上QQ阅读APP看书,第一时间看更新
一、B淋巴细胞的发育与分化
(一)概述
B淋巴细胞(B lymphocyte)即骨髓依赖性淋巴细胞(bone marrowdependent lymphocyte),简称B细胞,来源于骨髓及胎肝中的多能造血干细胞(pluripotential hematopoietic stem cells)。B细胞是免疫系统中的抗体产生细胞,通过产生抗体参与机体免疫防御、免疫稳定和免疫监视功能。分化成熟的B细胞在受到抗原刺激后最终分化为浆细胞和记忆细胞,行使免疫功能。在B细胞发育分化进程中,若出现基因调控异常或B细胞缺陷可引发某些疾病,如风湿性关节炎、系统性红斑狼疮、肿瘤等。
浆细胞是B淋巴细胞发育的终末阶段,主要执行机体的体液免疫(humoral immunity)功能。小鼠和人类B淋巴细胞的发育有着相似的解剖学定位和模式。胚胎期的卵黄囊、胎肝以及出生后的脾和骨髓中的多能干细胞首先发育成为原B淋巴细胞,后者进一步发育和分化,其分化过程现已基本明确。
由造血干/祖细胞成熟为浆细胞的整个发育过程可分为两个阶段。第一阶段是前免疫B淋巴细胞(pre-immune B cell)各阶段的形成,出现免疫球蛋白基因重排。此阶段包含两个系列的基因重排,其能否成功地重排决定了B淋巴细胞是否进一步分化成熟。哺乳类动物B淋巴细胞在此阶段的发育又可分为原B淋巴细胞、前B淋巴细胞、未成熟B淋巴细胞和成熟B淋巴细胞等时期,此过程在中枢免疫器官骨髓中进行,不依赖抗原刺激,因此又称为抗原非依赖阶段。第二阶段是成熟B淋巴细胞在抗原刺激下发生免疫应答的各个步骤。B淋巴细胞成熟后便离开骨髓,随血液循环进入外周淋巴组织(如脾脏、淋巴结),并在抗原刺激下活化、增殖,分化为浆细胞,合成和分泌特异性抗体。这一阶段需抗原刺激,又称抗原依赖阶段。小鼠和人类B淋巴细胞发育分化的各阶段,均以免疫球蛋白基因的重排和表达及细胞表面及细胞内分子表达的改变为标志(图2-1)。
图2-1 人B淋巴细胞发育的各阶段
Pre-B淋巴细胞受体(白色卵圆形)、IgM(白色)、IgD(黑色)及其他独特型(窄带)的表达显示如上图。B淋巴细胞以细胞表面表达CD43及B220为基础,小鼠B淋巴细胞在Pro-B及Pre-B阶段与人B淋巴细胞有同源性,可检测到一系列免疫球蛋白重链和轻链的重排,点线表明此时已发生完全基因重排,而非正在进行重排
(二)B淋巴细胞在骨髓中的发育
B淋巴细胞在骨髓中的发育不依赖抗原的刺激,此阶段B淋巴细胞由B祖细胞逐渐分化为成熟B淋巴细胞,各期的分化特征简单示意如图2-2。
图2-2 抗原非依赖阶段B淋巴细胞发育简图
(GH:胚系IgH;GL:胚系IgL;增殖的细胞用加粗的轮廓表示,而静息细胞则无加粗)
1.B祖细胞(progenitor B cell,Pro-B)
或称原B淋巴细胞,是从骨髓中淋巴干细胞分化而来,只存在于骨髓、胎肝等。B祖细胞根据免疫球蛋白重链基因的重排,可分为早期B祖细胞(early pro-B cell,包括 Pro-B1和 Pro-B2)和晚期 B 祖细胞(late pro-B cell,Pro-B3),早期B祖细胞中的Pro-B2细胞 DJ基因片段开始重排,并开始表达组成B细胞受体复合物中的Igα(CD79a)和Igβ(CD79b)。晚期B祖细胞 VDJ发生重排。B祖细胞首先在骨内膜下与骨髓基质细胞接触,直接黏附于骨表面,并在IL-3和IL-7的参与下才能增生分化。B祖细胞在成熟过程中向骨髓腔中心迁移,其后各阶段B淋巴细胞在骨髓或外周淋巴器官中的发育成熟,很少需要与骨髓基质细胞相接触。
骨髓基质为B淋巴细胞的发育提供了两个必不可少的刺激。首先,基质中的黏附分子与B前体细胞上的配体相互作用,提供了细胞间的黏附接触,并向前体细胞发送分化信息。如CD44及表达在B祖细胞上的整合素VLA-4,可分别结合基质细胞上的透明质酸及纤溶酶。当用抗体阻断CD44或VLA-4的相互作用时,则抑制早期B祖细胞的发育。其次,骨髓基质细胞表达了B前体细胞生长和发育所需的重要生长因子,如c-kit配体及IL-7。
小鼠骨髓淋巴系祖细胞共同表达HSA low Thy-1 low CD44 +Sca-1 +c-kit +IL-7R +,人淋巴系祖细胞表达CD34 +CD45RA +CD10 +CD38 +HLA-DR +lin -。以后该细胞定向分化为B淋巴细胞系,则以新的细胞表面分子及细胞内蛋白为标志。
小鼠的早期B祖细胞也称A片段,表达RAG-1、RAG-2蛋白及末端脱氧核苷酸转移酶(TdT),为免疫球蛋白基因重排所需;此外,还表达B220及CD43,但不表达免疫球蛋白;而人早期B祖细胞则表达CD10、IL-7R及IL-3R。通过检测这些分子的表达可区分这群细胞。
晚期B祖细胞不同于早期B祖细胞之处是除重链基因 D H J H重排外,V HD HJ H亦开始出现重排。此期细胞还表达高水平 λ 5、V-Pre-B、Igα、Igβ 蛋白及 RAG-1、RAG-2、TdT。在小鼠,此群细胞通常被称为B和C片段。A、B、C片段为体积较大的增殖细胞,并形成较大的B祖细胞池。与小鼠一样,人晚期B祖细胞亦有D HJ H及部分V HD HJ H重排,表达高水平的重组酶,此外,还表达CD34、CD10、IL-3R及IL-7R,并开始表达CD19及CD40,最后表达CD73、CD22、CD24 及 CD38。
2.B淋巴细胞前体细胞(precursor B cell,Pre-B)
又称前B淋巴细胞。根据前B淋巴细胞的形态以及轻链基因的重排,又可分为大前B淋巴细胞(large pre-B cell,Pre-B1)和小前B淋巴细胞(small pre-B cell,Pre-B2)。与原B淋巴细胞一样,前B淋巴细胞也必须直接与骨髓基质细胞接触,并在IL-3和IL-7参与下才能增殖并表达新的表面抗原,如BP-1/6C3。在小鼠,此部分细胞被称为D片段。早期前B淋巴细胞为Pre-B1,细胞质中出现µ蛋白,而膜表面不表达µ蛋白,轻链基因仍以胚系(germline)状态存在。这些细胞具有增殖能力,主要以阅读框架Ⅰ/Ⅲ进行D HJ H重排。它可进一步发育分化为Pre-B2,细胞表面表达由ψL-µH、Igα和Igβ分子组成的B淋巴细胞抗原受体复合体(BCR),轻链VJ发生重排,但无轻链在膜上表达,因此无功能性mIg的表达,缺乏对抗原的反应能力。同时Pre-B2细胞失去增殖活性,体积较Pre-B1细胞小,IL-7 +的基质细胞也不能使其继续增殖。此外,Pre-B2细胞还表达B220、RAG-1、RAG-2,但不表达 TdT 和 c-kit。CD19、CD20、CD138 和 MHCⅡ类抗原在此阶段开始表达。一旦免疫球蛋白轻链成功地重排,Pre-B淋巴细胞表达完整的免疫球蛋白于细胞表面,则发育成未成熟B淋巴细胞。
3.B淋巴细胞
B淋巴细胞可分为未成熟B淋巴细胞和成熟B淋巴细胞。未成熟B淋巴细胞开始表达sIgM。此期,细胞表面免疫球蛋白具有μ蛋白同种型,所有其他重链同种型均只表达在更成熟的B淋巴细胞表面,未成熟B淋巴细胞上的IL-7R、CD43及λ 5、V-Pre-B蛋白表达下调。有趣的是,RAG-2仍持续表达,提示这群细胞可能仍能重排免疫球蛋白基因。在小鼠,此群细胞称为E片段。人类未成熟B淋巴细胞CD38表达下调,但持续表达其他Pre-B淋巴细胞标志。未成熟B淋巴细胞已发生V HD HJ H及V LJ L重排,表面开始表达mIgM,但如与抗原(包括自身抗原)结合,易使膜受体交联,产生负应答。此时,未成熟B淋巴细胞如与多价自身抗原结合,则发生程序性死亡或凋亡,使B淋巴细胞发生克隆排除;如与可溶性自身抗原结合,则使B淋巴细胞处于抑制状态,导致无反应性并失去sIgM,迁移至外周淋巴组织,成为仅表达IgD的无反应性B淋巴细胞,而不能继续分化为成熟B淋巴细胞。这是形成自身免疫耐受的原因之一。只有未受到抗原刺激的未成熟B淋巴细胞才能进一步发育、分化为成熟B淋巴细胞(图2-3)。换言之,选择的结果仅使部分未成熟B淋巴细胞分化为成熟B淋巴细胞,大部分细胞则在骨髓中原位凋亡。如果这些细胞与自身抗原反应不能终止未成熟状态,反而诱导进一步重排(特别是轻链的重排),则有可能导致自身免疫性疾病的发生。
图2-3 骨髓中自身抗原导致未成熟B淋巴细胞克隆排除或灭活
未成熟B淋巴细胞进一步发育,进入骨髓毛细血管窦,逐渐成为成熟B淋巴细胞,并定居于外周淋巴器官。此时尚未接受抗原刺激,故又称为处女B淋巴细胞(virgin B)。成熟B淋巴细胞表面共同表达mIgM和mIgD。mIgD的表达防止B淋巴细胞与抗原结合后所引起的免疫耐受。另外成熟B淋巴细胞还表达丝裂原受体、补体受体、Fc受体、细胞因子受体、病毒受体及一些分化抗原等。
(三)B淋巴细胞在外周组织中的发育
外周组织中B淋巴细胞的发育主要在次级淋巴组织中进行,除需要依赖抗原外,通常还需要抗原递呈细胞及T辅助细胞的参与(图2-4)。
图2-4 抗原依赖的B淋巴细胞的发育
主要在次级淋巴器官进行,依赖抗原刺激,此外尚需抗原递呈细胞及T辅助细胞的参与。经选择后通过生发中心的细胞用阴影表示
具有sIgM和IgD的成熟B淋巴细胞离开骨髓后,随血液循环进入外周淋巴器官——脾、淋巴结和黏膜相关淋巴组织。B细胞在外周淋巴组织中的增殖与分化包括B细胞进入B细胞区、识别抗原、与T细胞发生相互作用、出现增殖性原发灶、形成生发中心,并在生发中心中完成抗体亲和力成熟及类别转换,最终形成浆细胞及记忆B细胞。
B细胞可以经过两种途径进入外周淋巴结,一是经由输入淋巴管,二是穿越位于淋巴结中的高内皮小静脉(high endothelial venule,HEV)。其在淋巴结中的迁移和发育有三种途径或时相(图2-5)。
小鼠外周免疫器官大约有1×10 8个B淋巴细胞,其中大多数为成熟B淋巴细胞,细胞表面表达IgM及IgD。成熟的IgM +IgD +B淋巴细胞在淋巴结、血液及外周淋巴组织中不断循环,监视体内抗原的存在。在外周淋巴器官,成熟B淋巴细胞主要在滤泡及脾的边缘带。边缘带B淋巴细胞主要是长命的无分化细胞,表达补体受体1和2(CR1/CR2;CD21/CD35)。边缘带B淋巴细胞占所有脾B淋巴细胞的5%~10%,主要由IgM +IgD +B220 +CD23 +(CD21/CD35) +小B淋巴细胞组成;而人类这些B淋巴细胞群为CD19 +CD40 +CD73 +CD22 +CD24 +CD2 1 +CD23 +CD38 +,但CD138表达缺失(图2-1)。一旦出现外来抗原,最适于清除表达相应抗原的病原体的淋巴细胞便被激活。在B淋巴细胞群中,特定的B淋巴细胞根据其免疫球蛋白对特异抗原的亲和力而选择性地扩增。成熟B淋巴细胞被相应抗原或多克隆刺激剂刺激后成为活化B淋巴细胞,继而发生增殖和分化。在此过程中,膜表面免疫球蛋白水平逐渐降低,而分泌型免疫球蛋白逐渐增加,并可发生免疫球蛋白基因重链类别的转换。活化B淋巴细胞中的一部分可转变为小淋巴细胞,停止增殖和分化,并可存活数月至数年。当再次与同一抗原接触时,很快发生活化和分化,产生的抗体水平高,潜伏期短,维持时间长,这种B淋巴细胞称为记忆B淋巴细胞(memory B cell)。记忆B淋巴细胞在形态上与未受抗原刺激的成熟小淋巴细胞相似,但它合成高亲和力的IgG或IgA,长期存活并不断再循环,当再次接触相同抗原刺激时能很快分化为浆细胞。此外,成熟B淋巴细胞进入血液循环后,还有可能接触表达于特定类型细胞(如肝脏)上的自身抗原,这些细胞以与骨髓中未成熟B淋巴细胞相似的方式被剔除或灭活。
图2-5 B细胞在淋巴结中的迁移和发育的三种途径或时相
A:初始B细胞从HEV进入T细胞区,因不表达CXCR7而不能停留,从B细胞区进入循环。B:接触抗原后的B细胞(致敏B细胞)诱导性表达CXCR7,能从HEV或初级淋巴滤泡进入T细胞区,和该处T细胞相互作用后激活,形成原发灶,并分化出产生IgM的浆细胞。C:激活的B细胞可大量表达CXCR5,在滤泡树突状细胞(图中未画)分泌的趋化因子BCL作用下迁移至B细胞区,并在该处形成生发中心,经过亲和力成熟及类别转换,最终分化成能够产生IgG等免疫球蛋白的浆细胞,并进入骨髓和参与循环
成熟B淋巴细胞一方面不断被剔除和灭活,另一方面不断从骨髓中得到补充,保持成熟B淋巴细胞池数目的相对稳定。当这些B淋巴细胞接触到抗原刺激时,其表面的免疫球蛋白与抗原结合,同时细胞表面的CD40和IL-4受体分别与T细胞表达的CD40配基(CD40L)以及分泌的IL-4结合而使细胞活化。在生发中心里,活化B淋巴细胞如果不与表面免疫球蛋白交联或无CD40信号刺激,就会发生凋亡。活化的细胞在IL-5协同作用下合成DNA,细胞增殖,胞体增大,形成B母细胞(B-blast),初级滤泡成为生发中心。B母细胞为胞质嗜碱性细胞,体积较未受抗原刺激时增大,有多个居中的核仁,它在IL-6作用下进一步发展为仅有少量嗜碱性胞质、核圆、核仁位于边缘的中心母细胞(centroblast),又称无裂核细胞。此时表面IgD丢失,IgM表达也减少。中心母细胞继续分化,形成核不规则或有裂、核仁小而不明显的中心细胞(centrocyte),此时表面免疫球蛋白很少,开始出现胞浆免疫球蛋白。中心细胞可在IL-6作用下分化为浆细胞,但主要形成记忆B淋巴细胞。
完整的免疫球蛋白序列及其编码基因揭示,许多免疫球蛋白均存在V区编码部分的点突变。随后的研究证实点突变数量的增加与可变区结合抗原的亲和力增加有关。由此人们提出这样一个假说,在B淋巴细胞发育的抗原依赖阶段诱导免疫球蛋白可变区基因点突变的过程中产生了同一可变区的各种变异。免疫球蛋白的突变首先在初级免疫反应启动后第7~10天,1~3个核苷酸的置换突变随时间而增加,至少持续至第18天。当B淋巴细胞被提呈给抗原的时候便被诱导增殖并发生体细胞的高度变异,从而使机体能够产生更多的表达抗原特异的免疫球蛋白的子代B淋巴细胞,并在抗原结合区有各种不同的较少序列的变异。表达突变免疫球蛋白的B淋巴细胞或者成为自身反应B淋巴细胞,或者较原未突变的母代免疫球蛋白更不能结合抗原而发生凋亡;而表达突变的免疫球蛋白且亲和力增高的B淋巴细胞则结合抗原而被选择性地扩增。这一过程使B淋巴细胞不断增殖,更有效地清除感染的病原体。此阶段的发育是在外周淋巴器官内的特殊结构生发中心进行。
(四)生发中心的结构和功能
生发中心是末期效应因子及记忆淋巴细胞发育的重要场所,是促使抗原特异的淋巴细胞大量增殖的场所,是B淋巴细胞产生和分泌大量高亲和力抗体的场所。此阶段的错误将产生严重的后果。例如,一个未受刺激的未成熟自身反应B淋巴细胞不可能引起多大的问题,但是如果该B淋巴细胞在生发中心被刺激产生了大量自身反应的抗体,就会产生严重后果。因此,生发中心在刺激免疫反应及是否清除自身反应淋巴细胞方面均具有重要作用。
当B淋巴细胞在外周淋巴组织中的周围小动脉的淋巴鞘膜内初次遇到抗原及其同源T细胞时,生发中心就开始形成(图2-6)。一旦被激活,成熟B淋巴细胞便增殖,并进一步发育成为分泌抗体的B淋巴细胞或者迁移至将形成的淋巴滤泡内。当淋巴滤泡形成时,B淋巴细胞便在由滤泡树突状细胞(follicular dendritic cells,FDC)组成的庞大的网络内分裂增殖。当抗原致敏B淋巴细胞与负载抗原/抗体或抗原/补体复合体的FDCs接触时,便启动了生发中心反应。这些FDCs能够长期表达含有抗原的复合体于细胞表面,因而作为抗原库维持生发中心的反应及B淋巴细胞记忆。这些B淋巴细胞迅速增殖并获得新的表型特征,包括结合花生凝集素及表达由GL-7抗体识别的抗原表位。这种早期的生发中心的反应使周围未累及的滤泡细胞压缩,形成一个套膜区,环绕成一个新的生发中心,也称次级滤泡。
次级滤泡形成后,很快生发中心向两极在邻近T细胞区形成一个暗区及一个更远端亮区。暗区含有迅速分裂的B淋巴细胞,为暗区的主要组成细胞。亮区由非分裂的B淋巴细胞,庞大的FDC网络及T H细胞组成。细胞标记研究表明,新产生的B淋巴细胞起源于生发中心的暗区,并向亮区移动。相反,B淋巴细胞在亮区也能重新进入暗区并重新增殖。这种周期性的迁移刺激了B淋巴细胞的增殖,导致记忆B淋巴细胞的发育,并诱导体细胞高度突变。
(五)B淋巴细胞亚群
目前,按照成熟B淋巴细胞是否表达CD5分子,B淋巴细胞分为B-1(CD5 +)和B-2(CD5 -)两个亚群。B-2细胞是通常意义上的B淋巴细胞,遵循上述方式的发育和分化,主要介导特异性免疫中的体液免疫。B-1细胞在人类、小鼠和家兔等种属中均存在,其发育分化、分布、受体表达和免疫功能与B-2细胞均明显不同(表2-1)。
图2-6 生发中心的反应
生发中心的反应随着B淋巴细胞由暗区向亮区迁移而开始。a.未分裂的mIg +B淋巴细胞,此外指中心细胞,结合可溶性抗原后便凋亡;b.凋亡的B淋巴细胞被巨噬细胞清除;c.表达高亲和力抗体的中心细胞与负载抗原的FDC相结合,中和抗原;d.抗原被递呈给T辅助细胞;e.T/B淋巴细胞成功地结合后,成为记忆B淋巴细胞向外周迁移;f.未进行T/B反应的细胞则凋亡并被清除;g.作为mIg -中心母细胞回到暗区,进行又一轮增殖
表2-1 B-1细胞、过渡期B淋巴细胞以及B-2细胞的特性比较
B-1细胞在个体发育过程中出现较早,主要在胚胎的胎肝、网膜中发育,少部分在出生前有短暂的骨髓中发育。在成人或成年动物骨髓中,B淋巴细胞中仅有B-2亚群。B-1细胞的抗原识别特异性较低,可能原因是B-1祖细胞中不表达TdT,因此在V(D)J连接中很少有N-核苷酸的插入;且在VDJ重排过程中,B-1祖细胞使用了最靠近C基因片段的V基因片段,使VDJ重排的多样性大为减少。
B-1细胞主要分布于腹腔、胸腔和肠壁固有层中,在淋巴结和脾脏中含量较少。具有自我更新的能力,这种自我更新需要IL-10的参与。B-1细胞表达sIgM,但几乎不表达IgD分子。CD5分子可与另一B细胞表面分子CD72结合,促进B淋巴细胞之间的相互作用和信息交流,但具体意义尚不清楚。
研究表明,小鼠的B-1细胞由不成熟的干细胞衍生而来,出生前最为明显。出生后干细胞发育分化为B-2细胞,其原B淋巴细胞表达TdT和多种抗原受体,但仍然具有增殖能力,这些细胞称为过渡期B淋巴细胞或B-1a细胞。随着个体的发育成熟,原B淋巴细胞发育成B-2细胞,失去了自我更新的能力,同时TdT的表达进一步增强。
B-1细胞对多种细菌和变性自身抗原的刺激发生应答,对机体抗感染免疫和维持自身稳定可能起着重要作用。在一定条件下,由B-1细胞分泌的IgM也参与了自身免疫病的发生,如类风湿关节炎、系统性红斑狼疮等,B-1细胞比率常与自身抗体的效价呈正相关。慢性淋巴细胞白血病和MM患者,B-1细胞也常常增多;肿瘤细胞也常常表达CD5分子,故有人认为这些疾病由产生自身抗体的多克隆B淋巴细胞经克隆选择而来。
(六)B淋巴细胞发育的终末阶段
1.浆细胞的发育及表型
浆细胞是B淋巴细胞发育的终末阶段。在一些淋巴组织(如脾、淋巴结、扁桃体)中,受较高浓度的抗原刺激而开始发育。形态学上最早可辨认的分泌免疫球蛋白的细胞是原浆细胞。这类细胞分裂较快,具有中间或转化状态细胞特点的浆细胞仍有分裂能力,同时继续分化成熟,成为小浆细胞。在淋巴细胞向浆细胞转化的过程中,细胞表面抗原发生了巨大变化,产生大量胞浆免疫球蛋白,许多B淋巴细胞分化抗原则不表达在成熟浆细胞上,包括表面免疫球蛋白及HLA-Ⅱ类抗原。从生发中心B淋巴细胞到骨髓浆细胞,B淋巴系细胞的分化可通过表型分析进行鉴别,如图2-7所示。
值得一提的是表面抗原CD138在成熟B淋巴细胞上表达缺失,而在浆细胞上又重新获得表达,作为一种跨膜聚糖,CD138还可表达在各种来源的肿瘤细胞表面,如骨髓瘤、卵巢癌、乳腺癌、肝癌、某些人类免疫缺陷病毒(HIV)相关的淋巴瘤。目前,临床上多采用CD138来分离纯化浆细胞。
通过表型分析还可鉴别正常及恶性浆细胞,正常浆细胞为CD19 +CD56 -,而恶性浆细胞大多(64%)为CD19 -CD56 +,部分(27%)为CD19 -CD56 -,罕见(3%)CD19 +CD56 +,部分MGUS为CD19 +CD56 -或CD19 -CD56 +(图2-8)。故有学者认为借此可在MGUS或骨髓瘤前阶段检测出恶性浆细胞。
2.浆细胞的组织形态学
早在1875年,人类就已有了关于浆细胞形态的描述。浆细胞的概念首先由Waldeyer提出,然而当时作者对浆细胞的描述中包括了几种类型的细胞。1881年Unna对浆细胞进行了重新定义,强调了特征性的碱性细胞质。这以后出现了采用甲绿和派若宁染色,从而很容易将浆细胞与其他细胞区别开来。1895年,Marschalko在Unna工作的基础上提出改进,强调了浆细胞胞核的表现,即以特征性的胞核染色质块呈一定角度排列,且胞核偏心,并被认为是鉴别浆细胞的严格标准。
图2-7 浆细胞的发育及表型
图2-8 正常及恶性浆细胞表型的区别
浆细胞由小B淋巴细胞在抗原刺激及T细胞的辅助作用下发育分化而来。由静息的淋巴细胞发育为原浆细胞、幼浆细胞直至成熟浆细胞,细胞要经历数次连续的有丝分裂。体外经7~10天的商陆丝裂原诱导培养,B淋巴细胞便转化为浆细胞,这些浆细胞很少出现直径2~3μm大而致密的包涵体,称为罗氏小体(Russell body),罗氏小体为存在于内质网(endoplasmic reticulum,ER)中的胞浆免疫球蛋白,有时在吉姆萨(Giemsa)染色过程中被溶解掉,通常在病理情况下出现,但也可能在正常淋巴结或骨髓中找到。
光学显微镜下各阶段浆细胞形态学特征如下(瑞特-吉姆萨染色):
(1)原浆细胞(plasmablast):
形态圆形或椭圆形,直径15~20μm。胞核圆形,占细胞的2/3以上,常偏位。核染色质粗颗粒状,呈紫红色。核仁2~5个。胞质量多,呈灰蓝色,不透明,核的一侧可有半圆形淡染区,不含颗粒(彩图8a、彩图9a)。
(2)幼浆细胞(proplasmacyte):
细胞多呈椭圆形,直径12~16μm。胞核圆形,占细胞的1/2,偏位。核染色质开始聚集,染深紫红色,可呈车轮状排列,核仁基本消失。胞质量多,呈不透明灰蓝色,近核处有淡染区,有时可见空泡或少数嗜天青颗粒(彩图8b、彩图9b、9c)。
(3)浆细胞:
当用多染法染色时,成熟浆细胞具有典型的碱性细胞质,细胞质丰富。胞体平均直径为14.4μm(9~20μm),平均核径为8.5μm,胞核圆或卵圆形,偏心,胞核的极性可归因于一个较大的副核区(paranuclear zone,相当于高尔基复合体)。核染色质粗糙,凝聚成块状,着色深,排列呈车轮状,核仁不明显(彩图8c、彩图9d)。典型的小浆细胞(Marschalko型)核偏心,染色质呈放射状,高尔基复合体区明显,细胞质嗜碱性,吉姆萨染色呈不透明的深蓝色或蓝紫色。偶尔在正常人的骨髓内可检出2个或更多核的浆细胞,但大于4叶的巨浆细胞十分罕见。
浆细胞细胞质的强嗜碱性与富含核糖核蛋白有关,并以其对阳离子染料具有高度的亲和力为特征,当用甲绿-派若宁染色时胞核被甲绿染成蓝绿色,而细胞质因含大量核糖核蛋白而被派若宁染成红色。细胞质也可被其他几个碱性染料染色,如甲苯胺蓝及天青。某些浆细胞细胞质在吉姆萨染色时呈红色至紫罗蓝色之间的颜色,而不是蓝色,称为“火焰状”浆细胞。这种现象的形成是由于含有较多碳水化合物的免疫球蛋白蓄积,导致内质网池膨胀所致。
特定疾病患者的浆细胞可能具有不同的组化特征。这些细胞可能体积更大,出现细胞质包涵体并可由过碘酸雪夫染色(PSA)染色观察到。在血色病及含铁血黄素沉着症,电镜检查可见浆细胞存在含铁血黄素。其他细胞化学特征主要有:浆细胞的过氧化物酶与非特异性酯酶均阴性,而β-葡萄糖醛酸酶及线粒体酶标记呈强阳性。MM及巨球蛋白血症患者,其浆细胞的大小及形态均发生本质的改变。在某些条件下,通过电镜可在浆细胞内检测到淀粉样包涵物。
电镜下,浆细胞胞核由双层膜包绕,外膜覆盖着核糖核蛋白颗粒,与细胞质内质网相连。高尔基复合体发育良好,并由囊泡和微管组成。中心体紧邻着胞核由高尔基复合体包绕。
浆细胞的一个显著超微结构特征是丰富的内质网,高尔基复合体亦很发达,散布于内质网带之间的线粒体为合成抗体提供了能量来源,因而其内含有大量的代谢酶系(图2-9)。
图2-9 正常浆细胞的超微结构
内质网由散布着核糖体颗粒的平行排列的膜组成,成熟浆细胞内质网充满了整个细胞质。有时内质网池被颗粒状或均质性物质胀大,形成细胞质包涵物,即由免疫球蛋白组成的罗氏小体。亦有人提出这种包涵物并非由免疫球蛋白形成,因免疫球蛋白浓缩到了不能渗入包涵体内的程度。罗氏小体有时可在核内被检测到(核内包涵体)。在一定的环境条件下,浆细胞内出现大量的均质性物质,将细胞胀大,染色呈灰色或有时染成火焰状细胞的红色。电镜下这些称为储存细胞的出现表明内质网池的膨胀。根据合成的免疫球蛋白的贮量,火焰状细胞很可能是储存细胞的早期阶段。有两方面证据表明上述现象均是免疫球蛋白分泌紊乱的结果。非分泌型的骨髓瘤细胞通常类似储存细胞或火焰状细胞。Mott细胞(含有多个罗氏小体的浆细胞)也是免疫球蛋白分泌被完全或部分阻断而导致内质网池局部膨大的结果。
最不成熟的浆细胞是原浆细胞。它有一个染色质均匀分布的胞核及一个大的核仁,内质网粗糙,细胞质内充满成簇分布的多核糖体。原浆细胞进一步发育成为幼浆细胞。幼浆细胞富含内质网,但较成熟浆细胞为少。一些幼浆细胞类似于少数成熟转化的含有简单内质网及许多核糖体和多核糖体的淋巴细胞。浆细胞肿瘤及高丙球蛋白血症患者血液中的这些细胞是诊断的依据,有时在病毒感染患者血液中可见到相似的细胞。
3.免疫球蛋白合成的分子和超微结构特点
Hams及其同事曾对免疫动物的淋巴细胞在超微结构水平进行了翔实的研究,结果表明当细胞仍保持“淋巴细胞”形态且无内质网时则有抗体产生。这些细胞可由富含游离多核糖体及一个大的核仁的静息淋巴细胞分化而来。许多分泌抗体的细胞可根据大小及内质网的发育而进行分级。早期阶段,内质网稀少且无结构,以后板层(lamellae)变长并平行排列,直至充满整个细胞质,形成洋葱皮样外观,同时高尔基复合体亦增加。
虽然具有淋巴细胞形态的产生IgM的细胞,与具有浆细胞形态的产生IgG的细胞在数量上有区别,但这两种细胞却无明显的分化界线。含有抗体的浆细胞可在脾脏的红髓、淋巴结的髓索中检测到。
Avrameas及其同事采用免疫酶技术阐明了免疫球蛋白的超微结构及抗体形成特点。抗体首先出现在核周池,最后在内质网中被检测到,其在细胞内的超微结构定位如图2-10。内质网池是逐步活化的,因为在同一个细胞内并非所有的内质网池在任何时刻均含有抗体。抗体与内质网的核糖体相连,且不存在于内质网池之外。在许多内质网少或无的原始细胞中,抗体存在于细胞质。随着时间的延长,抗体在细胞内的分布及合成速率均增加。并非所有的浆细胞在反应初始均产生抗体。在免疫后的头2~3天,大多数浆细胞产生免疫球蛋白,但无抗体活性。产生抗体的浆细胞出现在免疫反应的晚期。在同一个细胞内,并非所有的内质网池均有合成免疫球蛋白的活性。在整个浆细胞的分化过程中,高尔基复合体内一直都有抗体产生。
(七)B淋巴细胞发育中的分子事件
1.B淋巴细胞在发育中的凋亡
1983年,Opstelten等通过细胞动力学研究最早揭示,在B淋巴细胞发育中高达75%的前体细胞死亡或丢失;放射自显影术证实 125I标记的前期B淋巴细胞在骨髓中迅速被巨噬细胞吞噬而降解。现已证明,发育中B淋巴细胞的丢失是由凋亡所造成。从新鲜骨髓纯化的细胞中,一些B淋巴细胞在显微镜下表现出凋亡的形态学特征:细胞膜形成皱褶,胞核染色质浓缩;一些B淋巴细胞的核碎裂,并形成由膜包裹的凋亡小体。由于大量凋亡的细胞迅速被周围的吞噬细胞吞噬消化,因此体内实验难以反映细胞凋亡的程度。运用骨髓细胞离体短期培养技术,Lu等发现新鲜分离的B淋巴细胞在无血清基本培养液中培养6~8小时后,凋亡的细胞可聚集在培养液中而不被吞噬细胞所吞噬。用免疫荧光抗体标记及核染色,凋亡B淋巴细胞易被流式细胞仪检测,在新鲜分离的骨髓细胞悬液中,凋亡B淋巴细胞约占1.2%。进一步的研究发现,B淋巴细胞在两个发育阶段发生凋亡最为显著:一是介于原B与前B淋巴细胞之间;二是未成熟B淋巴细胞刚开始表达IgM时。原B与前B淋巴细胞的交界阶段,正是前B淋巴细胞进行重链切割和连接的重排阶段。近来单细胞PCR研究证实,高达80%的原B淋巴细胞不能完成重链重排,因负性选择而凋亡。当未成熟细胞开始表达IgM时,将会遇到并识别骨髓微环境中的自身抗原。部分表达自身抗原受体的B淋巴细胞,与抗原结合后被诱导凋亡而清除。Lu等研究证实,B淋巴细胞在不同的发育阶段,bcl-2与Bax蛋白的表达量比率与细胞凋亡和存活密切相关。因此,bcl-2家族蛋白在B淋巴细胞凋亡的信号传递通路中起着重要作用。细胞凋亡的信号调节机制研究表明,bcl-2家族蛋白的表达及活性受细胞内源及外源信号的调节,进而激活Caspase酶,最后导致细胞的降解与凋亡。通过检测不同时间段的B淋巴细胞的凋亡频率,Lu等建立了正常B淋巴细胞在各发育阶段的产生和凋亡模型(图2-11)。运用转基因和基因敲除的鼠模型可推测,经大量凋亡筛选后每天大约有一千万左右的未成熟B淋巴细胞在骨髓中产生。
图2-10 抗体在细胞超微结构中的定位
a.未成熟浆细胞,抗体主要存在于核周区,也可存在于条索状的内质网(ER)及高尔基区(GA);b.成熟浆细胞,ER发育良好,其内充满抗体
2.B淋巴细胞发育的基因调控
(1)IL-7/IL-7R:
IL-7/IL-7R为早期Pro-Pre-B淋巴细胞发育所必需。IL-7是由骨髓基质细胞分泌的细胞因子,对B淋巴细胞的发育、分化和分裂起着重要作用。在IL-7基因敲除的鼠骨髓中,B祖细胞的数量没有明显变化,但前B淋巴细胞和未成熟B淋巴细胞较正常鼠减少10倍。在原B和前B淋巴细胞交界阶段的前体细胞凋亡频率显著增高,而IL-7 -/-未成熟细胞的凋亡频率与正常细胞相比无明显变化。Lu等对IL-7转基因(IL-7Tg)鼠的研究发现,前期和未成熟B淋巴细胞群体的数量显著增大。前期细胞的凋亡频率及程度较正常对照减少一半,然而IL-7Tg未成熟细胞凋亡的动力学与正常细胞一致。前期细胞中bcl-2和Bax的比率与细胞凋亡的频率变化密切相关。这些研究证实IL-7不仅能促进前期B淋巴细胞的分裂增殖,还能调节bcl-2家族蛋白的代谢而显著延长这些细胞存活。在IL-7转基因鼠中常观察到白血病前期的表型,这可能是由于IL-7大量表达使一些功能异常的前期B淋巴细胞在骨髓中未能经受凋亡清除而进入外周淋巴器官,导致病理性改变。进一步研究可能有助于对淋巴细胞白血病发病机制的理解。IL-7R传导的信号调节VDJ重排,在原B淋巴细胞向前B淋巴细胞分化过程中起着关键作用。IL-7Rα -/-小鼠原B淋巴细胞中μ链 DJ可发生重排,但VDJ的重排发生障碍,而且这种小鼠原B淋巴细胞Pax-5转录水平下降,表明该转录因子在VDJ重排中起着重要作用。ras信号通路在产生Pro-Pre-B淋巴细胞中亦至关重要,因此有人提出这样一个假说:IL-7R信号通路可能与ras介导的通路有交叉点。
图2-11 小鼠骨髓B淋巴细胞产生和凋亡的动力学模型
**:细胞的产生;*:细胞更新(×10 6/d);
#:进入凋亡的细胞数(×10 6/d)
(2)基质细胞来源因子 -1(stromal cell derived factor 1,SDF-1):
SDF-1 最初是在基质细胞中发现的,是骨髓微环境中重要的细胞因子。SDF-1是一种趋化性细胞因子,不仅对于原B、前B以及成熟B淋巴细胞都有很强的趋化作用,而且可刺激人CD34 +造血前体细胞的迁移,已证实CXCR4 -/-小鼠B淋巴细胞早期发育即受到严重损害。SDF-1对B淋巴细胞系的发育可能要早于IL-7的调节作用。
(3)IL-10:
IL-10在B淋巴细胞发育中的作用主要是促进前B淋巴细胞的增殖,促进小鼠B淋巴细胞的增殖、MHCⅡ类抗原的表达以及免疫球蛋白的分泌,并与Th2细胞产生的IL-4、IL-5有协同作用。此外还协同CD40L和TGF-β促进免疫球蛋白类别转换为IgA。
(4)前B淋巴细胞受体(Pre-BCR):
Pre-BCR的表达对前B细胞的进一步发育必不可少。抑制小鼠细胞表面Pre-BCR的表达或抑制其信号转导的能力,将导致B细胞发育明显受损及重链等位基因排除丧失。已有研究表明,Pre-BCR活性缺陷可导致重排的免疫球蛋白不能转运到细胞表面,从而导致细胞阻滞在Pre-B淋巴细胞阶段。
(5)重组激活酶基因RAG-1和RAG-2:
RAG-1和RAG-2的活性对B淋巴细胞的发育成熟起着决定性作用。在RAG基因敲除的鼠骨髓及外周淋巴细胞中,没有前期B淋巴细胞及成熟B淋巴细胞,证实免疫球蛋白基因重组、重链合成对B淋巴细胞的分化与成活十分关键。小鼠的RAG-1或RAG- 2缺陷则导致B淋巴细胞(及T细胞)分化完全停滞,形成类似于严重联合免疫缺陷(severe combined immune deficiency,SCID)的表型。研究显示,RAG-2 -/-鼠骨髓中原B淋巴细胞的凋亡频率比正常对照高1.5倍。短期活细胞培养实验数据与早期细胞动力学的推测一致,显示正常鼠骨髓中70%的原B淋巴细胞在发育中凋亡。进一步实验发现,RAG-2 -/-原B淋巴细胞bcl-2蛋白表达量没有显著变化,但Bax蛋白表达量较正常原B淋巴细胞显著增高。因此,Bax与bcl-2蛋白的比率升高可能促使RAG-2 -/-原B淋巴细胞凋亡。
(6)其他:
干细胞因子(stem cell factor,SCF)由造血基质细胞产生,是通过与干细胞因子受体(c-kit)相互作用而促使靶细胞向原B淋巴细胞分化。当原B淋巴细胞分化为前B淋巴细胞后,c-kit消失,前B淋巴细胞随之丧失对SCF的反应性。有研究显示c-kit及Flt2/Flt-3与IL-7共同作用诱导了Pro-B淋巴细胞的生长。c-kit表达于骨髓造血干细胞,Flt-3表达于未定向造血干细胞和早期淋巴样细胞。c-kit和Flt-3的信号转导可能是互补的,当c-kit和Flt-3基因同时剔除后,B淋巴细胞的发育受到严重障碍。
3.B淋巴细胞发育的转录调控
B淋巴细胞发育过程中相关基因的表达受到细胞内转录因子的调节,在B淋巴细胞发育的不同阶段,转录因子的表达及其发挥作用的阶段不同(图2-12)。以下分两部分阐述B淋巴细胞在抗原非依赖阶段及抗原依赖阶段调节相关基因表达的转录因子。
图2-12 调节B淋巴细胞发育的转录因子
图上部是B淋巴细胞发育各个阶段起着重要调控作用的转录因子;
横线条表示各转录因子在B淋巴细胞发育阶段的表达情况(NF-κB表示细胞核内NF-κB的活性形式);
在前体细胞中的表达(用细胞系证明);
转录因子表达;
转录因子的表达水平降低
(1)调节B淋巴细胞抗原非依赖阶段基因表达的转录因子:
参与B淋巴细胞抗原非依赖阶段的转录因子有 Ets家族(主要是 PU.1 和 Ets-1)、Ikaros、E2A、EBF、BSAP、NF-κB/Rel、Sox-4等。影响B淋巴细胞早期发育的转录因子主要调节着两个关卡(checkpoint),即共同的淋巴样祖细胞向B淋巴细胞系发育及原B淋巴细胞向前B淋巴细胞发育。目前,已知PU.1和Ikaros在前一个关卡起作用,而E2A、EBF和BSAP可能在第二个关卡起作用。
1)Ets转录因子家族:
这个家族参与B淋巴细胞早期发育的成员主要有PU.1和Ets-1。PU.1/Spi-1是从FRIEND白血病病毒感染的红系白血病细胞中分离到的一个基因,它在肿瘤细胞中插入Spi-1位点。PU.1只表达于血细胞,包括B淋巴细胞、巨噬细胞、单核细胞、中性粒细胞、早期幼稚红细胞及多种干细胞。PU.1中含有谷氨酸富集区和酸性氨基酸富集区的两个转录激活基序,以及一个介导蛋白质相互作用的PEST结构域。在B淋巴细胞中,RAG-1、Igα、Igβ、V-Pre-B、λ 5、BTK、bcl-2、TdT、CD19 以及 J链基因的转录调节元件中含有 Ets结构,其中λ 5/V-Pre-B与μ链形成Pre-BCR,对B淋巴细胞的发育至关重要。 PU.1基因敲除小鼠缺失B淋巴细胞,并于胚胎期死亡。另外,PU.1的调节作用需要其他辅助因子的参与,只有当它和干扰素调节因子(IRF)家族的 NF- EM5/Pip结合后才对 3′κE(3′κenhancer)有激活作用,IRF家族的另一个成员ICSBP对PU.1作用于λE(λenhancer)则具有负调节作用。
2)Ikaros:
Ikaros蛋白属于Krüpple C2H2锌指蛋白家族成员,结合DNA的核心序列为5′-GGGAAT-3′,表达于造血干细胞、红系和髓系前体细胞以及T细胞、B细胞、自然杀伤细胞(NK细胞)等。此外,Ikaros在B淋巴细胞早期发育中起关键调节作用,在发育最早期就开始起作用,参与共同的淋巴样祖细胞向B淋巴细胞系方向发育。Ikaros调节的靶基因包括RAG-1、Igα、V-Pre-B、λ 5和 TdT,其中与 V-Pre-B、λ 5和 TdT 基因结合的位点和 Ets识别的序列有重叠。剔除 Ikaros基因的小鼠胚胎缺失B淋巴细胞,而且是在原B淋巴细胞之前发育受阻;如果小鼠表达具有显性负调节作用的Ikaros,免疫系统的发育将完全受阻,而且大多数小鼠于3周内死亡。
3)核因子 κB(NF-κB/Rel):
NF-κB 是由 Sen 和 Baltimore于 1986 年首先从 B 淋巴细胞核抽提物中检测到的一种能与免疫球蛋白κ轻链基因增强子κB序列特异结合的核蛋白因子,在κ轻链基因的表达中起重要作用。以后多年的研究发现,该因子具有十分重要的功能,与细胞生长、分化、黏附、炎性反应及细胞凋亡等过程的基因转录密切相关。NF-κB因能与κEi元件结合,而被认为是一种前B淋巴细胞诱导性转录因子。目前认为NF-κB还对许多在感染、应激、损伤反应中起重要作用的基因表达至关重要。NF-κB是转录因子NF-κB/Rel家族成员之一。Rel家族中至少有5个成员与B淋巴细胞的发育相关,包括Rel A、Rel C、Rel B、NF-κB1 和 NF-κB2。该家族成员以 N 末端 Rel同源结构域(Rel homology domain,RHD)为特征,以同源或异源二聚体方式与 DNA 结合。抑制因子 IκBα、Iκβ、Iκγ以C末端多个锚蛋白重复序列为特征。这些重复序列与NF-κB结合形成复合物,存在于细胞质中,因而阻断与DNA的结合,当细胞受到活化刺激后,IκB在NF-κB激酶(NF-κB kinase,IKK)的作用下发生磷酸化,NF-κB遂与磷酸化的IκB解离,并进入胞核中,与相应的靶序列结合,调节基因的表达。许多信号均可激活NF-κB,包括细胞因子TNF-α、病毒、丝裂原、紫外线及反应氧自由基。NF-κB的活化诱导了许多编码先天性免疫反应蛋白的基因表达,如急性期蛋白、炎症性细胞因子及黏附分子。NF-κB的活化可被IL-10、糖皮质激素、水杨酸盐、免疫抑制剂、一氧化氮等所抑制。NF-κB的异常激活,可能与许多人类疾病如自身免疫性疾病及肿瘤有关。现已证明NF-κB对B淋巴细胞的分化十分必要,IκB在前B淋巴细胞中过量表达,能抑制NF-κB的活性,使κ链减少,VκJκ重排受阻。此外,小鼠Rel A缺如将导致肝脏发育缺陷,引起胚胎期死亡。
4)细胞特异性激活蛋白(B cell-specific activator protein,BSAP)/PAX-5:
BASP/PAX-5属于配对盒同源域(paired-box homeodomain)转录因子成员,在调节B淋巴细胞的早期发育和中脑发育中起十分重要的作用。BASP由 Pax- 5基因编码。 Pax- 5基因位于人类9号染色体短臂1区3带,BASP表达在表面免疫球蛋白阳性细胞上,而不表达在抗原依赖的晚期阶段。BSAP可调控B淋巴细胞的增殖及同种型转换,但不抑制免疫球蛋白的分泌。BSAP能与 DNA 的 GACGCA-(C/T)G(GT/GA)-(C/A)G序列结合,其 C端富含Ser/Thr/Pro区域,含有一个由55个氨基酸残基组成的强反式激活结构域。在免疫细胞中只有B淋巴细胞表达BSAP,在B淋巴细胞特异性CD19、λ 5、V-Pre-B及Blk基因的启动子中含有BSAP结合位点。BSAP与Ets协同调节Igα的表达;与Ets家族的NF-αP竞争3′CαE结合位点,从而发挥负调节作用;另外,BSAP还抑制未成熟B淋巴细胞中J链的表达。BSAP -/-小鼠一般于出生后3周内死亡,这种小鼠没有前B淋巴细胞、B淋巴细胞和浆细胞,在骨髓中存在CD19 -、c-kit +、B220 +、CD43 +、IL-7R +、D-J-H已重排的原B淋巴细胞,但是胎肝中没有B220 +原B淋巴细胞。最近,Borson等研究表明,Pax-5与Blimp-1的表达水平呈负相关,Blimp-1在11例MM患者的B淋巴细胞中均有表达,而11例健康者均无表达。因此,Pax5的表达改变或缺陷与Blimp-1的表达相偶联,并可导致增殖的B淋巴细胞在未成熟时便分化为浆细胞。
5)E2A:
E2A属于碱性螺旋-环-螺旋(bHLH)转录因子家族,其中碱性结构域介导与DNA的结合,而HLH结构则参与蛋白质二聚体的形成。E2A蛋白以同源或异源二聚体的方式与基因调节元件中的E盒(CANNTG)结合,其中与免疫球蛋白基因增强子结合后能激活其转录及基因的重排。E2A基因敲除证明了E2A参与B淋巴细胞的正常发育,E2A基因缺失使B淋巴细胞发育过程中的 DJH重排受阻,RAG-1、mb-1、λ 5和CD19不表达,B220 +CD43 +B前体细胞缺失。E2A可调节EBF的表达,并与其协同作用诱导一些B淋巴细胞特异性基因的表达。E2A蛋白的功能受Id蛋白的负调节。Id蛋白含有HLH结构域,但不能与DNA结合,因此与E2A蛋白形成的二聚体丧失了结合DNA的能力。Id仅表达于原B淋巴细胞中,Id转基因小鼠与E2A基因敲除小鼠的表型相似。除Id外,锌指蛋白ZEB也可抑制E2A的功能。
此外,bHLH在B淋巴细胞发育及肿瘤形成中亦起重要作用。实际上,此位点基因产物使祖细胞向B淋巴细胞系发育。然而,转基因鼠过度表达主要的负性抑制因子bHLH蛋白,也可导致B淋巴细胞发育的抑制,提示bHLH蛋白水平在维持B淋巴细胞自稳中可能至关重要。
6)早期 B 淋巴细胞因子(early B cell factor,EBF):
EBF 是在研究 mbl基因的启动子时被发现的,其C端具有HLH样结构,介导蛋白二聚体的形成;N端含有一类新的能结合锌离子的基序(H-X3-C-X2-C-X5-C),与DNA的识别有关。EBF表达于早期B淋巴细胞发育的整个过程,但在终末分化的浆细胞中不表达。EBF能与λE和κE结合,能与E47协同诱导免疫球蛋白替代轻链λ 5/V-Pre-B的表达。EBF在原B淋巴细胞向前B淋巴细胞发育中起着至关重要的作用。EBF基因缺失后,B淋巴细胞的发育阻断在原B淋巴细胞阶段,这种B220 +CD43 +的原B淋巴细胞表达胚系μ链和IL-7受体,但DJH不发生重排,Igα、Igβ、替代轻链、RAG-1和RAG-2基因也不表达。
(2)调节B淋巴细胞抗原依赖阶段基因表达的转录因子:
参与B淋巴细胞抗原依赖阶段的转录因子主要有八聚体结合蛋白及其相关分子(Oct-1/2)、OCA-B、Ets-1、PU.1、Stats、NF-κB/Rel、C/EBP、TFE3/MYC、CⅡTA、bcl-6 和 Blimp-1 等。
1)八聚体结合蛋白及其相关分子:
八聚体结合蛋白(Oct-1、Oct-2)属于POU蛋白家族,其N端含有POU特异结构域(POUs),C端为POU同源域。八聚体结合蛋白能与DNA中Oct元件(ATGCAAAT)结合,这种元件存在于所有免疫球蛋白轻链基因和重链V基因的启动子中。Oct-1分布广泛,而Oct-2主要存在于B淋巴细胞中。Oct-1/2的作用受到共激活因子OCA-B的调节。OCA-B特异表达于B淋巴细胞中,能提高Oct-1/2增强转录的活性及其调节的特异性。另外,OCA-B与CⅡTA一起激活MHCⅡ基因的启动子,与Ets因子一起激活PU.1基因的启动子,CD20和CD36基因增强子中的Oct元件对它们在成熟B淋巴细胞中的表达也起着重要的调节作用。Oct-2基因缺失小鼠的B前体细胞正常,但IgM +B淋巴细胞变少,而且对多克隆有丝分裂原的刺激不反应,但对T细胞提供的刺激信号反应正常。 OCA- B基因敲除后,B-1细胞和初级滤泡正常,但没有生发中心,成熟的B淋巴细胞很少,循环的B淋巴细胞数量明显减少,免疫球蛋白亚类及其分泌水平也不正常;另外,这种B淋巴细胞对TI和TD抗原的反应均降低。因此,OCA-B和Oct-2主要作用于B-2细胞抗原依赖阶段,而对B淋巴细胞早期的发育影响不大。
2)Ets家族:
Ets转录因子家族除调节B淋巴细胞抗原非依赖发育阶段外,在B淋巴细胞抗原依赖发育阶段也发挥作用。Ets-1和PU.1分别与μE中的A位点和B位点结合,调节免疫球蛋白重链及轻链基因的转录,而且Ets-1、PU.1与TFE3有协同作用。当刺激BCR和CD40时,Ets-1与AP-1形成复合物,与3′κE结合。在B淋巴细胞抗原依赖发育阶段,PU.1还参与激活J链及其本身启动调节。Ets-1激活B淋巴细胞中DRA基因的启动子。Ets家族中的Elf是B淋巴细胞特异性TdT启动子的一个重要调节因子。由于Ets转录因子家族功能的冗余性(redundancy),Ets-1 -/-小鼠免疫球蛋白水平正常,但Ets-1缺失增加了T细胞的死亡和B淋巴细胞的分化。Ets家族中Spi-B在B淋巴细胞抗原依赖发育阶段中也起着十分重要的作用。Spi-B -/-小鼠虽然有成熟的B和T淋巴细胞,但它们的B淋巴细胞功能和T细胞依赖的体液免疫应答严重异常,这种B淋巴细胞对BCR交联的增殖能力很差,免疫小鼠的IgG 1、IgG 2a和IgG 2b水平很低。
3)MHCⅡ类分子转录激活子(MHC class Ⅱ transactivator,CⅡTA)和X盒结合调节因子5(regulatory factors binding to X box,RFX5):
CⅡTA 是从裸淋巴细胞综合征(bare lymphocyte syndrome,BLS)患者中分离到的一种MHCⅡ基因的共激活因子。CⅡTA分子中富含酸性氨基酸,Pro/Ser/Thr结构域参与激活MHCⅡ基因启动子,另外CⅡTA分子中的3个鸟苷酸结合基序可调节其活性。CⅡTA不能与DNA结合,它与RFX5协同激活MHCⅡ启动子。小鼠缺失CⅡTA基因时表现出特定组织的MHCⅡ表达受损。另外,CⅡTA还调节与MHCⅡ抗原递呈相关的Ii链和DM基因的表达。除RFX5外,CⅡTA的共刺激因子还包括OCA-B、TAFⅡ32等。CⅡTA只表达于MHCⅡ类分子阳性细胞,它的表达可由IFN-γ所诱导。CⅡTA是通过第4个启动子的激活而表达的,启动子Ⅳ的活化需要转录因子Stat1和IRF-1的参与。Stat1只有当与USF1同时存在时才能结合GAS盒,其中USF1与GAS盒旁边的E盒结合。
RFX5也是从BLS患者中克隆到的,能与MHCⅡ启动子中的X盒结合。RFX5 -/-小鼠的胸腺皮质、成熟的DC细胞和激活的B淋巴细胞仍表达MHCⅡ类分子,但胸腺髓质不表达MHCⅡ,因而不能进行对CD4 +的阳性选择,并引起严重的免疫缺陷;另外,这种小鼠巨噬细胞和静止的B淋巴细胞也不表达MHCⅡ分子。
4)Stat:
B 淋巴细胞中表达 Jak1、Jak2、Jak3和 tyk2四种 Jak激酶,其中 Jak3选择性地表达于血液细胞中,正常人活化的外周血B淋巴细胞Jak3水平升高。能被Jak信号活化的Stat有四种,Stat1-4、Stat5a、Stat5b和Stat6。B淋巴细胞由BCR接受刺激后引起Stat3、Stat5和Stat6激活。细胞因子引起的免疫球蛋白类型置换也是通过激活Stat实现的。例如,IL-4激活的Stat6与免疫球蛋白重链ε(Iε)基因的启动子结合并激活其转录,基因的转录使参与重排的基因暴露出来。Jak3 -/-小鼠B淋巴细胞发育在前B淋巴细胞阶段发生障碍,IL-4不能激活这种B淋巴细胞的Stat6,也不能提高CD23和MHCⅡ的表达,IL-4与抗IgM抗体协同亦不能引起B淋巴细胞的增殖。Stat6 -/-小鼠经抗IgD抗体刺激后不能产生IgE。Stat1参与介导IFN-α/IFN-β/IFN-γ传递的信号,为IFN-γ诱导IRF-1和CⅡTA所必需。敲除 Stat5a和 Stat4基因后未发现B淋巴细胞有明显异常。
5)NF-κB/Rel:
NF-κB除调节B淋巴细胞早期发育外,还调节免疫球蛋白类型转换中的基因重排。CD40与其配体CD40L结合后,引起B淋巴细胞NF-κB和免疫球蛋白重链γ1(Iγ1)基因的转录,有赖于Iγ1启动子中的两个NF-κB结合位点与NF-κB的结合。在IL-4诱导下,NF-κB与Stat6协同激活 Iε基因的启动子。另外NF-κB还调节IL-6、MHCⅡ和c-myc基因的表达,其中c-myc的表达影响成熟B淋巴细胞的凋亡,抗BCR抗体刺激WEHI 1231 B淋巴细胞后,B淋巴细胞的免疫球蛋白类型转换和成熟B淋巴细胞的发育均受影响。
6)C/EBP:
C/EBP(CCAAT/enhancer-binding protein)属于碱性亮氨酸拉链(bZIP)转录因子家族,能与增强子中的CCAAT盒结合。B淋巴细胞中的C/EBP蛋白有C/EBPα、NF-IL-6(C/EBPβ)、CRP3、Ig/EBP、LIP 和 CHOP 等,其中 Ig/EBP、LIP 和 CHOP 是 C/EBPα、NF-IL-6 和CRP3活性的抑制因子。C/EBP结合位点存在于μE、Iε、Iγ1和V H基因的启动子,以及基因内部的κE中;另外,B淋巴细胞中的CD22、Id1和IL-8基因中也有C/EBP结合位点。在多数情况下,C/EBP 是与其他转录因子包括 NF-κB/Rel、Stat6、AP-1、PU.1、AML-1 以及 Sp1 协同发挥作用的。基因打靶实验表明C/EBP的负调节作用具有重要意义,如Ig.EBP -/-小鼠死于胚胎期,NF-IL-6 -/-小鼠的巨噬细胞和B淋巴细胞功能异常,小鼠脾脏和淋巴结肿大,IL-6过度表达。
7)TFE3/myc:
TFE3/myc属于bHLHZip蛋白家族,它们均以二聚体形式存在。根据拉链结构域的不同,TFE3/myc可分为三个亚家族:① TFE3、TFEB、TFEC 和 Mi;② USFI/Ⅱ;③Myc/max。它们之间可形成异源二聚体。μE和一些V H基因的启动子中存在TFE3结合位点,结合于转录起始位点远端的TFE3通过bHLHZip结构域可与基因转录起始区的序列相结合,介导转录因子远距离的调节作用。另外, CD23也是TFE3调节的靶基因。通过显性负调节基因转染和基因缺失实验表明,TFE3和TFEB调节μE的作用比USF更为重要。TFE3 -/-与RAG-2 -/-嵌合的T细胞和B淋巴细胞数目正常,但血清球蛋白水平降低2~6倍,这可能与接受T细胞提供的信号能力受影响有关。IgH基因内部增强子中的TFE3结合位点保守性很差,而且核心结合因子(core binding factor,CBF)也与这些位点结合。CBF由α、β两个亚基组成,其中α亚基能与DNA结合,而β亚基能提高整个蛋白质分子与DNA结合的亲和力。由于CBFα或β亚基基因的敲除使小鼠死于胚胎期,因此CBF在B淋巴细胞发育中的作用还无法确定。
8)bcl-6:
bcl-6属于C2H2锌指蛋白家族,是在研究B淋巴瘤中的染色体易位和在霍奇金病中的免疫球蛋白基因重排时克隆的。bcl-6基因编码一种分子量为95 000的蛋白质,其C端含有6个锌指结构,N端是其功能的重要组成部分,含有一个痘病毒锌指(poxvirus and zinc finger,POZ)结构域。bcl-6所识别的DNA序列为(T/A)NCTTTCNAGG(A/G)AT,抑制某些基因的转录。bcl-6在静止B淋巴细胞和T细胞中表达水平很高,但随着细胞的活化表达降低。目前还没有发现bcl-6特异性调节的靶基因。bcl-6与Stat竞争结合Stat位点,可能是其调节基因转录的一种方式。bcl-6 -/-小鼠没有生发中心,也没有亲和力成熟的抗体,并出现因Th2细胞因子升高所引起的炎症。
9)诱导B淋巴细胞成熟蛋白(B lymphocyte-inducing maturation protein,Blimp-1):
Blimp-1由856个氨基酸组成,含有5个Krüppel锌指结构、脯氨酸富集区和酸性氨基酸富集区。Blimp-1特异表达于成熟的B淋巴细胞和浆细胞中,它的表达可以引起B淋巴细胞的分化。最近发现Blimp-1能与c-myc基因表达调节序列中的抑制位点结合,并抑制c-myc在B淋巴细胞中的表达,由此介导B淋巴细胞的终末分化。小鼠缺失Blimp-1基因将死于胚胎期,提示它可能还参与了早期的发育。
(八)B淋巴细胞的生存期及其在骨髓内的生成
B淋巴细胞按生存期的长短可分成两型:生存期>2周者为长寿细胞,<2周者为短寿细胞。大多数骨髓淋巴细胞属于短寿型。从前B淋巴细胞到B淋巴细胞之间的时间间隔是3~4天,大约经历8次分裂。具有最大增殖活性的B淋巴细胞首先在骨髓的边缘(骨内膜下区),然后逐渐向骨髓中心移动。骨髓B淋巴细胞可在某种程度上由外源性物质刺激而生成。与其他系列的血细胞相比,B淋巴细胞的产生不受外周池的反馈调节。由于自我更新速率快,骨髓中便产生大量的淋巴细胞,如小鼠每天可产生总数达5×10 8个B淋巴细胞。其中大多数骨髓中的淋巴细胞被释放并归巢至外周淋巴器官,其余的则在原位死亡。新产生的B淋巴细胞在1~2天内离开骨髓,其在外周血中的存留时间少于30分钟。
骨髓中产生的B淋巴细胞迁移至外周后,便能识别淋巴组织中特定的T细胞非依赖性或B淋巴细胞依赖区。这种特性称为归巢。在淋巴结及脾脏内,B淋巴细胞向滤泡内归巢。