医学免疫学：补体系统

1、补体系统 Complement System,P55-65,1895 Bordet: 霍乱弧菌溶菌试验,新鲜血清中存在的成分，不具抗原特异性，辅助抗体介导的溶菌作用,补体系统的基本特点,由血清、组织液和细胞膜表面的蛋白质组成，大多为糖蛋白。血浆补体成分不耐热，56C加热30min即被灭活 约90%的血浆补体成分由肝合成，少数由肝以外的细胞如单核-巨噬细胞合成。组织损伤急性期或炎症，补体产生增多，促炎细胞因子如IFN-g, IL-1, TNF-a, IL-6等可刺激补体基因表达 生物级联反应体系，本质是连续酶促反应 反应体系受到严密调控：补体反应中间产物含量低，半衰期短，易被多种补体调节蛋白抑制

2、或灭活 是固有免疫系统的重要组成部分，直接裂解进入机体的病原微生物，促进死亡细胞或异常自身细胞的清除，调节固有免疫细胞的功能，调节适应性免疫应答 既可介导生理功能（免疫自稳、器官修复再生、神经保护），又能介导病理损伤,补体系统,b,激活补体系统的关键步骤：C3转化酶(C3 convertase)和C5转化酶(C5 convertase)的生成 三条途径: 经典途径 (classical pathway) MBP途径 (MBP pathway) 替代途径 (alternative pathway) 替代途径是最古老的补体激活方式，在感染早期即可发挥重要的免疫防御作用 激活过程可分为识别阶段、活化

3、阶段和膜攻击三个阶段,补体的激活途径,经典途径,替代途径,MBP途径,识别,活化,膜攻击,由免疫复合物中的抗体分子结合C1q后依次激活C1、C4、C2、C3、C5，形成C3转化酶C4b2b和C5转化酶C4b2b3b的级联酶促反应过程。 C1q除识别免疫复合物，还识别反转录病毒的外壳蛋白、细菌脂多糖、革兰氏阴性菌的孔蛋白、b淀粉样纤维、磷脂、凋亡细胞、急性期蛋白如五聚环蛋白、朊蛋白等，活化经典途径,补体激活的经典途径 classical pathway of complement activation,C1由1个C1q、2个C1r和2个C1s分子借Ca2+连接而成的多聚体复合物，其中C1q具有识

4、别Ig分子作用，C1r和C1s具丝氨酸蛋白酶活性。 C1q为18条肽链组成的六聚体, 每一单位头部与Ig结合。由髓系来源的白细胞合成。受体包括cC1qR, CRT, gC1qR, C1qRO2, a2b1, 磷脂酰丝氨酸, CD91/93。 功能包括启动经典途径的补体活化，趋化和辅助趋化，促进凋亡细胞清除，影响免疫细胞的分化和功能,识别阶段,抗原抗体结合, 抗体发生构型改变, 使Fc段补体结合部位（IgG的CH2和IgM的CH3结构域）暴露, C1q与之结合 C1的活化需要与至少2个IgG或IgM结合，并需Ca2+的存在。两个以上C1q头部被免疫复合物中IgM或IgG的Fc段结合后,C1q 6

5、个亚单位的构象即发生改变,暴露C1r的蛋白水解酶活性部位。C1r酶解并活化丝氨酸蛋白酶C1s,活化阶段 活化的C1s依次酶解C4、C2，形成具有酶活性的C3 convertase：C4b2b,C3转化酶,C4b与靶细胞膜形成酰胺键或酯键,C3a为过敏毒素 C3b结合于细胞膜表面，促进C3转化酶的进一步生成，并调理吞噬,酶解C3 形成C5转化酶 C4b2b3b,裂解C5,C5a为过敏毒素 C5b启动膜攻击阶段,补体激活的MBP途径 MBP pathway of complement activation,病原微生物表面的甘露糖和IgA可激活MBP途径。 感染早期，巨噬细胞产生TNF-a, IL-

6、1和IL-6等促炎细胞因子，诱导肝细胞产生急性期蛋白，其中甘露聚糖结合蛋白（MBP）和C反应蛋白（CRP）可激活补体。MBP与病原体表面的甘露糖苷有较强的亲和力,补体激活的MBP途径 MBP pathway of complement activation,MBP与细菌甘露糖苷结合，导致MBP相关的丝氨酸蛋白酶（MBL-associated serine protease，MASP-1、MASP-2 )活化。活化的MASP2裂解C4和C2，激活的MASP1直接裂解C3生成C3b，参与并加强替代途径的正反馈环路,MASP2,C1-like complex,MASP,补体激活的替代途径 Alter

7、native pathway,由C3、B因子、D因子和P因子参与的激活过程。 特点: 需要固相表面粘附或活化C3的自发裂解产物C3b 无特异性，快速 可区分自我与非我 存在C3b正反馈 激活分子： 细菌、病毒、内毒素、酵母多糖、葡聚糖等，为补体活化提供固相平台,补体激活的替代途径 Alternative pathway,少数C3分子在生理条件下自发裂解为C3a和C3b。C3b在液相中易失活，只有结合于固相表面如细菌、酵母多糖、葡聚糖等才能避免淬灭,备解素(P因子)与C3bBb复合物结合后使之稳定 C3bBbP将更多的C3分子水解为C3a和C3b，形成依赖于C3b的正反馈环路,以C3为中心的正反

8、馈环 (Amplification Loop,C5转化酶：C3bnBb 结合于固相表面的C3b与C5分子结合形成C3bC5复合物。C5转化酶将该复合物中的C5裂解为C5a和C5b。C5b参与启动补体活化的膜攻击阶段。C5a发挥炎症介质作用，并能诱导树突细胞功能成熟，调控T细胞分化，调控细胞凋亡,补体应答的效应阶段：膜攻击阶段 攻膜单位 membrane attack complexes (MAC)：结合于细胞膜上的C5b8促进C9聚合，形成C5b6789n复合物。MAC通过破坏磷脂双层形成渗漏斑或形成穿膜的亲水性孔道，导致细胞崩解,Target cell,C5b8复合物，与1215个C9分子联

9、结成C5b9 (MAC)，电镜下C9多聚体为中空的多聚C9 (poly-C9)插入靶细胞的脂质双层膜，形成内径为10nm小孔，离子和小分子自由进出细胞膜,激活物和起始步骤 激活过程对抗体的依赖性 C3和C5转化酶 正反馈放大环 终末反应过程,三条补体激活途径的比较,1.补体的固有成分：存在于体液中，参与补体活化级联反应 经典激活途径： C1q、C1r、C1s、C2 - C9； 甘露聚糖结合凝集素激活途径： 甘露聚糖结合蛋白 (MBP) MBP相关丝氨酸蛋白酶 (MASP) 旁路激活途径： B因子、D因子等,补体系统的组成,经典激活途径和终末成分：C1 - C9 旁路途径成分: B, D, H,

10、 I, P因子 裂解产物组成具有酶活性的复合物: C1, C4b2b 活化过程中酶解形成的多肽片段: C3a, C3b (小片段为 “a” ；大片段为 “b”)，C3d，C3dg 被灭活的补体片段: iC3b,补体成分的命名规律,补体固有成分活化后的裂解片段,血清浓度最高，功能最为重要的分子之一 裂解片段可与CR1、CR2、CR3、CR4和C5aR结合,C3分子,2. 补体调节蛋白：以可溶性或膜结合形式存在的具有调节某些补体活化作用的分子。 C1抑制物(C1INH)、C4结合蛋白(C4BP)、C8结合蛋白、衰变加速因子(DAF, CD55)、膜辅助蛋白(MCP, CD46)、膜反应性溶解抑制物

11、(CD59)、I因子、H因子、P因子、纤粘蛋白、Sp40/40、羧肽酶N、H因子样蛋白1(FHL1)、H因子相关蛋白(CFHR1)、 sMAP, MAP-1, clusterin, carboxypeptidase-N等 3. 补体受体(complement receptor, CR)：与补体活化过程中形成的某些活性片段相结合并介导多种生物学效应的膜分子。 CR1CR4、C3aR、C5aR、C5L2、C1qR、SIGNR1和CRIg等,补体系统的组成,补体激活过程中生成的多种补体裂解片段与细胞膜表面的相应受体结合，参与机体免疫防御、维护内环境稳定以及作为连接固有免疫和适应性免疫的桥梁发挥重要作

12、用。 CR1 (CD35)：C3b, C4b, 结构：单链膜蛋白 表达 ：B细胞, 中性粒细胞, 单核/巨噬 细胞, 红细胞(RBC) 等 功能： 灭活C3转化酶, 抑制补体激活 调理吞噬（间接识别被C3b或C4b致敏的微生物） 红细胞结合被C3b致敏的免疫复合物 辅助B 细胞活化,补体受体种类和表达的细胞,CR2 (CD21)：iC3b，C3d, C3dg, EB 病毒 表达：B细胞, Follicular dendritic cell (FDC细胞) 功能：FDC捕捉被补体裂解片段致敏的外来抗原 CR3 (CD11b/CD18) CR4 (CD11c/CD18) ：iC3b 结构：整合素分

13、子 表达：中性粒细胞 单核/巨噬细胞, 肥大细胞, NK细胞 功能：促进吞噬细胞的吞噬作用 促进NK细胞的杀伤能力,C3a, C4a, C5a过敏毒素，具炎症介质的性质，参与诱导机体的多种不同类型的过敏反应。与各自的受体结合，触发保内信号，增加胞内Ca2+水平，最终诱导吞噬细胞和粒细胞的呼吸爆发，释放活性氧，发生脱颗粒，趋化多种免疫细胞。 C5a的来源：三条途径介导的补体活化过程，凝血系统、纤溶系统和激肽系统激活时产生的部分成分、吞噬细胞释放具丝氨酸蛋白酶活性的蛋白，病原微生物的组分或代谢产物。 C5aR (CD88，过敏毒素受体, Anaphylatoxin receptor)：7次跨膜的趋

14、化因子受体，分布广泛，在髓系细胞、静止和活化T细胞、支气管和肺泡上皮细胞、血管内皮细胞、肝脏Kupffer细胞、星状细胞、中枢神经系统的星形胶质细胞、小胶质细胞、海马神经元细胞和成神经细胞中表达,C5aR,C5aR的生物学功能,C5a参与中枢神经系统发育，神经退行性变，组织再生，造血 作为炎症介质，诱导炎症反应和天然免疫应答 趋化 诱导和促进趋化因子的合成，招募更多的炎性细胞进入炎症部位 触发多形核白细胞和吞噬细胞的呼吸爆发，释放活性氧和多种酶活性物质 增强单核/巨噬细胞的吞噬功能 与LPS协同促进Kuppfer细胞生成TNF-a, IL-6, IL-1b 作用于平滑肌细胞，导致血管扩张、毛细

15、血管通透性增强 作用于血管内皮细胞，上调粘附分子的表达，促进血管内皮细胞与白细胞的粘附，有助于白细胞迁移至组织中 诱导单核/巨噬细胞、未成熟树突状细胞分泌炎性细胞因子，如IL-6, TNF-a。 诱导树突状细胞的功能成熟、促进T细胞生存和增殖，增强获得性免疫应答 通过影响DC分泌不同类型的细胞因子控制不同Th细胞分化 调控细胞凋亡 对未分化的成神经细胞具神经营养作用，保护分化的成神经细胞免受Ab介导的毒性作用,C1q受体 (cC1qR, gC1qR, CRT, C1qRO2, a2b1, 磷脂酰丝氨酸, CD91/93)：C1q 表达：吞噬细胞 功能：调理吞噬 促进氧自由基产生 增强细胞介导的

16、细胞毒作用 趋化和辅助趋化 调节免疫细胞的分化和功能,补体系统的调控 Regulation of the Complement System,Complement a system for immune surveillance and homeostasis,生理 病理,控制补体活化的启动环节 补体活性片段的自发性衰变 血浆和细胞膜表面均存在多种补体调节蛋白，控制级联酶促反应中的酶活性和攻膜单位组装,补体系统的调控 Regulation of the Complement System,补体系统的调控 Regulation of the Complement System,b,可与C1r、C

17、1s和MASP以共价键结合成稳定的复合物,使它们失去酶解C4和C2的能力,C1抑制因子(C1-INH,I 因子：丝氨酸蛋白酶, 裂解C4b和C3b，抑制C3/C5转化酶形成 C4结合蛋白 (C4BP)和CR1：与C4b结合, 抑制C4b与C2结合; 作为辅助因子, 促进I 因子对C4b/C3b水解作用,替代C2与C4b结合,C4b2b的调控,衰变加速因子 (DAF, CD55): 抑制C4b2b形成，促进C3bBb中Bb与C3b的解离 膜辅助蛋白(MCP, CD46)促进I因子裂解C3b,H 因子: 与B因子、Bb及C5竞争性结合C3b，抑制转化酶和C3b5b形成 辅助 I 因子酶解C3b I

18、因子，CR1，CD55，CD46,调控替代途径C3转化酶和C5转化酶,H因子必须与膜表面的唾液酸或带负电荷的多糖类结合才能发挥其灭活C3b的作用。 哺乳动物细胞膜表面有唾液酸糖蛋白 大多数微生物表面没有丰富的唾液酸 大肠杆菌K1菌株带有丰富唾液酸，可逃避补体攻击，是新生儿严重腹泻的常见病因之一,CD59，即膜反应性溶解抑制物 (MIRL)：结合C5b67，干扰C5b678生成，结合C9，阻断MAC形成 C8结合蛋白(C8bp)：阻断MAC组装 S蛋白或纤粘蛋白(SP, vitronectin)：阻碍C5b67复合物与靶细胞膜结合 群集素：抑制MAC组装，促进MAC从细胞膜解离,针对攻膜复合物的

19、调节作用,同源限制性(homologous restriction): 靶细胞与补体来源于同一种属时，补体溶细胞效应受到抑制。同源限制因子(HRF)包括CD55、CD46、CR1和CD59，广泛分布于多种细胞和组织，对来自于同一种属的补体分子具有抑制作用，对其它种属的补体分子不能识别,细胞毒作用(cell lysis)：溶解细菌/病毒和异常细胞 (MAC) 调理作用 (opsonization)：调节吞噬细胞的吞噬作用，C3b, C4b, iC3b与CR1结合 免疫粘附 (immune adherence)：清除循环免疫复合物， C3b (IC-C3b-CR1-RBC) 炎症介质作用 (pro

20、-inflammatory mediators): 炎症介质：细胞释放或血清蛋白降解产生、能够触发或参与炎症反应的化学物质或蛋白质。主要生物学效应包括诱导吞噬细胞和粒细胞呼吸爆发，释放活性氧和酶活性物质，脱颗粒，收缩平滑肌、增加毛细血管通透性、趋化白细胞、降解细胞间质等 过敏毒素 (anaphylatoxin): C3a和C5a与细胞表面C3aR和C5aR结合，诱导吞噬细胞和粒细胞呼吸爆发，促进脱颗粒。 趋化作用 (chemotaxis)：C5a促进髓样白细胞粘附和趋化,补体的生物学功能,补体介导的细胞溶解,调理作用,清除免疫复合物 等分子质量的可溶性循环免疫复合物（IC）可激活补体,产生C3

21、b与抗体共价结合,C3b与表达CR1的红细胞和血小板结合，通过血流运送到肝、脾内被巨噬细胞清除。由于表达CR1的红细胞数量巨大，因此是清除IC的主要参与者,中性粒细胞和单核细胞,C5a,补体片段的炎症介质作用,补体的生理学意义,机体抗感染防御的主要机制，是固有免疫防御的一部分，也是特异性体液免疫应答的效应机制 参与适应性免疫应答 促进抗原呈递细胞摄取和提呈抗原 C3d与抗原结合可介导BCR与CR2/CD19/CD81复合物交联，促B细胞活化 FDC的CR1和CR2可将免疫复合物固定于生发中心，从而诱导和维持记忆性B细胞 CD55, CD46和CD59参与T细胞活化 感染灶的过敏毒素可招募炎症细

22、胞，促进抗原的清除 抑制高分子量免疫复合物的形成 补体系统与血液中其它级联反应系统如凝血系统、纤溶系统和激肽系统相互作用 参与造血、中枢神经系统发育和组织再生，促进凋亡细胞清除,Complement a system for immune surveillance and homeostasis,补体与感染性疾病 微生物表面与C3b、iC3b、C4b等补体片段结合，通过CR1和CR2进入细胞，使感染播散 某些微生物通过CR或补体调节蛋白入侵细胞，如CR2-EB病毒，CD46-麻疹病毒，CD55-柯萨奇病毒和大肠杆菌 微生物产生类似CD46、CD55和CD59样补体调节蛋白 补体与炎症 创伤、烧伤、感染、缺血再灌注、体外循环、器官移植等均可在早期激活补体系统，所产生的C3a、C5a等可激活单核细胞、内皮细胞和血小板，释放炎症介质和细胞因子，补体系统还通过与凝血、激肽和纤溶系统相互作用，与TNF-a、PAF、IL-1、IL-6、IL-8等协同或制约，形成炎症介质网络，加剧炎症反应 补体与I型过敏反应和自身免疫性疾病,补体与疾病,C1q与系统性红斑狼疮（SLE） C1q缺陷或抗C1q自身抗体 C1q肾病 C1q参与孕期的正常维持 C1q和MBL识别和结合经氧化和乙酰化修饰的低密度脂蛋白，促进其清除，与动脉粥样硬化有关