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趋 化 因 子 研 究 进 展 北京大学医学部,简 介,目前,近50种趋化因子得以发现,成为最大的细胞因子亚家族; 趋化因子及其受体具有重要的生理意义和病理作用,在炎症、肿瘤、AIDS等疾病中发挥重要作用,趋化因子相关产品已经进入临床研究,成为新的生物治疗热点; 趋化因子的理论和应用研究是目前生命研究的热点之一。,趋化因子研究的迅速发展,趋化因子研究的标志性成果,一、趋化因子,(一)概念: 趋化因子(chemokines, chemoattractant cytokines ,CK)是能使细胞发生趋化运动的小分子细胞因子。趋化运动是指细胞向高浓度刺激物方向的定向运动。,(二)命名,早期:根据CK来源、靶细胞、结构特征而命名。TARC:Thymus and Activation Regulated Chemokine 胸腺和活化调节的趋化因子STCP-1 /MDC: Stimulated T Cell Chemoattractant Protein-1 (活化T细胞趋化蛋白-1 )Macrophage-Derived Chemokine(巨噬细胞来源的趋化因子);,1999年,国际命名委员会根据CK的结构特征命名。绝大多数CK有4个保守的半胱氨酸(Cys),根据前两个Cys的相对位置不同,可以分为CXC() 、CC() 、C() 和CX3C() 趋化因子。分别用CXCLn、CCLn、 XCLn和CX3CLn代表CXC、CC、 C 和CX3C家族CK ,L为Ligand,迄今发现的CK有CXCL1-16, CCL1-28, XCL1-2和CX3CL1。 CCL17/TARC, CCL22/STCP-1/MDCCK基因的命名:SCYn: Small Inducible Cytokine Gene SCYAn:CC; SCYBn:CXC; SCYCn: C; SCYDn: CX3C。CK受体的命名规则与此相似,用R即Receptor代替L。 目前发现的CK受体有CCR1-11,CXCR1-6,XCR1和CX3CR1。http:/gene.bjmu.edu,(三)趋化因子的分类,1、根据蛋白质的一级结构进行分类:CXC ()趋化因子;CC ()趋化因子;C ()趋化因子;CX3C ()趋化因子。,C为半胱氨酸,X为任意氨基酸,(1)CXC()趋化因子,根据该家族CK第一个Cys前是否有ELR(glutamic acid-leucine-arginine,谷氨酸-亮氨酸-精氨酸)结构,分为: ELR CXC趋化因子: ELRCXCCC CXCL8/IL-8 等,趋化Neu,不能趋化Mo;促进血管的生成。 非ELR CXC趋化因子: CXCCC CXCL12/SDF-1等,趋化Lymphocyte或HPC;抑制血管的生成。 同源性: CXC家族CK之间 :25%-90%。 染色体定位:CXCL1-11:4q21;CXCL12:10q11;CXCL13:5q31,CXC趋化因子的名称、染色体定位及受体,(2) CC ()趋化因子,分 类:4Cys CC趋化因子:包括多数CC CKsCCCC6Cys CC趋化因子: CCL15/Lkn-1,CCL21/SLC/6CkineCCCCCC趋化谱:T、B、Mo、Bas、Eos、Neu等。同源性:CC成员之间:25%-70%;定 位:CCL1-16,18,23: 17q11-12; CCL17,22:16q13;CCL19,21,25,27:9p13,CC趋化因子的名称、染色体定位及受体,CC趋化因子在17号染色体上成基因簇形式存在,(3)C()趋化因子,结 构:CC (2,4位Cys) Ltn1,2 (lymphotactin,淋巴细胞趋化素)两个成员,趋化谱:T,BMC定 位:1q23,(4)CX3C ()趋化因子,结 构:CXXXCCCFractalkine/neurotactin: 分形素/神经 趋化素,唯一一个CX3C成员,为膜结合型 CK。趋化谱:膜型:Mo,T;重组的趋化因子功能区:Neu。定 位:16q13,与CCL17,22紧密连锁。,2、根据来源和功能分类:,(1)组成性/淋巴组织/自稳性趋化因子:定 义:胸腺、淋巴结、脾脏中组成性高表达的CK。靶细胞:初始T细胞、胸腺细胞、记忆细胞。功 能:在淋巴细胞的发育、成熟、归巢和再循环过程中发挥重要作用。皮肤、小肠、粘膜组织中也表达此类CKs,与组织特 异性淋巴细胞归巢有关。,自稳性趋化因子的组织表达,(2)诱导性表达趋化因子/炎性趋化因子: 定 义:在LPS、IL-1、TNF-等刺激下产生的CK 。 靶细胞:效应细胞。 功能:防御功能;反应过度时,有破坏作用。,趋化因子的表达模式,炎性趋化因子和自稳性趋化因子成员、受体及靶细胞,(3)其它具有趋化活性的细胞因子,IGF-1,FGF,HGF等细胞因子具有趋化活性,但它们的主要作用不是趋化作用,不列为CKs。,1、CKs分子量小,在8-12KD之间; 2、蛋白质一级结构上具有同源性,CXC与CC 成员之间:20%-30%;,(四)趋化因子的共同结构特点,3、多数CKs含有4个保守的Cys ,1,3位Cys、 2,4位 Cys形成功能必须的两对二硫键;,4、CKs有2个螺旋,3个折叠;,CXCL12/SDF-1的空间构型图(NMR),5、不同CKs具有相似的空间结构。,趋化因子的结构、定位及组成,二、趋化因子受体,趋化因子受体属于7次跨膜的G蛋白 偶联受体超家族(GPCRs,G-protein coupled receptors),1、7次跨膜,C端位于胞内,有Ser/Thr位点,参与信号转导;,(一) 趋化因子受体的特点,2、不同CKR之间具有同源性;,3、胞内区与G蛋白偶联,G蛋白由组成; 4、亚单位具有GTP结合位点和GTP酶活性; 5、CKR未与CK结合时,呈聚合状态,与GDP结合;与CK结合后, 与GTP结合,游离,活化下游效应物.,6、与CKR偶联的G蛋白有多种,与趋化运动有关的G蛋白亚单位多为PTX敏感的GI。,(二)、趋化因子受体的分类1、根据结合配体的不同,分为CXCR, CCR, XCR, CX3CR。2、根据特异性不同,分为特异性受体、共享性受体、杂合性 受体(DARC,Duffy血型抗原,红细胞趋化因子受体)、孤儿受体、病毒受体等。,(三)、趋化因子受体的表达1、CKR有其相对特异的表达谱:CXCR4: Neu、Mo; CCR3: Eos、Bas;DARC:RBC,趋化因子受体、配体及靶细胞,2、CKR的表达具有时、空特异性: (1)在Th细胞的不同阶段,表达不同的CKR:Nave Th:CCR7, CXCR4;Th0: CCR7, CCR5, CXCR3Th1: CCR5, CXCR3; Th2:CCR3,4,8, CXCR4,(2)CKR在DC迁移和功能成熟中具有不同的表达模式:非成熟DC:CCR1,CCR2,CCR5, CXCR4,易于向炎症部位聚集,摄取抗原负载抗原的成熟DC:CCR4,CCR7,CXCR4,便于向淋巴组织迁移,TLR调控DC细胞CKR的表达,(四)CKR的信号传导途径,IL-8+IL-8R,GDP,GTP. ,TPK,PLC2,3 PI-3K,IP3 + DAG,Ca2+,PKC,PKB,MAPK,CKR的信号传导途径,三、趋化因子的基本功能,(一)趋化作用; (二)上调整合素的表达, 活化白细胞; (三)促进细胞脱颗粒和生物活性物质释放: CCL2/MCP-1:Bas释放组织胺; CXCL8/IL-8:Neu产生活性物质,呼吸爆发; (四)调节血管生成:ELRCXC 、CCL2促进血管生成;CXCL10 、CCL21/SLC抑制血管生成。,趋化因子引起的细胞形态改变,趋化因子在白细胞迁移中的作用,CXCL8/IL-8的作用,(五)生长因子活性,促进细胞增殖,四、趋化因子在免疫细胞 发育、定位及免疫应答中的作用,(一)CKs促进免疫细胞发育、成熟:1、 CXCL12/SDF-1和CXCR4促进B细胞分化发育成熟;2、CCL25/TECK和CCR9、 CXCL12/SDF-1和CXCR4、 CCL22/MDC和CCR4等促进T细胞发育成熟;3、CCL3,4/MIP-1、和CCR1,CCR2,CCR5等促进非成熟DC 向炎症部位聚集,摄取抗原,发生功能成熟。,CXCL12/SDF-1和CXCR4促进B细胞分化发育成熟,HPC表达CXCR4,骨髓基质细胞产生CXCL12/SDF-1; CXCL12/SDF-1趋化HPC与基质细胞相互作用, 促进HPC向B细胞发育,表达sIg; 成熟B细胞对CXCL12/SDF-1反应性 ,离开骨髓,进入血循环,CCL25/TECK和CCR9、 CXCL12/SDF-1和 CXCR4、CCL22/MDC和CCR4等促进T细胞发育成熟,CCL22/MDC和CCR4促进DP与TEC作用, 发生阴性选择或成熟为单阳性细胞进入外周,胸腺中表达的CK和CKR,CCL3,4/MIP-1、和CCR1,CCR2,CCR5等促进DC成熟,(二) CCL21/SLC,CCL19/ELC和CCR7、CXCL13/BCA-1/BLC和CXCR5 协助T、B、DC细胞在周围免疫器官中正确定位并相互作用,T: CCR7; DC:CCR7; B: CCR7 、CXCR5; TFH:CXCR5T区HEV:SLC、ELC; B滤泡区HEV:BCA;T与DC在T区作用,分化效应细胞;TFH与B在B区作用,协助Ab产生和类别转换,(三)促进效应T细胞回到炎症和感染部位,1、TFH:CXCR5,进入滤泡区,辅助B细胞产生抗体 的类别转换;2、Th1: CCR5, CXCR3,进入病毒感染等炎症部位;3、Th2:CCR3,4,8, CXCR4,进入过敏反应部位。,病原体决定免疫应答,(四)CKs促进天然免疫细胞和 活化的适应性免疫细胞相互作用,1、CKs使Th2活化与组织Eso聚集相联系;2、CTL活化,产生CKs,Mo、NK、Granulocyte聚集,扩大杀伤效应。,趋化因子与过敏反应中嗜酸细胞聚集,Th2细胞分泌的IL-4、IL-13与IL-1、TNF协同作用,促进 Eotaxins-1,2,3、MCP-4产生,趋化Eos、Bas。,CTL产生趋化因子 白细胞聚集病毒感染部位,放大免疫反应,(五)CKs协助记忆、效应T、B细胞向特定组织归巢CLA+ T向皮肤归巢: CCL27 / CTACK、 CCR10, CCL17/TARC、CCR447hi T向小肠归巢: CCL25 / TECK、CCR9 IgA ASC向小肠粘膜归巢: CCL25 / TECK、CCR9IgG ASC位于慢性炎症部位: CXCL9 / Mig 、 CXCR3, CXCL12 / SDF-1 、 CXCR4 T向粘膜归巢:CCL28 / MEC。,趋化因子及其受体在免疫应答中的作用,五、趋化因子调节造血,(一)趋化造血前体细胞,调节骨髓造血功能: MIP-1 /CCL3、MCP-4/CCL13、TECK/CCL25等25种CKs抑制髓系造血; 人MIP-1/CCL3与GM-CSF和M-CSF协同刺激骨髓造血;(二)促进B前体细胞的发育:SDF-1/CXCL12;(三)促进Eos前体细胞发育成熟:Eotaxin/CCL11。,六、趋化因子的常用研究方法,(一)趋化实验 :1、体内实验:皮下、腹腔、静脉注射,观察细胞 浸润情况;繁琐。2、体外实验:最常用的方法是Boyden小室法,也称微孔滤膜法。48孔趋化小室,上层放靶细胞,下层放待检测因子,两层之间有聚炭膜隔开;简单易行。 细胞类型 膜孔径 趋化时间Neu: 3um 30min;Lymphocytes: 5um 120min;Mo: 8um 90min,
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