IL-21在多发性硬化发病中的意义①

汪鸿浩 胡学强 (中山大学附属第三医院神经科,广州 510630)

多发性硬化(Multiple sclerosis,MS)是一种中枢神经系统(Central nervous system,CNS)脱髓鞘性疾病,其真正病因至今尚未明确。国内外有大量文献证实其与细胞免疫、体液免疫均有关联。自从2000年白细胞介素21(IL-21)和IL-21受体(IL-21R)被发现以来[1],一直是研究的热点,近年来又有很多新的作用被发现。IL-21对CD8+T细胞、CD4+Th细胞、调节性T细胞(regulatory T lymphocyte,Treg)均有作用,因此深入研究IL-21在MS发病中的意义具有重要的价值。

1 IL-21及IL-21R的生物学特点

人IL-21基因定位于4q26-q27[2],共642个核苷酸,其中自42位至535位核苷酸为编码区。鼠定位于3号染色体上,两者有57%的同源性[1]。IL-21是一个四螺旋簇Ⅰ型细胞因子,其结构与γ c家族其他成员如 IL-2、IL-4、IL-15高度同源[3]。在体内主要是活化的CD4+T细胞分泌IL-21[1]。IL-21R是一个由独特的IL-21R亚单位和γ c组成的异二聚体,其中IL-21R亚单位为配体识别结合部位,γ c为信号传导单位[4],与IL-2/IL-15Rβ链有高度同源性,由胞外和胞内两个部分组成,胞外区有细胞因子信号识别模块,胞内区有典型的Box1、Box2信号传导区。IL-21分子信号传递途径尚未完全清楚,但 JAK/STAT、MAPK和P13这三个途径研究相对较多。IL-21可以通过激活STAT1和STAT3途径,激活T细胞、B细胞和NK细胞,对固有免疫阶段发挥相应生物调节效应[5];当MAPK和PI3通路被特异抑制因子阻断后IL-21介导的免疫细胞增殖即被阻断[6]。另外IL-21R有STAT5锚定位点,可激活STAT5途径,作用于B细胞[4]。进一步研究发现,IL-21R胞质区酪氨酸510(Y510)可以有效的介导STAT1和STAT3磷酸化,从而激活CD4+T细胞分化,而不依赖STAT5途径。

2 IL-21在多发性硬化发病中的作用

2.1 多发性硬化发病中的免疫学机制 多发性硬化的发病机制中涉及体液免疫和细胞免疫。以前认为,MS的发病和Th1/Th2分化的偏移有关。一般认为MS患者CD4+Th1细胞分泌的TNF-α和IFN-γ是导致MS发病的重要细胞因子,另外CD4+Th2可以下调MS的自身免疫反应[7]。近年来通过对MS患者脑组织免疫组化研究发现,急性病灶内浸润的T细胞表达IL-17及IL-17mRNA均显著增多,高于静止病灶、慢性病灶及正常组织[8],表明MS的发病和IL-17相关,而IL-17主要由活化的 Th17产生,故Th17与MS的病理机制之间的关系引起了关注。动物实验也证明人体来源的Th17细胞能破坏小鼠血脑屏障,在体外对人类神经元细胞有强烈的细胞毒性作用[9]。另外CD4+CD25+Foxp3+Treg功能低下是MS发病的另一重要原因。MS患者体内CD4+CD25+CD45RA+初始 Treg比例减少,CD4+CD25+CD45RO+记忆性Treg比例相对增高,表达转录因子Foxp3减少,抑制T细胞活化能力减弱[10-13]。早在上世纪就发现了MS患者IgG1、IgG3、IgG4的鞘内合成[14],通过脑脊液(Cerebrospinal fluid,CSF)蛋白电泳可见IgG寡克隆带(Oligoclonal bands,OCB)。IgG抗原识别呈多样性,有的识别髓鞘蛋白成份[15];有的识别病毒如EB病毒[16],据此认为B细胞免疫在MS发病中有重要作用。

2.2 IL-21和Th17 IL-21是可由活化的Th17分泌,而且相对其他的CD4+T细胞亚群,Th17更加有选择的通过STAT3途径产生IL-21,转录因子STAT3直接和Th17上IL-21基因的启动子结合,调控IL-21基因的表达[17]。尽管由抗原呈递细胞分泌的IL-6、TGF-β可以通过STAT3促进Th17的分化[18],但是抗体封闭实验证明Th17细胞分泌的IL-21也是Th17分化的重要途径,甚至在IL-6缺乏的动物模型上IL-21仍可诱导Th17的分化[19]。IL-21联合IL-6通过STAT3和孤核受体(orphan nuclear receptor,RORγ t)作用促进Th17的分化,并能增加IL-23R的表达,IL-23可以促进Th17的分化,并能维持Th17的存活[20,21]。Th17细胞分泌的IL-21的功能有重要的生物学意义,因为由 IL-6联合TGF-β促进分化的 Th17其IL-21/IL21R表达下降[19,22]。在用少突胶质细胞髓鞘磷脂糖蛋白(Myelin oligodendrocyte glycoprotein,MOG)35-55进行实验变态反应性脑脊髓炎(Experimental autoimmune encephalomyelitis,EAE)模型造模之前给予IL-21注射会加重神经系统损伤,而IL-21/IL-21R基因敲除的小鼠在同样进行造型后分泌IL-17的细胞减少,神经系统损伤较轻[19]。

2.3 IL-21和Treg IL-21并不直接作用于Treg,但是可以干扰CD4+CD25+Treg对CD4+CD25-T细胞的免疫抑制作用[23],也有研究认为IL-21与TGF-β联合、IL-21和IL-6联合可抑制Foxp3的表达,减少CD4+初始T细胞分化形成Treg[19]。IL-21抑制Treg的免疫调节作用具体是通过什么信号传导途径来实现目前还不清楚,但是无论通过什么机制减少IL-21的产生,增强Treg免疫调节功能作用,可能是一种潜在的治疗自身免疫性疾病的方法[24]。虽然理论上IL-21的水平升高可以抑制CD4+CD25+Foxp3+Treg的免疫调节功能,促进自身免疫反应,但是Piao等[25]在EAE模型鼠试验中却得出了相反的结果:封闭IL-21R却导致CD4+CD25+Treg的减少,他认为试验结果不同可能和EAE模型鼠的遗传背景的差异有关。

2.4 IL-21对B细胞分化的影响 IL-21对B细胞的增殖分化起重要的作用,IL-21有促进记忆性B细胞分化为CD138+浆细胞并促进浆细胞分泌抗体[26],该作用主要通过影响 Bcl-6、Blimp-1(B-lymphocyte-induced maturation protein-1),Pax-5的表达实现[27]。IL-21可以上调Blimp-1、下调Pax-5的表达使记忆性B细胞分化为浆细胞,而上调Bcl-6的作用可以使生发中心的B细胞分化为同型记忆性B细胞[28-30]。在缺乏IL-21R的小鼠中,免疫刺激后IgG1和IgG2b、IgG3的含量较免疫刺激后的正常小鼠血清含量减少,但是IgG2a、IgM的水平几乎未受影响。也有实验证明IL-21联合CD40mb对刺激B细胞分泌抗体的作用是IL-10的100倍[31,32]。造模前给予IL-21注射相对于PBS注射的小鼠行EAE造模后外周血IgG含量明显升高,而小鼠体内受Th2产生的细胞因子如:IL-4调控的IgG2a却未见明显变化,并且B细胞缺乏的小鼠EAE造模成功后给予IL-21则对肢体残疾程度未见明显影响[33]。

2.5 IL-21和IFN-γ NK细胞在MS和EAE模型发病中的意义目前不肯定,但是研究证实NK细胞可以通过杀伤靶细胞、产生一系列的细胞因子在自身免疫性疾病的病理机制中发挥重要的作用[34]。将小鼠NK细胞转移至IL-18基因敲除的NK细胞相对缺乏的小鼠体内,这些小鼠保持了对自身免疫性脑脊髓炎的易感性,而将IFN-γ缺乏的NK细胞转移至同种小鼠体内却没有保持这种特性[35]。NK细胞在MS发病中的作用和该细胞分泌的IFN-γ有关,IFN-γ使初始T细胞向Th1分化,促进EAE的发病[36,37]。在EAE模型上证实了在造模过程中注射IL-21可以提高NK细胞分泌IFN-γ的水平,促进Th1的分化[35]。

3 展望

IL-21是重要的免疫平衡调节因子,对Th17、Treg、B细胞、NK细胞的分化和功能均有影响,在自身免疫性疾病的发病中有重要意义。以往MS的免疫学研究很大部分将细胞免疫和体液免疫分开研究,未找到两者之间的联系。随着IL-21研究的深入,越来越多的证据表明,Th17细胞在MS病灶处的增多并分泌IL-21等细胞因子,一方面促进CD4+T细胞的分化,另一方面促进B细胞的分化可能是MS病理机制的一个重要因素,因此IL-21在MS发病中的作用值得去深入研究。但是IL-21在MS和EAE模型的发病机制中仍有很多问题悬而未决,如:IL-21可以诱导Th1免疫反应相关基因IFN-γ、T-bet(T box expressed in T cells)、IL-2Rα、IL-12Rβ2 、IL-18R 、髓样分化因子(myeloid differentiation factor88,MyD88)的表达[38],但是Wurster等[39]却得出了相反的结论认为IL-21主要是促进Th2反应的细胞因子,并抑制IFN-γ的分泌;另外,近年来一种新的CD4+细胞亚群被发现,其表型为CD4+CXCR5+CD40L+ICOS+T细胞,称之为滤泡辅助性T细胞(T follicular helper cells,Tfh),和Th17一样其分化依赖IL-6、IL-21,而且分泌IL-21[40],该细胞亚群在MS发病中的作用仍有待进一步探寻。

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