第三章-T细胞的发育与成熟

农科院高级免疫学郑世军2009第三章T细胞的发育和成熟概述：在胸腺中，每天产生107个胸腺细胞，但绝大部分细胞在阳性选择和阴性选择过程中凋亡，仅有1-3%的胸腺细胞最终发育成熟，成为成熟的CD4+或CD8+T细胞。那些不能与自身MHC结合的T细胞在发育过程中被诱导凋亡，这个过程称为阳性选择。因此，经过阳性选择存活的胸腺细胞都能与自身的MHC结合，这就决定了T细胞的MHC限制性，即T细胞只识别表达自身MHC的细胞。然而，那些与自身MHC或MHC+Ag结合过强的胸腺细胞同样被诱导凋亡，这个过程称为阴性选择，因为与自身MHC或MHC+Ag结合过强的细胞到外周组织后会被活化，攻击自身组织，引起自身免疫病。T细胞的发育和成熟是免疫学的核心内容。本章重点讲述T细胞发育和成熟的基本过程。一、胸腺和胸腺中的细胞胸腺是免疫中枢器官，所有的T细胞都是在胸腺中发育成熟的。哺乳动物的胸腺位于心脏的上方，分成两叶（Lobe）。然而，禽类的胸腺位于气管两侧分成多个小叶（3-6叶）。根据解剖结构，胸腺器官包括髓质区(Cortex)和皮质区(Medulla)。胸腺中不成熟的T细胞（即在发育成熟离开胸腺之前）称为胸腺细胞（Thymocyte），皮质区中除了有胸腺细胞外，还分布有滋养细胞和皮质上皮细胞。髓质区中主要有胸腺细胞、树突状细胞、髓质上皮细胞、巨噬细胞等（见图3-1）。皮质区(Cortex)髓质区图3-1.胸腺内的主要细胞类型(Medulla)胸腺细胞(Thymocyte)滋养细胞(Nursecell)皮质上皮细胞(Corticalepithelialcell)树突状细胞(Dendriticcell)髓质上皮细胞(Medullaryepithelialcell)巨噬细胞(Macrophage)胸腺细胞(Thymocyte)滋养细胞(Nursecell)皮质区(Cortex)髓质区edulla)皮质上皮细胞(Corticalepithelialcell)树突状细胞(Dendriticcell)髓质上皮细胞(Medullaryepithelialcell)(M巨噬细胞(Macrophage)1农科院高级免疫学郑世军2009胸腺中的上皮细胞、树突状细胞、巨噬细胞等形成纵横交错的立体结构网络，胸腺细胞与这些细胞直接接触完成发育和成熟的过程。在皮质区有一种特殊的上皮细胞，称为滋养细胞,该细胞能与多个胸腺细胞直接接触，辅助胸腺细胞的发育和成熟。二、胸腺是T细胞发育和成熟的场所胸腺的重要功能是选育抗感染的T细胞群。在胸腺中，每天产生107个细胞，但绝大部分细胞在阳性选择和阴性选择过程中凋亡，仅有1-3%的胸腺细胞最终发育成熟，成为成熟的CD4+或CD8+T细胞。由于在胸腺细胞发育过程中，TCR基因不同的片断（V-D-J）经过随机组合、重排甚至突变。这就产生了具有不同特异性和不同亲合力TCR的胸腺细胞，但对于同一个细胞，其TCR是完全一样的。那些不能与自身MHC结合的T细胞在发育过程中被诱导凋亡，这个过程称为阳性选择（Positiveselection)。因此，经过阳性选择存活的胸腺细胞都能与自身的MHC结合，这就决定了T细胞的MHC限制性，即T细胞只识别表达自身MHC的细胞。然而，那些与自身MHC或MHC+Ag结合过强的胸腺细胞同样被诱导凋亡，这个过程称为阴性选择（Negativeselection)，因为与自身MHC或MHC+Ag结合过强的细胞到外周组织后会被活化，攻击自身组织，引起自身免疫病。因此，阴性选择决定了T细胞对自身组织耐受。阳性选择和阴性选择精确而巧妙地配合，宛如一所学校，时刻对学员进行着严格的挑选和残酷地淘汰，培育出的精英既能保家卫国，又要对国家忠诚！其精确的分子机制尚不明确，胸腺细胞发育和成熟的精确过程体现了免疫学的深奥和生命的玄妙！骨髓造血干细胞淋巴始祖细胞T细胞始祖细胞T细胞前体细胞CD4CD8双阴性T细胞（CD3+TCR+）CD4CD8双阳性T细胞经血液移行至胸腺胸腺亲和力由低至高CD4CD8凋亡凋亡骨髓造血干细胞淋巴始祖细胞T细胞始祖细胞T细胞前体细胞CD4CD8双阴性T细胞（CD3+TCR+）CD4CD8双阳性T细胞经血液移行至胸腺胸腺亲和力由低至高CD4CD8凋亡凋亡2农科院高级免疫学郑世军2009图3-2.胸腺细胞发育的基本过程淋巴始祖细胞由骨髓造血干细胞分化而来，经血液移行至胸腺。由于在胸腺细胞发育过程中，TCR基因不同片断经过随机组合、重排甚至突变。这就产生了具有不同特异性和不同亲合力TCR的胸腺细胞。但对于同一个细胞，其TCR是完全一样的。那些不能和自身MHC结合的T细胞在发育过程中被诱导凋亡，这个过程称为阳性选择（Positiveselection)，所以经过阳性选择存活的胸腺细胞都能与自身的MHC结合，这就决定了T细胞的MHC限制性。然而，那些与自身MHC或MHC+Ag结合过强的胸腺细胞同样被诱导凋亡，这个过程称为阴性选择（Negativeselection)，因为与自身MHC或MHC+Ag结合过强的细胞到外周组织后会被活化，攻击自身组织，引起自身免疫病。三、T细胞发育和成熟的开拓性实验发现如上所述，胸腺细胞在成熟过程中要经历阳性选择过程，在这一过程中那些能识别自身MHC的胸腺细胞才能发育和成熟，而不能识别自身MHC的胸腺细胞被诱导凋亡。因此，阳性选择过程确保所有成熟的T细胞都能识别由自身MHC递呈的抗原，而不识别其他MHC递呈的抗原，即T细胞的MHC限制性。这一规律的发现源自20世纪70年代中叶（1974年）澳大利亚科学家Doherty与Zinkernagel所做的细胞杀伤试验（见图3-3）。51Cr靶细胞LCMV（淋巴脉络丛脑膜炎病毒）接种小鼠H-2K无菌操作取脾脏，分离脾细胞（含有CTL），与同位素标记的靶细胞混合培养靶细胞（H-2K）LCMV感染的靶细胞（H-2K）LCMV感染的靶细胞（H-2b）靶细胞裂解靶细胞完整靶细胞完整脾脏脾细胞同位素记的靶细胞ABC51Cr51Cr靶细胞LCMV（淋巴脉络丛脑膜炎病毒）接种小鼠H-2K无菌操作取脾脏，分离脾细胞（含有CTL），与同位素标记的靶细胞混合培养靶细胞（H-2K）LCMV感染的靶细胞（H-2K）LCMV感染的靶细胞（H-2b）靶细胞裂解靶细胞完整靶细胞完整靶细胞裂解靶细胞完整靶细胞完整脾脏脾细胞同位素记的靶细胞ABC图3-3.特异性细胞杀伤试验简要过程以同位素51Cr标记小鼠腹腔巨噬细胞作为靶细胞，与LCMV接种（免疫）小鼠的脾细胞混合培养进行CTL杀伤试验。A：免疫小鼠(H-2k)脾细胞与同品系(H-2k)小鼠靶细胞混合培养，不出现杀伤现象；B：免疫小鼠(H-2k)的3农科院高级免疫学郑世军2009脾细胞与同种小鼠(H-2k)感染LCMV的靶细胞混合培养，出现杀伤现象；C：免疫小鼠(H-2k)的脾细胞与异种小鼠（H-2b）感染了LCMV的靶细胞混合培养，不出现杀伤现象。Doherty与Zinkernagel将不同遗传背景的两个品系的小鼠(H-2k或H-2b)腹腔单核巨噬细胞取出后，分别进行同位素51Cr标记，作为CTL的靶细胞。以LCMV接种一个品系(H-2k)的小鼠，接种一周以后，将小鼠的脾脏取出，分离脾细胞，脾细胞中含有大量的特异性杀伤T细胞（CTL）。当将H-2k免疫鼠的脾细胞与正常的同品系(H-2k)靶细胞混合培养时，不出现CTL杀伤靶细胞的现象（图3-3A）。然而，当将H-2kCTL与同品系（H-2k）小鼠被LCMV感染的靶细胞混合培养时，CTL杀伤靶细胞，靶细胞被裂解（图3-3B）。如果以接种LCMV另一品系（H-2b）小鼠的腹腔单核巨噬细胞作为靶细胞做相同的CTL杀伤实验，CTL不杀伤异源靶细胞，即H-2b靶细胞不被裂解（图3-3C）。该发现具有里程碑意义，揭示了CTL在杀伤靶细胞时不仅具有严格的特异性，还遵循MHC限制性（见图3-4），为深入探索细胞免疫的机理打开了一扇窗口。由于该发现具有深远意义，Doherty与Zinkernagel获1996年诺贝尔医学奖。杀伤靶细胞CTLH-2KH-2KH-2KH-2KH-2d不杀伤靶细胞不杀伤靶细胞H-2KA表位B表位A表位CTLCTL杀伤靶细胞CTLCTLH-2KH-2KH-2KH-2KH-2d不杀伤靶细胞不杀伤靶细胞H-2KA表位B表位A表位CTLCTLCTLCTL图3-4.CTL杀伤靶细胞具有特异性并且遵循MHC限制性H-2k小鼠特定的CTL只识别同一遗传背景抗原递呈细胞（APC）递呈的抗原（A表位），而不识别其他抗原（B表位），体现了CTL杀伤靶细胞的特异性。然而，如果不同遗传背景（H-2b）APC递呈针对该CTL的特异抗原，CTL不能识别H-2b递呈的抗原（A表位）杀伤靶细胞。由上述可知，成熟的T细胞通过TCR识别自身MHC递呈的抗原，杀伤靶细胞。由于在胸腺细胞发育过程中，TCR基因不同的片断（V-D-J）经过随机组合、重排甚至突变，这就产生了具有不同特异性或同一特异性不同亲合力的TCR。从理论上讲，动物体内应含有识别MHC递呈的各种抗原的T细胞，那些除了识别自身MHC的T细胞在体内存在外，识别其他（非自身）MHC4农科院高级免疫学郑世军2009的T细胞在体内真的存在么？为回答这一问题，Zinkernagel用嵌合体小鼠实验证实，体内只有识别自身MHC的胸腺细胞才能发育成熟，而那些识别非自身MHC的胸腺细胞不能发育为成熟的T细胞(见图3-5)。F1代杀伤靶细胞杀伤靶细胞LCMV感染的靶细胞（H-2a）LCMV感染的靶细胞（H-2b）51Cr标记A小鼠靶细胞51Cr标记B小鼠靶细胞（混合培养）H-2aH-2b无菌手术取脾脏H-2bH-2aA品系B品系CTLH-2a/bH-2a/bA✄①切除胸腺③H-2b小鼠胸腺移植到F1代④H-2a/b骨髓干细胞移植，制备骨髓嵌合小鼠⑤LCMV感染骨髓嵌合小鼠不杀伤靶细胞杀伤靶细胞LCMV感染的靶细胞（H-2a）LCMV感染的靶细胞（H-2b）H-2bH-2aH-2bH-2bCTL②X-射线照射H-2a/bH-2a/bH-2a/bH-2a/bH-2b⑥细胞毒性检测：CTL与51Cr标记靶细胞混合培养H-2a/bH-2bBLCMVF1代杀伤靶细胞杀伤靶细胞LCMV感染的靶细胞（H-2a）LCMV感染的靶细胞（H-2b）51Cr标记A小鼠靶细胞51Cr标记B小鼠靶细胞（混合培养）H-2aH-2b无菌手术取脾脏H-2bH-2bH-2aH-2aA品系B品系CTLH-2a/bH-2a/bH-2a/bA✄①切除胸腺③H-2b小鼠胸腺移植到F1代④H-2a/b骨髓干细胞移植，制备骨髓嵌合小鼠⑤LCMV感染骨髓嵌合小鼠不杀伤靶细胞杀伤靶细胞LCMV感染的靶细胞（H-2a）LCMV感染的靶细胞（H-2b）H-2bH-2aH-2bH-2bCTL②X-射线照射H-2a/bH-2a/bH-2a/bH-2a/bH-2b⑥细胞毒性检测：CTL与51Cr标记靶细胞混合培养H-2a/bH-2bB✄✄①切除胸腺③H-2b小鼠胸腺移植到F1代④H-2a/b骨髓干细胞移植，制备骨髓嵌合小鼠⑤LCMV感染骨髓嵌合小鼠不杀伤靶细胞杀伤靶细胞LCMV感染的靶细胞（H-2a）LCMV感染的靶细胞（H-2b）H-2bH-2aH-2bH-2bCTL②X-射线照射H-2a/bH-2a/bH-2a/bH-2a/bH-2a/bH-2a/bH-2bH-2b⑥细胞毒性检测：CTL与51Cr标记靶细胞混合培养H-2a/bH-2bBLCMV图3-5.胸腺细胞选择性成熟实验模式图A：纯系小鼠H-2a(或写成H-2a/a)与H-2b(或写成H-2b/b)杂交，产生F1代（H-2a/b），以LCMV感染F1代小鼠，小鼠产生免疫应答，取脾脏分离脾细胞作为CTL与同位素标记的靶细胞（腹腔巨噬细胞以LCMV感染后作为靶细胞）进行混合培养。如果靶细胞来自A品系(H-2a)或B系(H-2b)，F1代的CTL能够识别A或B靶细胞，出现杀伤现象。B：将F1代（H-2a/b）小鼠胸腺取出后，以X-射线照射（杀死体内所有的骨髓干细胞和免疫