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天然免疫系统的“分子模式识别作用”及其免疫生物学意义
免疫学杂志 2000年第3期第16卷 免疫学进展
作者：陈政良 朱锡华
单位：陈政良（第一军医大学免疫学教研室，广东 广州 510515）；朱锡华（第三军医大学免疫学教研室，重庆 400038）
关键词：天然免疫；模式识别作用；“自己”“非己”识别；免疫应答类型
［摘 要］天然免疫系统对配体的识别是“分子模式识别作用”，该作用不仅能绝对区分“自己”与“非己”，而且可区别无害“非己”和病原体相关“非己”，并通过抗原提呈和共刺激信号两个环节赋予获得性免疫应答识别“自己”与“非己”的能力，籍其诱导表达的一套不同的细胞因子决定获得性免疫应答的类型。
［中图分类号］R392．1 ［文献标识码］A
［文章编号］1000-8861（2000）03-0161-05
“Molecule pattern recognition”of innate immune system and
its immunobiological significances
机体在长期的进化过程中，在病原生物的压力下，适应产生了两套免疫系统，即天然免疫（innate immunity）和获得性免疫（acquired or adaptive immuniy）。天然免疫或称非特异免疫，存在于所有的多细胞生物，与生俱来，包括多种效应细胞和分子，如各种粒细胞、单核／巨噬细胞、树突状细胞（DC）、NK细胞和体液杀菌成分如补体、抗微生物肽、溶菌酶等。获得性免疫即特异性免疫，到脊椎动物才出现，是在个体发育过程中通过体细胞lg超家族基因重排而产生的抗原识别细胞，包括T和B淋巴细胞。
自20世纪50年代末BURNET［1］提出克隆选择学说以来，对获得性免疫系统进行了广泛深入的研究，获得性免疫应答所涉及的细胞、蛋白质和基因的结构、功能及其机制诸方面均取得了许多重大的进展和突破，而天然免疫的研究进展缓慢。然而，90年代以来多种天然免疫识别分子的发现，其结构、功能的初步阐明，导致了90年代后期“天然免疫研究之崛起”［2］及其“复兴时代的到来”［3］。本文仅就其核心问题—“分子模式识别作用”及其免疫生物学意义作一概略介绍。
1 天然免疫识别分子及其“分子模式识别作用”
1.1 天然免疫识别分子的种类 天然免疫识别分子都是由胚系基因编码的蛋白质，根据结构特征分为7个家族（见表1），但一些分子如补体经典途径识别分子C1q、旁路途径识别分子C3、肽聚糖识别蛋白等尚未归类，而且，新的天然免疫识别分子还在不断发现之中。还可以从功能上将天然免疫识别分子分为循环于血浆中的体液蛋白、表达于细胞表面的内吞受体和细胞表面或细胞内的信号受体；按识别方式可分直接识别分子如CD14、DEC-205、胶凝素等和间接识别分子（识别天然免疫系统与病原体反应后的产物）如补体受体、Toll受体等。
表1 天然免疫系统的识别分子［4～6］
Tab 1 Recognition molecules of the innate immune system［4～6］
| Protein families | Sites of expression | Examples | Ligands |
| C-type lectins | |||
| Humoral | Plasma | Collectins（MBL，SP-A，SP-D，
CL-43，conglutinin） |
Microbial carbohydrates |
| Cellular | Mφ，DC
NK |
Mφ C-type lectin，DEC-205，
Mφ mannose receptor NKR-P1，Ly-49，NKG2，CD94，CD69 |
Terminal GalNAc，mannose
Terminal GalNAc，GlcNAc others |
| Leucine-rich protein | Mφ，Mo，PMN
Mo，others |
CD14
Toll* |
LPS？ |
| Scavenger receptors | Mφ
Mφ subset |
Mφ scavenger receptors
Marco |
Microbial polysaccharides
Baterial cell walls |
| Pentraxins | Plasma | CRP，SAP | Microbial polysaccharides |
| Lipid transferases | Plasma | LBP，BPIP | LPS，other liposaccharides |
| Integrins | Mφ，DC，PMN，NK | CD11b，CD11c，CD18 | LPS，iC3b |
| CCP | Mφ，Mo，PMN，B | CR1，CR2 | C3b，C4b，iC3b，C3dg，C3d |
*Toll is a transmembrane receptor family involved in the control of a wide variety of immune response genes important for innate and adaptive immunity.Toll receptors and the associated NF-κB signaling cascade may represent the most ancient host defense system found in plants，insects，mammals and humans.
BPIP：bactericidal permeability increaseing protein；CCP：complement control proteins；CRP：C-reactive protein；DC：dendritic cells；LBP：LPS-binding protein；LPS：lipopolysaccharide；Mφ：macrophages；Marco：macrophage receptor with collagenous structure；MBL：mannan-binding lectin；Mo：monocytes；NK：natural killer cells；PMN：polymorphonuclear leukocytes；SPA，SP-D：surfactant proteins A and D；CL-43：collectin of 43kd；SAP：serum amyloid protein1.2 “模式识别作用” 病原体种类繁多，结构各异且突变频率很高，而由胚系基因编码的识别分子数量有限。相对很少的识别分子如何能识别众多的与病原体相关的分子结构呢？这是通过对病原体的保守性分子的“模式识别作用（pattern recognition）”来实现的。
首先从病原体方面来看，由天然免疫识别分子所识别的某一物质是：①为某一大组或某几大组病原体所共有，故其所代表的是一种分子模式（molecule pattern）而非某一特定结构；②肯定是病原体的保守结构成分且对其生存是必要的，如发生突变，将使病原体死亡或丧失致病性；③绝对不同于宿主机体自身成分［4，7］。凡满足上述条件者称为病原体相关分子模式（pathogen-associated molecular pattern，PAMP）。细菌DNA中未甲基化的CpG模体［8，9］和肽聚糖［10］、G－细菌的脂多糖（LPS）［11，12］、G＋细菌的磷壁酸、RNA病毒的dsRNA［4，7］、许多细菌、病毒、真菌及寄生虫表面的以Man、ManNAc、GlcNAc、Fuc等为末端糖基的糖结构［13，14］，都满足这些条件。例如，肽聚糖是所有细菌都具有（G＋细菌含量较高）但真核生物缺乏的成分，而青霉素的致死性效应足以证明它对细菌的生存是绝对必要的。
再从宿主方面来看，天然免疫向着识别病原体的保守结构进化，产生了一套非克隆性分布的天然免疫识别分子来辨别PAMP（见表1）并发现病原体的存在。例如，C型凝集素可识别各种病原体或病原体感染细胞表面的糖结构［5，13，14］，富亮氨酸蛋白、脂类转移酶和整合素能识别LPS及其它糖脂［11，12］，清除受体和五聚体蛋白可识别细菌细胞壁成分［4，7］，肽聚糖识别蛋白则识别肽聚糖［10］。这些识别分子能识别许多不同的配体，只要这些配体具有相同的保守性分子模式。所以，天然免疫识别分子也称为模式识别受体（ pattern recognition receptor，PRR），其对相应配体的识别即谓之模式识别作用。譬如，一个识别LPS的受体（如CD14或LBP）一旦识别了LPS，就会发出存在G－细菌的信号。宿主免疫系统的这种进化策略，允许有限数量的PRR能识别各种各样的具有PAMP的病原体，既使突变株也不例外，而这一点，正是获得性免疫应答所不好应付的一大难题。
“模式识别”这一概念的提出及证实，揭示了天然免疫识别分子作用的本质，就是通过识别病原体所特有的保守性分子模式而区别对宿主机体有害或无害的物质并选择合适的方式清除有害物质，因而具有重要的免疫生物学意义。
2 “分子模式识别作用”的免疫生物学意义
2.1 “模式识别”赋予免疫系统识别“自己”与“非己”的能力 “自己”与“非己”识别，是免疫学的根本问题。按照克隆选择学说，自身反应性淋巴细胞在胚胎期已被清除，故成年个体的淋巴细胞只识别非己抗原并发生应答［1］。然而，近年研究证明事实并非如此［15］。抗原刺激新生动物，既能产生有效的免疫应答，也可诱导免疫耐受［16，17］，还能表现为TH1应答与TH2应答的相互转换［18］，抗原刺激的后果取决于APC的性质［16］、抗原的剂量［17］及佐剂的类型［18］表明免疫耐受并不是未成熟免疫系统的固有特性，耐受或激活，并非由抗原性质属“自己”或“非己”所决定，关键因素是免疫条件［16］。因此，胚胎发育过程中淋巴细胞接触抗原物质（包括自身抗原）后并未被清除或耐受，成年个体的淋巴细胞对“自己”、“非己”抗原均能识别，是否发生应答取决于另一些重要的信号［15］。再者，获得性免疫的基础是个体发育过程中通过体细胞Ig超家族基因重排及重排过程中突变而产生的多达1016数量级的具有随机特异性的抗原受体TCR和BCR，它们克隆性地分布在T、B淋巴细胞上［19］。其结果是，表达于每一淋巴细胞的受体的特异性不是预先决定的。然而，只有抗原是来自或属于病原体时，所诱导的免疫应答才是有利的，而针对自身抗原或环境无害抗原的应答则可能导致自身免疫疾病或超敏性反应。TCR识别与MHCⅠ或Ⅱ类分子结合的多肽，而BCR则识别天然抗原的构象决定簇，这种肽／构象决定簇识别系统具有精细的特异性、广泛的识别谱和免疫记忆，但目前尚无证据表明肽和构象决定簇有“自己”、“非己”、无害有害之分。天然免疫和获得性免疫存在诸多差异，而最大的差异在于两者的识别受体（见表2）。因此，就现有资料来看，在抗原受体识别水平上，T、B淋巴细胞难以区别“自己”和“非己”，至少是不能完全区别“自己”与“非己”［20］。那么，是什么赋予免疫系统识别“自己”与“非己”的能力呢？
表2 天然免疫与获得性免疫［20］
Tab 2 Innate and adaptive immunity［20］
| Property | Innate immune system | Adaptive immune system |
| Receptors | Fixed in genome；
rearrangement not necessary |
Encoded in gene segments；
rearrangement neccessary |
| Distribution | Nonclonal；all cells of a class identical | Clonal；all cells of a class distinct |
| Recognition | Conserved molecular pattern | Details of molecular structure |
| Self-nonself
discrimination |
Perfect；selected over evolutionary time | Imperfect；
selected in individual somatic cells |
| Action time | Immediate activation of effectors | Delayed activation of effectors |
| Response | Costimulatory molecules；
cytokines（IL-1β， IL-6）；chemokines（IL-8） |
Clonal expansion or anergy；IL-2；
effector cytokines （IL-4，IFN-γ） |
Th细胞巧妙地协调着细胞免疫应答和体液免疫应答，在获得性免疫应答中起中枢作用，但它们必须接受APC提供的MHC-肽刺激信号和共刺激信号才能活化。虽然认为有好几种粘附分子可能提供共刺激信号，但目前肯定的共刺激分子只有B7。DC和Mφ是最主要的APC，表面具有多种PRR（见表1）。一方面，APC通过PRR识别具PAMP的病原体，内在化并将其加工成MHC-肽复合物，转运至细胞表面提呈给Th细胞；体液PRR如Clq和胶凝素可捕获病原体，APC通过胶凝素受体（即Clq受体）而将病原体内吞加工，如上述途径提呈给Th细胞。另一方面，APC表达B7分子受到模式识别的控制，只有在将某一物质识别为有害物后才表达B7分子。已证实，许多病原体产物如细菌DNA、病毒RNA、分支杆菌细胞膜、奈瑟菌穿孔蛋白、LPS、甘露聚糖等均可诱导B7分子表达。因此，B7共刺激活性的作用就是发出存在有害物质的信号，故PRR在识别PAMP后通过诱导B7分子的表达而将有关抗原来源病原体及其性质的信息传递给Th细胞［4，7，21］。机体自身抗原和环境无害抗原因不具有PAMP，故不能诱导共刺激分子B7的表达。所以，如果APC不表达B7分子，就表明其所提呈的抗原是自身的或非病原体来源的［4，21］。若T细胞与只提呈抗原而无B7分子的APC相互作用，将导致该特异性T细胞克隆不应答（anergy）。自身抗原甚至非自身抗原，如无佐剂，通常诱导免疫耐受，若存在佐剂，则能刺激产生免疫应答。现在已知，该现象的原因是这种纯化抗原不能产生共刺激活性，而佐剂的作用就是通过带有PAMP的微生物成分来诱导共刺激信号［7］。因此，PRR的模式识别作用不仅能绝对区分“自己”和“非己”，而且可区别无害“非己”和病原体相关“非己”，并籍抗原提呈和共刺激信号两个环节赋予获得性免疫应答识别“自己”与“非己”分子的能力。
众所周知，诱发自身抗原的免疫应答可引起自身免疫性疾病，而针对环境无害抗原的免疫应答则能导致超敏性反应。上述机制只允许对病原体等有害物质特异的免疫细胞活化，可防止自身反应性和环境无害抗原特异性的免疫细胞激活，提示天然免疫识别分子的模式识别作用就是免疫系统识别“自己”与“非己”这一根本问题的本质所在，可见其免疫生物学意义何其深远！然而，这一理论才初露端倪，尚需更多更深入的工作予以补充和完善。
2.2 “模式识别”决定获得性免疫应答的类型 不同的病原体需要不同类型的免疫应答来清除。Ⅰ型和Ⅱ型应答分别由Mφ、细胞毒抗体和非细胞毒抗体、肥大细胞、嗜酸性粒细胞介导。Th1细胞分泌IFN-γ、TNF-β、TNF-α等细胞因子诱导Ⅰ型应答，它介导了绝大多数病原体的清除，但如过强则可引起组织损伤。Th2细胞产生IL-4、5、6、10等细胞因子促成Ⅱ型应答，它能抗肠道寄生虫感染，可拮抗Ⅰ型应答所致的组织损伤，但在速发型超敏反应中有致病作用［5］。然而，获得性免疫系统的淋巴细胞在激活前并未定向进行任何类型的免疫应答，但这些初始（naive）细胞是多能的，可沿不同分化途径成为不同的效应细胞，这取决于其分化过程中所接受的一些重要信号。相反，天然免疫系统的细胞和分子已分化成熟，不仅能区分“自己”和“非己”，而且可识别不同的病原体并能诱导不同类型的免疫应答以清除之。这是因为不同的天然免疫效应细胞通过其表面PRR接受不同刺激，表达一套不同的细胞因子，提供淋巴细胞分化所必需的信号，从而决定获得性免疫应答的类型（见表3）。
表3 天然免疫效应性细胞因子及其功能
Tab 3 Effectorcytokinesofinnateimmunityandtheirfunctions
| Cellsources | Effectorcytokine | Effectorresponse |
| Macrophages | IL-12 | Th1 |
| Macrophages | IL-10 | Th2 |
| NKcells | IFN-γ | Th1，IgG2（mouse） |
| Mastcells，basophils | IL-4 | Th2，IgG1（mouse），IgE |
| Eosinophils | IL-5 | IgE |
| NKTcells | IL-4 | Th2，IgG1（mouse），IgE |
CD4＋Th0细胞向Th1细胞分化需I型细胞因子IL-12、IFN-γ和TNF-α。Mφ通过其PRR的模式识别作用而活化，分泌IL-12和TNF-α，IL-12可诱导Th0增加IFN-γ合成、降低IL-4产生而分化为Th1细胞；LPS可使Mφ产生IFN-γ诱导因子，故具类似作用。Th细胞的CD40L与Mφ CD40交联后即刺激其分泌IL-12和TNF-α，这二者可诱导NK细胞产生IFN-γ；若使NKR-P1交联，NK细胞即分泌大量IFN-γ。IFN-γ转而激活Mφ的IL-12 P40基因和T、NK细胞IL-12R基因的转录，从而促进IL-12分泌及其活性。由活化Mφ和NK细胞产生的GM-CSF可诱导Mφ表达CD1a、b、c，这些非经典MHC分子能提呈微生物非肽性分支菌酸和脂聚糖给CD4－CD8－或CD8＋αβT细胞，触发其产生IFN-γ［5，21，22］。
CD4＋Th0细胞向Th2细胞发育则需Ⅱ型细胞因子如IL-4、5、10。肥大细胞和嗜碱粒细胞分泌IL-4，嗜酸粒细胞产生IL-5，Mφ在识别某些病原体如蠕虫后也分泌IL-10［4］，NKR-P1＋Ly-49＋自然杀伤T（NKH＋T）细胞与非经典MHC分子CD1d结合，即迅速产生大量IL-4，从而诱导Th0细胞向Th2细胞分化。表达B7.2的APC选择性诱导Th0细胞产生IL-4，使其发育为Th2细胞。此外，由Mφ产生的C-C趋化因子倾向于招募Ⅱ型效应细胞［7，21，22］。
Ⅰ型和Ⅱ型细胞因子在CD8＋T细胞的分化过程中起同样的作用，分别诱生Tc1和Tc2两个效应亚群。同样，Ⅰ型和Ⅱ型细胞因子也控制着B细胞抗体类别的转换，使之分别产生细胞毒抗体（小鼠IgG2a、人IgG1）和非细胞毒抗体（IgE、小鼠IgG1、人IgG4）［4，5，7］。
3 展望
天然免疫的本质是识别病原生物所特有的保守性分子模式，除了其本身固有的功能外，还赋予获得性免疫应答“自己”与“非己”识别能力并左右其应答类型。这一全新的概念，尽管尚不成熟，但已经为天然免疫的研究展示了强大的生命力和广阔的前景，并为许多疾病的发病机制及其防治研究提供了新的切入点和生长点［23］。然而，目前多数天然免疫识别分子的结构、功能及其作用机制远未清楚，对天然免疫在获得性免疫应答中的作用也所知极为有限，该领域的许多方面亟待开拓和深入，“任重而道远”［20］！重点从天然免疫识别分子的进化、比较生物学与发育生物学［24］及天然免疫与获得性免疫的相互关系及其整合［25］等方面进行深入探索，可望彻底揭示免疫的本质。我们相信，在21世纪，随着对天然免疫的纵深研究，天然免疫与获得性免疫整合为一体，诸如“自己”与“非己”识别、免疫耐受、自身免疫、超敏反应、免疫佐剂等免疫学基本问题将获重大的突破，传染病、肿瘤、自身免疫性疾病、超敏性疾病、移植排斥反应等重要疾病的防治会有根本的改观。
［作者简介］陈政良（1957-），男，湖南新化县人，副教授，博士，主要从事天然免疫、免疫性疾病的研究。
［参考文献］
［1］BURNET FM.The clonal selection theory of acquired immunity［M］.London： Cambridge University Press，1959.
［2］EZEKOWITZ RAB，HOFFMAN J.The blossoming of innate immunity［J］.Curr Opin Immunol，1998，10：9～11.
［3］TURNER MW.90 Years on ：a therapy to‘ stimulates the phagocytes？［J］.Scand J Immunol，1998，48：124～126.
［4］MEDZHITOV R，JANEWAY CA JR.Innate immunity：impact on the adaptive immune response ［J］.Curr Opin Immunol，1997，9：4～9.
［5］FEARON DT，LOCKSLEY RM.The instructive role of innate immunity in the acquired immune response［J］.Science，1996，272：50～54.
［6］陈政良.NK细胞受体（I）：C型凝集素超家族分子［J］.国外医学分子生物学分册，1998，20：193～196.
［7］MEDZHITOV R，JANEWAY CA JR.Innate immunity：the virtues of a nonclonal system of recognition［J］.Cell，1997，91：295～298.
［8］KRIEG AM，LOVE H L，YI AK，et al.CpG DNA induces sustained IL-12 expression in vivo and resistance to Listeria monocytogenes challenge［J］.J Immunol，1998，161：2428～2434.
［9］HEEG K，SPARWASSER T，LIPFORD GB，et al.Bacterial DNA as an evolutionary conserved ligand signalling danger of infection to immune cells［J］.Eur J Clin Microbiol Infect Dis，1998，17：464～469.
［10］KANG D，LIU G，LUNDSTER A，et al.A peptidoglycan recognition protein in innate immunity conserved for minsects to humans［J］.Proc Natl Acad Sci USA，1998，95：10078～10082.
［11］FENTON MJ，GOLENBOCK DT.LPS-binding proteins and receptors［J］.J Leukoc Biol，1998，64：25～32.
［12］ULEVITCH RJ，TOBIAS PS.Recognition of gram-negative bacteria and endotoxin by innate immune system［J］.Curr Opin Immunol，1999，11：19～22.
［13］STAHL PD，EZEKOWITZ RA.The mannose receptor is a pattern recognition receptor involved in host defense［J］.Curr Opin Immunol，1998，10：50～55.
［14］FRASER IP，KOZIEL H，EZEKOWITZ RA.The serum mannose-binding protein and the macrophage mannose receptor are pattern recognition molecules that link innate and adaptive immunity［J］.Semin Immunol，1998，10：363～372.
［15］PENNISI E.Teetering on the brink of danger［J］.Science，1996，271：1665～1667.
［16］RIDGE PJ，FUCHS EJ，MATZINGER P.Neonatal tolerance revisited：turning on newborn T cells with deneritic cells［J］.Science，1996，271：1723～1726.
［17］SARZOTTI M，ROBBINS DS，HOFFMAN PM.Induction of protective CTL responses in newborn mice by a murine retrovirus［J］.Science，1996，271：1726～1728.
［18］FORSTHUBER T，YIP HC，LEHMANN PV.Induction of TH1 and TH2 immunity in neonatal mice［J］.Science，1996，271：1726～1730.
［19］GAUSS GH，LIEBER MR.Mechanistic contraints on diversity in human V（D） J recombination ［J］.Mol Cell Biol，1996，16：258～269．
［20］JANEWAY CA JR.Presidential address to the Ame-rican Association of Immunologists.The road less traveled by： the role of innate immunity in the adaptive immune response［J］.J Immunol，1998，162：539～544.
［21］MEDZHITOV R.Innate immunity recognition and control of adaptive immune response［J］.Semin Immunol，1998，10：351～353.
［22］KOS FJ.Regulation of adaptive immunity by natural killer cells［J］.Immunol Res，1998，17：303～312.
［23］陈政良，富 宁.非特异免疫对特异性免疫应答的指导作用——疾病防治新思路.国外医学免疫学分册，1998，21：204～207.
［24］HOFFMAN JA，KAFATOS FC，JANEWAY CA JR，et al.Phylogenetic perspectives in innate immunity［J］.Science，1999，284：1313～1318.
［25］LO D，FENG L，LI L，et al.Integrating innate and adaptive immunity in the whole animal［J］.Immunol Rev，1999，169：225～239.
［收稿日期］1999-10-08； ［修回日期］1999-12-08