细胞因子的结构和生物学特征

 

第二节　细胞因子的结构和生物学特征

由于基因工程技术的迅速发展，许多细胞因子的cDNA克隆获得成功，并获得了高活性基因表达产物，这给细胞因子的细胞生物学和分子生物学的研究提供了必要的前提。目前已有IL-2、EPO、G-CSF、GM-CSF、IFN-γ和IFN-α等细胞因子投放市场，有更多的细胞因子正在进行不同期的临床验证。细胞因子在正式投入市场成为商品前，必须经过临床前筛选实验、临床Ⅰ期、Ⅱ期、Ⅲ期试用等几个阶段的验证。

一、白细胞介素（IL）

在1979年第二届国际淋巴因子专题讨论会上，将来自单核-巨噬细胞、T淋巴细胞所分泌的某些非特异性发挥免疫调节和在炎症反应中起作用的因子称为白细胞介素（interleukin，IL）。目前已知许多IL是来自单核-巨噬细胞和淋巴细胞以外的其它细胞。已正式命名的白细胞介素有IL-1～IL-15。

（一）IL-1

　　IL-1是一种单核因子。1972年Gery等发现人白 细胞培养 的上清中含有一种可溶性物质，这种物质可促进小鼠胸腺细胞对植物血凝素（PHA）的有丝分裂反应。起初命名为淋巴细胞激活因子（lymphocyte-activating factor,LAF)或内源性热原质（endogenous pyrogen)、破骨细胞激活因子（osteoclast activating factor)、黑素瘤细胞生长抑制因子（melanoma growth inhibitory factor)等，1979年国际统一命名为IL-1。

1.IL-1的产生　IL-1可由多种细胞合成和分泌。

（1）单核细胞、巨噬细胞（如腹腔粘连细胞peritoneal cell,PC)、树突状细胞等在摄取抗原抗体复合物后或在抗原提呈过程中可产生IL-1。在大多数刺激剂刺激外周血单个核细胞（PBMC)条件下，IL-1βmRNA水平要高于IL-1αmRNa 20～25倍。

　　（2）小鼠巨噬细胞细胞系P388D1、J774、PU5-1.8、WEHI-3以及人前单核 细胞株 U937等在脂多糖（LPS）刺激后都能分泌大量的IL-1。

　　（3）表皮细胞、NK细胞、B细胞、成纤维细胞、内皮细胞、脑胶质星状细胞、肾小球系膜细胞（mesangial cell）、滑膜衬里细胞（synovial lining cell）、平滑肌细胞、上皮细胞、胎盘细胞、 白血病 细胞、PMN等在某些条件下亦可产生IL-1。

　　许多因素可以直接影响单核-巨噬细胞IL-1的分泌：①细胞因子如巨噬细胞激活因子（MAF）、集落刺激因子（CSF）、IFN-α、IFN-γ对IL-1产生具有增强作用。②LPS、PPD、BCG和李斯特菌，葡萄球菌、链球菌外毒素，活病毒等也是IL-1产生的刺激剂。在外周血中20pg/ml内毒素刺激单核细胞即可产生IL-1，因此在一般培养条件下，由于微量内毒素的污染可刺激单核细胞分泌IL-1。10ng/mlLPS可使单核细胞合成IL-1增加100倍。③蛋白激酶C（PKC）的激活剂乙酸肉豆蔻佛波醇（phorbol myristate acetate,PMA)以及钙离子 载体 （calcium ionophore)如A23187均具有强烈的刺激作用。④皮质类固醇和前列腺素则对IL-1的产生有抑制作用。

　　2.IL-1的分子结构和基因　完整的人IL-1α和IL-1β 基因组 分别为10.5kb和7.8kb。人和小鼠IL-1基因定位于2号染色体，均含7个外显子。IL-1前体(ProIL-1)为31kDa，通过蛋白水解酶裂解形成成熟的IL-1分子。IL-1在不同种属中有较高同源性。在氨基酸水平上，IL-1α和IL-1β在不同种属同源性分别为60%～70%和75%～78%；但在同一种属中IL-1α与IL-1β同源性只有25%。人IL-1α（PI5.0）和IL-1β（P17.0）分别由159和153个氨基酸残基组成，分子量约17.5kDa，同源性为28%。IL-1对糜蛋白酶敏感。不同细胞所产生IL-1的等电点可有所差异。

3.IL-1的受体　T细胞、成纤维细胞表面IL-1受体为80kDa，而B细胞则为68kDa。编码这两种IL-1受体是不同基因产物。P80IL-1R称为IL-1RtI（CDw121a),P68IL-IR称为IL-1RtⅡ（CDw121b)。

表4-1　IL-1 Rt Ⅰ和IL-1RtⅡ的比较

  IL-1 RtⅠ IL-1RtⅡ 结构     同源性 Ig超家族（3个C2区） Ig超家族（3个C2区） 分子量（kDa) 80 68 氨基酸数目 549 384 胞膜外 319 329 　穿膜 20 26 胞浆内 213 29 主要分布细胞 广泛，T细胞、成纤维细胞等 EBV转化B细胞、Raji、PMN、骨髓细胞等 与配体结合 　　 　　 结合能力 IL-1α>IL-1β IL-1β>IL-1α 　丝氨酸/苏氨酸 +（信号转导） （功能尚不清） 　残基磷酸化 　 　 配体受体结合后变化 易内化 易降解

（1）IL-1RtⅠ：IL-1RtⅠ cDNA克隆在人和鼠均已获得成功。IL-1RtⅠ为穿膜蛋白，胞膜外区有3个结构域属免疫球蛋白超家族，穿膜区有20个氨基酸残基，胞浆区含有丝氨酸和苏氨酸残基，当IL-1与IL-1RtⅠ结合后丝氨酸和苏氨酸很快被磷酸化。通过基因转染Hela细胞实验证明，IL-1RtⅠN端2个结构域与配体结合有关。针对N端17个氨基酸片段的McAb能阻断IL-1RtⅠ与IL-1结合。IL-1与IL-RtⅠ结合后即发生内化（internalization)。成纤维细胞、平滑肌细胞主要表达IL-1RtⅠ。一般来说，IL-1RtⅠ可与IL-1α和IL-1β相结合，但IL-1α与Ⅰ型受体结合能力较高，而IL-1β与Ⅱ型受体结合较高。IL-1与不同种属不同细胞结合后的生物学效应有所差别，如人和鼠IL-1α结合到人内皮细胞上的亲和力相同，但产生的生物学效应不完全相同。抗IL-1RtⅠMcAb在体内和体外均可抑制IL-1在生物学效应。

（2）IL-1RtⅡ：主要分布于EBV转化的B细胞、Raji细胞、巨噬细胞、胎盘、Th2克隆、活化T细胞、PMN和骨髓细胞等。胞膜外区有3个结构域属免疫球蛋白超家族，与IL-1RtⅠ之间有28%氨基酸同源性，穿膜区有更高的同源性，但胞浆区要比Ⅰ型受体短，可能在介导信号传递上有差别。IL-1与IL-1RtⅡ结合后易发生降解而不象IL-1RtⅠ那样发生内化。IL-1RtⅡ经蛋白水解酶水解后可形成可溶性的IL-1结合蛋白（soluble IL-1 binding protein,sIL-1BP)，46kDa，与IL-1β有较高亲和力，在自然情况下sIL-1BP是IL-1β的抑制剂。可溶性IL-1R（soluble IL-1 receptor,sIL-1R)可有效防止小鼠心脏移植排斥反应，减轻Lewis大鼠的实验性关节炎和过敏性大脑炎。

在T细胞中，CD4阳性细胞亚群IL-1受体表达要高于CD8阳性T细胞亚群。以小鼠胸腺瘤细胞系EL-4为模型，发现IL-1α和IL-1β可结合到相同的高亲和力受体。现已发现联合免疫缺陷病人的T细胞表达IL-1R缺陷，对抗原刺激不发生增殖反应，也不产生IL-2，病人易患机会致病菌感染。

　　4.IL-1受体拮抗物　在某些白血病患者血清和尿中以及单核 细胞培养 上清中发现一种多肽性质的IL-1特异性抑制因子，称为IL-1受体拮抗物（interleukin 1 receptor antagonist,IL-1ra),又称IL-1受体拮抗蛋白（IL-1 receptor antagonist protein, IRAP)。

（1）IL-1ra的产生：IL-1ra体外可由LPS刺激的单核细胞，PMA、PHA、CSF刺激的单核细胞系产生。

（2）IL-1ra分子的结构和基因：IL-ra基因克隆1990年获得成功，编码人IL-1α