PD-1受体及其配体的研究进展

PD-1受体及其配体的研究进展

关键词：PD-1；免疫受体；免疫耐受

T细胞活化需要两个信号，第1信号来自T细胞抗原受体(TCR)与抗原肽-MHC复合物的结合，为抗原特异性的；第2信号即协同刺激信号，由T细胞上粘附分子的受体与抗原提呈细胞（APC）上相应的配体结合，为抗原非特异性的。

第2信号在T细胞活化中具有重要的作用，若无协同刺激分子提供第2信号，T细胞识别抗原后将处于无应答状态或凋亡。CD28/CTLA-4与其配体B7-1、B7-2的结合为T细胞活化所必需的协同刺激通路，参与机体抗原特异性体液免疫和细胞免疫。

最近又发现，CD28-B7家族的新成员，包括：ICOS（inducible costimulator）及其配体B7RP-1以及PD-1（programmed death-1）及其配体PD-L1和PD-L2。CD28和ICOS可传递协同刺激（阳性）信号；而CTLA-4和PD-1则传递抑制性（阴性）信号。

T细胞活化的阳性和阴性信号之间的平衡，对机体抵抗外来抗原的入侵，防止自身免疫反应的发生起着关键作用。PD-1—PD-L是最近在抑制性协同刺激通路方面的新进展。

1 PD-1及其配体的结构和表达

PD-1是55KD的跨膜蛋白，与CD28、ICOS和细胞毒性T淋巴细胞（CTL）相关抗原4（CTLA-4）同属免疫球蛋白超家族成员。

其胞外区只有1个IgV样区，与CTLA-4有23%的同源性，但无结合B7-1/B7-2必需的MYPPPY基序；胞浆区有2个酪氨酸残基，尾部有1个ITIM（immunoreceptor tryosine-based inhibitory motif），而无YXXM基序。

其他CD28家族中的成员以二硫键连接的同源二聚体形式而存在，而PD-1则以单体形式存在。与CD28、CTLA-4的局限性表达（主要在T细胞）不同，PD-1可表达于活化的T细胞、B细胞和骨髓细胞，以及CD4-CD8-胸腺细胞［1］。

PD-1有两个配体，PD-L1（B7-H1）和PD-L2（B7-DC），均为B7家族中的新成员，胞外都有1个IgV样区和1个IgC样区。PD-L1含有290个氨基酸，其胞外区与B7-1、B7-2分别有20%和15%的同源性，胞浆区变化多样，但二级结构同B7-1、B7-2非常相似。

在基因水平上PD-L2与PD-L1有37.4%的同源性。PD-L1和PD-L2的表达与调节不同。PD-L1 mRNA在非淋巴组织（如胎盘、心、肺和骨骼肌）中含量丰富，但除巨噬样细胞和胎盘滋养层外，PD-L1蛋白在正常组织中几乎检测不到。

在APC、T细胞和内皮细胞上经诱导可表达PD-L1，而且多种人类的肿瘤中富含PD-L1。相反，PD-L2仅在树突状细胞（DC）和单核细胞上表达。用IFN-γ处理DC和单核细胞后，PD-L1和 PD-L2的表达均上调［2，3］。

但是，实际上PD-L1和 PD-L2分别受Th1和Th2型细胞的调节。在巨噬细胞上，Th1细胞分泌的IFN-γ可经转录因子STAT1上调PD-L1的表达；而IFN-γ需经IL-4才能诱导PD-L2表达，STAT6参与了IL-4下游的信号传导，提示PD-L2的表达受Th2细胞的调节［4］。

2 PD-1—PD-L的生物学作用

PD-1是免疫抑制性受体，与其配体PD-L1、PD-L2相互作用传递抑制性信号，在免疫应答中发挥负向调控作用。

PD-1与PD-L1/ PD-L2的结合，可抑制TCR介导的淋巴细胞增殖和细胞因子（IL-2、IFN-γ及IL-10）产生，导致细胞周期停滞，但不增加细胞死亡［5，6］。

分别阻断DC上PD-L1、PD-L2的表达，可导致T细胞增殖和细胞因子（IFN-γ和IL-10）产生增加，且同时阻断二者表现的作用相加，表明PD-L1和PD-L2的功能是抑制T细胞活化［7］。

PD-1也可参与B细胞应答的负调节。PD-1-/-小鼠可出现脾肿大、B细胞增殖、血清Ig增加，以及多种自身免疫症状，提示PD-1信号传导的作用是抑制B细胞增殖、分化、Ig类型转换，在建立和/或维持外周自身耐受中起重要作用［8－10］。

PD-1抑制BCR介导的信号转导的分子机制是：PD-1通过其所含SH2区的酪氨酸磷酸酶2（SHP-2），使BCR信号转导的重要信号换能器去磷酸化，从而抑制效应分子的酪氨酸磷酸化，包括Igβ、Syk、PLC-γ2及ERK1/2。该抑制作用不需要ITIM N-末端的酪氨酸，而需要C-末端的其他酪氨酸残基［11］。

PD-1在抑制TCR介导的T细胞活化的同时，可减弱ICOS、IL-4和IL-21的作用，但不影响CD28、IL-7和IL-15的效应［12］。然而PD-1信号传导能够抑制亚理想水平的CD28介导的协同刺激作用。

在某些情况下，PD-1—PD-L通路可能是第2位的或后备的，只有当CD28-B7协同刺激通路缺乏或处于亚理想水平时，该通路才能发挥调节T细胞应答的作用。在其他情况下，该通路对T细胞活化或分化起核心作用，这可能有赖于正在进行的免疫应答的特定阶段。

APC上抑制性PD-L1/PD-L2和协同刺激B7-1/B7-2信号的相对水平，可能影响T细胞活化的程度，决定产生耐受还是自身免疫。

PD-L1在非淋巴组织上的表达，提示PD-1—PD-L可能是通过抑制自身反应性T、B细胞和效应T细胞而诱导免疫耐受及调节局部的炎症反应［5］。尽管PD-1缺陷小鼠也发生一些胸腺选择（β选择和阳性选择）的变化，但是PD-1似乎在外周耐受（而非中枢耐受）中起着更为重要的作用［13］。

PD-1—PD-L的某些作用依赖于抗原的浓度。抗原浓度较低时，PD-L2与PD-1的结合可抑制CD28-B7协同刺激信号的强大作用；抗原浓度较高时，PD-L2与PD-1的结合则减少细胞因子的产生，但不抑制T细胞增殖［6］。IL-2水平在决定PD-1作用的结果中是关键的。

用抗可溶性CD28单抗刺激CD4+和CD8+T细胞，能够通过增加IL-2的产生拮抗PD-1介导的抑制作用。CD8+T细胞可能对PD-1—PD-L的调节更敏感，因为其本身不能产生明显水平的IL-2［14］。

在理想的刺激下，PD-1—PD-L能遏止ICOS的协同刺激作用，ICOS的协同刺激只产生低水平的IL-2，提示该通路对PD-1介导的抑制敏感性更高。外源性IL-2、7、15能拮抗PD-1的抑制作用，IL-7、IL-15可能通过增加高亲和力IL-2R的表达而提高T细胞对IL-2的反应性发挥作用［12］。

PD-L1和PD-L2也能刺激T细胞活化。PD-L1可增加IL-10、IFN-γ和GM-CSF的产生，但对IL-2、IL-4无作用。PD-L2能有力地刺激T细胞产生IFN-γ，但对IL-10和IL-4没有影响。PD-L1可优先刺激IL-10产生，进一步诱导活化T细胞凋亡，提示其在T细胞协同刺激和凋亡中起双向信号传递作用。

尽管IL-2产生量少，但却为PD-L1协同刺激作用所必需［15－17］。PD-L1还可优先协同刺激CD4+T细胞，增强其对异体抗原的混合淋巴细胞反应，且不依赖CD28的参与［18］。这些研究结果提示，可能存在PD-1以外的其他受体。

最近发现，失去PD-1结合能力的PD-L1和PD-L2突变体，仍具有刺激正常小鼠和PD-1缺陷小鼠T细胞增殖和产生细胞因子的能力，为另1个协同刺激受体的存在提供了直接证据［19］。

3 PD-1—PD-L与疾病

随着PD-1缺陷小鼠模型的建立，对PD-1—PD-L在自身免疫病中的作用已变得更加明了。PD-1缺陷的C57BL/6小鼠可出现狼疮样肾小球肾炎及关节炎［9］，而在BALB/C小鼠中，PD-1的缺陷可导致自身免疫性扩张型心肌病［10］，提示PD-1—PD-L能提供独特的阴性信号防止自身免疫病的发生。

在原发性干燥综合征的涎腺组织中，发现PD-1和CTLA-4的表达增加，提示二者参与了涎腺炎的炎症过程［20］。类风湿关节炎患者抗PD-L1自身抗体的阳性率高于正常人，活化的CD4+、CD8+、CD45RO+T细胞表面PD-L1呈高水平表达，抗PD-L1自身抗体在体外能够协同刺激CD4+T细胞增殖，该自身抗体可能是通过诱导异常的T细胞应答而促进类风湿关节炎进展［21］。

在系统性红斑狼疮的1个易感位点（SLEB2）的凋亡基因（PDCD1，也称PD-1）中发现，单链核苷酸的多态性与欧洲人和墨西哥人系统性红斑狼疮的发病有关［22］。PD-1—PD-L也参与了抑制移植排斥反应。

多数正常组织和移植心脏中，PD-1、PD-L1和PD-L2的表达甚微，但在心脏异体移植排斥过程中，体内移植物可诱导全部上述3种分子［23］。混合皮肤移植能够延迟移植排斥反应的发生，其中自体角蛋白细胞上表达的PD-L1，可通过激活T细胞分泌IL-10而诱导局部对皮肤移植物的耐受［24］。

许多人类肿瘤均表达PD-L1，肿瘤相关PD－L1可增加抗原特异性T细胞的凋亡［17］。转基因表达PD-L1的P815肿瘤细胞，体外对CTL的溶细胞作用不敏感，而且肿瘤在体内的致瘤和侵袭能力明显增强［25］。

部分取自血液单核细胞的髓样DC上可表达PD-L1，肿瘤微环境中髓样DC上PD-L1表达的上调可抑制T细胞的免疫应答［26］，这些研究揭示了肿瘤逃避宿主免疫的新机制。人类胎盘可通过积极和消极的机制，逃避母体免疫系统的排斥。

足月胎盘中富含PD-L1，由合胞体滋养层和绒毛外细胞滋养层所表达，两者均与母体的血液和组织直接接触，PD-L1的这种定位有利于保护胎儿细胞对抗活化的母体白细胞的攻击［3］。

HIV感染者的APC上PD-L1的表达增加，能诱导产生大量的IL-10（免疫抑制性细胞因子），并与CD4＋细胞的数目呈负相关，可解释HIV感染后出现的T细胞无应答和防御免疫的丧失，而且PD-L1合成和表达的调节失控的程度与疾病的严重性相关［27］。

4 展望

PD-1—PD-L是继CTLA-4—B7之后又发现的负向调节T细胞活化的协同刺激通路，其在免疫应答中的调节作用和机制，以及与疾病的关系已成为目前研究的热点，以期为自身免疫病、移植排斥、肿瘤等的治疗提供新的策略。

虽然用CTLA-4Ig融合蛋白阻断经典的CD28-B7通路治疗自身免疫病和诱导移植排斥，取得了令人鼓舞的成果，但难以达到真正的免疫耐受，联合刺激抑制性受体PD-1也许能更有效地治疗自身免疫病和诱导移植排斥。

而且，CD28-B7通路主要调节初始T细胞的活化，PD-1—PD-L对已致敏的淋巴细胞发挥调节作用。给予CD28-/-受体PD-L1Ig可显著延长心脏移植的存活，表明在亚理想的协同刺激信号下，靶向PD-1能够抑制异体移植排斥，调节体内T、B细胞依赖的病理性免疫反应［23］。

肿瘤细胞上PD-L1的表达有利于肿瘤逃避宿主免疫系统的作用，阻断PD-1与 PD-L之间的相互作用，有望成为肿瘤免疫治疗的一个途径。

参考文献：

［1］ Racke MK, Stuart RW. Targeting T cell costimulation in autoimmune disease［J］. Expert Opin Ther Targets, 2002, 6:275-289.
［2］ Carreno BM, Collins M. The B7 family of ligands and its receptors: new pathways for costimulation and inhibition of immune responses［J］. Annu Rev Immunol, 2002, 20:29-53.
［3］ Petroff MG, Chen L, Phillips TA, et al. B7 family molecules are favorably positioned at the human maternal-fetal interface［J］. Biol Reprod, 2003, 68:1496-1504.
［4］ Loke P, Allison JP. PD-L1 and PD-L2 are differentially regulated by Th1 and Th2 cells［J］. Proc Natl Acad Sci USA, 2003, 100:5336-5341.
［5］ Freeman GJ, Long A J, Iwai Y, et al. Engagement of the PD-1 immunoinhibitory receptor by a novel B7 family member leads to negative regulation of lymphocyte activation［J］. J Exp Med, 2000, 192:1027-1034.
［6］ Latchman Y, Wood CR, Chernova T, et al. PD-L2 is a second ligand for PD-1 and inhibits T cell activation［J］. Nat Immunol, 2001, 2:261-268.
［7］ Brown JA, Dorfman DM, Ma FR, et al. Blockade of programmed death-1 ligands on dendritic cells enhances T cell activation and cytokine production［J］. J Immunol, 2003, 170:1257-1266.
［8］ Nishimura H, Minato N, Nakano T, et al. Immunological studies on PD-1 deficient mice: implication of PD-1 as a negative regulator for B cell responses［J］. Int Immunol, 1998, 10:1563-1572.
［9］ Nishimura H, Nose M, Hiai H, et al. Development of lupus-like autoimmune diseases by disruption of the PD-1 gene encoding an ITIM motif-carrying immunoreceptor［J］. Immunity, 1999, 11:141-151.
［10］ Nishimura H, Okazaki T, Tanaka Y, et al. Autoimmune dilated cardiomyopathy in PD-1 receptor-deficient mice［J］. Science, 2001, 291:319-322.
［11］ Okazaki T, Maeda A, Nishimura H, et al. PD-1 immunoreceptor inhibits B cell receptor-mediated signaling by recruitingsrc homology 2-domain-containing tyrosine phosphatase 2 to phosphotyrosine［J］. Proc Natl Acad Sci USA, 2001, 98:13866-13871.
［12］ Bennett F, Luxenberg D, Ling V, et al . Program death-1 engagement upon TCR activation has distinct effects on costimulation and cytokine-driven proliferation: attenuation of ICOS, IL-4, and IL-21, but not CD28, IL-7, and IL-15 responses［J］. J Immunol, 2003, 170:711-718.
［13］ Nishimura H, Honjo T, Minato N. Facilitation of beta selection and modification of positive selection in the thymus of PD-1-deficient mice［J］. J Exp Med, 2000, 191:891-898.
［14］ Carter L, Fouser LA, Jussif J, et al. PD-1:PD-L inhibitory pathway affects both CD4(+) and CD8(+) T cells and is overcome by IL-2［J］. Eur J Immunol, 2002, 32:634-643.
［15］ Dong H, Zhu G, Tamada K, et al. B7-H1, a third member of the B7 family, co-stimulates T-cell proliferation and interleukin-10 secretion［J］. Nat Med, 1999, 5:1365-1369.
［16］ Tseng SY, Otsuji M, Gorski K, et al. B7-DC, a new dendritic cell molecule with potent costimulatory properties for T cells［J］. J Exp Med, 2001, 193:839-846.
［17］ Dong H, Chen L. B7-H1 pathway and its role in the evasion of tumor immunity［J］. J Mol Med, 2003, 81:281-287.
［18］ Tamura H, Dong H, Zhu G, et al. B7-H1 costimulation preferentially enhances CD28-independent T-helper cell function［J］. Blood, 2001, 97:1809-1816.
［19］ Wang S, Bajorath J, Flies DB, et al. Molecular modeling and functional mapping of B7-H1 and B7-DC uncouple costimulatory function from PD-1 interaction［J］. J Exp Med, 2003, 197:1083-1091.
［20］ Bolstad AI, Eiken HG, Rosenlund B, et al. Increased salivary gland tissue expression of Fas, Fas ligand, cytotoxic T lymphocyte-associated antigen 4, and programmed cell death 1 in primary Sjogren's syndrome［J］. Arthritis Rheum, 2003, 48:174-185.
［21］ Dong H, Strome SE, Matteson EL, et al. Costimulating aberrant T cell responses by B7-H1 autoantibodies in rheumatoid arthritis［J］. J Clin Invest, 2003, 111:363-370.
［22］ Prokunina L, Castillejo-Lopez C, Oberg F, et al. A regulatory polymorphism in PDCD1 is associated with susceptibility to systemic lupus erythematosus in humans［J］. Nat Genet, 2002, 32:666-669.
［23］ Ozkaynak E, Wang L, Goodearl A, et al. Programmed death-1 targeting can promote allograft survival［J］. J Immunol, 2002, 169:6546-6553.
［24］ Cao Y, Zhou H, Tao J, et al. Keratinocytes induce local tolerance to skin graft by activating interleukin-10-secreting T cells in the context of costimulation molecule B7-H1［J］. Transplantation, 2003, 75:1390-1396.
［25］ Iwai Y, Ishida M, Tanaka Y, et al. Involvement of PD-L1 on tumor cells in the escape from host immune system and tumor immunotherapy by PD-L1 blockade［J］. Proc Natl Acad Sci USA, 2002, 99:12293-12297.
［26］ Curiel TJ, Wei S, Dong H, et al. Blockade of B7-H1 improves myeloid dendritic cell-mediated antitumor immunity［J］. Nat Med, 2003, 9:562-567.
［27］ Trabattoni D, Saresella M, Biasin M, et al. B7-H1 is up-regulated in HIV infection and is a novel surrogate marker of disease progression［J］. Blood, 2003, 101:2514-2520.