TGF-β 对T细胞发育分化的影响与运动性免疫抑制

张琳 郝选明

1 华南师范大学生命科学学院（广州 510631）

2 华南师范大学体育科学学院

运动员长期从事大强度的运动训练，会发生强烈的运动性免疫抑制现象，表现在运动员免疫功能显著降低，细胞免疫和体液免疫之间的平衡产生明显的漂移或极化，不仅直接影响运动员的运动能力和比赛成绩，而且会影响其运动寿命和身体健康。运动训练影响机体的免疫功能表现在免疫细胞（尤其淋巴细胞）数量、活性及功能的变化。从机理上讲，应该是长期的运动训练从某个或数个环节，通过特定生物信息系统影响到淋巴细胞的发育、增殖、分化和成熟。转化生长因子β(transforming growth factor-beta，TGF-β)是一种高度多效、功能复杂的生长与分化因子，它广泛地调节机体的生长、发育、修复、免疫和炎症等许多生理病理过程，对T细胞的发育具有很强的抑制作用，主要抑制其增殖和分化[1]。本文试图阐述TGF-β家族结构特征及其影响T细胞发育分化的重要作用，并从TGF-β信号控制T细胞发育分化的角度探讨运动免疫抑制的可能机理。

1 TGF-β及其受体的结构

已发现TGF-β有5种亚型，分别是TGF-β1～5。其中，哺乳动物主要表达TGF-β1～3，分别定位于 19， 1， 14 号染色体上[2]，由两个相同或相似的亚基组成，借助二硫键相连接，分子量为12.5kD。TGF-β 受 体 (TGF-β receptor，TβR)是 具有跨膜域的丝氨酸/苏氨酸激酶受体，已发现8种，目前研究比较清楚的为受体I、受体II和受体III，分子量分别为 55 kD、75 kD、280 kD[3]。信号传导时，TGF-β与TβRII结合后，TβRII自身发生二聚化，然后与TβRI形成异源四聚体，TβRII磷酸化 TβRI的 GS区，活化的 TβRI结合信号分子，通过Smad或者Factor associated suicide/Factor associated suicide ligand（Fas/FasL），B cell lymphoma/lewkmia-2（Bcl-2）等信号通路调控细胞的增殖和凋亡[4]。

2 TGF-β对早期T细胞发育的影响

关于TGF-β作为早期T细胞内源性调节因子的最有力的证据来自体内基因功能的实验[5]，该实验通过TGF-β基因信号删除、干细胞同源重组，或者通过种系特异性基因的靶向作用等技术进行了研究，实验中TGF-β的配体或受体信号受到干扰而失活，但最终的结果都能使T细胞激活，T细胞自发地产生效应细胞因子和组织浸润损伤；而且不论在定向的造血干细胞还是在T细胞中，上述效应都可发生。实验结果表明TGF-β可抑制早期T细胞的发育而使T细胞系失调。

有研究表明，TGF-β影响早期T细胞发育，与一些细胞因子影响细胞分化的效果有关。体外实验发现[6]TGF-β通过抑制白介素 2 （interleukin2,IL-2）和IL-7活性而抑制T细胞的发育。在对胎儿胸腺器官培养时加入TGF-β可导致T细胞分化受阻，表现为抑制了CD44+CD25-T细胞的发育和分化进程，减少CD44+CD25+和 CD44-CD25-等早期T细胞的表达。正常情况下，三阴性(TN)T细胞增殖时表达CD2，但CD3、CD4、CD8呈阴性，而加入TGF-β中和抗体抑制TGF-β活性后，这一状况被逆转[7]。胸腺上皮细胞表达TGF-β，可有效地阻止CD4--CD8loT细胞的增殖[8]。另外，在胸腺基质细胞中添加TGF-β的中和抗体，导致T细胞进入DNA合成期和合成后期/分裂期（S和G2/M）的细胞增加，表明TGF-β可影响T细胞的发育周期[9]。这些结果支持了TGF-β通过下调T细胞的增殖能力，抑制早期T细胞增殖。

3 TGF-β信号与T细胞增殖分化

成熟的T淋巴细胞进一步分化为辅助性T淋巴细胞（T helper lymphocyte， Th，CD4+/CD3+）和细胞毒性T淋巴细胞（cytotoxic T cell，Tc，CD8+/CD3+）。Th细胞可分化为Th1和Th2细胞。Th1细胞主要分泌IFN-γ、IL-2，Th2细胞主要分泌IL-4和IL-10。Th1和Th2细胞通过所分泌细胞因子进行交互调节。T细胞的增殖、活化依赖这些细胞因子及其受体（如 IL-2[10]、IL-6[11]和 IL-7[12]等对淋巴细胞的增殖和活化发挥重要作用），因而影响这些细胞因子受体表达水平或受体反应，可能是TGF-β抑制T细胞增殖的机制。

研究表明，TGF-β能抑制T细胞分化为Th和Tc细胞、诱导T细胞的凋亡[13]、抑制Th细胞分化为Th1细胞和Th2细胞[14]。TGF-β能直接通过抑制转录因子T-box expressed in T cells (T-bet)[15]和下游的IL-12应答[16]，抑制IL-12依赖的Th1分化。TGF-β通过T细胞下游的信号阻断Th1和Th2细胞分泌细胞因子，包括阻止磷酸化激酶、细胞内钙和MAPK级联的活化[17]。在体模型大多支持TGF-β抑制Th1应答的进程，TGF-β1及其受体缺失的小鼠IFN-γ和其它致炎细胞因子的产出量显著上升，特别是在造血干细胞池，T细胞表达显性负相的TβRII，导致Th1和Th2细胞因子的生成增加[18]。此外，TGF-β1 还可通过抑制 T-bet和 GATA binding protein3（GATA-3）表达，阻断Th1和Th2细胞的分化[19]。

4 TGF-β和调节性T细胞（regulatory T cells，Treg细胞）

目前，Treg细胞是免疫学领域研究的热点。Treg细胞具有诱导机体免疫应答低下和免疫抑制的功能，通过“主动”的方式抑制免疫系统对自身和外来抗原的应答，在维持机体免疫耐受和免疫应答稳态方面具有非常重要的作用。现已证实，除了CD4+Treg细胞外，一部分CD8+T细胞、CD4-CD8-T细胞、NKT细胞也具有免疫调节功能。CD4+Treg细胞根据其来源和抑制机制，可以分为天然产生 CD4+CD25+Treg细胞和诱导产生Treg细胞(如Th3、Trl细胞)。天然产生的Treg细胞抑制机制可能主要通过“感染免疫耐受”，是细胞接触依赖性及细胞因子非依赖性；而诱导产生的Treg细胞则主要为细胞接触非依赖性及细胞因子依赖性[20]。目前普遍认为CD4+CD25+Treg细胞起源于胸腺，主要证据是，小鼠出生3d内切除胸腺，成熟后外周无CD4+CD25+Treg细胞并患自身免疫性疾病。有研究推测是胸腺中CD4+T细胞受到中等强度的抗原刺激，活化后表达CD25分子并获得抑制性调节活性[21]。

TGF-β作为T细胞增殖、分化的抑制因子[22]，对这些调节性T细胞的发育[23]、亚型维持[24]和最终的效应功能[25]等起调节作用。Schramm等[26]发现高表达TGF-β转基因小鼠的外周和胸腺中CD4+CD25+T细胞数量明显增加；如果同时阻断其TGF-β信号则下降至正常值；相反，在单纯TGF-β信号缺陷转基因小鼠中，CD4+CD25+T细胞在外周淋巴组织中数量减少而胸腺无明显变化，这表明TGF-β对CD4+CD25+调节性T细胞的调控可能主要在外周而非胸腺。

如上所述，天然产生CD4+CD25+Treg细胞的抑制功能是细胞因子非依赖性的，但是当这种诱导产生的具有抑制功能的CD4+CD25+T细胞再去训导外周的初始 CD4+CD25-T细胞转化为具有抑制功能的CD4+CD25+T细胞，这种第二代CD4+CD25+T细胞的抑制功能依赖于IL-10和TGF-β，而所有上述的这些具有抑制功能的T细胞都表达forkhead box P3 （Foxp3）[27]。这些结果表明上述作用可能与Foxp3的表达有关。Foxp3是调节性T细胞发育过程中必需的特异性转录因子，特异地表达于Treg细胞，在Treg细胞的发育过程中发挥重要作用。TGF-β在体内能调节Foxp3并增加其表达，进一步表明TGF-β对维持CD4+CD25+T细胞的平衡十分重要。Fantini等人[28]通过TGF-β刺激初始CD4+T细胞后，发现smad7 mRNA表达上调，而在Foxp3+T细胞中，smad7 mRNA的升高则被抑制。由此说明TGF-β介导Foxp3表达可能与smad 7有关。

5 TGF-β与运动免疫抑制的可能机制探析

鉴于上述TGF-β在T细胞增殖、分化、成熟及其功能调节中的重要作用，在运动性免疫抑制的发生发展过程中，TGF-β将发挥其作用。运动影响TGF-β与T细胞发育和免疫抑制功能之间关系的研究在运动医学中尚未引起足够的重视。现有的文献多集中于TGF-β对机体免疫功能的影响，以及运动如何影响TGF-β表达水平及其与某些相关细胞因子相互作用的研究。

Elenkov等[29]认为，体内TGF-β水平变化与机体所处的环境有关：急性或慢性应激、长期应激停止后、剧烈运动时，以及怀孕和产后期，机体通过调节全身或局部的促/抗炎症因子，可以抑制/激活TGF-β活性。在对急性运动或长期训练的研究中发现，血清中 TGF-β1 水平上升[30]。Inoue 等[31]的研究表明，运动训练后，TGF-β被激活，大脑中自发性神经元活性受到抑制，这可能是机体产生疲劳感的诱因。Gosselin等的[32]研究也表明，运动损伤引起的炎症反应时，TGF-β水平上升。Serra等[33]认为，运动训练可以阻止促炎因子如TNF和IL-6的上升，升高IL-10水平，减弱TGF-β1 mRNA的表达。而García等的[34]研究表明，一次性大强度运动可通过增加中性粒细胞的吞噬能力和氧依赖性杀伤能力，从而提高机体炎症应答，但TGF-β没有发生明显变化。Hering等[35]对10名健康学生进行低强度训练后，进行4周的高强度运动，发现运动后两周TGF-β1浓度由基础值525 pg/ml上升至710 pg/ml ，其后2周慢慢下降到650 pg/ml，4周后下降到440pg/ml，表明大强度运动可短暂地提高血浆中TGF-β1的浓度，并且认为血浆中TGF-β1的升高部分是由于骨髓中潜在的TGF-β1（包括TGF-β1的前体分子和结合蛋白）的释放。

在对运动后血液中TGF-β1来源问题的研究中，Czarkowska-Paczek等[36]认为，运动后血清中TGF-β1水平的升高不是来源于心肌或骨骼肌。他们发现，6周训练可引起骨骼肌TGF-β1 mRNA明显升高，蛋白水平却下降，6周训练心肌中TGF-β1表达也没有明显变化；对未训练及大强度训练6周的大鼠进行一次性急性运动后发现，急性运动后即刻,未训练鼠骨骼肌TGF-β1 mRNA没有显著性变化，而训练组TGF-β1表达则下降。因此，运动训练后骨骼肌和心肌TGF-β1水平并没有升高。而Gavin等的[37]研究表明，5天的递增负荷大强度运动就可以明显提高骨骼肌内TGF-β基因表达水平。这提示：身体运动对骨骼肌TGF-β1基因表达可能是一个潜在的刺激因素，其蛋白水平并不一定会升高。运动中组织器官TGF-β1的表达是否存在一个阈值，它可能与运动强度、运动时间有关，具体机制尚需进一步的实验支持。

鉴于此，有必要对TGF-β与运动性免疫抑制关系进行深入研究。笔者认为应重视下述问题。

（1）T细胞发育的多个环节受到TGF-β调控，一旦T细胞亚群平衡遭受破坏(如CD4+/CD8+比例下降，Th1/Th2漂移等)， 就会引起免疫功能抑制。运动对TGF-β表达水平有什么影响，以及不同运动类型对TGF-β表达有何不同作用？运动对TGF-β影响又是通过哪些途径及机制来实现的? TGF-β表达水平的变化对T细胞发育有何影响？

（2）机体免疫功能是由神经、内分泌、免疫网络共同调节的，T细胞作为重要的免疫细胞，对维持机体细胞免疫功能具有重要作用。有研究表明，运动后大脑中的TGF-β可通过腹内侧和丘脑下核旁室的去甲肾上腺素能神经元提高脂肪的氧化能力[38]。那么，在运动训练条件下，TGF-β是否可通过下丘脑等神经通路或内分泌途径调节T细胞的发育过程，从而影响机体的免疫功能？

（3）运动训练过程中TGF-β浓度及活性在各组织或器官中的变化情况及其机制尚未明确。运动过程中TGF-β如何在这些组织或器官之间发挥独立和/或相互作用？通过哪些信号途径？这些信号途径对T细胞发育和功能有何影响？在运动性免疫抑制发生发展中在多大程度上发挥作用？

（4）研究表明[39]，TGF-β对于成纤维细胞和平滑肌细胞的作用与其浓度有关，低浓度时刺激其生长；高浓度时则起抑制作用。那么，在不同的身体运动过程中，TGF-β的浓度有什么变化？这些变化是否与运动强度、运动时间以及运动类型有关？而且TGF-β浓度的变化是否会影响到T细胞的分化与发育，进而影响运动性免疫抑制的发生与发展？

（5）由于TGF-β家族包含有5种亚型和8种受体，每种亚型及其受体的作用与结构类型也有差异。所以对一种亚型的研究并不能成为所有亚型的生物学作用及其对运动免疫机制的直接或间接证据。对于在运动应激引起的运动性损伤与修复机制中，TGF-β各亚型及其受体起何作用，哪种因子起着更重要的作用，其信号转导途径如何等，仍然需要更多的实验研究。

（6）TGF-β除了作为生长抑制性因子具有免疫抑制功能外，还可能作为抗炎因子，通过多种机制起到抗炎作用。通过补充TGF-β能否在运动训练中有效抗炎止痛，保护机体免受更严重的损伤，促进运动创伤的康复与治疗还有待证实。

总之，运动时TGF-β与T细胞发育分化时细胞亚群、细胞因子及其调控因素和免疫功能之间有着非常密切的关系，在运动性免疫抑制发生发展中可能起重要的调节作用。而这些问题的探讨有助于在运动训练过程中，选择适度的运动，以利于免疫功能的提高，抑制免疫功能的应激激素和亲炎性因子，稳定抗炎性细胞因子的水平，减少及抑制疾病的发生发展，并可为探讨运动性免疫抑制的机理与运动训练中运动性免疫抑制的调理提供新的思路和方法。

[1]Thomas DA, Massague J. TGF-beta directly targets cytotoxic T cell functions during tumor evasion of immune surveillance. Cancer Cell, 2005,8(5): 369-380.

[2]Blobe GC, Schiemann WP, Lodish HF. Role of transforming growth factor beta in human disease. N Engl J Med，2000, 342(18): 1350-1358.

[3]Yamada SD, Baldwin RL, Karlan BY. Ovarian carcinoma cell cultures are resistant to TGF-beta-mediated growth inhibition despite expression of functional receptors. Gynecol Oncol, 2002,75:72-77.

[4]Zhu S, Goldschmidt-Clermont PJ, Dong C. Transforming growth factor-beta-induced inhibition of myogenesis is mediated through Smad pathway and is modulated by microtubule dynamic stability. Circ Res, 2004, 94(5): 617-625.

[5]Kulkarni AB, Thyagarajan T, Letterio JJ. Function of cytokines within the TGF-beta superfamily as determined from transgenic and gene knockout studies in mice.Curr Mol Med，2002，2(3):303-27.

[6]Plum J, De Smedt M, Leclercq G, et al. Inf l uence of TGF-beta on murine thymocyte development in fetal thymus organ culture. J Immunol，1995，154(11):5789-5798.

[7]Mossalayi MD, Mentz F, Ouaaz F, et al. Early human thymocyte proliferation is regulated by an externally controlled autocrine transforming growth factor-beta 1 mechanism. Blood，1995，85(12):3594-3601.

[8]Takahama Y, Letterio JJ, Suzuki H, et al. Early progression of thymocytes along the CD4/CD8 developmental pathway is regulated by a subset of thymic epithelial cells expressing transforming growth factor beta. J Exp Med，1994，179(5):1495-1506.

[9]Mukamoto M, Kodama H. Regulation of early chicken thymocyte proliferation by transforming growth factorbeta from thymic stromal cells and thymocytes .Vet Immunol Immunopathol，2000，77(1-2):121-132.

[10]McKarns SC, Kaminski NE. TGF-beta 1 differentially regulates IL-2 expression and [3H]-thymidine incorporation in CD3 epsilon mAb- and CD28 mAb-activated splenocytes and thymocytes. Immunopharmacology，2000，48(2):101-15.

[11]Baroni T, Carinci P, Bellucci C, et al. Cross-talk between interleukin-6 and transforming growth factor-beta 3 regulates extracellular matrix production by human fibroblasts from subjects with non-syndromic cleft lip and palate. J Periodontol，2003，74(10):1447-1453.

[12]Tang J, Nuccie BL, Ritterman I, et al. TGF-beta downregulates stromal IL-7 secretion and inhibits proliferation of human B cell precursors. J Immunol，1997，159(1):117-125.

[13]Lin CM, Wang FH, Lee PK. Activated human CD4+T cells induced by dendritic cell stimulation are most sensitive to transforming growth factor-beta: implications for dendritic cell immunization against cancer. Clin Immunol，2002，102(1):96-105.

[14]Gorelik L, Constant S, Flavell RA. Mechanism of transforming growth factor beta-induced inhibition of T helper type 1 differentiation. J Exp Med，2002，195(11):1499-1505.

[15]Lin JT, Martin SL, Xia L, et al. TGF-beta 1 uses distinct mechanisms to inhibit IFN-gamma expression in CD4+T cells at priming and at recall: differential involvement of Stat4 and T-bet. J Immunol，2005，174(10):5950-8.

[16]Pardoux C, Ma X, Gobert S, et al. Downregulation of interleukin-12 (IL-12) responsiveness in human T cells by transforming growth factor-beta: relationship with IL-12 signaling. Blood，1999，93(5):1448-55.

[17]Chen CH, Seguin-Devaux C, Burke NA, et al. Transforming growth factor beta blocks Tec kinase phosphorylation,Ca2+inf l ux, and NFATc translocation causing inhibition of T cell differentiation. J Exp Med，2003，197(12):1689-99.

[18]Gorelik L, Flavell RA. Abrogation of TGF beta signaling in T cells leads to spontaneous T cell differentiation and autoimmune disease. Immunity，2000，12(2):171-81.

[19]McKarns SC, Schwartz RH. Distinct effects of TGF-beta 1 on CD4+and CD8+T cell survival, division, and IL-2 production: a role for T cell intrinsic Smad3. J Immunol,2005,174(4):2071-2083.

[20]Jonuleit H, Schmitt E. The regulatory T cell family ：distinct subsets and their interrelations. J Immunol, 2003,171 (12): 6323-6327

[21]Fehervari Z, Sakaguchi S. Development and function of CD25+CD4+regulatory T cells. Curr Opin Immunol,2004, 16(2):203-208.

[22]Li MO, Wan YY, Sanjabi S, et al. Transforming growth factor-β regulation of immune responses. Annu Rev Immunol, 2006, 24: 99-146.

[23]Wan YY, Flavell RA. Identifying Foxp3-expressing suppressor T cells with a bicistronic reporter. Proc Natl Acad Sci USA，2005，102(14):5126-5231.

[24]Marie JC, Letterio JJ, Gavin M, et al. TGF-beta1 maintains suppressor function and Foxp3 expression in CD4+CD25+regulatory T cells. J Exp Med，2005，201(7):1061-1067.

[25]Piccirillo CA, Letterio JJ, Thornton AM, et al. CD4+-CD25+regulatory T cells can mediate suppressor function in the absence of transforming growth factor beta1 production and responsiveness. J Exp Med，2002，196(2):237-46.

[26]Schramm C , Huber S, Protschka M, et al. TGF beta regulates the CD4+CD25+T-cell pool and the expression of Foxp3 in vivo. Int Immunol, 2004, 16: 1241-1249.

[27]Zheng SG, Wang JH, Gray JD, et al. Natural and induced CD4+CD25+cells educate CD4+CD25-cells to develop suppressive activity: the role of IL-2, TGF-beta, and IL-10. J Immunol，2004，172(9):5213-5221.

[28]Fantini MC,Becker C,Monteleone G, et al. Cutting edge:TGF-beta induces a regulatory phenotype in CD4+CD25-T cells through Foxp3 induction and down regulation of Smad7. J Immunol, 2004, 172(9): 5149-5153.

[29]Elenkov IJ, Chrousos GP. Stress hormones, proinf l ammatory and antiinf l ammatory cytokines, and autoimmunity.Ann N Y Acad Sci，2002，966:290-303. Review.

[30]Czarkowska-Paczek B, Bartlomiejczyk I, Przybylski J.The serum levels of growth factors: PDGF, TGF-beta and VEGF are increased after strenuous physical exercise. J Physiol Pharmacol，2006，57: 189-197.

[31]Inoue K, Yamazaki H, Manabe Y, et al. Transforming growth factor-beta activated during exercise in brain depresses spontaneous motor activity of animals. Relevance to central fatigue. Brain Res，1999，846(2):145-153.

[32]Gosselin LE, McCormick KM. Targeting the immune system to improve ventilatory function in muscular dystrophy. Med Sci Sports Exerc，2004，36(1):44-51.

[33]Serra AJ, Santos MH, Bocalini DS, et al. Exercise training inhibits inflammatory cytokines and more than prevents myocardial dysfunction in rats with sustained beta-adrenergic hyperactivity. J Physiol，2010，588(Pt 13):2431-2442. Epub 2010 May 4.

[34]García JJ, Bote E, Hinchado MD, et al. A single session of intense exercise improves the inf l ammatory response in healthy sedentary women. J Physiol Biochem，2010 Oct 9.[Epub ahead of print]

[35]Hering S, Jost C, Schulz H, et al. Circulating transforming growth factor beta1 (TGFbeta1) is elevated by extensive exercise. Eur J Appl Physiol，2002,86(5):406-410.

[36]Czarkowska-Paczek B, Zendzian-Piotrowska M, Bartlomiejczyk I et al. The effect of acute and prolonged endurance exercise on transforming growth factor-beta 1 generation in rat skeletal and heart muscle. J Physiol Pharmacol，2009，60(4):157-162.

[37]Gavin TP, Wagner PD. Effect of short-term exercise training on angiogenic growth factor gene responses in rats. J Appl Physiol，2001，90(4):1219-1226.

[38]Fujikawa T, Matsumura S, Yamada H, et al. Transforming growth factor-beta in the brain enhances fat oxidation via noradrenergic neurons in the ventromedial and paraventricular hypothalamic nucleus. Brain Res，2007，1173:92-101.

[39]Blobe GC, Schiemann WP, Lodish HF. Role of transforming growth factor β in human diseases. N Engl J Med，2000，342, 1350-1358.