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; 未发表过的),并在没有抗原刺激的情况下并在体内进行RAG-驱动的在TcRβ-chain/TcRγ-chain连接长度中给定的v/c组合自发体细胞重排。另一方面,来自鳃的t细胞可以在体外增殖对凝集素产生反应,但rag的表达是可以忽略不计的。这些观察表明,硬骨鱼的肠道可能是t细胞产生的场所,而鳃则可能是t细胞更多发挥效应/辅助作用的场所。鱼类肠道可以成为t细胞的主要产生者,这一假说的支持来自于关于鲈鱼免疫系统发育的数据,即在发育中的肠道之前或同时发现第一抗体阳性的t细胞,而不是在胸腺中检测到。然而,确定鱼类t细胞亚群出现的精确时间和组织的确切知识仍然缺乏。最后,鱼类确实有记忆t细胞,这是通过免疫鲤鱼由il-10调制CD8和CD4群体的反应和增殖来识别的。有趣的是,需要注意的是,由于缺乏体细胞重组而设计的变异斑马鱼(rag-1−/−)在细菌再次暴露后仍然能够提供特定的保护。大西洋鳕鱼基因组中缺乏CD4和mhcⅡ,但在对病原体的免疫挑战中受到保护。这些观察表明,需要对鱼类进行进一步的研究,以更好地阐明t细胞的功能特征,如γδT细胞的吞噬能力。

鱼类B细胞的特征

发现鱼类体内产生抗原特异性抗体已经有近70年的历史了,研究表明,鱼类的b细胞表达三种重的Ig链,即IgM, IgT/Z和IgD, 分别通过表达μ, τ, and δ来定义的。以及一些Ig轻链(e.g., two in catfish, three in zebrafish, MW 25–28 kDa)。IGM在鱼类中是四聚体(Mw 450 Kda),系统地存在于体液中,它们可能在高浓度时出现在血清中。IgT/IgZ是以单聚形式(Mw 170 Kda)产生的粘膜免疫球蛋白,然而在鳟鱼粘液中观察到一种非共价的聚合IgT结合。IgD已经在分子水平上进行了研究,它是以一种单体的形式表达的,其分子量为150 kda,但对其在鱼类中的生理作用知之甚少。同样地,鱼的b细胞也是许多研究的对象,其结果也被综合评论。关于目前的工作,鱼类b细胞的主要活动可概括如下:(i)在未免疫的鱼的天然血清中IgM的含量高;(ii)二次免疫后IgM亲和力下降;(iii)存在记忆B细胞;(iv)自发吞噬作用;(v)病原体诱导粘膜分泌IgT(IgA的进化同源物);(vi)存在类似小鼠脾b1-b细胞的肾淋巴细胞前体;(vii)腹膜腔中存在增殖性b细胞;可能表达TLRs。有趣的是,在一些鱼类物种中观察到了有关b细胞的耐人寻味的特征,例如,在成功地对病原体进行免疫后,小体缺乏病原体特异性的IgM,以及在一个腔棘鱼中缺乏完整的IgM基因。

哺乳动物先天淋巴细胞和鱼类淋巴细胞之间的相似性

上面主要概括了mILL和鱼类常规淋巴细胞的主要特征,B细胞和T细胞极有可能的相似之处在图一图二中展现出来。要更好地理解脊椎动物间淋巴细胞的进化,一个非常重要的问题是原始组织的定义和发育过程中的组织定位。实验证据表明,鱼肠可能是t细胞的主要淋巴组织,甚至在它们出现在胸腺之前就可以在那里被检测到,在那里可能存在与胸腺t细胞选择不同的t细胞选择。直到哺乳动物之前可能T细胞亚群与胸腺无关的起源似乎是保守的,其中γδt细胞可能来源于人胎肝和妊娠期6至9周的原始肠,这是通过研究δtcr在人类发育过程中的表达而提出的。事实上,γδt细胞在人的肠道发育过程中起着关键的作用,由于早产儿肠屏障不成熟,从而减少了IEL的数量,可能会发展为严重的小肠结肠炎。

肝脏作为淋巴细胞发育位点的重要性来源于哺乳动物B细胞的起源,在那里发现B1a细胞是在小鼠胎肝中发育出来的,它们在脾脏中迁移,而不是在骨髓中迁移。有趣的是,在小鼠脾脏中,一个淋巴细胞亚群显示出与来自成年金鱼和斑马鱼肾的淋巴sp细胞非常相似的流式细胞术形态特征(sp细胞)。

鱼类中b细胞的起源没有明确的定义,在斑马鱼中,基于b细胞受体基因重排胰腺被认为是主要位点,而在鲈鱼肾中,IHC在孵化后55天已经建立了产生IgM的细胞。虽然在所有被调查的鱼类物种中很明显,t细胞的发育先于b细胞的发育,但没有明确说明b细胞起源的主要位置。

另一个相似之处是雌性与发育中的胚胎之间的免疫传递。在鱼类中,在未受精卵和胚胎第一阶段中,IGM分子的存在和IGM基因的表达来判断和观察到母体抗体通过胎盘转移到胎儿的一个可能的前体过程。在哺乳动物中,b1-b细胞已经存在于胚胎外卵黄囊的早期阶段,并在胎儿肝脏中继续发育,在妊娠晚期和婴儿期,IGM占主导地位。

其他实验证据表明,哺乳动物b1-b细胞产生的低亲和力多反应血清天然IGM抗体与鱼类中IGM的存在/反应有显著的相似之处。与哺乳动物和其他被调查的脊椎动物一样,鱼类的一次抗体反应动力学涉及IGM,但与哺乳动物不同的是,在鱼类中既不存在类转换二级反应,也没有明显增加血清Igm亲和力,尽管免疫后可以观察到特异性抗体滴度。值得注意的是,对鱼类抗体反应的保护机制和特异性有待于充分了解,因为一些鱼类在免疫后得到了保护,而没有产生特异性的IGM抗体。此外,IGM甚至可以完全缺失,就像在一个缺乏IGM基因的物种中发现的那样。鱼类中天然IGM作为天然免疫参与者的重要性可能在于它们在血清中的含量,因为未免疫的鱼类(5种血清7.7mg/ml)中IGM的平均浓度远高于人类IGM的平均浓度(1.3 mg/ml)。考虑到鱼类缺乏IgG,较高浓度的天然IGM能以尚未完全了解的方式促进机体对病原体的免疫,因此,研究天然IGM在天然免疫中的作用,以及免疫时b细胞产生特异性IGM的动力学,可以为了解哺乳动物天然抗体的生理提供一些线索。粘膜组织分泌的ig在与外界环境交界处的病原体清除中尤为重要,而硬骨鱼有一个与粘膜相关的IGT类,其特征就像肠道共生微生物的涂层,先于哺乳动物特异性分泌型IgA。虽然IgT与IgA不是同源的,很明显,这两种分子的进化是趋同的,它们都是多聚的,主要产生在粘膜中,并且是由黏膜免疫诱导的。

鱼类白细胞表达TLRs,对LPS有较强的体外反应,TLR 5对鞭毛素有较强的应答作用,TLR 3对病毒poly I:C有较强的应答作用。虽然这些反应已经在白细胞中进行了检测,但是根据从鱼头肾转录组获得的核苷酸序列,推测鱼b细胞应该表达病原体特异性保守的TLRs,鱼b细胞的淋巴组织显示几种TLRs基因表达的存在。鉴于鱼b细胞上存在TLRs,这与哺乳动物b1-b细胞上的TLRs有明显的相似之处。

另一群鱼类IgM-B细胞位于腹腔,能在抗原刺激后迅速增殖,产生多反应抗体,并负责清除病原体。同样,在哺乳动物体内,b1-b细胞在抗原刺激后能迅速增殖,并能迁移到包括肠道在内的外围,以对抗病原体。

总结

脊椎动物的免疫防御系统在其分子和细胞组成中是非常保守的,它来自于硬骨鱼类,这是目前更古老的直接给哺乳动物带来的进化谱系的代表。由于了解脊椎动物的形态和生理过程的相似之处,因此将硬骨鱼作为一种额外的动物模型,用于研究免疫识别的病理和生理学,以将研究成果应用于人类疾病模型的翻译研究为目的,斑马鱼模型可以很容易地做到这一点。因此,硬骨鱼类在了解脊椎动物免疫反应的进化过程中起着重要的作用,而实验证据表明,与疾病有关的哺乳动物先天样淋巴细胞的某些特征,如慢性淋巴细胞白血病和炎症,可以从鱼类淋巴细胞的知识中获益。

本综述中所描述的假设是,较年轻的物种(哺乳动物)保留了祖先(鱼类)的免疫防御特征,而这些祖先因进化而获得了新的细胞和分子基因“层”,在哺乳动物中可能由具有先天活动的细胞组成的“较低”免疫层,其中包括先天样淋巴细胞。

本文所考虑的实验证据表明,鱼类淋巴细胞的形态、基因表达和功能特征与哺乳动物先天样淋巴细胞亚群有相似之处,但在鱼类淋巴细胞的免疫生物学方面,如肠道t细胞/γδt细胞和b1-b细胞的来源/功能等方面仍有许多有待进一步了解的东西。

考虑到MAIT仅限于哺乳动物,因此仍需阐明NKT在鱼类中的可能存在,在鱼类中缺乏对自发细胞毒性细胞进行明确的表面表型鉴定。我们还需要更详细地研究鱼类αβ/γδT细胞的精确时间和组织来源,IgM/IgT B细胞的转录特征,以及天然多特异性IgM的产生和动力学特性以及γδT细胞的吞噬能力等功能活动。

重要的是,哺乳动物先天样淋巴细胞(即γδT cells and B1-B cells)的亚群可能是鱼类淋巴细胞的现存类似物的假说已经被提出,并得到了最近的一份出版物的支持。这些工作表明淋巴细胞的起源,可能包括先天样淋巴细胞,可以追溯到所有脊椎动物的起源。因此,研究鱼类淋巴细胞的发育和免疫生物学在比较免疫学中具有重要的意义。这对于更好地了解哺乳动物先天样淋巴细胞的免疫生物学及其与人类疾病的关系可能很重要。

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原文:https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fimmu.2018.00971/full

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