趋化因子及其受体的研究进展摘要:趋化因子( chemokine)是一类一级结构相似小分子细胞因子,能够趋化细胞定向移动的,而且在免疫细胞和器官的发育、免疫应答过程、炎症反应、病原体感染、创伤修复及肿瘤形成和转移等方面发挥广泛的生理和病理作用。
本文综述了对趋化因子及其受体的结构、分类和生物学功能的研究进展。
关键词: 细胞因子;趋化因子;趋化因子受体；趋化作用Abstract:chemokine is similar to the primary structure of a class of small molecule cytokine, chemokine cell directional movement, but also in the development of immune cells and organs, immune response, inflammatory response, pathogen infection, wound healing andplay a wide range of physiological and pathological roles of tumor formation and metastasis. This paper reviews the progress on the study of the structure, classification and biological function of chemokines and their receptors.Keywords: cell factor; chemokines; chemokine receptor; chemotactic effect免疫细胞的定向迁移是集体免疫应答发生和完成的必须条件。
趋化因子是一类控制细胞定向迁移的细胞因子。
其功能行使由趋化因子受体介导。
趋化因子与其受体的相互作用控制着各种免疫细胞在循环系统和组织器官间定向迁移，使之到达感染、创伤和异常增殖部位，执行清除感染源、促进创伤愈合和消灭异常增殖细胞，维持组织细胞的平衡的功能。
因此，趋化因子系统在免疫系统功能行使的各个环节中处于关键地位，并由此在病原体的清除、炎症反应、病原体感染、细胞及器官的发育、创伤的修复、肿瘤的形成及其转移、移植免疫排斥等方面都起着重要的作用。
以趋化因子及其受体为控制靶点，通过激活或拮抗趋化因子受体的信号传导来调控趋化因子系统的功能，可望用于控制和治疗相关疾病[1]。
1 趋化因子与趋化因子受体趋化因子是一类能趋化细胞定向移动的小分子分泌蛋白,由70至100个氨基酸组成。
至今已发现了40多种人的趋化因子,属细胞因子中的最大家族。
当成纤维细胞、内皮细胞、表皮细胞等组织细胞和免疫细胞在受到刺激物如生长因子、干扰素、病毒产物及细菌产物的诱导时可分泌出不同的趋化因子。
在趋化因子的分子中都有4个保守的半胱氨酸(C)。
根据靠近分子氨基端(N端)的前两个C间是否插入其它氨基酸,将它们分为4个亚类:CXC类(插入1个氨基酸残基),亦称为A类趋化因子,;CC类(不插入其它氨基酸残基),又称为B类趋化因子,;CX3C类(插入3个其它氨基酸), C类(N端仅1个C)。
目前所发现的趋化因子主要属于A类和B类。
在分子结构上,皆通过二硫键折叠成以自由的N-端、三个反向折叠的B-片层和A螺旋的羧基端(C-端)为特征的二级结构。
趋化因子受体是一类介导趋化因子行使功能的GTP-蛋白偶连的跨膜受体(GPCR),通常表达于免疫细胞、内皮细胞等细胞膜上[2]。
分子由约330个氨基酸组成。
7个跨膜区将分子分成细胞外自由的N-端、3个细胞外环、3个细胞内环和C-端几个部分。
胞内第二环是与异三聚体G-蛋白偶连的部位,有特征的天门冬氨酸-精氨酸-酪氨酸盒(DRY box)氨基酸序列。
与趋化因子受体偶连的异三聚体G-蛋白的A 亚基为GiPo,对百日咳毒素敏感。
按趋化因子的分类,将同CC类趋化因子结合的受体称为CC类受体(CCR),同CXC类趋化因子结合的受体称为CXC类受体(CXCR),同样有C和CX3C受体[3]。
趋化因子N-端氨基酸残基的缺失突变体不能与其受体结合,证实了趋化因子的N-端序列在与受体结合及引起信号转导中的关键作用。
C-端能够极大地增强N-端肽段的信号转导功能。
1st-beta-片层结构能够和血管内皮细胞上的氨基葡聚糖GAG结合,可使其附着并富集于血管内皮细胞上。
趋化因子受体胞外区的N端及一个以上的胞外环参与其配体的结合,而且N端的序列在很大程度上决定了受体对趋化因子的特异选择性。
趋化因子受体的C端(胞内部分)大都为富含丝氨酸和苏氨酸残基的片段，其磷酸化可能参与受体活化后的信号传导和内化。
在配体-受体结合实验中，可以看到趋化因子与受体间结合的冗余现象,即一个趋化因子可与数个趋化因子受体结合,一个趋化因子受体可与数个趋化因子结合。
因此,在体外趋化实验中表现为,一种趋化因子可以趋化表达不同趋化因子受体的免疫细胞做定向迁移,一种免疫细胞可以为多种趋化因子所趋化[4]。
正是这种趋化因子及其受体相互作用的冗余才使趋化因子系统在体内的精细调控成为可能。
在体内,各种趋化因子通过它们在组织中不同时相的表达和分布差异,以及趋化因子受体在不同免疫细胞类群上不同时相的表达和分布差异,调控着不同免疫细胞的定向迁移和相互作用,并由此决定了趋化因子与其受体作用的特异性。
2 趋化因子对免疫细胞的趋化作用趋化因子的基本功能就是对表达有相应趋化因子受体的细胞的定向趋化作用。
目前认为,免疫细胞克服血管内皮细胞屏障,在体液和组织间穿行包括4个步骤,即细胞随体液流动、细胞被稳固黏附到血管内皮上、细胞穿过内皮细胞间隙、细胞迁移到特定组织中。
在此过程中,趋化因子控制着渗出细胞的选择性以及被选择细胞的稳固黏附。
体外实验已证实趋化因子能使在血流速度下的淋巴细胞黏附在固相支持物上,不同的趋化因子特异地引导表达相应趋化因子受体的淋巴细胞的附着[5]。
免疫细胞由于所表达的选择素与血管内皮细胞上的选择素受体的相互作用,与血管内皮有瞬间的非选择性的可逆性黏附,因此免疫细胞在血流中沿血管壁做滚动前行。
局部组织中血管内皮细胞所分泌的趋化因子通过内皮细胞上的GAG被富集在血管内皮表面。
表达相应趋化因子受体的免疫细胞在滚动前行中由于与血管内皮上趋化因子作用而促使免疫细胞整合素的上调,整合素与内皮细胞上的黏附分子的相互作用导致免疫细胞不可逆地黏附到血管内皮表面[6]。
稳固黏附的免疫细胞在其分泌的特殊酶的作用下,穿过内皮细胞间隙和基底膜,并在趋化因子浓度梯度的引导下,移行至特定组织中。
3 趋化因子在抗炎方面的作用大多数趋化因子在炎症中所扮演的角色是吸引特定的炎症细胞浸润于炎症部位参与炎症反应,其作用的发挥通过与其受体的结合来完成。
因此,我们可以通过抑制炎症初期某些趋化因子的活动来减少有害的免疫应答,在这个观点的基础上,3种类型的拮抗剂已引起了关注。
第一,趋化因子受体的小分子抑制剂;第二,修饰的趋化因子或N-端肽;第三,抗趋化因子或趋化因子受体的中和的单克隆抗体。
前两点我们在上文已作说明,关于第三点,我们知道嗜酸性粒细胞和Th2细胞在过敏性疾病中起主要作用,这两种细胞都表达CCR3,并通过该受体对某些趋化因子如EOZXIN、RANTES产生应答。
Health[7]已经研制出CXCR3的一种单克隆抗体,它可以阻断由CCR3配基诱导的趋化吸引性和钙离子的流动。
此外,单克隆抗体在体内已被证实是有效的拮抗剂。
如用抗TNF-A抗体来治疗风湿性关节炎。
这种作用的发挥可能是通过中和病人关节处过多的TNF-A而抑制趋化因子的产生。
另外,我们还可以通过某些细胞因子如IL-2,IL-4对CCR3在T淋巴细胞及趋化因子上的表达的影响来调节趋化因子在炎症反应中的作用[8]。
4 趋化因子受体与病原微生物的感染4.1 疟原虫受体疟原虫入侵红细胞是通过红细胞上的Duffy抗原受体介导。
DARC是红细胞上能够结合多种趋化因子的趋化因子受体,是发现的第一个可以和不同类趋化因子结合的趋化因子受体,但不能引发信号转导[9]。
在功能上可能是血液中的趋化因子池,以吸收并调节血液循环中过量的趋化因子。
4.2 HIV的辅助受体 HIV感染宿主细胞除需要细胞上的CD4为受体外,还需要趋化因子受体做为其辅助受体才能实现。
HIV首先与宿主细胞上的CD4结合,进一步与相应的趋化因子受体CCR5或CXCR4结合,最终导致HIV核酸穿膜进入宿主细胞。
主要的辅助受体是CCR5和CXCR4[10]。
由于分离时病毒所利用的辅助受体的差别,将HIV分为嗜巨噬细胞株(M-株)和嗜T细胞株(T-株),前者主要侵染细胞表面表达有CCR5的巨噬细胞,后者主要侵染细胞表面表达有CXCR4的T淋巴细胞。
通常在初始感染者上分离到的HIV都是M-株。
由于HIV的高变异性,在持续感染一段时间后,从感染者身上还可以分离到能够利用其它的趋化因子受体的HIV,如CCR2、CCR3、CXCR2等[11;12]。
参与辅助受体功能的结构主要是趋化因子受体的N-端、胞外区的一些部位,它们与其趋化因子结合区域有部分交叉重叠。
5小结总的来说,在过去的几年里,趋化因子及其受体已引起了广泛的关注,除了它们在HIV发病机制方面的作用以外,人们也认识到它们在自身免疫及炎症方面的影响,同时在正常的内环境稳定包括淋巴组织的发展及细胞转运方面它们也发挥重要作用。
此外,趋化因子及其受体还可能是免疫反应的主要管理者。
它们使不同的细胞网络之间产生相互作用,通过这些细胞产生的特异性趋化因子或表达的特异性趋化因子受体的模式来发挥作用。
因此,趋化因子及其受体在临床应用上有很大潜能,人们已经开始应用趋化因子及其受体治疗炎症性疾病,抗HIV感染及抗肿瘤治疗等。
同时,趋化因子及其受体也是对生物信息学和基因组学产生重要影响的最前沿的分子家族,我们期待着趋化因子领域的深入研究和发展能带给我们更多的惊喜。