IL-21的功能及相關(guān)疾病的研究進展①

向茂翠 王 瑜 （安徽理工大學醫(yī)學院基礎(chǔ)醫(yī)學系，淮南 232001）

白細胞介素-21（interleukin-21，IL-21）是γ 鏈細胞因子家族的新成員，主要由活化的T 細胞產(chǎn)生。研究發(fā)現(xiàn)IL-21 在各種細胞和組織中廣泛表達，并通過不同的信號轉(zhuǎn)導途徑與靶細胞結(jié)合發(fā)揮不同的生物學功能。IL-21亦是一種多效性細胞因子，在先天性和適應(yīng)性免疫反應(yīng)中起重要作用，是自身免疫性疾病發(fā)展的關(guān)鍵部分［1］。同時，IL-21 在抗腫瘤、抗病毒以及炎癥反應(yīng)中也發(fā)揮重要作用。

1 IL-21及其受體

IL-21 是PARRISH 等［2］在2000 年發(fā)現(xiàn)的Ⅰ型細胞因子家族中IL-2 亞家族的新成員，與IL-2 在結(jié)構(gòu)和功能上具有同源性。IL-21 是由162 個氨基酸組成的蛋白質(zhì)，形成一個14 kD 的四束α 螺旋的三維結(jié)構(gòu)。人IL-21與小鼠IL-21有63%的序列同源性。

OZAKI 等［3］在2000 年通過克隆等方法鑒定出一種Ⅰ型細胞因子受體，后來被PARRISH 等［2］稱為IL-21 受體（IL-21 receptor，IL-21R）。IL-21R 是一種由共同γ 鏈（γc 或CD132）和特異性IL-21 受體鏈（IL-21Rα 或CD360）組成的異二聚體復合物［4］。所以，IL-21 的功能性受體是IL-21Rα+γc 的復合物［5］。IL-21R主要在T細胞、NK細胞、樹突狀細胞（dendritic cell，DC）和巨噬細胞上表達，IL-21 通過與IL-21R結(jié)合，調(diào)節(jié)T、B 細胞的增殖和分化，影響T 細胞、漿細胞和生發(fā)中心細胞的功能［6］。

2 IL-21的信號通路

ROZO 等［7］的實驗結(jié)果表明，ROCK2 可以通過RhoA-ROCK 途徑介導IL-21 的分泌。同時，干擾素調(diào)節(jié)因子家族的成員IRF4（interferon regulatory fac?tor 4）通過ROCK2 的磷酸化來促進IL-21 和IL-17 的高度表達［8］。Th17 細胞表達的轉(zhuǎn)錄因子Maf 也可以上調(diào)IL-21 的轉(zhuǎn)錄［9］。此外，IL-6、IL-7 以及IL-15 也可以誘導IL-21 的表達。鈣離子信號與活化的T 細胞核因子（nuclear factor of activated T cell，NFAT）結(jié)合也可以誘導IL-21 的產(chǎn)生［10］。結(jié)果表明IL-21 受多種因素的調(diào)節(jié)，主要由RhoA-ROCK 和NFAT 途徑分泌。

與其他γc 細胞因子相似，IL-21 與IL-21Rα/γc復合物結(jié)合激活下游的信號通路（如圖1）。包括JAK-STAT 途徑、PI3K-AKT 途徑和MAPK 途徑［11］。其中，JAK-STAT 信號通路的激活與炎癥疾病和癌癥的發(fā)生發(fā)展有關(guān)［12-13］。IL-21 誘導JAK1 和JAK3的磷酸化，隨后在酪氨酸510（Y510）的調(diào)節(jié)下促進STAT1 和STAT3 的磷酸化，然后STAT3 與IFN-γ 激活序列（gamma-interferon activation site，GAS）結(jié)合，最終調(diào)節(jié)IL-21 的應(yīng)答基因表達，如Bcl-6（B cell lymphoma 6）、Blimp-1（B lymphocyte-induced matura?tion protein-1）等［14］。STAT3 不僅作為IL-21 的信號轉(zhuǎn)導元件，也可以直接與IL-21 的啟動子結(jié)合，調(diào)控IL-21 的應(yīng)答基因［15］。此外，IL-21 誘導STAT3 的激活在B 細胞和T 細胞的增殖分化中起重要作用［16］。青蒿素類似物SM934 可以干擾IL-21 和STAT3 的活化，通過阻止STAT3 的激活抑制IL-21 介導的下游信號通路和IL-21的分泌［17］。PI3K-AKT 和MAPK 信號通路參與IL-21依賴的細胞活化和增殖效應(yīng)。

圖1 IL-21下游的信號通路Fig.1 Signal pathway downstream of IL-21

3 IL-21對免疫細胞的影響

IL-21 在調(diào)節(jié)免疫細胞的發(fā)育和功能中起關(guān)鍵作用，IL-21 可以誘導CD4+T 細胞增殖分化為Tfh 和Th17 細胞，抑制Treg 細胞的分化、增強NK 細胞和CD8+T 細胞的細胞毒作用；IL-21 能調(diào)節(jié)B 細胞產(chǎn)生IgG和促進DC的功能［18］。

3.1 IL-21 與CD4+T 細胞 在T 細胞靜息狀態(tài)下，IL-21R 的mRNA 水平表達較低，但在受到刺激后mRNA 表達迅速升高［10］。CD4+T 細胞在受到刺激后可以分化為不同的細胞亞群，包括Th1、Th2、Th17、Treg 和Tfh 細胞，這些細胞的平衡受各種細胞因子的影響，IL-21 可以促進Th2、Th17 和Tfh 細胞的生成，同 時 抑 制Th1 和Treg 細 胞 的 發(fā) 育［19］。其 中，IL-21既可以直接作用于Treg細胞抑制其增殖，也可以間接抑制非Treg 細胞產(chǎn)生IL-2 從而損害Treg 細胞的穩(wěn)態(tài)［20］。IL-21 與IL-6 協(xié)同作用可以促進Th17細胞的發(fā)育，而Tfh 細胞的分化依賴于IL-21 激活的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子Bcl-6［21］。然而，近年來有研究報道在缺乏IL-21 及其受體時也可以產(chǎn)生Th17 和Tfh 細胞［22-23］。以上研究數(shù)據(jù)表明CD4+T細胞亞群對IL-21也可能是非依賴性的。因此，IL-21 在不同的CD4+T細胞亞群中發(fā)揮不同的生物學效應(yīng)。

3.2 IL-21 與CD8+T 細 胞 與IL-21 對CD4+T 細 胞的作用相似，IL-21 在CD8+T 細胞亞群的增殖、分化、功能和存活中也有不同的作用。當機體受到感染時，其他分化因子作用有限，此時IL-21 具有更重要的作用［21］。在急性感染時，IL-21 對CD8+T 細胞的影響是病原體依賴性的，通常是有限的。比如，急性淋巴細胞性脈絡(luò)膜腦膜炎病毒感染后，效應(yīng)CD8+T細胞和記憶CD8+T 細胞的發(fā)育在很大程度上與IL-21無關(guān)［24］。然而在慢性病毒感染時IL-21對特異性CD8+T 細胞的啟動又是必需的［25］。說明IL-21 在不同條件下，對于不同細胞的作用也不同。所以抗原信號的強弱、不同的炎癥感染以及靶細胞不同的分化都可能影響IL-21在CD8+T細胞中的作用。

3.3 IL-21 與B 細胞 B 細胞在體液免疫應(yīng)答中具有不可替代的作用，體液免疫應(yīng)答是一個復雜的免疫過程，其中包括B 細胞受體的抗原識別、抗原提呈、細胞因子的分泌、抗體的產(chǎn)生等。IL-21 是B 細胞調(diào)控中重要的細胞因子。IL-21R 在原始生發(fā)中心的B 細胞上表達，但在活化的B 細胞上表達更高［26］。IL-21 對B 細胞的增殖、分化、成熟和凋亡均具有積極和消極的作用，其關(guān)鍵依賴于激活的信號以及不同的協(xié)同刺激［10］。此外，IL-21 是Bcl-6 和Blimp-1 的激動劑，其中Blimp-1 是介導B 細胞向漿細胞極化的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，同時也能夠促進B 細胞亞群的分化［27］。總之，IL-21 在調(diào)節(jié)B 細胞的發(fā)育和凋亡中發(fā)揮重要的作用。

3.4 IL-21 與NK 細胞 眾所周知，NK 細胞是天然免疫系統(tǒng)的主要淋巴細胞亞群，在抗病毒和抗腫瘤反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。IL-21 除作用于獲得性免疫細胞外，還作用于NK 細胞和DC 等天然免疫細胞［10］。與其他細胞因子相似，IL-21通過JAK-STAT、PI3K 以及MAPK 途徑誘導NK 細胞的信號轉(zhuǎn)導，增強NK 細胞的效應(yīng)活性［28］。研究發(fā)現(xiàn)，IL-21 在小鼠和人類NK 細胞中表現(xiàn)出不同的作用：在小鼠模型中，IL-21促進IL-2或者IL-15誘導的小鼠NK細胞的活化，增強其細胞毒作用。單獨使用IL-21 時，能抑制NK 細胞增殖的同時卻誘導NK 細胞的激活和成熟［29］；在人類NK 細胞中，IL-21 促進NK 細胞的增殖和成熟，通過上調(diào)NK細胞表面受體NKG2A、穿孔素和顆粒酶的表達增強NK 細胞的細胞毒作用［30］。此外，IL-21與IL-15協(xié)同作用可以增強NK細胞的效應(yīng)功能［2］。

3.5 IL-21 與DC DC 是一種重要的抗原提呈細胞（antigen presenting cells，APC），通過表面主要組織相容性復合物（major histocompatibility complex，MHC）呈遞抗原［31］。BRANDT 等［32］的實驗表明，在體外IL-21 的存在下，IL-21 可以直接抑制骨髓產(chǎn)生的DC 成熟，成熟標志物MHCⅡ的表達減少，導致抗原提呈也減少，進而限制抗原特異性T細胞的應(yīng)答。

4 IL-21與疾病

4.1 IL-21 與腫瘤 IL-21 在腫瘤的發(fā)展中具有雙重作用，與腫瘤的類型和分期等有關(guān)。腫瘤由癌細胞和浸潤細胞組成，構(gòu)成了腫瘤微環(huán)境（tumor microenvironment，TME），TME 中的細胞可以表達IL-21R［4］。

研究發(fā)現(xiàn)，在結(jié)腸炎和結(jié)腸炎相關(guān)結(jié)腸癌（coli?tis-associated colon cancer，CAC）的小鼠模型中，IL-21的表達高于對照組［33］。同時，CAC 小鼠結(jié)腸癌與健康組織比較，IL-21 在腫瘤中的表達顯著增加。SIMONE 等［34］的實驗結(jié)果表明，IL-21 主要通過浸潤的T細胞調(diào)節(jié)產(chǎn)生IFN-γ和IL-17A，導致效應(yīng)T細胞的活性和炎癥信號增加，進而促進腫瘤的發(fā)生，當IL-21 基因敲除時可使腫瘤的發(fā)生率和腫瘤的體積顯著降低。以上數(shù)據(jù)表明IL-21 在促進腫瘤的發(fā)生發(fā)展中起重要作用。另一方面，在BHATT等［35］的研究中發(fā)現(xiàn)，IL-21 可以誘導套細胞淋巴瘤（mantle cell lymphoma，MCL）細胞系和原發(fā)性腫瘤細胞的死亡，并延長攜帶相同基因MCL 小鼠的生存時間。此外，MCL 是一種對化療有抵抗力的B 細胞淋巴瘤，這與IL-21在抗腫瘤中的應(yīng)用密切相關(guān)［36］。

IL-21作為免疫治療細胞因子正在被廣泛研究。在癌癥治療中IL-21 作用的結(jié)果并不全是有效的。在結(jié)腸癌中，IL-21 通過炎癥反應(yīng)促進腫瘤的發(fā)展，而在血液腫瘤中，IL-21 增強效應(yīng)T 細胞和NK 細胞的細胞毒作用誘導腫瘤細胞的死亡。

免疫治療已經(jīng)成為癌癥治療中一種很有前途的治療手段，近年來研究發(fā)現(xiàn)嵌合抗原修飾的T 細胞（chimeric antigen receptor-T，CAR-T）在治療血液系統(tǒng)惡性腫瘤方面取得了巨大的成果，但在實體腫瘤治療中則受到限制［37-38］。CAR-T 是一種新型且有效的腫瘤免疫療法，以非MHC限制的方法特異性識別腫瘤細胞上的抗原［39］。為了進一步提高CAR-T細胞治療腫瘤的效果，BATRA等［40］的實驗發(fā)現(xiàn)IL-21的表達能夠促進CAR-T 的增殖和增強抗腫瘤的活性。此外，在T 細胞介導的淋巴瘤和神經(jīng)母細胞淋巴瘤的小鼠模型中，共表達IL-21 或IL-15 的CAR-T細胞抑制腫瘤的結(jié)果明顯好于單獨表達CAR-T 細胞［41-42］。WANG 等［43］的 實 驗 將IL-4 受 體 外 域 與IL-21 受體內(nèi)域融合構(gòu)成了嵌合開關(guān)受體（chimeric switch receptors，CSR），即IL-4/IL-21 ICR（interted cytokine receptor），結(jié)果發(fā)現(xiàn)IL-4/IL-21 ICR 在免疫抑制實體瘤微環(huán)境中可以提高CAR-T 細胞的活性。但是該結(jié)果受到免疫缺陷小鼠模型的限制，由于IL-21 與T 細胞內(nèi)其他細胞因子的協(xié)同作用，IL-4/IL-21 ICR 在免疫活性和臨床實驗中是否能達到預期效果，需要進一步的實驗證明。以上數(shù)據(jù)表明，IL-21可能成為下一代CAR-T細胞的新靶點。目前，IL-21 在許多腫瘤中作為治療靶點的潛在作用仍在繼續(xù)研究中，尤其在抗腫瘤治療方面。

4.2 IL-21 與高血壓 高血壓是慢性炎癥性疾病，與主動脈膠原沉積增加、血管平滑肌細胞肥大和微血管內(nèi)皮功能障礙有關(guān)。在炎癥過程中先天性和適應(yīng)性免疫細胞轉(zhuǎn)移到受損的組織間隙并在此聚集，同時免疫細胞釋放細胞因子［44］。IL-21在炎癥疾病中的作用主要是通過阻斷IL-21R 得以證明［45］。盡管已有治療高血壓的藥物，但仍有許多高血壓患者血壓不能得到有效控制。

近年來研究發(fā)現(xiàn)，IL-17、IFN-γ、IL-21、IL-6 等細胞因子均促進高血壓的發(fā)展［46］。其中IL-17、IL-21由TH17 細胞產(chǎn)生，IL-21 的研究較少。DALE 等［47］的研究發(fā)現(xiàn)IL-21 可能通過調(diào)節(jié)Th17、Th1 以及Treg細胞的平衡在高血壓中發(fā)揮作用。該實驗qRTPCR 結(jié)果顯示，與對照組相比血管緊張素Ⅱ（angio?tensin-Ⅱ，AngⅡ）誘導的高血壓模型中CD4+T 細胞的IL-21 mRNA 表達增加。敲除IL-21 基因時可使AngⅡ誘導的高血壓模型中主動脈膠原沉積顯著減少。此外，在抗IL-21 治療中可以降低血壓，同時內(nèi)皮功能障礙和血管炎癥也得到緩解。也證明了IL-21對血管壁有直接的損害作用，這與T、B 細胞的改變無關(guān)。

KORN 等［48］研究表明IL-21 與轉(zhuǎn)化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）結(jié)合可以誘導Th17 細胞產(chǎn)生IL-17，IL-21 的分泌可以進一步促進Th17細胞產(chǎn)生更多的IL-21和IL-17。研究表明IL-21和產(chǎn)生IL-21 的細胞是治療高血壓以及血管并發(fā)癥的有效靶點［47］。

最近研究發(fā)現(xiàn)，高血壓與IL-17A 和IFN-γ 的增加有關(guān)，細胞因子通過調(diào)節(jié)腎鈉轉(zhuǎn)運蛋白、血管纖維化和內(nèi)皮功能發(fā)揮重要作用［49-51］。DALE 等［47］的研究發(fā)現(xiàn)IL-21 的缺失抑制高血壓誘導的T 細胞產(chǎn)生IL-17 和IFN-γ。此外，高血壓還與Tfh 細胞增多有關(guān)，IL-21主要是由Tfh細胞產(chǎn)生的。綜上，以上數(shù)據(jù)進一步說明IL-21 在高血壓中的作用，抑制或減少IL-21 的分泌可能是治療高血壓及其并發(fā)癥的一種新的治療策略。

4.3 IL-21 與纖維化 系統(tǒng)性硬化（systemic sclero?sis，SSc）是以皮膚和內(nèi)臟纖維化為特征的結(jié)締組織疾病，包括皮膚、肺以及其他內(nèi)臟器官。纖維化是組織修復過程中失調(diào)的結(jié)果，幾乎影響所有重要的器官，目前沒有有效的治療方法。組織修復是一個漸進的、獨立的過程，最終導致纖維化，是許多器官慢性炎癥疾病的終末期表現(xiàn)［52］。器官纖維化損傷有幾個特征性階段：效應(yīng)細胞活化、細胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）生成加劇和結(jié)締組織動態(tài)沉積。在許多促纖維化生長因子和炎癥介質(zhì)中，TGF-β1是皮膚、腎臟、胃腸道和肺等大部分器官纖維化的主要驅(qū)動因子，炎癥介質(zhì)包括IL-17、IL-21等［53］。

LEI 等［51］通過博萊霉素（bleomycin，BLM）誘導的小鼠纖維化模型，對小鼠模型中Th17 細胞、IL-17A 和IL-21 與SSc 之間的關(guān)系進行了研究。BLM 處理的小鼠Th17 細胞中IL-21 的表達高于PBS組小鼠，同時外周血和組織中IL-21 的細胞計數(shù)與Th17 細胞計數(shù)明顯具有相關(guān)性。結(jié)果顯示，小鼠纖維化模型的外周血、皮膚和肺中Th17 細胞計數(shù)和IL-17A 表達水平顯著升高，與小鼠皮膚和肺中的炎癥和纖維化病變密切相關(guān)。IL-17 阻斷劑干預SSc的炎癥和纖維化病變過程，可能成為一種有效的治療方法［54］。

IL-21 參與炎癥和纖維化病變與Tfh 細胞、IL-17密切相關(guān)。對于不同的器官，IL-17既有促纖維化的作用也有抗纖維化的作用［55］。因此，IL-21可能通過調(diào)節(jié)IL-17間接促進或抑制纖維化。IL-21在纖維化病變中是不可或缺的，但其作用機制需要更多的實驗證明。

5 總結(jié)

自2000 年被發(fā)現(xiàn)以來，IL-21 已經(jīng)成為重要的免疫調(diào)節(jié)因子，對免疫細胞具有多效性，在腫瘤和纖維化中都具有雙重性，IL-21作為治療靶點仍在繼續(xù)研究。對于不同的癌癥治療IL-21 的作用也不同，共表達IL-21 的CAR-T 細胞為腫瘤免疫療法提供了新的思路。在高血壓中，IL-21的缺乏或抑制可以降低血壓，但其作用機制是目前研究的新方向。同時，在高血壓引起的終末器官損害中，IL-21 潛在的作用也是未來的一個研究方向。綜上所述，IL-21在疾病中的作用受多方面的影響，細胞因子的聯(lián)合治療也可能成為未來研究的一個重要方向，主要表現(xiàn)在提高免疫力和疾病的抑制等方面。