【1.4.2】免疫应答--T细胞介导的细胞免疫应答

一、T 细胞对抗原的识别

初始 T 细胞的抗原识别受体(TCR)与抗原提呈细胞(APC)表面的抗原肽 -MHC 分子复合物特异结合称为抗原识别(antigen recognition),这是 T 细胞活 化的第一步。TCR 在特异性识别 APC 提呈的抗原肽过程中,必须同时识别与抗 原肽形成复合物的自身 MHC 分子,这种特性称为 MHC 限制性(MHC restriction)。

1.1 APC 向 T 细胞提呈抗原的过程

APC 将加工处理后的抗原以抗原肽-MHCI类分子复合物或抗原肽-MHCII 类分子复合物的形式提呈给 CD8+T 细胞或 CD4+T 细胞,被 T 细胞的 TCR 所识 别。(详见第七章第三节)

1.2 APC 与 T 细胞的相互作用

包括 APC 与 T 细胞的非特异结合和特异结合。

1.APC 与 T 细胞的非特异结合

由高内皮静脉进入淋巴结深皮质区的初始 T 细胞,利用细胞表面的黏附分子(LFA-1、CD2)与 APC(主要是 DC)表面相 应配体(ICAM-1、LFA-3)结合。这种结合是可逆而短暂的,仅是为 TCR 提供 特异性识别和结合抗原肽的机会,即由 T 细胞从 APC 表面大量抗原肽-MHC 分 子复合物中筛选相应的特异性抗原肽。未能识别相应特异性抗原肽的 T 细胞随 即与 APC 分离,定居于胸腺依赖区或进入淋巴细胞再循环。

2.APC 与 T 细胞的特异结合

在 T 细胞与 APC 的短暂结合过程中,若 TCR 识别相应的特异性抗原肽-MHC 复合物后,则 T 细胞可与 APC 发生特异性结合, 并由 CD3 分子向胞内传递特异性识别信号,导致 LFA-1 分子构象改变,并增强 其与 ICAM 的亲和力,从而稳定并延长 APC 与 T 细胞结合的时间(可持续数 天),以便有效地诱导抗原特异性 T 细胞活化和增殖。增殖的子代 T 细胞仍与 APC 黏附,直至分化为效应细胞。APC 和 T 细胞相互作用过程中,在细胞与细 胞接触部位形成了一个特殊的结构,称为免疫突触(immunological synapse)。免 疫突触指的是 T 细胞与 APC 相互作用过程中,由 TCR 和抗原肽-MHC 复合物及 聚集的黏附分子有序排列形成的圆柱状结构,中心是 TCR-抗原肽-MHC 复合物, 内层为 B7-CD28、CD58-CD2,外围是 LFA-1-ICAM-1 等黏附分子。免疫突触的 形成不仅可增强 TCR 与抗原肽-MHC 复合物相互作用的亲和力,还可以促进 T 细胞信号转导分子的相互作用、信号通路的激活及细胞骨架系统和细胞器的结构 及功能变化,从而参与 T 细胞的活化和细胞效应的有效发挥。

T 细胞表面 CD4 和 CD8 分子是 TCR 识别抗原的共受体(co-receptor),在 T 细胞与 APC 的特异性结合中,CD4 和 CD8 可分别识别和结合 APC 或靶细胞表 面的 MHCII和 MHCI类分子,增强 TCR 与特异性抗原肽-MHC 分子复合物结 合的亲和力。APC 和 T 细胞表面还表达参与细胞相互作用的多种免疫分子对, 其中一些免疫分子又称为共刺激分子(co-stimulatory molecule)。共刺激分子以受 体和配体的形式相互结合,有助于维持和加强 APC 与 T 细胞的直接接触,并为 T 细胞进一步活化提供共刺激信号(co-stimulatory signal),这在细胞免疫应答的 启动中起着极其重要的作用。

二、T 细胞的活化、增殖和分化

2.1 T 细胞活化涉及的分子

T 细胞的完全活化有赖于双信号和细胞因子的共同作用。T 细胞活化的第一 信号来自其受体 TCR 与抗原的特异性结合,即 T 细胞对抗原识别;T 细胞活化 的第二信号来自共刺激分子,即 APC 上的共刺激分子与 T 细胞表面的相应受体 的相互作用。这两个信号的转导涉及到一系列免疫分子。

1.T 细胞活化的第一信号

APC 将抗原肽-MHC 复合物提呈给 T 细胞,TCR 特异性识别结合在 MHC 分子槽中的抗原肽,导致 CD3 和共受体(CD4 或 CD8) 分子的胞浆段尾部聚集,激活蛋白酪氨酸激酶,使 CD3 分子胞浆区免疫受体酪 氨酸激活基序(immunoreceptor tyrosine-based activation motif,ITAM)中的酪氨 酸磷酸化,启动激酶活化的级联反应,最终通过激活转录因子,调控细胞增殖及 活化相关基因,使 T 细胞初步活化,此即 T 细胞活化的第一信号(特异抗原识 别信号)。相应的 APC 同时活化,上调表达共刺激分子。

2.T 细胞活化的第二信号

T 细胞与 APC 细胞表面的多对免疫分子互相作 用,如 B7/CD28、B7/CTLA-4、LFA-1/ICAM-1、CD2/LFA-3 等,共同产生了 T 细胞活化的第二信号(共刺激信号),导致 T 细胞完全活化。活化 T 细胞中一系 列信号诱导细胞表达多种细胞因子和细胞因子受体,促进 T 细胞增殖分化。 CD28/B7 是最重要的共刺激分子,其主要作用是促进 IL-2 合成。T 细胞在缺乏 共刺激信号的情况下,TCR 介导的第一信号非但不能有效激活特异性 T 细胞, 反而导致 T 细胞无能(anergy)。激活的专职 APC 高表达共刺激分子,而正常组 织及静止的 APC 则不表达或仅低表达共刺激分子。缺乏或阻断共刺激信号可使 自身反应性 T 细胞处于无能状态,从而有利于维持自身耐受。除了发挥正性激活 作用的共刺激分子外,还有一些共刺激分子介导负性调节作用,例如与 CD28 分 子具有高度同源性的 CTLA-4,其配体也是 B7,当 T 细胞激活后呈上调性表达, 该分子与 B7 结合的亲和力是 CD28 分子的 20 倍,从而竞争性地与 APC 细胞表 面的 B7 结合,启动抑制性信号,从而有效地调节适度的免疫应答。

3.细胞因子促进

T 细胞充分活化 除上述双信号外,T 细胞的充分活化还 有赖于许多细胞因子的参与。活化的 APC 和 T 细胞可分泌 IL-1、IL-2、IL-4、 IL-6、IL-12、IFN-γ 等多种细胞因子,它们在 T 细胞激活中发挥重要作用。如 果缺乏细胞因子,会导致 T 细胞活化后凋亡。

2.2 抗原特异性 T 细胞克隆增殖和分化

活化的 T 细胞迅速进入细胞周期,通过有丝分裂而大量增殖,并进一步分化 成为效应细胞,然后发挥辅助作用(Th)或随血液循环到达特异性抗原聚集部位 发挥效应(CTL)。多种细胞因子参与 T 细胞增殖和分化过程,其中最重要的是 IL-2。由于 IL-2R 在静止 T 细胞的表达量很少,亲和力又很低,而活化后的 T 细 胞大量表达高亲和性的 IL-2R,所以 IL-2 可选择性促进经抗原活化的 T 细胞增 殖。IL-4、IL-6、IL-7、IL-12、IL-15、IL-18 等细胞因子也在 T 细胞增殖和分化 中发挥重要作用。T 细胞经迅速增殖后,定向分化为效应性 T 细胞。

1.CD4+T 细胞的增殖分化

初始 CD4+T 细胞(Th0)活化后在局部微环境 中存在的不同种类细胞因子的调控下增殖分化。IL-12、IFN-γ 等细胞因子可促进 Th0 细胞向 Th1 细胞分化,IL-4 等细胞因子可促进 Th0 细胞向 Th2 细胞分化。 Th0 细胞的分化方向决定机体免疫应答的类型,Th1 细胞主要介导细胞免疫应答, Th2 细胞主要介导体液免疫应答。此外,CD4+T 细胞还可以分化为调节性 T 细胞 和 Th17 细胞等。调节性 T 细胞(Treg)表型为 CD4+CD25+foxp3+,通过分泌细 胞因子或细胞接触两种方式发挥免疫抑制和免疫调节作用,在维持自身免疫耐受 中发挥重要作用。人 Th17 细胞在 IL-1β和 IL-6 共同诱导下由初始 CD4+T 细胞 分化而来,IL-23 是 Th17 细胞分化过程中重要的促进因子。Th17 细胞分泌 IL-17 等效应因子(Th17 因此而得名),在自身免疫性疾病和感染性疾病中发挥调节作 用。此外,部分活化的 CD4+T 细胞可分化为长寿记忆性 T 细胞,在再次免疫应 答中起重要作用。

2.CD8+T 细胞的增殖分化

初始 CD8+T 细胞的激活主要有两种方式。第一 种方式是 Th 细胞依赖性的,靶细胞低表达或不表达共刺激分子,不能有效激活 初始 CD8+T 细胞,而需要 APC 和 Th 细胞的辅助。病毒抗原、肿瘤抗原、从宿 主细胞表面脱落的同种异体 MHC 抗原,以可溶性抗原的形式被 APC 摄取,并 在细胞内分别与 MHCI类分子或 MHCII类分子结合形成复合物,表达于 APC 细胞表面。抗原肽-MHCII类分子复合物结合 TCR 后,活化 Th 细胞;抗原肽- MHCI分子复合物结合 TCR 后,活化 CTL 前体细胞。活化的 Th 细胞释放细胞 因子作用于 CTL 前体细胞,在抗原肽-MHCI类分子刺激的特异性活化信号作用 下,增殖分化为 CTL。第二种方式为非 Th 细胞依赖性的,主要是高表达共刺激 分子的病毒感染 DC,可无需 Th 细胞的辅助而直接刺激 CD8+T 细胞合成 IL-2,诱导 CD8+T 细胞自身增殖并分化为 CTL。

三、T 细胞的效应功能

3.1 Th 细胞的效应功能

1.Th1 细胞的效应

Th1 细胞既可以通过直接接触诱导 CTL 分化,也可以 通过释放细胞因子诱导细胞免疫应答。

  1. Th1 细胞对巨噬细胞的作用:Th1 细胞 在宿主抗胞内病原体感染中起重要作用。通常情况下,巨噬细胞直接吞噬杀伤病 原体,无需进一步活化。但是某些胞内寄生的病原体可以干扰吞噬溶酶体激活, 并进而逃避特异性抗体和 CTL 的攻击。Th1 对胞内寄生病原体可通过活化巨噬 细胞及释放各种活性因子而加以清除。Th1 细胞可产生多种细胞因子,通过多途 径作用于巨噬细胞。首先可以激活巨噬细胞,Th1 细胞通过诱生 IFN-γ等巨噬细 胞活化因子,Th1 细胞表面 CD40L 与巨噬细胞表面 CD40 结合,向巨噬细胞提 供激活信号。另一方面,活化的巨噬细胞也可通过上调表达一些免疫分子和分泌 细胞因子增强 Th1 细胞的效应,如激活的巨噬细胞高表达 B7 和 MHCII类分子, 从而具有更强的提呈抗原和激活 CD4+T 细胞的能力,激活的巨噬细胞分泌 IL- 12,可促进 Th0 细胞向 Th1 细胞分化,进一步扩大 Th1 细胞应答的效应。其次 可以诱生并募集巨噬细胞,Th1 细胞产生 IL-3 和 GM-CSF,促进骨髓造血干细 胞分化为新的巨噬细胞;Th1 细胞产生 TNF-α、LT-α和 MCP-1 等,可分别诱导 血管内皮细胞高表达黏附分子,促进巨噬细胞和淋巴细胞黏附于血管内皮,继而 穿越血管壁,并通过趋化运动被募集到感染灶。
  2. Th1 细胞对中性粒细胞的作用: Th1 细胞产生的淋巴毒素和 TNF-α,可活化中性粒细胞,促进其杀伤病原体。
  3. Th1 细胞对淋巴细胞的作用:Th1 细胞产生 IL-2 等细胞因子,可促进 Th1 细 胞、Th2 细胞、CTL 和 NK 细胞等的活化和增殖,从而放大免疫效应。Th1 细胞 也具有辅助 B 细胞的作用,如 IFN-γ可促进 B 细胞产生具有调理作用的抗体, 从而进一步增强巨噬细胞对病原体的吞噬。
2.Th2 细胞的生物学活性
  1. 辅助体液免疫应答:Th2 细胞通过产生 IL-4、 IL-5、IL-10、IL-13 等细胞因子,协助和促进 B 细胞的增殖和分化为浆细胞,产 生抗体。
  2. 参与超敏反应性炎症:Th2 细胞分泌的细胞因子可激活肥大细胞、嗜 碱性粒细胞和嗜酸性粒细胞,参与超敏反应和抗寄生虫感染。 3.Th17 细胞的生物学活性 Th17 细胞分泌 IL-17,刺激上皮细胞、内皮细 胞、成纤维细胞和巨噬细胞等分泌多种细胞因子;分泌 IL-8、MCP-1 等趋化因 子,趋化和募集中性粒细胞和单核细胞;分泌 G-CSF 和 GM-CSF 等集落刺激因
3.Th17 细胞的生物学活性

Th17 细胞分泌 IL-17,刺激上皮细胞、内皮细 胞、成纤维细胞和巨噬细胞等分泌多种细胞因子;分泌 IL-8、MCP-1 等趋化因 子,趋化和募集中性粒细胞和单核细胞;分泌 G-CSF 和 GM-CSF 等集落刺激因 子,活化中性粒细胞和单核细胞,并可刺激骨髓造血干细胞产生更多髓样细胞; 分泌 IL-1β、IL-6、TNF-α和 PGE-2 等诱导局部炎症反应。因此,Th17 参与了 炎症反应、感染性疾病以及自身免疫性疾病的发生。另外,IL-17 刺激上皮细胞 等分泌防御素等抗菌物质,以及募集和活化中性粒细胞等,在固有免疫中发挥重 要作用。

3.2 CTL 的效应功能

CTL 可高效、特异性地杀伤胞内寄生病原体(病毒、某些胞内寄生菌等)感 染细胞、肿瘤细胞等靶细胞,而不损害正常组织细胞。其效应过程包括识别与结 合靶细胞、胞内细胞器重新定向、颗粒胞吐和靶细胞崩解。

1.效-靶细胞结合

CD8+T 细胞在外周免疫器官内增殖、分化为效应性 CTL, 在趋化因子作用下离开淋巴组织向感染或肿瘤部位聚集。效应性 CTL 高表达黏 附分子(如 LFA-1、CD2 等),可有效结合表达相应受体(ICAM、LFA-3 等)的 靶细胞。一旦 TCR 识别特异性抗原,TCR 的激活信号可增强效-靶细胞表面黏附 分子对的亲和力,并在细胞接触部位形成免疫突触,使 CTL 分泌的非特异性效 应分子集中于此,从而选择性杀伤所接触的靶细胞,但不影响邻近正常细胞。

2.CTL 的极化

极化指细胞膜分子或胞内成分聚集于细胞一端的现象。CTL 的 TCR 识别靶细胞表面抗原肽-MHCI类分子复合物后,TCR 及辅助受体向效- 靶细胞接触部位聚集,导致 CTL 内某些细胞器的极化,如细胞骨架系统(如肌 动蛋白、微管)、高尔基复合体及胞浆颗粒等均向效-靶细胞接触部位重新排列和 分布,从而保证 CTL 分泌的效应分子有效作用于所接触的靶细胞。

3.致死性攻击

CTL 分泌的效应分子对靶细胞进行致死性攻击。然后 CTL 脱离靶细胞,寻找下一个目标;而靶细胞则凋亡。CTL 主要通过下列两条途径杀 伤靶细胞:1穿孔素/颗粒酶途径:穿孔素(perforin)是储存于胞浆颗粒中的细 胞毒素,其生物学效应类似于补体激活所形成的膜攻击复合物(MAC)。穿孔素 单体可插入靶细胞膜,在钙离子存在的情况下,聚合成内径为 16nm 的孔道,使 水、电解质迅速进入细胞,导致靶细胞崩解。颗粒酶(granzyme)也是一类重要 的细胞毒素,属丝氨酸蛋白酶。颗粒酶随 CTL 脱颗粒而出胞,循穿孔素在靶细 胞膜所形成的孔道进入靶细胞,通过激活凋亡相关的酶系统而介导靶细胞凋亡。 2Fas/FasL 途径:效应 CTL 可表达膜型 FasL 以及可溶型 FasL,并分泌 TNF-α、 TNF-β。这些效应分子可分别与靶细胞表面的 Fas 和 TNF 受体结合,通过激活胞内半胱天冬蛋白酶(caspase)参与的信号转导途径,诱导靶细胞凋亡。

3.3 记忆性 T 细胞的形成

免疫记忆是适应性免疫应答的重要特征之一,表现为免疫系统针对已接触过 的抗原能启动更为迅速和有效的免疫应答。这是因为体内存在一群发生过克隆扩 增、具有抗原特异性的记忆细胞。记忆性 T 细胞(memory T cell,Tm)是指对 特异性抗原有记忆能力、寿命较长的 T 淋巴细胞。一般认为在 T 细胞进行克隆 性扩增后,有部分细胞分化为有记忆能力的细胞,当再次遇到相同抗原后,可迅 速活化、增殖、分化为效应细胞。Tm 细胞与初始 T 细胞表达不同的 CD45 异构 体,Tm 细胞为 CD45RA-CD45RO+,初始 T 细胞是 CD45RA+CD45RO-。

免疫记忆可产生更快、更强、更有效的再次免疫应答。因为 Tm 细胞比初始 T 细胞更易被激活,相对较低浓度的抗原即可激活 Tm 细胞;与初始 T 细胞相 比,Tm 细胞的再活化对共刺激信号(如 B7/CD28)的依赖性较低,Tm 细胞分 泌更多的细胞因子,且对细胞因子作用的敏感性更强。

记忆性 CD8+T 细胞是一类重要的记忆细胞,其产生和维持的机制尚未完全 阐明,某些研究结果提示:

  1. 记忆性 CD8+T 细胞的产生无需 T 细胞所分泌的细 胞因子参与;
  2. 记忆性 CD8+T 细胞的维持无需抗原持续刺激和 B 细胞参与,亦 无需 CD4+T 细胞辅助,但有赖于与 MHCI类分子相互接触,可能也需要 T 细胞 共刺激信号(B7/CD28)持续存在;
  3. IFN-α及 IL-15 等细胞因子在维持记忆性 CD8+T 细胞的记忆性时发挥重要作用。

参考资料

  • 《医学免疫学》课件 新乡医学院 宋向凤、张国俊、徐春阳、孙爱平、孙书明、赵铁锁等老师
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