1. TSU.TW
  2. 血液病学
  3. 基础与理论
  4. 造血及其调控

造血调控:细胞因子

细胞因子的命名

自20世纪80年代起,由于分子生物学的蓬勃发展,细胞因子(cytokine)及其受体不断地被发现,又能用基因工程方法大量生产重组的细胞因子,用于实验研究及临床治疗。在对细胞因子加深了解的过程中,细胞因子的命名也多次更改。它曾经被称为“淋巴因子”(lymphokine)、“单核因子”(monokine)等。至今仍有沿用“生长因子”(growth factor)的名称,它容易和垂体“生长激素”相混淆,而且它的功能已远超出对细胞“生长”的调控。何况“细胞生长”一词本身含义不清。个体生长的含义明确,但细胞除了增殖、分化、生存、凋亡外,其“生长”又是指什么而言?于是,“细胞因子”的命名逐渐被更多的人采用。“细胞因子”可以包括一切源自细胞而又以不同方式作用于细胞的活性多肽,它可以调控细胞的各种功能,如增殖、分化、凋亡、识别、防御、恶变、逆转、生物合成等。由于细胞因子的多能性,它们往往对造血、免疫、神经、肿瘤等细胞都有调控作用,所以称它们为“造血因子”或“免疫因子”等,都有片面性。总之,还是命名为“细胞因子”最恰当。

目前,在造血调控方面研究较多的细胞因子有以下一些:

  1. 粒单核细胞集落刺激因子(granulomonocyte colony stimulating factor,GM-CSF);
  2. 粒细胞集落刺激因子(granulocyte colony-stimulating factor,G-CSF);
  3. 单核巨噬细胞集落刺激因子(mono-macrophage colony stimulating factor,M-CSF);
  4. 多向性集落刺激因子(multi-colony stimulating factor,Multi-CSF),即是白介素3(interleukin 3,IL-3);
  5. 白介素6(interleukin 6,IL-6);
  6. 白介素11(interleukin 11,IL-11);⑦红系生成素(erythropoietin,EPO);
  7. 血小板生成素(thrombopoietin,TPO,又称mpl-Ligand或ML);
  8. 干细胞因子(stem cell factor,SCF,又称为kit-ligand,KL);
  9. 芙莱3配体(Flt3 ligand或Flt3/Flk2 ligand,FL尚无适当中文命名);
  10. 白血病抑制因子(leukemia inhibiting factor,LIF);
  11. 刺激T、B淋巴系细胞生长的其他细胞因子,如白介素2、4、5等。

细胞因子的一般生物特性

天然的细胞因子都是糖蛋白,它们分子量多数在15~66kD;它们的基因多数长约3~5kb,不少基因位于人第5、7长臂。在第5染色体的长臂10~35区带中有编码IL-4、IL-5、IL-3、GM-CSF、M-CSF(即CSF-1)、c-fms(M-CSF受体)、ECGF(内皮细胞生长因子)、PDGF-β(β血小板源生长因子)、肾上腺能β2受体及CD14(单核细胞分化抗原)等基因。已有不少报道。临床表现为再生障碍或白血病的部分患者有第5染色体长臂的缺陷者,统称为“5q-综合征”。

细胞因子蛋白必须和靶细胞上相应的受体蛋白相耦联时,才能产生胞内信号(intracellular signal)即第二信号,而细胞因子本身是一个胞外信号(extracellular signal)即第一信号。作为一种生物信号,细胞因子对靶细胞的调控功能必须通过靶细胞表面相应的受体才能实现。所结合的受体数量的多少直接关系到该细胞因子对靶细胞作用的强度。造血干/祖细胞通过自身基因,来调节干/祖细胞表面各类受体的表达量。这是干/祖细胞靠自身调节,来应答造血微环境各种生物信号,适应机体需求的重要途径。

由两个细胞因子基因相连接的重组的嵌合基因所表达的融合蛋白,其生物活性明显地大于这两个细胞因子协同的作用,而且还可能出现这两个细胞因子原来所没有的功能。如IL-3/GM-CSF(即PXY-321)的活性大于IL-3与GM-CSF协同使用的效果;以及IL-6/IL-2(即CH952)具有EPO样的功能等。这些融合蛋白并不改变细胞因子蛋白二级结构,只是改变了细胞因子与相应受体结合的立体构象。这表明细胞因子蛋白和受体蛋白结合的立体构象对细胞因子功能的性质与强度起决定作用。

重组人类细胞因子

重组人类细胞因子(recombinant cytokine)。用基因工程技术重组表达人类细胞因子的基因(全长或活性片段),其表达产物与天然细胞因子的结构与功能完全相同或几乎完全相同,称为重组人类细胞因子。如重组人白介素2(recombinant human interleukin 2,rhIL-2)、重组人粒细胞集落刺激因子(rhG-CSF)等。凡生物活性与其蛋白糖基化无关的,如rhGM-CSF,其重组基因在大肠杆菌等原核细胞表达不带糖基的多肽,与在真核细胞(如哺乳动物细胞)所表达的带糖基的多肽,二者的功能活性完全相同。凡生物活性有赖于蛋白糖基化的细胞因子,如rhEPO,则必须在真核细胞中表达,不可能在原核细胞表达糖基化多肽或蛋白。由于近距调控的细胞因子在体内组织的含量极微,无法大量提取其天然的分子。远距调控细胞因子,如EPO、TPO等,生产提纯难度大、成本高。因此,凡用于临床及实验的细胞因子及其可溶型受体,全部都是重组基因工程产品。

细胞因子的多源性及其生成细胞的多能性

同一类或一个细胞可生成多种细胞因子,其中T细胞、单核巨噬细胞及成纤维细胞等尤为突出,T细胞可生成20多种细胞因子。显然,同一个细胞因子可具有多种功能。例如,IL-3对干细胞及早期、晚期祖细胞,对粒、红、巨核各系多有明显的促生长作用,对T、B淋巴细胞、嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞及单核巨噬细胞的功能都有调控作用。又如GMCSF对髓系早、晚期祖细胞有促生长作用;增强成熟粒细胞的吞灭细菌和病毒的作用;促皮肤真皮层朗格汉斯细胞生长,加快皮肤伤口的愈合,又有促白血病等癌细胞进入DNA合成的S期而提高癌细胞对某些化疗药物的摄入率等多方面功能。又如IL-6,促B细胞生长及表达Ig,又可促T细胞表达IL-2受体,又可促巨核系造血。几乎所有的细胞因子都有多种功能及多种靶细胞,如IL-1的靶细胞除了巨噬、T、B细胞外,还有成纤维、角质、星状、滑膜及软骨等多种组织细胞。TNF与TGF还兼有正负双向调控作用。TNF在体外培养中抑制G-CSF对白血病细胞的促生长作用,但又协同加强GM-CSF或IL-3对同一种白血病祖细胞的促生长作用。TGF-β可协同表皮生长因子(epidermal growth factor,EGF)去抑制成纤维细胞的生长,它却又协同血小板源生长因子去促进成纤维细胞的生长。表明TGF-β对同一类靶细胞具有正负相反的双向调控作用。

细胞因子及其生成细胞的生物学重复性

生物进化的标志之一是各器官、组织和各类细胞功能的专一化和特异化。在高等动物中很少有不同类细胞却具有相同的功能,即生物学重复性或多余性(biological redundancy)。然而,细胞因子却普遍地具有多源性,即多种细胞可生成同一种细胞因子。例如,GM-CSF源自T、巨噬、内皮及成纤维细胞;PDGF不但来自血小板,更大量地产自平滑肌、内皮、正常及异常的胶质细胞;IL-6源自巨噬、转化T和成纤维细胞,也可生成于膀胱癌、骨肉瘤及黏液细胞瘤等细胞株。细胞因子的生物学重复性又表现在几种细胞因子可具有某些完全相同的功能和相同的靶细胞。如十多种白介素类细胞因子中,多种白介素有完全相同的功能或很相似的生物活性;又如GM-CSF和G-CSF的功能有许多相似之处。人们不禁要问:为什么在高度进化的人类仍保留这么多的生物重复性或多余性。至今尚无满意的解释。

细胞因子之间的协同作用

几种细胞因子在一起所产生的作用明显地大于各个细胞因子单独作用的相加,这称为协同作用(synergy)。如IL-3与GM-CSF的协同大大加强了IL-3与GM-CSF单独作用的相加。协同作用又可表现在几个细胞因子在一起时其中某几个或某个细胞因子的作用明显增强。如GM-CSF加强IL-3促CFU-GEMM在体外培养的生长,GM-CSF又增强IL-3+EPO促BFU-E集落的形成,而对GM-CSF或BFUE的生长无任何作用。协同作用还可以表现为几种因子在一起时出现原有各细胞因子所不具有的新的作用。例如,CFU-HPP培养体系必须同时有IL-3、IL-6、G-CSF或再加SCF,这几个细胞因子单独使用都不能使CFU-HPP生长。小鼠CFU-blast的体外培养也必须同时加入IL-3、IL-4及IL-11,缺一不可。IL-1与SCF本身对造血干/祖细胞似乎没有直接作用,它们却可以广泛地协同加强其他细胞因子的作用。这样的细胞因子称之为辅助因子(co-factor或co-stimulating factor)。

关于细胞因子协同作用机制,有不少学说。其中转位调控(transmodulation)(或转位调节transregulation)等研究报告是引起人们兴趣的。某两个细胞因子与一个细胞上相应的受体结合,没有产生协同作用。而其中的一个细胞因子使该细胞上另一种受体的表达增强,因而加强了另一个细胞因子的活性。两个细胞因子相互地都使对方的受体增加,这样二者的协同效应更强。某个细胞因子单独使用时对某细胞无作用,因为细胞表明无相应的受体。如果另外一个细胞因子可诱导表达出这个细胞因子的受体时,则二者联合使用就有协同效应。如细胞因子A对细胞B无直接调控作用,因为细胞B缺乏相应的受体。如果A使邻近的调控细胞C产生另一种细胞因子D,正好在B表面有D受体。于是当A与细胞C在一起,对B细胞便产生协同效应。这里,A是一个辅助性细胞因子,它可诱导细胞B表达另一个细胞因子D的受体,也可以诱导邻近调控细胞C分泌其他适宜的细胞因子而发生调控效应,虽然在靶细胞B上没有辅助因子A的受体。

细胞因子造血调控的等级性与系专一性

细胞因子Flt3L(FL)主要作用于干细胞水平;EPO对红系造血的作用主要在红系晚期祖细胞及终末分化等,均表明这些细胞因子作用的等级性,其作用局限于某些分化阶段。但许多细胞因子对造血的调控没有明显的等级性,如IL-3对干/祖细胞各分化阶段都有调控作用,它对CFU-HPP、CFUGEMM、pBFU-E以及晚期祖细胞都有促生长作用。SCF、TPO、GM-CSF及G-CSF等对造血的调控都没有明显的等级性。

大多数细胞因子没有明显的系专一性(lineage specificity),如IL-3、IL-1、IL-6、IL-11等几乎对所有的各系祖细胞都有调控作用。但EPO主要地作用于红系造血(erythropoiesis),对巨核系造血也有协同或辅助的调控作用,而对其他各系造血都没有调控作用。目前所知,TPO是仅作用于巨核系造血(megakaryopoiesis)的,有明显系专一性的细胞因子。TPO对早期、晚期巨核系祖细胞、巨核系前体细胞的终末分化(包括血小板的形成)各个分化阶段都有调控作用。TPO不但促BFU-MK、CFU-MK生长,又可使巨核细胞数量、体积、染色体DNA倍性(ploidy)增加;增强巨核细胞表面Ⅱb/Ⅲa(血小板膜糖蛋白)的表达;外周血血小板数量增加3~4倍等。总之,TPO具有明显的系专一性,却无明显的调控等级性。

调控造血的部分细胞因子

本文着重介绍3个滞后发现的以及3个临床广泛应用的具有调控造血作用的重要的细胞因子如下:

干细胞因子(SCF)

又称Steel factor(SLF或SF)、KIT Ligand(KitL或KL),也称为肥大细胞生长因子(mast cell growth factor,MCGF或MGF)等。1989年天然SCF分离纯化成功,为分子量45kD的二聚体糖蛋白。1990年美国一家制药公司实验室成功克隆了SCF的cDNA并首先获得专利。不料,当年的CELL杂志在同一期发表美国4家制药公司同时重组克隆SCF获得成功的研究报告,并分别作了上述不同的命名。重组人SCF为大肠杆菌表达的非糖基化的、非共价键二聚体蛋白。重组的SCF 其N端比天然SCF多一个甲硫氨酸,故rhSCF也可称为rhmetSCF。天然SCF有可溶型与膜结合型两种。SCF受体蛋白是c-kit基因表达产物,是第Ⅲ类酪氨酸激酶。当它和SCF结合时,即引起酪氨酸残基磷酸化,产生胞内信号。SCF受体(SCFR)也见于胚胎神经嵴、胚胎原始造血细胞、生殖细胞和色素细胞等;也见于人急性髓系白血病细胞。在体外实验中,SCF不能单独地发挥任何作用,而有明显的协同其他细胞因子的功能,所以SCF是协同因子(synergic factor,co-factor,或co-stimulating factor)。SCF可协同许多细胞因子广泛地作用于造血干细胞和各分化等级的祖细胞,促细胞增殖与分化。体内实验,SCF可大量单独使用,与体内多种细胞因子协同,明显地促进造血。给致死剂量10. 2Gy照射的狒狒大剂量单独SCF 200μg/(kg•d)皮下或静注,使血相提前恢复,活存率明显提高。经骨髓移植加大剂量SCF治疗的效果更明显。

芙莱3配体(Flt3 ligand,FL)

是1993年发现的一个调控造血作用明显的细胞因子。在1991 年Rosnet与Matthew分别报道发现酪氨酸激酶家族两个成员:c-flt3和c-flk2表达的两个受体蛋白。1993年美国一制药公司实验室Stewart等首先报道Flt3和Flk2受体的配体(ligand)具有对干/祖细胞较强的促增殖作用;而且这个配体的重组克隆也同时成功。Flt3与Flk2的两个配体蛋白的分子大小和结构同M-CSF、SCF十分相似。这两个配体蛋白序列仅仅2个氨基酸的差别,二者基本相同。因此,统一称为Flt3 Ligand(芙莱3配体),缩写为FL。FL也有膜结合型及可溶型两种。重组FL在真核细胞表达。rhFL作用于髓系祖细胞和B淋巴系祖细胞。FL与SCF协同可以有效地在体外扩增最早期祖细胞。

血小板生成素(TPO)

早在1958年,德国Keleman报道在血小板减少症的血清中含有一种可以刺激动物血小板增多的物质,取名为血小板生成素。之后30多年内许多学者致力于寻找TPO均遭失败。1990年法国Souyri等在髓系增殖性白血病病毒(myeloproliferative leukemia virus,MPLV)基因组中发现env编码蛋白的结构具有造血因子受体的特征。1992年Vigon等用癌基因v-mplRNA为探针,从人红白血病HEL的cDNA库筛选到c-mplcDNA,其全长序列表明它是造血因子受体超家族的成员。c-mpl的反义mRNA寡核苷酸特异地抑制CD34+细胞分化为巨核系祖细胞,而对其他系祖细胞没有任何作用。证明c-mpl原癌基因表达产物是一种调节巨核系造血特异性物质的受体。于是,几家实验室用c-mplcDNA分子克隆及亲和层析,成功地获得mpl配体蛋白(mpl Ligand,ML)。再根据ML末端氨基酸序列,设计合成寡核苷酸引物,再以PCR法,从人胎肝cDNA库中终于筛选并克隆出MLcDNA,即TPO的重组基因,即数十年来,多少学者要寻找的TPO。其研究途径和上述FL一样,先发现受体再找出它的配体。TPO是分子量60kD的糖蛋白,蛋白部分为35kD。其基因定位于染色体3q27。它单独的功能只专一地在巨核系造血。TPO在体外可诱导CD34+细胞形成巨核系祖细胞。CD34+细胞中有0. 5%~3%细胞对TPO有应答反应。TPO刺激形成的巨核细胞倍性增大,Ⅱb/Ⅱa表达增加,有更多血小板形成。巨核系CFU-MK集落大于其他细胞因子(IL-3、IL-6、IL-11、SCF等)所促成的CFU-MK集落。TPO与SCF、IL-3及EPO有明显的协同作用。TPO可以加强EPO促BFU-E红系爆式集落的形成。TPO与EPO的氨基酸序列有许多相同之处,表明它们的共源性。rhTPO注射给动物,可使外周血血小板增加3~4倍,骨髓CFU-MK增加20倍。TPO又能有效地加快受大剂量照射动物外周血血小板数的恢复。

红系生成素(EPO)

是一个最早、最成功地用于临床治疗的细胞因子。EPO为分子量30~39kD的糖蛋白。EPO在体内的活性依赖于它的糖基。它生成于肾脏皮质部肾小管周围间质细胞,及胎儿肝脏部分细胞。生成EPO的细胞,存在氧分压感受器。当机体缺氧时,EPO生成增加。EPO经血液循环到达骨髓,刺激红系造血,生成更多的红细胞,增加血循环携氧能力。当血循环中红细胞增多到达一定水平时,EPO的生成就发生反馈性抑制,使EPO降低。EPO降低的水平与血细胞比容成反比关系。EPO主要作用于晚期红系祖细胞mBFU-E 及CFU-E。血红蛋白的合成也有赖于EPO。体外CFU-E培养加入EPO后1小时内即有球蛋白mRNA的转录。EPO是体内远距调控的细胞因子,它在血清、尿液中可以检测到。血清EPO水平在诊断和处理各种贫血、红细胞增多症有用的。EPO低水平的贫血有肾性贫血、新生儿贫血、类风湿病贫血等。而肾性贫血体内EPO生成障碍,所以EPO尤有特效。EPO正常或增高的有再障、缺铁性贫血、地中海贫血、巨幼细胞贫血等。真性红细胞增多症体内的EPO水平正常或偏低。有几种贫血体内EPO并不缺乏,但由于红系祖细胞EPO受体基因表达障碍,细胞表面缺乏EPO受体而引起的贫血,则EPO治疗无效。EPO减少的患者若同时红系祖细胞也缺乏EPO受体,EPO的疗效不佳。

粒细胞巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)

是1977年第一个被发现的调控造血的细胞因子。这是澳大利亚Metcalf D.在胎盘培养液中发现的。1985年在Metcalf实验室又成功地克隆了编码小鼠GM-CSF的cDNA,表达第一个重组的细胞因子。从此以后,细胞因子的研究蓬勃兴起,进入了一个新时代。由于重组表达分子克隆的分子生物学技术又有很多发展,加上PCR和RT-PCR技术,细胞因子一个又一个被挖掘出来。临床迫不及待地推广某些细胞因子的应用,更大大促进细胞因子的基础和基因工程的研究。GM-CSF不但作用于粒单系祖细胞,也协同EPO与TPO作用于红系和巨核系祖细胞。它又加强成熟粒细胞和单核细胞的各种功能。还可以增强机体的抗肿瘤和抗细菌、病毒感染的免疫力,促进创伤愈合等。GM-CSF作用之广泛,居各种细胞因子之首。在前面“细胞因子多能性”章节中已经列举了GM-CSF多种功能。GM-CSF产自单核、巨噬、成纤维、T淋巴细胞,几乎在全身各器官组织都能测到GM-CSF。各来源的GM-CSF含唾液酸量不同,分子量从23到200kD不等。去除唾液酸后,GM-CSF分子量为23kD。GM-CSF在体内的功能和它的糖基无关,所以原核或真核细胞表达的重组人GM-CSF的纯化产品都可以用于临床。GM-CSF已广泛用于临床,化疗和骨髓移植后促粒细胞恢复;增强化疗药物杀伤肿瘤细胞效果;又可促烧伤、创伤的创面愈合和控制感染等。对骨髓增生异常综合征(MDS)患者用GM-CSF是否会导致白血病的问题已经解决。国外大量临床实践证明,使用适量的GMCSF(10μg/kg)是安全的。

粒细胞集落刺激因子(G-CSF)

是Metcalf实验室继GM-CSF之后又一个发现。于1986年纯化成功。由于它促CFU-G集落形成的功能,故而命名为G-CSF。人G-CSF分子量为18kD,其基因位于染色体17q21-22。单核、巨噬、成纤维、内皮细胞等都生成G-CSF。多种人癌、肉瘤细胞以及急性髓系白血病细胞,尤其M1,也产生G-CSF。G-CSF在体内的活性并不依赖它的糖基。因此,重组G-CSF在真核或原核细胞表达产物的临床效用相同。G-CSF不但促进晚期粒系祖细胞增殖、分化,加快粒系前体细胞成熟、释放到外周血中,迅速增加外周血中性粒细胞数,而且G-CSF又增强中性粒细胞的功能。临床用于化疗及骨髓移植后加快血相中性粒细胞恢复,防止并发感染。G-CSF又可以作用于早期祖细胞,因此在祖细胞体外培养扩增时可加入G-CSF。G-CSF在体内还能动员造血干祖细胞进入细胞周期,并且释放到外周血中。所以G-CSF可作为动员剂给献血者注射,使血液的中性粒细胞和干祖细胞都增加。

系统医学科普站点:天山医学院, 转载请注明出处:https://www.tsu.tw/edu/11525.html

中华皮肤病30年研究成果

心电图学一学就会

认识人体心脏,从解剖开始!

诱发心血管疾病的综合征

近视屈光激光手术矫正

适用于口腔科

做一个健康强健的男人!

智齿为萌出受阻的牙齿

内分泌与机体代谢医学

  • 造血祖细胞的体外检
  • 趋化因子及其作用
  • 细胞因子受体
  • miRNA与正常和病态
  • 造血细胞因子的病理
医学医院知识

造血及其调控

  • [AD]
搜索 回顶部