Month: September 2018

  • 综述:变温动物的适应性免疫

    Abstract:适应性免疫系统起源于5亿年前的变温(冷血)脊椎动物。传统上,适应性免疫系统是由表达重组激活基因(Rag)依赖抗原受体的淋巴细胞和MHC组成的。这些特征存在于所有下颌骨的脊椎动物中,包括软骨和硬骨鱼、两栖动物和爬行动物,可能也存在于最古老的下颚脊椎动物,即灭绝的胎盘皮动物中。然而,随着无颌鱼类适应性免疫系统的发现,基于一组完全不同的抗原受体-可变淋巴细胞受体-t和b细胞的分叉,也许是先天样淋巴细胞,可以追溯到所有脊椎动物的起源。本综述探讨比较免疫学的最新进展,促进我们对适应性免疫系统的起源和功能的理解。 Introduction:大多数定义了免疫学领域的研究都是在哺乳动物身上进行的,特别是在老鼠和人类身上,而我们的大部分规律和范式都是从这些模型中衍生出来的。然而,Janeway and Matzinger制定了一条新的法则,它说明适应性免疫的行为不是由外来,而是通过模式识别受体(PRRs)被外部或内部危险所激发的,它起源于果蝇黑腹鼠Toll-like receptors的研究。此外,50多年前,在鸟类法氏囊的研究中发现了两个主要淋巴细胞亚群(B细胞和T细胞)的差异。为了了解适应性免疫的起源,我们必须了解变温脊椎动物,以及脊椎动物的直接祖先—较低等的后口动物。在过去的十年里,突破性的发现带来了人们对适应性免疫起源的越来越多的认识,并提醒我们注意新的可能性。 了解免疫进化的一个方便的方法是将免疫系统划分为随着时间的推移而保守的部分,而不是那些变化迅速的部分,这是Jan Klein最初提出的想法。某些免疫特征,如免疫球蛋白M(IgM)的结构和功能,以及胸腺、脾脏、常规αβT细胞受体(TCRs)和MHCⅡ类分子的存在,将在本综述中较为详细地描述,在几乎所有的有颚类脊椎动物(gnathostomes)中都是高度保守的。相反,其他免疫成分,如IgD、γδTCR、自然杀伤受体(NKRs)和非经典的MHC分子都是可塑性的,在基因数目,结构域和功能上总是存在差异。记住这一标准为理解免疫系统的基础提供了一个框架:保留经过验证的事实,但允许进化上的快速变化与其他互补特征,以对抗不断变化的病原体(环境)。 在研究任何系统的进化时,人们都会合理地假设,两个不同物种之间的共同特征很可能存在于它们的共同祖先中。然而,一些类似的特征可能是通过趋同进化得到的;例如,在无颚和有颚类脊椎动物中出现了两组不同的抗原受体,以及鲨鱼和骆驼中的单域免疫球蛋白可变区(V)区域的出现。我们也必须认识到,这是一个常见的严重错误,在图中绘制代表性物种的速记方式并不意味着从较老的分类群衍生出来的物种是最近共同祖先衍生物种的祖先(Fig 1)。也就是说,两个远亲(甚至近亲)生物的共同祖先几乎肯定与任何一个后代都有很大的不同。最后,某一系统的某些特性可能会在某些群体中消失,这是许多已被研究过的硬骨鱼的情况,在所有脊椎动物类中也是如此。然而,记住所有这些进化属性,,在所谓的进化‘大爆炸’中,我们理所当然地认为显著的适应性免疫特征是早期的有颚类脊椎动物(gnathostomes)在相当短的一段时间内产生的,最有可能出现在灭绝的盾皮鱼类(placoderms)(Fig 2)。 无颌鱼有T细胞(both αβ and γδ T cells) 和B细胞,以及胸腺类似物,MHC被证明是难以找到的(Fig 1、2)。就像可变淋巴细胞受体(VLRs),MHC可能是通过收敛演化在这个群体中产生的。每一组中粘膜适应性免疫是存在的和独特的,如两栖动物和硬骨鱼的研究(和哺乳动物)。在亚分类群中发现软骨鱼、硬骨鱼和两栖动物显示出区别整个脊椎动物门的特征但也(在某些情况下)有着独特的特征(Fig 1)。免疫系统在硬骨鱼类中非常突出,与脊椎动物的快速进化相一致,免疫系统在不同的类群中有着独特的特征,如MHC Ⅱ类系统的缺失和某些免疫球蛋白亚型的缺失。软骨鱼具有独特的免疫球蛋白组织,使得抗原受体基因的出现具有新的功能。虽然NK细胞明显存在于变温动物,由于免疫系统的快速发展,识别NKRs变得非常困难。然而,与MHC相关的NKR基因已在所有脊椎动物中发现,显示出MHC Ⅰ和NKRs早期相关性。在迄今研究的所有鱼类和两栖动物的MHC中都发现了编码MHCⅠ类分子、免疫蛋白酶体和与抗原加工分子相关的转运体(TAP)基因的古老谱系,但是在哺乳动物中,这个原型已经被一个在MHCⅠ类肽特异性不那么严格的系统所取代。进化上的一大飞跃在两栖动物中是明显的,它们表现出典型的抗体类转换,并且有一个IgG类(称为IgY),它参与典型的记忆免疫反应(Fig 2)。脊椎动物进化的最后一个重大进展是淋巴结的出现和哺乳动物生发中心的形成;变温脊椎动物允许在滤泡树突状细胞(FDCs)出现之前进行免疫研究,而树突状细胞是哺乳动物affinity成熟的主要细胞。本综述将深入研究适应性免疫的所有这些特性,重点讨论引起所有免疫学家兴趣的基本问题,并探讨我们在未来十年中能够和应该解决的问题。值得注意的是,温血性是在低等脊椎动物的几个分类群中发现的,但总的来说,它们的适应性免疫还没有被检测。在这里,我将集中于鱼类、两栖类和爬行动物方面的大部分研究。 Fig 1. Fig 2. Evolution of antigen receptors 颚口类的抗体和TCRs是免疫球蛋白超家族(IgSF)的成员,来源于未知的前体。提出了一个通用模型,并在下面讨论。相比之下,无颌鱼VLRs属于古老的富含亮氨酸的重复序列(LRR)受体家族,可能起源于(也是最相关的一种受体)血小板上表达的一种细胞表面受体。在淋巴细胞发育过程中,两种抗原受体都可以产生很高水平的多样性,但用于产生多样性的基因重排机制则完全不同。 Variable lymphocyte receptors 之前对体液免疫和细胞免疫进行的一些研究表明,无颚类具有适应性免疫,对不同的外来抗原和同种抗原有特异性的应答。然而,30多年来对抗体、TCRs和MHC分子的广泛研究被证明是徒劳的,大多数比较免疫学家都认为,尽管早期进行了功能研究,但无颚类没有适应性免疫系统存在。这一假设被Pancer和Cooper证明是不正确的,他们检查了免疫了的七鳃鳗中淋巴细胞的转录组,并发现了大量含有不同数量内部重复序列的LRR蛋白(Fig 3)。这些含LRR的受体在淋巴细胞个体发生过程中被克隆表达并通过重排产生,并被命名为VLRs。第一个要研究的基因是VLRB,该基因在一组七鳃鳗淋巴细胞中表达。VLRB蛋白被糖基磷脂酰肌醇锚定在七鳃鳗刚形成的淋巴细胞表面,然后(通过未知的机制)在抗原刺激后以二聚体的五聚体形式分泌(Fig 3)。首先,人们认为刺激七鳃鳗淋巴细胞类似于哺乳动物的非T细胞依赖的免疫反应,即淋巴细胞上抗原受体的交联,很可能通过PRR与另一个信号结合在一起,可能激活B细胞以诱导VLRB分泌。然而,令人惊讶的是,后来发现VLR基因位点第二次重排,VLRA基因位点由另一部分淋巴细胞表达,其转录组与有颚类T细胞相似。进一步分析发现,第三种抗原受体VLRC主要在上皮和粘膜中表达,因此无颚类T细胞似乎被分裂成两个亚群,可能类似有颚类γδ 和 αβ细胞。 Fig 3. IgM antibodies 在所有的有颚类中发现多种抗体亚型。多年来,尽管在每个脊椎动物类中IgM有其独特而耐人寻味的特征,IgM一直被认为是原始抗体类。在哺乳动物中,IgM是一种与连接(J)链相关的五聚体。软骨鱼中的IgM有两种形式:就像所有其他脊椎动物一样,存在的一种多重形式,以及一种单体形式,在鲨鱼抗原特异性反应中最常见,很可能是以T细胞依赖的方式产生的(请注意,虽然在所有其他脊椎动物中也发现了单聚IGM,但只有在软骨鱼中才发现它在免疫应答过程中具有重要的生理相关性)。硬骨鱼类IgM的分泌形式是一种四聚体,而j链基因在这一组中已经丢失,因为它存在于古老的软骨鱼中。有趣的是,硬骨鱼分泌的IgM中的二硫键的范围是在抗原特异性反应的过程中修改的,这种亲和力的成熟似乎是这类抗体所独有的。此外,硬骨鱼IgM的跨膜形式也是交替拼接的,因此由于未知的功能原因,它只有三个保守(C)结构域(而不是通常的四个)。总之,IgM是硬骨鱼类中发现的主要血清抗体,是这些动物对常规抗原的反应;软骨鱼除了在适应性反应中使用IgM作为先天抗体类外,还在适应性免疫中使用其他抗体亚型;两栖类IgM(据我们所知)的功能与其哺乳动物的同源基因非常相似。 IgD and IgW antibodies IgD,长期以来被认为是脊椎动物中新发现的一种,实际上非常古老,它可以追溯到有颚类的起源,一种在软骨鱼中发现的同种异型,叫做IgW(Fig 3)。一种类似于IgD的免疫球蛋白在硬骨鱼类中首先被发现,1998年之前,IgD只在一些哺乳动物中被发现,这是非常令人惊讶的。随后,在两栖动物属非洲爪蟾(Xenopus)基因组数据库中发现了IgD基因,并与哺乳动物一样,通过IgM和IgD mRNA在新生B细胞中的选择性剪接来表达。IgD、IgW在软骨鱼类的同源性也在肺鱼(lungfish)中发现,并且在腔棘鱼(coelacanths)中,它似乎是主要的同工型,这种著名的物种已经失去了IgM。最近有关硬骨鱼类和人类的数据表明,IgD参与炎症反应,与嗜碱性细胞上一个未知的Fc受体结合。与IgM相比,IgD在结构和功能上都有很大的可塑性;IgM在整个进化过程中是非常相似的,而IgD在C结构域的数目上(甚至在IgD本身的存在下)是高度可变的,在功能上可能与跨膜(大部分未知)和分泌(固有细胞武装)的形式有关。 IgG and IgY antibodies…

  • 综述——鱼类淋巴细胞:在进化上和哺乳动物ILL类似?

    Abstract:淋巴细胞是适应性反应的责任者,就像经典描述的那样,但有证据表明,哺乳动物淋巴细胞的亚群可能表现为先天样细胞,快速地参与非自我活动,没有抗原呈递。哺乳动物体内的类淋巴细胞主要是γδt细胞和b1-b细胞,主要在粘膜组织中发挥作用。可能与人类的病理有关,其功能和组织的起源尚不完全清楚。由于鱼类和哺乳动物的免疫系统在形态和免疫生物学上的相似性,以及具有自由生活的幼虫阶段的独特性,可以精确地监测和改造它们的发育,因此提出了一种研究人类免疫的实验模型-硬骨鱼。然而,鱼类淋巴细胞与哺乳动物先天样淋巴细胞之间的同源性是比较免疫学中考虑较少的一个问题。越来越多的实验证据表明,鱼类淋巴细胞在发育、形态和功能特征上可能与哺乳动物的先天样淋巴细胞有共同之处。尽管有这些相似之处,但关于传统鱼类淋巴细胞和哺乳动物先天样淋巴细胞之间可能存在联系的信息仍然缺乏。本文旨在总结和描述鱼类淋巴细胞与哺乳动物先天样淋巴细胞之间的相似性,支持哺乳动物γδt细胞和b1-b细胞可能与鱼类淋巴细胞进化相关的假说。 Introduction:只有2%的后生动物存在具有mhc、rag、 memory 的脊椎动物型适应性反应,但是在先天免疫防御保护下无脊椎动物可以活很长时间。事实上,传统上被定义为只依赖先天反应的无脊椎动物可能活几个世纪,并被发现对再感染有反应,这表明先天免疫机制需要更多的研究。从比较免疫学的观点来看,可以推测在脊椎动物进化早期出现的白细胞群继承并保留了一些与抗原识别和清除相关的无脊椎动物特征。在进化过程中,编码免疫活性的基因以“ layers”的形式向哺乳动物聚集。这一假说认为,进化产生了一种层次性的免疫系统,在这种系统中,后来物种在发育过程中获得了优势地位,从而产生了负责越来越复杂的免疫活性的细胞群体。因为人们普遍认为“个体发育类似于系统发育”,“分层免疫系统”假说可能为了解脊椎动物的细胞功能提供线索,并为更好地理解人类的病理提供知识。 先天免疫反应是对感染和伤害的第一级防护,通过种系编码受体的细胞对非我或损伤快速做出反应。在哺乳动物中,有不同类型的先天免疫细胞,除了巨噬细胞/树突状细胞/中性粒细胞之外,还发现了先天样淋巴细胞(ILC)。根据表达的转录因子,功能特征和表型可以把ILC分为三类。另一组哺乳动物的非常规或先天样淋巴细胞(mILL)根据具有特性和功能,被认为是先天和适应性反应之间的桥梁。mILL亚群可能会再次出现一个“免疫下层”产生遗传而来的天然多反应抗体和典型的细胞因子模式,用来维持肠道稳态、早期对肠道感染的反应、自身免疫性疾病和癌症、快速无准备地对抗感染和损害。该细胞主要被鉴定为γδt细胞和b1-b细胞,主要分布在粘膜组织中,其功能和起源仍有待进一步研究。 值得注意的是,越来越多的证据表明,常规鱼类淋巴细胞显示出与mILL一些相同的发育、形态和功能特征,而且最近这些相似性引起了免疫学家的注意。然而,旨在澄清鱼类淋巴细胞与mILL之间联系的研究还处于刚开始阶段。 本文综述了目前关于鱼类淋巴细胞与mILL之间可能相似的知识,并利用这些知识提出了这样的假设:大多数鱼类淋巴细胞表现为mILL的类亚群体,因此,mILL亚群(γδt细胞,b1-b细胞)可以代表现存的、进化相关的鱼类淋巴细胞的“下层”。 哺乳动物先天样淋巴细胞: ILC是哺乳动物天然免疫活动的重要参与者,它来源于一种常见的淋巴前体,在天然免疫和组织重建中发挥着效应和调节作用。ILC表面没有TCR或Ig重排的受体,根据它们产生的细胞因子及其功能所必需的转录因子的模式将其分为三类:ILC1产生干扰素γ并依赖于Tbet,ILC2产生2型细胞因子(IL-5/IL-13),需要GATA 3,ILC3依赖于RORγt并产生IL-17和/或IL-22。自然杀伤细胞(NK)属于先天淋巴细胞,参与快速的先天反应,表面不表达CD3或淋巴细胞受体。然而,除了经典描述淋巴细胞是负责适应性反应的细胞外,最近发现的mIL亚群体在之前研究的先天适应分类中表现为先天免疫细胞。 mILL参与维持肠道内稳态,并参与对肠道感染的早期反应,在自身免疫性疾病与癌症中能够以独立于MHC的方式产生无偏的天然多反应抗体和典型的细胞因子模式对抗非自我。 哺乳动物表现出先天样活性的主要淋巴细胞亚群已被确认为γδt细胞,粘液相关不变T细胞(MAIT),自然杀伤T细胞(NKT),B1-B细胞,脾边缘区B细胞。 先天样T细胞 γδt淋巴细胞为非常规t淋巴细胞,包括血液中较小的T细胞亚群和具有典型淋巴细胞形态特征的肠上皮内淋巴细胞(IELs),其表面谱系TCR表型为γ+δ+ (mostly displaying repertoires Vδ1/Cγ1 and Vγ9/Vδ2),并表现出对可溶性和颗粒性抗原的强大吞噬能力。关于免疫球蛋白和αβTCR分子,γδTCR在vdj重组产生的cdr3区域中,利用v链基因显示出最高的自发多样性。γδt细胞可以在胸腺外和独立于抗原相遇的情况下发育,并且是适应性和先天样免疫反应的活跃参与者,例如直接杀死受感染的细胞,参与肿瘤免疫监测,产生病原体清除所需的分子,自发细胞毒性,释放免疫调节细胞因子,并且可以被应激诱导的分子(MIC-A/B,ULBPs)激活,产生促炎症细胞因子和溶解酶。总之,有证据表明γδt细胞起着效应和调节的作用,代表了具有先天和适应性免疫功能的进化原始T细胞子集。最近的数据也证实了这些发现,同时也显示了γδT细胞亚群的存在,这些细胞亚群的先天刺激比TCR更重要,如产生IL-17(γδT-17)和IFN-γ(γδT-IFNγ)的T细胞。 最近发现的哺乳动物先天样t淋巴细胞的其他亚群是MAIT和NKT。MAIT是一种固有的t细胞亚群,主要参与粘膜表面的抗菌免疫,主要存在于人而不是小鼠,它们表现为种系TCRαβ表型(Vα7.2-Jα33/12/20 in humans, Vα19-Jα33 in mice)和可变但受限制的TCRβ链。MAIT在刺激后产生调节性细胞因子IFN-γ、TNF-α和IL-17,并表达IL-7、IL-12和IL-18受体。 NKT是αβ-和γδ-t细胞的一个亚群体,与NK细胞不同,其特征是CD1d限制和有限的tcr多样性。它们主要存在于非粘膜组织中,参与抗肿瘤活性,有助于b细胞的增殖和抗体的产生。NKT可进一步分为两个不同的亚群,即Ⅰ型和Ⅱ型NKT细胞,它们优先位于肝脏内。Ⅰ型在小鼠上显示半不变TcR (Vα14Jα18/Vβ2, 7, 8),在人身上显示(Vα24Jα18/Vβ11),而Ⅱ型NKT细胞表现出更多样化的TCR序列。 先天样B淋巴细胞 哺乳动物的b淋巴细胞现在被分类为b2,或经典的,b1,或先天的。通过 Cd5在其表面的差异定义这两组主要的b淋巴细胞。B1a (B1)细胞进一步细分为B1-B,表型CD5+/IgMhigh/IgDlow,和CD5阴性的B-1b。b1-b细胞以不依赖T细胞的方式产生大量天然多反应抗体,是积极吞噬和杀微生物,可能参与自身免疫,在感染期间,它们在肠粘膜中以分泌iga的浆细胞的形式存在。CD5+ B细胞产生的天然多反应抗体是种系细胞编码的抗原识别分子(class IgM, IgA, and IgG3),具有有限的v区基因,在早期宿主防御、自噬/组织重塑和免疫调节、通过补体激活的经典途径识别病原体和激活天然免疫系统等方面发挥着重要作用。b1-b细胞被认为没有记忆能力,在胚胎期时存在于小鼠肝脏,而在长大后则存在于脾脏和腹膜腔,在那里它们经历自我更新,其机制尚不清楚。 b1-b细胞参与先天活动,在体外通过TLRs(从TLR 1到TLR 8)对刺激作出反应,诱导b1-b细胞增殖并分化为免疫球蛋白分泌细胞。此外,b1-b细胞在先天激活后能快速产生大量的免疫调节细胞因子il-10。另一个具有先天活性的b细胞亚群位于脾髓边缘区,参与以不依赖T细胞的方式产生IgM抗体来抵抗血液中的病原体。 特别令人感兴趣的是先天样b细胞的组织定位,它主要在粘膜表面和肠内发挥作用,在这些位置b1-浆细胞产生的IgA可自发存在,并与肠道菌群发生反应。在成年小鼠和人中,肠粘膜也是γδt淋巴细胞最丰富的部位,其次是呼吸上皮(24)和表皮。粘膜组织在可能感染的过程中mILL种系细胞受体可以快速反应,从而提供独立于适应性反应保护,在没有抗原暴露的情况下,例如在新生儿中。 鱼类淋巴细胞 前面对mILL做了简短的概括,在硬骨鱼中似乎与我们所知的传统淋巴细胞的特征非常相似,在数十年的研究中积累的实验数据显示,有表面αβ-和γδ-tcr的t细胞、表达三种免疫球蛋白类型(igm、igt和igd)的b细胞、淋巴细胞亚群以及一整套编码淋巴细胞相关分子的主基因。在体外和体内,鱼类淋巴细胞被证明具有功能活性,并产生和/或受淋巴细胞相关细胞因子家族的影响。 鱼类T细胞的特征 硬骨鱼中存在两类t细胞,在细胞表面显示αβ-和γδ-TcR,与TCR共受体,基因的表达模式明确地表明T细胞亚群的存在就像在哺乳动物中已知的那样。即cytotoxic (CD8), helper (CD4), and regulatory (Treg, Th17)。近年来,鱼类t细胞的免疫生物学已成为研究调控机制、表面标记物的表达和体外/体内研究的重要课题。就目前的工作而言,现有数据表明,t细胞在鱼类中的分布主要分布在肠和鳃粘膜组织中,而t细胞的活动在这些组织中是多种多样的。在肠道内,IEL表现出体外自发的细胞毒活性,增值能力差(未公开出版发行的;…