郭继强 译
西安交通大学医学院
在抵抗病原体入侵的先天性免疫应答和适应性免疫应答的启动过程中,TNF超家族中的配体和受体通过调节细胞的死亡和生存来完成其重要功能。最近已经发现一些病毒可以诱导被感染细胞中调亡受体的配体表达,该方式可作为一种有效的方法来发挥CTL和NK的清除作用。反之,病毒也进化出很多机制来抑制感染细胞中由调亡受体的信号介导的杀伤效应,并有助于感染细胞的增殖和分化。与之相应,宿主也进化出一套非致死性的由TNF受体信号启动的抗病毒机制,该机制可避免抗病毒免疫应答中引起大量的细胞死亡的副作用。目前研究发现,实际TNF受体信号的各个层面,从配体结合到杀伤效应的激活都是由病毒启动的。
简介:细胞因子中的TNF超家族对细胞的发育和生理过程的调节,在宿主先天性及适应性免疫应答中起至关重要的作用,包括外周淋巴组织器官的形成、NK细胞的调节和淋巴细胞的分化;TNF超家族因子也可作为宿主防御中的效应分子。通过调节细胞的生存和死亡来参与宿主的免疫防御。TNF受体(TNFR)家族根据它们在细胞内的信号传导结构域的不同可分为两大类,一种是有死亡结构域(death domain ,DD)和细胞调亡活性;另一种是具有一个短肽识别序列,可识别并结合TNF受体相关因子(TNFR-associated factor TRAF)家族。死亡结构域,如Fas、TRAIL-R1(TNF相关诱导调亡配体R1)、TRAIL-R2和TNFR1,通过招募死亡结构域的接头蛋白来启动调亡信号(如:Fas相关死亡亡结构域蛋白 [Fas associated DD-containing protein,FADD])随后活化caspase(半胱-天冬氨酸蛋白酶)蛋白酶家族。另一组TNF受体包含可招募可溶性TNF受体相关因子(TRAFs),它可活化一些转录因子如:NF-κB(是一种重要的调节因子,对细胞生存和基因预活化起作用)。这些信号通路不是相互排斥的,另外一些死亡受体也可同时活化细胞的预调亡和生存两信号通路。最近的研究对调节细胞死亡与存活信号平衡的机制及其可能的结果提供了新的认识。
病毒诱生的死亡受体配体
通常情况下表达Fas和TRAIL受体的细胞也可严格调控其配体的表达,这个特点成为一些病毒可利用的重要控制点。这些看似普通的机制是在病毒感染宿主后由FasL或TRAIL启动的,它们可活化各自调亡结构域中的受体,从而启动预调亡信号(proapoptotic)。这种机制已经在人疱疹病毒(human herpes viruses)中证实, 另外还有巨细胞病毒(cytomegalovirus,CMV) 、单纯疱疹病毒(herpes simplex virus,HSV)、 腺病毒(adenovirus)、呼肠孤病毒(reovirus)和 HIV。虽然对于病毒(如腺病毒,巨细胞病毒)的复制过程的认识已不成问题,但对于病毒诱导调亡受体的配体产生的机制还没有清楚的认识。由FasL诱导的基因转录依赖于NF-κB,但在一些特殊类型的细胞内则是依赖于胞内转录因子。另外很多种细胞感染病毒后,病毒所诱生的IFN-α和IFN-β又可诱导TRAIL的表达。因此分泌的IFN又可通过诱生TNF家庭成员来调整细胞的存亡,这从理论说是通过细胞的自分泌途径来实现的。显然在其它的因子的联合作用下,将最终决定感染细胞的命运,这里又突出了"控制点"对于调节细胞存亡的重要性。
病毒感染所诱生的FasL和TRAIL可增强感染细胞的抗杀伤能力,它可杀伤免疫效应细胞(其自身可表达调亡受体),这可做为一种免疫逃逸机制。人乳头瘤病毒(HSV)感染T细胞后可引起HSV抗原特异性T细胞克隆调亡。人类巨细胞病毒(HCMV)感染树突细胞后可通过一种相似的机制使活化的T细胞调亡。HIV病毒可使受感染T细胞表面表达FasL,这有助于提高淋巴结中未受感染T细胞的调亡率。综上所述,从病毒所引起的宿主细胞间的相互杀伤的事例中,我们可看出病毒可通过诱生调亡配体的机制来逃避宿主防御系统攻击。
病毒阻断调亡受体信号
若有充分的信号来刺激细胞调亡路径,那自然可以清除病毒感染细胞,那么就引出一个问题是在经过FasL或TRAIL的诱导之后细胞是怎样逃避死亡的。病毒可产生死亡受体的配体来参与多种抑制由死亡受体介导的细胞调亡的途径。包括抵抗配体的结合,阻断接头蛋白,抑制调亡小体形成,几乎涵盖了死亡信号传导的每一步。这些机制同样可阻断由宿主NK细胞和细胞毒性T淋巴细胞介导的细胞调亡,因此为该基因在病毒基因组的传代提供一个较强的遗传选择压力
在配体与受体相互作用中的病毒和宿主间对抗。
这里有一个病毒抑制TNF配体、受体的相互作用的例子,有研究显示腺病毒可特异性下调感染细胞表面的前调亡受体FasL和TRAIL,阻断外来信号活化调亡机制。有两种跨膜蛋白基因存在于腺病毒E3区域,即E3-10.4K 和E3-14.SK。它们对于下调TRAIL-2是必要的。不成熟T细胞表面Fas的表达下调会伴随腺病毒感染及细胞对于调亡产生抗性,这提示E3基因可能会有助于腺病毒在淋巴组织的潜在感染能力的形成。有趣的是,在一套基因治疗中,腺病毒E3基因缺乏的病毒携带者,在肝细胞中很容易诱生TRAIL依赖性调亡,通过诱导TRAIL-R2受体来阻断肝细胞调亡也证明了这一点。这些事例说明腺病毒使TRAIL受体的表达下调,可能在于病毒与其它具有免疫调节功能的E3蛋白相结合,这对于病毒在几种类型的细胞完成其复制周期是关键的。
病毒的第二种抵抗TNF配体与受体相结合的机制这被在痘病毒中发现,它可编码TNF受体2(TNFR-2)的可溶性同源蛋白,该蛋白可抑制TNF和淋巴毒素α(LTα)与其细胞表面受体之间的交联。牛痘病毒在它的基因组中保留了四个分离的TNF受体-2同源基因,其蛋白产物可与TNF和淋巴毒素α(LT-α)也包括细胞因子反应启动因子(cytokine response modifier GrmB,GrmC,GrmD)相结合,这也有力的证明了这些细胞因子在控制病毒感染中的重要作用。重要的是在二十年前曾报导过粘液瘤病毒所产生的TNFR同源分子(M-12),它是极少数病毒的免疫调节基因之一,现已证明该基因有助于病毒的毒力。
继续以牛痘病毒为例,可溶性受体的产生就象给细胞因子展开了一层烟幕。第一个例子是在牛痘病毒和鼠痘病毒中发现一种分泌型同源序列分子CD30(vCD30),CD30可表达于静止态淋巴细胞,如巨噬细胞和NK细胞,在活化的或经病毒转化的淋巴细胞中CD30表达上调。CD30配体(CD153)可由活化的造血干细胞表达,它对于调节自身免疫应答起重要作用,包括T细胞的阴性选择,CD30配体还可给B细胞,T细胞提供共刺激信号及通过反转信号刺激细胞增殖。vCD30可高亲和性与CD30配体(CD153)结合,因此对细胞表面的CD30具有竞争性。在抗原诱导的肉芽瘤小鼠动物的模型中,vCD30可显著抑制Ⅰ型细胞因子反应(如IFN-α)。虽然有关vCD30在牛痘病毒感染中的病理作用还不清楚,但这些结果显示CD30在启动抗病毒免疫应答中有重要功能,而这一点在以前并没有被认识到。
阻断半胱天冬氨酸酶(capase)活化
几种病毒蛋白可干扰FADD蛋白(位于调亡诱导复合体中)和半胱天冬氨酸酶前体-8/10(procapase-8/10)的产生,抑制capase活性,从而阻断细胞调亡。大多数的β型疱疹病毒编码半胱天冬氨酸酶-8抑制蛋白(FLIPs,caspase-8 inhibitory proreins),最初有关此类蛋白的研究见于细胞中的FLIP同源分子(cFLIP),病毒FLIP蛋白基因(vFLIPs)编码二个死亡结构域,可同时结合FADD和半胱天冬氨酸酶-8/10前体,由此抑制capase活性进而阻断调亡。人巨细胞病毒还可编码一种细胞调亡(由Fas介导)抑制因子,UL36也称为半胱天冬氨酸酶-8前体抑制因子(viral inhibitor of caspase-8-induced apoptosis, vICA)可直接和半胱天冬氨酸酶-8前体接合,但与病毒FLIP蛋白基因没有明显的同源序列。
抑制细胞调亡激酶
HIV的Nef蛋白可通过与细胞内调亡信号调节激酶(apoptosis signal-regulating
kinase ,ASK1)结合,从而抑制由Fas介导的细胞调亡。因此在外周T细胞调亡被启动时,该机制可潜在地保护了感染细胞免于调亡。ASK1在TNF受体1介导的调亡中起到了关键的启动作用,另外ASK1还可调节丝裂原活化蛋白(MAP)激酶依赖的信号。尽管目前还没有实验证据,但极有可能的是HIV和SIV经Nef基因敲除后可明显出现病毒复制缺陷,至少它们在感染T细胞中,病毒的抑制细胞调亡能力可部分减弱。
保持线粒体的完整性
从本质上说细胞调亡路径的严密调控点在于细胞色素C的释放,它可启动调亡小体的形成,它可与半胱天冬氨酸酶及调亡蛋白酶活化因子1(apoptotic protease activating factor 1, APAF1)组装成胞质复合体。BCL-2家族中的预调亡活化成员(如:Bid、Bak和Bax)可通过它们与线粒体外膜的结合诱导细胞色素C释放。BCL-2家族中的抗调亡成员(如:Bcl-2,Bcl-xL)可抑制这些成份(如:Bid、Bak和Bax)的产生。该机制被应用在以下病毒的抗免疫清除中,如:具致瘤性的人疱疹病毒(human herpesviruses)、EB病毒(Epstein-Barr virus)和柯氏肉瘤相关疱疹病毒(Kaposi's sarcoma-associated herpes virus),它们可产生BCL-2同源蛋白,在体外组织增养时可表达出来并抑制细胞调亡。腺病毒可编码BCL-2同源蛋白(E1B-19K),该蛋白可通过直接与Bax结合,最终导致半胱天冬氨酸酶前体-9的活化受到抑制,从而抑制TNF介导的细胞调亡。重要的是鼠γ型疱疹病毒68 (MHV-68)编码的BCL-2同源蛋白,对于潜伏感染病毒的再次活化起到关键作用,这为在临床干预治疗中,如何设计抗疱疹病毒的免疫调节蛋白提供了新思路。
由TNF家族介导的非溶细胞性抗病毒作用
通过细胞调亡以清除感染细胞的方式来阻止病毒复制,这对于宿主只具有潜在的重要性。例如:乙肝病毒在肝细胞中的快速扩散导致急性感染期大量的肝细胞被感染。此时免疫系统非选择性的诱导细胞调亡,会使器官功能受损。对于这类病原体感染需要免疫系统发展非破坏性的机制来中断病毒复制,同时要保留一些区分感染细胞的功能。乙肝病毒特异的T细胞可介导非溶细胞性抗病毒作用,即从宿主基因中清除病毒基因组DNA的作用。可见于HBV转基因小鼠的肝细胞及乙肝病毒急性感染期的黑猩猩的肝细胞,结果显示这个过程依赖于TNF和IFN-γ。最近研究显示在HBV转基因小鼠中,TNF诱导的非溶细胞性抗病毒效应是通过其与IFN-γ的协同作用完成的,另外IFN-α/β在该模型中也显示出非溶细胞性抗病毒作用。
最近的一些证据表明由LT-β受体或TNFR-1介导的信号可抑制成纤维细胞中HCMV的复制,而且不引起细胞死亡。但是经Fas受体或TRAIL受体产生的信号不能诱导抗病毒活性,而且阻断FADD也不能抑制淋巴毒素的抗病毒活性,这提示经典的调亡途径并没有被利用于该机制中,IFN-β可活化淋巴毒素活性,但病毒感染及NF-κB的活化都会引起IFN-β的表达。复合信号可克服由病毒的"欺骗"作用所引起的IFN-β表达抑制。但这时HCMV基因可仍存在于感染细胞中,而且在移除细胞因子后病毒基因的表达和复制可迅速的再次启动。这些结果提供了一个宿主与病原体相互作用的分子模型。毒性淋巴细胞和分泌型IFN有可能有助于平衡二者的生存期,这已经在CMV与其宿主的相互作用中得到证明。然而这种机制对于CMV建立潜伏状态感染是很重要的,疱疹病毒这方面的特性还有待证实。但是,在文献研究中也显示在宿主对于鼠疱疹病毒的免疫防御中毒性淋巴细胞保留了其防御作用。研究发现LT-α基因缺陷小鼠对于鼠疱疹病毒敏感,同样在动物细胞表达LT-βR-FC诱导溶合蛋白。后面的模式说明淋巴毒素作为免疫活性分子在免疫防御中扮演了重要角色,虽然还不能证明该功能参与了对IFN-β表达的调节。
以上的例子说明非溶细胞性抗病毒作用,即TNF家族受体的抗病毒活性是与其诱生干扰素(或与干扰素协同作用)密切相关的。虽然这超出了该综述的范围,但病毒的抵抗机制直接针对的是如何抑制IFN信号,这极类似于该靶目标针对TNF家族的过程,从分泌可溶性细胞因子来压制受体与INF的结合,到抑制几种IFN信号转导途径中的分子。
在趋化因子及细胞因子的诱导下,TNF及淋巴毒素在启动预活化信号途径中的能力对于调整机体的免疫应答状态是重要的。这在腺病毒感染过程中也有显著的相关性。该机制可被病毒利用为潜在的反抗机制,如:在人星状细胞瘤细胞中腺病毒的E3区基因,其产物可抑制TNF诱生CC及CXC趋化因子。E3-10.4K 和E3-14.5K是同样可下调死亡受体表达(见上文),最近研究报道它们可阻断TNF活化NF-κB,这可能是一种协助球蛋白抑制预调亡的机制。
结论
有关TNF家族在介导抗病毒的作用已经形成了一个新的研究领域。病毒可编码蛋白来调节TNF相关因子信号,上述有关证据充分提示这些分子在宿主免疫应答中的重要作用。遗憾的是有几种人类病毒缺乏可供研究的动物模型,包括肝炎病毒、痘病毒和腺病毒,因此不能通过这些病毒来直接研究病毒免疫逃避基因的病理作用机制。当然向非自然状态的宿主引入一种病毒,会明显影响宿主与病毒相互对抗过程中平衡的建立,且而对于在自然宿主中产生的结果还需要进行认真分析。然而对于啮齿动物及猿类病毒的基因测序工作,为直接研究生理条件下病毒基因在免疫逃避中的作用,提供了辅助工具,这为临床应用提供了新的思路。
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图1。病毒感染可活化多种宿主细胞转换信号如:干扰反应因子(interferon response factors ,IRFs)、NF-κB、MAP激酶和P53等。导致许多宿主细胞基因的表达,包括死亡受体配体。FASL和TRAIL的表达,并可介导细胞调亡及杀伤效应(有关在非感染细胞的效应在文献中)。感染细胞可分泌Ⅰ型干挠素(INF- α,β),其过程包括JAK的活化、效应细胞中信号转换和活化因子的转录(signal transducers and activators of transcription ,STAT),最终导致TRAIL的诱生,由死亡配体(TRAIL, FasL 和 TNF)介导的感染细胞调亡作用。针对上述所有过程有些病毒产生了相应的抵抗机制。如:痘病毒分泌可溶性TNF受体(sTNFR)和Lta信号,腺病毒的E3 10.4K/ 14.5K/6.7K蛋白可介导下调及降解死亡受体(Fas, TRAIL-R1 and -R2),疱疹病毒(herpesvirus-7)可编码vFLIPs,它与死亡诱导复合体结合(death-inducing signaling complex ,DISC)并抑制酶Caspase-8 ,10的活化。HIV的Nef直接与ASK1作用,可阻断由Fas和TNF介导的细胞调亡作用以及Caspase酶依赖的Bid活化作用。通过死亡受体信号导致Bid与Bax的结合,可引起线粒体的丢失和细胞色素C的释放。通过腺病毒E1B-19K和其它病毒的BCL-2做正交实验,显示出病毒的抗细胞调亡作用的活性和阻断的过程。
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图2。非溶细胞抗病毒作用,TNF配体介导宿主与病毒的相互作用(a)分泌刺激性细胞因子(TNF,IFN)提升由蛋白酶体介导的降解HBV的核衣壳颗粒的作用,降解病毒RNA,从感染的肝细胞核内清除整合的病毒cDNA。在这个模型中显示出TNF与IFN的协同作用。(b)LTβR配体:LTα1β2或LIGHT(Lt样诱导蛋白,可和HCMV在T细胞表面表达的球蛋白D竞争)与LTβR结合后的信号可通过NF-κB依赖的途径,产生IFN-β来抑制成纤维细胞中HCMV的复制。在没有HCMV感染的情况下LTβR不能诱生IFN-β,但HCMV也可利用LTβR对调亡信号进行阻断。(c)腺病毒E3基因的表达可抑制由TNF诱导的趋化因子转录(巨噬细胞趋化蛋白[MOP]-1、IL-8和IP-10),而且该机制是通过E3 10.4K/14.5K基因的功能来抑制NF-κB活化TNF。(d)小鼠模型中鼠痘病毒与牛痘病毒的基因缺陷型可表达一种可溶性CD30同源蛋白,它可结合于CD30配体,从而抑制Th1细胞(非Th2)介导的免疫活化效应。有点的箭头显示有增效作用的分子交联。