导语
2024年，顶刊《Cell》迎来创刊50周年，为了庆祝半个世纪的里程碑，其编辑部精心策划了为期一年的系列纪念活动，其中的《免疫》特刊更是备受瞩目。多年来，免疫学与其他领域之间的交叉不断加强，肿瘤免疫学、神经免疫学、免疫代谢、妊娠和早期生命免疫学以及系统免疫学的大数据分析所揭示的无数联系都让我们为之着迷。4月25日，《Cell》以“Immunology is for everyone”社论为开篇，连发3篇系列重磅综述文章，涵盖了从先天性免疫到适应性免疫，再到免疫学最新观点的探讨，带我们领略免疫学发展的进阶之路。本期e小道邀您共享“先天性免疫不断发展的50年：从边缘步入舞台中心”。
在免疫学领域，过去50年发生了一场哥白尼式的革命。长期以来，免疫学家主要关注适应性免疫，即淋巴细胞的特异性活动。但免疫的另一重要分支，即所谓的“先天性免疫”却被忽视了。为了庆祝《Cell》创刊50周年，都柏林圣三一大学Luke A.J. O’Neill教授、加州大学圣克鲁斯分校Susan Carpenter教授共同通讯撰文，对先天性免疫的过程和组成部分进行了回顾，并追溯了对该领域现代发展的开创性贡献。现今，先天性免疫已与适应性免疫一同成为研究机体防御、平衡和病理学所关注的焦点。
图1概述了先天性免疫50年发展的大事件。
图1 过去50年先天性免疫的重大发现
先天性免疫的定义与组成
先天性免疫是生物体生来就具备的免疫系统的一部分，在感染过程中不会经历基因重组。这与适应性免疫形成鲜明对比，后者涉及由专门的免疫细胞（称为淋巴细胞）进行的基因重组以“适应”并解决对身体的威胁的过程。
1974年，先天性免疫的组成部分看起来粗糙而不专门化，包括皮肤和粘膜上的屏障功能、捕获入侵生物的粘液、分解细菌的溶菌酶和胃酸等。20世纪70年代，先天性免疫中最复杂的成分是补体系统，这是一系列在细菌或抗原/抗体复合物作用下被激活的蛋白质，可导致细菌裂解。近年来，对“complosome”的发现使得人们重新关注补体系统的基本功能，complosome代表了补体系统的细胞内组分，基本上参与了免疫系统细胞内的所有生理过程，包括新陈代谢、细胞存活和基因调控。这也说明了先天性免疫系统的复杂性，还有待深入了解。从20世纪80年代开始，大量被称为细胞因子的细胞间信使分子被发现，包括促炎细胞因子IL-1和肿瘤坏死因子（TNF）。细胞因子是先天性免疫细胞（如巨噬细胞和树突状细胞）与适应性细胞之间的关键纽带。
先天性免疫记忆
先天性免疫记忆是指先天性免疫系统对某些刺激表现出的一种有限的记忆能力，与适应性免疫记忆可持续一生不同，先天性免疫记忆通常持续数月至一年。这种记忆涉及髓系细胞的表观遗传变化，而非基因重组，称为“训练免疫（trained immunity）”。训练免疫的概念在某种程度上解释了像卡介苗等针对结核病设计的疫苗如何能更广泛地覆盖宿主，使其免受包括病毒在内的各种传染性微生物的感染。卡介苗在缺乏适应性免疫系统的严重联合免疫缺陷（SCID）小鼠体内对致命的念珠菌病有预防作用，这突显了在免疫系统先天臂内发生这种记忆的重要性。动物研究表明，单核细胞和巨噬细胞在推动训练免疫方面发挥着关键作用，除了外周循环中的细胞外，骨髓中的祖细胞也在进行训练免疫，从而形成中枢训练免疫。细胞的三维结构、表观遗传学重编程、lncRNA的诱导表达都有助于训练免疫过程。
模式识别受体和病原体相关分子模式
先天性免疫领域的一个关键突破是发现了模式识别受体（PRRs）。1989年，Charles Janeway博士提出了PRRs的概念，这些受体能够识别病原体相关分子模式（PAMPs），一旦被激活，就会启动复杂的信号通路，从而产生促炎细胞因子和抗病毒基因，这些信号还会触发树突状细胞成熟、诱导共刺激分子并增加抗原递呈，这使先天性免疫系统能够直接激活和形成下游适应性免疫反应。PRRs的发现，不仅推动了对细菌、病毒、真菌和寄生虫的抗菌过程的理解，还促进了抗原呈递过程，从而将“非特异性”和“特异性”免疫反应联系起来。PRRs还揭示了疫苗佐剂如何通过微生物成分刺激免疫反应，同时也解释了非微生物性佐剂（如氢氧化铝）的作用机制。
20世纪90年代以来，多种PRRs被发现，包括C型凝集素受体（CLRs）、炎症小体、核酸感应受体、NOD样受体（NLRs）、Toll样受体（TLRs）（图2）。研究最充分的PRR是TLRs，它识别广泛的微生物成分，如来自革兰氏阴性菌的脂多糖（由TLR4感知）和来自细菌和病毒的未甲基化CpG DNA（由TLR9感知）。
图2 PRRs家族
炎症小体的发现
先天性免疫领域的另一个关键突破是发现炎症小体（inflammasome），在过去20年间该领域的研究活动十分活跃。炎症小体是细胞质中形成的多蛋白复合体，在激活IL-1β和IL-18等细胞因子以及介导细胞死亡（如细胞焦亡）方面发挥关键作用。NLRP3是研究最深入的一种炎症小体，其激活过程多种多样，包括离子通量（K+外排和Ca2+通量）、代谢变化（线粒体和溶酶体功能障碍、脂肪酸合成和高渗应激）和核酸（dsDNA、病毒RNA和氧化DNA）（图3）。目前尚不清楚这么多不同的分子如何激活单个传感器，这仍是一个需要深入研究的问题。虽然NLRP3有利于宿主应对细菌和病毒感染以及一系列有害刺激，但值得注意的是，该通路的过度激活与许多炎症有关，这使其成为各种炎症和自身免疫疾病的潜在治疗靶点。
图3 通过不同感应途径诱导各种细胞反应的分子模式
核酸感应
先天性免疫的另一个可能出乎意料的发展是DNA传感器的发现，这种传感器会激发先天性免疫反应。这表明DNA不再只是生命的信息分子，也是免疫和炎症的关键驱动因素，尤其是当它出现在细胞核外的错误位置时。我们之所以对自身DNA没有反应，是因为它被包裹在细胞核或线粒体的保护壁内，因此被PRRs隐藏了起来。然而，这个过程很容易出错，当自身DNA逃逸到细胞质中与自身免疫性疾病有关，如系统性红斑狼疮（SLE）。因此，先天性免疫领域涉及的核酸感应与自身免疫性疾病密切相关。通过STING衔接蛋白触发I型干扰素产生的胞质DNA传感器，如cGAS的鉴定，揭示了SLE等自身免疫性疾病的潜在机制（图3）。
先天性免疫途径对适应性免疫的控制
先天性免疫如何促进适应性免疫是免疫学中最重要的特征之一，而这种联系的发现也许是过去50年免疫学中最关键的发现。树突状细胞（DCs）作为专业的抗原呈递细胞，在捕获全身组织的抗原并将其呈递给免疫系统淋巴结中的T细胞中起着关键作用。DCs位于外周，表达高水平的先天性免疫PRRs，一旦被激活会成熟，这一过程涉及促炎细胞因子水平增加、迁移趋化因子受体表达的上调，以及上调与T细胞相互作用并激活下游适应性免疫反应的表面蛋白。TLR信号通路在DCs成熟中扮演了重要角色。DCs与细胞毒性T细胞的相互作用对于清除病毒病原体和肿瘤至关重要。
先天性免疫和适应性免疫之间的另一个关键联系在于先天淋巴样细胞（ILCs），它是T细胞的先天对应物，具有与T细胞功能亚群相似的功能，但没有抗原特异性T细胞受体。ILCs主要在黏膜组织中发挥作用，数量较少，参与炎症激活、组织重塑以及代谢控制和影响适应性免疫反应。ILCs家族的初始成员——NK细胞作用类似于CD8细胞毒性T细胞，在病毒感染的早期反应中具有重要作用，而ILC1、ILC2和ILC3，分别类似于Th1、Th2和Th17等T细胞亚群。
先天性免疫的调控
过去50年中，阐明先天性免疫途径的多种调控机制是一个卓有成效的领域。PRRs下游复杂信号级联的瞬时激活对于维持体内平衡至关重要。因此，了解控制这些免疫级联反应时间的关键参与者非常重要，A20和泛素化以及非编码RNA是先天性免疫信号通路的两个重要调节因子（图4）。
A20（又称TNFAIP3）是一种普遍表达的泛素修饰蛋白，在NF-κB信号通路下游被诱导表达。A20通过添加或移除泛素链来调节多种信号分子，从而负向调节NF-kB信号传导以及抑制细胞死亡。先天性免疫信号通路的许多环节都是通过泛素化过程控制的，特定的泛素标记决定了蛋白质是被清除还是被激活。
随着下一代测序技术的发展，大量具有调控功能的RNA转录本被发现。非编码RNA如长非编码RNA（lncRNAs）和微小RNA（miRNAs）在调控先天性免疫反应中发挥的关键作用逐渐被揭示出来（图3）。miRNAs能够通过结合目标mRNA的3'非编码区来抑制靶蛋白。miR155和miR146是先天性免疫系统中特征最明显的两种miRNA，在TLR配体炎症激活或感染后具有高度诱导性。miR155具有促炎作用，而miR146具有抗炎作用，两者相互拮抗，在平衡机体炎症稳态中发挥关键作用。研究最深入的lncRNA是XIST，XIST是女性X染色体失活的关键因子，与多种RNA结合蛋白结合会形成XIST-RNP复合物，其多个蛋白组分属于自身抗原，会导致产生显著的自身抗体，从而驱动性别偏倚免疫反应。由于通常情况下只有女性的细胞中才存在X染色体失活和XIST表达，从而导致自身免疫性疾病如SLE大多在女性中发病。
图4 先天性免疫的负调节因子
先天性免疫的临床应用前景
随着先天性免疫过程及其调节机制被揭示，人们试图利用这些重大发现进行治疗探索。先天性免疫过程中PRRs的发现和研究为新型疫苗佐剂，尤其是分子佐剂的开发带来了新的思路。有前景的候选疫苗佐剂正在靶向TLR、RIG-I、MDA-5和STING。例如，黄热病减毒活疫苗（YF-17D）是迄今为止开发最有效的疫苗之一，它通过多种TLR（TLR2、TLR3、TLR7、TLR9）和RIG-I、MDA-5才能产生效果。单磷酸脂质A（MPL）是典型的TLR4激动剂类佐剂。AS04是一种由铝盐和MPL组成的佐剂，用于人乳头瘤病毒和乙型肝炎病毒的疫苗。TLR9激动剂CpG DNA的修饰形式用于乙型肝炎疫苗。此外，STING激动剂在抗肿瘤疫苗领域显示出特别的潜力，同时也在流感、HIV和结核病疫苗的研究中引起关注。COVID-19 mRNA疫苗提出了关于先天性免疫激活配体与佐剂效应关系的新问题。
在治疗疾病方面，研究人员也在尝试通过开发靶向特定PRR或其下游信号通路的抑制剂来治疗自身炎症和自身免疫性疾病。例如，针对TLR2的抗体在缺血再灌注损伤和类风湿性关节炎（RA）的前期研究中显示出潜力，但在人体临床试验中因效果不佳而未能进一步推广。此外，针对TLR4的拮抗剂在败血症治疗中只显示出微弱的效果，可能与临床干预的时机或患者分层有关。
NLRP3炎症小体因其在广泛的自身炎症和自身免疫性疾病中的潜在作用而成为研究热点。CRID3/MCC950等小分子抑制剂通过特异性靶向NLRP3，已进入各种疾病（冷冻蛋白相关周期性综合征、骨关节炎、痛风、骨髓增生异常综合征、哮喘、帕金森病和冠状动脉疾病）的临床试验阶段。这些发现可能预示着通过抑制NLRP3或其他炎症小体，可以在多种炎症疾病中发挥治疗作用。
针对cGAS-STING通路的靶向治疗在RA、卒中、SLE和神经系统疾病中备受关注。随着细胞因子靶向治疗策略的发展，对细胞因子信号途径的抑制也带来了显著的临床益处，特别是JAK抑制剂。期待未来靶向PRRs或其激活的信号能带来类似乃至更优的临床治疗效果，尤其是在当前细胞因子靶向治疗尚未显效或证实有效的疾病中。
50年前，我们对先天性免疫的理解还很原始，且不重视。1989年，Charles Janeway博士呼吁，如果免疫学家只关注适应性免疫，那么对免疫系统的了解就会达到“极限”，由此吹响先天性免疫研究的集结号。令人兴奋的发现陆续出现，在理解先天性免疫分子和细胞参与者方面取得的进展反过来又带来了重大的临床进步，特别是在针对一系列自身免疫性和自身炎症疾病的细胞因子方面，数以百万计的患者从RA、炎症性肠病、银屑病和特应性皮炎等常见疾病中受益。尽管半百寒暑已过，但在许多方面，先天性免疫领域仍处于起步阶段，未来还需要了解其中错综复杂的调控，尤其是表观遗传调控，并继续探索先天性免疫的活力，积极调动先天性免疫的力量，以开发疫苗和更有效的治疗传染病和自身免疫性疾病的药物。
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参考文献
Carpenter S, O'Neill LAJ. From periphery to center stage: 50 years of advancements in innate immunity[J]. Cell, 2024, 187(9):2030-2051.
