全 文 :综述与专论
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2010年第 8期
干扰素 研究进展
杨生海1, 2 殷宏 1 刘永生 1 张杰 1
( 1中国农业科学院兰州兽医研究所 家畜疫病病原生物学国家重点实验室 农业部畜禽病毒学重点开放实验室,兰州 730046;
2中农威特生物科技股份有限公司,兰州 730046)
摘 要: 干扰素( interferongamm a, IFN)是一种具有抗病毒、抗肿瘤和免疫调节作用的细胞因子, 主要由活化的 T
细胞和 NK细胞产生。 IFN对机体免疫系统具有强大的调节作用, 是机体发挥免疫功能、清除体内病原体不可缺少的成分。
因此, IFN在疾病的诊断、治疗和疫苗免疫效果检测等方面起着重大作用,是现代分子生物学、免疫学和临床医学研究的热
点之一。对干扰素产生、分子结构、生物学活性及作用机制等方面做以下简要综述。
关键词: 干扰素 分子结构 生物学活性
Advances in Research of Interferongamma
Yang Shengha i
1, 2
Y in H ong
1 L iu Yongsheng1 Zhang J ie1
(
1
K ey Laboratory of Animal Viro log of M inistry of Agriculture, StateK ey Laboratory of V eterinary E tiological B io logy,
Lanzhou Veterinary Research Institute, Chinese A cademy of Agricul tural Sciences , Lanzhou 730046;
2
China Agricultural Veterinarian Biolgy Science and Technology CoL td, Lanzhou 730046)
Abstrac:t Inter ferongamm a( IFN) secreted by T lym phocytes and na tura l killer( NK ) ce lls is an antivira l and an ti tum or pro
liferation and immunoregu latory cy tok ine It has powe rfu l regulato ry e ffects on imm une system, and it is a necessa ry e lem en t in play ing
immune functions, scaveng ing pathogens in v ivoTherefo re, IFN plays mo re im po rtant ro les in d iagnos is, trea tm ent of c lin ica l d iseases
and in detecting immune efficacy o f vacc ines It is one o f the research focuses in them odern m o lecular b io logy, immuno logy and clin ica l
m ed icineTh is article summ ar ized in terferongamma br ie fly in follow ing aspects, inc lud ing production, structural charac teristic, biolog i
ca l activ ity and physio log ica lm echan ism
Key words: Interfe rongamm a Structural cha racte ristic B iolog ica l activ ity
收稿日期: 20100504
作者简介:杨生海,男,助理研究员,硕士研究生,主要从事病毒分子生物学研究; Em ai:l yangsh enghai1978@ 163 com
通讯作者:张杰,女,博士后,副研究员, Em ai:l scarlettezhang@ yahoo com cn
20世纪 30年代, 许多病毒学家在研究两种病
毒感染同一宿主细胞时, 发现普遍存在两种病毒相
互拮抗的现象,由此产生了病毒间干扰现象的概念。
1957年发现细胞与病毒一起培养后能产生一种可
溶性因子, 该因子能 干扰 !病毒感染新的细胞, 此
因子被称为 干扰素 !。此后证明干扰素 ( in terfer
on, IFN )是由一族分泌蛋白质组成, 对同种病毒具
有广谱抗病毒活性,它存在于各种脊椎动物体内,平
时细胞内含量很低, 经病毒或其它干扰素诱导剂诱
导后产量可以提高。
IFN蛋白家族基于它们的基因序列、染色体定
位和受体特异性分为 3型, 即∀型、#型和 ∃型干扰
素。 ∀型包括 IFN、 、!、∀、#、∃、%、&等; #型干扰
素由单基因家族 IFN构成,又称为免疫干扰素; ∃
型干扰素是一种新发现的细胞因子,与 ∀型干扰素
关系密切,称为 IFN∋[ 1]。
1 干扰素 的产生
干扰素 主要是由抗原、有丝分裂素等刺激、
活化的 CD4+ Th1、CD8+ T细胞及 NK细胞所分泌的
一类可溶性糖蛋白。抗原、T细胞促分裂素 ( PHA、
ConA )、细胞因子 [ 2, 3] ( IL2、IL12、IL18、bFGF、
PDGF、EGF)、葡萄球菌肠毒素 B, 均会诱导 IFN
的合成。 1, 25二羟基维生素 D3、地塞米松、环胞霉
素 A、糖皮质激素、IL10等对 INF的产生具有抑
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2010年第 8期
制功能。除了人们所熟知的 INF产生细胞: CD4+
Th1、CD8+ T细胞及 NK细胞外, NKT细胞、树突状
细胞 ( DC )和巨噬细胞 ( M( )、B细胞也具有产生
INF的能力。
NKT细胞是 INF产生细胞中的一个新的成
员,它表面既具有 NK细胞的激活和抑制受体, 也具
有 T细胞的表面受体 TCR。NKT细胞产生 INF
非常短暂,反复刺激后 INF的分泌和产生并不增
加,在特异性免疫应答中可能同时起着激活和抑制
的双重作用 [ 4]。
树突状细胞和巨噬细胞都是抗原提呈细胞 ( an
t igen present ing cel,l APC ), 它们也能产生 INF。
APC产生 INF的过程受到许多其它细胞因子的
调控, IFN 、IL4、IL10均能抑制 APC产生 INF。
IL12和 IL18能促进 APC产生 INF[ 3]。APC产
生的 INF和 NK细胞所产生的 INF一样,在机
体感染的最初阶段特别是在特异性免疫建立之前起
着重要的作用,在机体特异性免疫和非特异性免疫
之间起着重要的联系作用 [ 5]。
研究发现, B细胞也能产生 INF,其 INF的
合成在许多已建立的人的 B细胞系中可以观察到。
2 干扰素 的结构特点
IFN以二聚体的形式发挥功能 (图 1)。 IFN
由 6个 螺旋组成 ( AF) [ 6] ,其中螺旋 AD处于
二聚体的一侧,而另外两个螺旋 E和 F参与二聚体
的连接。在三维拓扑结构上, IFN 与 IFN相似,
都具有 螺旋组成的桶状核心。 IFN与 IFN在
结构上的主要不同在于 IFN的 C末端螺旋 ( F螺
旋 )弯曲并与桶状核心形成 60%夹角, 并且 IFN分
子内缺乏二硫键 [ 7]。
哺乳动物和鸟类的 IFN 在进化上存在相似
性,即在基因组中只有一个拷贝而未发生基因的连
续复制。两栖类的基因组分析没有发现 IFN的存
在,但是在 Xenopus基因组中发现了 IFNR l和
IFNR2的定位。在鱼类中也发现了类似 IFN分
子的定位, 说明 IFN起源于鱼类或更早的物
种 [ 8]。在鸟类和哺乳动物中 IFN的编码区是由 4
个外显子组成。 IFN的基因结构以及 IFN在鱼
类中基因组的定位都说明它与 IL10家族存在更近
的进化关系 [ 9]。
图 1 IFN二聚体与 IFNR结合的晶体衍射图
IFN的分子中没有形成二硫键的半胱氨酸,
其活性形式是牢固的二聚体或四聚体,单体没有活
性, 成熟蛋白含有两个糖基化位点,糖基化对 IFN
的生物学活性并不是必须的, 只是与 IFN在体内
的半衰期相关 [ 10]。天然 IFN是一种糖蛋白,在第
25位和第 97位 Asn处有 2个糖基化位点。虽然大
肠杆菌表达的 IFN没有进行糖基化修饰, 但研究
证实仍具有生物学活性 [ 11]。各种动物的 IFN的
氨基酸同源性高低不等,但其基本的空间结构类似,
2个糖基化位点均位于 A、B 螺旋的连接处和 E
螺旋的末端, 这些部位均位于二聚体的表面, 且在
A、B 螺旋的连接处各种动物的氨基酸序列变异较
大, 相对较保守的 C和 F则被埋在二聚体的中心,
现已证实该部位与另一条链的 C末端一起构成与
受体 链结合的部位,这种变异的序列可能与干扰
素作用的种属特异性有很大的关系 [ 10]。
3 干扰素 的特性
干扰素是一种糖蛋白, 其不能通过普通透析
膜, 但可通过滤菌器。干扰素比病毒颗粒小, 沉
淀病毒的离心力不能沉降干扰素 。干扰素 对
酸不稳定,在 pH20时极易破坏, 在 56& , 30m in被
破坏。干扰素 含 17种以上的氨基酸, 其中天冬
氨酸、谷氨酸和亮氨酸的含量较高, 不含核酸, 所以
不被 DNA酶或 RNA酶破坏, 但易被胰蛋白酶、乙
醚、氯仿和酮基等破坏。
IFN又被称为免疫调节型干扰素, 当用特异
性抗原或有丝分裂原刺激 T淋巴细胞或 NK细胞时
会刺激 IFN的高量表达。 IFN作为免疫刺激因
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2010年第 8期 杨生海等:干扰素 研究进展
子可以促使 CD4+ Th细胞向 Th1细胞的极化, 并刺
激 IL2、IL12、TNF等细胞因子的上调, 起到免疫
系统活化的效果。 IFN的生物学效应具有高度的
种属特异性,即人 IFN对动物没有生物学活性,反
之亦然。
干扰素 的受体为 IFNR1和 IFNR2[ 12 ] ,
IFN与受体结合可以激活 JAK1、JAK2和 STAT1,
进而诱导在启动子区域包含 激活序列 ( GAS)的
基因的表达 [ 13]。在某些情况下 STAT3和 STAT5也
可以被 IFN激活磷酸化。在生理条件下, IFNR
的两个亚基在结合 IFN之前就已经在细胞膜上发
生二聚 [ 14] ,当 IFN与受体结合后, IFN R的两个
亚基分别二聚形成一个四聚体复合物。
对干扰素细胞信号通路的研究中发现, 细胞因
子信号阻抑物 ( SOCS )和活性 STAT 阻抑蛋白
( P IAS)能够对 IFN的信号起负调控作用 [ 15 ]。有
数据表明泛素蛋白酶体途径也能对 IFN引起的
STAT信号起到抑止作用 [ 16]。
4 干扰素 的主要生物学活性
干扰素具抗病毒, 影响细胞生长分化、抗肿
瘤和免疫调节等多种活性,与 I型干扰素相比, 干扰
素 具有较强的免疫调节活性,而抗病毒活性和抗
肿瘤活性较弱。
41 抗病毒作用
干扰素 均有抗病毒作用, 动物试验证明干扰
素 抗病毒活性远较 I型低,干扰素 和干扰素
有相互加强抗病毒作用。干扰素抗病毒具有广谱
性,但它对细胞抗病毒作用是间接的,而且是非特异
性的。当干扰素与细胞表面的干扰素受体结合后,
可诱导细胞内产生有酶活性的抗病毒蛋白 ( AVP)。
已知的 AVP至少有 3种:蛋白激酶、磷酸二脂酶和
25A合成酶, 前两种能破坏细胞核糖体转译病毒蛋
白质, 后一种降解 mRNA,有的 AVP还能抑制转录
酶,阻止 mRNA的形成,还有的能抑制病毒 DNA和
RNA的合成。因此, 可以说干扰素是通过 AVP间
接地抑制病毒复制而达到抗病毒作用的 [ 17 ]。
IFN的抗病毒作用有种属特异性。 IFN 引
起的抗病毒作用主要是通过诱导一些目的基因的表
达来实现的,这些目的基因表达产物主要是一些参
与病毒 RNA降解和剪切的酶和蛋白质, 这是 IFN
抗病毒作用的主要机制, 一些病毒感染过程中产生
的抑制其信号传导过程的蛋白也是通过抑制 IFN
诱导这些酶类的产生而进行的 [ 18 ]。 IFN诱导 2
5A合成酶的能力低于 IFN和 IFN 。不能诱导
Mx蛋白表达。但是 IFN能够诱导病毒感染细胞
表达病毒抗原,增加免疫系统识别和杀伤感染细胞
的作用。 IFN还能通过其他未知的途径抗病毒繁
殖 [ 19]。尽管 IFN的抗病毒效果远远低于 I型
IFN,但在机体对病毒感染的长期控制过程中起着
非常重要的作用。
42 抗细胞增殖作用
与 IFN和 IFN 相比, IFN也能抑制前癌
基因的表达,阻止细胞株从 G0期进入 G1期; IFN
同样也能诱导肿瘤细胞株分化。用 IFN处理人
A431细胞后, 细胞形态发生改变, 继而死亡, 其机理
可能是诱导了细胞的终末分化。 IFN能抑制许多
肿瘤细胞株的生长, IL1可抑制、协同或不影响
IFN对这些细胞的生长抑制作用。 IFN对另一
些肿瘤细胞却有促增殖作用, IFN还能促进其它
细胞因子的抗肿瘤作用, 使对 IFN不敏感的细胞
转为敏感,两者在亚适剂量合用时即可控制小鼠移
植肿瘤的生长。 IFN对癌基因转化的细胞也有抑
制生长的作用, 并且还能抑制癌基因的表达。 IFN
的抗肿瘤作用是多方面的, 包括多方面抑制肿瘤
细胞生长和诱导多方面的免疫应答 [ 20]。
43 抗肿瘤作用
IFN在机体肿瘤发生、肿瘤移植排斥和肿瘤
免疫检测过程中发挥着重要的作用, IFN抗肿瘤的
作用机制是相当复杂的, 这些活性可能是上述各种
生物学活性综合作用的结果。 IFN可以通过激活
机体参与先天免疫应答的多种细胞, 发挥其抗肿瘤
作用,这些细胞主要包括巨噬细胞、NK细胞和 NKT
细胞等。由于 IFN、 对恶性肿瘤的治疗不理想,
人们对 IFN寄以厚望。 IFN抗肿瘤活性主要表
现在: ∋ 直接的抗增生作用, 可通过延长细胞周期
以延缓肿瘤细胞的生长和繁殖; ( 通过抑制癌基因
的表达来阻止或减慢肿瘤细胞的转化过程; ) 激活
巨噬细胞、NK细胞等以直接杀伤癌细胞或间接抑
制癌基因; ∗诱导肿瘤坏死因子并促进癌细胞对
TNF受体、MHC#类抗原的表达, 使其易被杀伤性 T
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生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2010年第 8期
淋巴细胞识别而被杀伤。体外试验结果证实 IFN
在许多肿瘤细胞上均可表现出抗增殖和有丝分裂的
作用, 但在 STAT1基因突变或缺失的肿瘤细胞上,
这种活性消失,导入 STAT1基因后活性恢复, IFN
与受体结合后激活一些编码参与细胞分裂周期的一
些抑制因子,阻止了细胞的分裂增殖 [ 21, 22 ]。
44 免疫调节作用
IFN的主要生理功能是调节 MHC∀和 MHC
#类分子在大多数免疫细胞 (如单核巨噬细胞、内
皮细胞、上皮细胞等 )内的表达, 但它却抑制 MHC#
类分子在 B细胞中的表达。而 I型干扰素 ( IFN
与 IFN )虽然能调节 MHC∀类分子的表达, 但却
不能诱导MHC#类分子的表达 [ 23 ]。研究表明, IFN
能将 MHC∀类分子在组成型表达该类分子的细
胞中的表达量增加 2- 4倍,而且还能诱导 MHC#
类分子在 MHC缺陷型细胞中的表达。 IFN 诱导
所生成的反式作用因子能结合于 MHC基因启动子
区域的顺式作用元件而调节 MHC基因的转录, 因
而增强抗原递呈细胞的抗原递呈能力。 IFN还是
激活并调节单核巨噬细胞分化和功能的重要细胞因
子之一。
IFN能促使源自骨髓的单核细胞前体分化为
成熟的单核细胞,它增强巨噬细胞的抗原递呈功能
不仅是通过增加 MHC II类分子的表达,而且通过增
加细胞内很多与抗原递呈有关酶的表达水平。
另外, IFN 能增加巨噬细胞表面蛋白 ICAM I
的表达水平从而增强其在抗原递呈过程中与 T细
胞的相互作用。
IFN还能影响免疫系统的其它细胞, 如调节
B细胞的免疫球蛋白亚型转换并阻止 IL4诱导
MHC II类分子在 B细胞中的表达。 IFN能间接
调节 CD4+ T细胞特异性亚型的分化。研究表明,
IFN对 CD4+ Th2细胞具有抗增殖效应而对 CD4+
Th1细胞无影响, IFN的这种调节功能确立了其
在免疫应答过程中决定免疫效应功能类型的重要作
用。Th2或 Th1细胞是决定免疫类型的主要因素,
Th1细胞的选择性激活导致细胞免疫,而 Th2细胞
选择性诱导体液免疫。虽然决定增殖的 CD4+ T细
胞分化成 Th1还是 Th2细胞的因素还不甚明确,但
是 IFN和 IL10交叉调节 Th2和 Th1细胞的效应
功能从而决定免疫应答的方向。 IL10抑制 CD4+
Th1细胞和 NK细胞合成 IFN而使免疫应答朝体
液免疫方向进行,而 IFN通过抑制 CD4+ Th2细胞
的增殖而抑制其分泌 IL10、IL4、IL5等激活 B细
胞的细胞因子,从而抑制体液免疫而使免疫应答向
细胞免疫应答的方向进行。
IFN是主要的巨噬细胞激活因子 (MAF) , 直
接诱导参与呼吸爆发 ( respirato ry burst)的酶的合
成, 导致巨噬细胞杀伤吞噬的微生物和肿瘤细胞。
当前,很多学者纷纷将目光集中在 IFN 诱导细胞
内一氧化氮 ( NO )的合成上。NO是细胞内诱导型
一氧化氮合成酶 ( iNOS或 NOS2)催化 L精氨酸转
化为 L瓜氨酸的产物,它在细胞清除胞内微生物病
原体过程中具有非常重要的作用。在 IFN和
TNF的诱导下, 巨噬细胞内诱导型一氧化氮合成
酶迅速表达,因而增强其吞噬活性。 IFN能增加
高亲和力 Fc受体 ( FcR )在单核细胞、巨噬细胞表
面的表达, 促进这些细胞参与抗体依赖的细胞
毒反应 [ 24]。
45 抗寄生虫作用
IFN是细胞介导免疫的重要免疫分子, 具有
比较强的抗球虫作用,也是抗弓形虫免疫中起主导
作用的细胞因子。M ichalski等报道鸡干扰素 可
以直接作用于寄生虫, 而不是作用于宿主细胞。
M in在研究多种细胞因子对艾美尔球虫 DNA疫苗
的佐剂效应时,发现 IFN基因可显著抑制该寄生
虫的增殖。 Lileho j等提出在抗球虫过程中鸡干扰
素可以影响子孢子的发育, 但不影响其侵入
细胞。
IFN可诱导免疫细胞活化, 介导机体免疫细
胞抑制弓形虫增殖, 杀伤细胞内弓形虫。其抗虫作
用主要通过活化巨噬细胞产生超氧离子、启动精氨
酸依赖的 NO途径活化巨噬细胞、诱导降解色氨酸
等途径,抑制了弓形虫的增殖。由于动物种类的不
同, 机体内组织细胞不同, IFN的这种针对不同细
胞进行的不同方式的调节, 正是它免疫调节作用的
独特性。然而, IFN仅是机体对弓形虫的免疫调
节复杂网络系统中的一个重要成分, 各种细胞因子
之间的相互协同, 相互制约是免疫调节的基本操作
方式,这种调节促成了机体最佳的免疫状态,同时防
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2010年第 8期 杨生海等:干扰素 研究进展
止机体自身免疫病理性损伤 [ 25]。
不论是外源性 IFN, 还是内源性的 IFN,都
表现了强大的抗虫效应。诸多的试验证实外源性的
IFN具有强大的抗感染效应,内源性的 IFN 在
阻止弓形虫增殖、促使休眠状态弓形虫包囊形成、防
止包囊的活化突破等方面具有重要的作用。资料显
示 IFN 可以降低 IL6对 IFN诱导抗弓形虫效
应的逆转作用,可对 CD8+ T细胞的分化成熟起促进
作用, 进而对弓形虫速殖子感染的靶细胞产生较强
的细胞杀伤作用,诱导增强巨噬细胞吞噬杀灭虫体
的功能,激活巨噬细胞内的呼吸爆发,释放出各种对
虫体具有毒性的含氧离子杀死虫体等 [ 26]。用弓形
虫速殖子感染骨髓源巨噬细胞后, 加入 IFN或
LPS可导致特异性抗原的产生; 加入外源性 NO可
强烈地抑制弓形虫增殖, 而内源性产生 NO足以使
细胞内弓形虫处于静止休眠状态。 Suzuk i Y等报
道,小鼠 Lyt22+在抗弓形虫免疫效应中, IFN 是
主要介导者, IFN在体外活化了巨噬细胞, 提高其
吞噬能力,抑制弓形虫增殖,杀伤细胞内弓形虫。
5 结语
肉用畜禽在养殖过程中常会感染致病菌, 从而
使养殖业蒙受巨大损失。当前所采取的措施是应用
疫苗或抗生素使动物免受疾病的侵袭。但是, 疫苗
只能针对特定病原产生长期的保护, 在动物没有明
显症状时,应用广谱抗生素仅可在短期内使动物免
受致病菌的侵袭。然而,由于过度使用广谱抗生素,
尤其是与人类应用相同的抗生素, 极易引起细菌的
耐药性,而且抗生素可残留在肉制品中,通过食物链
直接影响到人类的健康, 该问题已引起广泛关注。
世界卫生组织已开始建议停止在肉制品中使用与人
用抗生素相同或有交叉反应的抗生素。同时, 他们
呼吁应用环境友好的方法来控制疾病。
IFN是在特定的抗原刺激作用下由 T细胞分
泌的一类具有抗病毒、抗肿瘤和免疫调节功能等生
物活性的糖蛋白, 是发现最早、研究最多的细胞因
子。随着研究的深入, 人们发现以重组 IFN为疫
苗佐剂,不仅能特异性的增强疫苗的免疫效果,而且
可增强机体抗感染的能力。干扰素因子的发现被认
为是抗病毒药物进展的第五个里程碑。
在干扰素研究中, 不论在理论还是实践上均有
很多问题有待进一步探索。从多个角度对干扰素的
结构进行改造,以赋予其新的功能以及大量生产高
质量的干扰素制剂可能是最重要的两大问题。不同
干扰素的组织亲和性和生物学作用有待了解。干扰
素的提纯和测定方法不够稳定和简化。这些问题的
解决,将有助于干扰素研究广泛深入地发展,也必将
促进人畜禽疾病防治技术的更加发展。
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