《細胞和分子免疫學》 （二）GM-CSF

1977年Burgess等從小鼠肺條件培養(yǎng)液中發(fā)現(xiàn)一種能刺激粒細胞和巨噬細胞形成集落的因子，命名為粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子（granulocyte-macrophage colonystimulating factor,GM-CSF)。1984年和1985年小鼠和人GM-CSF的cDNA分別克隆成功。

1.GM-CSF的產(chǎn)生　T細胞、B細胞、巨噬細胞、肥大細胞、內皮細胞、成纖維細胞等均可產(chǎn)生GM-CSF。其中T細胞和巨噬細胞一般在免疫應答或炎癥介質刺激過程中直接產(chǎn)生；而內皮細胞、成纖維細胞可能通過IL-1和TNF的誘導而產(chǎn)生。

表4-4　CSF的生物學功能及臨床應用

CSF分子量（kDa)鼠　人主要產(chǎn)生細 胞主要集落刺激作用促進吞噬細胞功能臨床治療疾病使用情況基因定位外顯子/內含子人與鼠同源性（%）人與鼠活性交叉糖基化G-CSF（CSF-β）25　30Mo,En,Fb髓樣、中性粒細胞集落增殖、分化成熟PMN的吞噬和殺傷功能，ADCC增加化療作用，艾滋病，白血病，再生障礙性貧血、癌癥，骨髓移植FDA已批準17q11～q135/473+0-M-CSF（CSF-1）70　45（同源二聚體）Mo、En、Fb前單核、單核Mφ吞噬和細胞毒功能，ADCC，促進IL-1、TNF-α的產(chǎn)生Ⅰ期臨床試驗5q23～q3180+N-GM-CSF（CSF-α，CSF-2）23　22Tact、Fb、En、Mo多能干細胞、髓樣干細胞、單核、嗜酸、中性粒細胞增殖增加Mφ、Mo、PMN、Eo的數(shù)量，提高吞噬功能二次化療所致中性粒細胞減少癥，異體和自體骨髓移植，再生障礙性貧血，燙傷骨髓功能衰竭，血小板減小FDA已批準5q23～q314/354-N-IL-3（multi-CSF)25　18Tact多能干細胞、多種定向祖細胞、前髓、髓樣、紅樣、巨核、前單、單核、中性、嗜酸、肥大細胞體內注射IL-3增加外周血中PMN、Mo、Eo的數(shù)量，促進Eo ADCCⅠ、Ⅱ期臨床試驗5q23～q315/429_N-EPO30　30-34腎基質細胞紅細胞系促進BFU-E、CFU-E以及紅系的增殖和分化貧血FDA已批準7q11～q225/480+N-/0-SCF31×2（同源二聚體）肝細胞干細胞、造血祖細胞、髓系、紅系、巨核細胞系干細胞增殖和分化，與IL-3、G-CSF、GM-CSF和EPO有協(xié)同作用癌癥Ⅰ期臨床試驗80

Mo:單核細胞；Mφ：巨噬細胞；Eo：嗜酸性粒細胞；En：內皮細胞；Fb：成纖維細胞；Tact:活化T細胞

表4-5　產(chǎn)生GM-CSF的細胞和刺激物

細胞種類刺激物生理性GM-CSF主要來源T淋巴細胞抗原、外源凝集素、CD28McAb、IL-1、HTLVB淋巴細胞LPS、TPA巨噬細胞LPS、FCS、吞噬作用、粘附作用成纖維細胞TNF、IL-1、TPA內皮細胞TNF、IL-1、TPA、修飾的LDL間皮細胞EGF+TNF成骨細胞PTH、LPS病理性GM-CSF主要來源AMLTNF、粘附、IL-1類風濕性關節(jié)炎滑膜實體瘤

注：PTH：甲狀旁腺激素

2.GM-CSF的分子結構和基因　人和鼠GM-CSF基因DNA序列有高度同源性，基因組約2.5kb長，包括4個外顯子和3個內含子。小鼠GM-CSF基因位于11號染色體。在人則位于第5號染色體長臂，在IL-3基因下游9kb處，此外，人的IL-4、IL-5、M-CSF、M-CSF受體（C-fms)和早期生長應答基因-1（early growth response gene-1,EGR-1)也位于第5號染色體的長臂（表4-6）。

表4-6　人第5號染色體上某些生長因子、受體和CD抗原的基因

細胞因子IL-3、IL-4、IL-5、IL-13M-CSF、GM-CSF、ECGF受　體M-CSFR（C-fms)PDGFR、β2ARCD抗原CD14、CD49a、CD49b其　它EGR-1

人和小鼠GM-CSF基因以及其它某些淋巴因子基因上游區(qū)TATA盒上游330bp有較高的同源性，包括一個富含GC的區(qū)域和一個10個核苷酸同一的序列（decanucleotideconsensus sequence)，這一序列也見于人或小鼠IL-2和IL-3基因的promoter中。此外，CK-1（cytokine consensus-1)或稱保守的淋巴因子元件1（conserved lymphokine element 1,CLE-1)在小鼠或人G-CSF、GM-CSF、IL-2和IL-3的基因組中均可見到；而CK-2僅見于人或小鼠GM-CSF和IL-3的基因組中。

人和小鼠GM-CSF分別由144和141氨基酸殘基組成，均包含17氨基酸的先導序列。成熟的人和小鼠GM-CSF分子分別由127和124個氨基酸殘基組成，在氨基酸水平上有54%同源性，但生物學作用具有種屬特異性。GM-CSF含有高度保守結構的2個鏈內二硫鍵，其中51個與93位之間形成的二硫鍵對該因子的生物學活性有重要作用。人GM-CSF分子中第21～31和78～94氨基酸殘基對刺激造血功能極為重要，而糖基無論在體內或體外對GM-CSF的生物效應似乎無影響。

用GM-CSF轉基因小鼠造血細胞為研究模型，發(fā)現(xiàn)這類小鼠有高水平的GM-CSF，同時伴有許多細胞組織的損傷。自分泌GM-CSF的造血細胞同時轉錄IL-1α、TNF和FGF（成纖維細胞生長因子）mRNA。

13.GM-CSF的生物學活性　GM-CSF有多種生物學活性（表4-4和4-7）。

表4-7　GM-CSF的生物學活性

體外實驗刺激細胞增殖骨髓細胞，粒細胞，巨噬細胞祖細胞，紅樣，巨核細胞祖細胞，AML，白血病細胞系，BFU-E，內皮細胞，單核-巨噬細胞，淋巴細胞，骨髓來源樹突狀細胞祖細胞，成骨肉瘤細胞，腺癌細胞促進功能中性粒細胞存活和蛋白合成，移動抑制，氧化代謝，脫顆粒，細胞因子分泌，再循環(huán)，IgA介導吞噬作用，ADCC吞噬和殺死病原體，表面受體調變，花生四烯酸釋放，白三烯和PAF合成嗜酸性粒細胞存活，細胞毒，白三烯合成嗜堿性粒細胞組胺釋放巨噬細胞細胞因子合成（如IL-1、TNF-α），殺滅寄生蟲，表面受體、抗原表達，殺滅腫瘤，粘附，氧化代謝朗罕氏細胞成熟，存活力和功能體內促進造血，嗜酸細胞增多降低血清膽固醇髓樣細胞增殖綜合征失明和肌肉炎細胞浸潤（轉基因動物）

有報導GM-CSF和IL-3的融合蛋白可明顯增強造血功能，如融合蛋白PIXY321與同時表達GM-CSFR和IL-3R細胞株結合，親和力增加5～10倍，促進細胞增殖作用是GM-CSF加IL-3作用的10倍，刺激BFU-E、CFU-E、CFU-GM、CFU-GEMM造血細胞集落作用比單獨使用IL-3、GM-CSF或兩者聯(lián)合應用要高10～20倍。

4.GM-CSF受體　人和小鼠 GM-CSFR均由α、β兩條鏈組成，單獨α鏈與配體的結合為低親合力，β鏈單獨不結合配體，但與α鏈共同組成高親和力受體，在信號轉導中起主要作用。GM-CSFR。α、β兩條鏈胞膜外結構均屬于造血因子受體超家族（或稱紅細胞生成素受體超家族）成員。已證實GM-CSFRβ鏈為IL-3、IL-5受體所共用，但在人和小鼠β鏈的共同情況有所差異。

（1）小鼠GM-CSFR：α鏈又稱STH分子，由包括信號肽在內的396個氨基酸組成，成熟分子約70kDa，與IL-3結合為低親和力，Kd值4×10-8M。小鼠GM-CSFr β鏈有AIC2A和AIC2B兩種分子，其中AIC2A為GM-CSFR所特有，AIC2B則為GM-CSFR、IL-3R、IL-5R所共有。β鏈與GM-CSFRα鏈組成高親和力受體，Kd為3×10-10M。AIC2A由包括信號肽在內878個氨基酸組成，成熟分子120kDa，糖蛋白，胞漿部分413個氨基酸，不含激酶結構，但可被酪氨酸激酶磷酸化，在信號轉導過程中發(fā)揮重要作用。

（2）人GM-CSFR：α鏈為低親和力受體。人β鏈又稱KH97分子，與小鼠GM-CSFr β鏈AIC2B有56%同源性，人GM-CSFR β鏈cDNA編碼897個氨基酸，成熟分子120kDa，有16個氨基酸的先導序列，胞膜外區(qū)422個氨基酸，穿膜區(qū)26個氨基酸，胞漿區(qū)433個氨基酸，β鏈為IL-3、IL-5、GM-CSF受體所共用，其信號轉導與酪氨酸磷酸化有關，有關信號轉導機理參見本章第三節(jié)。

（3）GM-CSFR的分布：GM-CSFR主要分布于髓系細胞，但分布的方式有所不同。在中性粒細胞表面僅有GM-CSFR的α和β鏈，而無IL-5R和IL-3R的α鏈，因而IL-3、IL-5對GM-CSF與中性粒細胞表面GM-CSFR結合不發(fā)生競爭，由于α鏈數(shù)目少于或等于β鏈的數(shù)目，所以中性粒細胞表面僅有高親和力GM-CSFR，而無低親和力受體。IL-3、GM-CSF兩種細胞因子均可作用于單核細胞，而且可以相互競爭結合。單核細胞可同時表達IL-3、GM-CSF的高親和力受體，也表達這兩種低親和力受體，提示在單核細胞表面這兩種細胞因子受體α鏈表達的數(shù)目多于β鏈。在嗜酸性粒細胞表面同時表達IL-3、IL-5和GM-CSF三種受體，而且IL-3、IL-5和GM-CSF三種配體均可相互競爭抑制。嗜堿性粒細胞亦具有這三種受體，但結合相應配體的能力依次是GM-CSF>IL-3>IL-5。