T辅助细胞TH1和TH2的存在和功能的证明对基础免疫学和应用免疫学产生了巨大影响。TH1和TH2细胞在平衡免疫反应中起着至关重要的作用。
在这篇经典文章中,作者Foo Y.Liw 试图追溯推动TH1/TH2概念发展的历史事件。
免疫反应的进化主要是为了保护宿主免受病原体入侵,并避免对自身产生反应。胸腺来源的淋巴细胞(T细胞)长期以来一直被认为是这种反应的导体,但有多少种不同的导体,导体是如何控制的?这些问题导致了T细胞不同功能亚群的鉴定,进一步的研究表明,这些亚群之间存在广泛的相互作用,形成了一个自我调节网络,其崩溃往往会导致致命的结果。
到20世纪70年代初,人们普遍认为T细胞可以根据其细胞表面标志物分为两个不同的亚群:CD4(Lyt1)和CD8(Lyt2)。特征性地,CD4+T细胞被认为“有助于”抗体合成(辅助T细胞),而CD8+T细胞在直接接触时裂解病原体感染的靶细胞。此外,CD4+T细胞可以促进CD8+T细胞反应的发展。那么,是什么控制CD4+T细胞呢?
Gershon和Kondo以及其他几个小组表明,CD8+T细胞的凋亡(T抑制细胞)调节CD4+T细胞的激活和发育。20世纪70年代末,免疫学家普遍认为,对免疫系统的理解似乎相当完整,有其逻辑框架和对T细胞网络的严格调节。然而,越来越多的证据表明CD4+T细胞是异质性的,这一点在1986年,根据小鼠CD4+细胞产生细胞因子的模式,可以将其细分为两个子集,分别命名为TH1和TH2。这一结论后来扩展到人类CD4+T细胞。这些发现不仅对我们对T细胞功能和调节的认识不足,而且对我们解释许多免疫疾病的能力产生了直接影响。TH1/TH2模型也表明了可能的新的治疗方法。到2002年,共发表了6000多篇关于TH1和TH2细胞的论文。尽管免疫记忆很长,但免疫学家的记忆却是出了名的短。这篇文章可能有助于回顾这一重要领域的发展,其影响远远超出了免疫学的范围。
CD4+T细胞的异质性
到1970年,已经确定T细胞帮助B细胞产生抗体。然而,从20世纪60年代初开始,有证据表明体液和细胞介导的免疫反应并不总是同时发生。例如,用盐水中的抗原预处理的动物对佐剂中相同抗原的后续攻击没有产生延迟型超敏反应(DTH;一种典型的细胞介导的反应),但产生正常或可变水平的抗体反应。这种现象被称为免疫偏离、免疫前耐受或分裂耐受。相反,通过给予高剂量的热灭结核杆菌使豚鼠对结核菌素产生抗体耐受性,使其产生正常的DTH19。1971年,Parish20表明体液免疫和细胞介导的免疫之间可能存在相反的关系。这项工作之后,Parish和Liew在1972年证明了这种反向关系可以扩展到高区和低区抗体水平(图1)。
图1 |体液免疫和细胞介导免疫之间的反向关系。大鼠反复注射溴化氰消化的鞭毛蛋白(阿德莱德沙门氏菌),以10倍的稀释步骤从100μg到10 fg(10-14 g)不等,产生特异性抗体反应(紫色方块)和迟发型超敏反应(DTH;红色方块),这两种反应形成了彼此的镜像。虚线表示对照大鼠的抗体和DTH反应。结果表明三个重要点:抗体和DTH是不同的免疫反应;它们相互抑制;并且它们的诱导是抗原-剂量依赖性的。1972年,这些观测结果预测了目前的TH1和TH2模型。
两区抗体耐受的概念最初由Mitchison22于1964年提出。然而,直到1974年,Liew和Parish才表明T细胞辅助抗体合成和T细胞介导的DTH是不同的。1975年,Marrack和Kappler证明抗原特异性TH细胞和非特异性TH细胞可以通过限制性稀释在体外分离,Janeway证明需要两个TH细胞群来为抗体反应提供最佳帮助,从而进一步证实了CD4+T细胞的异质性。这一发展之后是细胞免疫学的“黑暗时代”,在此期间,许多注意力都集中在T抑制细胞的特征上。收集了大量数据,其中大部分被证明具有误导性,在当代文献中很少被引用。尽管如此,仍有证据支持CD4+T细胞的异质性,Tada等于1978年首次使用了TH1和TH2这两个术语。然而,Mosmann等人直到1986年才获得TH1和TH2细胞存在的初步证明。
小鼠TH1和TH2细胞
直到1986年,CD4+T细胞异质性的证据都是基于细胞的多克隆群体。20世纪80年代初,两项重要的技术进步极大地促进了细胞免疫学的进步。这些是克隆T细胞的能力和细胞因子定量技术。有了这些技术,Mosmann、Coffman及其同事(图2)建立了一组稳定的抗原特异性小鼠TH细胞克隆,并根据细胞因子产生模式对其进行了表征。
他们鉴定了两种不同类型的CD4+T细胞。1型细胞产生白细胞介素IL-2、干扰素-γ(IFN-γ)、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)和IL-3,以响应抗原加抗原呈递细胞(APC)或刀豆球蛋白A(ConA;一种T细胞有丝分裂原)的刺激。相反,2型细胞产生IL-3、B细胞刺激因子1(BSF-1;IL-4)和肥大细胞生长因子(IL-5)。他们使用了早期提出的命名法,并分别将细胞称为TH1和TH2。重要的是,TH2细胞促进免疫球蛋白E和IgG1的合成,而TH1细胞促进B细胞产生IgG2a 。这与IL-4控制向IgE和IgG1的类转换以及IFN-γ控制向IgG2a的类转换的发现一致。TH1和TH2细胞的分类结晶了T细胞免疫学的概念框架,并导致在TH1和TH2细胞的背景下对许多感染性和自身免疫性疾病的重新检查。人们试图在细胞因子谱的基础上揭示这些疾病的发病机制,以期确定新的治疗方法。然而,TH1/TH2的分类并非没有争议。在体外小鼠T细胞克隆中观察到的明显的二分裂在体内并不总是那么明显,而且似乎有大量的细胞和克隆,它们产生1型和2型胞质分裂。这些细胞随后被称为TH0细胞。更重要的是,当应用于人类T细胞时,TH1和TH2的区别被证明是有问题的。
人TH1和TH2细胞
使用与用于解开小鼠系统的克隆方案类似的克隆方案,大多数来自健康供体外周血的同种反应性或植物血凝素(一种T细胞有丝分裂原)诱导的人类CD4+T细胞克隆并非清楚地属于TH1和TH2类。因此,人们对TH1/TH2分类法对人类T细胞是否有效表示怀疑。争论仍在继续。然而,到1990年初,使用从过敏性或传染病患者身上克隆的T细胞,很明显,在组织或外周血中可以发现显示TH1或TH2样前文件的CD4+T细胞克隆。这一发现很快得到了对细胞内细菌结核分枝杆菌或细胞外蠕虫犬弓形虫特异性CD4+T细胞大片段的克隆的证实。分枝杆菌特异性克隆主要是IFN-γ的产生者,而弓形虫特异性克隆则主要是IL-4/IL-5的产生者。这导致罗马涅在1991年宣布“人类TH1和TH2子集:怀疑论”。回顾过去,小鼠和人类系统的不同特征是意料之中的。极端化的TH1和TH2反应代表慢性免疫或疾病的终点。小鼠TH1和TH2克隆通常从高度免疫的小鼠中分离,而克隆人T细胞的大多数早期尝试涉及用促分裂原刺激来自健康个体的外周血T细胞。现在可以分别使用IL-12或IL-4在体外将Naive人类脐带血T细胞驱动到TH1或TH2谱系(见下文)。这与小鼠T细胞的情况类似,因此,最终证明TH1和TH2分类对小鼠和人类T细胞同样有效。
TH1和TH2细胞的发展
TH1/TH2概念的巩固导致了在阐明这两种T细胞亚群的诱导、发育和调节机制方面的强烈活动。1988年,Gajewski和Fitch32以及Fernandez-Botran等人报道,TH1和TH2细胞的产物可以作为自分泌生长因子,用于这些细胞的进一步扩增,以及用于相反细胞类型的相互抑制剂。因此,IL-4促进TH2克隆扩增并限制TH1细胞的增殖,相反,IFN-γ促进TH1细胞生长,但降低TH2细胞的发育。这些发现表明了TH1和TH2细胞有效调节彼此活性的重要机制。然而,仍然存在一些问题。是什么启动了TH1细胞相对于TH2细胞的发展?TH1和TH2细胞来源于相同的前体吗?这些问题是通过使用定义的体外培养系统和来自T细胞受体(TCR)转基因小鼠的细胞来解决的。
1990年,两个小组独立发现,IL-4对于从初始前体诱导抗原特异性TH2细胞是必不可少的。然后,在1993年,Hsieh等人和Seder等人表明,诱导TH1细胞需要IL-12和TCR激活。此外,使用TCR转基因小鼠,根据IL-12或IL-4的存在,相同TCR的细胞可以分别被驱动到TH1或TH2。这些发现证实了TH1和TH2细胞具有共同的前体,并且细胞因子微环境是TH细胞谱系发展的主要决定因素(图3)。
图3 | TH1和TH2细胞的诱导和调节示意图。相同的TH前体(THP)细胞可以分化为T辅助细胞TH1、TH2或TH0细胞,这主要取决于外源或树突状细胞(DC1或DC2)提供的细胞因子微环境。白细胞介素IL-12驱动TH1细胞,而IL-4促进TH2细胞。TH0细胞在中性条件下用任选的IL-2分化。分别由TH1和TH2产生的干扰素-γ(IFN-γ)和IL-4也可以作为自分泌生长因子以及相反亚群的抑制因子。TH1通过IFN-γ增强B细胞合成IgG2a,而TH2通过IL-4诱导B细胞产生IgE和IgG1。在功能上,TH1细胞通过IFN-γ激活靶细胞,介导细胞内病原体的破坏和器官特异性自身免疫。TH2细胞具有抗蠕虫作用,并通过IL-4、IL-5和IgE增加过敏反应。IL-4R、IL-4受体;NKT,自然杀伤性T细胞;TCR,T细胞受体。
然而,也有报道称,其他几种因素可以影响TH1和TH2细胞的选择性发展。其中包括抗原剂量、抗原亲和力、主要组织相容性复合体(MHC)单倍型和共刺激因子。早期观察表明,DTH(TH1当量)和抗体反应(TH2当量)可以由大范围的分级剂量的鞭毛蛋白抗原反向诱导,这表明抗原剂量在体内TH1和TH2细胞的诱导中具有影响作用(图1)。这一发现于1995年由Hosken等人在体外使用定义的肽抗原证实。然而,抗原剂量在诱导T1/T2细胞分化中的作用远非简单,因为剂量效应因抗原和宿主而异。在菌株W Wistar大鼠中观察到DTH和鞭毛蛋白抗原抗体(具有相对均匀的显性表位)的镜像反比关系,但结果在菌株J Wistar大白鼠中没有那么明确。这一观察结果表明了包括MHC在内的遗传背景的潜在影响,这可能会改变抗原的有效剂量,进而可能影响T细胞或APC产生的内源性细胞因子水平的平衡。与此一致的是最近的发现,两种不同类型的树突状细胞(DC)DC1和DC2可以分别优先诱导TH1和TH2细胞。膜结合共刺激因子,如B7-1(CD80)/B7-2(CD86)和诱导型T细胞共刺激因子(ICOS),也已被证明影响TH1和TH2细胞的优先发展。
然而,共刺激物也可能通过增加内源性细胞因子水平来指导TH1/TH2的发育,内源性细胞因子的水平可能超出IL-4和IL-12。例如,IFN-α被证明有利于人类TH1细胞的发展,而IL-1有利于TH2细胞的增殖。此外,TH2细胞可以在完全不存在IL-4的情况下在体内发展。
IL-12和IL-4可能主要来源于先天免疫反应。巨噬细胞和DCs是IL-12的主要产生者,但IL-4最初爆发的细胞来源及其诱导机制仍不清楚。它们可能包括自然杀伤(NK)T细胞、肥大细胞、嗜碱性粒细胞和成熟CD4+T细胞。然而,这种不确定性并没有阻碍TH1/TH2细胞转录调控的阐明,这为研究阶段特异性基因调控形成了一个极好的模型。迄今为止的证据表明,IL-12通过Stat4(信号转导子和转录激活子4)57和一种独特的TH1转录因子—T细胞中表达的T盒(T-bet)的激活来驱动TH1细胞分化,该因子上调IFN-γ并下调IL-4和IL-5的表达。相反,IL-4通过Stat6诱导TH2-细胞发育,Stat6激活Gata3(一种锌指蛋白,最初被Trp-Gly-Ala-Thr-Ala-Arg序列鉴定为结合TCRα基因增强子)和c-Maf,这导致IL-4和IL-5的上调,但IFN-γ的表达下调(图4)。正如Szabo等人所提出的,Gata3和T-bet可能通过直接调节彼此的表达来拮抗相反亚群的发育。
图4 | TH1和TH2细胞的转录调节。白细胞介素-12受体(IL-12R)或IL-4R与相应的细胞因子的结合分别导致STAT4(信号转导子和转录激活子4)和STAT6的激活。STAT4诱导T-bet(T细胞中表达的T-box),从而促进TH1谱系。STAT6优先激活GATA3(一种锌指蛋白),从而导致TH2分化。T-bet和GATA3的互斥表达可能反映了这些因子相互拮抗的能力。抗原呈递细胞;MHC,主要组织相容性复合体;T细胞受体。
对疾病的影响
在对TH1/TH2细胞进行细胞和分子生物学研究的同时,对这些T细胞亚群在感染性和自身免疫性疾病中的作用进行了广泛的探索。TH1/TH2细胞在体内的双重调节和效应作用可能最好地通过小鼠利什曼原虫的主要感染来说明。1981年,Liew及其同事对这种细胞内原生动物寄生虫的免疫反应的研究表明,CD4+细胞有两个功能不同的群体:一个介导DTH并具有宿主保护作用,另一个抑制DTH并加剧疾病。使用过继细胞转移,Scott等人在1988年66和Heinzel等人在1989年表明,宿主保护细胞是TH1,而TH2细胞促进感染。Yamamura等人在1991年对麻风病患者的一项研究中提出了相对TH1/TH2活性与人类感染性疾病进展之间的因果关系。他们报道,结核样病变和麻风样病变分别主要表达TH1和TH2细胞因子。相反,在蠕虫感染中,Korenaga等人和Urban等人在1991年的研究表明,TH2细胞经常与啮齿动物的保护性免疫相关。此外,如上所述,人类TH2克隆可以通过蠕虫抗原的刺激从感染寄生虫的宿主中获得。然而,TH1/TH2细胞在传染病中的确切作用仍然存在争议,并且通常因伴随的病理而变得复杂。
Robinson等人表明,涉及IgE和肥大细胞的过敏反应可能是由于过敏原特异性TH2细胞的发育和激活,而Ando等人和Campbell等人表明了炎症性自身免疫性疾病与TH1细胞的过度表达频繁相关。然而,TH1/TH2细胞在自身免疫中的确切作用与其在感染中的作用一样有争议,许多疾病都不属于这两个亚群这可能是由于CD4+T细胞异质性的过度简化,其延伸到TH1/TH2亚群之外。此外,已知CD8+细胞、γδ+T细胞、NK细胞和NKT细胞都可分为1型和2型谱系,其细胞因子产生谱类似于T1和T2细胞。体内TH1和TH2细胞的存在不再是有疑问的。TH1和TH2细胞在体内反应中占主导地位的程度仍有待确定,并且可能在不同的疾病中有所不同。这可能受到其他1型和2型细胞、调节性T细胞以及抗体反应的影响。
最后
T细胞在哺乳动物免疫反应中的核心作用是无可争议的。20世纪70年代初建立的T细胞异质性和这些T细胞亚群的自我调节网络的概念通过TH1和TH2细胞的鉴定得到了正式证实。
不再孤立地看待TH1和TH2亚群,感染性和自身免疫性疾病的治疗方法也不应旨在单独调节TH1/TH2平衡。控制TH1/TH2细胞的诱导和分化的规则可以很好地应用于其他1/2型细胞。T抑制细胞的概念令人满意,但有缺陷,现在已经被T调节细胞所取代,其身份和功能很快就会被解开。TH1和TH2也可能被细分为功能和表型上不同的亚群,这可能会进一步微调健康和疾病中的免疫系统。
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