III型干擾素的抗病毒免疫作用

杜江龍,薛宇佳,冶眩青,楊學財,曹 欣,馬忠仁

（1.西北民族大學甘肅省動物細胞工程技術研究中心,甘肅 蘭州 730030;2.西北民族大學生命科學與工程學院,甘肅 蘭州 730030）

天然免疫系統是機體抵抗病毒感染的第一道防線,它是通過細胞模式受體（pathogen-recognition receptors,PRRs）來識別不同類別病原體。I型干擾素主要是通過抑制病毒復制來發揮直接的抗病毒活性,并且可以維持機體天然免疫與適應性免疫系統的功能[1]。因此,I型干擾素在病毒感染前期不僅發揮抑制作用還能發揮長期的免疫功能。另外,I型干擾素是一種參與抗病毒免疫的重要效應分子,可利用I型干擾素的生物學活性將其作為藥物來治療慢性病毒的感染。III型干擾素是作為白介素（Interleukin,IL）28A/B,29或干擾素-λ1–3而被人們研究發現的,研究證實III型干擾素具有I型干擾素的許多功能[2-3]。2003年,2個獨立的研究組利用生物信息學首次研究發現了III型干擾素]。他們利用GenBank的TBLASTN查詢和ENSEMBL數據庫鑒定出一個稱為CRF2–12的基因,CRF2–12就是目前已知的白介素-28Rα或干擾素-λR1。隨后研究發現,細胞因子刺激這個受體可導致干擾素-λ轉錄,認為干擾素-λ轉錄是由病毒誘導而引起的,并且能誘導信號轉導和基因表達[4]。

1 干擾素-λ信號轉導與基因表達的活化

細胞因子與其特異性受體結合后,通過信號轉導途徑來誘導胞內活性。I型干擾素通過IFNAR復合物傳遞信號,該復合物由干擾素AR1和干擾素AR2組成[5]。干擾素-λ利用一個完全不同的受體復合物激活其生物學活性,這個過程參與的分子有IL-10R2和IL-10超家族的其他一些成員以及干擾素-λ特異性的IL-28Rα[6]。盡管I型干擾素和III型干擾素采用的受體系統缺乏相似之處,但是干擾素-λ激活的胞內信號程序是相似的。Marcello等人檢測了在含有丙型肝炎病毒復制子的Huh.7細胞中干擾素的反應,發現干擾素-α和干擾素-λ能共同誘導一組高度重疊的基因,通常干擾素-λ誘導基因表達的動力學低于干擾素-α。因此,干擾素-λ的潛在刺激能產生更持久的抗病毒反應。Doyle等人用HepG2細胞研究了相同的問題,通過嚴格的數據分析發現,經由干擾素-α和干擾素-λ處理細胞后,可高度誘導35個基因,在這個細胞中干擾素-α和干擾素-λ誘導基因表達的動力學是一致的。對干擾素-α和干擾素-λ在B細胞系Raji內的反應進行比較,結果發現,干擾素-α誘導的反應比干擾素-λ誘導的反應強;更為重要的是,所有干擾素-λ可誘導的基因也能被干擾素-α所誘導。因此,干擾素-λ采用I型干擾素樣信號和基因誘導程序來行使抗病毒活性。

2 病毒感染期間III型干擾素的表達

2.1 Ⅲ型干擾素的表達 大部分的病毒和一些細菌能夠誘導III型干擾素。III型干擾素和I型干擾素呈現出相似的表達模式,這表明兩者之間具有相似的誘導機制。III型干擾素和I型干擾素都是通過轉錄機制來誘導的[7],該轉錄機制涉及轉錄因子干擾素調節因子 （IRFs）和細胞核因子NF-κB。在干擾素反應中,只有胞內受體檢測到病原微生物后才可誘導干擾素表達[8],研究發現,核苷酸是最強效的誘導劑。RLR/MAVS信號通路中RIG-I和MDA5能檢測到細胞質中的雙鏈RNA和5′三磷酸RNA,Toll樣受體TLR3和TLR7/8能檢測到雙鏈RNA和單鏈RNA在核內體中的定位。DNA也是誘導干擾素產生的有效誘導劑之一。研究報道顯示,DNA依賴的干擾素調節因子激活物DAI能檢測到細胞質中的B-DNA,并可誘導干擾素的表達。通過對DAI基因缺失小鼠的研究顯示,對DNA的反應沒有明顯的表現。此后又有一項研究報告認為DAI在活化IRF-3對人巨細胞病毒DNA的反應過程中發揮功能。同時發現RNA與DNA感應系統之間可以產生串擾,主要是由于一部分DNA能作為RNA聚合酶III的模板產生帶有雙鏈結構的5′三磷酸RNA能有效的激活RIG-I[9]。近幾年研究顯示,運輸到胞內的非RNA/DNA的PAMPs也能誘導干擾素表達,信號分子TRAF3在該過程中發揮了至關重要的作用[10]。通過天然免疫系統的不同受體來感應位于胞內的微生物,然后通過傳輸信號給NF-κB和IRFs,顯示I型干擾素和III型干擾素的表達。干擾素-λ1和干擾素-λ2/3啟動子區含有IRFs和NF-κB的結合位點,并且它們的起始特征具有相同的激活機制。有報道稱,I型干擾素和III干擾素通過IRF和NF-κB通路激活。

2.2 Ⅲ型干擾素表達水平 在特定條件下I型干擾素和III型干擾素具有不同的表達水平,主要是由基因啟動子引起的。在IFN-λ1啟動子中發現了位于NF-κB位點末端的基因簇,這些基因簇對誘導IFN-λ1的產生起重要作用。這些NF-κB位點起源于一些轉座子,在不依賴IRF-3/7的條件下可獨自激活IFN-λ1基因啟動子[11]。因此,該研究證實在IFN-λ1啟動子處IRFs和NF-κB通過空間上間隔的啟動子元件來獨自激活基因的表達,這種方式與IFN-β轉錄因子的協同激活不同。在樹突狀細胞和動物體內抑制NF-κB信號通路,同時也抑制了IFN-λ的誘導表達[12],但對I型干擾素的表達僅有較小的影響。盡管參與激活I型干擾素和III型干擾素表達轉錄因子相同,但IRFs在IFN-α/β的表達過程中發揮顯著的作用,而NF-κB是IFN-λ表達的關鍵調節因子[13]。同時,IFN-λ啟動子比IFN-β更具有強的靈活性,這是由于NF-κB和IRF-3/7具有各自獨立的活性,因此能接受獨自激活III型干擾素表達的特定信號。

3 III型干擾素在天然免疫反應中的作用

IFN-λs具有抗病毒活性,可以抵抗一些病毒的感染。Robek等人首次報道,在特定的鼠肝細胞系中,IFN-λ2可抑制乙型肝炎病毒 （HBV）的復制;并且在人肝細胞Huh7中,IFN-λ2可阻斷乙型肝炎病毒亞基因組和全基因組的復制。在HepG2細胞上,重組的IFN-λ1和IFN-λ2可以有效的減弱單純皰疹病毒（HSV）的復制[14]。Mordstein等人證實了在肺臟內,外源性的IFN-λ2和IFN-λ3對甲型流感病毒有很強的抗病毒活性。在人巨噬細胞上,IFN-λ1和IFN-λ2能抑制HIV實驗室適應毒株和臨床毒株[15]。因此,在不同的細胞系和病毒研究中,IFN-λ能抑制結構與功能不同的病毒的復制。

IFN-λs的抗病毒活性與I型干擾素非常相似,這表明在免疫系統中IFN-α/β和IFN-λs具有一些相同的功能。但是,這2種類型干擾素作用的靶細胞不同。IFN-ARs的表達普遍存在,而IL-28Rα僅能在幾種細胞系內表達,尤其是上皮細胞和一些白細胞,如巨噬細胞、漿液性樹突狀細胞和傳統的樹突狀細胞。因此,III型干擾素的細胞反應僅局限于一些細胞系和組織,作用范圍較窄。在有機體內的抗病毒反應過程中,I型干擾素對III型干擾素受體的差異表達對其生物學活性產生深遠的影響。隨著IFN-λs在體外的早期抗病毒活性被發現后,一些報道研究了重組IFN-λ在小鼠體內的抗病毒作用,這些研究顯示,外源性重組IFN-λs或重組病毒表達的IFN-λs可強效抑制HSV-2、牛痘病毒和甲型流感病毒在上皮細胞中的復制[16]。上述研究表明,體內的IFN-λs的確具有天然的抗病毒活性。在天然免疫反應過程中,上皮細胞的表面是IFN-λ激活的關鍵位點。為了評估內源性IFN-λs在抗病毒防御中發揮的功能,克隆生產了IL-28RA–/–基因鼠,對IL-28RA–/–基因鼠進行了各種病毒攻毒試驗。令人吃驚的是,這些感染模型缺失了對IFN-λ的感應能力,從而影響了抗病毒反應。這個結果與體內的重組IFN-λs的抗病毒活性有著鮮明的對比,用相同的病毒感染IFNAR–/–小鼠后,同樣影響IFN-α/β抗病毒活性。當用TLR3和TLR9的拮抗劑作為局部殺菌劑的時候,只有IFN-λ在抗病毒防御中體現其必要的作用。在這樣的情況下,IL-28RA–/–基因鼠不能抵抗后期HSV的陰道感染。所以對于廣譜抗病毒感染的天然防御而言,IFN-λs是多余的。在完全有效的I型干擾素系統存在的條件下,不需要IFN-λs發揮作用。Staeheli及其同事后來驗證了該假說,他們克隆產生了缺失I型干擾素和III型干擾素受體系統的基因鼠,并且該基因鼠是在Mx+/+遺傳背景的基礎上生產的。并用甲型流感病毒對基因鼠做了攻毒試驗,研究人員發現 IFNAR–/–和 IL-28RA–/–這2 種基因缺失小鼠肺內的病毒滴度提高比較弱,而 IFNAR/IL-28RA雙缺失基因鼠有明顯受制于其抗病毒反應,不能控制病毒而最終死于感染,甚至用弱化的甲型流感病毒株感染也可致其死亡。這些數據表明,IFN-λs能夠有助于機體天然防御一些病毒的感染,并且與I型干擾素共同發揮作用,可以作為天然抗病毒的第一道防線。對感染流感病毒的IFNAR/IL-28RA雙缺失基因鼠進行研究之后,又進一步延伸到其他病毒,通過鼻內感染后,IFNAR/IL-28RA雙缺失基因鼠對很多人類的致病性病毒都具有較高的易感性。基于這些發現得出III型干擾素在呼吸道上皮細胞和胃腸道發揮了抗病毒感染的作用[17],采用IFN-λs激活STAT1的研究發現,在一些疾病模型中,相對于IFNAR–/–基因鼠而言,由于STAT1–/–基因鼠抗病毒反應受損,因此I型干擾素和III型干擾素不再發揮作用[17]。

特別需要指出的是,用于靶向作用I型和III型干擾素表達與功能的病毒分子至關重要,這些病毒分子可逃逸這2類干擾素的抗病毒活性,這些病毒包括一些RNA病毒和DNA病毒。通過對痘病毒類的研究證明了IFN-λs在抗病毒免疫保護中的作用,該病毒能導致靈長類動物患水泡皮膚病,并且能傳染給人類,其編碼的分泌型蛋白Y136可結合I型干擾素和III型干擾素,從而抑制它們的生物學活性。總之,III型干擾素在天然抗病毒免疫中發揮重要的功能,特別是在上皮細胞的表面上,病毒靶向作用III型干擾素從而建立感染[18]。

4 III型干擾素在適應性免疫中發揮的作用

最早發現III型干擾素時,有報道稱它的細胞因子的抗病毒功能與傳統的I型干擾素不同。III型干擾素的有些功能可能會影響適應性免疫的性質。Mennechet和Uze首次表明III型干擾素可參與適應性免疫反應,他們曾報道稱在細胞分化過程中,樹突狀細胞可捕獲IFN-λs受體復合物,通過這個受體刺激特異性誘導耐受性CD4+CD25+Foxp3+調節T細胞 Treg的增殖反應。基于這些發現,認為與Th1促進I型干擾素不同,III型干擾素可致樹突狀細胞進入成熟期,并促進調節T細胞增殖。在適應性免疫反應發展過程中,IFN-λs降低了Treg活性[19],這說明IFN-λ在適應性免疫中扮演著非常重要的作用。

有研究組報道了在人外周血單核細胞中,IFN-λ1可誘導促炎細胞因子的表達,主要是由于單核細胞的靶向作用而導致。隨后又證明了IFN-λs也可靶向作用于輔助性T細胞,下調IL-4和IL-13的表達,但是并不影響IFN-λs的反應同時發現IL-28Rα可在人的天然CD4+T細胞和記憶CD4+T細胞中表達,通過下調GATA3和IL-4Rα對IFN-λ刺激產生反應。最后,IFN-λs可抑制中樞記憶T細胞轉變為效應記憶T細胞。報道稱IFN-λ3（IL-28B）作為DNA疫苗的佐劑比IL-12更能引發機體的適應性免疫反應,并能提高脾臟內CD8+T細胞的數量,這些細胞有更多的顆粒,并顯示出更高的抗原特異性脫粒反應。有研究報道認為,干擾素能重新誘導Th2細胞形成一個穩定的GATA3+Tbet+細胞亞克隆,上述結果表明,III型干擾素的主要作用是通過阻斷Th2細胞分化,重現Th細胞顯型的形成和強有力的抗原特異性的細胞毒性活性的刺激為抗病毒感染提供一個最佳的T細胞環境。

總之,盡管目前研究報道認為,III型干擾素抗病毒作用很好,但是其精確的機制還有待于進一步闡明。