Notch信号在免疫系统中的作用

  Notch信号通路调节人体的多个方面，如胚胎发育、分化过程及组织的稳态。Notch信号通路调节异常与许多疾病的发生有关。越来越多的证据表明，Notch信号通路在胚胎造血干细胞的发育中起关键作用，并影响淋巴细胞和骨髓细胞的细胞谱系分化倾向。本文综述Notch信号通路在造血、淋巴细胞分化中的作用。  1 Notch信号通路概述  在1917年，Morgan等[1]基因学家对果蝇翅膀边缘上的缺口进行了研究，发现这些有缺口表型的翅膀是由于缺少荦狅狋犮犺基因造成的，该基因于20世纪80年代中期被克隆出来[2].果蝇荦狅狋犮犺基因编码一个不寻常的I型跨膜受体，该受体是由相邻细胞的Notch配体相互触发而激活。  1.1Notch信号通路的组成Notch信号通路高度保守，存在于蠕虫和人类等多种生物体内，由跨膜的受体、配体和核内结合蛋白及靶基因组成[3].哺乳动物具有4个Notch受体（Notch1~4），由同一蛋白前体向细胞膜转运过程中经过不同剪切、修饰而形成。Notch受体是具有细胞表面受体和核内转录调控双重功能的单链跨膜蛋白，包括Notch胞外结构域、跨膜区和Notch胞内结构域。Notch配体又称DSL蛋白（因其在果蝇中被命名为Delta和Serrate,在线虫中被命名为Lag.2,取其三者首字母而来），也是表达于细胞表面的单链跨膜蛋白，在哺乳动物中具有5个Notch配体（Delta1、3、4,Jagged1、2）。Notch信号通路的靶基因多为含有碱性螺旋环螺旋（basichelix.loop.helix,bHLH）结构域的转录因子，主要包括HES和Herp家族[4].近期出现了关于Notch信号通路的分子生物学生物化学细节描述的综述[3,5].  1.2Notch信号通路的启动Notch信号通路由相邻细胞之间配体。受体的相互作用而启动，两者结合后促使Notch胞外区和跨膜区分离，同时激活后续的两次酶切事件。首先在Notch胞外结构域靠近细胞膜处，由ADAM金属蛋白酶家族的基质金属蛋白酶介导酶切S2位点，产生C端的酶切产物。这个过程是依赖于E3泛素配体的胞质尾区的泛素化连接酶家族[5].在分离细胞外域后，第2次切分（S3位点）跨膜结构域由激活的γ。分泌酶介导。这些释放的Notch胞内结构域，随后转移到细胞核以DNA异二聚体的形式与转录因子CSL结合，形成一个暂时的核转录复合体。一旦与CSL结合，Notch胞内结构域即可激活MAML1.3等，继而吸引MED8以诱导下游的靶基因。最近通过全基因组表达和染色质免疫沉淀（ChIP）阵列的研究发现，由Notch直接调节的基因大量存在[6.7].最新的数据表明，Notch可以与其他信号通路沟通或协作，从而拓宽由Notch信号通路影响的靶基因范围[8].  2 Notch信号通路在造血干细胞的发育及其稳态中的作用  造血系统起源于胚胎发育过程中的不同部位，一般与血管生成密切相关。最原始的造血干细胞产生于外胚层的造血卵黄囊，之后转移到中胚层的主动脉旁胚脏壁（paraaorti splanchnopleura,P.Sp）和主动脉。性腺。中肾（aorta.gonad.mes onephros,AGM）。后期造血发生于胎儿的肝脏，最后由骨髓造血。最初的造血干细胞能够长期发育成造血细胞系的潜能发现于AGM区。这些细胞产生于妊娠中期胚胎背主动脉的具有双向分化能力的成血管细胞（由中胚层起始形成血管的过程中，能发育成血管内皮细胞的前体细胞）。Notch1缺陷的突变小鼠不能产生造血干细胞，这些突变的小鼠中卵黄囊血细胞的生成是不受干扰的[9].这些研究表明Notch信号通路的重要性，但对原始的造血细胞并不产生作用。然而，Notch信号通路在重要的动脉血管生成中也起重要作用[10].这些突变胚胎显示，严重的血管缺陷是由动脉细胞的损失产生的。在AGM中是Jagged1而不是Jagged2未能生成造血干细胞[11].同样的研究还发现，Jagged1介导Notch信号通路表达GA.TA2和Runx1,它们是造血系统两个重要的转录因子。上述的重要发现第一次证明了Notch信号通路对造血干细胞发育产生的影响，而且独立于动脉的发育过程[12].因此，Notch信号通路在造血干细胞发育中确实必不可少。Notch信号的剂量决定了在体外扩增过程中造血祖细胞向B和（或）T细胞分化的方向。造血干细胞共培养中，Notch配体的表达增加了其向T细胞分化的能力。当与Delta.like1.IgG融合蛋白共培养时，可以使人类脐带血细胞体外增殖，而且这些细胞在异种移植的分析中细胞频率显着增加（约15倍），并可能用于临床检测[13].有证据表明，Notch在扩大造血干细胞的长期发育中是有限的。缺乏Notch1或Jagged1的小鼠在造血干细胞能力的维持或移植后的造血能力都没有发现任何缺陷。这些结果并不排除其他Notch受体或配体在Notch1和（或）Jagged1缺失情况下发挥了补偿作用。两种互补的方法最近被用来阻止典型的Notch信号通路。第一种采用了使Mastermind样蛋阴性表达从而抑制Notch信号通路在造血干细胞和骨髓祖细胞（骨髓）转录中的功能，而第二种是使造血干细胞中的RBP.J灭活。这些方法分别阻止了Notch信号与Notch受体或配体的结合[14].抑制造血祖细胞的Notch信号没有发现任何HSC缺陷，证明造血干细胞具有正常的不断重组及在移植后的分化能力[15].这些研究表明，正常的Notch信号通路对维持骨髓中造血干细胞的动态平衡不是必需的。  3 Notch信号通路在T细胞发育中的作用  Notch信号通路在胸腺T细胞系的功能和成熟中发挥重要作用[16.17],T细胞是造血系统中适合研究Notch功能的细胞。BM前体细胞不断在胸腺分化成熟，并在其迁移到周围组织之前进一步分化为成熟的αβT细胞和γδT细胞。多个基因丢失和功能增强的研究表明，Notch1在T细胞谱系中具有重要作用[18].Notch1或Rbp的诱导灭活可引起B细胞在胸腺中积累，从而导致T细胞在胸腺的发育阻碍。这些研究初步解释了正常的Notch1信号决定了早期胸腺T细胞，而不是B细胞的分化，因为其他的髓系或淋巴系不受影响。近期研究显示，Notch1能抑制多种细胞在胸腺祖细胞的发育，包括粒细胞和B细胞，以及常规的浆细胞、树突状细胞的潜力，从而确保T细胞系有效率的产生[19.20].  4 Notch信号通路在周围T细胞发育和功能中的作用  T细胞离开胸腺，迁移到周围组织，将针对不同病原体发挥免疫调节作用。原始T细胞在接收适当的信号后被激活，并发挥其功能。例如，CD8+T细胞通过产生干扰素γ（IFN.γ）和细胞毒性分子（包括颗粒酶B和穿孔素聚），集于感染病毒的周围发挥抗病毒作用。病原体如细菌、寄生虫、真菌、病毒都能经此途径递呈给抗原呈递细胞（APC），然后激活CD4+辅助性T细胞（TH）。这些细胞针对不同的抗原微生物，诱导其特定的免疫反应[21].依据T细胞分泌细胞因子的不同分为Th1或Th2细胞，以及新近发现的Th17细胞。Th1细胞主要通过产生IFN.γ对抗体内的病原体产生抗炎作用，而Th2细胞则主要分泌IL.4、IL.5及IL.13,并对蠕虫有免疫作用。此外，一些细菌和真菌通过Th17细胞产生的IL.17使中性粒细胞向感染部位聚集而发挥作用。一旦免疫反应被激活，可引起自身免疫反应或超敏反应，为避免免疫反应的扩大化，机体将产生对抗其免疫反应的抗体[22].Notch信号通路与周围T细胞相关Notch受体的表达及T细胞的活化、增殖及细胞因子的产生密切相关。体外研究证实，外周血中TCR的激活可导致Notch1信号上调，并与其增殖有关。G.分泌酶抑制剂（GSI）通过调节抑制Notch信号抑制外周CD4+及CD8+T细胞，进而减少T细胞增殖并减少IFN.γ的分泌。另一项研究表明，NICD的表达可通过T细胞产生IL.2及IL.2受体增强其正反馈通路。Notch信号通路也与原始的CD8+T细胞分化成杀伤性T细胞（CTL）有关，其中的一个途径是通过上调转录因子Eomes,从而调节穿孔素和颗粒酶B的表达[23].此外，在小鼠模型中，淋巴细胞表达Notch1的反转录基因，并且能够降低Eomes、穿孔素和颗粒酶B的表达，Notch2也能调节颗粒酶B的表达。Notch2胞内结域通过与转录因子CREB1结合于颗粒酶B启动转录。体外研究显示，Notch2缺陷的CD8+T细胞在受刺激后比对照组产生更少的颗粒酶B.  5 Notch信号通路在边缘区B细胞发育中的作用  Notch信号通路在淋巴系统的脾脏边缘区B细胞及与之相对的滤泡B细胞中也发挥重要的作用。成熟的脾脏B细胞是由滤泡B细胞和边缘区B细胞两个主要亚群组成[24].滤泡B细胞，作为脾脏B细胞的主要亚群，是一个再循环细胞，可返回B细胞的滤泡中心。并参与T细胞依赖性蛋白抗原的免疫反应。相反，边缘区B细胞不通过再循环，而集中于脾脏边缘窦和脾脏红髓之间的脾脏白髓的外缘。脾脏的边缘区B细胞及滤泡B细胞都是由BM中的B细胞系造血祖细胞发育而来的。目前普遍认为脾脏边缘区B细胞的发育依赖于Notch与DLL1之间相互作用，依此建立的Notch2或DLL1缺陷小鼠模型中，边缘区B细胞的数量大大降低，证实Notch信号在边缘区B细胞的发育中是必需的。通过分析缺失Notch信号的小鼠模型发现RBP.J或MAML1基因的缺失也无法产生边缘区B细胞[25].与之相对的研究表明，敲除MINT（Notch信号通路的负调控因子）导致脾脏边缘区B细胞的增加。  总之，Notch信号通路可能通过Notch2.DLL1相互作用的强度来控制边缘区B细胞的发育速度，但目前缺乏有效的证据。尽管有些研究已证实DLL1是Notch2在边缘区B细胞发育中的相关配体，然而识别DLL1在脾脏细胞中的表达非常困难。特别是位于红髓和脾脏边缘区之间特殊的内皮细胞，可选择性表达DLL1[26].看起来这些表达DLL1配体的前体细胞的胞吞作用可能需要通过Notch2与边缘区细胞及其前体的有效信号。因为Mindbomb1（Mib1）及E3连接酶的缺失被认为是调节DLL1胞吞作用及表型模拟的模型中Notch2与DLL1突变的小鼠[27].  6 小结  近几年来越来越多的证据表明，Notch在T细胞介导的免疫反应中起重要作用，特别是能够调节辅助性T细胞分化。基因功能缺失的研究指出Notch信号通路在Th2细胞分化中起重要作用。然而，Notch似乎也影响Th1细胞分化。Th1和Th2细胞的分化可能取决于Notch激活的配体。配体受体的特异性问题目前还不清楚。还不知道Jagged和DLL表达的抗原呈递细胞在诱导Notch信号通路的能力有何不同，信号的强度及Th细胞分化过程中是如何转化不同的靶基因仍是个难题。  参考文献  [1]MorganTH.Thetheoryofthegene[J].AmNat,1917,51:513.544.  [2]KiddS,KelleyMR,YoungMW.Sequenceofthenotchlocusof drosophilamelanogaster:relationshipoftheencodedproteinto mammalianclottingandgrowthfactors[J].MolCellBiol,1986,6（9）：3094.3108.  [3]GordonWR,ArnettKL,BlacklowSC.Themolecularlogicof Notchsignalingastructuralandbiochemicalperspective[J].J CellSci,2008,121（19）：3109.3119.  [4] 秦亚录，范忠才。Notch信号通路与心脏发育的关系[J].西南军 医，2011,13（1）：98.101.  [5]KopanR,IlaganMX.ThecanonicalNotchsignalingpathway:Un. foldingtheactivationMechanism[J].Cell,2009,137（2）：216.233.  [6]PalomeroT,LimWK,OdomDT,etal.Notch1directlyregulatea c.MYCandactivatesafeed.forward.looptranacriptionalnetwork promotingleukemiccellgrowth[J].ProcNatlAcadSciUSA, 2006,103（48）：18261.18266.  [7]WengAP,MillhollandJM,Yashiro.OhtaniY,etal.c.Mycisan importantdirecttargetofNotch1inT.cellacutelymphoblastic leukemia/lymphoma[J].GenesDev,2006,20（15）：2096.2109.  [8]PoellingerL,LendahlU.ModulatingNotchsignalingbypathway. intrinsicandpathway.extrinsicmechanisms[J].CurrOpinGenet,2008,18（5）：449.454.  [9]Robert.MorenoA,EspinosaL,PompaJL,etal.RBPjkappa.de. pendentNotchfunctionregulatesGata2andisessentialforthe formationofintra.embryonichematopoieticcells[J].Develop ment,2005,132（5）：1117.1126.  [10]KumeT.Ligand.dependentNotchsignalinginvascularformation[J].AdvExpMedBiol,2012,727:210.222.  [11]Robert.MorenoA,GuluL,Ruiz.HerguidoC,etal.Impalredem.bryonichaematopolesisyetnormalarterialdevelopmentintheab. senceoftheNotchligandJagged1[J].EMBOJ,2008,27（13）：1886.1895.  [12]GuiuJ,ShimizuR,D′AltriT,etal.Hesrepressorsareessentialregulatorsofhematopoieticstemcelldevelopmentdownstreamof Notchsignaling[J].JExpMed,2013,210（1）：71.84.  [13]BernsteinID,BoydRL,vandenBrinkMR.Clinicalstrategiest enhanceposttransplantimmunereconstitution[J].BiolBlood MarrowTransplant,2008,14（1）：94.99.  [14]SunJ,KrawczykCJ,PearceEJ.SuppressionofTh2celldevelop. mentbyNotchligandsDelta1andDelta4[J].JImmunol,2008,180（3）：1655.1661.  [15]MaillardI,KochU,DumortierA,etal.Canonicalnotchsignaling isdispensableforthemaintenanceofadulthematopoieticstem cells[J].CellStemCell,2008,2（4）：356.366.  [16]RadtkeF,MacdonaldHR,Tacchini.CottierF.Regulationofin nateandadaptiveimmunitybyNotch[J].NatRevImmunol,2013,13（6）：427.37.  [17]Yashiro.OhtaniY,OhtaniT,PearWS.Notchregulationofearly thymocytedevelopment[J].SeminImmunol,2010,22（5）：261-269.  [18]YuanJS,KousisPC,SulimanS,etal.Functionsofnotchsignaling intheimmunesystem:consensusandcontroversies[J].AnnuRev Immunol,2010,28（2）：343.365.  [19]BellJJ,BhandoolaA.TheearliestthymicprogenitorsforTcells possessmyeloidlineagepotential[J].Nature,2008,452（7188）：764.776.  [20]FeyerabendTB,TerszowskiG,TietzA,etal.DeletionofNotch1 convertspro.TcellstodendriticcellsandpromotesthymicBcells bycell.extrinsicandcell.intrinsicmechanisms[J].Immunity,2009,30（1）：67.79.  [21]SaumaD,RamirezA,AlvarezK,etal.Notchsignallingregulates cytokineproductionbyCD8+andCD4+Tcells[J].ScandJIm munol,2012,75（4）：389.400.  [22]AsterJC,BodnarN,XuL,etal.Notchankyrinrepeatdomain variationinfluencesleukemogenesisandMyctransactivation[J]. PLoSOne,2011,6（10）：25645.  [23]ChoOH,ShinHM,MieleL,etal.NotchregulatescytolyticeffectorfunctioninCD8+Tcells[J].JImmunol,2009,182（6）：3380-3389.  [24]PillaiS,CariappaA.ThefollicularversusmarginalzoneBlym.phocytecellfatedecision[J].NatRevImmunol,2009,9（5）：767-777.  [25]ZhangZ,ZhouL,YangX,etal.Notch.RBP.J.independentmar.ginalzoneBcelldevelopmentinIgHtransgenicmicewithVHde.rivedfromanaturalpolyreactiveantibody[J].PLoSOne,2012,7（6）：e38894.  [26]TanJB,XuK,CretegnyK,etal.Lunaticandmanicfringecooper.ativelyenhancemarginalzoneBcellprecursorcompetitionfor delta.like1insplenicendothelialniches[J].Immunity,2009,30（2）：254.263.  [27]SongR,KimYW,KooBK,etal.Mindbomb1inthelymphopoi.eticnichesisessentialforTandmarginalzoneBcelldevelopment  [J].JExpMed,2008,205（11）：2525.2536.  （收稿日期：2013.12.26）