IL- 21在病毒感染性疾病中的免疫调节效应的研究进展

冉飞综述，柯江维审校

(1、南昌大学医学部研究生院，江西　南昌330006；2江西省儿童医院检验科，江西　南昌330006)



IL- 21在病毒感染性疾病中的免疫调节效应的研究进展

冉飞1，2综述，柯江维2审校

(1、南昌大学医学部研究生院，江西南昌330006；2江西省儿童医院检验科，江西南昌330006)

关键词：IL-21；病毒；感染；免疫

白细胞介素21（Interleukin 21，IL-21)是近年来发现的具有多种生物学功能的新型细胞因子，人IL-21基因定位于4q26-q27(ID：59067)，包含5个外显子，是由133个氨基酸组的多肽类活性蛋白质。主要是由活化的CD4+T(主要是Th2)细胞、NKT细胞及树突状细胞分泌。IL-21与IL-2，IL-4，IL-7，IL-9，和IL-15等具有高度同源性，同属于I型细胞因子超家族[1]。这些细胞因子各自具有相应特异的受体，IL-21受体(Interleukin 21 receptor，IL-21R)是IL-21发挥细胞因子功能及信号传导的特异性高亲和力受体，基因定位于16p11(ID：50615)，是由538个氨基酸组成的蛋白质。IL-21R与I型细胞因子超家族共有的γ链亚基(γc，CD132）组成受体复合物，广泛分布于CD4+T、CD8+T细胞、NK细胞、B细胞、树突状细胞、单核细胞等多种免疫体系细胞表面，共同介导IL-21对适应性免疫应答和固有免疫应答的调节功能，这种免疫调节对感染性疾病的发生发展具有重要的作用。本文就IL-21在病毒感染性疾病的功能机制作一综述。

1　 IL-21的信号传导和免疫调节

1.1IL-21的信号传导广泛表达于免疫细胞表面的IL-21R和γc亚基组成的受体复合物（IL-21R/ γc）是介导IL-21信号通路的关键起始因子。IL-21 与IL-21R结合后，IL-21R/γc将信号传导入受体细胞内，激活非跨膜型酪氨酸激酶JAK1和JAK3，进而使信号转导和转录激活子STAT(STAT1、STAT3、STAT4、STAT5)磷酸化，最终信号传导进入细胞核，调节相应基因的表达而实现IL-21的各种生物学调节功能[2，3]。其中IL-21信号激活STAT3、STAT5后具有促进细胞增殖、分化和加快细胞周期进程的作用。另外，IL-21还可激活STAT4，促进其与INF-γ转录翻译的启动子的结合，增加INF-γ的生物合成[4]。研究表明，多种IL、GM-CSF、GH、EGF、IFN、PDGF等细胞因子或生长因子均可通过JAK-STAT通路进行信号传导，但IL-21R/γc介导的IL-21的信号传导主要是通过激活STAT3来完成[5]。

1.2IL-21的免疫调节IL-21R/γc复合物介导的IL-21信号传导在固有免疫和适应性免疫中具有重要的作用，研究表明，IL-21是启动免疫应答的重要辅助因子，可介导免疫应答效应进一步放大。与淋巴细胞表面的IL-21R/γc复合物结合，激活信号途径可调节T、B、NK细胞等的增殖、分化及功能效应，参与感染性疾病、自身免疫性疾病、肿瘤等多种疾病的免疫调节。

在T细胞的免疫调节中，IL-21能促进Th2、Th17、Tfh细胞的增殖与分化，但抑制Th1、Treg细胞的发育，从而调节CD4+T细胞的Th1/Th2、Th17/ Treg及Tfh亚群在疾病中的免疫效应[6]。在IL-21/ IL-21R缺乏的情况下，Tfh、Th17细胞也能正常产生，证明IL-21并不是其发育所必须的细胞因子，但是IL-21能与IL-6、IL-12、IL-23及TGF-β等协同作用于Tfh和Th17[6，7]。此外，IL-21能与其他γc家族因子IL-7、IL-15协同增加CD8+T效应分子IFN-γ的表达，增强CD8+T的细胞毒性应答[8]。能通过激活PI-3k信号途径及诱导Bcl-2的表达共同调节CD8+T细胞的凋亡。同时，IL-21也是建立CD8+T记忆细胞和长效抗病毒感染效应的重要辅助因子。而IL-21是否对Th9、Th22细胞亚群具有调节功能仍有待进一步的研究。综上所述IL-21并不是T细胞分化与发育的必须因子，更多表现为协同刺激作用。

研究发现，IL-21R高水平表达于B细胞表面，说明IL-21对B细胞的功能调节具有重要意义。当IL-21信号传导途径中STAT3发生杂合突变时，IL-21失去了对初始B细胞分化的刺激效应，说明STAT3是IL-21调节B细胞增殖分化的不可缺少的关键信号分子[9]。IL-21激活STAT3后诱导并增强初始B细胞的增殖，然后通过诱导Bcl-6的表达而促进其分化为生发中心B细胞，随后分化为浆母细胞而分泌大量的Ig抗体，IL-21通过调节AICDA 和Blimp-1的表达，进而介导分泌IgG1、IgG3、IgA的细胞类型的转换[10]。在IL-21R基因敲除或IL-21/ IL-21R缺乏的小鼠，血清IgE水平升高，而IgG下降，且细胞转化和浆细胞数增加，提示IL-21既可调节细胞类型的转换，也影响抗体的分泌。IL-21不仅调节B细胞增殖与分化，同时也能将前凋亡信号传导给初始B细胞、Ig抗体激活的B细胞以及抗原特异性B细胞，诱导B细胞的凋亡。此外，IL-21还可诱导具有免疫学调节性能的B10，但这种效应是否依赖于生发中心反应尚不得而知。

IL-21可增加NK细胞、NKT细胞的大小和粒度，调节细胞表型。研究发现，IL-21既能有效诱导IL-2或IL-15刺激分化来源的NK细胞分泌IFN-γ、IL-10和穿孔素，增强细胞毒性作用，同时又限制NK细胞的增殖与生存，诱导形成快速而短暂的NK细胞激活，避免NK细胞毒性作用对机体的影响[6，11]。IL-21激活NKT细胞，诱导其分泌颗粒酶B、IL-4和IL-13，进而发挥细胞毒性效应[6，12]。IL-21的信号传递增加NK细胞和CD8+T细胞的颗粒酶B和穿孔素的产生，增强NK细胞和NKT细胞的细胞毒性，这种细胞毒性效应使IL-21可能成一种有效的抗感染或抗肿瘤治疗策略。

2　 IL-21在病毒感染性疾病中的免疫调节作用

IL-21对所有的淋巴细胞都有调节效应，主要是影响CD4+T细胞的发育，调节B细胞的类型转换和抗体分泌，诱导CD8+T和NK细胞的细胞毒性效应和功能，使其在肝炎病毒（HBV、HCV）、艾滋病毒(HIV)、EB病毒(EBV)、淋巴细胞性脉络丛脑膜炎病毒（LCMV）、柯萨奇病毒B3（CVB3）及手足口病毒(EV71)等感染性疾病中具有重要的作用。

2.1IL-21与肝炎病毒感染HBV感染后，患者IL-21水平和IL-21+CD4+T细胞升高，且与疾病的严重程度相关，由CD4+T细胞分泌的IL-21可促进B细胞和抗体反应，诱导CD4+T（Th1/Th2、Th17、Tfh）、CD8+T及NK细胞的发育，参与抗病毒效应的免疫应答，也可能参与肝脏的炎性损伤。HBV感染的初始阶段，在没有CD4+T细胞的辅助的情况下，虽然CD8+T细胞的抗病毒免疫应答被激活，但其免疫反应很弱。体外实验证实，IL-21能增强HBcAg-特异性IFN-γ+CD8+T细胞的增殖，增强其抗病毒效应[13]，但是在CHB患者，病毒持续感染使IL-21维持较低水平，当用干扰素和核酸类似物等药物治疗后，随着病毒清除和病毒载量下降，IL-21水平升高[14]，这可能与干扰素的免疫调节途径参与的抗病毒效应相关[15]。另一方面，CHB患者的肝脏炎症和纤维化程度与组织中IL-21的表达显著相关[16]，提示IL-21可诱导淋巴细胞分泌炎性因子损伤肝脏。此外，研究发现IL-21基因单核苷酸多态性中rs13143866 AA和rs2221903 TC基因型是中国人携带HBV的危险因子，而单倍体ATA基因型增加患乙肝相关肝癌的风险[17]。

在急性HCV感染期，Th1/Th17强烈促进CD4+T细胞分泌IL-21，增加血浆IL-21水平。Th17产生的IL-21限制Tim-3/Gal-9信号途径，而Treg细胞分泌Gal-9是增强该信号途径。当Th17/Treg亚群失衡后，CD4+T辅助的CD8+T细胞的抗病毒效应降低，因此认为分泌IL-21的CD4+T细胞数降低与病毒的持续感染相关[18]。慢性HCV感染的病人中，病毒载量与IL-21+CD4+T细胞数呈负相关，低病毒载量的患者肝脏中IL-21+细胞堆积更多。在体外实验中，IL-21治疗能增加HCV特异性CD8+T的细胞毒性分子和增殖标志物的表达，所以HCV特异性的IL-21+CD4+T细胞的抗病毒效应是通过调节HCV特异性CD8+T细胞功能而实现的[19]。在急性或慢性HCV感染中，IL-21+CD4+T细胞具有重要的直接或间接调节作用。

2.2IL-21与HIV感染CD4+T细胞分泌的IL-21是诱导和维持CD8+T细胞功能和抗病毒效应重要调节因子，能增强CD8+T细胞的抗病毒功能。HIV感染的早期，HIV-1特异性CD4+T细胞通过IL-21的信号途径改善HIV-1特异性CD8+T细胞的抗病毒效应是病毒特异性免疫的中心部分，这种效应早期有助于感染的控制，但在持续或慢性HIV-1感染者中失去优势[20]。因为HIV感染可选择性的破坏CD4+T细胞，CD4+T细胞的快速损失导致广泛的免疫功能障碍及CD8+T细胞表型的异常，血清IL-21水平显著降低。体外实验中，用HIV-1全长抗原肽刺激后，在抗HIV-1免疫应答中，CD4+T细胞和CD8+T细胞都能产生IL-21，增加HIV-1特异的CD8+T细胞产生穿孔素，增强效应CD8+T细胞抑制病毒复制的能力。这种分泌IL-21的HIV-1特异性CD8+T细胞在感染的初期被激活，并在疾病控制进展中增强，因此，IL-21参与的CD8+T细胞介导的抗病毒效应在疾病的慢性进展或晚期占优势[20，21]，有助于通过增强CD8+T细胞功能效应而控制临床表型。这种IL-21对不同阶段HIV-1感染者的抗病毒和增强特异性CD8+T细胞应答功能的免疫调节效应，可能是诱导和调节有效的HIV-1疫苗免疫应答的基础。

2.3IL-21与EB病毒感染EB病毒（Epstein-Barr Virus，EBV）是一种引起传染性单核细胞增多症，并与伯基特(Burkitt)淋巴瘤、鼻咽癌及淋巴瘤等众多疾病的发生发展有着密切关系的嗜淋巴细胞的DNA病毒。EBV感染后，IL-21通过抑制EBV核抗原转化生长因子，诱导EB病毒编码的基因CD40样潜伏感染膜蛋白1（LMP-1）的表达[22]。LMP-1可以通过细胞免疫对病毒抗原多肽的识别，增强肿瘤细胞的免疫原性，并能直接抑制Burkitt淋巴瘤细胞株的增殖[23]。在感染的早期，IL-21能减少B淋巴母细胞表达EBV转录激活因子（Rta）及其靶分子EAD，但是在感染慢性进程中，却能增加Rta、EAD的表达，调控EBV的感染和周期性溶裂循环[24]。IL-21还能诱导B淋巴母细胞分化为浆母细胞或浆细胞，激发其抗病毒应答，减少B细胞中EBV的存活。研究已经证实，IL-21能促进NK和CD8+T细胞增殖和成熟，增强其抗病毒和抗肿瘤效应的细胞毒性作用，诱导慢性淋巴细胞白血病及淋巴瘤细胞的凋亡。IL-21用于治疗晚期黑色素瘤、肾细胞癌、非霍奇金B细胞淋巴瘤的I期、Ⅱ期临床实验已经完成，并评估其治疗肿瘤的安全性和有效性，基于这些研究，IL-21可能成为携带EBV的B细胞恶性肿瘤的免疫治疗方法[23]。

2.4IL-21与手足口病病毒IL-21介导的JAKSTAT3信号通路在固有免疫、适应性免疫中发挥重要的作用，参与多种感染性疾病的功能调节。体外实验研究发现EV71病毒感染能显著抑制JAKSTAT（包括STAT3）和干扰素刺激基因的表达，但是CA16病毒却是促进这种作用发生，进而调节I型干扰素的不同抗病毒效应[25]。另外，在EV71病毒感染的手足口病患儿中，轻症或重症病人的IL-21水平和IL-21 mRNA均显著高于正常对照组，且IL-21水平与循环血液中CXCR5+CD4+Tfh细胞数呈正相关[26]，所以认为IL-21和Tfh相关细胞因子在EV71感染的体液免疫应答中具有重要的作用。进一步研究Tfh细胞在EV71感染疾病中对B细胞应答及抗体产生作用，将有助于深入了解EV71感染的免疫调节机制。

2.5IL-21与柯萨奇病毒B3型感染柯萨奇病毒B3（Coxsackievirus B3，CVB3）是引起人类病毒性心肌炎的主要病原体之一。动物实验研究证实，IL-21可能在CVB3致病和抗腺嘌呤核苷酸转运体（Anti-adenine nucleotide translocator，ANT)自身抗体的产生中具有重要作用，CVB3感染动物模型后，Tfh细胞数、IL-21和ANT自身抗体水平显著升高，且IL-21、Tfh细胞数与ANT自身抗体水平呈正相关。使用IL-21抗体干预，不仅能改善心肌炎症，还能降低Tfh和ANT自身抗体水平[27]。IL-21对许多病毒感染都是保护性因子，可加强病毒的清除效应。但是在CVB3感染导致的心肌炎模型中，IL-21对宿主心肌细胞中病毒滴度并没有明显的影响。IL-21R敲除小鼠的心肌炎损伤显著低于对照组，IFNγ+CD8+T细胞数量减少，但IFNγ+CD4+T 和IL-4+CD4+T细胞的数量没有明显变化。当CD8+T细胞选择性缺乏IL-21信号时，对心肌炎是一种保护效应。因此，IL-21信号选择性调节CD8+T细胞的激活或存活而发挥细胞因子效应，促进CVB3引起心肌炎的致病性[28]。

2.6IL-21与淋巴细胞性脉络丛脑膜炎病毒淋巴细胞性脉络丛脑膜炎病毒（lymphocytic choriomeningitis virus，LCMV）是一种引起人畜共患病毒性疾病——淋巴细胞脉络丛脑膜炎的病原体。研究发现，IL-21对控制LCMV的慢性感染具有重要作用。与LCMV急性感染期相比，慢性感染小鼠IL-21+CD4+T细胞和IL-21水平显著降低，IL-21信号缺乏时，出现CD8+T细胞的免疫应答功能严重衰竭，病毒载量持续高限。使用IL-21干预后，即使在缺乏CD4+T细胞情况下，也能增强和维护CD8+T细胞的抗病毒能力，降低病毒载量[29]。提示IL-21在LCMV慢性感染进程中具有重要作用，其主要功能是增强和维持CD8+T细胞的抗病毒效应，是控制LCMV慢性感染的关键因素[30]。

3　结语与展望

IL-21介导的免疫应答在HBV、HCV、HIV、EBV、CVB3、LCMV、EV71等多种病毒感染性疾病具有重要的抗病毒调节效应，监测IL-21水平的变化对病毒感染性疾病的诊断、治疗、预后及疗效评估具有重要意义。进一步研究IL-21与其他病毒的免疫应答调节效应，有助于了解病毒感染性疾病中免疫细胞的抗病毒效应的调节机制。

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中图分类号：R446.62，R511

文献标识码：A

文章编号：1674-1129(2016)03-0318-04

DOI：10.3969/j.issn.1674-1129.2016.03.018

基金项目：江西省卫计委重大攻关科技计划（编号：20104013）

作者简介：冉飞，男，1986年8月生，南昌大学研究生，临床检验诊断学。

通信作者：柯江维，男，1972年12月生，副教授，主要从事儿童疾病的研究。

(收稿日期2015-12-07；修回日期2016-04-14)