8T细胞介导的免疫应答

8T细胞介导的免疫应答 第四部分 获得性免疫应答 第八章 T细胞介导的免疫应答 致敏效应T细胞的产生 效应T细胞的一般特性 T细胞介导的细胞毒作用 致敏CD4 T1细胞激活巨噬细胞 H 第九章 第十章 抗感染的获得性免疫 病原体及其致病机制 获得性应答的抗感染过程 粘膜免疫系统 免疫记忆 1 第八章 T细胞介导的免疫应答 T细胞一旦在胸腺中发育成熟后，就进入血液并在其中循环。到达外周淋巴器官后，T细胞会离开血液迁移至淋巴组织，然后再返回血液，如此连续不断地在血液和外周淋巴组织间再循环，直到T细胞接触到特异性抗原。这些成熟但尚未接触特异性抗原的循环T细胞被称为初始T细胞(naive T cell)。初始T细胞要参与获得性免疫应答，必须首先接触抗原，然后被诱导增殖和分化成具有清除抗原能力的细胞，我们将这样的细胞称为致敏效应T细胞(armed effector T cells)，因为这些细胞一旦再次接触到其他细胞上的特异性抗原时就迅速发挥作用。我们将致敏效应T细胞所作用的细胞称之为靶细胞(target cell)。 本章主要介绍当初始T细胞初次遇到活化的抗原递呈细胞(antigen-presenting cell，APC)表面以肽-MHC复合物形式存在的特异性抗原后，是如何被激活并分化成致敏效应T细胞的。高度特化的树突状细胞(dendritic cell)是一类最重要的抗原递呈细胞，它们唯一已知的功能就是摄取和递呈抗原。组织树突状细胞摄取感染部位的抗原，活化后成为天然免疫应答的一部分，并迁移至局部淋巴组织中成熟，成为循环T细胞高效的抗原递呈细胞。这些成熟的树突状细胞可以通过称为协同刺激分子(co-stimulatory molecule)的表面分子来鉴别，这些表面分子与抗原协同作用从而活化初始T细胞。巨噬细胞(macrophage)——在第二章中是作为吞噬细胞来叙述的——提供了抗感染的第一道防线，活化后也能表达协同刺激分子和MHC ?类分子。这就使得巨噬细胞能够像抗原递呈细胞一样发挥作用，虽然它们在活化初始T细胞时不如树突状细胞那样有力。B细胞在有些情况下也能作为抗原递呈 成为了致敏效细胞。一旦T细胞应答启动后，摄取有特异性抗原的巨噬细胞和B细胞也就应性T细胞的靶细胞。树突状细胞、巨噬细胞和B细胞通常被称为专职抗原递呈细胞。 在第五章中提到，效应T细胞根据其识别的抗原肽来源的病原体种类不同，可以分为三个功能类型。对于那些在细胞质中增殖的胞内病原体来说，其抗原肽是由MHC I分子携带至细胞表面并递呈给CD8 T细胞。这些细胞能分化为细胞毒性T细胞(cytotoxic T cell)，杀伤感染的靶细胞。而对于在细胞囊泡中增殖的病原体，以及被细胞摄入的胞外菌和毒素来说，其抗原肽则由MHC ?类分子携带至细胞表面并递呈给CD4 T细胞。这类细胞能分化为两类效应T细胞，即T1和T2。大量聚集在巨噬细胞和树突状细胞囊泡中的病原体往往HH 刺激T1细胞分化，而胞外抗原往往刺激T2细胞的产生。T1细胞具有能激活巨噬细胞杀HHH 伤微生物的特性，同时诱导B细胞产生IgG抗体，这种抗体能够非常有效地增强吞噬细胞对胞外病原体的吞噬能力即调理作用。T2细胞通过激活初始抗原特异性B细胞产生IgMH 抗体启动体液免疫应答，接着刺激B细胞产生同种型抗体，包括IgA、IgE以及具有中和作用和/或弱调理作用的IgG抗体亚类。图8.1显示了针对不同病原体启动的免疫应答中所涉及到的不同效应T细胞。 细胞介导的免疫 体液免疫 破伤风杆菌 牛痘病毒 结核杆菌 金黄色葡萄球菌 流感病毒 麻风杆菌 代表性病原体 肺炎球菌 狂犬病毒 杜氏利什曼原虫 脊髓灰质炎病毒 李斯德杆菌 卡氏肺孢子虫 卡氏肺孢子虫 寄生位置 细胞质基质 巨噬细胞囊泡 胞外体液 效应T细胞 细胞毒性T细胞 T1细胞 T2/ T1细胞 HHH 肽-感染细胞的 肽-感染巨噬细胞的肽-抗原特异性B细抗原识别 MHC ? MHC ? 胞的MHC ? 2 特异性B细胞活化并效应作用 杀伤感染细胞 激活感染的巨噬细胞 产生抗体 图8.1 效应T细胞在特定病原体诱发的细胞免疫应答和体液免疫应答中的作用 细胞介导的免疫应答涉及细胞毒性T细胞对感染细胞的杀伤作用，或者是T1细胞活化的H巨噬细胞对胞内病原体的杀伤作用，以及主要清除细胞间的病原体。但T1细胞也能通过H诱导产生具有较强调理作用的抗体从而参与体液免疫，而T2细胞则通过激活初始B细胞H 分泌IgM从而启动体液免疫，并诱导产生其他同种型抗体包括调理作用较弱的IgG1、IgG3(小鼠)。IgG2、IgG4(人)，以及IgA和IgE(小鼠和人)。所有类型的抗体都参与了主要针对细胞间病原体的体液免疫。注意，在许多传染病中会同时涉及细胞介导的免疫应答和体液免疫应答，如对卡氏肺孢子虫的免疫反应，吞噬细胞和巨噬细胞在摄取抗原时需要抗体辅助，活化后才能有效清除摄取的病原菌。 初次免疫应答(primary immune response)包括初始T细胞接受抗原刺激而活化，以及随后的细胞增殖和分化过程。在产生致敏效应T细胞的同时，形成了免疫记忆，赋予机体抵抗同样病原体再次入侵时的保护能力。记忆性T细胞即对抗原做出迅速反应的长寿细胞，目前对记忆性T细胞产生机制的了解还不如对效应T细胞的了解，这将在第十章讨论。虽然记忆性T细胞在某些方面不同于初始T细胞，但是它们像初始T细胞一样平时是静止的，在重新成为效应T细胞时需要具有协同刺激活性的抗原递呈细胞的活化。 致敏效应T细胞在很多方面都不同于它们初始的前体细胞，因而使效应,细胞在遇到靶细胞上的特异性抗原时能迅速有效地作出应答。在这章的最后两节我们将讨论T细胞介导的细胞毒作用和致敏效应T细胞活化巨噬细胞时的特殊机制，以及细胞介导的免疫应答(cell-mediated immunity)的主要组成部分。而辅助T细胞对B细胞的活化作用、以及体液或抗体介导的免疫应答将在第九章论述。 致敏效应T细胞的产生 初始T细胞的活化必须先识别结合于自身MHC分子上的外源肽，但光靠T细胞本身这些条件还不足以使其活化，还需要由专职抗原递呈细胞同时提供协同刺激信号(co-stimulatory signal)才能活化T细胞。只有树突状细胞、巨噬细胞和B细胞能够同时表达MHC分子和细胞表面协同刺激分子，促进初始T细胞的克隆增殖，并分化为致敏效应T细胞。 成熟的树突状细胞是初始T细胞最有效的活化细胞，可以说树突状细胞在体内激活了大多数、也可能是全部的T细胞应答。正如我们在本章节中描述的，组织中未成熟的树突状细胞因摄取了感染部位的抗原而被激活，迁移至局部淋巴组织中发育为成熟的树突状细胞，表达高水平的协同刺激分子和粘附分子，当初始T细胞不断再循环经过淋巴组织时，这些分子介导了抗原递呈细胞与初始T细胞的相互作用。当初始T细胞首次接触抗原递呈细胞表面的抗原后发生的活化和克隆增殖过程我们常常称之为致敏(priming)，而将致敏效应T细胞针对相应靶细胞抗原产生的免疫应答称为致敏记忆T细胞(primed memory T cell)的应答。 8-1. 活化的抗原递呈细胞在外周淋巴器官中启动T细胞应答 获得性免疫应答启动的位置并不是病原生物最初入侵引起感染的部位，而是在初始T 3 细胞不断经过的外周淋巴组织中。病原生物或其产物是随淋巴液或者偶尔随血液从感染组织转运至淋巴组织的。从粘膜表面感染的病原生物则积聚到如肠的Peyer氏小体(Peyer's patches)或扁桃腺等淋巴组织中;脾脏捕获进入血液的病原生物;而外周器官中感染的病原生物则在感染部位下游的淋巴结中直接被截留(参见1-3节)。所有这些淋巴器官中都存在着专门摄取抗原的细胞并将这些抗原信息递呈给T细胞，其中最重要的就是树突状细胞，树突状细胞可以在感染部位摄取抗原后，迁移至下游的淋巴结中。 天然免疫应答积极参与了将抗原从感染部位携带至下游淋巴组织中以及随后递呈给初始T细胞的整个过程。在第二章中我们谈到，在感染部位的天然免疫通过非克隆型受体识别与病原体相关且非宿主细胞的分子模式而迅速启动反应。诱导产生天然免疫应答形式之一的炎症反应，血浆涌入感染组织中，随后大量组织液进入淋巴。另一种形式是诱导摄取了感染部位颗粒和可溶性抗原的组织树突状细胞发育成熟(图8.2)。树突状细胞可以通过受体与病原体成分的结合从而获得活化信号，也可以通过在炎症反应中产生的细胞因子而活化。树突状细胞迁移至淋巴结并表达必要的协同刺激分子，在抗原同时存在的情况下激活初始T细胞。巨噬细胞是一种组织中的吞噬细胞并分散在整个淋巴组织;而B细胞结合病原体成份后同样可以通过非特异性受体诱导表达出协同刺激分子，而作为抗原递呈细胞。因此，感染后引发的天然免疫应答加快了抗原向局部淋巴结的转运，并当初始T细胞循环经过该组织时，抗原递呈细胞能有效地将抗原递呈给这些T细胞。 外周组织中的树突状细胞 (图) 淋巴循环中的树突状细胞 (图) 淋巴组织中的树突状细胞 (图) 图8.2 未成熟树突状细胞摄取组织中的抗原 组织中未成熟的树突状细胞具有典型的树突状形态，伸出许多长的突起，见上图所示，组织经染色后其中MHC ?分子染成绿色，溶酶体蛋白染成红色。虽然在该图中很难区分出这些未成熟树突状细胞的细胞体，但可以看到细胞内含有许多内吞的囊泡，因为这些囊泡同时染上MHC ?分子的绿色和溶酶体蛋白的红色，当两种颜色合成时就成了黄色荧光。这些未成熟的树突状细胞活化后，就离开组织沿着淋巴管迁移至次级淋巴组织。在迁移过程中，树突状细胞的形态发生了改变，见中图所示。树突状细胞也停止吞噬抗原，在这张图上你可以开始看到，溶酶体蛋白的红色与MHC ?分子的绿色在分布上是有很大区别的。最后，树突状细胞在淋巴结中(见下图)发育成熟，表达高水平肽-MHC复合物以及协同刺激分子，能有效刺激CD4初始T细胞。此时树突状细胞不再有吞噬能力，又一次看到红色的溶酶体蛋白与绿色的MHC ?分子在分布上出现更大的差别，而MHC ?分子在许多树枝状突起中高密度地表达。照片由Mellman、P. Pierre和S. Turley提供，并得到《Nature》(388:787-792，1997)Macmillan Magazines Limited再版许可。 图8.3显示了树突状细胞、巨噬细胞和B细胞在淋巴结中的分布状况。树突状细胞主要存在于T细胞依赖区域，因其伸出许多指状突起而得名，这些指状突起在T细胞之间构成了分支网络。树突状细胞到达淋巴结后就丧失了摄取新抗原的能力。但它们可以成熟活化，递呈在感染部位摄入的抗原，是初始T细胞最有效的抗原递呈细胞。 树突状细胞 (并指突网状细胞) 4 (图)virus病毒; Virus infecting the dendritic (图) cell病毒感染树突状细胞 巨噬细胞 (图)细菌 (图) B细胞 (图)微生物毒素 (图) 图8.3 抗原递呈细胞在淋巴结中的分布 树突状细胞分布于整个淋巴结皮质的T细胞区域。巨噬细胞分布在整个淋巴结中，但主要分布在边缘窦和髓索中，边缘窦是由输入淋巴管在进入淋巴结之前交汇而成，而髓索是输出淋巴液在通过输出淋巴管进入血液前汇集的地方。B细胞主要分布于滤泡中。一般认为三类抗原递呈细胞适合于递呈不同类型的病原体或其产物，但成熟的树突状细胞是目前为止初始T细胞最有效的活化细胞。 巨噬细胞分布于淋巴结的很多区域，尤其是在边缘窦即进入淋巴组织的输入淋巴管汇集部位，还有在髓窦中，髓窦是输出淋巴管在流入血液前的汇集地。巨噬细胞在这些部位积极摄取微生物和颗粒抗原，防止这些外来物进入血液。由于大多数病原体都是颗粒状的，因此，T细胞区域中的巨噬细胞可以对多种来源的感染启动免疫应答。 最后是B细胞，B细胞通过其表面免疫球蛋白特异性地结合抗原，尤其擅长摄取可溶性抗原如细菌毒素，当再循环进入淋巴组织并集聚在淋巴滤泡中。抗原-受体复合物由受体介导的吞噬作用而内化，抗原的降解片段与MHC ?分子形成复合物后重新展示于B细胞表 表达协同刺激分子的话，则,细胞就能激活初始面。如果抗原特异性,细胞被诱导后也能 CD4 T细胞。但B细胞在启动获得性免疫应答时效率很低。这是因为只有那些具有相应受体特异性的B细胞才能内化和高频率地递呈特异性抗原，但这些细胞数量很少。因此B细胞要遇到识别同样抗原的特异性初始T细胞可能性就非常低了。 树突状细胞、巨噬细胞和B细胞的抗原递呈功能将在8.5至8.7节中详细讨论。这三类细胞只有表达了活化初始,细胞所必需的特殊协同刺激分子后，才能激活初始T细胞，而这些细胞只有在抗感染应答中被活化后才能表达协同刺激分子。树突状细胞能摄取、加工和递呈广泛的病原生物和抗原，是最重要的初始T细胞活化细胞，而巨噬细胞和B细胞则分别加工和递呈摄入的病原体抗原和可溶性抗原，也是致敏效应CD4 T细胞再次反应的靶细胞。 8-2. 初始T细胞流经外周淋巴组织时识别抗原递呈细胞表面的MHC-肽复合物 初始T细胞穿过特殊的、被称为高内皮细胞微静脉(high endothelial venules，HEV)的血管壁进入淋巴组织。它们连续不断地从血液循环进入淋巴器官，然后再返回到血液，每天在淋巴组织中与上千个抗原递呈细胞接触。初始T细胞通过接触使得它们有机会识别表达于抗原递呈细胞表面的MHC-肽复合物，这一点很重要，其原因有两个:首先，这种接触加强了T细胞对自身MHC识别的阳性选择过程，该过程已经在T细胞发育过程中发生过，正如我们在第七章讨论的，在T细胞的发育过程中，T细胞受体要经过与自身MHC-自身肽复合物相互作用能力的选择。通过这样选择后的所有成熟T细胞库中的T细胞，可以被结合于自身MHC的异己肽所活化。最近实验显示:在外周生存的T细胞也依赖于与自身MHC-自身抗原肽的相互作用(参见7.32节)，这些T细胞通过与树突状细胞上MHC-抗原肽复合物的相互作用有效地获得生存所必需的信号。因此，当初始,细胞移行经过外周淋巴组织时，通过与树突状细胞的相互作用从而获得生存信号。同时，通过识别MHC-抗原肽，使得每一 5 个T细胞都有很多机会遇到来源于任何感染部位的抗原肽。这对于启动获得性免疫应答是 46很关键的，因为10,10个初始T细胞中可能只有1个是识别特定抗原的特异性细胞，获得性免疫正是由如此少的抗原特异性T细胞活化和增殖后启动的(图8.4)。那些没有遇到相应抗原的T细胞最终则达到淋巴结髓质区，从这儿随着输出淋巴返回血液，继续再循环经过其他淋巴器官。如果初始T细胞识别了树突状细胞表面的相应抗原后，就停止迁移，开始了致敏效应T细胞的分化过程。初始T细胞分化成为效应T细胞要花费几天的时间。 迁移至感染部位。 分化完成后，致敏效应T细胞则离开淋巴器官、重返血液并 T细胞通过皮质高内皮细胞微静脉 进入淋巴结 (图) T细胞接触巨噬细胞 和树突状细胞递呈的抗原 (图) 没有遇到特异性抗原的T细胞 经淋巴管离开淋巴结 (图) 接触特异性抗原的T细胞增殖 并分化为效应细胞 (图) 图8.4 初始T细胞再循环经过外周淋巴器官时接触抗原 初始T细胞再循环经过外周淋巴器官，如图显示的是淋巴结，通过称之为高内皮细胞小静脉的血管上皮专门区域进入淋巴结。T细胞一离开血管首先进入的是淋巴结深皮质区，在此它们会遇到成熟树突状细胞。那些没有遇到相应特异性抗原的T细胞以绿色表示。它们通过与自身MHC-自身肽复合物相互作用从而获得生存信号后，经淋巴管离开淋巴结返回血液循环。而那些接触了抗原递呈细胞表面的特异性抗原后的T细胞(图中以蓝色表示)，则开始活化增殖并分化为致敏效应T细胞。现在这些抗原特异性致敏的效应T细胞已经增加了上百倍至上千倍，也通过输出淋巴管离开淋巴结进入血液循环。 8-3. 淋巴细胞的移行、活化和发挥效应功能依赖于细胞-粘附分子介导的细胞与细胞间的相互作用 初始,细胞流经淋巴结，就开始了与抗原递呈细胞的相互关系，这种相互关系依赖于细胞间非抗原特异性的结合。通过类似的方式最终引导效应T细胞进入外周组织，在与靶细胞的相互作用中发挥重要作用。T细胞与其他细胞的结合受到T淋巴细胞表面一系列粘附分子的控制，而这些粘附分子可以识别相互作用细胞表面互补的粘附分子。淋巴细胞相互作用涉及的主要粘附分子类型有选择素、整合素、免疫球蛋白超家族的成员和一些粘蛋白样分子。我们已经讨论过前三类粘附分子，它们在天然免疫应答中将中性粒细胞和单核细胞招募至感染部位(参见2-22节)。大多数粘附分子在免疫应答发生中具有广泛的作用。许多涉及淋巴细胞迁移以及致敏效应T细胞与相应靶细胞相互作用的粘附分子也参与了其他白细胞之间的相互作用。在涉及T细胞与B细胞相互作用的获得性免疫应答中，粘附分子起着促进淋巴细胞结合的重要作用。我们将在第十章讨论这个问题，我们还将谈谈对免疫应答的总体认识。 选择素可以表达在白细胞(L-选择素L-selectin，CD62,)或血管内皮(P-选择素P-selectin，CD62P和E-选择素E-selectin，CD62E)上(图8.5)，在白细胞归巢到特定组织 6 过程中起着特别重要的作用。表达于初始T细胞的L-选择素引导T细胞离开血液进入外周淋巴组织，而表达于感染部位血管内皮上的P-选择素和E-选择素则负责招募效应T细胞进入感染部位的组织中(参见2-21和2-22节)。选择素是一类具有共同核心结构的细胞表面分子，不同分子可以通过其胞外蛋白上存在的不同凝集素样结构域来区别(图2.34)。凝集素样结构域可以与特殊的糖基结合，每个凝集素则可以结合在细胞表面的一个糖类分子上。 XL选择素与糖类分子即硫酸盐化唾液酸化路易斯糖结合，即一种称之为血管地址素(vascular addressins)的粘蛋白样分子，表达在血管内皮细胞表面。其中有两个地址素如CD34和糖基化依赖性细胞粘附分子(GlyCAM-1)是表达在淋巴结高内皮细胞微静脉上的X硫酸盐化唾液酸化路易斯糖。第三个为粘膜地址素细胞粘附分子(MAdCAM-1)表达于粘膜内皮，引导淋巴细胞进入粘膜淋巴组织中，如肠系膜淋巴结。 粘蛋白样血 选择素 管地址素 xsulfated sialyl-Lewis:硫酸盐X初始T细胞 化唾液酸化路易斯糖， 高内皮细胞微静脉 L-Selectin:L-选择素 初始T细胞 L-Selectin:L-选择素 粘膜内皮细胞 图8.5 L-选择素和粘蛋白样血管地址素引导初始淋巴细胞归巢于淋巴组织 初始T细胞表达L-选择素以利于进入淋巴结，因为L-选择素能与高内皮细胞微血管表达的 X血管地址素CD34和GlyCAM-1上的硫酸盐化唾液酸化路易斯糖结合。现在还不清楚CD34和GlyCAM-1对这种相互作用的重要性。GlyCAM-1专一性表达在高内皮细胞微血管上，但缺乏跨膜区，不清楚它是如何粘附于细胞膜的;CD34有一个跨膜的锚着位点，以适当的糖基化形式仅表达于高内皮细胞微静脉的细胞上，虽然在其他细胞上发现CD34有不同的表达形式。地址素MAdCAM-1表达在粘膜的内皮上，引导淋巴细胞进入粘膜淋巴组织。图中代表的是小鼠MAdCAM-1，包含有插入细胞膜的IgA样结构域;人的MAdCAM-1有一个伸长的粘蛋白样结构域，但缺乏IgA样结构域。L-选择素识别血管地址素上的糖基。 图中:GlyCAM-1:糖基化依赖性细胞粘附分子-1(Glycosylation-dependent cell adhesion molecule 1);MAdCAM-1:粘膜地址素细胞粘附分子-1(mucosal addressin cell adhesion molecule-1)。 L-选择素与血管地址素之间的相互作用导致了初始T细胞特异归巢至淋巴器官的过程，但仅靠这些还不能使细胞通过内皮层障碍而进入淋巴组织。因此，需要另外两个家族如整合素家族和免疫球蛋白超家族的蛋白参与。这些蛋白在淋巴细胞与抗原递呈细胞的相互作用以及随后与相应靶细胞的相互作用中是至关重要的。 整合素是由细胞表面蛋白组成的一个大家族，介导细胞正常发育、免疫应答和炎症反应过程中细胞之间以及细胞与细胞外基质之间的粘附。接受信号后，整合素与相应配体紧紧结合导致细胞发生变形。例如，正如我们第二章所述，在白细胞迁移到炎症部位的过程中，趋化因子传递信号激活白细胞上的整合素，使之与血管表面紧紧结合。在T淋巴细胞迁移至淋巴器官以及活化T淋巴细胞迁移至感染部位时，趋化因子同样激活T细胞上的整合素。 初始T细胞在趋化因子SLC(secondary lymphoid tissue chemokine，次级淋巴组织趋化因子)的介导下迁移入淋巴组织。SLC可以由淋巴组织中的高血管内皮细胞、基质细胞和树突状细胞产生，与初始T细胞上的趋化因子受体CCR7结合。这两者相互作用的作用机制还不清楚，但能够提高整合素结合的亲和力，引导T细胞进入血液和淋巴组织。同样，T细胞与炎症部位产生的趋化因子相互作用引导效应T细胞移行进入组织。我们将在第十章讨论效应T细胞功能时再详细讨论这些内容。趋化因子不是唯一能上调整合素亲和力的信 7 号分子，本章后面内容我们会看到T细胞受体是如何介导T细胞的整合素与抗原递呈细胞上的相应配体紧紧结合的。 第二章已经介绍了整合素，在此我们 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 一下整合素最重要的特性。整合素分子是由较大的α链与较小的β链通过非共价键连接组成的异二聚体。主要根据共同链β的不同，整合素可分为几个亚家族。我们先看一下由共同的β2链和不同的α组成的白细胞整合素(leukocyte integrin)(图8.6)。所有T细胞都表达的β2链整合素，如淋巴细胞功能相关抗原-1(lymphocyte function-associated antigen-1，LFA-1)。该白细胞整合素也表达在巨噬细胞和中性粒细胞上，与这些细胞招募至感染部位有关(见2-21和2-22节)。在初始T细胞和效应T细胞移行离开血液循环时，LFA-1起了同样的作用。另外，在T细胞活化过程中，认为LFA-1是最重要的粘附分子，因为抗LFA-1的抗体能有效抑制初始T细胞和致敏效应T细胞的活化。 整合素 粘附分子 所有T细胞 抗原递呈细胞(APC) 初始细胞的亚群 粘膜上皮细胞 活化的效应T细胞 活化的内皮细胞 图8.6 整合素在T淋巴细胞粘附中起着重要作用 整合素是由α链和β链组成的异二聚体蛋白，β链定义整合素的亚家族，而α链则定义同一亚家族整合素的不同成员。α链比β链大并包含二价阳离子的结合位点，对信号传递非常重要。LFA-1是表达在所有T细胞甚至所有白细胞上的β整合素，与ICAMs结合，在介导细2 胞迁移的粘附作用以及T细胞与抗原递呈细胞或靶细胞之间相互作用中很重要，在致敏的效应T细胞上其表达水平增加。有个表达淋巴细胞Peyer氏小体粘附分子LPAM-1(整合素α:β)的初始T细胞亚群，通过与MAdCAM-1的相互作用促进粘附从而有利于T细胞归巢47 于粘膜。VLA-4是β整合素，能上调T细胞的活性。VLA-4与活化的内皮细胞上的VCAM-11 结合，在引导致敏效应T细胞进入炎症部位具有重要的作用，我们将在第十章进一步讨论。 图中:LFA-1:淋巴细胞功能相关抗原-1(lymphocyte function-associated antigen-1);ICAM-1:细胞间粘附分子-1(intercellular adhesion molecules -1);LPAM-1:淋巴细胞Peyer氏小体粘附分子(Lymphocyte Peyer's patch adhesion molecule -1);MAdCAM-1:粘膜地址素细胞粘附分子-1(mucosal addressin cell adhesion molecule-1);VLA-4:极迟活化抗原-4(very late activation antigen -4);VCAM-1:血管细胞粘附分子-1(vascular cell adhesion molecule -1)。 但令人惊讶的是，β2链缺陷的病人，即该病人缺乏所有含β2链的整合素如LFA-1，其T细胞反应是正常的。这可能的原因是T细胞也表达其他粘附分子，包括CD2和β1整合素，当缺乏LFA-1时这些整合素有替代作用。β2整合素在T细胞活化的后期表达量明显增加，因而常常被称为极迟活化抗原VLA(very late activation antigen);我们在第十章会看到VLA在引导致敏效应T细胞靶向相应炎症细胞时所起的重要作用。 许多细胞表面粘附分子属于免疫球蛋白超家族成员，也包括T细胞和B细胞的抗原受体，协同受体如CD4、CD8和CD19，以及MHC分子的恒定区。在T细胞活化中至少有五个免疫球蛋白超家族的粘附分子特别重要(图8.7)。其中的3个非常相似的细胞间粘附分子(intercellular adhesion molecules，ICAM)ICAM-1、ICAM-2和ICAM-3，都是与T细胞的整合素LFA-1结合。ICAM-1和ICAM-2表达在内皮细胞和抗原递呈细胞表面，淋巴细胞与这些分子的结合有助于迁移出血管壁。而ICAM-3仅表达在白细胞表面，认为在T细胞与抗原递呈细胞、尤其是树突状细胞粘附时具有重要作用。ICAM-3除了与LFA-1结合外，还能与最近发现的DC-SIGN凝集素高亲和力结合，而DC-SIGN发现只在树突状细胞上表达。另一对介导相互作用的免疫球蛋白超家族分子是抗原递呈细胞上的LFA-3与T细胞上 8 的CD2。该分子对的相互作用与分子对LFA-1和ICAM-1以及LFA-1和ICAM-2之间有协同效应。 分子名称 组织分布 配体 免疫球蛋白超家族 CD2(LFA-2) T细胞 LFA-3 活化的血管 LFA-1 ICAM-1(CD54) 淋巴细胞 Mac1 树突状细胞 在细胞粘附中有多(图) ICAM-2(CD102) 静止的血管 LFA-1 种作用， ICAM-3(CD50) 初始T细胞 DC-SIGN 是整合素的配体 淋巴细胞 LFA-3(CD58) CD2 抗原递呈细胞 VCAM-1(CD106) 活化的内皮细胞 VLA-4 图8.7 涉及白细胞间相互作用的粘附分子 有些结构上相似的粘附分子家族在淋巴细胞迁移、归巢以及细胞间相互作用时有一定功能。大多数内容已经在图2.34中介绍。树突状细胞上表达的一个新成员称为DC-SIGN的ICAM-3结合蛋白直到2000年才发现，很有意思的是该分子主要参与树突状细胞与T细胞的相互作用。 8-4 细胞粘附分子介导了T细胞与抗原递呈细胞最初的相互作用 当初始T细胞移行经过淋巴结的皮质区时，它们会与每个遇到的抗原递呈细胞发生短暂接触。抗原递呈细胞，尤其是树突状细胞可以有效地通过细胞间分子对的相互作用与,细胞结合，如,细胞上的LFA-1、CD2和ICAM-3与抗原递呈细胞上的ICAM-1、ICAM-2、LFA-3和DC-SIGN分子的相互作用(图8.8)。ICAM-3与DC-SIGN的结合是树突状细胞与T细胞之间相互作用中很独特的分子对，而淋巴细胞的其他分子在与三类抗原递呈细胞结合时都有协同作用。可能正因为这种协同作用，就很难区分每一个粘附分子的确切作用。LFA-1缺陷的病人能够有正常的T细胞应答，这种现象也同样出现在CD2缺陷的遗传工程小鼠中。由于存在着足够多的分子能介导T细胞粘附作用并产生免疫应答，因此缺乏其中某一个分子而功能并不受影响也就不足为奇了。这种分子多余现象也在其他复杂的生物过程中观察到。 图8.8 免疫球蛋白超家族的细胞表面分子在淋巴细胞 与抗原递呈细胞的相互作用中很重要 当T细胞与抗原递呈细胞开始接触时，CD2与抗原递呈细胞LFA-3的结合促进了LFA-1与ICAM-1和ICAM-2的结合。初始T细胞与树突状细胞间的相互关系中，其中有个关系比较独特，这就是初始T细胞上的ICAM-3与最近才发现称为DC-SIGN的特殊树突状细胞分子。DC-SIGN是C类凝集素，与ICAM-3的结合的亲和力很高。LFA-1是α:β类异源二聚体L2CD11a:CD18。LFA-3也称为CD58，ICAM-1为CD54、ICAM-2为CD102，ICAM-3为CD50。 图中:T cell:T细胞;antigen-presenting cell:抗原递呈细胞 初始T细胞与抗原递呈细胞的短暂结合是很重要的，它使得T细胞有机会扫描每个抗原递呈细胞上大量的MHC，并从中识别出特异性抗原肽。在极少数情况下，初始T细胞识别相应的抗原肽-MHC配体，并通过T细胞受体传递信号诱导LFA-1构象发生改变，以至于大大增加了与ICAM-1和ICAM-2结合的亲和力。同样，在白细胞移行至感染部位的过程 9 中，由趋化因子受体接收信号后也会诱导出现这种构象的变化(见2-20节)，尽管还不清楚其机制。LFA-1的构象变化稳定了抗原特异性T细胞与抗原递呈细胞两者的结合(图8.9)。这种结合可以持续好几天，在此期间初始T细胞增殖并产生子代细胞，而这些子代细胞也结合在抗原递呈细胞上，分化为致敏效应T细胞。 通过LFA-1与ICAM-1LFA-1构像的改变增加T细胞受体结合后向低亲和力的相互作用启和延长了细胞与细胞间LFA-1传递信号 动T细胞与APC的结合 接触的时间 (图)T cell T细胞; MHC class ?:MHC ?;(图) (图) antigen-presenting cell (APC)抗原递呈细胞 图8.9 特异性抗原的识别能稳定T细胞与抗原递呈细胞间短暂的相互作用 当T细胞与抗原递呈细胞上相应的特异性配体结合时，通过T细胞受体(TCR)转导进入细胞内的信号能诱导LFA-1构像发生变化，提高了与抗原递呈细胞上的ICAM分子结合的亲和力。这儿显示的是CD4 T细胞。 然而，大多数T细胞接触抗原递呈细胞后并不能识别其上的抗原。在这种情况下，T细胞必须能有效地与这些抗原递呈细胞分开，继续迁移通过淋巴结，最后经过输出淋巴管重新返回血液，继续循环。分离也与稳定结合一样，涉及,细胞与抗原递呈细胞之间的信号传递， 的了解还知之甚少。 但目前对其机制 8-5 初始T细胞克隆增殖需要抗原递呈细胞提供的特异性配体与协同刺激的双信号 我们在第三章中已经看到，致敏效应T细胞的活化需要其抗原特异性受体以及CD4或CD8协同受体与抗原肽-MHC复合物的结合。相反，T细胞受体与协同受体的自我交联则不能刺激初始T细胞增殖并分化成致敏效应T细胞。抗原特异性初始T细胞克隆增殖需要有第二信号或协同刺激信号(图8.10)，而且这个第二信号必须是由T细胞识别的同一个抗原递呈细胞提供的。在本章中我们会看到，CD8 T细胞要求的协调刺激信号比CD4 T细胞所要求的信号强，其克隆增殖需要识别同一个抗原递呈细胞的CD4 ,细胞的辅助。 特异性信号与协调刺激分子 MHC class ?:MHC ?; Antigen抗原; T-cell receptor T细胞受体; T cell T细胞 活化T细胞 图8.10 初始T细胞的活化需要两个独立的信号 如图，T细胞受体与肽-MHC复合物的结合，以及CD4协同受体给T细胞传递了一个已经接触抗原的信号(箭头1)。初始T细胞活化需要的第二个信号(箭头2)则由同一个抗原递呈细胞提供。 最典型的协同刺激分子是结构上相关的糖蛋白B7.1(CD80)和B7.2(CD86)。由于还不清楚两者之间存在的功能差别，我们将它们统称为B7分子(B7 molecule)。B7分子为同源二聚体，属于免疫球蛋白超家族成员，专一性地表达在能刺激T细胞增殖的细胞表面。将编码B7分子的基因转染成纤维细胞后，使其表达该T细胞的配体，结果显示该成纤 10 维细胞能够刺激初始T细胞克隆增殖，从而证明B7分子的协同刺激作用。T细胞上B7分子的受体是CD28，属于免疫球蛋白超家族的另一个成员(图8.11)。B7分子或抗CD28抗体与CD28的结合可以协同刺激初始T细胞的克隆增殖，而采用能抑制B7分子与CD28结合的抗B7抗体处理，则抑制了T细胞的应答。虽然有报道称，其他分子也有协同刺激初始T细胞的作用，但至今为止只有B7分子被证实在正常免疫应答中给初始T细胞提供了协同刺激信号。 图8.11 抗原递呈细胞上表达的重要协同刺激分子是B7分子， 与T细胞的CD28蛋白结合 T细胞通过T细胞受体(TCR)和协同受体CD4与抗原递呈细胞(APC)上的肽-MHC ?复合物的结合，得到了一个信号(箭头1)，只有当通过CD28与B7分子的结合获得了协同刺激信号(箭头2)时，才能诱导T细胞克隆增殖。CD28与B7分子都是免疫球蛋白超家族的成员。B7.1(CD80)和B7.2(CD86)属于同源二聚体，每条链都有一个免疫球蛋白V区(可变区)样结构域和一个C区(不变区)样结构域。CD28是由二硫键连接的同源二聚体，其每条链有一个V样结构域。 不过初始T细胞一旦活化，就表达多种有利于维持或修饰协同刺激信号的蛋白质，促进其克隆增殖与分化。其中一种膜蛋白就是CD40配体(CD40 ligand，CD40L)，如此称呼是因为它与抗原递呈细胞表达的CD40结合。CD40与CD40L的结合给T细胞传导活化信号，同时也活化抗原递呈细胞使其表达B7分子，进一步刺激T细胞增殖。CD40与CD40L 附分子在分化完全属于TNF家族的受体和配体，本章的后面内容我们将会讨论到，这对粘 的T细胞发挥效应功能时起着核心的作用。CD40L缺陷小鼠证明了它们在维持T细胞应答进程中的早期作用，免疫这些小鼠后发现反应T细胞的克隆增殖停止在早期阶段。另外一对协同刺激T细胞活化的TNF家族分子是T细胞上的4-1BB(CD137)分子及其相应配体4-1BBL，该配体表达在活化的树突状细胞、巨噬细胞和B细胞上，就像CD40L与CD40一样，这对受体-配体的相互作用具有双向效应，T细胞和抗原递呈细胞均可接受活化信号，有时将这个过程称之为T细胞与抗原递呈细胞的对话。 活化T细胞也能诱导表达CD28相关蛋白，在T细胞应答进程中具有修饰协同刺激信号的作用。CTLA-4(CD152)是B7分子的另一个受体。CTLA-4在序列上与CD28非常相似，这两个蛋白质的编码基因紧密连锁。但CTLA-4与B7分子的结合力比CD28与B7分子结合力要高20倍，并且向活化的T细胞传递抑制信号(图8.12)。这就降低了初始,细胞产生的活化子代对抗原递呈细胞刺激的敏感性，并限制自分泌的,细胞生长因子即白介素IL-2的产量。因此CTLA-4与B7分子结合的本质就是限制抗原和B7分子活化T细胞后的增殖反应。这可以通过破坏小鼠的CTLA-4基因来证明，这种小鼠会由于淋巴细胞的过量增殖而导致致死性疾病。 在初始T细胞的活化过程中CD28的 CTLA-4比CD28更能有效地与B7 交联传递了协同刺激信号，并诱导 (CD80或CD86)结合，并传递了 CTLA-4(CD152)的表达 活化T细胞的抑制信号 初始T细胞 活化的T细胞 (图)T-cell receptor:T细胞受体; antigen抗原; (图) MHC class ?:MHC ? 抗原递呈细胞 抗原递呈细胞 图8.12 T细胞通过T细胞受体和CD28而活化， 11 导致B7分子抑制受体CTLA-4的表达 初始T细胞表达CD28，当CD28与B7分子结合时就传递了协同刺激信号(左图)，导致接受了抗原递呈细胞递呈的特异性抗原刺激的T细胞开始活化并增殖。T细胞一旦活化，其CTLA-4(CD152)的表达水平就增加(右图)。CTLA-4比CD28结合B7分子的亲和力更高，因而CTLA-4结合了大部分或全部的B7分子，有效地降低了应答的增生期。 活化T细胞诱导表达的第三个CD28相关蛋白是诱导性协同刺激分子ICOS(inducible co-stimulator)，能增强T细胞应答，其已知的配体是LICOS(the ligand of ICOS)，明显不同于B7.1和B7.2分子。LICOS由活化的树突状细胞、单核细胞和B细胞产生，但其在免疫应答中作用还不清楚。在促进T细胞生长方面类似于CD28，但不同的是CD28诱导产生的是IL-2，而ICOS诱导产生的是IL-10(参见图8.32)。 因此，当抗原递呈细胞递呈抗原时，与相应T细胞之间进行了协同刺激的对话。这场对话涉及许多不同分子之间的信号传递和接受，但最早是由B7分子与初始T细胞上的CD28结合开始的。抗原递呈细胞通过天然免疫系统的受体获得感染存在的信息后，活化并表达B7分子。在初始T细胞活化过程中，只有当一个细胞同时传递特异性抗原信号和协同刺激信号时，也就是说只有活化的抗原递呈细胞主要是树突状细胞，当它结合和摄取病原菌后，活化并迁移进入淋巴结，才能启动T细胞应答。这是很重要的，因为并不是所有潜在的自我反应性T细胞都能在胸腺中被清除的，在胸腺细胞的阴性选择中，可能接触不到那些只有在外周组织中由特殊细胞降解蛋白质产生的肽。如果初始自我反应性T细胞识别了组织细胞上的自身抗原，然后又得到局部或远处的抗原递呈细胞的协同刺激的话，自我耐受就可能被打破。因此，要求一个细胞同时提供特异性抗原信号和协同刺激信号在防止对自身组织破坏性的免疫应答方面是很重要的。事实上，T细胞受体结合抗原时没有协同刺激信号，不仅不能活化T细胞，反而会诱导T细胞进入称之为无能(anergy)的状态，在这种状态下T细胞很难再被特异性抗原激活，即使这个抗原是由专职抗原递呈细胞递呈的(图8.13)。 病毒感染的树突状细胞 T细胞识别感染上皮 活化的T细胞杀伤 刺激初始T细胞 细胞上相同的抗原 感染的上皮细胞 (图)T cell:T细胞 (图) (图)kill杀伤 初始T细胞识别上皮 单独的特异性抗原 T细胞对APC上的 细胞上的自身抗原 信号诱导T细胞无能 抗原无应答 (图))T cell:T细胞 (图) (图) 图8.13 要求一个细胞既要提供特异性抗原的信号，同时又要提供协同刺激信号， 这对防止机体产生自身抗原的免疫应答是至关重要的 上图中，T细胞识别了抗原递呈细胞表面的病毒肽后，活化增殖并分化为效应细胞，能够清除任何病毒感染的细胞。但初始T细胞识别了一个不能提供协同刺激信号的细胞表面抗原后，就成为无能细胞。例如，当T细胞识别了表达在未感染上皮细胞上的自身抗原后，这个T细胞就不能分化为致敏效应细胞，也不能接受递呈同样抗原的抗原递呈细胞的进一步刺激。 现在我们已经讨论了分子的相互作用，这些相互作用使得初始T细胞与抗原递呈细胞发生短暂粘附，并扫描其上的MHC-抗原肽复合物，一旦遇到特异性抗原，抗原递呈细胞提供的粘附分子和协同刺激分子也就激活T细胞。我们将进一步了解三类抗原递呈细胞特性。树突状细胞、巨噬细胞和B细胞在抗原摄取时的选择性、抗原递呈的特性以及协同刺激和迁移行为等方面是不同的，因而它们在启动T细胞应答时也具有不同的功能。 12 8-6 树突状细胞擅长于摄取抗原并激活初始T细胞 树突状细胞唯一已知的功能是将抗原递呈给T细胞，在淋巴组织中发现的成熟树突状细胞是至今为止最有效的初始T细胞激活者。但在大多数上皮层以及大多数实体组织器官中如心脏和肾脏，发现的未成熟树突状细胞则不具有这种能力。树突状细胞来源于骨髓的髓样前体细胞，然后通过血液循环从骨髓迁移至外周组织。在这些组织中，它们呈现未成熟的表型，如低水平表达MHC蛋白，并缺乏B7协同刺激分子(图8.14上图)。它们还不足于刺激初始T细胞活化。但它们像其近亲巨噬细胞一样，可以通过受体识别微生物表面的共同特征，从而具有识别和摄取病原生物的能力，它们可以利用如DEC205的受体通过吞噬作用积极摄取抗原。其他胞外抗原可以通过非特异性的巨胞饮作用(macropinocytosis)摄入，在此过程中会吞入大量周围的液体。 外周组织中的未成熟树突状细胞 (图)MHC class ?:MHC ?; MHC class ?:MHC ? 淋巴组织中的树突状细胞 (图)MHC class ?:MHC ?; MHC class ?:MHC ? (图) 图8.14 树突状细胞至少通过两个明显的阶段， 成熟分化为淋巴组织中有效的抗原递呈细胞 树突状细胞来源于骨髓的前体细胞，通过血液循环迁移至外周组织和器官，在此，树突状细胞具有较强的吞噬能力，可以通过受体如DEC205进行吞噬，而且巨胞饮作用也较活跃，但不表达协同刺激分子(上图)。树突状细胞在感染部位摄取抗原后，被诱导迁移通过输入淋巴管进入局部淋巴结(见图8.15)。在淋巴结中，它们表现出高水平激活T细胞的潜能，但不再具有吞噬能力了。淋巴组织中的树突状细胞表达B7.1、B7.2分子和高水平的MHC ?类和MHC ?类分子，以及表达高水平的粘附分子ICAM-1、ICAM-2、LFA-1和LFA-3(中图)。它们也表达高水平的、树突状细胞特异性粘附分子DC-SIGN，能高亲和力结合ICAM-3。照片显示的是成熟树突状细胞。照片由J. Barker提供。 皮肤的朗罕氏细胞(Langerhans' cells)是典型的未成熟树突状细胞，这是一类活跃的吞噬细胞，胞内含有大颗粒称之为Birbeck颗粒(Birbeck granule)，可能是一种吞噬小体。感染触发朗罕氏细胞迁移至局部淋巴结(图8.15和图8.2)，在淋巴结中，它们迅速丧失了摄取和加工抗原的能力，但会合成新的MHC分子，高水平地递呈抗原肽。当这些细胞一进入局部淋巴结时，就表达能协同刺激初始T细胞的B7分子，以及表达大量的粘附分子，促进与抗原特异性T细胞之间的相互作用。通过这种方式，朗罕氏细胞摄取了入侵病原生物的抗原，并分化为成熟的树突状细胞，专一递呈抗原、激活初始T细胞。 朗罕氏细胞进入淋巴皮肤中的朗罕氏细胞 朗罕氏细胞离开皮肤 B7阳性树突状细胞 结分化为表达B7分摄取抗原 进入淋巴系统 刺激初始T细胞 子的树突状细胞 (图) (图) (图) (图) 图8.15 朗罕氏细胞能够摄取皮肤中的抗原并迁移入淋巴器官，将抗原递呈给T细胞 朗罕氏细胞可以通过多种方式摄取抗原，但没有协同刺激活性。发生感染时，它们在皮肤的 13 局部摄取抗原，然后迁移至淋巴结。在淋巴结，它们分化为不再有吞噬能力的树突状细胞，但此时具有了协同刺激活性。 未成熟树突状细胞在外周组织中逗留的时间长短不一。当感染发生时，这些细胞受到刺激后通过淋巴循环进入局部淋巴组织，从而出现完全不同的表型。淋巴组织中的树突状细胞再也不能通过吞噬或巨胞饮作用摄取抗原了。但它们立刻表达超高水平、长寿的MHC I和MHC ?分子，能够稳定递呈来源于感染病原生物蛋白的抗原肽。同时它们还表达超高水平的粘附分子，包括DC-SIGN分子，以及表达高水平的B7分子(图8.14中图)。分泌特异性吸引初始,细胞的趋化因子，即只有淋巴组织中的树突状细胞才分泌趋化因子DC-CK。这些特征有助于解释树突状细胞为什么具有较强活化初始T细胞的能力。 虽然活化的成熟树突状细胞也递呈一些自身抗原肽，但T细胞受体库已经在胸腺中被递呈有自身抗原的树突状细胞净化过，因此就避免了T细胞对到处存在的自身抗原产生免疫应答(见第七章)。另外，那些没有被感染激活的组织树突状细胞，在到达其生命终点时也通过淋巴循环进入淋巴组织。由于它们不表达合适的协同刺激分子，因此这些细胞就诱导了对其细胞表面递呈的自身外周组织抗原产生耐受。 很明显，组织树突状细胞在摄取抗原后，其活化、移行和成熟所涉及的信号是决定获得性免疫应答是否启动的关键因素。这些信号可以通过与病原生物直接的相互作用而产生，或者通过细胞因子的刺激而产生，但这两种情况下都认为是天然免疫系统通过非克隆型受体识别了入侵病原生物的结果。最好的解释例子是对革兰氏阴性菌的反应，革兰氏阴性菌的细胞壁含有脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)。在树突状细胞和巨噬细胞上发现有识别LPS的受体，属于Toll样信号受体TLR-4，后继激活转录因子NF-κB(参见2.17和6.15节)。通过这条通路的信号可以诱导B7分子和细胞因子如TNF-α的表达，刺激组织树突状细胞的迁移。因此，一个未成熟的组织树突状细胞当结合并内化革兰氏阴性菌后，就被诱导迁移至局部淋巴组织，将细菌来源的抗原肽递呈给初始T细胞。组织树突状细胞上还表达TLR家族的其他成员，有人认为这些受体与感知其他类型的病原体以及信号传递有关。其他类型的受体如能够结合病原体的补体受体、或吞噬受体如甘露糖受体等也表达在树突状细胞表面，可能参与了这些活化过程。 有些进化后可以逃避吞噬受体识别的病原体，可以由组织树突状细胞通过巨胞饮作用而摄取，然后递呈给T细胞。通常认为病原体在细胞内降解时暴露出某些成分激活了树突状细胞以后才发生上述作用。含有未甲基化CpG二核苷酸基序的细菌DNA可以诱导树突状细胞迅速活化，这个过程可能发生在胞内受体TLR-9识别了此DNA后。裸露的细菌DNA可以激活NF-κB和丝裂原激活的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAP激酶)信号通路，导致细胞因子如IL-6、IL-12、IL-18和干扰素IFN-α、IFN-γ的产生。这些细胞因子反过来诱导和增强了协同刺激分子的表达。细菌性热休克蛋白是另外一种能够激活树突状细胞抗原递呈功能的细菌内源成分。有些病毒据认为是在树突状细胞内部被识别的，是它们在复制过程中产生了双链RNA的结果。正如2.25节讨论的，病毒感染也诱导了感染细胞产生IFN-α。IFN-α是一种能激活树突状细胞表达协同刺激分子的细胞因子。 树突状细胞很可能在刺激T细胞抗病毒的应答中起着特别重要的作用，因为病毒不能诱导其他类型的抗原递呈细胞表现出协同刺激活性。病毒可以通过结合于细胞表面的任何一种特定分子而感染树突状细胞，或被未成熟树突状细胞吞入但不遭破坏。这种病毒可以利用树突状细胞本身的蛋白质合成机制来合成它自身的蛋白质，像其他类型的感染细胞一样，可以通过MHC I分子在感染细胞表面表达病毒肽。当病毒颗粒被吞噬受体例如能识别多种病毒的甘露糖受体所识别、或通过巨胞饮作用而摄入后，病毒肽既能被MHC I分子递呈，也能被MHC ?分子递呈。有关降解内粒体途径中的病毒蛋白后产生的抗原肽是如何被MHC I 14 分子递呈的机制还不清楚，事实上是否只存在这样一种机理也不清楚。但有一点是清楚的，就是树突状细胞摄取的胞外蛋白经降解后产生的肽是可以被MHC I分子递呈的。通过这条途径，那些不能感染树突状细胞的病毒仍然能启动有效的免疫应答。因此，任何病毒感染的细胞都能激活初始CD8 T细胞，使之形成细胞毒性CD8效应T细胞，从而杀伤感染细胞，同时这些感染细胞也能激活CD4 T细胞，从而刺激抗体的产生。 树突状细胞被认为能够递呈真菌来源的抗原，就像递呈病毒和细菌类病原微生物来源的抗原一样。事实上，它们能够针对来源广泛的病原生物启动免疫应答，而且能够区别不同类型病原生物之间的差别。反应在活化的树突状细胞可以合成不同的效应分子，而这些不同分子影响应答的T细胞分化为不同的亚类，这部分内容将在10.5节中作进一步讨论。除了递呈病原体相关的抗原外，树突状细胞还能递呈吸入体内的外周环境中的蛋白质，引起过敏反应(见第十二章)，以及递呈来源于移植物的同种抗原，这是移植排斥的基础(见第十三章)。一般而言，任何异己抗原都具有免疫原性，一旦树突状细胞摄取和递呈这些抗原后，就会活化、迁移至附近淋巴组织中并成熟。树突状细胞的正常生理作用是移行，受到像移植这样的刺激后移行增加，活化淋巴管内层细胞，这就是为什么树突状细胞能有效地激活同种异体移植反应的原因。 8-7 巨噬细胞是清道夫细胞，在病原体的诱导下将外来抗原递呈给初始T细胞 正如我们在第二章学习的，吞噬细胞通过吞噬清除了许多进入体内的微生物，为机体抗感染提供了天然的、非抗原特异性的第一道防线。吞噬细胞这种消灭微生物的方式无需T细胞辅助，不引起疾病，也不需要启动获得性免疫应答。已经证明病原生物发展了能够逃避天然免疫清除的机制，而靶向性地清除这些病原体正是获得性免疫应答的功能。单核吞噬细胞或巨噬细胞可以限制和吞噬微生物，但不能消灭它们，但它们可以作为抗原递呈细胞参与获得性免疫应答。我们将在这章的后面以及第十章看到，获得性免疫应答能反过来刺激这些细胞的吞噬能力和杀伤微生物的能力。 静止的巨噬细胞表面不表达或很少表达MHC ?分子，也不表达B7分子。摄取微生物并识别了外源分子模式后可以诱导细胞同时表达MHC ?分子和B7分子。巨噬细胞像组织树突状细胞一样有识别微生物表面成分的多种受体，包括甘露糖受体、清道夫受体(scavenger receptor)、补体受体和一些Toll样受体(见第二章)。这些受体在巨噬细胞所介导的天然免疫防御中的功能，涉及通过吞噬作用摄取微生物以及传递释放前炎症细胞因子的信号，前炎症细胞因子的作用是招募和活化更多的吞噬细胞。另外，巨噬细胞能够发挥组织树突状细胞相同的作用，因而其功能是作为抗原递呈细胞。巨噬细胞一旦俘获微生物，就会将其吞噬并在内粒体和溶酶体中降解，产生能由MHC ?分子递呈的肽。与此同时，识别这些微生物的受体就转导信号，导致MHC ?分子和B7分子的表达。 因此，在树突状细胞和巨噬细胞中都出现由共同的微生物组成诱导出协同刺激活性的现象。这就使人相信免疫系统能够区分是感染病原体所携带的抗原，还是无害蛋白相关的抗原，包括自身抗原。事实上，仅注射蛋白质的话，许多外源蛋白并不引起免疫应答，推测可能是因为这些蛋白质不能诱导抗原递呈细胞产生协同刺激活性。但如果将同样的蛋白质抗原与细菌混合后，这些蛋白质则成为免疫原，因为细菌诱导了摄取这些蛋白的细胞产生了基本的协同刺激活性(图8.16)。这种方式中使用的细菌称之为佐剂(adjuvant)(见附录I的A-4)。我们将在第十三章看到当自身组织蛋白与细菌佐剂混合后是如何诱导出自身免疫病的，这种现象说明了协同刺激活性的调节在区分自身与异己中具有至关重要的作用。 没有细菌的蛋白质抗原 细菌 细菌和非细菌蛋白质 15 (图) nonbacterial protein非细菌(图) (图) 型蛋白质; bacteria细菌 macrophage巨噬细胞 未受刺激的巨噬细胞不能细菌刺激巨噬细胞给识细菌刺激巨噬细胞给识别 给识别非细菌型蛋白的T别细菌抗原的T细胞提供非细菌抗原的T细胞提供 细胞提供协调刺激信号 协调刺激信号 协调刺激信号 (图) macrophage巨噬细胞; (图) (图) MHC class ?:MHC ?;T-cell:T细胞 T-cell:T细胞 T-cell receptor:T细胞受体; T-cell:T细胞 细菌蛋白特异性 非细菌型蛋白特异性 无能的T细胞 T细胞增殖并分化 T细胞增殖并分化 图8.16 微生物能诱导巨噬细胞的协同刺激活性 细菌成分能诱导巨噬细胞产生协同刺激活性，但在缺乏细菌成分的情况下，巨噬细胞摄取并递呈的蛋白质抗原，只能引起抗原特异性T细胞进入无能状态(很难活化)。许多细菌能诱导抗原递呈细胞表达协同刺激分子，巨噬细胞则将这种细菌降解后产生的抗原肽递呈并活化初始T细胞。当细菌与蛋白质混合时，这些蛋白质抗原就表现出免疫原性，因为细菌诱导抗原递呈细胞表达了协同刺激分子B7。这样加进去的细菌起到了佐剂的作用(见附录I的A-4)。 由于巨噬细胞要不断地清除死亡或垂死的细胞，这些细胞是自身抗原丰富的源泉，因此在没有微生物感染的情况下，巨噬细胞不能激活T细胞就显得非常重要。尤其是肝窦中的枯否氏细胞和脾脏红髓中的巨噬细胞，每天要清除血液中大量的垂死细胞。枯否氏细胞几乎 分子，也不表达传递LPS信号的TLR-4即人类细胞的Toll样受体。因此，不表达MHC ? 虽然在巨噬细胞内粒体和溶酶体中产生有大量的自身抗原，但这些巨噬细胞不可能引发自身免疫病。 8-8 B细胞能有效地递呈结合于表面膜免疫球蛋白的抗原 巨噬细胞不能有效地摄取可溶性抗原，而未成熟树突状细胞能够通过巨胞饮作用从胞外液体中摄取大量抗原。与此相反，B细胞则通过其细胞表面免疫球蛋白尤其适合于结合特异性的可溶性分子。B细胞通过其表面的免疫球蛋白受体结合抗原并内化，然后以抗原肽-MHC ?复合物的形式递呈肽片断。由于这种递呈抗原的机理很有效，且B细胞组成性地表达高水平的MHC ?分子，因此在B细胞表面能产生高水平的特异性肽-自身MHC ?的复合物(图8.17)。B细胞通过这条抗原递呈途径成为抗原特异性CD4 T细胞的靶向细胞，能够诱导T细胞的分化(见第九章)。在这种环境下，递呈抗原的B细胞也被诱导表达协同刺激分子，这也保证了B细胞能激活初始T细胞。 抗原特异性B细胞 特异性抗原通过受体介递呈高密度的 与抗原结合 导的内吞被有效内化 特异性抗原片段 (图) (图) (图) 图8.17 B细胞利用其免疫球蛋白受体能非常有效地将特异性抗原递呈给T细胞 B细胞的表面免疫球蛋白能非常有效地结合和内化特异性抗原。内化的抗原在胞内囊泡中加工处理并与MHC II分子结合。然后这些囊泡被输送至细胞表面，这种MHC II-抗原肽复合 16 物可以被T细胞识别。当蛋白质抗原不能被B细胞特异性识别时，其内化作用效率很低，随后在B细胞表面只递呈低密度的蛋白片段(没有显示)。 B细胞并不组成性地表达协同刺激分子，但像树突状细胞和巨噬细胞一样，各种微生物成分可以诱导B细胞表达B7.1，尤其是B7.2。事实上，B7.1正是在微生物脂多糖活化的B细胞上首先发现的表达分子。这些结果有助于解释机体对可溶性蛋白如卵白蛋白、鸡卵白溶菌酶和细胞色素C产生免疫应答时，要同时注射细菌佐剂的原因，可能这些可溶性蛋白要求B细胞作为其抗原递呈细胞。 B细胞需要诱导才能产生协同刺激活性，这也有助于解释为什么B细胞虽然能够有效地递呈可溶性蛋白，但它们不可能在没有感染的情况下启动针对自身可溶性蛋白的免疫应答。在缺乏协同刺激的情况下，抗原不仅不能激活初始T细胞，而且会使T细胞成为无能(anergic)，或无反应(nonresponsive)(见图8.13)。这也是第七章中讨论的另一种保障机制，正如潜在性自身反应性T细胞和B细胞在胸腺和骨髓中发育时被清除或抑制。 虽然我们已经从研究B细胞递呈可溶性蛋白免疫原激起免疫应答的过程中，了解了很多免疫系统的知识，尤其是对T细胞应答的了解，但是我们仍然不清楚在实际的免疫应答中B细胞对于致敏初始T细胞的重要性。自然感染发生时，可溶性蛋白抗原并不多，像细菌、病毒都是颗粒，而可溶性的细菌毒素要通过与细胞表面结合后才能发挥作用，在体液中浓度也非常低。有一些天然免疫原是以可溶性分子的形式进入机体的，如由吸血昆虫注入的昆虫毒素、抗凝血素，蛇毒以及许多过敏原。然而组织树突状细胞也能激活识别这些抗原的初始T细胞。虽然组织树突状细胞不能像抗原特异性B细胞那样浓缩这些抗原，但由于能结合并浓缩特定抗原的B细胞数量有效，因此，组织树突状细胞遇到相应抗原特异性T细胞的机会更多些。只有当初始T细胞接触了树突状细胞表面的相应抗原并滞留在淋巴组织时，B细胞遇到识别其表面递呈抗原肽的T细胞的机会才会大大增加。 因此，T细胞应答可以由三个不同类型的抗原递呈细胞启动。树突状细胞可以将广泛的抗原递呈给初始T细胞，是最佳的抗原递呈细胞;巨噬细胞可以摄取病原生物，但它们不能清除它们，而是激活对抗病原生物的T细胞应答;B细胞通过其表面免疫球蛋白结合特异性抗原并递呈抗原片段(图8.18)。正如我们在第二章中看到的，这些抗原递呈细胞的协同刺激活性的表达都是受到控制的，只有这样，才能激起抗击病原体的免疫应答，同时避免了对自身产生免疫反应。 树突状细胞 巨噬细胞 B细胞 (图) (图) (图) +++巨胞饮作用 和吞噬作用 吞噬作用 抗原特异性受体(Ig) 抗原摄取 通过组织树突状细胞 +++ ++++ 病毒感染 组织树突状细胞上低 细菌和细胞因子 组成性 MHC表达 淋巴组织中的树突状可以诱导 活化时增加 细胞上高 ,至+++ +++至++++ 成熟时组成性表达 可诱导 可诱导 非吞噬性的淋巴树突提供协同刺激信号 ,至+++ ,至+++ 状细胞 ++++ 肽 可溶性抗原 颗粒抗原 抗原递呈 病毒抗原 毒素 胞内和胞外病原体 过敏原 病毒 17 淋巴组织 淋巴组织 淋巴组织 分布 结缔组织 结缔组织 外周血液 上皮 体腔 图8.18 各种抗原递呈细胞的特性 树突状细胞、巨噬细胞和B细胞是涉及最早给初始T细胞递呈外来抗原的主要细胞类型。这些细胞在摄取抗原的方式、MHC II类分子的表达、协同刺激分子的表达、有效递呈抗原的类型、在体内的分布以及表达的表面粘附分子等方面都存在差别(没有显示)。 8-9 活化的T细胞合成T细胞生长因子IL-2及其受体 初始T细胞能够存活很多年，也不分裂。这些小型的静止细胞染色质浓缩、细胞质很少，几乎不合成RNA和蛋白质。初始T细胞一旦活化，则重新进入细胞周期、迅速分裂产生大量子代细胞，并分化为致敏效应T细胞。这些细胞的增殖和分化是由活化T细胞自己产生的细胞因子白细胞介素2(interleukin-2，IL-2)诱导发生的。 在必要的协同刺激信号存在的情况下，T细胞初次接触特异性抗原，即可启动细胞进入细胞周期的G1期，同时细胞合成IL-2、表达具有α链的IL-2受体。IL-2受体由α、β和γ三条链组成(图8.19)。静止T细胞表达由β和γ链组成的IL-2受体，该受体与IL-2结合的亲和力为中等，只有当IL-2浓度很高时静止T细胞才能产生应答。当α链与β和γ链相互结合组成的IL-2受体则与IL-2结合的亲和力就高得多，少量IL-2就能使T细胞产生应答。IL-2与高亲和力的受体结合后就启动了T细胞进入细胞周期的下一个进程。通过这条途径活化的T细胞一天可分裂2至3次，持续分裂好几天，使得一个细胞可增加为由成千上万个子代细胞组成的克隆，这些细胞都带有相同的抗原受体(图8.20)。IL-2也促进了这些细胞分化为致敏效应T细胞。 图8.19 高亲和力IL-2受体由三条链构成，只表达在活化的T细胞上 静止的T细胞上组成性表达β和γ链，与IL-2结合的亲和力中等。T细胞活化诱导α链的合成并形成高亲和力的异源三聚体受体。β和γ链在氨基酸序列上与生长因子和催乳激素的表面受体相似，后两者也参与细胞生长和分化的调节。 图中:IL-2 receptor:IL-2受体;activated T cell活化的T细胞 静止T细胞仅表达中亲和力的IL-2受体 (只有β和γ链的IL-2受体) (图)T cell:T细胞;moderate-affinity IL-2 receptor中亲和力的IL-2受体 活化T细胞表达高亲和力的IL-2受体 (包含α、β和γ链的IL-2受体，并分泌 IL-2) (图) IL-2与其受体的结合给T细胞转导信号， 使之进入细胞周期 (图) IL-2诱导T细胞增殖 (图) 图8.20 活化T细胞分泌IL-2并对IL-2产生应答 初始T细胞识别了肽-MHC复合物，同时存在协调刺激信号，T细胞则活化，诱导表达和分泌IL-2以及表达高亲和力的IL-2受体。IL-2以自分泌的方式与高亲和力受体的结合则促进 18 T细胞的生长。 8-10 合成和分泌IL-2必需要有协调刺激信号 IL-2的产生决定了T细胞是否能增殖并分化为致敏效应,细胞，而协同刺激信号最重要的功能就是启动IL-2的合成。通过T细胞受体的抗原识别最终诱导了一些转录因子的合 nuclear factor of activated T 成(见第六章)。其中一个因子是活化T细胞的核因子NFAT( cells)，能结合于IL-2基因的启动子区域，是IL-2基因转录活化过程中必需的因子。但是只有IL-2基因转录的话，也不能产生IL-2，还需要CD28与B7分子的结合。有人认为通过CD28信号的一个作用就是增加IL-2 mRNA的稳定性。由于细胞因子3’端的非编码区存在一个不稳定序列，因而细胞因子mRNA寿命都非常短。这个不稳定序列防止同一种细胞因子过多的产生和释放，保证细胞因子的活性受到严格调控。稳定IL-2的mRNA可以增加产生20到30倍的IL-2。CD28结合的第二个作用是活化转录因子(AP-1和NFκB)，这样可以增加3倍的IL-2 mRNA转录量。这两方面的作用加起来可以增加产生约100倍的IL-2蛋白。当T细胞识别特异性抗原时，但缺乏CD28分子的协同刺激信号，则IL-2几乎不产生，T细胞也不增殖。 IL-2在启动获得性免疫应答时的重要作用是通过免疫抑制剂的应用来很好阐明的。免疫抑制剂广泛应用于抑制如移植排斥这样不受欢迎的免疫反应，如环孢霉素A(cyclosporin A)和FK506(tacrolimus)通过阻断T细胞受体的信号通路从而抑制IL-2的产生，而雷帕霉素(rapamycin，也称Sirolimus)则是抑制经IL-2受体的信号通路。环孢霉素A和雷帕霉素在抑制免疫应答过程中具有协同作用，阻止IL-2诱导的T细胞克隆增殖。这些药物的作用模式将在第十四章详细阐述。 8-11 缺乏协同刺激信号时识别抗原会导致T细胞耐受 在缺乏协同刺激信号的情况下，初始T细胞识别抗原后不能活化，而是诱导称之为无能的状态。无能T细胞最重要的变化就是它们不能产生IL-2。当它们接触抗原时不能增殖并分化为效应T细胞，即使以后抗原是由抗原递呈细胞所递呈也不会活化。这有助于确保T细胞对自身组织抗原发生耐受。虽然T细胞无能仅仅在体外被证实了，但体内许多相似的研究也充分说明了对各种抗原的外周耐受也是采用了同样的机制。 我们在7.24节中看到，所有细胞合成的任何蛋白都会在胸腺中由抗原递呈细胞递呈，从而清除对这些到处存在的自身蛋白反应的T细胞克隆。但是许多具有特殊功能的蛋白只在一定组织的细胞中产生。由于MHC I分子只递呈来源于细胞内合成的蛋白肽，因此这些组织特异性的肽则不会展示在胸腺细胞的MHC分子上，而识别这些肽的T细胞也不会在胸腺中被清除。对这些组织特异性蛋白不产生自身免疫应答的主要因素就是组织细胞上缺乏协同刺激活性。识别了组织细胞上的自身肽后的初始T细胞不仅不被激活，而是可能被诱导进入无能状态(图8.21)。 只有协调刺激信号 只有特异性信号 (图)tissue cell组织细胞; (图)co-stimulator协调刺激信号;MHC class ?:MHC ? T-cell receptor:T细胞受体 T-cell:T细胞 对T细胞没有影响 抑制T细胞(无能) 图8.21 不存在协同刺激信号的情况下识别抗原则导致T细胞 对组织细胞表达的抗原产生耐受 19 如果适当抗原不是递呈在抗原递呈细胞(APC)表面，则APC既不激活T细胞，也不会抑制T细胞，即使APC表达了协同刺激分子并能提供信号2(左图)。但当T细胞在没有协同刺激分子存在的情况下识别了抗原，它仅获得的信号1则被抑制(右图)。这就导致了组织细胞表达的自身抗原对外周T细胞群体来说只诱导耐受。 清除潜在的自身反应性T细胞是机体维持自身耐受状态的一条简单途径，对此我们比较容易理解。但难于理解的是机体为什么要保持那些对组织抗原特异性反应的、且处于无能状态的T细胞。似乎清除这样的细胞更经济和有效，事实上，在缺乏协同刺激信号的情况下，外周T细胞其T细胞受体与抗原的结合，能够诱导细胞程序性死亡或者无能。而且体内有些T细胞一直处于无能状态。对此有一种可能的解释就是:当有些初始、且非无能T细胞识别的外源肽与自身肽-自身MHC复合物相似时，维持在体内的这些无能T细胞就能预防在这种状态下启动免疫应答。这些处于无能状态的T细胞能够识别存在于抗原递呈细胞上的这种自身肽-自身MHC复合物并结合，但不产生应答，从而与这种相同特异性的初始自身反应性T细胞发生竞争。无能T细胞可以以这种方式防止自身反应性T细胞受感染因子刺激后的意外激活，因此参与了主动耐受。 8-12 增殖的T细胞分化为致敏效应T细胞时无需协同刺激作用 IL-2诱导T细胞应答的增殖后期，即迅速生长4,5天后，活化的T细胞分化为致敏效应T细胞如辅助T细胞或细胞毒性T细胞，合成这些具有特殊功能的效应细胞所有必备的效应分子。另外，所有类型的致敏效应T细胞已经发生了不同于初始T细胞的变化。最主要的变化之一就是对活化的要求不同:一旦T细胞分化为致敏效应T细胞后，与相应特异性抗原的接触无需协同刺激信号就能发挥免疫攻击作用(图8.22)。 活化的效应T细胞杀伤病毒刺激初始T细胞 T细胞增殖 感染的靶细胞 (图) MHC class I:MHC I; (图) (图)kill杀伤 T-cell receptor:T细胞受体; IL-2 receptor:IL-2受体 T-cell:T细胞 识别 增殖 分化 效应功能 图8.22 致敏效应T细胞对靶细胞产生应答不需要协调刺激信号 初始T细胞识别了抗原递呈细胞表面递呈的抗原，同时获得了必需的两个信号(箭头1和箭头2，左图)后就活化，分泌IL-2，也对IL-2产生应答。IL-2诱导T细胞克隆增殖(中图)，并进一步分化为致敏效应细胞。一旦细胞分化成为效应T细胞后，任何接触到的特异性抗原都会启动这些T细胞的效应作用，而无需协调刺激信号。因此，正像如图所示，细胞毒性T细胞能够杀伤仅表达抗原肽-MHC配体、而不表达协调刺激信号的靶细胞(右图)。 这种现象存在于所有致敏效应T细胞中。对于细胞毒性CD8 T细胞来说尤其重要这是很好理解的，因为这种细胞对于任何感染有病毒的细胞都应能发挥作用，无论感染细胞是否能表达协同刺激分子。然而对于CD4细胞的效应功能来说也是很重要的，因为致敏效应CD4 T细胞必须能激活摄取了抗原的B细胞和巨噬细胞，尽管通常情况下这些抗原递呈细胞协同刺激活性太小以至于不能活化初始CD4 T细胞。 在致敏效应T细胞上表达的细胞粘附分子也出现了变化。细胞表达高水平的LFA-1和CD2，但不表达细胞表面L-选择素，因而不再循环经过淋巴结。相反，这些细胞表达整合 20 素VLA-4，使细胞能与炎症部位的血管内皮结合。使得致敏效应T细胞进入感染部位，充分发挥各个效应蛋白的功能。T细胞表面的这些变化见图8.23的总结。 细胞表面分子 (图) (图) (图) (图) (图) (图) (图) (图) (图) CD4 TL-选择T细胞VLA-4 LFA-1 CD2 CD4 CD44 CD45RA CD45RO 细胞 素 受体 静止的 + , + + + + + + , 活化的 , + ++ ++ + + ++ , + 图8.23 T细胞的活化改变了细胞表面一些分子的表达 如图所示的CD4 T细胞。静止的初始T细胞表达使其归巢于淋巴结的L-选择素，以及低水平的粘附分子如CD2和LFA-1。而在活化的T细胞上，则不表达L-选择素，而是增加表达了大量的VLA-4。VLA-4作为炎症部位血管内皮的归巢受体，保证了活化T细胞再循环通过外周组织时可以接触到感染部位。活化T细胞也表达更高密度的粘附分子CD2和LFA,1，增强活化T细胞与潜在的靶细胞相互作用的力度，以及更高密度的CD44粘附分子。最后，活化T细胞表达的CD45分子变构体也发生变化，因CD45基因RNA转录产物的差异性剪切而形成多种变构体，活化T细胞现在表达与T细胞受体和CD4相关的CD45RO变构体。CD45变构体的改变使T细胞对低浓度肽-MHC复合物的刺激更敏感。 8-13 CD4 T细胞分化为T1或T2细胞决定了免疫应答是以体液免疫为主还是以细胞介HH 导的免疫为主 来源于胸腺的初始CD8 T细胞尽管还没有表现出任何致敏效应细胞所具有的功能，但已经注定要成为细胞毒性细胞。而CD4 T细胞比较复杂。初始CD4 T细胞活化后既能分化为T1，也能分化为T2细胞，但两者产生的细胞因子及其相应功能都有差异。当初始CD4 HH T细胞第一次接触抗原后发生克隆增殖，此时其子代细胞的命运也就决定了(图8.24)。 初始CD4 T细胞 (未接触抗原) T细胞增殖 未成熟效应T细胞(T0) H T1细胞 T2细胞 HH 活化巨噬细胞; 活化B细胞产生中和抗体; 诱导B细胞产生具有调对巨噬细胞有多种效应 理作用的抗体 图8.24 CD4 T细胞活化的阶段 初始T细胞首先与其特异性肽-MHC ?复合物应答产生IL-2并增殖。这些细胞然后分化为具有T1和T2细胞某些效应功能特征的T0细胞。T0细胞具有分化为T1或T2细胞HHHHHH的潜能。 决定一个增殖的CD4 T细胞是分化为T1细胞还是T2细胞的因素并不完全清楚。与HH 此相关的因素有:由感染引发产生的细胞因子(主要是IFN-γ、IL-12和IL-4)、启动免疫应答的协同刺激信号、以及肽-MHC的性质。事实上，决定细胞分化为T1而不是T2是在HH免疫应答的早期阶段，天然免疫系统的细胞在对抗病原体的应答中产生的细胞因子，对于控制随后的获得性免疫应答的模式具有重要的作用。有关这些内容我们将在第十章学习。 21 诱导产生T1细胞而不是T2细胞，这样的结果有其重要的意义:选择产生T1细胞HHH导致了细胞介导免疫的发生，而主要产生T2细胞则诱导体液免疫发生。其差别可以用机H 体对抗麻风病的结果清楚地说明，麻风病是机体感染了麻风分枝杆菌(Mycobacterium leprae)而引起的疾病，该细菌像结核分枝杆菌(M. tuberculosis)一样生长在巨噬细胞的囊泡中，而宿主有效抗感染需要T1激活的巨噬细胞。在结核样型麻风病人中，体内诱导产H 生了大量的T1细胞，活的细菌很少，而且几乎不生产抗体，但该病人由于巨噬细胞活化H 而引发的炎症反应，使其皮肤和神经受损，疾病进程比较缓慢，病人通常能生存。然而当T2细胞大量诱导产生后，则主要出现体液免疫反应，而产生的抗体不能达到胞内细菌，病H 人就发展成瘤型麻风病，其巨噬细胞内生长有大量的麻风分枝杆菌，引起组织严重破坏，最后死亡。 8-14 初始CD8 T细胞可以通过不同的途径活化成为致敏的细胞毒性效应T细胞 初始CD8 T细胞分化为细胞毒性细胞，可能是因为这些细胞的效应活性有很大的破坏力故称之，初始CD8 T细胞要分化为致敏效应细胞需要比初始CD4 T细胞分化更多的协同刺激活性。可以通过两条途径来满足这种要求:最简单的是通过树突状细胞来激活，因为该细胞具有很高的固有性协同刺激活性，能够直接刺激CD8 T细胞合成IL-2，诱导它们本身增殖和分化(图8.25)。这种方法已经用于诱导产生抗肿瘤的细胞毒性T细胞反应，参见第十四章。 树突状细胞表达高水平的B7， 活化的CD8 T细胞产生IL-2， 能活化初始CD8 T细胞 反过来自我诱导细胞增殖和分化 (图)CD8 T细胞:CD8 T细胞 病毒感染的树突状细胞 病毒感染的树突状细胞 图8.25 潜在的抗原递呈细胞可以直接活化初始CD8 T细胞 初始T细胞接触树突状细胞表面递呈的肽-MHC I复合物，同时接触树突状细胞高水平表达的协同刺激分子后(左图)，就活化产生IL-2(右图)并在IL-2的作用下增殖，最后分化为致敏的细胞毒性CD8 T细胞(未显示)。 细胞毒性T细胞在对有些病毒产生应答以及在移植排斥反应中，要致敏初始CD8 T细胞似乎需要有CD4 T细胞的存在。在这些反应中，初始CD8 T细胞和CD4 T细胞必须识别同一个抗原递呈细胞表面的相应抗原。由此认为CD4 T细胞可以用这种方式弥补抗原递呈细胞在激活初始CD8 T细胞时协同刺激信号不足的问题。目前认为这种补偿作用表现在致敏效应CD4 T细胞能激活抗原递呈细胞表达高水平的协同刺激活性。我们已经知道CD40配体的活化就是其中的一个表现，T细胞一旦活化就会表达CD40配体。抗原递呈细胞表面的CD40与CD4 T细胞上的CD40配体一旦结合，就会诱导抗原递呈细胞表达B7分子，直接为CD8 T细胞提供协同刺激信号(图8.26)。 APC刺激效应CD4 T细胞， T细胞反过来活化APC (图)CD4 T cell:CD4 T细胞; CD8 T cell:CD8 T细胞; Activate活化; antigen-presenting cell抗原递呈细胞 活化的APC表达CD40和4-IBBL， 22 协同刺激初始CD8 T细胞 (图) 图8.26 有些CD8 T细胞的应答需要CD4 T细胞的辅助 CD8 T细胞识别抗原时如果该抗原递呈细胞提供的协同刺激信号较弱，那么只有当该抗原递呈细胞上结合有CD4 T细胞的情况下，才能被活化。这主要是因为CD4效应T细胞识别了抗原递呈细胞上的抗原后，会诱导抗原递呈细胞增强协同刺激信号的活性水平，同时反过来激活CD8 T细胞产生自身的IL-2。 小结 获得性免疫应答至关重要的第一步就是抗原递呈细胞激活初始抗原特异性T细胞。这一步发生在初始T细胞持续循环经过淋巴组织和淋巴器官的过程中。抗原递呈细胞最显著的特征就是表达协同刺激分子，其中B7.1和B7.2是最具有代表性的分子。只有当一个细胞既给T细胞受体递呈抗原，同时又能提供B7分子给T细胞上B7分子的受体CD28时，初始T细胞才会对抗原产生应答。能够作为抗原递呈细胞的三类细胞是:树突状细胞、巨噬细胞和B细胞。每一类抗原递呈细胞在启动免疫应答时具有不同的功能。组织树突状细胞通过吞噬作用和巨胞饮作用摄取抗原，受感染刺激后迁移至局部淋巴组织，在此分化为成熟树突状细胞并表达协同刺激活性，成为初始T细胞应答最有效的激活者。巨噬细胞能有效摄取颗粒性抗原如细菌，在感染菌的诱导下表达MHC ?分子和协同刺激活性。而B细胞具有与众不同的能力就是可以通过其表面受体结合并内化可溶性蛋白抗原，也能在B细胞表面诱导产生协同刺激分子，因此，在激活T细胞对可溶性抗原产生反应的过程中具有重要的作用。在这三类抗原递呈细胞中，通过受体接受感染信号从而活化表达协同刺激分子，而这些受体同样在天然免疫中也具有相同作用(参见第二章)。 抗原递呈细胞活化T细胞，使T细胞增殖并诱导其后代分化为致敏效应T细胞。这个过程依赖于细胞因子的生产，尤其是T细胞生长因子IL-2，它可以与活化T细胞表面的高亲和力受体结合。T细胞在缺乏协同刺激信号存在的情况下，如果其抗原受体能与抗原发生结合，则T细胞不能生产IL-2，进而成为无反应性细胞或死亡。这种既要有抗原受体结合、又要有协同刺激信号的双重要求有助于防止初始T细胞针对组织细胞表面的自身抗原发生反应，因为自身组织没有协同刺激活性。增殖T细胞分化为致敏效应T细胞是大多数获得性免疫应答中的关键事件。一旦增殖后的T细胞克隆获得了效应功能，那么其致敏效应T细胞后代就能够针对表面递呈有相应抗原的任何靶细胞发挥作用。效应T细胞能够介导多种功能。其中最重要的功能就是CD8细胞毒性T细胞杀伤感染细胞，和T1细胞活化巨噬H细胞，这两种构成了细胞介导的免疫反应，并由T2和T1细胞活化B细胞，产生不同类HH 型的抗体，启动体液免疫应答。 效应T细胞的一般特性 所有T细胞的效应功能都涉及到致敏效应T细胞与递呈特异性抗原的靶细胞之间的相互作用。这些T细胞通过识别靶细胞上的抗原而激活某些机制，从而使释放的效应蛋白都聚集于相应靶细胞上。所有效应T细胞的这种聚集机制都是相同的，然而其效应的发挥依赖于膜的排列以及受体结合后表达或释放的分泌蛋白。不同类型的效应T细胞专门处理不同类型的病原体，按进程不同产生的效应分子对靶细胞产生不同的效应(图8.27)。 23 CD8 T细胞: CD4 T细胞: 肽 + MHC I 肽 + MHC II 细胞毒性(杀伤)T细胞 T1细胞 T2细胞 HH (图)activate活化; (图)activate活化; (图)kill杀伤; Intracellular bacteria胞bacterial toxin细菌毒素; Virus-infected cell病毒感内菌; antigen-specific B cell抗原特异染的细胞 Macrophage巨噬细胞 性B细胞 (图) (图) (图) dead intracellular anti-toxin antibody抗毒素抗体; apoptotic cell凋亡细胞 bacteria死亡的胞内菌 B lymphoblast:B淋巴母细胞 图8.27 专门处理不同病原体的三类效应T细胞 细胞毒性CD8细胞(左图)杀伤那些表面递呈有细胞浆中病原体抗原肽的靶细胞，这些肽大多数是来源于病毒，与MHC I类分子结合后递呈于细胞表面。T1细胞(中图)和T2HH细胞(右图)都表达CD4协同受体，识别在细胞囊泡中降解、并与MHC II分子结合展示于细胞表面的抗原肽。T1细胞活化巨噬细胞，促进巨噬细胞更有效地破坏胞内菌，同时H T1细胞也能激活B细胞，使其分泌具有较强调理作用的抗体，一般这种抗体属于一定的H IgG亚类(人类的IgG1和IgG3，小鼠中类似的是IgG2a和IgG2b)。另一方面，T2细胞诱H导B细胞分化并分泌所有其他类型的免疫球蛋白，并且通过激活初始B细胞使其增殖、分泌IgM，从而启动B细胞应答。各种类型的免疫球蛋白综合起来构成了体液免疫的效应分子。 8-15 非抗原特异性细胞与粘附分子的结合启动了效应T细胞与靶细胞的相互作用 效应T细胞一旦在淋巴组织中完成分化后，就必须找到它识别的递呈有相应MHC-抗原肽复合物的靶细胞。有一些T2细胞会遇到还没有离开淋巴组织的相应B细胞，我们将在H 第九章进一步讨论。但大多数致敏效应T细胞在淋巴组织中活化后，经过胸导管进入血液循环。由于这些细胞在分化过程中细胞表面发生了变化，现在它们能够迁移进入组织，尤其是感染部位。发生感染后，局部的血管内皮细胞通过改变其表面表达的粘附分子而引导这些T细胞进入感染部位，局部的趋化因子也具有这种作用，我们将在第十章探讨。 一个效应T细胞与其相应靶细胞的最初结合，正如初始T细胞与抗原递呈细胞的结合一样，是由LFA-1和CD2介导的非抗原特异性的相互作用。致敏效应T细胞上的LFA-1和CD2水平比初始T细胞上的水平高2至4倍，因此致敏效应T细胞能够有效地结合靶细胞，这些靶细胞表面的ICAM和LFA-3分子的表达水平要比专职抗原递呈细胞上的低。正常情况下，这种相互作用时间很短暂，一旦T细胞受体识别了靶细胞上的抗原，则引起T细胞的LFA-1与靶细胞上的相应配体之间亲和力增加。使得T细胞与靶细胞结合更紧密并维持时间更长，一直到释放效应分子。致敏效应CD4 T细胞要活化巨噬细胞、或诱导B细胞分泌抗体必须与靶细胞接触相当长的时间。相反，细胞毒性T细胞杀伤靶细胞时，在显微镜下就可以观察到T细胞迅速地与一个接着一个的靶细胞接合、然后再分离的过程(图8.28)。靶细胞死亡、或T细胞发生一些局部变化，然后效应T细胞从原来的靶细胞上脱离，物色新的靶细胞。虽然还不清楚致敏效应CD4 T细胞是如何从抗原阴性的靶细胞上脱离的，但目前已经有证据说明CD4可以直接与没有递呈特异性抗原的靶细胞上的MHC ?分子结合，传递信号并引起靶细胞死亡。 非特异性粘附分子启动了CD8细胞 与靶细胞最初的相互作用 (图) 24 没有遇到特异性抗原: T细胞则离开 (图) 识别了特异性抗原: 则稳定结合并释放效应分子 (图) 靶细胞死亡，CD8 T细胞离开 (图) 图8.28 T细胞与其靶细胞最初的相互作用涉及非特异性粘附分子的参与 最初的相互关系主要发生在T细胞(这儿指细胞毒性CD8 T细胞)的LFA-1与靶细胞的ICAM-1和ICAM-2之间(最上的图)。这种结合能使T细胞保持与靶细胞的接触并扫描其细胞表面检查是否存在特异性肽-MHC复合物。如果靶细胞没有携带特异性抗原，则T细胞脱离靶细胞(第二张图)继续对其他潜在的靶细胞进行扫描，直到发现特异性抗原为止(第三张图)。通过T细胞受体的信号能增强相互粘附的力度，延长两个细胞间接触的时间并刺激T细胞释放效应分子。然后T细胞再离开靶细胞(最后的图)。 8-16 与T细胞受体复合物的结合诱导效应分子的释放并积聚在靶细胞上 当与抗原肽-MHC复合物结合时，T细胞受体分子及其交联的共受体就会聚集在细胞与细胞的接触位点。T细胞受体的聚集信号改变了细胞骨架，使效应细胞发生极化，这样导致效应分子主要在与靶细胞接触的位点处释放，如图8.29所示细胞毒性T细胞的释放过程。皮质肌动蛋白细胞骨架在细胞接触位点处发生局部重组造成细胞的极化，接着导致微管组织中心(microtubule-organizing center，MTOC)的重新定位，以接触点为中心形成微管骨架和高尔基体(Golgi apparatus，GA)，大多数蛋白质通过这个系统形成定向的分泌途径。在细胞毒性T细胞中，细胞骨架的重新排列使预先合成的胞内溶酶粒分泌至与靶细胞的接触位点。 碰撞与非特异性粘附 照片a (图) cytotoxic T cell细胞毒性T细胞; target cell靶细胞; 特异性识别造成T细胞细胞骨架 照片b 和细胞器的重组 (图) 在接触位点释放溶酶粒 照片c (图) 图8.29 T细胞在特异性抗原识别的过程中发生极化， 使效应分子集中在携带抗原的靶细胞上 如图所示的是CD8细胞毒性T细胞。CD8细胞毒性T细胞包含有特化的溶酶体称之为溶酶粒，内含细胞毒性蛋白。通过粘附分子与靶细胞的最初结合并没对溶酶粒的位置产生任何影响。而与T细胞受体的结合则引起T细胞发生极化:在细胞接触位点内的皮质肌动蛋白细胞骨架发生重组，造成微管组织中心(MTOC)发生改变，面向靶细胞重新排列分泌胞器包括高尔基体(GA)。来自高尔基体并储存于溶酶粒中的蛋白质定向分泌到靶细胞上。光学显微照片a显示了一个未结合的单独细胞毒性T细胞。微管骨架染上绿色荧光，溶酶粒染上红色荧光。注意T细胞是如何释放溶酶粒的。照片b显示细胞毒性T细胞与靶细胞(较大的细胞)结合，现在T细胞内溶酶粒聚集在细胞与细胞接触的位点处。电镜照片c显示 25 从细胞毒性T细胞内释放的溶酶粒。照片a和b由G. Griffiths提供，照片c由E.R. Podack提供。 T细胞的极化也使可溶性的效应分子集中分泌，这些效应分子是T细胞通过其受体与抗原结合后被诱导从头合成的。如分泌T2细胞主要的效应分子IL-4，就限制并集中在与靶H 细胞接触的位点处(图9.6)。有实验表明LFA-1与ICAM-1结合力的提高使得在T细胞受体、CD4共受体和CD28分子的外围形成了一个分子密封圈(图8.30)。 外环(红色) 内圆(绿色) LFA-1:ICAM-1 TCR，CD4，CD28 (图) 图8.30 致敏效应T细胞与器靶细胞之间形成紧密连接 用共聚焦荧光显微镜对T细胞与B细胞之间的接触位点进行了观察(显示了其中一个细胞)。外层红环由T细胞的LFA-1与靶细胞的相应受体组成，但聚集在环中央的分子(亮绿色)包括T细胞受体、共受体CD4和CD28分子。照片由A. Kupfer提供。 因此，抗原特异性T细胞受体从三个方面控制了效应信号的传递过程:它促使效应细胞与其特异性靶细胞牢固结合形成一个紧密、狭小的空间，效应分子集中在此;通过效应细胞内部分泌系统的重新定位将效应分子准确无误地投放至接触位点;以及控制效应分子的合成和/或释放。所有这些与受体相关的协调机制保证了效应分子能选择性地作用于携带有特异性抗原的靶细胞。效应分子本身是没有抗原特异性的，但通过这种方式使得效应T细胞能高度选择性地针对带有特异性抗原的靶细胞发挥作用。 -17 T细胞产生的效应分子阵列决定T细胞的效应功能 8 致敏效应T细胞产生的效应分子可以归纳为两大类:贮存于特殊的溶酶粒中、由细胞毒性T细胞释放的细胞毒素(cytotoxins);以及所有效应T细胞都合成的细胞因子(cytokines)和膜相关蛋白。细胞毒素是细胞毒性T细胞的主要效应分子，将在8-22节讨论。由于细胞毒素没有抗原特异性，且能够穿过脂双层，开启任何细胞内部的死亡程序，因此其释放尤其要受到严密控制。与此相反，细胞因子和膜相关蛋白是通过结合于靶细胞上的特异性受体而发挥作用的。细胞因子和膜相关蛋白是CD4 T细胞效应作用的主要介质，因此CD4细胞的主要效应作用就是调控表达这些蛋白相应受体的特殊细胞。 图8.31总结了效应T细胞三个功能性亚群的效应和主要效应分子。细胞因子是多种蛋白质的总称，我们先对细胞因子作个小结，然后讨论T细胞产生的细胞因子及其在细胞毒性CD8 T细胞、T1细胞和T2细胞发挥效应时的作用。我们将会看到可溶性细胞因子和HH 膜相关蛋白常常介导了效应T细胞对相应靶细胞的作用。 CD8 T细胞: CD4 T细胞: 肽，MHC I 肽，MHC II 细胞毒性(杀伤)T细胞 T1细胞 T2细胞 HH (图) (图) (图) cytotoxins细胞毒素; cytokines细胞因子; cytokines细胞因子; Fas Ligand:Fas配体; CD40配体; CD40配体; virus-infected cell病毒感染的intracellular bacteria胞内菌; intracellular toxin细菌毒素; 细胞 macrophage巨噬细胞 antigen-specific B cell抗原特 26 异性B细胞 巨噬细胞 细胞毒性 B细胞活化其他 活化的 其他 其他 效应分子 的效应分子 效应分子 IL-3 GM-CSF IFN-γ IL-10 穿孔素 GM-CSF IL-3 IL-4 IFN-γ TGF-β TNF-α TNF-β IL-5 粒酶 TNF-β 嗜酸性粒细CD40配体 TNF-α (IL-2) CD40配体 Fas配体 胞趋化因子Fas配体 (Eotaxin) 图8.31 三种主要的致敏效应T细胞类型产生的不同系列效应分子 CD8 T细胞是主要的杀伤性T细胞，识别结合于MHC I分子上的病原体抗原肽。它们释放穿孔素(在靶细胞膜上形成孔道)，粒酶(在细胞内启动凋亡的蛋白酶)以及细胞因子IFN-γ。表达在CD8 T细胞表面的膜结合型效应分子是Fas配体。当Fas配体与靶细胞上的Fas结合时，可在携带有Fas的细胞内激活其凋亡途径。CD4 T细胞识别结合于MHC II分子上的抗原肽，可分为两种功能细胞类型:T1和T2细胞。T1细胞通过分泌IFN-γ和其他效应分HHH 子，以及表达膜结合型的CD40配体和/或Fas配体，专门活化感染的或已经摄取了病原体的巨噬细胞;CD40配体和Fas配体是TNF家族中的两个成员，但CD40配体启动靶细胞的活化，而Fas配体则启动Fas表达细胞的死亡，所以这些表达模式对它们相应的功能有较大的影响作用。T2细胞通过分泌B细胞生长因子IL-4和IL-5，专门激活B细胞。T2细胞HH表达的主要膜结合型效应分子是CD40配体，后者与B细胞上的CD40结合并诱导B细胞增殖。 所有膜相关效应分子的结构类似于肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor，TNF)，而靶细胞上的相应受体则属于TNF受体(TNF receptor，TNFR)家族的成员。三个亚群的所有效应T细胞根据其识别靶细胞上特异性抗原的不同，而表达1至多个TNF家族的成员。膜结合型的TNF家族成员CD40配体对于CD4 T细胞的效应功能尤其重要，CD40配体诱导表达在T1和T2细胞上，通过TNFR蛋白CD40给B细胞和巨噬细胞传递活化信号。HH T1细胞、有些T2细胞以及细胞毒性T细胞能产生可溶型和膜结合型TNF-α，TNF-α也能HH 给巨噬细胞传递活化信号。TNF家族的有些成员能通过凋亡作用而使细胞死亡。如Fas配体(Fas ligand)(CD95L)是表达在细胞毒性T细胞上的主要膜TNF相关分子，能够通过凋亡启动带有Fas(CD95)受体蛋白的靶细胞死亡，有些T1细胞也表达Fas配体，能够H 杀伤带有Fas的相互作用靶细胞。这种杀伤细胞机制对于清除活化的、带有Fas的淋巴细胞很重要，如果缺乏这种机制，就会出现导致严重自身免疫病的淋巴细胞增生症。 8-18 细胞因子能够在局部发挥作用也能远距离发挥作用 细胞因子是由细胞分泌的小分子可溶性蛋白，能改变分泌细胞本身或其他细胞的行为和特征。包括免疫系统在内的许多细胞都能释放细胞因子。第二章我们已经讨论了吞噬细胞释放的细胞因子，这些细胞因子涉及天然免疫中重要组成部分的炎症反应，在此我们主要关心介导T细胞效应功能的细胞因子。淋巴细胞产生的细胞因子称为淋巴因子(lymphokines)，但这种命名法可能引起混乱，因为非淋巴细胞也能分泌这些淋巴因子，因而将这些因子通称为细胞因子。T细胞产生的大多数细胞因子也称为白细胞介素(白介素，interleukin，IL)按序号排列。在本章中我们已经接触了一些白介素。附录?列出了具有免疫作用的细胞因子。 27 体外用高浓度的细胞因子处理，并采用生物学检测方法，发现大多数细胞因子具有多种不同的生物效应，而利用定点破坏细胞因子和细胞因子受体基因的基因敲除小鼠(见附录I，A-47节)有助于阐明这些细胞因子的生理学作用。效应T细胞产生的细胞因子的主要作用见图8.32。一个细胞因子由于检测所用的靶细胞不同，其效应也显示出不同，图中是按照不同的主要靶细胞如B细胞、T细胞、巨噬细胞、造血细胞以及组织细胞来列出的细胞因子作用。 作用对象 基因 T细胞 细胞因子 巨噬 造血 其他 敲除 来源 B细胞 T细胞 的效应 细胞 细胞 体细胞 T0、刺激生刺激NK? T细胞H白介素-2T1、有长和J链生长 , 细胞生, 应答，H(IL-2) 些CTL 合成 长 IBD 活化 抗病毒 分化 抑制T2H干扰素-γ 活化NK对杆菌T1、? MHC I? MHC IHIgG2a合细胞生(IFN-γ) CTL 和MHC 细胞 和MHC 敏感 成 长 II II 杀伤纤缺乏淋淋巴毒素 活化、诱活化嗜T1、有维母细巴结，脾H(LT、抑制 杀伤 导NO产中性粒些CTL 胞和肿脏不正TNF-β) 生 细胞 瘤细胞 常 活化，生 长 抑制巨? 肥大白介素-4生长 IgG1、T2 噬细胞细胞的, 无T2 HH(IL-4) 存活 IgE 活化 生长 ? MHC II 诱导 ? 嗜酸 白介素-5分化 性粒细T2 , , H(IL-5) IgA合成 胞生长 和分化 协同刺抑制细白介素-10激肥大T2 ? MHC II 抑制T1 胞因子, IBD HH(IL-10) 细胞生释放 长 造血祖 细胞的T1、H白介素-3生长因T2、有, , , , , H(IL-3) 子(多集些CTL 落刺激 因子) 抵抗革T1、有H肿瘤坏死因活化， 活化微兰氏阴些T2、H子-α , , 诱导NO, 血管内性菌和有些(TNF-α) 产生 皮细胞 CTL 败血症 ? 产生粒细胞-巨噬活化 T1、有H粒细胞、细胞克隆刺抑制生分化成些T2、H分化 巨噬细, , 激因子 长 树突状有些胞(骨髓(GM-CSF) CTL 细胞 细胞生 28 成)和树 突状细 胞 抑制生转化生长因活化嗜抑制/刺CD4 T长 抑制活大约10子-β , 中性粒激细胞细胞 IgA转换化 周死亡 (TGF-β) 细胞 生长 因子 图8.32 T细胞所产生的细胞因子的名称与功能 重要作用的格子采用颜色标记。每一种细胞因子针对不同的细胞类型表现出多种活性。任何一个特定细胞分泌的是细胞因子的混合物，可以通过“细胞因子网络”产生多种效应。效应细胞因子的主要活性用红色突出标记。? 表示增加;? 表示下降;CTL指细胞毒性淋巴细胞;NK指自然杀伤细胞;CSF为集落刺激因子;IBD表示炎症性肠疾病;NO为一氧化氮。 CD8效应T细胞释放的主要细胞因子是IFN-γ，它能阻止病毒复制甚至清除感染细胞中的病毒而不杀伤宿主细胞。T1细胞和T2细胞可以释放一系列不同的细胞因子，这些细胞HH 因子有重叠现象，在免疫应答中具有不同的作用。T2细胞分泌活化B细胞的IL-4和IL-5，H 以及抑制巨噬细胞活化的IL-10。T1细胞分泌活化巨噬细胞的主要细胞因子IFN-γ，以及淋H 巴毒素(LT-α或TNF-β)，能活化巨噬细胞、抑制B细胞并对有些细胞能够直接产生细胞毒作用。T0细胞即可以分化为T1和T2细胞这两个功能亚群的细胞，也分泌细胞因子，HHH 包括IL-2、IL-4和IFN-γ，因此具有独特的效应功能。 中讨论了T细胞受体是如何控制细胞的极化、使释放的细胞因子集我们已经在8-16节 中在与靶细胞接触的位点。此外，大多数可溶性细胞因子可以在局部与膜结合型的效应分子发挥协同作用。因此所有这些分子作用所表现的是综合效应，膜结合型效应分子只能与相应细胞上的受体结合，这是另一种作用机制，通过这种作用机制细胞因子可以选择性地作用在靶细胞上。可以通过严格调节细胞因子的合成来进一步控制其对靶细胞的效应:我们后面会 、IL-4和IFN-γ的合成是受到控制的，因此T细胞与靶细胞的相互作看到，细胞因子如IL-2 用结束后就不再继续分泌了。 但有些细胞因子可以在较远端发挥效应。如由两类CD4效应T细胞释放的IL-3和GM-CSF(图8.32)，能刺激骨髓细胞分化为巨噬细胞和粒细胞，而这两种细胞在体液免疫和细胞免疫中都是重要的非特异性效应细胞。IL-3和GM-CSF也刺激骨髓前体细胞产生树突状细胞。T2细胞分泌的IL-5能够增加嗜酸性粒细胞的产生，在过敏反应的后期，嗜酸H 性粒细胞是T2细胞主要的活化细胞(参见第十二章)。无论一个细胞因子的效应是局部H 的还是远端的，这可能反映了细胞因子释放的量、释放后在靶细胞上的集中程度，以及细胞因子在体内的稳定性。但对大多数细胞因子尤其是作用远端的细胞因子来说，这些影响因素还不清楚。 8-19 细胞因子及其受体属于结构相关的不同蛋白家族 细胞因子根据结构可以分为:造血因子家族、干扰素家族和TNF家族(图8.33);其受体同样可以分为相应的家族(图8.34)。在第二章我们已经接触过了所有这些家族的成员，已经对趋化因子家族有了大概的了解(见2-20节)。在此我们主要讨论造血因子、TNF家族和IFN-γ的受体，以及这些受体在T细胞效应功能中的作用。TNF家族成员是以三聚体的形式发挥作用的，大多数TNF是膜结合型的，与其他细胞因子的特性有很大的不同。但它们与可溶性T细胞的细胞因子具有一些相似的重要特征，如都是由T细胞识别抗原后从头开始合成的，并影响靶细胞的行为。 29 图8.33 细胞因子及其受体可以根据其结构分为更小的家族 如图所示是典型的造血因子家族和TNF家族，效应T细胞产生的大多数细胞因子属于这些家族的其中之一或其他家族。上图为细胞因子，相应的受体在下图。造血因子的代表是IL-4(图a)。造血因子是小的单链蛋白。IL-4受体假定的二聚体结构模型(根据相应人类生长激素受体的已知结构)见图b，结合的IL-4以红色表示。肿瘤坏死因子(TNF)及其相关分 TNF受体的一个亚单位结构结合一个TNF单体，见子是以三聚体的形式出现的，见图c。 图d。其他免疫球蛋白相关的结构家族中感兴趣的是干扰素及其干扰素家族(见图8.34)和趋化因子及其受体(见图2.32)。 (图) 红细胞生成素、生长激素和IL-13的受体 IL-3、IL-5和GM-CSF的受体拥有一条 (图) I型细胞因子受体家族共同链CD131或βc(共同β链) (造血因子受体家族) IL-2、IL-4、IL-7、IL-9和IL-15受体拥有一条共同链CD132 (图) 或γc(共同γ链)，IL-2受体还有第三条链即构成 高亲和力受体的亚单位IL-2Rα(CD25) II型细胞因子 干扰素-α、β和γ受体 (图) 受体家族 IL-10受体 肿瘤坏死因子(TNF)受体I和II TNF受体家族 (图) CD40，Fas(Apo 1)，CD30，CD27 神经生长因子受体 趋化因子受体家族 (图) CCR1,5，CXCR1,4 图8.34 细胞因子受体属于受体蛋白的家族，每个家族具有特定的结构 细胞因子受体的一个大家族，根据其是否存在特定的序列基序(motif)可分为两个类群。许多细胞因子受体是造血因子受体家族的成员，这个家族也称为I型细胞因子受体家族。这个家族是用它的第一个成员即造血因子受体的名称来命名的。数量较少的受体属于II型细胞因子受体超家族，这个家族的许多成员是干扰素或干扰素样的细胞因子受体。另一个细胞因子受体的超家族是肿瘤坏死因子受体(TNFR)家族，和趋化因子受体家族，属于大G蛋白偶联受体一个非常大的家族中的一部分。每个家族的成员具有一定的特异性，而表达该受体的细胞都执行特定的功能。在造血因子受体家族中，α链常常决定了受体相应的配体特异性，而β或γ链则具有细胞内信号转导的功能。对TNFR家族来说，配体是以三聚体的形式发挥作用的，可能与细胞膜结合型有关，而不是分泌型。这儿所列的受体中，有些已经在本书中提到，有些会在以后的章节中出现，同时有些是其他生物系统中主要的成员。本图表列出的是你将会在本书中遇到的代表性受体。 许多效应T细胞分泌的可溶性细胞因子属于造血因子家族。这些细胞因子及其受体可以根据其功能相似性和遗传连锁进一步分为不同亚群。例如，IL-3、IL-4、IL-5、IL-13与GM-CSF具有相似的结构，它们的基因在染色体上也紧密连锁，都是由T2细胞产生的主H要细胞因子。另外，它们结合的受体关系密切，组成I类细胞因子受体家族。IL-3、IL-5和GM-CSF受体共享一条β链。I类细胞因子受体家族的另一个亚群都共享IL-2受体的γ链现在称之为共同γ链(common γ chain，γc)，这样的细胞因子受体有IL-2、IL-4、IL-7、IL-9和IL-15。相关性远一些的，如IFN-γ的受体属于?类细胞因子受体家族，是有些类似于造血因子受体家族的细胞因子受体小家族，包括IFN-α和IFN-β的受体，以及IL-10受体。细胞因子及其受体之间在结构、功能以及遗传等方面的联系表明两者在专门化效应功能不断增加的进化过程中出现了多样化。 30 当细胞因子与其特异性受体结合时，根据启动细胞内部信号传递通路的不同从而表现出不同的特异性效应功能。造血因子和干扰素受体的信号转导都是通过相似的信号通路，见第六章的叙述。这条通路中的关键信号分子是Janus家族成员的胞内酪氨酸激酶(cytoplasmic tyrosine kinases，JAKs)及其作用底物即信号转导和转录活化因子(signal transducing activators of transcription，STATs)，STATs可以进入细胞核活化特异性基因。由于JAKs和STATs是作为相关分子家族的代表，因此激活不同成员可以获得不同的效应。 8-20 TNF家族的细胞因子为同源三聚体常常位于细胞表面 T细胞产生的TNF-α有可溶型或膜结合型两种形式，这两种形式都是由三条相同蛋白质链组成的同源三聚体(见图8.33)。TNF-β(LT-α)可以以分泌型的同源三聚体出现，但通常与同一个家族的第三成员LT-β膜相关蛋白构成膜结合型的异源三聚体。这些分子的受体TNFR-I和TNFR-?，当与TNF-α或LT结合时，是以同源三聚体的形式存在。三聚体结构是TNF家族所有成员的特征，配体介导受体形成三聚体似乎是开启信号转导的重要一环。 大多数效应T细胞在细胞表面表达TNF蛋白家族成员。对T细胞效应功能最重要的TNF家族蛋白有TNF-α、TNF-β、Fas配体和CD40配体，而后两者永远是膜结合型的。这些分子都与TNFR家族的受体结合，TNFR-I和?分别都能与TNF-α或TNF-β相互作用，而Fas配体和CD40配体则各自与靶细胞上的Fas跨膜蛋白和CD40跨膜蛋白结合。 Fas表达于许多细胞，尤其是活化的淋巴细胞上。Fas配体活化Fas后会产生很大的影响，因为Fas的胞内端含有一个“死亡结构域”，能够启动细胞内称之为半胱天冬氨酸酶(Caspases)的级联活化，导致细胞凋亡(图6.23)。Fas对维持淋巴细胞平衡是很重要的，这可以从Fas或Fas配体基因突变后出现的效应来说明。带有Fas突变型的小鼠和人可发生与严重自身免疫相关的淋巴细胞增多症。在另一株Fas配体编码基因突变的小鼠中，出现了几乎相同的表型。这些突变的表型代表了由单基因缺失而引起自身免疫病的最典型例子。其他TNFR家族成员包括TNFR-I，也与死亡结构域有关，也能诱导程序性细胞死亡，因此，TNF-α和TNF-β与TNFR-I结合后能够诱导程序性细胞死亡。 CD40的胞内端缺乏死亡结构域，而与称之为TNF受体相关因子(TNF-receptor- associated factors，TRAFs)的蛋白质相连，对此知之不多。CD40涉及巨噬细胞和B细胞的活化，B细胞上CD40与相应配体的结合促进其生长和同种型转换，而巨噬细胞上CD40的结合能诱导其分泌TNF-α，同时对微量浓度的IFN-γ更敏感。CD40配体表达缺陷与免疫缺陷病有关，将在第九章和第十一章讨论。 小结 致敏效应T细胞与相应靶细胞之间的相互关系是由细胞间短暂的非特异性粘附启动的。只有当致敏效应T细胞的受体识别了靶细胞上的抗原肽-MHC复合物时才会发挥T细胞效应功能。这种识别引起致敏效应T细胞与携带有抗原的靶细胞之间粘附得更紧密，并直接向靶细胞释放效应分子，导致靶细胞活化或死亡。致敏效应T细胞识别抗原后的结果，很大程度上决定于效应细胞对结合的特异性靶细胞产生的一系列效应分子。CD8细胞毒性T细胞在专门的溶酶粒中储存了预先合成的细胞毒素，释放后这些细胞毒素都集中在与感染靶细胞接触的部位。三类效应T细胞会从头合成细胞因子以及一个或多个TNF家族的膜相关效应蛋白。T2细胞表达激活B细胞的效应分子，而T1细胞表达激活巨噬细胞的效应分HH 子。CD8 T细胞表达膜相关的Fas配体，诱导带有Fas细胞的程序性细胞死亡，还释放IFN-γ。膜相关效应分子只能给带有相应受体且相互作用的细胞传递信号，而可溶性细胞因子不仅能 31 作用在局部靶细胞表达的细胞因子受体上，还能作用在远距离的造血细胞上。T细胞主要的效应功能包括:细胞因子和膜相关效应分子通过其特异性受体发挥作用，CD8细胞释放的细胞毒素的作用。 T细胞介导的细胞毒作用 所有病毒和某些细菌是在感染细胞的细胞质中增殖的，事实上，病毒是高度专一的寄生虫，没有自己生物合成或新陈代谢的细胞器，只能在细胞中复制。一旦进入细胞，这些病原体就不受抗体的影响，要清除它们只能通过破坏或改变它们赖于生存的感染细胞。这种宿主的防御功能是由CD8细胞毒性T细胞来完成的。细胞毒性T细胞在限制这种感染中的重要作用，可以通过实验来证明:人工清除这些T细胞后，动物则出现易感性增加;另外也可以用参与抗原递呈的MHC分子缺陷小鼠或人来证明CD8 T细胞的重要性。与控制病毒和胞内菌感染一样，CD8 T细胞在控制有些原生动物的感染中起到关键的作用，例如，宿主对抗原生动物刚地弓形虫(Toxoplasma gondii)，一种囊泡寄生虫，可以从感染的囊泡中向细胞质中排出抗原肽，这些肽则进入MHC I抗原递呈途径。既要清除感染的细胞又不破坏健康的组织，这就要求CD8 T细胞的细胞毒性机理有效、且正确靶向。 8-21 细胞毒性T细胞能够诱导细胞程序性细胞死亡 细胞死亡有两条途径:物理或化学损失，如心脏病发作时心肌细胞缺氧，或抗体和补体对细胞膜的损害，导致细胞裂解或坏死(necrosis)。这些死亡或坏死的组织由吞噬细胞摄取并降解，最终清除损伤的组织并愈合伤口;另一种细胞死亡的方式称为程序性细胞死亡(programmed cell death)或凋亡(apoptosis)。凋亡是一种正常的细胞反应，在所有多细胞动物发育和变形的组织形成过程中发挥着重要作用。正如我们在第七章看到的，大多数胸腺细胞因不能通过阳性选择而凋亡了，更多的细胞因不能通过识别自身抗原的阴性选择也发生凋亡。凋亡早期细胞可见的变化是:细胞核出泡、细胞变形，最后DNA片段化。细胞从内部浓缩分裂成膜包裹的小囊并脱离，自我降解。凋亡细胞的特点就是核DNA降解成200bp倍数的片段，主要是由于核酸内切酶在核小体之间酶切DNA的结果，而每个核小体包含有200bp左右的DNA。 细胞毒性T细胞通过启动程序性的凋亡而杀死靶细胞(图8.35)。当细胞毒性T细胞与靶细胞混合后离心，在它们迅速接触时，T细胞可在5分钟内诱导抗原特异性靶细胞凋亡，虽然彻底死亡需要数小时。细胞毒性T细胞与其靶细胞的短暂接触，主要是用来释放预先合成的效应分子，通过后者激活靶细胞内部的凋亡途径。 CTL启动靶细胞的CTL识别并结合于程序化细胞死亡并诱CTL移行至靶细胞 靶细胞发生凋亡 病毒感染的细胞 导DNA片段化 (图) (图) (图) (图) 照片a 照片b 照片c 图8.35 CD8细胞毒性T细胞诱导靶细胞的凋亡 CD8细胞毒性T细胞(CTL)特异性识别了靶细胞上的肽-MHC复合物后，通过凋亡作用导致靶细胞的死亡。细胞毒性T细胞能够反复杀伤多个靶细胞。每次发生的杀伤过程步骤都相同，包括:受体结合后储存于溶酶粒中的细胞毒性蛋白定向释放。在显微镜下可以看到凋亡的过程(上一排图)，图a显示具有正常细胞核的健康细胞。凋亡早期(图b)染色质开 32 始浓缩(红色)，虽然细胞膜出泡，但仍然保持了细胞膜的完整性，与此相对照的是同一个视野中上部有一个坏死的细胞。凋亡后期(图c)细胞核(中间细胞)极端浓缩，看不到线粒体，通过囊状物的脱落，细胞已经失去了大部分细胞质和膜。照片(×3500)由R. Windsor和E. Hirst提供。 凋亡能杀死宿主细胞，也能直接作用于细胞内的病原体。例如，在凋亡中活化的核酸酶能破坏细胞的DNA，也能降解病毒的DNA。这就防止了病毒的装配以及感染性病毒的释放，否则它们会感染附近的细胞。在凋亡过程中活化的其他酶也可以破坏非病毒的胞内菌。凋亡作为一种杀伤感染细胞的方式比坏死更可取，因为坏死时，完整的病原体可以从死亡的细胞中释放出来并能继续感染健康的细胞，或寄生于摄取它们的巨噬细胞中。 8-22 启动凋亡的细胞毒性效应蛋白储存于CD8细胞毒性T细胞的颗粒中 细胞毒性T细胞识别了靶细胞表面的抗原后，主要是通过钙依赖性途径释放专门的溶酶粒(lytic granules)来发挥作用的。这些溶酶粒是特化了的溶酶体，其中至少含有两类不同的细胞毒性效应蛋白，由细胞毒性T细胞选择性地表达(图8.36)。这些蛋白以活化形式储存于溶酶粒中，但颗粒中的环境条件可以防止它们发挥功能，直到释放。其中一类细胞毒性蛋白称之为穿孔素(perforin)，能够在靶细胞膜上聚集形成跨膜孔道。另一类细胞毒性蛋白至少由三种称为粒酶(granzymes)的蛋白酶组成，粒酶属于丝氨酸蛋白酶家族中的一类酶，如胰岛素消化酶和胰凝乳蛋白酶。颗粒中储存的穿孔素和粒酶可以在受损组织处的CD8细胞毒性致敏效应细胞中看到。 细胞毒性T细胞溶对靶细胞的效应 酶粒中的蛋白质 穿孔素 聚集在靶细胞膜内形成孔道 丝氨酸蛋白酶一旦进入靶细胞的 粒酶 细胞质中，就激活细胞凋亡 图8.36 细胞毒性T细胞释放细胞毒性效应蛋白 在体外，将细胞毒性T细胞中的颗粒纯化后加入至靶细胞中，它们可以在脂双层中形成孔道而溶解细胞。孔道由颗粒中主要成分穿孔素聚合而成。一旦释放出颗粒，穿孔素就形成圆柱形结构，其亲脂性部分朝外，而亲水性部分朝内，形成内径为16nm的孔道(图8.37)。还不清楚这个结构是先形成后再插入到靶细胞膜的脂双层中的，还是在双层膜中自己形成的。形成的孔道允许水和盐迅速进入细胞内。由于破坏了细胞膜的完整性，细胞很快就死亡了。大量纯化的颗粒在体外能够杀死靶细胞而不诱导细胞DNA片段化，但这种溶解细胞的机理仅发生在存在大量穿孔素的人为情况下，并不代表细胞毒性T细胞的生理活性。 图8.37 穿孔素来源于细胞毒性T细胞释放的溶酶粒，能插入靶细胞膜中形成孔道 穿孔素分子像其他效应分子一样，包含在细胞毒性T细胞的溶酶粒中(图a)。当CD8细胞毒性T细胞识别相应靶细胞后，溶酶粒内容物就被释放到靶细胞上(图b，右下区)。从颗粒中释放的穿孔素分子聚集在靶细胞膜上形成孔道。这些孔道的结构可以通过将纯化的穿孔素加在人工合成的脂质体上进行观察(图c:可以看到孔道有两端，圆形，见箭头)。孔道跨越靶细胞的膜(图d)。照片由E. Podack提供。 G:颗粒;N:细胞核;M:线粒体;Go:高尔基体。 图中:d:Exterior胞外 33 有效地杀伤细胞需要穿孔素和粒酶。穿孔素和粒酶各自的作用是利用相似的细胞系统来研究的:即T细胞的溶酶粒以及肥大细胞的颗粒。当肥大细胞的Fc受体发生交联时就释放颗粒(见第九章)，正如CD8 T细胞的T细胞受体交联时释放溶酶粒一样。在这两种情况下颗粒释放的信号转导机理认为是相同或相似的，因为Fc受体和T细胞受体在胞内结构域中都有ITAM基序，交联导致了ITAMs的酪氨酸磷酸化(见第六章)。 用穿孔素或粒酶的编码基因转染肥大细胞株时，基因产物储存在肥大细胞颗粒中，当细胞通过其Fc受体活化时，就会释放这些颗粒。当单独转染穿孔素基因时，肥大细胞能够杀伤其他细胞，但由于杀伤效率较低，因而需要大量的转染细胞存在。相反，单独用粒酶B基因转染肥大细胞时则不能杀伤其他细胞。但在转染有穿孔素的肥大细胞中同时转染粒酶B基因时，该细胞或其纯化颗粒就能像来源于细胞毒性细胞中的颗粒那样有效地杀伤靶细胞，而且这两类细胞的颗粒都能诱导DNA片段化。这就提示粒酶是通过穿孔素形成的孔道进入靶细胞的。 粒酶是蛋白酶，虽然它们具有启动靶细胞凋亡的作用，但不能直接使DNA片段化。更正确的说，它们必须活化靶细胞的一种酶、或者更有可能激活一组级联反应的酶。粒酶B能够裂解普遍存在的细胞酶CPP-32，即一种被认为在所有细胞的程序性细胞死亡中起着关键作用的酶。CPP-32是一种半胱天冬氨酸酶，可以激活一种称之为半胱天冬氨酸酶活化的脱氧核糖核酸酶CAD(caspase-activated deoxyribonuclease，CAD)，这个酶是凋亡中降解DNA的最后效应分子，平时与抑制蛋白(ICAD)结合而没有活性，CPP-32通过降解其抑制蛋白(ICAD)而激活CAD。 进入程序性细胞死亡的细胞很快就被附近的吞噬细胞所摄入。吞噬细胞能识别这些细胞膜上的一些改变，可能最多的是外露的磷脂酰丝氨酸，因为在正常情况下这些磷脂酰丝氨酸只存在于膜的内层。吞噬细胞摄取了这些凋亡细胞后，完全将它们降解和消化，而不产生协同刺激蛋白。因此，凋亡通常是一种免疫学上的平静过程，也就是说，凋亡细胞通常不会刺激免疫应答。 在这个过程中穿孔素的重要性可以用敲除穿孔素基因的小鼠很好地阐明。这种小鼠对许多病毒但不是所有病毒产生的细胞毒性T细胞应答能力方面有严重缺陷。而粒酶B基因缺陷的小鼠受影响的程度要小得多，可能是因为细胞存在有几个编码粒酶的基因。 8-23 活化CD8 T细胞和一些CD4效应T细胞表达能激活凋亡途径的Fas配体 颗粒内容物的释放担负了大多数CD8效应T细胞的细胞毒活性，如上所示在穿孔素基因敲除的小鼠中，CD8效应T细胞失去了大部分杀死活性。这种颗粒介导的杀伤作用是严格钙依赖性的，但在钙损耗的情况下CD8 T细胞的有些细胞毒作用仍然保留。而且有些CD4 T细胞也能杀伤其他细胞，只是它们没有颗粒、也不产生穿孔素和粒酶。这些结果暗示可能存在着非穿孔素依赖的第二种细胞毒作用的机制。这个机制涉及通过Fas配体与靶细胞膜上的Fas结合，而Fas配体存在于活化细胞毒性T细胞和T1细胞的膜上。与Fas结合可导致H 半胱天冬氨酸酶的活化，诱导靶细胞的凋亡(图6.23)。在8-20节中我们讨论过，在淋巴细胞增多症和自身免疫混乱的小鼠和人中，发现Fas或Fas配体基因存在突变，这就意味着这条杀伤途径在调节外周免疫应答中非常重要。在清除了启动免疫应答的病原体后，表达于活化淋巴细胞表面的Fas以及Fas-Fas配体的相互作用对终止淋巴细胞的生长很重要。 8-24 细胞毒性T细胞可以选择性地连续杀伤携带有特异性抗原的靶细胞 34 将细胞毒性T细胞与两种等量的靶细胞混合时，其中一种靶细胞携带有特异性抗原，而另一种则没有，那么T细胞只杀伤携带有特异性抗原的靶细胞，不会杀伤“旁观者”(innocent bystander)细胞和细胞毒性T细胞本身，当然克隆的细胞毒性T细胞能够被其他细胞毒性T细胞所识别和杀伤，就像杀伤其他组织细胞一样。刚看到这种现象时很令人惊奇，因为细胞毒性T细胞释放的效应分子是缺乏任何抗原特异性的。对此可能的解释是释放这些效应分子时细胞已高度极化。我们可以从图8.29中看到细胞毒性T细胞中的高尔基 显示颗粒向接触部位移动。体和微管组织中心集中到了与靶细胞接触的部位。而图8.38中 细胞毒性T细胞与几个不同的靶细胞接触时，其中的分泌颗粒会依次趋向于每一个细胞，一个接着一个杀伤这些靶细胞，这有力地说明了这种释放细胞毒性介质的机制保证了细胞毒性T细胞一个时间只能攻击接触的那个位点。细胞毒性T细胞的作用集中在狭小的部位这就保证这些T细胞只能杀伤单个的感染细胞，而不会造成普遍的组织损伤(图8.39)，这一点对组织来说是非常重要的，因为组织中不会出现细胞重排现象，如中枢神经系统中，而在胰腺中细胞重排也很有限。 时间,0 (图) 1分钟以后 (图) 4分钟以后 (图) 40分钟以后 (图) 图8.38 T细胞溶酶粒中以高度极化的形式释放出效应分子 细胞毒性T细胞的颗粒可以用荧光染料进行标记，这样在显微镜下就可以看到它们，并用定时拍摄技术追踪其运动状态。在此我们显示的一系列照片反应了细胞毒性T细胞与靶细胞相互作用的过程，最后杀伤靶细胞。第一张照片即0时，T细胞(右上)刚刚接触到靶细胞(对角线下方)。此时，标记上红色荧光染料的T细胞颗粒与细胞接触位点存在着一段距离。第二张照片，即接触后1分钟，颗粒开始移向靶细胞，这种移动基本上到第三张照片时完成，即接触后4分钟。40分钟后，即最后一张照片，颗粒内容物已经释放入T细胞与靶细胞之间的空间内，开始诱导靶细胞发生凋亡(注意成碎片的细胞核)。T细胞现在离开靶细胞，能够识别和杀伤其他靶细胞。照片由G. Griffiths提供。 T细胞识别感染细胞 (图) 感染细胞程序化死亡 (图) 不杀伤旁边的未感染细胞 (图) 图8.39 细胞毒性T细胞杀伤携带有特异性抗原的靶细胞，但不伤及附近未感染的细胞 所有组织细胞对CD8致敏效应T细胞产生的细胞毒性蛋白的降解作用都是敏感的，但只有感染细胞被杀伤。T细胞受体的特异性识别可以鉴别出靶细胞并将其杀伤，溶酶粒的极化释放(未显示)保证了这种杀伤不殃及附近的细胞。 细胞毒性T细胞能迅速杀伤相应的靶细胞，是因为其细胞内存储有预先合成的细胞毒性蛋白，这些蛋白在溶酶粒的周围环境中是以非活性的形成存在的。细胞毒性蛋白是初始细 35 胞毒性T细胞与其特异性抗原接触后才合成并存储于溶酶粒中的。致敏效应CD8 T细胞的T细胞受体结合抗原后同样诱导穿孔素和颗粒酶的从头合成，由此补充了溶酶粒的来源。这就使得单个的CD8 T细胞能够连续杀伤靶细胞。 8-25 细胞毒性T细胞也通过释放细胞因子发挥作用 由于Fas配体的表达在清除感染中所起的作用很小，因此穿孔素和粒酶的分泌是细胞毒性CD8 T细胞的主要途径，大多数细胞毒性CD8 T细胞也释放IFN-γ、TNF-α和TNF-β，它们以不同的方式参与宿主防御机制。IFN-γ能直接抑制病毒的复制，也诱导感染细胞增加表达MHC I分子和其他有助于抗原肽与新合成的MHC I蛋白结合的分子表达。这就增加了被细胞毒性细胞识别和攻击感染细胞的机会。IFN-γ也能活化巨噬细胞，并被招募至感染部位作为效应细胞和抗原递呈细胞。IFN-γ活化巨噬细胞是宿主对细胞内寄生的原生动物病原体如刚地弓形虫产生免疫应答的关键步骤。IFN-γ的第二个作用就是降低应答细胞内部的色氨酸浓度，从而用饥饿法杀死胞内寄生虫。在活化巨噬细胞过程中TNF-α或TNF-β与IFN-γ有协同作用，通过与TNFR-I的相互作用杀死这些靶细胞。因此，细胞毒性CD8致敏效应T细胞可以通过多种途径限制胞内菌的扩散。这些机制中各途径的重要性有待于进一步研究。 小结 细胞毒性CD8致敏效应T细胞在宿主防御胞内寄生菌中起着重要的作用，最普遍的作用就是防御病毒。这些细胞毒性T细胞通过识别结合于MHC I分子并输送至细胞表面的外源肽，从而杀伤任何内部寄生有这些病原体的细胞。细胞毒性CD8 T细胞是通过释放两种预先合成的细胞毒性蛋白来发挥它们的杀伤功能的，这两种蛋白是:能够诱导任何类型靶细胞凋亡的粒酶，以及在靶细胞膜上形成孔道的成孔蛋白即穿孔素，粒酶能够通过该孔道进入 感染的任何细胞。CD8细胞。事实上，这些工具帮助细胞毒性T细胞攻击和破坏被胞内菌 和有些CD4 T细胞表达的膜结合型分子Fas配体与一些靶细胞上表达的Fas结合，也能够诱导细胞凋亡。细胞毒性CD8 T细胞也能产生抑制病毒复制的IFN-γ，IFN-γ也是MHC I分子表达的重要诱导物，以及巨噬细胞的活化剂。细胞毒性T细胞能够很精确地杀伤靶细胞，不会殃及邻近的正常细胞。在清除感染细胞的同时尽量减少对正常组织的损伤，这种作用的精确性是至关重要的。 致敏CD4 T1细胞激活巨噬细胞 H 有些微生物如引起肺结核和麻风病的致病菌属于胞内寄生菌，主要生长在巨噬细胞的吞噬溶酶体中，在那儿它们可以逃避抗体和细胞毒性T细胞的作用。这些微生物通过抑制溶酶体与它们生活的吞噬体融和、或者通过抑制溶酶体蛋白酶活化的方式从而避免居留处所的酸化。只有当巨噬细胞被T1活化后才能清除这样的微生物。致敏T1细胞通过表达膜相HH 关蛋白和一系列可溶性细胞因子发挥局部和远端效应作用，调节对这些胞内菌的免疫应答。致敏T1细胞也能激活巨噬细胞杀伤近期摄入的病原菌。 H 8-26 致敏T1细胞在巨噬细胞活化中的核心作用 H 36 大量重要的病原生物是生活在巨噬细胞内部的，而且许多其他病原生物也可以通过巨噬细胞的摄入从细胞外液进入巨噬细胞内部。在许多情况下，巨噬细胞能够破坏这些病原体而无需T细胞的活化，就如我们在第二章看到的，但在有些临床的严重感染中，就需要CD4 T细胞提供巨噬细胞的活化信号。所谓巨噬细胞活化(macrophage activation)就是在巨噬细胞中诱导产生抗菌机制，也是T1细胞主要的效应作用。当巨噬细胞活化后能杀死胞外的H 病原生物如肺孢子虫(Pneumocystis carinii)，艾滋病人由于缺乏CD4 T细胞，目前感染肺孢子虫已成为普遍的致死因素。巨噬细胞活化的程度是通过测定活化巨噬细胞杀伤广谱的微生物和一定肿瘤细胞的能力来衡量的。这种杀伤能力也可以作用于胞外目标甚至扩大至健康的自身细胞，这就意味着正常情况下巨噬细胞必须维持在非活化状态。 巨噬细胞活化需要两个信号。其一由IFN-γ提供，另一个信号可以通过多种方式获得，并要求提高巨噬细胞对IFN-γ反应的灵敏度。而致敏效应T1细胞能够提供这两个信号。H IFN-γ是致敏T1细胞与其特异性靶细胞相互作用后产生的最典型的细胞因子，而且T1细HH胞表达的CD40配体需要通过与巨噬细胞上的CD40结合才能传递活化信号(图8.40)。CD8 T细胞也是IFN-γ重要的来源，能够活化递呈有胞质蛋白抗原的巨噬细胞;MHC I分子缺陷的小鼠，因为没有CD8 T细胞，表现出对一些寄生性感染的易感性增加。微量细菌脂多糖能够增加巨噬细胞对IFN-γ的敏感性，当CD8 T细胞是IFN-γ主要来源时，这后一条途径可能尤其重要。在巨噬细胞活化作用中，膜结合型TNF-α或TNF-β也可能替代CD40配体的作用。这些细胞膜相关分子能明显刺激巨噬细胞分泌TNF-α，抗TNF-α的抗体能抑制巨噬细胞活化。T2细胞由于产生IL-10，从而不能有效地活化巨噬细胞，IL-10是一种能使巨噬H 细胞失活的细胞因子，另外T2细胞不能产生IFN-γ。但T2细胞可以表达CD40配体，传HH 递接触依赖性的信号，提高巨噬细胞对IFN-γ的反应能力。 T1细胞 感染的巨噬细胞 H (图) (图) T细胞激活巨噬细胞 CD40 ligand:CD40配体;TNF-γ receptor:TNF-γ受体 图8.40 T1细胞激活巨噬细胞成为高效杀菌细胞 H 当特异性识别细菌肽的致敏效应T1细胞接触感染的巨噬细胞后，就诱导T细胞分泌巨噬H 细胞激活因子IFN-γ并表达CD40配体，这些T1细胞新合成的蛋白共同激活巨噬细胞。 H 8-27 致敏CD4 T1细胞产生细胞因子和膜相关分子时需要合成新的RNA和蛋白质 H 细胞毒性CD8致敏效应T细胞在识别了特异性抗原的数分钟内，可以定向地外分泌预先合成的穿孔素和粒酶，诱导靶细胞的凋亡。与此相反，当致敏T1细胞接触其特异性配H 体时，它们必须从头合成介导其效应的细胞因子和细胞表面分子。这个过程需要数小时而不是数分钟，因此T1细胞与靶细胞的粘附时间远大于细胞毒性T细胞所需的时间。 H T1细胞识别靶抗原后迅速诱导细胞因子基因的转录，在受体启动反应的一小时内开始H 合成新的蛋白。新合成的细胞因子然后通过固有的微囊系统分泌途径直接释放至T细胞膜与巨噬细胞之间的接触位点处。而新合成的细胞表面CD40配体也是以这种极化的方式表达的。这就意味着虽然所有巨噬细胞均有IFN-γ受体，但实际上T1细胞更容易活化为其递呈H 抗原的巨噬细胞，而不是附近未被感染的巨噬细胞。 8-28 致敏T1细胞活化巨噬细胞增强其杀菌作用但必须严格控制以避免组织损失 H 37 T1细胞通过细胞接触从而活化感染的巨噬细胞，并集中分泌IFN-γ。从而引发了一系H 列生化反应使巨噬细胞转变为有效清除微生物的效应细胞(图8.41)。活化的巨噬细胞可以使溶酶体与吞噬体更有效地融合，将细胞内的微生物或刚刚摄入的胞外微生物暴露在含大量杀菌的溶酶体蛋白酶中。活化的巨噬细胞也产生具有有效抗菌活性的氧游离基和一氧化氮(NO)，以及抗菌肽和蛋白酶，而且这些分子释放后能攻击胞外的寄生虫。 活化的巨噬细胞 (图)MHC class I:MHC I;MHC class II:MHC II; B7 molecules:B7分子;TNF receptor:TNF受体 图4.41 活化的巨噬细胞经过变化后大大增加了其抗菌效力并增强免疫应答 活化的巨噬细胞增加了CD40和TNF受体的表达，并分泌TNF-α。这种自分泌方式的细胞因子与T1细胞分泌的TNF-γ一起协同刺激巨噬细胞，使之增强杀菌活性，特别是诱导产H 生一氧化氮(NO)和氧游离基。巨噬细胞与T细胞上的CD40配体结合后，也上调其B7分子，增加MHC ?分子的表达，由此进一步激活静止的CD4 T细胞。 活化的巨噬细胞另一个变化是增强免疫应答。巨噬细胞表面MHC ?分子、B7分子、CD40和TNF受体的数量增加，表现在一方面巨噬细胞更有效地将抗原递呈给新的T细胞，从而使这些T细胞成为效应细胞;另一方面对CD40配体和TNF-α的反应能力增强。在巨噬细胞活化过程中TNF-α与IFN-γ有协同作用，尤其在诱导具有广谱抗菌活性的氮代谢物NO产生过程中。NO由诱导性NO合成酶(inducible NO synthase，iNOS)产生的，iNOS 感染高度敏感。活化的巨噬细胞分泌一种细胞因子IL-12，它基因敲除的小鼠对一些胞内菌 诱导初始T细胞活化并分化为效应T1细胞，参见第十章。活化的巨噬细胞产生的许多表H 面分子和分泌分子，是巨噬细胞在细胞介导的免疫应答中发挥效应作用的武器，也是体液免疫应答中重要的效应分子，我们将在第九章进一步讨论。而巨噬细胞在招募其他免疫细胞至感染部位及其发挥的功能我们将在第十章讨论。 由于活化的巨噬细胞能非常有效地清除病原菌，有人是否会问为什么巨噬细胞不能简单地维持在一直活化的状态。巨噬细胞维持在活化状态时除了需要消耗大量能量外，体内巨噬 与局部组织损伤有关，很明显这些损伤是由于抗菌介质如氧游离基、NO和细胞活化通常还 蛋白酶的释放造成的，因为这些介质对宿主细胞也是有毒性的。活化巨噬细胞释放有毒介质的能力对于宿主的防御功能很重要，因为这些介质可以攻击大量巨噬细胞不能摄取的胞外病原生物如寄生蠕虫。但这些利益获得的同时是以组织损伤为代价的。因此，T1细胞通过严H格控制巨噬细胞活性，使其特异而有效发挥这种宿主防御功能的同时，尽量降低对局部组织的损伤和能力消耗。 巨噬细胞活化过程包括由活化的效应T细胞控制IFN-γ合成的机制。这似乎是通过调节编码IFN-γ的mRNA半衰期来达到的。IFN-γ的mRNA像多种其他细胞因子的编码基因一样，在3’端含有一段大大降低其半衰期的非编码区序列(AUUUA)，限制了细胞因子产生的n 周期。T细胞的活化诱导产生了一种促进细胞因子mRNA降解的新蛋白:用蛋白质合成抑制剂放线菌酮处理活化的效应T细胞后，大大增加了细胞因子mRNA的水平。细胞因子mRNA的迅速破坏，加上IFN-γ局部释放在活化T1细胞与其靶细胞巨噬细胞的接触位点，H 因此限制了效应T细胞对感染的巨噬细胞的作用。我们将在第九章看到，当T2细胞活化BH细胞时，也出现同样的机制指导和限制了T细胞对结合特异性抗原的B细胞的作用。还有细胞因子如:β转化生长因子(transforming growth factor-β，TGF-β)、IL-4、IL-10和Il-13能明显抑制巨噬细胞本身的活化。由于有些抑制性细胞因子是由T2细胞产生的，而属于H T2亚群的CD4 T细胞就代表了控制活化巨噬细胞效应功能的一条重要途径。 H 38 8-29 T1细胞调节宿主对细胞内病原体的应答 H 致敏T1细胞活化的巨噬细胞表达CD40配体和分泌IFN-γ，是宿主对抗巨噬细胞囊泡H 中增殖的病原体的重要应答。采用目标基因破坏的方法，破坏小鼠中IFN-γ或CD40配体的基因，就降低了巨噬细胞产生的抗菌介质，动物会死于亚致死量的结核杆菌和利什曼原虫。巨噬细胞的活化也是控制牛痘病毒的关键。TNF受体缺陷的小鼠也表现出对这些病原体的敏感性增加。对于巨噬细胞囊泡中增殖的病原体产生免疫应答过程是很复杂的，虽然IFN-γ和CD40配体可能是T1细胞合成的最重要的效应分子，但T1分泌的其他细胞因子在调HH 节这些应答中也具有至关重要的作用(图8.42)。例如，存在胞内细菌慢性感染的巨噬细胞可能会丧失被活化的能力。这种感染由于隐藏在细胞内部从而逃避免疫攻击，而这样的细胞可能是传染源。活化的T1细胞能够表达Fas配体，可以杀死一定范围中表达Fas的靶细胞，H 包括巨噬细胞，从而破坏这些感染的细胞。 活化的T1细胞 H IFN-γ和Fas配体或IL-2 IL-3，GM-CSF TNF-α，TNF-β MCP-1 CD40配体 TNF-β (图)(图)chemotaxis趋diapedesis血细化作用; (图) (图) (图) (图) 胞渗出; site of Blood vessel infection感染lumen血管腔 部位 杀伤慢性感激活内皮细胞激活巨噬诱导T细胞染的细胞， 有利于诱导巨引起巨噬细细胞从而症殖、增加诱导骨髓中的释放细菌 噬细胞与之结胞在感染部破坏摄入效应T细胞巨噬细胞分化 便于新的巨 合并离开感染位的聚集 的细菌 的数量 噬细胞清除 部位的血管 图8.42 活化的T1细胞协同对抗胞内菌的免疫应答 H T1细胞经感染的巨噬细胞激活后合成细胞因子，细胞因子既能激活巨噬细胞又能调节对抗H 胞内菌的免疫应答。IFN-γ和CD40配体协同作用激活巨噬细胞，从而杀伤摄入的病原菌。慢性感染的巨噬细胞丧失了杀伤胞内菌的能力，T1细胞产生的Fas配体或TNF-β能够杀伤H 这些巨噬细胞，释放其摄入的细菌，由新的巨噬细胞来摄取和杀伤。在这个途径中，IFN-γ和TNF-β协同作用有助于清除胞内菌。T1细胞产生的IL-2诱导T细胞增殖并促进释放其H 他细胞因子。IL-3和GM-CSF刺激骨髓中的造血干细胞产生新的巨噬细胞。TNF-α和TNF-β(加上其他细胞因子)作用于血管内皮细胞从而使新的巨噬细胞获得信号离开血液进入组织的感染部位。具有巨噬细胞趋化活性的趋化因子(MCP-1)是巨噬细胞迁移进入感染部位并在感染部位聚集的信号。因此，T1细胞通过调节巨噬细胞应答，使其高效地破坏细胞内的H 感染因子。 由于有些囊泡内的细菌面临着慢性感染的巨噬细胞有可能活化的危险，另一些细菌包括一些分枝杆菌和单核细胞李斯特菌(Listeria monocytogenes)则从细胞囊泡中逃逸出来进入细胞质，这样就不受巨噬细胞活化的影响。但是细胞毒性CD8 T细胞能够识别这些细菌，在杀伤细胞的同时能够释放出这些细菌。当T1细胞或细胞毒性CD8 T细胞杀伤感染的噬H 细胞时，释放出来的病原体可以被新招募来的巨噬细胞所摄入，而且能激活这些巨噬细胞的抗菌活性。 39 T1细胞另一个非常重要的功能就是招募吞噬细胞至感染部位。T1细胞通过两种机制HH 招募巨噬细胞:第一，分泌造血生长因子IL-3和GM-CSF，刺激骨髓产生新的吞噬细胞;第二，T1细胞在感染部位分泌TNF-α和TNF-β，改变内皮细胞的表面特性以利于吞噬细H 胞的粘附，另外T1细胞在炎症反应中产生的趋化因子如巨噬细胞趋化蛋白(macrophage H chemotactic protein，MCP-1)可以引导这些吞噬细胞通过血管内皮细胞进入感染部位(见10-8节)。 当微生物有效地抵抗了活化巨噬细胞的杀菌作用后，就发展为伴随炎症反应的慢性感染。这种情况通常有一个特征性的模式，即由巨噬细胞组成中央核，外围是活化的淋巴细胞。这种病理模式称为肉芽肿(granuloma)(图8.43)。由融合巨噬细胞构成的巨细胞通常形成这些肉芽肿的中央核。这可以作为病原生物防止被清除的围墙(wall-off')。T2细胞似乎与HT1细胞一起参与了肉芽肿的形成，可能是通过调节T1细胞的活性，防止组织损伤的扩大。HH 在肺结核中，大的肉芽肿中心可能是隔开的，那儿的细胞可能由于缺氧和活化巨噬细胞的细胞毒性作用等综合因素已经死亡。由于中心死亡的组织看上去像干酪，故该过程称之为干酪样坏死(caseation necrosis)。因此，T1细胞的活化能够引起重要的病理过程。但T1不HH活化的话则会因感染扩散而导致更严重的死亡结果，这种现象现在经常在艾滋病患者中看到伴随的结核杆菌感染。 活的结核杆菌被部分清除 (图)IFN干扰素 肉芽肿 (图) mycobacteria结核杆菌; multinucleated giant cells多核巨细胞; epithelioid cell上皮细胞; T cell:T细胞 (图) 图8.43 当胞内病原体或其成分不能完全清除时就形成肉芽肿 当结核杆菌(红色)抵抗住了巨噬细胞活化后的效应作用后，就会出现典型的局部炎症反应称为肉芽肿。肉芽肿由感染的巨噬细胞构成中央核。中央核包括由巨噬细胞融合而成的多核巨细胞，其周围包围有大的巨噬细胞通常称为上皮细胞。结核杆菌可以在肉芽肿的细胞中继续存活。中央核周围则被T细胞包围，许多是属于CD4阳性的细胞。现在还不知道这个平衡是通过什么精确的机制来维持的，也不知道如何打破这个平衡。肉芽肿，正如下图所示，也可以在肺部和任何感染病原体的部位出现肉瘤，这可能是结核杆菌隐性感染造成的。照片由J. Orrell提供。 小结 CD4 T细胞活化巨噬细胞在机体抵抗胞内菌和胞外菌的过程中发挥着至关重要的作用，这些胞外菌被巨噬细胞吞噬后仍然存活。活化的T1细胞可以通过表达的膜结合型信号分H 子激活巨噬细胞，也可以通过活化T细胞分泌的巨噬细胞活化因子IFN-γ而使之有效激活。巨噬细胞一旦活化后，就能杀伤细胞内寄生的或摄入的细菌。同时活化的巨噬细胞也能引起局部组织损伤，这就解释了为什么巨噬细胞的活化必须受到抗原特异性T细胞的严格调控。T1细胞产生的一系列细胞因子和膜表面分子，不仅激活感染的巨噬细胞，而且也能杀伤慢H 性感染中已经衰老的巨噬细胞，刺激骨髓产生新的巨噬细胞，以及招募新的巨噬细胞进入感 40 染部位。因此，T1细胞在调控机体抵抗某些胞内菌时起着关键作用。该功能的缺陷可以解H 释为什么在成人艾滋病患者中胞内菌占优势的原因。 第八章小结 致敏效应T细胞对几乎所有获得性免疫应答来说都是至关重要的。当初始,细胞识别了抗原递呈细胞表面的特异性抗原以及同时表达的协同刺激分子B7.1和B7.2后，获得性免疫应答就开启了。一般认为与抗原的初次接触大多数情况是发生在树突状细胞摄取了感染部位的抗原时，这些接触抗原的树突状细胞迁移至局部淋巴组织中，发育成熟为初始T细胞有效的活化细胞。活化的T细胞产生IL-2，IL-2反过来诱导这些,细胞增殖并分化为致敏效应T细胞。所有T细胞要发挥其效应功能都涉及细胞与细胞的相互作用。当致敏效应T细胞识别了靶细胞上的特异性抗原后，就释放直接作用于靶细胞的介质，改变其行为。致敏效应T细胞可以由抗原肽-MHC复合物启动应答，而不依赖于协同刺激作用，因此致敏效应T细胞可以被任何感染的靶细胞所活化，并发挥杀伤作用。CD8细胞毒性T细胞杀伤的是胞浆内感染病原体的靶细胞，清除病原体增殖的场所。CD4 T1细胞通过活化巨噬细胞杀伤H 细胞内的寄生虫。CD4 T2在B细胞活化、分泌抗体过程中是必需的，抗体介导的体液免H 疫应答直接作用于细胞外病原体，这部分内容将在第九章讨论。因此，效应T细胞实际上控制了已知所有的获得性免疫的效应机理。 (钱旻 译 校) 主要参考文献 J.N. Ihle. Cytokine receptor signaling Nature 1995. 377: 591-594. C.A. Janeway and K. Bottomly. 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