陳 敏，彭克美，何 敏

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)科動(dòng)醫(yī)學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.信陽農(nóng)業(yè)高等?？茖W(xué)校動(dòng)物科學(xué)系，河南 信陽 464000）

白細(xì)胞介素21（interleukin－21，IL－21）是2000年P(guān)arrish－Novak報(bào)道發(fā)現(xiàn)的一種細(xì)胞因子[1]，IL－21序列和結(jié)構(gòu)與IL－2、IL－4、IL－15高度同源。IL－21通過IL－21受體（interleukin－21receptor，IL－21R）發(fā)揮生物學(xué)功能。IL－21R和IL－2、4、7、9、IL－15R同屬Ⅰ型細(xì)胞因子受體超家族，并共同享有γ鏈（γc）[2]。最初認(rèn)為IL－21僅由CD4＋T細(xì)胞產(chǎn)生，但近年來的研究表明 Th17、Tfh、NKT細(xì)胞也分泌IL－21[3]。雖然IL－21僅由淋巴細(xì)胞產(chǎn)生，但I(xiàn)L－21R分布于免疫細(xì)胞和非免疫細(xì)胞，提示IL－21具有廣泛的生物學(xué)功能[4]。近幾年的研究表明IL－21對(duì)免疫細(xì)胞的發(fā)育和功能發(fā)揮起到重要的調(diào)節(jié)作用。

1 IL－21與IL－21R的發(fā)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)特征和表達(dá)分布

IL－21的發(fā)現(xiàn)是基于人們對(duì)Ⅰ型細(xì)胞因子受體超家族的研究。由于Ⅰ型細(xì)胞因子受體超家族在胞外膜結(jié)構(gòu)域具有較高的氨基酸同源性和相似的分子結(jié)構(gòu)，這促使研究者基于同源性在已知的cDNA文庫中尋找新的Ⅰ型細(xì)胞因子受體家族成員及其相應(yīng)配基，2000年P(guān)arrish－Novak從EST文庫中篩選出一段具有Ⅰ型細(xì)胞因子受體同源結(jié)構(gòu)特征的序列，并克隆出全長cDNA，將其編碼的蛋白質(zhì)正式命名IL－21R，通過GenBank檢索發(fā)現(xiàn)與同年Ozaki等獨(dú)立報(bào)道的一種新的Ⅰ型細(xì)胞因子受體cDNA序列一致，隨后Parrish－Novak等利用活化的人CD3＋T細(xì)胞構(gòu)建cDNA文庫，并轉(zhuǎn)染至幼倉鼠腎細(xì)胞，通過激活轉(zhuǎn)染IL－21R的BaF3細(xì)胞系增殖能力為指標(biāo)篩選并克隆到IL－21R的配基，即IL－21[1－2]。

人IL－21基因位于染色體4q26－q27上，與IL－2、IL－15位于同一染色體上，距IL－2基因僅隔180kb。人IL－21cDNA編碼含162個(gè)氨基酸殘基的前體肽，成熟的人IL－21是一個(gè)包含131個(gè)氨基酸殘基的多肽，分子質(zhì)量為15ku，含有一個(gè)四螺旋的細(xì)胞因子結(jié)構(gòu)域。小鼠IL－21基因位于染色體3，緊鄰IL－2，相隔95kb，成熟的小鼠IL－21包含122個(gè)氨基酸殘基[1－2，5]。人和小鼠的IL－21氨基酸序列同源性達(dá)57%。其他動(dòng)物中，豬、牛、雞、犬的IL－21基因克隆已見報(bào)道[6－8]。最初的研究表明IL－21僅表達(dá)于激活狀態(tài)下的CD4＋T細(xì)胞，使用佛波醇豆蔻酸乙酸酯（PMA），離子霉素或抗CD3和CD28抗體可以誘導(dǎo)IL－21的表達(dá)。在CD8＋T細(xì)胞、CD19＋B細(xì)胞、骨髓DCs細(xì)胞、CD14＋單核細(xì)胞沒有發(fā)現(xiàn)IL－21的表達(dá)。體外和體內(nèi)試驗(yàn)研究顯示在CD4＋T亞型細(xì)胞中，IL－21選擇性表達(dá)于 TH2分化細(xì)胞[5]。目前的研究證實(shí)，IL－21也表達(dá)于Th17、Tfh和NKT細(xì)胞，進(jìn)一步支持IL－21對(duì)于免疫反應(yīng)的調(diào)節(jié)具有重要的作用[7]。

人IL－21R基因位于染色體16p11，包含9個(gè)外顯子，其cDNA編碼538個(gè)氨基酸殘基。小鼠IL－21RcDNA全長已克隆，編碼529氨基酸殘基，與人IL－21氨基酸水平同源性達(dá)62%[2，5]。應(yīng)用 Northern blot分析表明IL－21R主要分布于淋巴組織，包括脾、胸腺、淋巴結(jié)和外周血液淋巴細(xì)胞。流式細(xì)胞術(shù)和Northern blot分析顯示IL－21R也表達(dá)于B、T和NK源細(xì)胞系包括IM－9（B細(xì)胞），Jurkat（T 細(xì)胞），NK－92（NK 細(xì)胞）等[4]。研究表明 T 細(xì)胞、B細(xì)胞、NK細(xì)胞、NKT細(xì)胞，DC細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、角質(zhì)化細(xì)胞、腸成纖維細(xì)胞都有IL－21R的表達(dá)[6]。

2 IL－21信號(hào)通路

就目前的研究IL－21與IL－21R／γc結(jié)合后主要通過JAKs－STATs通路發(fā)揮生物學(xué)功能。依賴于細(xì)胞系的不同，IL－21R／γc可以激活不同的下游靶因子包括Jak1、Jak3、Stat1、Stat3、Stat4and Stat5。在人的 T 細(xì)胞系，IL－21誘導(dǎo)Jak1、Jak3、Stat1和Stat3的激活；在人的B細(xì)胞系，IL－21誘導(dǎo)Jak1、Jak3和Stat5的激活；而在人的NKT細(xì)胞系，IL－21誘導(dǎo)Stat1、Stat3和Stat4的激活[4，9]。

IL－21通過IL－21R和γc組成的復(fù)合物發(fā)揮生物學(xué)功能，IL－21R和γc共轉(zhuǎn)染的Ba－F3細(xì)胞導(dǎo)致具有更強(qiáng)的增殖能力，表明γc在IL－21R的全部功能發(fā)揮是必須的。研究表明在缺乏γc的情況下，IL－21R可以和IL－21結(jié)合，但信號(hào)無法向細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)導(dǎo)。γc的重構(gòu)可以恢復(fù)信號(hào)通路[10]。此外，使用抗γc抗體可以破壞IL－21誘導(dǎo)的反應(yīng)。雖然在缺乏γc的情況下，IL－21R仍然可以結(jié)合Jak1但不能導(dǎo)致其磷酸化反應(yīng)，表明γc在IL－21R復(fù)合物中的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)換是必須的[10]。

3 IL－21的免疫調(diào)節(jié)作用

機(jī)體免疫應(yīng)答的過程和水平必須適應(yīng)免疫防御的需要和維持生物的體內(nèi)穩(wěn)態(tài)，需要通過精確的免疫調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。免疫細(xì)胞的功能發(fā)揮受到多種因素調(diào)節(jié)，其中細(xì)胞因子發(fā)揮重要的作用。眾多的細(xì)胞因子形成網(wǎng)絡(luò)以調(diào)控恰當(dāng)而適度的免疫應(yīng)答。IL－21獨(dú)自或與其他細(xì)胞因子參與對(duì)各種免疫細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)，目前的結(jié)果分析表明IL－21免疫細(xì)胞功能的調(diào)控是復(fù)雜的，在免疫細(xì)胞不同狀態(tài)和階段中，不同其它細(xì)胞因子協(xié)同作用下，其調(diào)控作用不同。研究表明IL－21可影響體內(nèi)多種免疫細(xì)胞的增殖、生存、分化和功能，參與對(duì)免疫反應(yīng)穩(wěn)態(tài)平衡的調(diào)節(jié)，現(xiàn)分述于下。

3.1 IL－21對(duì)T細(xì)胞的調(diào)節(jié)

Parrish－Novak J等[1]在發(fā)現(xiàn)IL－21之初就證實(shí)IL－21顯著促進(jìn)抗CD3單抗誘導(dǎo)的胸腺細(xì)胞和外周血液中 T細(xì)胞的增殖。在IL－2、IL－15、IL－7的配合下，無論有無抗CD3單抗體的刺激，IL－21都可增強(qiáng)外周T細(xì)胞的增殖。在缺乏抗CD3或其他共刺激因子情況下，IL－21對(duì)T細(xì)胞的增殖沒有顯著的作用[11]。IL－21可促進(jìn)IL－15介導(dǎo)的鼠 CD4＋／CD8＋記憶型T細(xì)胞的增殖，隨之上調(diào)IL－2、IL－15和γ干擾素（IFN－γ）的受體，提示IL－21可調(diào)節(jié)記憶T細(xì)胞的功能[12－13]。IL－21顯著增強(qiáng)小鼠 T 細(xì)胞對(duì)異種抗原的反應(yīng)，獨(dú)自或與IL－2或IL－15協(xié)同作用下增強(qiáng)T細(xì)胞細(xì)胞毒作用和γ干擾素的產(chǎn)生[11，14]。T細(xì)胞體外細(xì)胞培養(yǎng)試驗(yàn)證實(shí)IL－21在IL－15或IL－18的協(xié)同作用下加 強(qiáng)IFN－γmRNA 的合成[15]。IL－21主要由活化的CD4＋T細(xì)胞產(chǎn)生，CD4＋T細(xì)胞作為輔助性T細(xì)胞，激活狀態(tài)下可以分泌各種細(xì)胞因子以引導(dǎo)形成適當(dāng)?shù)拿庖邞?yīng)答。由此提示激活狀態(tài)下CD4＋T細(xì)胞所產(chǎn)生的IL－21可能與其他的細(xì)胞因子協(xié)同作用，進(jìn)一步加強(qiáng)細(xì)胞免疫應(yīng)答強(qiáng)度。

3.2 IL－21對(duì)B細(xì)胞的調(diào)節(jié)

IL－21對(duì)于B細(xì)胞的增殖、生存和分化起到重要的作用。IL－21發(fā)現(xiàn)之初就證實(shí)和其他共刺激因子可以協(xié)同調(diào)節(jié)B細(xì)胞的增殖。IL－21在CD40協(xié)同刺激下促進(jìn)人初始B細(xì)胞的有絲分裂，抑制抗IgM 或IL－4誘導(dǎo)的增殖[1，16]。IL－21 在 LPS或抗IgM抗體協(xié)同作用下抑制小鼠B細(xì)胞增殖，IL－21能夠?qū)筁PS對(duì)B細(xì)胞增殖的T細(xì)胞依賴協(xié)同刺激作用，這表明IL－21在固有免疫反應(yīng)向適應(yīng)性免疫反應(yīng)轉(zhuǎn)換中起到重要作用[17]。IL－21能誘導(dǎo)抗原特異的B淋巴細(xì)胞的凋亡，參與了活化B淋巴細(xì)胞的自穩(wěn)調(diào)節(jié)，抗CD40抗體可以保護(hù)IL－21所介導(dǎo)的凋亡作用，可能通過誘導(dǎo)Bcl－XL、Bcl－2的表達(dá)來發(fā)揮作用[16]。IL－21介導(dǎo)的凋亡作用在 Bcl－2轉(zhuǎn)基因小鼠上能夠被阻斷。IL－21能夠調(diào)節(jié)B細(xì)胞的增殖和生存表明IL－21對(duì)于決定激活B細(xì)胞的命運(yùn)起到重要的作用[17]。從整體來說，當(dāng)前的研究結(jié)果提示IL－21促進(jìn)被抗原和Th細(xì)胞適當(dāng)激活的B細(xì)胞的生存和增殖，而抑制經(jīng)BCR接受非特異性的信號(hào)或經(jīng)TLR接受的強(qiáng)烈信號(hào)的B細(xì)胞的增殖并引起凋亡。此外，有研究報(bào)道IL－21可促進(jìn)B細(xì)胞分化成漿細(xì)胞和下調(diào)IgE的水平[18－19]。和野生型小鼠比較，IL－21R基因敲除的小鼠血清中IgE水平增高而IgG1水平降低[20]。這表明IL－21不僅調(diào)節(jié)激活的B細(xì)胞的增殖和凋亡，也能誘導(dǎo)B細(xì)胞產(chǎn)生抗體類型轉(zhuǎn)換，從而進(jìn)一步影響體液免疫應(yīng)答。

3.3 IL－21對(duì)NK細(xì)胞的調(diào)節(jié)

作為先天免疫系統(tǒng)的重要構(gòu)成，NK細(xì)胞在機(jī)體適應(yīng)性免疫發(fā)揮作用之前對(duì)病原微生物和腫瘤細(xì)胞的防御和清除起到重要的作用。IL－21R在靜息和激活狀態(tài)下的NK細(xì)胞都有表達(dá)，IL－21對(duì)NK細(xì)胞的增殖和功能起到調(diào)節(jié)作用。研究證實(shí)IL－21單獨(dú)或與IL－15及Flt3L協(xié)同作用均可促進(jìn)人骨髓源NK細(xì)胞的增殖、分化和成熟，增強(qiáng)已活化NK細(xì)胞的細(xì)胞毒活性[1，21]。在IL－15或IL－18的協(xié)同作用下，IL－21增強(qiáng)人 NK 細(xì)胞的γ－IFN的產(chǎn)生[15]。Kasaian M T[11]報(bào)道IL－21抑制IL－2或IL－15誘導(dǎo)的靜息狀態(tài)小鼠NK細(xì)胞的增殖，促進(jìn)激活狀態(tài)NK細(xì)胞的凋亡，同時(shí)促進(jìn)CD8＋T細(xì)胞的增殖、增強(qiáng)CD8＋T細(xì)胞的細(xì)胞毒性功能，但I(xiàn)L－21R敲除的小鼠的成熟NK細(xì)胞數(shù)量和功能正常，提示IL－21對(duì)于小鼠NK細(xì)胞的成熟不是必須的，可能在調(diào)節(jié)先天免疫反應(yīng)向適應(yīng)性免疫反應(yīng)過渡起到重要的作用。但Brady J等[22]報(bào)道IL－21誘導(dǎo)小鼠NK細(xì)胞成熟，用IL－21處理NK細(xì)胞時(shí)，NK細(xì)胞體積增大，胞內(nèi)顆粒增多，膜CD154的表達(dá)也顯著上調(diào)。Iannello A等[23]報(bào)道在健康和HIV感染的患者上IL－21可以通過激活STAT－3等增強(qiáng)NK細(xì)胞的功能，同時(shí)通過增加Bcl－2和Bcl－X－L的表達(dá)抑制NK細(xì)胞的凋亡。這表明IL－21對(duì)NK細(xì)胞的調(diào)節(jié)作用與NK細(xì)胞的來源種屬、激活狀態(tài)以及發(fā)育階段似乎存在差異，不同的細(xì)胞因子協(xié)同作用也影響IL－21對(duì)NK細(xì)胞的調(diào)節(jié)作用。總的來說IL－21主要增強(qiáng)NK的活性，增強(qiáng)天然免疫。

3.4 IL－21對(duì)樹突細(xì)胞的調(diào)節(jié)

樹突細(xì)胞（dendrite cell，DC）作為專職抗原遞呈細(xì)胞，由骨髓產(chǎn)生，未成熟樹突細(xì)胞廣泛分布于各個(gè)組織器官，受病原體刺激后遷移至次級(jí)淋巴組織并逐漸成熟，分泌細(xì)胞因子，啟動(dòng)并決定適應(yīng)性免疫應(yīng)答方向。IL－21能夠促進(jìn)骨髓造血干細(xì)胞源的樹突細(xì)胞發(fā)育，但抑制DC的成熟[24]。體外分化試驗(yàn)表明在IL－21存在條件下導(dǎo)致DC減少M(fèi)HCⅡ型分子的表達(dá)，降低抗原遞呈作用，限制了抗原依賴T細(xì)胞免疫反應(yīng)，這提示IL－21具有降低和終結(jié)免疫反應(yīng)的潛在作用。然而，有研究顯示IL－21處理后的DC促進(jìn)NKT細(xì)胞產(chǎn)生γ干擾素[25]，提示IL－21對(duì)DC的調(diào)控作用是復(fù)雜的，需要進(jìn)一步研究。

3.5 IL－21對(duì)巨噬細(xì)胞的調(diào)節(jié)

IL－21R在小鼠和人的巨噬細(xì)胞都有表達(dá)，提示IL－21可能也參與巨噬細(xì)胞發(fā)育和功能的調(diào)節(jié)，但相關(guān)研究報(bào)道較少。IL－21增強(qiáng)巨噬細(xì)胞產(chǎn)生趨化因子CXCL8／IL－8，增強(qiáng)巨噬細(xì)胞的吞噬作用和蛋白分解酶活性，增強(qiáng)巨噬細(xì)胞促進(jìn)抗原依賴性T細(xì)胞的增殖能力[26－27]。

4 展望

自2000年發(fā)現(xiàn)IL－21以來，眾多的研究報(bào)道表明IL－21在免疫細(xì)胞的發(fā)育以及免疫效應(yīng)的調(diào)節(jié)過程中均發(fā)揮重要作用，但這些調(diào)節(jié)往往是和其他細(xì)胞因子協(xié)同下發(fā)揮，有關(guān)IL－21在機(jī)體的免疫調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)疾病的病理機(jī)制中扮演何種角色仍然不甚清楚。迄今，有關(guān)IL－21的功能研究主要在人和小鼠開展，并且關(guān)注其對(duì)發(fā)育成熟的外周淋巴細(xì)胞的調(diào)控作用，而對(duì)中樞免疫器官內(nèi)培育階段的淋巴細(xì)胞的作用未見報(bào)道。IL－21是否在中樞免疫器官內(nèi)產(chǎn)生，是否對(duì)T、B淋巴細(xì)胞的分化、發(fā)育起到調(diào)控作用，IL－21在畜禽免疫系統(tǒng)中的作用與人和小鼠的是否一致，需要進(jìn)步一研究證實(shí)。因此，對(duì)畜禽IL－21的深入研究將有助于理解IL－21對(duì)免疫器官發(fā)育、功能的調(diào)節(jié)作用，為畜禽疾病發(fā)生、治療的機(jī)理研究以及科學(xué)飼養(yǎng)提供理論依據(jù)。

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