细胞毒性T细胞作用的分子机制

第四章细胞毒性T细胞作用的分子机制

免疫系统针对病原所产生的免疫应答分为两大类：以抗体为主体介导的中和细胞外病原体的体液免疫反应和以细胞毒性T细胞（CTL）为主体介导的特异杀伤被感染靶细胞的细胞免疫反应。其中细胞免疫反应对于彻底地杀灭病原体、清除被感染的“改变”了的自身细胞显得尤为重要。细胞免疫反应包括NK细胞等介导的非特异性靶细胞杀伤和CTL为主、Th 细胞为辅所介导的特异性靶细胞杀伤。CTL对于被感染细胞的MHC I类分子限制特异性的杀伤是细胞免疫应答的重要内容，其研究对于了解免疫识别、免疫杀伤以及新型疫苗的分子设计都有重要意义。

第一节 CTL作用概述

CTL即杀伤性T细胞，是一类具有CD8+表面标志、受MHC I类分子限制性杀伤功能的T 细胞。CTL的重要功能是可以特异性地杀伤靶细胞。CTL介导的靶细胞杀伤的特点是：杀伤受TCR以及MHC I类分子的严格限制。CTL对靶细胞的杀伤还具有特异性、程序性和快速性的特点。另外，IL-2和其它一些细胞因子在CTL前体的体外培养和效应CTL的分化诱导中也起着重要作用。

一、CTL的主要生物学功能

CTL对感染了病原的靶细胞杀伤构成了细胞免疫的重要部分。CTL在识别“改变”了的自身细胞，如病毒感染细胞、恶性细胞和移植反应中的移植细胞等起着非常重要的作用。由于人体所有的有核细胞都表达I类MHC分子，因此，CTL原则上可以识别和清除几乎所有改变了的自身细胞。

二、CTL作用的MHC限制性

CTL的杀伤作用受MHC严格限制。CTL在杀伤抗原特异性靶细胞过程中，不识别可溶性抗原或者与非自身MHC I类分子结合的抗原，而只能识别与自身MHC I类分子相联系的特异性抗原多肽。

三、CTL的组成

CTL的命名是根据体外与一定比例的特异性靶细胞孵育后杀伤一定百分率的靶细胞这一功能来确定的。因此，CTL不是一种特定的细胞，而是一个具有特异性杀伤活性的T细胞群体。在组成上，它包括CD8+T细胞和CD4+T细胞。

1、CD8+ T细胞主要有TCR型CD8+T 细胞和TCR型CD8+T 细胞。前者以TCR识别靶细胞表面上的MHC I类分子-肽复合物（图1 ）；后者则以TCR识别靶细胞表面的

HLA-I HLA-II 抗原肽

抗原肽CD4+

αβ TCR

αβ TCR CD8+

图1 TCR-抗原肽-HLA 三分子复合物

MHC I 类分子-肽复合物。尽管TCR 型T 细胞仅占CTL 群体中的极小部分，但在对一些特殊抗原的免疫反应中，它们起着非常重要的作用。

2、CD4+T 细胞 CD4+T 细胞通常被认为是在抗原免疫过程中通过分泌细胞因子及表达

表面分子介导细胞间相互作用，来调节和增进体液免疫和细胞免疫反应，主要起辅助作用。

但在某些情况下，CD4+T 细胞也具有杀伤功能，且主要依赖Fas-FasL 机制。实验证明当抗原

由II 类MHC 分子而不是由I 类MHC 分子呈递时，CD4+T 细胞可以取代CD8+T 细胞而发生反应，

成为杀伤性的CTL 。

四、CTL 作用的主要过程

CTL 介导的靶细胞杀伤反应可分为3个阶段：识别启动、增殖分化及效应阶段。

1、识别启动阶段

在这一阶段，CTLp （CTL 前体）通过表面的TCR 特异性地识别并结合靶细胞表面呈递的

I 类MHC 分子-抗原多肽复合物，和其它若干对表面分子的配体（图 2）。

图2 参与T 细胞活化的膜表面分子

2、增殖分化阶段

在此阶段，Th 细胞发生大量增殖并分泌IL-2等细胞因子；CTL 则在特异性增殖的同时，

自前体细胞分化成为效应CTL 。

（1）Th 细胞的增殖对CTLp 分化的辅助作用 当CTLp 识别了呈递于靶细胞表面与I

类MHC 分子相结合的特异性抗原多肽后，特征性地表达IL-2R （受体）。由于此时Th 细胞也受到特异性抗原的刺激，产生大量的IL-2。这些IL-2与激活的CTLp 表面的IL-2R 结合，使得CTLp 发生特异性的增殖，逐步分化成为成熟的效应CTL 。

（2）巨噬细胞对CTLp 分化的辅助作用 研究证明巨噬细胞的作用是用以激活II 类

MHC 限制性的Th 细胞。

（3）细胞因子对CTL 的产生调节 多种细胞因子，包括IL-2、IL-4、IL-7、IL-10、

IL-12和IL-15，其中IL-2诱导CTL 杀伤活性的能力较强。这些细胞因子通过诱导相关基因的表达，使CTLp 朝着成熟方向分化，并使抗原特异性CTL 克隆的生长和增殖加快。

3、效应阶段

在效应阶段，已分化成熟的效应CTL 发挥其杀伤功能，特异性裂解靶细胞。作用的过CD4 TCR/CD ICAM-1 B7-1 B7-2 LFA-1 LFA-1 ICAM-3 LFA-3 B7-1 CD28 CD28 LFA-1 T 细胞 APC CTLA-4

程可分为4个阶段：识别与结合、细胞器重排与颗粒外吐、CTL解离、靶细胞解体（图

3 ）。

（1）识别与结合 CTL表面的TCR识别并结合靶细胞表面的I类MHC-多肽复合体，同时还需其它若干对表面分子参与，才能加强和稳定CTL与靶细胞的结合。其中，CTL上的CD11a/CD18 （LFA-1）与靶细胞上的ICAM-1或ICAM-2可能是最重要的一对结合分子。

CTL再循环

颗粒

CTL

CD8 TCR

偶合物CTL细胞 CTL颗粒

MHC I-肽形成器重排外吐

膜损伤

靶细胞

图3 CTL介导的靶细胞杀伤过程

（2）细胞器重排与颗粒外吐 CTL上的TCR是与细胞内一些细胞骨架成分如小管和肌动蛋白偶联的。当TCR与靶细胞上的MHC I-多肽复合体交联后，将通过这些细胞骨架成分启动细胞器的重排。高电子密度的颗粒明显地向靶细胞方向移动，并在结合部位直接外吐颗粒内含物质，对靶细胞膜进行攻击。这一胞质颗粒的外吐是由Ca2+流入CTL所诱发的。

（3）CTL解离 CTL向靶细胞释放颗粒内含物后，即完成其杀伤过程，开始与靶细胞解离。离开靶细胞后，又可重复以上过程，重新结合靶细胞，重复杀伤。因此CTL可以杀伤多个靶细胞，即CTL可循环利用。

（4）靶细胞解体 CTL离开靶细胞后，靶细胞开始出现核膜与细胞膜的破裂，直至细胞裂解死亡。

第二节 CTL分子机制及应用前景

一、CTL作用的分子模式

CTL杀伤靶细胞的分子机制包括胞质颗粒依赖机制和FasL-Fas介导的凋亡机制（图4）。

1、胞质颗粒依赖机制

CTL可以通过外吐胞质颗粒，释放颗粒内含物，导致靶细胞的损伤。CTL胞内含许多颗粒，直径0.5~1m，主要有两种成分：颗粒核心核多囊泡结构。颗粒核心中包含穿孔素、颗粒酶和粘蛋白，而多囊泡结构则包含溶酶体酶和溶酶体的一些膜标志。穿孔素是胞质颗粒中参与靶细胞损伤过程的最主要蛋白，穿孔素似乎唯一地表达于CTL颗粒中。它可在靶细胞膜上聚合，形成穿膜孔道，以穿孔方式裂解靶细胞。

（1）穿孔素的穿孔机制穿孔素是一个含555个氨基酸的糖蛋白，分为两个重要的