Ⅰ型和Ⅲ型干扰素抗病毒作用机制的研究进展

金丽 ，苏强 综述，周建华 ，马忠仁 审校

1.西北民族大学生物医学研究中心，甘肃兰州730030；2.西北民族大学生命科学与工程学院，甘肃兰州730030；3.甘肃农业大学动物医学学院，甘肃兰州730070

免疫系统是机体抵抗病毒感染的重要天然屏障。当病毒侵袭机体时，会迅速诱导产生干扰素（interferon，IFN），作为主要抵抗病毒的细胞因子，在病毒的复制及传播过程中对病毒进行抑制。受到病毒侵染的靶细胞通过模式识别受体（pattern recognition receptors，PRRs）来鉴别不同病原体的特定的保守分子结构（如病毒双链RNA 或基因组）。病毒与特定的受体结合后，IFN 可激活 JAK ／ STAT 信号通路，从而产生 IFN 刺激基因（interferon stimulated gene，ISG）。ISG 能够使生发细胞及其周围的细胞转变为抗病毒状态，同时能够介导免疫细胞协助机体对病毒进行清除［1］。目前主要认为IFN 存在3 种类型，其中几乎所有类型细胞均可产生Ⅰ型IFN（Ⅰ型家族已经发现了 IFNα、IFNβ、IFNδ、IFNε、IFNζ、IFNκ、IFNτ 及IFNω），而其对应的特定结合受体为异源二聚体（IFNAR1／IFNAR2）；Ⅱ型IFN 仅能由免疫细胞产生；Ⅲ型IFN 虽然可被所有细胞产生，但其结合的特异性异源二聚体受体（IFNLR1 ／ IL10Rβ）中的 IFNLR1亚基仅在上皮细胞或免疫细胞上表达，这就导致Ⅲ型 IFN 具有细胞依赖性［2-3］。在 3 种类型 IFN 抵抗病毒侵染的众多研究中，Ⅱ型IFN 近年来才逐渐被关注。在登革热病毒感染过程中，当小鼠丧失Ⅰ型IFN 表达能力时，Ⅱ型IFN 可以不依赖于IFN 调节因子介导的信号通路持续表达［4］。人疱疹病毒Ⅲ型侵染皮肤时，Ⅱ型IFN 在抗病毒侵染过程中的活性明显高于Ⅰ型IFN，且Ⅱ型IFN 介导免疫细胞对病毒进行了有效清除［5］。相对Ⅱ型IFN，Ⅰ型和Ⅲ型相对较多，二者在天然抗病毒免疫中具有重要地位。本文着重介绍近年来Ⅰ型和Ⅲ型IFN 在免疫调节及抗病毒领域方面的最新研究进展，以期为IFN 介导相关免疫的研究提供参考。

1 Ⅰ型和Ⅲ型IFN 的活化

以 IFNα ／ β 为代表的Ⅰ型 IFN 无论是在免疫系统自身防御还是临床治疗上均已成为重要的抗病毒手段。在病毒侵染初期，IFNβ 最先被细胞分泌产生相关抗病毒活性，但其半衰期较短，随后IFNα 表达水平提高并在机体抗病毒过程中发挥长效作用。当病毒RNA 形成的双链结构被细胞内体吞噬后，机体内多种模式受体识别并激活相应的免疫信号通路。RIG-I 样受体（RIG-I like Receptor，RLR）属于DexD／H 盒的RNA 解旋酶家族成员，其成员有RIG-I、LGP2 及MDA-5，是一类激活Ⅰ型IFN 的重要模式识别受体，在细胞质中负责识别病毒性RNA 序列的胞内感受器［6］。当靶细胞缺乏RIG-I 受体表达时会导致细胞对各种病毒侵染的敏感性增强。虽然RIG-I受体在细胞中表达量减少对小RNA 病毒科成员的病毒增殖影响不大，但MDA5 在抗击这些病毒侵染的细胞过程中发挥着重要作用，如西尼罗河病毒，不仅是RIG-I 受体识别的靶标，同时也是MDA5 识别的对象。当LGP2 在体外培养细胞中过表达后，能够明显抑制病毒侵染后诱导IFN 基因表达的能力。RIG-I、MDA5 和LGP2 在病毒侵染机体过程中发挥的免疫学功能各不相同，这可能与其蛋白质序列结构存在差异有关，其中RIG-I 和MDA5 在N-末端含有 2 个 CARD（caspase activation and recruitment domain，CARD）结构域，三者又均含有 DExD ／ H（helicases）RNA 解旋酶结构域和 C-末端结构域［7］。

对于激活Ⅰ型IFN 表达的信号通路来说，经典途径一般均是通过模式识别受体在外源刺激作用下，介导TBK1 激酶促进IFN 调节因子3（interferon regulatory factor 3，IRF3）的磷酸化和转录水平，磷酸化修饰后的IRF3 形成二聚体进入细胞核，诱导Ⅰ型IFN 的转录表达。而在TBK1 激酶和IRF3 活化时，又需要肿瘤坏死因子受体相关因子（tumor necrosis factor receptor-associated factors，TRAF）的参与来实现相关免疫受体介导的信号通路，并且TRAF2 和TRAF3 在激活Ⅰ型IFN 的过程中，发挥着重要作用且具有细胞特异性［8］。为了清除机体内的病毒，Ⅰ型IFN 与IL-10 相互作用形成一种平衡稳态来减少机体免疫病理变化［9］。相对于Ⅰ型IFN 的发现和研究情况来说，Ⅲ型IFN（IFNλ）在2003 年被按照一类新型白介素来命名（IL-28a、IL-28b 及 IL-29），稍后又有第 4 个成员（IFNL4 基因的表达产物 IFNλ4）被发现，虽然 IFNL4 与 IFNL3 基因（表达产物为 IFNλ3）在基因组中的物理位置很近，但二者氨基酸相似度却仅有30%［10］。IFNλ 产生的信号转导是通过与其受体复合物结合来实现，该复合物由细胞表面特异性的 IFNλR1 及与IL-10 相关的细胞因子共有的受体 IL-10R2 组成。并且通过JAK-STAT 信号通路对此进行信号转导，以充分发挥其生物学功能［11］。Ⅲ型IFN 曾被公认为是由上皮细胞产生的最为重要的细胞因子，不但可在受病毒感染的黏膜部位起到抗病毒免疫作用，而且在分泌Ⅲ型IFN 部位的黏膜处形成一层保护膜，来防止其他致病微生物的进入；近年来发现Ⅲ型IFN 在很多免疫细胞（如树突状细胞和嗜中性粒细胞）中也能够产生，并且参与一些炎症反应［12］。有研究表明，IL-28b 是组织炎症与纤维化的预测因子［13］。丙型肝炎病毒（hepatitis C virus，HCV）侵染多能干细胞后，可诱导细胞产生大量Ⅰ型和Ⅲ型IFN 来抵抗HCV 的侵染，并且两种IFN 发挥的抗病毒效应可能相同，但之后发现，Ⅰ型IFN 在抗病毒过程中起着急先锋作用，Ⅲ型IFN 相对抗病毒效应较为温和，提示病毒可能在侵染诱导产生Ⅰ型和Ⅲ型IFN 的同时，在抗病毒免疫反应与免疫调节方面发挥效力［14］。

不同病毒在侵染机体后，机体免疫系统同时可诱导分泌Ⅰ型和Ⅲ型IFN，而这些免疫学过程需要一系列调节因子和转录因子的参与才能实现。当受侵染细胞所含有的模式识别受体对病毒产物刺激后，才能开启IFN 的分泌表达。其中，细胞核因子κB（nuclear factor κB，NF-κB）和 IRF 在其诱导过程中起到核心作用。如RNA 病毒在自身病毒基因复制过程中产生双链结构时，位于胞质内的RIG-I 与MDA5 分子中串联的CARD 结构域，能够识别双链RNA 信号分子并且活化后可与IFNβ 启动子刺激基因 1（interferon-β promoter stimulator，IPS-1）相互作用，然后与不同信号分子接头相互作用从而产生不同信号蛋白激酶，最终激活 IRF3 ／ 7 或 NF-κB 转录过程来转录ISG。而对于DNA 病毒来说，其DNA 基因组可在细胞质内被DNA 依赖性IRF 激活物（DNA-dependent activator of IFN-regulatory factor，DAI）识别，开启IFN 的转录过程，以水疱-带状疱疹病毒侵染真皮细胞为例，在DAI 分子识别病毒DNA 信号分子后，STING 分子被活化，进而促进Ⅰ型和Ⅲ型IFN 基因的转录及表达［15-16］。虽然病毒侵染激活IFN 的信号转导通路呈现多样化，但在病毒感染细胞中，NF-κB和IRF 分子家族是诱发Ⅰ型和Ⅲ型IFN 分泌表达的重要信号分子。

自从确定了Ⅲ型IFN 的主要免疫学功能以及经典信号转导通路后，一些Ⅰ型及Ⅲ型IFN 在抗病毒活性记忆免疫调节方面的相似性与差异性即成为研究的主要方向。在Ⅰ型IFN 家族中，IFNα 启动子均含有IRF 结合位点，负责诱导IFNα 基因的转录活化；而IFNβ 启动子的活化过程则需要通过一个由IRFs、NF-κB、ATF2 ／ c-Jun 和基础转录因子组成的复合物来激活，但IFNβ 仍然是Ⅰ型IFN 家族成员中对病毒侵染免疫学应答最迅速的细胞因子。相比于Ⅰ型IFN 家族成员启动子序列结构的多样性，4 种Ⅲ型IFN 家族成员的启动子区域中均含有NF-κB 及IRF结构位点。但 IFNλ1 和 IFNλ2（IL-28a ／ b）对应的启动子区主要由IRF7 介导激活下游通路的转录基因组成，而IFNλ3（IL-29）基因的转录激活过程中，IRF3与其启动子相互作用是主要调节因素。此外，IL-29启动子存在NFκB 结合位点，增加了独立于IRF3 和IRF7 外激活IL-29 编码基因转录的启动机制。IRF在Ⅰ型IFN 活化过程中的作用更加显著，而NF-κB却在Ⅲ型IFN 活化过程中发挥关键作用，同时也体现了Ⅰ型和Ⅲ型IFN 在转录激活方面遗传进化的差异性。

2 Ⅰ型和Ⅲ型IFN 在天然免疫反应中的抗病毒作用

Ⅰ型和Ⅲ型IFN 在抗病毒反应方面中均为参与天然免疫反应的重要因子。虽然Ⅲ型IFN 在黏膜免疫中发挥明显作用，但对于女性生殖道黏膜，在对抗病原体侵入过程中，Ⅰ型IFN 发挥着关键的天然免疫活性［17］。通过单细胞测序技术分析西尼罗河病毒侵染细胞后Ⅰ型IFN 的应答效果发现，IFNβ 转录水平呈现持续稳定且非依赖病毒RNA 水平的变化而波动，且Ⅰ型IFN 家族不同成员编码基因转录水平均呈现多样性和复杂性［18］。机体发育早期遭受病毒侵染诱导产生的Ⅰ型IFN，在某种程度上对机体有害且能够造成病理损伤，但人体在长期进化发育过程中可通过IFN 调节基因来介导免疫系统的抗病毒活性，从而最大程度保护机体免受Ⅰ型IFN 抗病毒过程中造成的免疫损伤［19］。当病毒侵染细胞后，免疫系统启动以IFN 为基础的抗病毒反应过程中，包含 IRF、NF-κB、ISGF3、JAK-STAT 及 ISG 在内的信号转导级联反应及效应物的基因转录的有序性，均是由Ⅱ型RNA 聚合酶负责转录复制而成，从而保证抗病毒反应的顺利进行［20］。Ⅲ型IFN 在抗病毒方面与Ⅰ型IFN 有很多相似的地方。以HepG2 细胞为感染模型，重组表达的人源Ⅲ型IFN（IL-29 和IL-28a）能够降低单纯疱疹病毒对细胞致病力以及有效减弱病毒自身子代病毒复制的能力。虽然Ⅰ型与Ⅲ型IFN 在抗病毒过程中呈现的免疫学效应具有很高的相似性，但二者在作用的效应靶细胞上仍存在一些差异。Ⅰ型IFN 的特异性受体亚基IFNARs在哺乳动物细胞表面普遍存在，而Ⅲ型IFN 对应的特异性受体亚基IL-28Rα，仅在上皮细胞或免疫细胞（如树突状细胞和巨噬细胞）表面呈现高丰度表达。因此，Ⅲ型IFN 在上皮细胞为主的黏膜组织中发挥的免疫学功能更加显著。

随着细胞-病毒感染模型在Ⅲ型IFN 体外免疫学研究的深入，病毒-小鼠感染模型为开展Ⅲ型IFN在体内的抗病毒功能的研究提供了重要平台。当疱疹类病毒感染小鼠后，利用重组表达的Ⅲ型IFN 进行抗病毒治疗，可明显抑制不同种类痘病毒在小鼠黏膜组织中的增殖。腮腺炎病毒RNA 基因组被RIG-I和MAVS 模式识别受体识别后，活化的IRF3 启动Ⅰ型和Ⅲ型IFN 基因的转录，最后使机体进入抗病毒状态［21］。以缺陷型Ⅰ型 IFN 特异性受体（IFNAR-／-）转基因小鼠为研究对象，在流感病毒侵染小鼠后，利用重组表达的Ⅲ型IFN 对小鼠进行抗病毒治疗，患鼠肺部可有效建立对流感病毒侵染的抗病毒屏障［22］。在天然免疫过程中发挥着关键调节作用的细胞因子酪氨酸激酶 2（tyrosine kinase 2，TYK2）信号转导活性受到抑制时，Ⅰ型IFN 抗病毒效果迅速下降，但Ⅲ型IFN 与NK 细胞发挥的抗病毒效果仍然有效［23］。

针对Ⅰ型和Ⅲ型IFN 介导的天然免疫反应，在病毒长期进化过程中也逐步建立起一套适合自身免疫逃避的策略，如通过自身病毒蛋白产物来阻遏抗病毒免疫信号通路的级联转导，从而明显减弱机体天然免疫反应对病毒侵染的抵抗效果。埃博拉病毒VP24 蛋白通过抑制IRF3 活性使IFN 基因的转录水平降低，而单纯疱疹病毒借助自身VP11 ／ 12 蛋白产物阻断IFN 基因激活因子（stimulator of interfe-ron genes，STING）依赖的DNA 感受器对病毒的识别实现免疫逃避［24］。口蹄疫病毒侵染靶细胞产生的多种非结构蛋白，可在IFN 转录激活、ISG 表达活化及机体免疫系统调节免疫细胞实现特异性分化等方面进行多种干扰和阻遏，从而有效逃避机体免疫系统对病毒侵染增殖的监控和清除［25］。

3 Ⅰ型和Ⅲ型IFN 在适应性免疫中的免疫调节

当IFN 介导的信号通路被病毒蛋白产物阻遏后，机体产生的适应性免疫反应（adaptive immune Response）在抗病毒过程中起到了决定性作用。与Ⅰ型IFN 相比，Ⅲ型IFN 除了在天然免疫反应过程中发挥抗病毒功能外，还参与调节病原微生物侵入机体后引发的适应性免疫过程（局部感染引发的适应性免疫反应尤为突出）［26］。对于外周血单核细胞而言，IFNλ3 诱导单核细胞分泌表达促炎细胞因子（proinflammatory cytokine）。黏膜免疫在人类免疫防御系统中占有重要地位，而IFNλ 在黏膜免疫反应中通过抑制辅助性T 细胞2 型而促进辅助性T 细胞1 型分化增殖来实现抗病毒作用。在具有免疫负调控效应的T 细胞分化过程中，DC 细胞可识别并结合Ⅲ型IFN 与其特异性受体形成的复合物，活化耐受性CD4+、CD25+、Foxp3+调节 T 细胞（Treg）的增殖过程。与辅助性T 细胞调节Ⅰ型IFN 的产生机制不同，Ⅲ型IFN能促使DC 细胞成熟、诱导T 细胞分化增殖并降低Treg 细胞的分化增殖能力［2］。此外，Ⅲ型 IFN 还能特异性调节辅助性T 细胞的活性，从而使IL-4 和IL-13 的表达水平降低，进而在1 型和2 型辅助性T 细胞动态平衡中使未成熟的辅助性T 细胞倾向于1 型分化。由于IFNλ 受体存在于人源CD4+T 细胞和记忆CD4+T 细胞表面，IFNλ 能够抑制中枢记忆T 细胞转变为效应记忆T 细胞［27］。Ⅲ型与Ⅰ型IFN 具有相似的刺激TLR 介导的B 细胞分化增殖的能力，并且能够提高抗体的分泌水平，进而促进机体体液免疫［28］。利用 IFNλ2（IL-28b）作为疫苗佐剂后，IL-28比IL-12 更具有调节适应性免疫反应的能力，并且IL-28 能够增加脾脏内CD8+T 细胞数量，从而提高特异性抗原从CD8+T 细胞的脱颗粒效果。这一特点为进一步开发Ⅲ型IFN 作为临床治疗制剂或免疫疫苗佐剂提供了新的思路和方向。当病毒侵染机体后，机体诱导产生的Ⅲ型IFN 诱导辅助性T 细胞1型的分化成熟并抑制辅助性T 细胞2 型的形成，诱导T 细胞呈现抗病毒活性。在HCV 感染急性期，一旦IL-28b 基因被活化，其多态性（polymorphism）将会间接调节自然杀伤细胞的生物学表型以及免疫学功能，从而使IFNλ 与自然杀伤细胞组成抗击HCV侵染的免疫防线［29］。

4 Ⅰ型和Ⅲ型IFN 在一些疾病治疗中的应用

Ⅰ型IFN 除了在抗病毒侵染方面功能强大外，在免疫调节、抗肿瘤、抗炎症反应及维持机体生理动态平衡方面也发挥着重要作用。如IFNβ 是一种临床治疗多发性硬化疾病（multiple sclerosis）的免疫治疗剂，但在利用IFNβ 治疗的过程中，患者出现了药物诱导型肺部动脉高压的不良反应；而IFNα 在临床治疗胰腺癌的过程中，其自身发挥出的免疫调节作用与抗细胞分化功能有效缓解了患者的患病程度［30-31］。在治疗过敏引起的哮喘类疾病的能力上，Ⅲ型IFN 比Ⅰ型IFN 的不良反应小且疗效明显。利用病毒-细胞感染模型研究Ⅲ型IFN，发现其在抵抗鼻病毒侵染人源支气管上皮细胞方面能力突出，且通过抑制病毒复制可有效降低由病毒导致的哮喘类病症的临床症状。进一步利用小鼠模型开展的Ⅲ型IFN 在治疗过敏性哮喘及类风湿性关节炎的试验中，外源重组表达的IFNλ1（IL-28a）对哮喘临床症状具有显著的缓解作用，而IFNλ3（IL-29）对类风湿性关节炎有显著疗效［32-33］。这为利用Ⅲ型IFN 作为免疫调节剂及临床药物的候选者提供了依据。鼠源Ⅲ型IFN 在黄热病毒侵染小鼠后可以通过增强血脑屏障的完整性来间接降低病毒透过血脑屏障的能力，进而减轻小鼠的神经症状［34］。目前，Ⅲ型IFN 在体内抗病毒的相关研究结果仅局限于小鼠-病毒感染模型，但灵长类动物与啮齿类动物在生理构造上仍存在一些物种差异，相关研究结果仅能作为临床治疗的参考依据。如Ⅲ型IFN 特异性受体亚基IL-28Rα链在人肝细胞存在，人源Ⅲ型IFN 在肝脏抗病毒侵染中发挥重要作用，但鼠源Ⅲ型IFN 对鼠肝脏细胞的免疫学效果较差。对于人源IFNλ4 来说，自身氨基酸序列中的关键位点（如P70S、L79F 及L154E）的变异也会影响其在患者体内对病毒（如寨卡病毒、HCV、流感病毒和脑心肌炎病毒）清除的免疫学效果［35］。此外，IFNλ2（IL-28b）基因上的单核苷酸多态性同样对慢性感染HCV 患者体内清除病毒效果的差异起到不可忽视的作用。在研究寨卡病毒致病机制的过程中发现，缺乏IFNλ 信号通路的胎儿会提高胎盘和胎儿中的病毒载量，但当利用IFNλ1 进行治疗性干预后，病毒载量在胎儿体内显著降低［36］。在一些自身免疫性疾病的治疗中，系统性红斑狼疮（systemic lupus erythematosus）的发生发展强度与患者体内IFNλ2 表达水平呈显著相关性［37］。但由于IFNλ 在一些自身免疫性疾病（如狼疮肾炎）中扮演着重要的免疫调节者的角色，并且在IFNα 对症治疗后，血液和病变组织中表达水平明显下降的前提下，IFNλ 在相应组织中的表达水平依旧很高，并且很大程度上干扰治疗效果。此外，Ⅰ型和Ⅲ型IFN 还是一大类肠道病毒（如呼肠孤病毒、诺如病毒及轮状病毒）潜在的治疗性免疫调节剂。人类肠道在与外界环境微生物相互作用的过程中起着不可或缺的作用，Ⅰ型IFN 在肠道黏膜免疫反应过程中同样发挥重要的免疫调节因子的作用［38］。同时，自噬蛋白（autophagy protein）在肠道细胞中的表达会影响Ⅰ型IFN 调节肠道微生物菌群来对外界环境的变化做出免疫应答，这对于病原微生物侵染肠道细胞后，引发细胞自噬等免疫反应会对机体通过干扰素-肠道菌群相互作用来制衡病原微生物的免疫效果发挥不良影响［39］。这些研究成果为以Ⅲ型IFN为免疫调节型药物的研发提供了可以借鉴的实验依据。

5 小 结

自从IFN 家族成员被陆续发现以来，不同类型IFN 展示出的特异性免疫效应，对高等动物抗击病原微生物侵袭建立了坚实的天然免疫防线。其中，Ⅰ型和Ⅲ型IFN 在免疫学效应和免疫应答方面既表现出高度相似性，又表现出IFN 家族成员所具有的特异性。由于Ⅲ型IFN 大量表达于黏膜组织上皮细胞中，为能够突破Ⅰ型IFN 建立的免疫防线提供补充应答的能力。除了抗病毒免疫应答外，Ⅰ型和Ⅲ型IFN 均可作为免疫调节剂对机体不同免疫细胞的增殖和分化进行特异性调节，从而使机体免疫系统及时调整对病原微生物的免疫抵抗作用，为临床治疗慢性疾病和免疫性疾病提供良好的思路。