸形成和完善的防御體系，與皮膚、黏膜共同構(gòu)成了動物機(jī)體抵抗感染的防疫屏障。主要包括：吞噬細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞(NK)、嗜堿性粒細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞、M細(xì)胞等先天免疫細(xì)胞。這些先天免疫細(xì)胞的表面均存在著模式識別受體(PRRs)，能夠識別病原體相關(guān)分子模式(PAMPs)，從而區(qū)分非自身機(jī)體的病原微生物[1～4]，進(jìn)而啟動免疫應(yīng)答，清除病原體。PRRs主要包括Toll樣受體(TLRs)、核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域受體(NLRs)、視黃酸/維甲酸誘導(dǎo)基因Ⅰ樣受體(RLRs)、胞質(zhì)中的DNA識別受體、NOD樣受體、RIG-Ⅰ樣受體、C型凝集素樣受體(CLRs)[5]。TLRs是最早被發(fā)現(xiàn)的PRRs。目前已經(jīng)在人體中發(fā)現(xiàn)了10種TLRs，在小鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了12種TLRs[6]，可分別識別不同的PAMPs[7]。TLR 1、2、4、5、6、10表達(dá)位點(diǎn)在細(xì)胞表面；TLR 3、7、8、9表達(dá)在細(xì)胞質(zhì)中的細(xì)胞器膜上，可以識別核酸的PAMPs[8]。NLRs是細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的識別受體，能夠識別細(xì)胞內(nèi)細(xì)菌的肽聚糖和脂多糖等多種組分，同時廣泛參與機(jī)體的炎癥反應(yīng)[9]。RLRs分布于胞質(zhì)內(nèi)，是重要的抗病毒識別受體[10]。視黃酸誘導(dǎo)基因Ⅰ(RIG-Ⅰ)、黑素瘤分化相關(guān)基因5(MDA5)、遺傳學(xué)和生理學(xué)實驗室蛋白2(LGP2)均是RLRs家族中的成員。該類受體可識別細(xì)胞內(nèi)的病毒RNA或其復(fù)制中間產(chǎn)物，在抗病毒固有免疫中起到至關(guān)重要的作用。DNA識別受體主要包括環(huán)鳥苷酸-腺苷酸合成酶(cGAS)、DNA依賴的干擾素調(diào)節(jié)因子激活物(DAI)、黑色素瘤缺乏因子(AIM2)、干擾素誘導(dǎo)蛋白16(IFI16)、RNA/DNA解旋酶(DHX9、DHX36、DDX60、DDX41)、DNA依賴蛋白激酶(DNA-PK)、MRN復(fù)合物(MRE11)等[11]。此類受體發(fā)現(xiàn)較晚，主要存在于胞質(zhì)中，部分存在于細(xì)胞核(如IFI16、DNA-PK、MRE11)。另外還有其他一些受體家族，如清道夫受體、甲酸基多肽受體、補(bǔ)體受體等[12]。

2 固有免疫系統(tǒng)的免疫記憶

近年來的研究發(fā)現(xiàn)，并非只有獲得性免疫才能產(chǎn)生免疫記憶。天然免疫細(xì)胞(如單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、NK細(xì)胞)能夠針對相同或無關(guān)病原體再刺激產(chǎn)生增強(qiáng)或減弱的免疫反應(yīng)，如炎性介質(zhì)分泌增加，這種現(xiàn)象被定義為受訓(xùn)后免疫(TI)。與獲得性免疫不同的是，TI雖然具有記憶性，但是持續(xù)時間較短，只有數(shù)周或者數(shù)月。在固有免疫細(xì)胞生命周期較短的情況下，如何維持TI的長期性記憶是當(dāng)前免疫學(xué)研究的前沿。造血干/祖細(xì)胞(HSPC)能向髓系祖細(xì)胞分化并不斷產(chǎn)生固有免疫細(xì)胞，故認(rèn)為HSPC可能也存在TI現(xiàn)象。目前對這方面的研究還較少，但深入探究該科學(xué)問題將為免疫調(diào)控機(jī)制及動物(包括人)疾病發(fā)病機(jī)理研究提供新的見解。其機(jī)制涉及表觀遺傳學(xué)和代謝重編程等。

2.1NK細(xì)胞免疫記憶NK細(xì)胞是固有免疫系統(tǒng)的重要成員，具有快速產(chǎn)生效應(yīng)因子和殺死病毒感染細(xì)胞或腫瘤細(xì)胞的能力。NK細(xì)胞的免疫記憶在半抗原誘導(dǎo)的超敏反應(yīng)中被發(fā)現(xiàn)，小鼠肝臟內(nèi)的CXCR6+NK細(xì)胞可介導(dǎo)抗原特異性超敏反應(yīng)[13]。巨細(xì)胞病毒(CMV)感染小鼠可以誘導(dǎo)NK細(xì)胞向記憶性NK細(xì)胞分化，釋放細(xì)胞因子，促進(jìn)NK細(xì)胞清除CMV[14]。利用人源化免疫系統(tǒng)的小鼠模型與人體試驗發(fā)現(xiàn)，人體NK細(xì)胞也能形成抗原記憶[15]。艾滋病病毒(HIV)抗原免疫的小鼠肝臟NK細(xì)胞在遇到呈現(xiàn)HIV蛋白的DC細(xì)胞會產(chǎn)生應(yīng)答反應(yīng)，但對無關(guān)病毒和蛋白無應(yīng)答。這些均證明NK細(xì)胞能夠記憶接觸過的病原體，并且呈現(xiàn)類似獲得性免疫記憶的特異性的記憶特征。此外，記憶NK細(xì)胞也具有非特異性的記憶特征：卡介苗(BCG)免疫的人NK細(xì)胞在體外接受結(jié)核桿菌或其他不相關(guān)的病原體刺激時，可產(chǎn)生更強(qiáng)的細(xì)胞因子應(yīng)答；小鼠實驗顯示BCG疫苗的免疫能抵抗白色念珠菌的感染，這種保護(hù)作用部分依賴于產(chǎn)生免疫記憶的NK細(xì)胞[16]。

2.2 循環(huán)單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞免疫記憶相關(guān)研究表明，β葡聚糖或BCG馴化人的外周血單核細(xì)胞7 d后，采用脂多糖(LPS)等刺激、馴化的單核細(xì)胞可以產(chǎn)生(相較于非馴化的單核細(xì)胞)更強(qiáng)的細(xì)胞因子應(yīng)答[17]。BCG免疫人體后分離的單核細(xì)胞在體外接受微生物刺激時也可產(chǎn)生增強(qiáng)的應(yīng)答反應(yīng)，與BCG的非特異性保護(hù)相關(guān)，證明在人體內(nèi)單核細(xì)胞可以被馴化產(chǎn)生免疫記憶[18]。

2.3 造血干細(xì)胞免疫記憶研究顯示，系統(tǒng)性固有免疫記憶由造血干細(xì)胞介導(dǎo)，小鼠腹腔內(nèi)注射β-葡聚糖24 h后即可提高其骨髓細(xì)胞生成并可持續(xù)至4周。過繼轉(zhuǎn)移β-葡聚糖馴化的小鼠造血干細(xì)胞后，可提高髓系前體細(xì)胞數(shù)量，促進(jìn)長期的骨髓細(xì)胞生成[19，20]。造血干細(xì)胞產(chǎn)生免疫記憶后可不斷補(bǔ)充分化為具有免疫記憶的單核細(xì)胞，使相應(yīng)的免疫記憶由3～4 d延長至數(shù)月，從而產(chǎn)生1種持續(xù)的保護(hù)作用[21]。

2.4 組織巨噬細(xì)胞免疫記憶組織巨噬細(xì)胞相較于外周單核細(xì)胞壽命更長，能維持更長的記憶時間，并且可不依賴造血干細(xì)胞及單核細(xì)胞單獨(dú)介導(dǎo)免疫記憶。肺泡巨噬細(xì)胞(AMs)起源于胚胎，代謝更替緩慢，狀態(tài)穩(wěn)定，急性呼吸道腺病毒感染后可誘導(dǎo)記憶AMs。在肺炎鏈球菌和大腸桿菌等細(xì)菌感染時，快速誘導(dǎo)趨化因子和中性粒細(xì)胞募集而對抗細(xì)菌感染[22]。神經(jīng)小膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的組織巨噬細(xì)胞，當(dāng)被病毒或細(xì)菌感染刺激后，對再次感染的危險信號產(chǎn)生更強(qiáng)的免疫應(yīng)答，表現(xiàn)為免疫記憶的特征[23，24]。

3 固有免疫記憶形成機(jī)制

3.1 增強(qiáng)的免疫細(xì)胞因子固有免疫細(xì)胞記憶的1個顯著的特征是經(jīng)過刺激馴化后，記憶細(xì)胞再接受類似刺激時細(xì)胞因子、趨化因子或免疫防御相關(guān)效應(yīng)因子反應(yīng)增強(qiáng)，免疫防御功能增強(qiáng)。腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白細(xì)胞介素-6(IL-6)、白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)等被證實是介導(dǎo)固有免疫記憶的主要細(xì)胞因子[25]。記憶性NK細(xì)胞表現(xiàn)為受到再次刺激時腫瘤壞死因子-γ(IFN-γ)表達(dá)增強(qiáng)[26]。效應(yīng)CD8+T細(xì)胞分泌的IFN-γ是AMs免疫記憶形成的關(guān)鍵分子。

3.2 增強(qiáng)的病原相關(guān)分子模式受體的表達(dá)記憶性細(xì)胞在受到再次刺激時發(fā)生更快、更強(qiáng)的應(yīng)答，其表面的病原相關(guān)分子模式受體識別病原體并激活是關(guān)鍵的第1步。鼠巨細(xì)胞病毒(CMV)可馴化記憶NK細(xì)胞高表達(dá)Ly49H受體，該受體是特異性識別抗原的關(guān)鍵[26]。黃熱病毒疫苗免疫的人NK細(xì)胞可以高表達(dá)Toll樣受體3(TLR3)、Toll樣受體9(TLR9)，以及細(xì)胞激活的標(biāo)志——細(xì)胞表面糖蛋白(CD69)和白細(xì)胞抗原DP(HLA-DP)；腺病毒馴化的記憶AMs高表達(dá)主要組織相容性復(fù)合體-Ⅱ(MHC-Ⅱ)；BCG馴化的記憶單核細(xì)胞高表達(dá)核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域蛋白2(NOD2)受體[17，28]。馴化后的固有免疫細(xì)胞，其細(xì)胞表面病原相關(guān)分子模式受體的高表達(dá)賦予記憶細(xì)胞對2次刺激更快、更強(qiáng)的反應(yīng)能力。

3.3 表觀遺傳重編程不同細(xì)胞類型之間的異質(zhì)性取決于不同的基因表達(dá)模式，而不同的基因表達(dá)模式又取決于表觀遺傳信息的調(diào)控。有研究認(rèn)為，固有免疫記憶主要通過馴化固有免疫細(xì)胞全基因的組蛋白表觀遺傳重編程而儲存記憶[29]。組蛋白修飾可影響組蛋白與DNA雙鏈的親和性，改變?nèi)旧|(zhì)的疏松和凝集狀態(tài)，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)錄因子等調(diào)節(jié)蛋白與染色質(zhì)的結(jié)合而調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。組蛋白3第27位賴氨酸乙?；?H3K27ac)以及組蛋白3第 4位賴氨酸的三甲基化(H3K4me3)等是染色質(zhì)轉(zhuǎn)錄活化的標(biāo)志，而β葡聚糖馴化單核細(xì)胞可引起廣泛基因的H3K4me3和 H3K27ac修飾，從而使TNF-α、IL-1β 等宿主防御基因的啟動子區(qū)域帶上了轉(zhuǎn)錄活化的記憶標(biāo)簽，當(dāng)再次受到刺激時可迅速活化，更快地產(chǎn)生增強(qiáng)的細(xì)胞因子表達(dá)[30]。

3.4 免疫細(xì)胞的代謝重編程細(xì)胞代謝供能途徑改變稱為“代謝重編程”，免疫細(xì)胞代謝對免疫細(xì)胞生長、分化及其免疫效應(yīng)的發(fā)揮至關(guān)重要。固有免疫細(xì)胞代謝途徑包括糖酵解、膽固醇代謝、谷氨酸代謝等途徑的改變，在固有免疫記憶中也具有重要作用[31]。β葡聚糖誘導(dǎo)的固有免疫記憶中，通過蛋白激酶B/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白/低氧誘導(dǎo)因子-1α(AKT/mTOR/HIF-1α)通路調(diào)控糖代謝從氧化磷酸化切換到有氧糖酵解，被認(rèn)為是β-葡聚糖誘導(dǎo)的單核細(xì)胞記憶的代謝基礎(chǔ)[30]。當(dāng)免疫記憶馴化過程中糖酵解途徑被抑制后，細(xì)胞的表觀遺傳修飾及免疫記憶均被抑制[32]。細(xì)胞代謝的改變不僅是細(xì)胞能量需求增強(qiáng)的體現(xiàn)，其代謝中間產(chǎn)物也是表觀遺傳學(xué)修飾中一些重要的酶的輔因子和底物[33]。糖酵解過程中產(chǎn)生的乙酰輔酶A為組蛋白乙?；峁┎牧蟍34]；三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物延胡索酸的積累可抑制組蛋白脫甲基酶，進(jìn)而調(diào)控表觀的改變，介導(dǎo)免疫記憶[31]。除了葡萄糖代謝通路，其他代謝通路(如膽固醇合成通路)在人巨噬細(xì)胞形成免疫記憶的過程中同樣發(fā)揮重要作用。β-葡聚糖刺激后，膽固醇合成通路中的關(guān)鍵中間產(chǎn)物甲戊酸鹽(Mevalonate)是誘導(dǎo)形成免疫記憶的必要條件。因此，免疫細(xì)胞代謝重編程作為免疫刺激與表觀遺傳學(xué)的重要鏈接，是固有免疫記憶的機(jī)制之一。

4 小結(jié)與展望

以表觀遺傳修飾為機(jī)制、增強(qiáng)的細(xì)胞因子應(yīng)答為特征的固有免疫記憶是多細(xì)胞動物的宿主防御的基本特征。其概念的提出豐富了免疫記憶領(lǐng)域的研究，并且為炎癥、宿主防御、腫瘤、疫苗等的研究提供了新的思路。然而在這個新興的領(lǐng)域仍有許多懸而未決的問題需要進(jìn)一步探索：(1)固有免疫記憶形成的分子機(jī)制仍需全面深入闡述；(2)激發(fā)固有免疫記憶的物質(zhì)基礎(chǔ)是什么，其是否可作為調(diào)控固有免疫記憶的工具；(3)固有免疫記憶的識別機(jī)制，其識別是否存在類似獲得性免疫記憶的特異性；(4)固有免疫記憶在疾病發(fā)生中的作用仍需深入探索；(5)探索基于誘導(dǎo)或調(diào)控固有免疫記憶的治療疾病的方法，如何在疫苗設(shè)計中激活固有免疫記憶以增強(qiáng)疫苗的保護(hù)效果和抵抗感染或治療癌癥，如何在炎癥性疾病中調(diào)控或抑制固有免疫記憶的形成進(jìn)而抑制疾病的發(fā)生發(fā)展。通過進(jìn)一步深入研究，闡明固有免疫記憶的調(diào)控機(jī)制將為感染性疾病、免疫缺陷病及炎癥等疾病的發(fā)病機(jī)理研究以及新型疫苗的研發(fā)提供新視角。