第二章　白细胞介素-2

白细胞介素-2（interleukin-2，IL-2）又称T细胞生长因子，是第一个被克隆的Ⅰ类细胞因子，由抗原激活后产生，在免疫应答和免疫耐受中均具有重要意义。IL-2不仅可以促进CD8 ⁺T细胞和NK细胞的增殖和细胞杀伤作用，还能调节抗原应答后T细胞的分化。研究发现，IL-2可以促进CD4 ⁺初始T细胞分化形成Th1和Th2，同时抑制Th17和Tfh细胞的分化。更为重要的是，IL-2也是调节性T细胞发育和维持稳定过程中一种重要的细胞因子。因此，IL-2具有广泛的生物学作用。目前IL-2已经作为一种治疗药物应用于临床细胞免疫治疗，同时抑制IL-2的信号传导也是肌纤维化、类风湿关节炎等疾病的治疗手段之一，最近研究还证实，低剂量的IL-2在自身免疫性疾病及炎性疾病的治疗中也发挥了重要作用。

IL-2是由四个α螺旋形成的捆绑结构，分子量为15.5kD，主要由抗原刺激的CD4 ⁺T细胞产生，但CD8 ⁺T细胞、树突状细胞、NKT细胞以及肥大细胞也能产生少量的IL-2。在T细胞中，IL-2的转录依赖于TCR信号诱导和共刺激信号的维持，转录后IL-2基因会被沉默掉，而IL-2 mRNA也会被快速降解，因此IL-2的分泌是一个快速又短暂的过程。

多种转录因子共同介导IL-2的转录，这些因子包括激活的T细胞核因子（NFAT）家族蛋白、活化的蛋白-1（AP-1）以及八聚体转录因子（OCT-1）等。TCR信号可以诱导AP-1，AP-1与NFAT结合后入核，可结合到IL-2的启动子位点，从而促进IL-2的转录。NF-κB在IL-2的基因座上有两个结合位点，NF-κB p50的同源二聚体抑制IL-2基因表达，而NF-κB p65/cRel可促进IL-2的表达。Oct1和Oct2在PMA和离子霉素的作用下，结合到八聚体的结合位点，并与AP-1共同作用诱导IL-2基因转录。除以上所述，SP-1、Egr-1、GABP以及TRIM28也是IL-2基因转录的正向调控因子。

IL-2的转录不仅有正向调节，也受负向调控。研究发现Zfxla（ZEB，TCF8）以及CREM通过与IL-2的启动子序列结合，可抑制报告基因的转录。T-bet（Tbox21）通过与Rel-A相互作用，再与邻近IL-2启动子结合，也可抑制IL-2的产生。除此外，BLIMP1和Aiolos也可抑制IL-2的表达，在IL-2的负反馈调节通路中STAT5和BLIMP1发挥着重要作用，静止状态的T细胞被抗原刺激活化后，即可产生IL-2，并表达高亲和力的IL-2R，IL-2R通过与IL-2的结合，激活STAT5并诱导BLIMP1的表达，从而抑制IL-2的表达。

IL-2受体（interleukin-2 receptor，IL-2R）是由三个亚单位共同组成的异源三聚体，包括IL-2Rα（CD25）、IL-2Rβ（CD122）以及公有链γc（CD132）。人CD25含有251个氨基酸残基，CD122含有525个氨基酸残基，CD132含有347个氨基酸残基。单独的IL-2Rα结合IL-2亲和力低且不能传导信号，IL-2Rβ和γc共同构成中等亲和力受体，是IL-2信号传递所必需，而三聚体IL-2Rαβγ构成高亲和力受体，可介导信号的传导（图2-1）。

除了一些前T细胞和前B细胞，大部分淋巴细胞不表达CD25，但当效应细胞被抗原激活后，淋巴细胞表面可短暂性表达CD25。因此在严重的自身免疫紊乱形成以前，CD25缺陷小鼠体内T和B细胞的发育均正常。在T细胞的体外实验研究中证实，CD25在活化T细胞中的高表达主要通过两个步骤来完成，首先细胞在TCR以及共刺激信号作用下，通过NF-κB、NFAT、AP-1以及CREB/AFT，诱导CD25中度表达；接着，IL-2和IL-2R的结合进一步激活STAT依赖的正反馈通路，进而诱导CD25高表达。除了活化T细胞，nTreg细胞表面持续性高表达CD25，除上述机制外，可能还与TGF-β信号传导有关。IL-2Rα除了以跨膜形式存在于细胞表面，还可以可溶性形式存在于体液中。当IL-2Rα从细胞膜上经酶解后进入血液，就形成了可溶性IL-2Rα（sIL-2Rα），sIL-2Rα可以和细胞膜表面的IL-2Rα竞争结合IL-2，从而导致膜型IL-2Rα与IL-2的结合减少，使IL-2对靶细胞作用减弱（图2-1）。正常人血清和尿液中可检出低水平的sIL-2Rα。研究发现，在感染、移植排斥和自身免疫性疾病患者体内sIL-2Rα的表达水平升高，且与疾病严重程度密切相关，因此，sIL-2Rα的水平监测对于疾病的诊断及预测具有一定的价值。

CD122是IL-2的受体组成成分，同时也是IL-15R的重要组成部分。CD122组成性表达于NK细胞、NKT细胞、记忆性CD8 ⁺T细胞以及Foxp3 ⁺Treg细胞，而当抗原刺激后，所有T细胞表面都能表达CD122。CD132是IL-2R、IL-4R、IL-7R、IL-9R、IL-15R和IL-21R信号传导的共有链，这些细胞因子受体共用γ链，可以解释其功能的冗余性，其中IL-2和IL-15对于调控淋巴细胞的稳态起非常重要的作用。虽然IL-2和IL-15受体共用β链和γ链，但与IL-2Rα不同，单独的IL-15Rα可高亲和力结合IL-15，且表达IL-15Rα的细胞与IL-15结合后还可反式呈递给另一个表达IL-15Rβγ的淋巴细胞，而单独的IL-2α结合IL-2的亲和力较低，且IL-2α虽具有反式呈递作用，但由于亲和力不够，与IL-2的结合也只是非常短暂的过程。总之，虽然IL-2和IL-15具有共同的受体亚基和信号转导通路，但在某些免疫学功能上具有不同甚至相反的作用。

IL-2与IL-2R的结合是一个非常短暂的过程，IL-2一旦被征募，IL-2受体复合物就会迅速被内化，IL-2、CD122和γc会在溶酶体中蛋白酶体的作用下迅速降解，而CD25定位于早期运铁蛋白的内含体中并被重新回收到质膜表面，因此IL-2依赖的T细胞克隆增殖需要IL-2长期的作用以及IL-2R持续性的表达。

IL-2的信号传导主要依赖于胞浆内IL-2Rβ和γc链的尾部结构域，当二者相互靠近，JAK分子被激活并与受体相结合，其中JAK-1对应IL-2Rβ链，JAK-3对应γc链，磷酸化的JAK使受体的酪氨酸残基发生磷酸化，并招募接头蛋白Shc，或诱导STAT5或STAT3的结合。Shc为细胞生长或生存相关的MAPK通路的激活提供了一个重要的平台，而磷酸化的STAT5蛋白能够调控IL-2诱导的相关基因的表达。除此之外，IL-2还可激活PI3K-AKT-p70S6激酶信号传导通路，这一通路的激活也促进了细胞的生长与存活（图2-2）。

CD4 ⁺T细胞在抗原刺激下可分化为多种功能性的辅助T细胞亚群，包括Th1、Th2、Th9、Th17以及Tfh等。IL-12的作用可促进Th0向Th1的分化，并分泌细胞因子IFN-γ；IL-4的作用促进Th2的分化，分泌细胞因子IL-4、IL-5以及IL-13；IL-4和TGF-β可促进Th9的分化，并产生IL-9；IL-6和TGF-β可促进Th17细胞的分化，分泌细胞因子IL-17A、IL-17F以及IL-22；而IL-6和IL-21的共同作用可促进Tfh细胞分化。然而这些分化通路并不是他们的终端路径，一定条件下，不同的辅助T细胞间可以相互进行转化，并分泌与之不同的辅助T细胞特异性的细胞因子。

Th1细胞在对抗病毒和胞内菌的防御过程中发挥重要作用，由于Th1分泌IFN-γ，导致病理性的炎性损伤。IL-12是Th1细胞分化过程中不可或缺的细胞因子，T-bet可以特异性增加IL-12Rβ2的表达，从而促进Th1的存活与增殖。IL-2在Th1细胞分化过程中可以诱导IFN-γ的产生，更为重要的是，IL-2还可通过STAT5通路迅速诱导IL-12Rβ2的表达，从而扩大对IL-12的反应性。研究发现，在IL-2敲除的T细胞中，使用逆转录病毒转入IL-12Rβ2，Th1细胞生长抑制的现象会被部分逆转，因此IL-2诱导的IL-12Rβ2表达对于Th1细胞分化具有重要作用。研究同样证实了IL-2对于Th1细胞分化的重要性。在IL-27受体敲除小鼠模型中检测出高浓度的IL-2，且将小鼠感染弓形虫后，高水平的IFN-γ分泌导致致死性的炎性疾病，但当应用IL-2阻断剂后，疾病严重程度减轻。

Th2细胞在对抗胞外寄生虫以及诱导变应性炎性反应中发挥着重要作用。体外实验诱导Th2细胞分化需要应用抗IFN-γ以及IL-2和IL-4的刺激。TCR的刺激可通过依赖于IL-2和STAT5的机制诱导IL-4Rα表达，并增加对IL-4的反应性。研究显示，在T细胞中敲除IL-2，再转入IL-4Rα，此时IL-2缺陷导致的Th2细胞减少会得到部分逆转。IL-2能够诱导STAT5与超敏位点2（HS2）、HS3和HS5上的Th2样细胞因子位点簇以及Rad50基因中的位点控制区B和C元件相结合。因此，IL-2通过STAT5A以及STAT5B直接调控IL-4Rα和IL-4的表达，并促进Th2的分化。除IL-2，IL-7和IL-15也可诱导T细胞表面IL-4Rα的表达，这一结果证明，在合适的细胞环境下，其他Ⅰ类细胞因子也会促使CD4 ⁺T细胞向Th2细胞分化。

Th17细胞通过分泌IL-17A、IL-17F以及IL-22在对抗细菌及真菌的免疫反应中发挥了重要作用，同时在一些自身免疫性疾病的致病机制中也扮演了重要角色。IL-2可以减少Th17细胞的产生。研究发现宿主小鼠过继性的转入IL-2 ^-/-CD4 ⁺T细胞后，与野生型小鼠相比，刺激后可以产生更多的Th17细胞，因此推测可能是由于IL-2激活STAT5，从而与STAT3竞争IL-17A基因上的结合位点所形成上述现象，但目前还没有STAT5能够直接抑制IL-17A转录的证据。IL-2还能抑制IL-6a和gp130的表达，在IL-2敲除的T细胞中，这些受体物质的表达会显著性升高，当过继性转入IL6st（可编码gp130蛋白）会部分减弱IL-2介导的抑制IL-17A合成的作用。然而，即使gp130持续性表达，IL-2仍能部分抑制Th17细胞的分化，这说明IL-2对Th17细胞的抑制作用还可通过受体非依赖性的方式进行。前面提到过IL-2可以诱导Tbx21的表达，而Tbx21还可以抑制Th17细胞的分化，因此IL-2还可通过诱导Tbx21的表达抑制Th17细胞的分化。使用逆转录病毒在Th17细胞中转入Tbx21则可增加IFN-γ的表达，说明在这些细胞中IL-2促进了Th17向Th1的分化。但与前面不同，IL-2治疗HIV-1感染患者，可以维持Th17细胞的数量，而且一旦Th17细胞产生后，IL-2可以增加Th17细胞的数量，这一现象很好地解释了基于抗IL-2R的免疫治疗在葡萄膜炎和巩膜炎中的作用，此时Th17细胞具有致病性。因此IL-2对Th17细胞的作用比较复杂，不仅会抑制Th17细胞的分化，也会促进Th17细胞的增殖。

Tfh细胞是生发中心中重要的辅助性T细胞亚群，它在免疫球蛋白类别转化和抗体亲和力成熟过程中发挥着重要作用。Tfh细胞可分泌IL-21，也能对IL-21产生应答，进而增加ICOS、CXCR5和BCL6的表达。IL-2通过STAT5诱导BLIMP1的产生，而BLIMP1的产生会抑制Tfh细胞的分化以及生发中心的形成，同时IL-2还会抑制Th1细胞中的BCL6，众所周知BCL6是生发中心重要的转录因子，因此IL-2某种程度上抑制了Tfh细胞的增殖。

IL-2除了在辅助性T细胞中扮演重要角色，还可促进静息状态的CD8 ⁺T细胞向记忆及效应T细胞的分化，这些细胞通过分泌IFN-γ、穿孔素和颗粒酶，在感染和炎症中发挥重要作用。静息状态的CD8 ⁺T细胞能够表达IL-2Rβ和γc，因此IL-2的作用足以引起中等亲和力的受体结合，进而诱导细胞增殖；而活化状态的CD8 ⁺T细胞则可表达高亲和力IL-2受体，同样可诱导活化T细胞的增殖。

研究发现，IL-2Rα敲除的CD8 ⁺T细胞在LCMV感染模型中的初次免疫应答反应较为强烈，但在再次免疫应答中未观察到更为强烈的免疫反应，说明IL-2有利于免疫记忆反应的形成。其具体机制可能为：在感染初期CD25的表达非常高，但随后细胞表达CD25水平不一致，其中CD25表达下降的这群细胞很少接受强烈而延长的IL-2信号，但通过上调IL-7Rα和CD62L，最终成为长寿命记忆性T细胞。而表达较高水平CD25的细胞则得到IL-2的信号并快速增殖与分化，最终通过凋亡而被清除。此外，使用IL-2基因敲除小鼠也证明了内源性的IL-2在抗病毒免疫反应中的重要作用，还有研究证实自分泌产生的IL-2有利于记忆性CD8 ⁺T细胞的形成。总之，这些研究均证实持续而强烈的IL-2信号在效应和记忆性细胞的形成过程中扮演了重要角色。

IL-2不但可以促进CD4 ⁺初始T细胞分化成Th1和Th2，同时抑制Th17和Tfh细胞的分化，促进CD8 ⁺T细胞的终端分化，但现在研究一致认为，IL-2对Treg细胞的调控作用更为重要。Treg细胞是机体内阻止自身免疫反应、限制炎性应答以及维护免疫平衡的重要细胞亚群。Treg细胞的标记性的转录因子为Foxp3，Foxp3是Treg细胞发育过程中必需的转录因子，Foxp3敲除小鼠会发生严重的自身免疫性疾病。大部分Foxp3 ⁺Treg细胞免疫表型为CD4 ⁺CD25 ⁺（nTreg，为胸腺自然衍生），且其表面可表达高亲和力的IL-2R，除此之外初始T细胞在抗CD3、TGF-β以及IL-2的作用下也可转变成CD4 ⁺Foxp3 ⁺的诱导性的T细胞（iTreg），因此不管是nTreg还是iTreg，IL-2在这些Treg细胞的产生和增殖过程中均发挥了重要作用。

IL-2是一种多效应的生长因子，首先在胸腺组织中它能促进Treg细胞的发育，其次在外周它能维持Treg的存活，最后它还能促进Treg细胞功能的发挥及细胞数量的稳定。研究发现小鼠缺少IL-2、IL-2Rα或者IL-2Rβ会发生致死性自身免疫性疾病，当把野生型小鼠CD4 ⁺CD25 ⁺T细胞过继性转入IL-2Rβ ^-/-小鼠体内，可阻止自身免疫性疾病的发生，显示IL-2在Treg细胞发育及功能发挥过程中扮演了重要角色。在Ⅰ型非肥胖型糖尿病小鼠模型中的研究发现，IL-2生成缺陷使胰岛Treg细胞功能障碍，导致小鼠自身免疫耐受被打破，当给予低剂量的IL-2及IL-2单抗时，可以提高Treg细胞的生存并降低糖尿病的发病。类似的还有研究报道，使用IL-2/抗IL-2抗体复合物处理小鼠，会增加小鼠Treg细胞的数量并减轻实验性过敏性脑炎、重症肌无力以及抑制排斥反应的发生。

Treg细胞对IL-2作用更为敏感，当使用低剂量IL-2进行治疗时，能够诱导Treg细胞而不是T细胞或NK细胞的信号传导。研究发现，通过检测STAT5磷酸化水平，相较于效应T细胞，Treg细胞具有10~20倍更低水平的激活阈值，检测pSTAT下游的信号分子同样发现，Treg细胞的激活阈值可能低于效应细胞100倍以上。Treg细胞对于IL-2的高度敏感性可能与IL-2R信号传导的特异性有关，在效应T细胞中，MAPK、PI3K以及STAT5信号均被激活，而在Treg细胞中，由于PTEN高水平表达抑制了PI3K依赖的信号传导，从而导致更为依赖IL-2-STAT5信号通路传导信号，从而表现为对IL-2的刺激更为敏感。

IL-2促进NK细胞毒性和促进细胞因子产生；诱导LAK细胞扩增；促进活化B淋巴细胞增殖及产生抗体；激活单核/巨噬细胞，并增强其杀瘤活性。