揭示免疫應(yīng)答的關(guān)鍵環(huán)節(jié)——2011年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)簡(jiǎn)介

張 婷 王曉民

(首都醫(yī)科大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)系，首都醫(yī)科大學(xué)北京神經(jīng)科學(xué)研究所，教育部神經(jīng)變性病重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100069)

北京時(shí)間2011年10月3日下午5點(diǎn)30分，瑞典卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院宣布，將本年度諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予分別來(lái)自法國(guó)、美國(guó)和加拿大的3位免疫學(xué)家Jules Hoffmann、Bruce Beutler和 Ralph Steinman，以表彰他們“發(fā)現(xiàn)了免疫應(yīng)答的‘守門人’，從而徹底革新了我們對(duì)于免疫系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)”。來(lái)自法國(guó)斯特拉斯堡大學(xué)(University of Strasbourg)的Jules Hoffmann及美國(guó)斯克里普斯研究所(Scripps Research Institute)的Bruce Beutler將共享一半的獎(jiǎng)金，因他們共同發(fā)現(xiàn)了識(shí)別微生物激活先天免疫系統(tǒng)的關(guān)鍵受體蛋白。另一半的獎(jiǎng)金將授予洛克菲勒大學(xué)(Rockefeller University)的Ralph Steinman，他第一個(gè)發(fā)現(xiàn)了免疫系統(tǒng)中的樹突細(xì)胞及其對(duì)獲得性免疫中所具有的獨(dú)特的激活與調(diào)節(jié)能力［1］。

1 獲獎(jiǎng)?wù)吆?jiǎn)介

1.1 Jules A.Hoffmann

圖1 Jules A.Hoffmann(引自Nature網(wǎng)站)

JulesA.Hoffmann(圖1)，法國(guó)公民，1941年8月2日出生于盧森堡，目前成為法國(guó)國(guó)家科研中心(The French National Center of Scientific Research，CNRS)理事會(huì)會(huì)員，2007年開始擔(dān)任法國(guó)國(guó)家科學(xué)院院長(zhǎng)。

Hoffmann就讀于法國(guó)斯特拉斯堡大學(xué)，生物化學(xué)專業(yè)，并獲學(xué)士學(xué)位。1969年，在該校獲得生物學(xué)博士學(xué)位。1973～1974年于德國(guó)馬爾堡大學(xué)接受博士后訓(xùn)練。1974年，Hoffmann成為法國(guó)CNRS研究員。1978～2005年，擔(dān)任法國(guó)CNRS“昆蟲免疫反應(yīng)與發(fā)育”實(shí)驗(yàn)室主任，1993～2005年擔(dān)任CNRS分子與細(xì)胞生物學(xué)研究所所長(zhǎng)。

Hoffmann是法國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士，德國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士，歐洲科學(xué)院院士，歐洲分子生物學(xué)組織會(huì)員，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士，美國(guó)藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院院士，以及俄羅斯科學(xué)院院士。

1.2 Bruce A.Beutler

圖2 Bruce A.Beutler(引自科學(xué)網(wǎng))

Bruce A.Beutler(圖2)，美國(guó)公民。1957年12月29日出生于美國(guó)芝加哥，現(xiàn)任德克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心宿主防御遺傳學(xué)中心主任，美國(guó)斯克里普斯研究所遺傳學(xué)系主任。

Beutler就讀于加州大學(xué)，1976年獲學(xué)士學(xué)位。1977年進(jìn)入芝加哥大學(xué)醫(yī)學(xué)院學(xué)習(xí)，1981年獲得醫(yī)學(xué)博士學(xué)位。1981～1983年，Beutler在美國(guó)德州大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心繼續(xù)深造，成為內(nèi)科實(shí)習(xí)生，神經(jīng)內(nèi)科住院醫(yī)師。1983～1985年于洛克菲勒大學(xué)接受博士后訓(xùn)練，1985年成為洛克菲勒大學(xué)助理教授，同時(shí)，1984～1986年，Beutler還在洛克菲勒大學(xué)醫(yī)院擔(dān)任助理醫(yī)師。1986年，Beutler回到德州大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心擔(dān)任助理教授，并于霍華德-休斯醫(yī)學(xué)研究所擔(dān)任助理研究員，在這里工作了14年。Beutler于1990年成為副教授和副研究員，1996年成為教授。2000年，Beutler來(lái)到斯克里普斯研究所擔(dān)任免疫學(xué)教授，2007年成為該校新成立的免疫學(xué)系主任。

Beutler是美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士，醫(yī)學(xué)研究院院士，歐洲分子生物學(xué)組織會(huì)員，美國(guó)內(nèi)科醫(yī)師協(xié)會(huì)會(huì)員，美國(guó)臨床研究學(xué)會(huì)會(huì)員。

1.3 Ralph M.Steinman

圖3 Ralph M.Steinman(引自Nature網(wǎng)站)

RalphM.Steinman(圖3)，加拿大公民，常住美國(guó)紐約市。1943年1月14日出生于加拿大魁北克省蒙特利爾，于2011年9月30日在美國(guó)紐約曼哈頓逝世，享年68歲。

Steinman在加拿大麥吉爾大學(xué)獲得理學(xué)學(xué)士學(xué)位。1968年，他在美國(guó)哈佛大學(xué)獲得醫(yī)學(xué)博士學(xué)位，在麻省總醫(yī)院實(shí)習(xí)并成為住院醫(yī)生。自1970年開始他一直在洛克菲勒大學(xué)工作，1988年開始成為免疫學(xué)教授，并擔(dān)任免疫學(xué)和免疫疾病中心主任。

Steinman一生致力于樹突細(xì)胞的研究，并因此獲得了大量的獎(jiǎng)項(xiàng)和廣泛的認(rèn)可，包括2007年拉斯克基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)(Albert Lasker Award For Basic Medical Research)，蓋爾德納基金會(huì)國(guó)際獎(jiǎng)(2003)等。Steinman是美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士，美國(guó)醫(yī)學(xué)研究院院士。

2 主要科學(xué)貢獻(xiàn)

在人和其他動(dòng)物漫長(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程中，他們不僅要躲避和抵抗猛獸的獵食，更要面對(duì)自然環(huán)境中各種各樣的病原體(包括細(xì)菌、真菌、病毒和寄生蟲等)的侵犯。各種病原體所引起的瘟疫不知曾奪去多少人的生命。直到一百多年前，人們才對(duì)免疫系統(tǒng)有所認(rèn)識(shí)，知道是免疫系統(tǒng)在呵護(hù)我們的機(jī)體、抵御病原微生物的侵襲。長(zhǎng)久以來(lái)，科學(xué)家們一直在尋找它的“守護(hù)者”。

2.1 樹突細(xì)胞與獲得性免疫

Steinman對(duì)免疫系統(tǒng)的研究始于20世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)他在洛克菲勒大學(xué)Zanvil Cohn的實(shí)驗(yàn)室接受博士后訓(xùn)練。Cohn的團(tuán)隊(duì)主要研究巨噬細(xì)胞，其主要作用是吞噬病原體及細(xì)胞碎片。當(dāng)時(shí)學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為是巨噬細(xì)胞識(shí)別特異病原體并激活T細(xì)胞。T細(xì)胞激活后迅速增生，通過(guò)殺傷病原體感染的靶細(xì)胞或者激活B細(xì)胞產(chǎn)生抗體來(lái)對(duì)抗感染。

Steinman在博士后研究期間發(fā)現(xiàn)并鑒定出另外一種免疫細(xì)胞，并將其命名為樹突細(xì)胞(dendritic cells，DC)，因?yàn)樵摷?xì)胞在鏡下觀察時(shí)具有樹狀長(zhǎng)分支。通過(guò)對(duì)小鼠脾臟細(xì)胞體外培養(yǎng)觀察，Steinman發(fā)現(xiàn)除了單核細(xì)胞、粒細(xì)胞以及淋巴細(xì)胞以外，還有一群衛(wèi)星細(xì)胞，其性質(zhì)不同于其他細(xì)胞類型。于是Steinman對(duì)這一細(xì)胞的形態(tài)、數(shù)量及組織分布進(jìn)行了體外鑒定，并建議將其命名為樹突細(xì)胞［2］。Steinman推測(cè)這種細(xì)胞在免疫應(yīng)答過(guò)程中可能非常重要，于是進(jìn)一步研究樹突細(xì)胞是否能激活T細(xì)胞。T細(xì)胞在獲得性免疫中扮演關(guān)鍵角色，能產(chǎn)生針對(duì)多種不同病原體的免疫記憶能力。Steinman通過(guò)離體培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，樹突細(xì)胞的存在引發(fā)了T細(xì)胞對(duì)病原體的強(qiáng)烈的免疫應(yīng)答［3］。這些發(fā)現(xiàn)最初受到了質(zhì)疑，但是Steinman隨后的工作證明樹突細(xì)胞對(duì)于激活T細(xì)胞具有獨(dú)特的能力。

樹突細(xì)胞源于骨髓多能干細(xì)胞，進(jìn)入血液形成前體細(xì)胞，隨血液遷移，廣泛分布于各組織中。在外周血中數(shù)量極少，加人某些細(xì)胞因子可使其擴(kuò)增。樹突細(xì)胞的功能與其不同的成熟階段有關(guān)。正常狀態(tài)下絕大多數(shù)樹突細(xì)胞在體內(nèi)處于非成熟狀態(tài)，低水平表達(dá)刺激分子和黏附分子，體外激發(fā)淋巴細(xì)胞反應(yīng)能力較弱，但具極強(qiáng)的抗原內(nèi)吞和加工處理能力。樹突細(xì)胞在攝取抗原或受刺激后，可分化成熟，其抗原攝取加工能力大大降低，但高度表達(dá)MHC-Ⅱ分子、共刺激分子、黏附分子，這成為樹突細(xì)胞呈遞抗原并激活淋巴細(xì)胞和調(diào)控各類免疫應(yīng)答的分子基礎(chǔ)［4］。隨著研究的深入，Steinman還發(fā)現(xiàn)，樹突細(xì)胞包括許多亞型，它們將天然免疫和獲得性免疫聯(lián)系起來(lái)［5］。

2.2 Toll樣受體與先天免疫

樹突細(xì)胞的關(guān)鍵作用被證實(shí)后，20年過(guò)去了，Hoffmann帶領(lǐng)的科研小組開始研究果蠅:這種動(dòng)物不具備獲得性免疫系統(tǒng)但也能對(duì)抗真菌感染。事實(shí)上，任何生命有機(jī)體都具有抵御外來(lái)微生物侵襲的與生俱來(lái)的本領(lǐng)，稱之為天然免疫。哺乳動(dòng)物的天然免疫系統(tǒng)由肥大細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、天然殺傷細(xì)胞、中性粒細(xì)胞以及可溶性分子，如補(bǔ)體等組成。天然免疫系統(tǒng)能夠識(shí)別細(xì)菌、病毒等各種微生物表面的特征性分子，在感染最早期發(fā)揮抑制微生物在體內(nèi)繁殖、擴(kuò)散的作用，甚至使之清除。

Hoffmann和Beutler的主要研究方向即在于免疫防御的第一道防線——先天免疫系統(tǒng)。1996年，Hoffmann及同事在對(duì)果蠅胚胎發(fā)育相關(guān)的Toll基因突變體進(jìn)行研究時(shí)獲得了開創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)Toll基因突變的果蠅感染細(xì)菌或真菌時(shí)，由于無(wú)法激活免疫反應(yīng)導(dǎo)致這些果蠅迅速死亡。據(jù)此Hoffmann［6］推測(cè):Toll基因編碼產(chǎn)物在識(shí)別病原微生物激活免疫反應(yīng)中發(fā)揮了關(guān)鍵性作用。

1998年，Beutler將Hoffmann的研究延伸至哺乳動(dòng)物中。在尋找可導(dǎo)致感染性休克的細(xì)菌產(chǎn)物脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)相關(guān)的受體過(guò)程中，Beutler及同事發(fā)現(xiàn)了對(duì)LPS具有抵抗力的老鼠攜帶有一個(gè)基因突變，這個(gè)基因與果蠅中的Toll基因非常相似。這種Toll樣受體(toll-like receptor，TLR)原來(lái)就是 LPS受體。當(dāng)它與LPS相結(jié)合，就會(huì)激活先天免疫反應(yīng)。當(dāng)反應(yīng)過(guò)度時(shí)，炎性反應(yīng)就可能導(dǎo)致感染性休克。這些發(fā)現(xiàn)表明:當(dāng)遭遇到致病微生物時(shí)，哺乳動(dòng)物和果蠅使用相同的分子來(lái)激活先天免疫［7］。

Hoffmann和Beutler的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了對(duì)先天性免疫的爆發(fā)式研究。在哺乳動(dòng)物中共鑒定出13種的TLR基因，它們構(gòu)成了一個(gè)大的家族，均參與了先天免疫的信號(hào)感知過(guò)程，每一種TLR都有自己特定的配體，除TLR4識(shí)別LPS外，TLR2可識(shí)別細(xì)菌的脂蛋白和糖脂，TLR5識(shí)別細(xì)菌鞭毛素，TLR3、TLR7、TLR8和TLR9構(gòu)成復(fù)合物共同識(shí)別核酸。TLR家族作為先天免疫系統(tǒng)識(shí)別受體的發(fā)現(xiàn)在感染性疾病發(fā)病機(jī)制理解和治療方面有十分重要的意義，可根據(jù)需要抑制或增強(qiáng)機(jī)體對(duì)外界微生物感染的反應(yīng)能力，以減少感染后的損傷反應(yīng)［8］。

這3位諾貝爾獎(jiǎng)得主的發(fā)現(xiàn)揭示了免疫應(yīng)答中的先天性免疫和獲得性免疫是如何被激活，從而讓我們對(duì)免疫應(yīng)答機(jī)制有了一個(gè)新的見解。他們的工作為傳染病、癌癥以及炎性反應(yīng)的防治開辟了新的道路。

3 悼念Steinman教授

不幸的是，Steinman在諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)公布的3 d前因病去世。在得知Steinman獲得2011年諾貝爾醫(yī)學(xué)或生理學(xué)獎(jiǎng)后，Steinman生前所在的洛克菲勒大學(xué)發(fā)布聲明稱Steinman已于2011年9月30日因胰腺癌逝世。此前Steinman已與癌癥奮戰(zhàn)了4年，正是Steinman自己所設(shè)計(jì)的免疫治療方案使得他的生命得以延長(zhǎng)。

Steinman的女兒Alexis在一份聲明中稱:“父親多年的辛苦工作得到了諾貝爾獎(jiǎng)的認(rèn)可，我們非常感動(dòng)。父親把他的一生獻(xiàn)給了他的工作和他的家人，他將非常榮幸。”

Steinman的博士后學(xué)生、德國(guó)埃朗根大學(xué)(University of Erlangen)皮膚病學(xué)系主任Gerold Schuler認(rèn)為:“Steinman獲得諾貝爾獎(jiǎng)完全是實(shí)至名歸，其最大貢獻(xiàn)在于創(chuàng)立了樹突細(xì)胞生物學(xué)這一新學(xué)科領(lǐng)域，Steinman對(duì)樹突細(xì)胞生物學(xué)的見解對(duì)于我們理解疾病機(jī)制，開發(fā)治療策略，尤其是設(shè)計(jì)出更好的疫苗具有至關(guān)重要的意義。”

［1］Callaway E.Nobel announcement marred by winner’s death［J］.Nature，2011，478(7367):13-14.

［2］Steinman R M，Cohn Z A.Identification of a novel cell type in peripheral lymphoid organs of mice.I.Morphology，quantitation，tissue distribution［J］.J Exp Med，1973，137(5):1142-1162.

［3］Romani N，Koide S，Crowley M，et al.Presentation of exogenous protein antigens by dendritic cells to T cell clones.Intact protein is presented best by immature，epidermal Langerhans cells［J］.J Exp Med，1989，169(3):1169-1178.

［4］Steinman R M，Dendritic cells and immune-based therapies［J］.Exp Hematol，1996，24(8):859-862.

［5］Idoyaga J，Steinman R M，Snapshot:dendritic cells［J］.Cell，2011，146(4):660-660，e2.

［6］Lemaitre B，Nicolas E，Michaut L，et al.The dorsoventral regulatory gene cassette spatzle/Toll/cactus controls the potent antifungal response in Drosophila adults［J］.Cell，1996，86(6):973-983.

［7］Poltorak A，He X，Smirnova I，et al.Defective LPS signaling in C3H/HeJ and C57BL/10ScCr mice:mutations in Tlr4 gene［J］.Science，1998，282(5396):2085-2088.

［8］Beutler B A.TLRs and innate immunity［J］.Blood，2009，113(7):1399-1407.