人巨細胞病毒、年齡與免疫衰老之間的淵源*

宋雅琴 韋愛萍 彭 薇 周秀英 謝政軍

1 遵義醫科大學第五附屬(珠海)醫院血液內科,廣東省珠海市 519100; 2 遵義醫科大學珠海校區

人巨細胞病毒(Human cytomegalovirus,HCMV)是皰疹病毒科β亞科中的成員,也是感染人體最久遠的病毒,具有230～240kbp的線性雙鏈DNA基因組[1],在人群中普遍感染,感染率在60%～90%[2]。HCMV感染機體進入宿主細胞,便以潛伏狀態長期留存于宿主體內,不表現出任何臨床癥狀[3],之后可能發生間斷、不定期的復制激活。自Pawelec等[4]對1995—2005這10年間大量無嚴重基礎疾病的瑞典老年人群的免疫情況開展了大規模調查研究,發現老年人群中HCMV感染會導致免疫衰老的加重及巨細胞病毒病發病率的上升,從而提示HCMV潛伏感染可能會加速機體免疫衰老過程,人們便展開了對HCMV潛伏感染狀態下引起免疫衰老背后原因的探究,其中多種因素交錯相互影響。眾所周知,機體免疫衰老與年齡高度相關,那么,HCMV、年齡在機體免疫衰老過程中扮演著什么角色和作用,以及HCMV感染后機體免疫衰老的演進過程如何,尚未完全明了,本文對近十余年的相關研究總結如下。

1 HCMV潛伏感染宿主細胞對免疫系統的影響

HCMV有能力誘導活動性感染和潛伏性感染,從而在原發感染后的人類宿主中建立終身持久性。在活動性感染中,HCMV復制過程經歷即刻早期(IE)、早期(E)和晚期(L)階段[5]。最關鍵的病毒活動性基因產物是病毒IE蛋白,它控制著隨后的病毒基因表達和病毒復制。因此,這些主要的IE基因產物本質上決定了HCMV的感染狀態：HCMV的靜態(IE基因被抑制)或再激活(IE基因被表達)均與IE基因的表達狀態相關。潛伏性感染是HCMV感染最重要的特征,其潛伏期病毒的存在方式是以靜態為主,病毒基因組存在于染色體外質粒,多數情況下無法檢測到傳染性病毒載量的變化,但在特定的刺激因素作用后可重新被激活,引起病毒復制和載量增加,產生新的感染性病毒顆粒,這種再感染在宿主體內可能多次發生,形成一種慢性持續的炎癥反應,最終引起機體眾多組織和器官的嚴重損害和功能障礙。

HCMV通常在特定的細胞建立病毒潛伏期,主要累及CD34+造血祖細胞和髓系細胞。雖然原發性HCMV感染會引起廣泛的先天和固有免疫反應,但是為了逃避宿主的抗病毒反應,HCMV開發了不同的免疫逃避策略,以改變宿主在活動性感染和潛伏感染期間的免疫識別。尤其是HCMV限制了最主要組織相容性復合體(Major histocompatibility complex,MHC)Ⅰ類和Ⅱ類分子抗原呈遞作用,使病毒能夠在受感染的個體中存活、傳播和持續存在。在具有免疫能力的個體中,原發性和終生持續的HCMV感染通常仍然是亞臨床的,并受到宿主免疫系統的良好控制。

在原發感染的早期階段,適應性免疫的主體是HCMV特異性CD4+T細胞,該亞群中的Th1細胞通過產生細胞因子IFN-γ和TNF-α對HCMV作免疫應答。在初始HCMV特異性CD4+T細胞反應的1周后,出現增殖且可以在血液中檢測到高水平的HCMV特異性CD8+T細胞,該亞群細胞在之后的感染期內一直保持存在,以防止HCMV重新激活和保護宿主免受再次感染。此外,HCMV的體液反應也有助于控制病毒載量和防止人類的原發性感染。在原發感染后,B細胞在HCMV特異性CD4+T細胞的幫助下被抗原激活,主要是Th2細胞,導致產生一些HCMV蛋白特異性抗體。這些HCMV特異性抗體可以通過中和細胞外病毒子來阻止病毒顆粒的播散,這一方式對于保護胎兒免受先天性HCMV感染尤為重要。

2 HCMV感染致免疫衰老

2.1 HCMV、年齡、免疫衰老如影相隨 持續的HCMV感染需要宿主免疫系統的持續控制,而宿主免疫系統本身會隨著年齡的增長而改變[6]。報告顯示,老年人群被感染者HCMV的發病率和死亡率明顯要高于青年人,其重要原因之一就是免疫衰老。衰老的特點是在細胞和分子水平上都有明顯的免疫重塑[7]。免疫衰老的始因在于隨著年齡增大導致的胸腺退化,從而導致機體的免疫系統對病原體的反應能力逐漸弱化。HCMV長期潛伏感染被認為是人類免疫衰老的驅動因素之一[8]。調查還證實,HCMV持續性潛伏感染與老年人的總生存率下降和免疫風險表型(Immunological risk phenotypes,IRP)相互聯系,IRP是一組評價機體免疫功能水平的重要指標,可以預測老年人2年死亡率。此外,老年人的抗HCMV IgG滴度與對病毒感染的抗體反應較低有關[9]。然而,仍然缺乏直接證據表明HCMV感染是否以及如何與免疫衰老有關。

2.2 HCMV感染狀態下免疫衰老相關的免疫細胞變化 NK細胞是淋巴因子活化殺傷細胞(Lymphokine activated killer cells,LAK)的前體細胞,是機體在固有免疫應答過程中的關鍵免疫細胞,并在對HCMV的免疫監視中起到了關鍵作用。在HCMV感染者中NK細胞殺傷靶細胞的能力也隨著年齡的增長而降低,表現為NK細胞功能的衰減,體現為IL-2誘導的 NK細胞分泌 IFN-γ減少,HCMV感染致死率與老年人 NK功能下降呈正相關。在小鼠試驗研究中可推斷出鼠巨細胞病毒(Mouse cytomegaloviru,MCMV)潛伏感染后,NK細胞在免疫系統中發揮著抗MCMV感染的免疫反應,NK細胞功能缺陷的小鼠趨向于患更嚴重的MCMV感染,亦有相關研究報告稱,NK細胞功能缺陷的患者更易于發展成巨細胞病毒病。

B細胞主要參與體液免疫應答、疫苗接種產生特異性高親和力抗體。免疫衰老會影響B細胞質量、數量以及使受體多樣性降低,從而導致抗體數量減少,降低機體對病毒感染和疫苗接種的反應性,并加速自身對反應性抗體的形成。在與年齡相關的B細胞數量變化中,在小鼠的實驗證據表明衰老會減少初始B細胞和血漿細胞的數量,以CD27+記憶B細胞的數量變化為主。由于隨著年齡增長,不成熟B淋巴細胞向外周淋巴器官歸巢缺陷,使B細胞對抗原的特異性識別功能逐漸下降,也會導致初始 B細胞數量下降,同時外周淋巴器官記憶B細胞的數量增加,而這種疲乏的記憶B細胞功能也是減弱的,而且對外來侵襲的病毒缺乏免疫應答能力。此外,與年齡相關的慢性巨細胞病毒感染可導致B細胞功能的改變。Wang等人[10]檢查了在年輕人和老年人中編碼免疫球蛋白重鏈的基因組庫,以確定衰老和HCMV感染對B細胞亞群的影響,發現年齡并不影響變量、多樣性或連接段的使用;然而,年齡段中較長互補決定區域3段(CDR3)的選擇缺失表明,不同年齡組使用的耐受機制之間存在與年齡相關的差異,從而推測B細胞的免疫衰老可能與HCMV感染及其感染時限有關[11]。

HCMV長期潛伏感染宿主同時在慢性炎癥刺激下會導致HCMV特異性T細胞克隆的大量擴增,主要免疫特征為CD8+CD27-CD28-的記憶性T細胞,隨著年齡的增長特別是在老年人中,這被認為破壞了機體對其他病原體的免疫力,加速了免疫衰老。同時出現初始T細胞數量逐漸減少,TCR多樣性減少,Treg、Th17、TFH亞群數量的增多。這些T細胞的變化會連鎖引起以上B細胞、NK細胞功能的變化。

老年人的HCMV感染與免疫衰老有一定的相關性,并可能會影響宿主免疫力和加重衰老過程。然而,亦有人認為HCMV在免疫衰老過程中的病因作用仍存在相當大的不確定性。不能排除HCMV可能改善CD8+T細胞的多功能,從而有利于宿主免疫系統,至少在年輕健康個體中是這樣。此外,目前還不清楚HCMV的再激活在老年人中是否比年輕人更頻繁。因此,HCMV特異性CD8+T細胞隨時間的延展是否真的有害仍不清楚。累積的功能失調的記憶T細胞在多大程度上會導致免疫衰老,以及這些細胞對其他免疫成分,如NK細胞、B細胞和T細胞有多大危害,這一點還有待觀察。最后,宿主免疫系統可能在衰老期間無效地控制潛在的HCMV再激活,從而擴展病毒特異性T細胞克隆并進一步增強免疫衰老特性[12]。因此,在未來關于HCMV與免疫衰老的研究中,必須考慮到HCMV感染狀態和HCMV控制狀況。

3 HCMV致免疫衰老的T細胞亞群改變特征

3.1 隨年齡增長HCMV感染人群中初始、記憶T 細胞等T細胞亞群數量變化及功能下降 細胞免疫功能減退逐步演進為免疫衰老是HCMV感染人群主要的免疫學變化,在老年人群中更甚。細胞免疫的變化以T細胞組成變化(初始與記憶T細胞亞群)為主,表現為CD3+T細胞、CD4+的初始T細胞數量的減少,記憶T細胞增加,這一狀況隨著年齡增加會更加明顯。老年人HCMV感染者中CD27、CD28、CD122(IL-2R)、CD127(IL-7R)在CD4+或CD8+的記憶性T細胞亞群上表達水平均有下降,并同時伴有血漿中IL-2水平下降。

與隨著年齡的增長免疫受損相比,記憶T細胞的比例在早期會增加,在整個成年期保持穩定,但在大約65歲后開始出現衰老變化。青少年時期產生的記憶T細胞可以很好地保存并在數十年內維持強大的保護作用,而老年時期產生的T細胞記憶反應受到嚴重損害。IL-7是維持T細胞平衡的關鍵因子,雖然衰老不會改變IL-7的水平,但通常會減少初始T細胞的數量,增加衰老T細胞的數量[13]。

3.2 隨年齡增長HCMV感染人群中CD8+CD28-T細胞聚集性增加 免疫衰老的另一個特征是 CD8+CD28-T細胞的聚集,這些 CD8+CD28-T細胞的端粒較短,功能衰退,提示細胞處于終末分化階段,同時這群細胞能夠抵御TCR交聯和細胞凋亡 ,使這群細胞有克隆聚集的能力,它們的聚集機制可能是對衰老個體初始 CD8+T細胞輸出減少的代償效應,機體試圖通過這些細胞控制潛在的病毒感染,填充有效的T細胞空間。然而,該T細胞亞群的單克隆聚集競爭性抑制了新抗原入侵誘導的 TCR基因重排,當這些克隆聚集達到機體的極限水平后,T細胞對抗新感染的免疫保護能力就開始發生隨年齡的增長下降。在衰老的進程中,CD4+和 CD8+T細胞的表型變化不大,而有復制衰老特征的CD8+T細胞的變化則更為明顯,慢性病毒感染或機體衰老均可導致 CD8+T細胞的 CD28表達缺陷,而 CD4+T細胞的表現相對較輕,因此,老年個體的單克隆擴增 CD8+CD28-細胞的大量聚集是免疫衰老的重要特征之一。

3.3 隨年齡增長HCMV感染人群中Th17、Treg、TFH細胞數量的變化 鑒于細胞因子是T細胞介導的免疫反應的關鍵調控分子,人們已經注意到,與衰老相關的T細胞缺陷可能起源于細胞因子產生的改變。特別是,細胞因子圖譜的變化表明,年齡較大的T細胞主要顯示出Th2樣的表型[14]。Th17細胞保護宿主免受細胞外病原體的侵害,并與人類自身免疫性疾病和慢性炎癥性疾病的發展有關[15]。在HCMV感染者中Th17和Treg的比例似乎隨著年齡的增加而增加,Schmitt等人[16]認為,這一比例的變化可以解釋自身免疫性疾病頻率增加和對老年人感染反應減弱的原因。特別是老年人Th17細胞與Treg細胞的比例隨年齡依賴性增加,可能會引發支持炎癥細胞基底水平的改變,并導致自身免疫性疾病和對感染的免疫反應下降。TFH細胞在B細胞的免疫形成和抗體產生過程中發揮重要作用,TFH在高齡HCMV感染者中的數量會下降。

4 HCMV感染致免疫衰老的關鍵分子生物學事件

4.1 TCR多樣性減少的背后分子變化 隨增齡性變化,TCR多樣性減少。在增齡和HCMV慢性炎癥對免疫系統的共同作用下,宿主對新病原體和異型細胞的識別能力以及抵抗病原體的能力逐漸下降,感染性疾病和腫瘤性疾病發生率增加[17]。衰老的T細胞發生明顯變化,降低了TCR的表達,導致人類CD4+T細胞中與年齡相關的TCR誘導基因的表達發生改變[18]。使用高通量Illumina測序平臺分析顯示,老年期TCR多樣性明顯減少。研究表明到40歲時,初始T細胞和TCR-β多樣性的數量開始出現減少[19]。

4.2 T細胞端粒縮短及背后的分子變化 衰老期間免疫記憶的逐漸喪失與T細胞增殖能力降低和端粒縮短有關。端粒是位于真核生物染色體3'末端的DNA重復序列,能組成特殊 DNA-蛋白質結構。端粒縮短可誘導DNA損傷反應,如果DNA損傷沒有修復,那么會導致細胞死亡(凋亡)或復制性衰老。由于染色體末端 DNA聚合酶的缺陷,每次外周血單個核細胞分化都會導致約 50．100bp端粒DNA的缺失,在HCMV慢性病毒感染期間,這種缺失有可能增加,端粒缺失可引起染色體的不穩定和末端融合,啟動 p53控制的 DNA損傷修復序列,進一步加快凋亡的發生。老年HCMV感染者CD4+、CD8+T細胞的端粒較青年人短,端粒過短的后果是CD8+T細胞的復制衰老過早誘導,從中可以發現,人類記憶性T細胞端粒縮短的速率并不相同,HCMV特異性T細胞分化程度更高,對細胞衰老可能更加敏感,這些功能缺陷型 HCMV特異性T細胞可以進行自我調節如胞體變大,這樣可以延緩 HCMV 感染[20]。綜上所述,HCMV感染會導致更快的端粒縮短和免疫衰老。

4.3 表觀遺傳學變化及免疫衰老 還有大量證據表明,表觀遺傳變化在自然和病理免疫老化以及HCMV感染疾病中起著至關重要的作用。表觀遺傳學是指在DNA序列沒有改變的前提下,通過DNA甲基化、組蛋白修飾和RNA轉錄相關而發生的基因表達可遺傳變化,其引起的染色質結構變化是衰老過程的特征,導致衰老細胞功能障礙。據報道,從鮭魚、牛、大鼠和老鼠到人類的許多不同生物組織的總體DNA甲基化水平會隨著年齡的增長而下降,研究已經證實,年齡相關的甲基化變化取決于特定的白細胞種群和T細胞亞群[21-22]。在各種免疫細胞群中,T細胞亞群可能受到衰老過程的影響最大[22-23]。一項研究報告了與年齡相關的高甲基化位點,主要位于沉默基因的CpG島。然而,研究者也觀察到干擾素、CCL5、CCL7、CD27和其他T細胞功能基因的甲基化變化與基因表達之間有很強的相關性,且表觀遺傳調控在IL-2和IFN-γ的免疫應答和年齡相關差異基因表達中起著突出的作用。此外,考慮到HCMV在衰老過程中宿主免疫功能中的關鍵作用,進一步了解潛在的HCMV感染對跨調節元件表觀遺傳特征的影響可能為克服免疫缺陷提供一條新的途徑。

5 小結

HCMV長期潛伏性感染是免疫衰老的始動環節。在反復的HCMV抗原暴露情況下,機體的NK細胞、B細胞、T細胞等主要免疫效應細胞功能下降以至最終衰竭。這一免疫衰老現象隨年齡增長及感染時限的延長會逐步加重,表現為這些免疫效應細胞數量及亞群的變化,中間還有細胞因子網絡的變化在起重要作用,但其中的先后關系及關鍵作用環節仍不清楚。以上提示年齡與免疫衰老只是表象上的相關,近年來隨著分子免疫學、分子生物學和分子遺傳學等新技術的應用,HCMV分子學機制以及免疫衰老的細胞分子學基礎研究上取得了較大的進展,發現TCR表達水平的變化、T細胞端粒酶的縮短、共刺激因子、T細胞CD28表達水平、DNA甲基化、組蛋白修飾及關鍵信號的RNA轉錄水平的異常等環節可能是免疫衰老的主要原因。而這些關鍵分子事件的變化與HCMV的感染狀態及感染時限息息相關,同步探索和闡明HCMV慢性感染后機體免疫系統的改變和免疫衰老的部分分子學機制,或者證實是 HCMV誘導免疫衰老還是HCMV僅僅是一個伴隨相關性病原體,其致免疫衰老的主要原因仍然需要大量實驗證據,以及合適的動物模型印證,以此找到免疫衰老的真正核心風險因子。從而從整體上增強老年人群的免疫能力,延緩免疫衰老,降低巨細胞病毒病發病率和死亡率,從細胞免疫角度提供解決的方向。