白细胞介素21及其免疫调节研究进展

陈 敏，彭克美，何 敏

（1.华中农业大学动科动医学院，湖北 武汉 430070；2.信阳农业高等专科学校动物科学系，河南 信阳 464000）

白细胞介素21（interleukin－21，IL－21）是2000年Parrish－Novak报道发现的一种细胞因子[1]，IL－21序列和结构与IL－2、IL－4、IL－15高度同源。IL－21通过IL－21受体（interleukin－21receptor，IL－21R）发挥生物学功能。IL－21R和IL－2、4、7、9、IL－15R同属Ⅰ型细胞因子受体超家族，并共同享有γ链（γc）[2]。最初认为IL－21仅由CD4＋T细胞产生，但近年来的研究表明 Th17、Tfh、NKT细胞也分泌IL－21[3]。虽然IL－21仅由淋巴细胞产生，但IL－21R分布于免疫细胞和非免疫细胞，提示IL－21具有广泛的生物学功能[4]。近几年的研究表明IL－21对免疫细胞的发育和功能发挥起到重要的调节作用。

1 IL－21与IL－21R的发现、结构特征和表达分布

IL－21的发现是基于人们对Ⅰ型细胞因子受体超家族的研究。由于Ⅰ型细胞因子受体超家族在胞外膜结构域具有较高的氨基酸同源性和相似的分子结构，这促使研究者基于同源性在已知的cDNA文库中寻找新的Ⅰ型细胞因子受体家族成员及其相应配基，2000年Parrish－Novak从EST文库中筛选出一段具有Ⅰ型细胞因子受体同源结构特征的序列，并克隆出全长cDNA，将其编码的蛋白质正式命名IL－21R，通过GenBank检索发现与同年Ozaki等独立报道的一种新的Ⅰ型细胞因子受体cDNA序列一致，随后Parrish－Novak等利用活化的人CD3＋T细胞构建cDNA文库，并转染至幼仓鼠肾细胞，通过激活转染IL－21R的BaF3细胞系增殖能力为指标筛选并克隆到IL－21R的配基，即IL－21[1－2]。

人IL－21基因位于染色体4q26－q27上，与IL－2、IL－15位于同一染色体上，距IL－2基因仅隔180kb。人IL－21cDNA编码含162个氨基酸残基的前体肽，成熟的人IL－21是一个包含131个氨基酸残基的多肽，分子质量为15ku，含有一个四螺旋的细胞因子结构域。小鼠IL－21基因位于染色体3，紧邻IL－2，相隔95kb，成熟的小鼠IL－21包含122个氨基酸残基[1－2，5]。人和小鼠的IL－21氨基酸序列同源性达57%。其他动物中，猪、牛、鸡、犬的IL－21基因克隆已见报道[6－8]。最初的研究表明IL－21仅表达于激活状态下的CD4＋T细胞，使用佛波醇豆蔻酸乙酸酯（PMA），离子霉素或抗CD3和CD28抗体可以诱导IL－21的表达。在CD8＋T细胞、CD19＋B细胞、骨髓DCs细胞、CD14＋单核细胞没有发现IL－21的表达。体外和体内试验研究显示在CD4＋T亚型细胞中，IL－21选择性表达于 TH2分化细胞[5]。目前的研究证实，IL－21也表达于Th17、Tfh和NKT细胞，进一步支持IL－21对于免疫反应的调节具有重要的作用[7]。

人IL－21R基因位于染色体16p11，包含9个外显子，其cDNA编码538个氨基酸残基。小鼠IL－21RcDNA全长已克隆，编码529氨基酸残基，与人IL－21氨基酸水平同源性达62%[2，5]。应用 Northern blot分析表明IL－21R主要分布于淋巴组织，包括脾、胸腺、淋巴结和外周血液淋巴细胞。流式细胞术和Northern blot分析显示IL－21R也表达于B、T和NK源细胞系包括IM－9（B细胞），Jurkat（T 细胞），NK－92（NK 细胞）等[4]。研究表明 T 细胞、B细胞、NK细胞、NKT细胞，DC细胞、巨噬细胞、角质化细胞、肠成纤维细胞都有IL－21R的表达[6]。

2 IL－21信号通路

就目前的研究IL－21与IL－21R／γc结合后主要通过JAKs－STATs通路发挥生物学功能。依赖于细胞系的不同，IL－21R／γc可以激活不同的下游靶因子包括Jak1、Jak3、Stat1、Stat3、Stat4and Stat5。在人的 T 细胞系，IL－21诱导Jak1、Jak3、Stat1和Stat3的激活；在人的B细胞系，IL－21诱导Jak1、Jak3和Stat5的激活；而在人的NKT细胞系，IL－21诱导Stat1、Stat3和Stat4的激活[4，9]。

IL－21通过IL－21R和γc组成的复合物发挥生物学功能，IL－21R和γc共转染的Ba－F3细胞导致具有更强的增殖能力，表明γc在IL－21R的全部功能发挥是必须的。研究表明在缺乏γc的情况下，IL－21R可以和IL－21结合，但信号无法向细胞内转导。γc的重构可以恢复信号通路[10]。此外，使用抗γc抗体可以破坏IL－21诱导的反应。虽然在缺乏γc的情况下，IL－21R仍然可以结合Jak1但不能导致其磷酸化反应，表明γc在IL－21R复合物中的细胞内信号转换是必须的[10]。

3 IL－21的免疫调节作用

机体免疫应答的过程和水平必须适应免疫防御的需要和维持生物的体内稳态，需要通过精确的免疫调节实现。免疫细胞的功能发挥受到多种因素调节，其中细胞因子发挥重要的作用。众多的细胞因子形成网络以调控恰当而适度的免疫应答。IL－21独自或与其他细胞因子参与对各种免疫细胞功能的调节，目前的结果分析表明IL－21免疫细胞功能的调控是复杂的，在免疫细胞不同状态和阶段中，不同其它细胞因子协同作用下，其调控作用不同。研究表明IL－21可影响体内多种免疫细胞的增殖、生存、分化和功能，参与对免疫反应稳态平衡的调节，现分述于下。

3.1 IL－21对T细胞的调节

Parrish－Novak J等[1]在发现IL－21之初就证实IL－21显著促进抗CD3单抗诱导的胸腺细胞和外周血液中 T细胞的增殖。在IL－2、IL－15、IL－7的配合下，无论有无抗CD3单抗体的刺激，IL－21都可增强外周T细胞的增殖。在缺乏抗CD3或其他共刺激因子情况下，IL－21对T细胞的增殖没有显著的作用[11]。IL－21可促进IL－15介导的鼠 CD4＋／CD8＋记忆型T细胞的增殖，随之上调IL－2、IL－15和γ干扰素（IFN－γ）的受体，提示IL－21可调节记忆T细胞的功能[12－13]。IL－21显著增强小鼠 T 细胞对异种抗原的反应，独自或与IL－2或IL－15协同作用下增强T细胞细胞毒作用和γ干扰素的产生[11，14]。T细胞体外细胞培养试验证实IL－21在IL－15或IL－18的协同作用下加 强IFN－γmRNA 的合成[15]。IL－21主要由活化的CD4＋T细胞产生，CD4＋T细胞作为辅助性T细胞，激活状态下可以分泌各种细胞因子以引导形成适当的免疫应答。由此提示激活状态下CD4＋T细胞所产生的IL－21可能与其他的细胞因子协同作用，进一步加强细胞免疫应答强度。

3.2 IL－21对B细胞的调节

IL－21对于B细胞的增殖、生存和分化起到重要的作用。IL－21发现之初就证实和其他共刺激因子可以协同调节B细胞的增殖。IL－21在CD40协同刺激下促进人初始B细胞的有丝分裂，抑制抗IgM 或IL－4诱导的增殖[1，16]。IL－21 在 LPS或抗IgM抗体协同作用下抑制小鼠B细胞增殖，IL－21能够对抗LPS对B细胞增殖的T细胞依赖协同刺激作用，这表明IL－21在固有免疫反应向适应性免疫反应转换中起到重要作用[17]。IL－21能诱导抗原特异的B淋巴细胞的凋亡，参与了活化B淋巴细胞的自稳调节，抗CD40抗体可以保护IL－21所介导的凋亡作用，可能通过诱导Bcl－XL、Bcl－2的表达来发挥作用[16]。IL－21介导的凋亡作用在 Bcl－2转基因小鼠上能够被阻断。IL－21能够调节B细胞的增殖和生存表明IL－21对于决定激活B细胞的命运起到重要的作用[17]。从整体来说，当前的研究结果提示IL－21促进被抗原和Th细胞适当激活的B细胞的生存和增殖，而抑制经BCR接受非特异性的信号或经TLR接受的强烈信号的B细胞的增殖并引起凋亡。此外，有研究报道IL－21可促进B细胞分化成浆细胞和下调IgE的水平[18－19]。和野生型小鼠比较，IL－21R基因敲除的小鼠血清中IgE水平增高而IgG1水平降低[20]。这表明IL－21不仅调节激活的B细胞的增殖和凋亡，也能诱导B细胞产生抗体类型转换，从而进一步影响体液免疫应答。

3.3 IL－21对NK细胞的调节

作为先天免疫系统的重要构成，NK细胞在机体适应性免疫发挥作用之前对病原微生物和肿瘤细胞的防御和清除起到重要的作用。IL－21R在静息和激活状态下的NK细胞都有表达，IL－21对NK细胞的增殖和功能起到调节作用。研究证实IL－21单独或与IL－15及Flt3L协同作用均可促进人骨髓源NK细胞的增殖、分化和成熟，增强已活化NK细胞的细胞毒活性[1，21]。在IL－15或IL－18的协同作用下，IL－21增强人 NK 细胞的γ－IFN的产生[15]。Kasaian M T[11]报道IL－21抑制IL－2或IL－15诱导的静息状态小鼠NK细胞的增殖，促进激活状态NK细胞的凋亡，同时促进CD8＋T细胞的增殖、增强CD8＋T细胞的细胞毒性功能，但IL－21R敲除的小鼠的成熟NK细胞数量和功能正常，提示IL－21对于小鼠NK细胞的成熟不是必须的，可能在调节先天免疫反应向适应性免疫反应过渡起到重要的作用。但Brady J等[22]报道IL－21诱导小鼠NK细胞成熟，用IL－21处理NK细胞时，NK细胞体积增大，胞内颗粒增多，膜CD154的表达也显著上调。Iannello A等[23]报道在健康和HIV感染的患者上IL－21可以通过激活STAT－3等增强NK细胞的功能，同时通过增加Bcl－2和Bcl－X－L的表达抑制NK细胞的凋亡。这表明IL－21对NK细胞的调节作用与NK细胞的来源种属、激活状态以及发育阶段似乎存在差异，不同的细胞因子协同作用也影响IL－21对NK细胞的调节作用。总的来说IL－21主要增强NK的活性，增强天然免疫。

3.4 IL－21对树突细胞的调节

树突细胞（dendrite cell，DC）作为专职抗原递呈细胞，由骨髓产生，未成熟树突细胞广泛分布于各个组织器官，受病原体刺激后迁移至次级淋巴组织并逐渐成熟，分泌细胞因子，启动并决定适应性免疫应答方向。IL－21能够促进骨髓造血干细胞源的树突细胞发育，但抑制DC的成熟[24]。体外分化试验表明在IL－21存在条件下导致DC减少MHCⅡ型分子的表达，降低抗原递呈作用，限制了抗原依赖T细胞免疫反应，这提示IL－21具有降低和终结免疫反应的潜在作用。然而，有研究显示IL－21处理后的DC促进NKT细胞产生γ干扰素[25]，提示IL－21对DC的调控作用是复杂的，需要进一步研究。

3.5 IL－21对巨噬细胞的调节

IL－21R在小鼠和人的巨噬细胞都有表达，提示IL－21可能也参与巨噬细胞发育和功能的调节，但相关研究报道较少。IL－21增强巨噬细胞产生趋化因子CXCL8／IL－8，增强巨噬细胞的吞噬作用和蛋白分解酶活性，增强巨噬细胞促进抗原依赖性T细胞的增殖能力[26－27]。

4 展望

自2000年发现IL－21以来，众多的研究报道表明IL－21在免疫细胞的发育以及免疫效应的调节过程中均发挥重要作用，但这些调节往往是和其他细胞因子协同下发挥，有关IL－21在机体的免疫调节网络和相关疾病的病理机制中扮演何种角色仍然不甚清楚。迄今，有关IL－21的功能研究主要在人和小鼠开展，并且关注其对发育成熟的外周淋巴细胞的调控作用，而对中枢免疫器官内培育阶段的淋巴细胞的作用未见报道。IL－21是否在中枢免疫器官内产生，是否对T、B淋巴细胞的分化、发育起到调控作用，IL－21在畜禽免疫系统中的作用与人和小鼠的是否一致，需要进步一研究证实。因此，对畜禽IL－21的深入研究将有助于理解IL－21对免疫器官发育、功能的调节作用，为畜禽疾病发生、治疗的机理研究以及科学饲养提供理论依据。

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