第二章免疫分子 1 2 Ig和补体系统

1、第五章 免疫分子第一节 免疫球蛋白( Immunoglobulin, Ig )免疫球蛋白(immunoglobulin,Ig)包括成熟B细胞的膜表面Ig(SmIg)和某个B细胞克隆受抗原刺激、激活、分化、转化为浆细胞后分泌的Ig。由于Ig具有与相应抗原发生特异结合的功能，故称为抗体(antibody,Ab)。在人体内约有107个B细胞克隆，各个B细胞克隆的SmIg分子的VL、VH结构都不一样，能识别差异极其微小的各种抗原决定簇，产生相应的Ig分子。分泌于血清中的Ig分子结构极不均一，与抗原结合的特异性千差万别，Ig自身表现的抗原性(血清型)也多种多样。关于Ig产生的遗传控制及多样性的起源，遗传

2、学家们一直在进行研究，并存在分歧，提出的学说主要有胚系学说、体细胞突变学说和基因重排学说。随着分子生物学技术的发展，基因重排学说不断被实验证实和完善，受到普遍赞同。一、免疫球蛋白分子的基本结构Ig分子的基本结构为，两条相同的轻链(light chain, L链)在两条相同的重链(heavy chain, H链)外侧，L链和H链之间，H链与H链之间，由二硫键连接成一个“Y”字型。每条L链由210230氨基酸组成，分子量约23ku，每条H链由420446个氨基酸组成，分子量5070ku。 所有Ig的L链和H链从氨基端起的100多个氨基酸的组成和顺序多变，称为可变区(variable region,

3、 V区)，L链的V区(VL)由108个氨基酸组成，H链的V区(VH)由107130个氨基酸组成，VL和VH共同组成与相应抗原决定簇结合的部位。在VL和VH中氨基酸组成的变化仅集中3个区域(占氨基酸总量的15%20%),称为超变区(hypervariable region, HV)。超变区是Ig与抗原结定簇结合的互补决定区(complementarity-determining region,CDR)。VL的3个超变区Lhv1、Lhv2、Lhv3或称CDR1、CDR2、CDR3，分别为N末端起的第2434、5056和8997位氨基酸。VH有3个超变区：Hhv1、Hhv2、Hhv3，分别是N末端起

4、的第3135、5065和95102位氨基酸。VH和VL中除超变区以外，其余4个氨基酸片段(占VL、VH氨基酸总量80%85%)变化较小，称为框架区(frame-work regions,FR)。FR仅对CDR起支架作用。L链其余的1/2段的氨基酸组成和排列比较恒定，称为L链恒定区(CL)。CL仅发现两种，按它们表现的抗原性将L链区分为和两种型(type)，每一个Ig分子的两条L链均是同一个型，即同是型或同是型。H链其余3/4段的氨基酸组成和排列也较恒定，称为H链恒定区(CH)。CH有五种，据它们的抗原性将H链分为五类(class)，、和。它们分别组成的Ig相应称为IgM、IgD、IgG、IgA

5、和IgE。依每类Ig重链恒定区内个别氨基酸的差异及H链间二硫键位置不同，各类Ig又分亚类(subclass)，例如人的IgG分为IgG、IgG、IgG和IgG，IgM分为IgM和IgM，IgA分为IgA和IgA；马的IgG分为IgGa、IgGb、IgGc、IgG(B)和IgG(G)；牛的IgG分为IgG和IgG；猪的IgG分为IgG、IgG、IgG和IgG等。L链和H链内，大约每110个氨基酸残基片段内由两个半胱氨酸组成一个链内二硫键，形成一个环，环内的肽链以典型的Ig折叠(immunoglobulin fold)形成球状结构域(domain)。具有Ig球状结构域的尚有MHC-类分子、MHC-

6、类分子、TCR、Thy-1抗原、粘附分子(ICAM)等，它们归于一个Ig基因超家族(详见第22章)。L链内有两个结构域，VL和CL；IgG、IgA和IgD的重链内均有VH、CH1、CH2和CH3四个结构域；IgM和IgE的重链则多一个CH结构域。每个结构域的免疫功能不同，但约有1/3的氨基酸排列顺序相同。IgG、IgA、IgD的CH1和CH2之间有一个约含30个氨基酸可弯曲的铰链区(hinge region)，有利于Ig两臂伸展，与抗原分子上不同位置的表位结合。二、免疫球蛋白的多样性及血清型(一) Ig的多样性 据测定，成年人体内的B淋巴细胞，约有107种克隆，每种克隆约有105个B细胞。各种

7、克隆B细胞SmIg分子的VL-VH结构不同，能识别结合各种抗原决定簇，引起分化增殖成浆细胞，合成分泌各种特异性Ig分子。每种特异Ig分子的组成和结构都有差异，这就是所谓的Ig多样性。(二) Ig的血清型Ig分子不但具有抗体活性，同时自身也是很好的抗原，因各种动物和个体的遗传因素不同，B细胞在遗传性上具有差异，它们产生的Ig分子在抗原性上也就各不相同，这种差异必然与各种Ig分子的氨基酸残基组成和排列顺序有关，这种受遗传基因控制产生的抗原性差异，称为Ig的遗传标志(genetic marker)。根据遗传标志的不同，可将Ig分子的抗原性分为三种不同类型的变异体(血清型)，即同种型、同种异型和独特型

8、，具体见表1.5.1，它们可以用血清学方法来测定及分类，故称为免疫球蛋白血清型。1同种型(isotype) 即同种动物所有个体B细胞产生的免疫球蛋白的类、亚类，型、亚型都相同，不同种动物之间则不同。因此，人与各种哺乳类动物的免疫球蛋白，在动物间可互为免疫原。(1) 类(class)：根据CH抗原性的不同，将重链分为、五类，其相应的免疫球蛋白分别为IgG、IgA、IgM、IgD、IgE。(2) 亚类(subclass)：根据CH中二硫键的位置和数目等微细结构的差异，将免疫球蛋白再分为亚类，如IgG可分为IgG、四个亚类，IgA和IgM分别分为IgA、及IgM、两个亚类。(3) 型(type)：根

9、据CL的抗原性不同，轻链可分为(约占65%)和(约占35%)两型。任何一个免疫球蛋白分子的两条轻链总是相同的型，即同是型或型。(4) 亚型(subtype)：根据型的CL区中氨基酸的差异，将链分为C1、C2、C3、C4，或OZ(+)即链190位为亮氨酸，OZ(-)190位为精氨酸，Kern(+)154位为甘氨酸，Kern(-)154位为丝氨酸等四个亚型。型尚未发现有亚型。(5) 群(group)：根据重链和轻链可变区同源性的差异程度不同，分为VH群、V群和V群等三个主要的群。(6) 亚群(subgroup)：根据群内成员的可变区氨基酸的组成和排列顺序的不同，可进一步将重链可变区分为VH、VH、

10、VH、VH等亚群。将型轻链可变区分为V、V、V、V等亚群。将型轻链可变区分为V、V、V、V、V、V等亚群。表1.5.1 免 疫 球 蛋 白 血 清 型同种型 变异部位 举 例类 CH IgG、IgM、IgA、IgD、IgE亚类 CH IgG14，IgA12，IgM12型 CL 、亚型 CL() OZ(+)、OZ(-)、Kern(+)、Kern(-)群 V VHVV亚群 VH VHVL() VKVL() V同种异体型 CH( 3) Gm1、Gm2Gm30CH() Am1，Am2CL() m1，2，3独特型 VH/VL 极 多 2. 同种异体型(allotype) 即同种动物不同个体的B细胞产生的

11、免疫球蛋白分子，存在抗原特异性的差异。这是由于CH或CL上一个(或几个)氨基酸改变而造成的抗原性差异，将这些起决定作用的氨基酸称为异型标志。目前已证明人有Gm、Am、m三组异型标志，分别为IgG、IgA和型轻链的遗传标志，人类的Gm共有约30种Gm因子、Am2种、m3种,具体见表1.5.2。3.独特型(idiotype) 指同一动物个体内，不同B细胞克隆产生的免疫球蛋白，VH和VL区内的抗原决定簇不同，表现为抗原特异性的差异。它反映了抗体分子可变区的抗原决定簇的独特性。因为在同一个体内，有千万个B细胞克隆(免疫活性细胞)，每个B细胞克隆产生的Ig分子V区均有不同的抗原特异性，由此，将Ig区分的

12、型别称为独特型。独特型抗原决定簇是由Ig的可变区(VH和VL)结构决定的，其氨基酸排列顺序的差异主要在超变区，即主要在Ig分子与抗原决定簇结合的部位。因为不同的B细胞系(克隆)产生的免疫球蛋白均具有特异的抗原结合部位，而且是均质的，所以一个B细胞克隆就只合成一个独特型抗体。机体内有千万个克隆的B细胞，就会有千万种不同的独特型抗体分子产生。独特型的出现，在更精确的水平上反映了每个抗体形成细胞遗传性的微细差别。除血清中的免疫球蛋白分子外，T、B淋巴细胞表面的抗原受体也具有独特型抗原特异性。独特型抗原决定簇不仅在不同种间、同种异体间可刺激机体产生抗独特型抗体(anti-idiotype Ab)，而且

13、在自身体内也可诱导产生抗独特型抗体。这样，就形成了独特型与抗独特型的网络系统，由此构成机体内免疫细胞间相互制约的关系，在机体免疫应答调节中起着重要作用(见第十八章)。表1.5.2 人 的 免 疫 球 蛋 白 的 同 种 异 型遗传标志 肽链类型 功能区 同种异型 氨基酸的位置和种类*重链 轻链Gm CH1 Gm(4) 214精 Gm(17) 赖 CH 3 Gm(1) 356 358 门冬 亮Gm(1) 谷 蛋2 CH2 Gm(23)，Gm(23) ND3 CH2 Gm(5)，Gm(5) NDGm(15)Gm(16) NDGm(21) 296酪Gm(21) 苯丙3 CH3 Gm(6)Gm(11)

14、 436苯丙Gm(11) 酪Gm(13)Gm(14)4 CH2 Gm(4a) 309亮Gm(4b) 空白Am 2 CH3 Am(1) 411 428 458 467苯丙 门冬 缬 缬Am(2) 苏 谷 异亮 丙m CL m(1) 153 191缬 亮m(1,2) 丙 亮m(3) 丙 缬* 氨基酸名称“氨酸”二字略，例：“精”即指“精氨酸”；ND：未检测三、免疫球蛋白分子的功能(一) 重链和轻链的可变区与抗原特异结合Ig分子的VH和VL与抗原的特异结合，主要以它们的3个高变区，即互补决定区CDR1、CDR2和CDR3，与抗原表位(epitope)互补结合。各CDR位于VH、VL肽链折叠的回折处，

15、VH、VL的顶部，构成袋型、沟槽型或平面型的空间构型。HCDR3、LCDR3位于空间构型中较为中心的位置，其全部氨基酸残基可能都与抗原接触。CDR1、CDR2仅有部分接触。Ig分子与抗原表位互补部位的氨基酸之间形成非极性的氢键、相互作用的静电力、范德华力和疏水力等。由于Ig与抗原的结合是非极性的，结合后可以解离，处于可逆状态。Ig分子与单价抗原的结合力称为亲和力(affinity)，Ig分子与抗原结合与解离的强度，在一定条件下取决于Ig分子与抗原结合的亲和力。在温度、pH、离子强度等恒定条件下，某一种Ig分子与其抗原的结合与解离达到平衡时，抗原-抗体复合物的浓度Ag-Ab，与游离抗体的浓度Ab

16、和游离抗原表位的浓度Ag之比是一个常数，即亲和常数(affinity constant,Ka)。Ka=Ag-Ab/AbAg=K+K-K+为结合反应速度常数，K-为解离反应速度常数。Ag-Ab、Ag和Ab以摩尔浓度(mol/L)表示，则Ka的单位为摩尔浓度的倒数(L/mol或m-1)。通常，Ka在107 m-1-1012m-1的称为高亲和力抗体，低于107m-1的为低亲和力抗体。IgM、IgG等抗体分子具有2个以上与抗原表位结合的部位，Ig分子与多价抗原结合的亲和力总和称为亲合力(avidity)。Ig分子的亲合力并不是亲和力的简单相加，而是呈几何级数上升，因此，一个低亲和力的IgM分子，或多个

17、低亲和力的IgG分子，对天然多价抗原的结合可以是相当紧密的。(二) CH的功能1.与细胞膜上的Fc受体(FcR)结合IgG的Fc段可与M、中性粒细胞、嗜酸性粒细胞等的FcR(CD64)结合，有利于细胞吞噬被抗体IgG结合的病原体，即是起调理吞噬作用。此外，对M等细胞也有刺激作用。IgG1的Fc段与NK细胞上的FcR(CD16)结合)，则诱发NK细胞的ADCC效应。IgE的Fc段与肥大细胞或嗜碱性粒细胞上的FcR结合，再次接触抗原，发生交联时，可诱导细胞释出各种活性介质，引发超敏反应。腺体粘膜下B细胞分泌的IgA，通过Fc段与腺上皮中转运细胞的Fc受体结合，可由腺体粘膜下转运到乳汁中或泪水中。人

18、、灵长目、啮类类母体血循中的IgG1、3、4，通过Fc段与胎盘中转运细胞的Fc受体结合，可转运给胎儿。2.识别和激活补体 IgG、IgM重链的CH2区的补体结合位点，当抗体与抗原结合后，将识别并结合补体系统中的C1q，启动补体系统的激活，发挥补体的生物学作用。五聚体的IgM识别C1q的结合位点有5个以上，激活补体的作用比IgG强大得多。四、免疫球蛋白的遗传控制及生物合成1941年Beadle和Tatum提出“一个基因一种酶”的假说。随后的研究认为所有蛋白质的生物合成都遵循“一个基因控制一条多肽链”的遗传规律。1965年Dreyer和Benner根据人骨髓瘤L链Bence jones蛋白和小鼠骨

19、髓瘤L链蛋白的肽链图分析，提出“两个基因控制一条Ig肽链”。此后越来越多的研究证实，Ig分子的合成具有独特的遗传规律，即多基因编码Ig分子的一条肽链，其基因表达遵循等位基因排斥原则，即每个B细胞都具有来自父系和母系的两条染色体，每条染色体的相应部位均有编码Ig分子H链、链和链的等位基因，但任何细胞只能活化等位基因中的一个基因而表达。(一) 编码Ig分子的遗传基因胚细胞中有3组不连锁的基因簇，分别编码Ig分子的H、和链，它们分别在小鼠第12、6和16对染色体，人第14、2和22对染色体上。H链、链和链的V区和C区分别由V基因和C基因编码，V基因的数目各有1001000个，每个V基因前均有一个L基

20、因，编码1720个氨基酸组成的H链和L链的先导肽(leader peptide)。小鼠的CH基因在第12对染色体上的DNA片段（约200kb）中，有依次为5端的C、C、C3、C1、C2b、C2a、C和C等8个基因；C基因有C和C1，C2和C4分别连锁；C基因有1种。1976年Tonegawa以DNA探针证明小鼠胚细胞基因簇中的V基因和C基因是远离的。轻链V区约含108个氨基酸，但当轻链V基因被分离测定时发现只编码195位氨基酸，其余96108位氨基酸由另一基因编码，这一基因称为连接(joining)基因，简称J基因。现已知道，在小鼠胚细胞中，H链基因簇内有4个J基因，基因簇中有4个J基因，基因

21、簇中有5个J基因。从DNA转录mRNA的基因重排(rearrangement)过程中，一个J基因一端与一个V基因互补，另一端与一个C基因互补，连接远离的V基因和C基因，组成VJ C(图1.5.3 C2)，指导L链的合成。各个J基因表达氨基酸数目不等的肽段于V区与C区之间，参与抗体与抗原结合的位点。最初认为H链的基因与L链一样，也由V、J、C基因连接组成，但克隆胚细胞的VH和CH、JH基因后，测定其核苷酸序列，并与相应骨髓瘤的H链氨基酸序列比较，发现H链中还有一段氨基酸既非VH基因编码，也非CH、JH基因编码，而是由另一些DNA片段编码，这些片段中最短的编码3个氨基酸，长的编码17个氨基酸，这些

22、氨基酸都是抗体与抗原决定簇结合的位点，因而它们被称为多样性(diversity)基因，简称D基因。人约有27个D基因，小鼠有20个D基因，大鼠有11个D基因。H链基因簇中的V、D、J和C基因重排时，先选择一个D基因与J基因连接，继而一个V基因向DJ基因靠近，形成VDJ联合，最后与一个C基因组合成VDJC基因，编码一条H链(图1.5.4)。按照DNA编码规律，比较编码骨髓瘤Ig的核苷酸序列及骨髓瘤Ig肽链的氨基酸序列，结果发现H、和基因簇中各个基因之间都有一个中间片段，称为内含子(intron)，将各个基因隔开，这一发现进一步证明编码抗体的基因是远离的。内含子有长有短，不编码不表达抗体分子。DN

23、A转录成L链LVJ C或H链LVD J C的mRNA前体时，有关基因之间的内含子一起被转录，但在加工剪接为成熟的mRNA过程中，内含子被切除。(二)Ig多样性的遗传控制及Ig的生物合成 阐明抗体多样性的遗传控制，主要有以下三种学说：胚系学说，体细胞突变学说和基因重排学说。1.胚系学说(germ-line theory)又称种系学说，认为物种在进化过程中获得的大量突变基因(这种突变的发生，不是抗原诱导的，而是自发的)，贮存在生殖细胞内，被保留下来，变成稳定的种质基因，足够编码千千万万种抗体分子。这个基因数目究竟有多少呢?估计有105108个结构基因。如果其中有102个基因编码VL，以同样数目的基

24、因编码VH，那么就会编码104个不同特异性的抗体分子。实际上，究竟有多少基因编码L链或H链的V区?估计很不一致，有人估计是102数量级，有人估计是103数量级。动物在进化过程中，获得的编码Ig的基因的数目如此巨大，全部贮存在生殖细胞中，再通过生殖细胞一代复一代地遗传下去。每一个淋巴细胞也必然具备这整套基因，如果淋巴细胞没有种质基因，就难以解决Ig各亚类、亚群以及同种异型标志的遗传，产生成千上万种抗体分子。2. 体细胞突变学说(somatic mutation theory)该学说认为数目巨大的突变基因都贮存在种质中，存在于生殖细胞的染色体中是不可能的，也是不经济的。由种质传下来的只是少量V基因

25、(如Weigert认为生殖细胞系中的基因数目只占机体总数的10%)，而V基因的多样性，主要是个体发育期间，体细胞突变造成的。体细胞基因突变率约为10-6，基因突变是无定向的，由此可以获得大量的V区顺序。假定一个相同的C基因可能与许多不同的V基因结合，生成无数种不同的抗体，则它们的Fab片段就能分别结合各种不同的抗原。上述两个学说对于解释免疫球蛋白的多样性都有一定的根据，但也有其不足之处，因此，又出现下述的第三种学说。3. 基因重排学说(gene rearrangement theory) 1965年开始由Dreyer和Benner提出，认为Ig的V区和C区分别由V基因和C基因编码，两种基因是分

26、开的，在胚细胞中具有上百个V基因，一个C基因，B细胞受抗原刺激分化为浆细胞过程中，V基因和C基因重排成VC复合基因，VLCL基因编码L链，VHCH基因编码H链，表达产生完整的Ig分子。随着基因克隆、DNA/RNA杂交、DNA序列分析和蛋白质序列分析等生物学技术的发展，1976年利根川进等首次以实验证明V基因和C基因呈分离状态，并在B细胞成熟分化过程中不断进行重排；从此，基因重排学说越来越得到证实、完善和赞同。按照基因重排学说，编码完整Ig分子重链和轻链的DNA，是由多个基因多次重排的结果，从胚细胞或干细胞分化成B细胞，从B细胞受抗原刺激后再分化成浆细胞过程中，都进行基因重排。例如小鼠的Ig分子

27、，在小鼠胚细胞第12对染色体中，有编码重链的V基因1001000个，D基因20个，J基因4个，C基因8个，依次为C、C、C、C、C2a、C2b、C和C。每一个V基因前带有一个L基因，每一个C基因内又含有CH1、绞链区、CH2、CH3或CH4基因片段。在各个基因之间和基因片段之间都由内含子隔开。胚细胞或干细胞分化为B细胞过程中，发生各种L-V、D、J基因的任意重排，其他基因被缺失。分析表明，VDJ的D处正是编码VH第三个超变区CDR3的位点，因此V、D、J基因的不同组合是产生抗体多样性的主要原因。V、D、J基因进行第一次重排，连结成VDJ联合基因后，与不同C基因进行第二次重排。首先VDJ与C基因

28、及其之间的内含子转录成链mRNA前体。然后加工切除内含子，成为成熟链mRNA(如图1.5.4A)。也有人以cDNA探针标记发现，链和链的mRNA来自一个大的mRNA分子，按照基因重排理论，因为胚细胞DNA分子上C和C基因相邻，第二次重排时，VDJ可与CC基因连接成VDJCC复合基因，转录成大的mRNA前体，剪切时消除C基因或C基因而成链mRNA和链mRNA，在同一克隆的B细胞内编码，表达具有相同V区的链和链(图1.5.5A)，形成的IgM和IgD分子将嵌在B细胞膜上。浆细胞则经转换重排、转录、加工剪切成链mRNA，表达链，形成分泌性IgD。 B细胞受抗原激发后，在分化成浆细胞过程中，开始的浆细

29、胞以重排后的VDJC基因编码产生链，以后的浆细胞发生CH基因转换(switch)，转换以5C-C-C-C-C2b-C2a-C-C3的次序进行，当转换成VDJC组合时的浆细胞则产生IgG。已成功克隆胚细胞的C基因和C基因，测定它们的核苷酸序列，并进行比较，发现胚细胞C基因前有几个J基因，C基因前没有J基因，但在编码链MOPC141的C基因前有J基因，这个J基因正是C基因前J基因中的一个，这表明转换组合成VDJC基因，要进行两次重排，第一次VDJ基因连接C基因，第二次移去C基因，VDJ接上C基因(图1.5.4B)。基因转换中决定抗体特异性的VDJ基因不变，仅改变C基因，因而不同时期的浆细胞产生不同

30、类的Ig，它们与抗原结合的特异性不变。小鼠胚细胞中编码轻链的链、链的基因簇分别在第6、16对染色体上。一般认为，编码链的V基因有几百个，J基因5个，C基因1个；编码链的V基因较少，J基因4个，C基因4个。各基因之间也由内含子隔离。从胚细胞发育为B细胞，B细胞受抗原决定簇刺激分化成浆细胞过程中，均发生与重链基因相似的基因重排，如图1.5.3 C2。形成的VJC复合基因及内含子转录成L链mRNA前体，经加工切除内含子，成为成熟的轻链mRNA。(三) Ig的生物合成 其基本程序是，当DNA重排后，转录的H链mRNA和L链mRNA，从核内移到胞浆，分别结合于内质网粗面核糖体上，翻译出带有前导肽的H链和

31、L链，通过内质网膜，进入腔内侧，前导肽被肽酶切除，H链和L链自发地通过二硫键装备成H22 “Y”字型的基本结构。Ig分子进入Golgi小体和Golgi小体后的小泡囊，向细胞膜移行过程中加入糖链，形成完整的Ig分子。B+阶段的B细胞，C和C基因末端节段编码Ig分子H链末端约25个氨基酸残基是疏水的，使IgM和IgD分子不能通过细胞膜而嵌在类脂双层中，成为膜表面Ig，是识别抗原决定簇的受体。浆细胞各类C基因末端节段编码的H链末端氨基酸残基是亲水的，产生的各类Ig分子能通过细胞膜分泌出细胞外。IgM和分泌型IgA在分泌过程中加入J片形成五聚体IgM和二聚体IgA，后者还加入一个S片。人和动物产生的I

32、g分子，其多样性主要是VL-VH结构的多样性，基因重排学说对此可以作出解释。如前所述，小鼠胚细胞DNA中有V基因1001 000个，L链、H链J基因各4个，H链D基因20个。假定VL基因100个，VH基因200个，则VL基因重组数目将有100(VL基因)4(J基因)2(重组自由度)，共800个；VH基因重组数目将有200(VH基因)20(D基因)4(J基因)2(重组自由度)，共32 000个；VL和VH组合形成Ig分子的多样性数目起码有80032 000，共256107个。研究发现，一些Ig分子V区的氨基酸序列与胚细胞V基因决定的序列不相符，出现13个氨基酸的差异，并发现一些产生IgG、IgA

33、的浆细胞出现V和VH基因突变。体细胞突变现象多发生于免疫后阶段，出现在IgG和IgA的V区，影响抗体的特异性，因此认为B细胞受抗原刺激后，在不断分化增殖过程中，最可能发生突变。Ig分子多样性产生的机制主要是基因重排，尚有部分原因是体细胞基因突变。据此推算，Ig分子基因重排的多样性数目加上基因突变因素，可能达数以亿计。第二节 补体系统 ( Complement System,C )一、 概 述补体是广泛存在于哺乳动物、鸟类、两栖类、鱼类等正常动物血清中，具有酶原活性，激活后可以产生生物学效应的一组不稳定的球蛋白，因为它可以补充抗体的作用，故名。因为补体并非单一血清成分，而是包括30多种成分的混合

34、物，故这组球蛋白通称补体系统。它是迄今所知机体中最复杂的一个限制性蛋白水解系统(limited proteinlysis system)。根据各成分的功能不同，可将这些成分分为三组：第一组为补体系统固有的成分，即存在于体液中，参与补体激活级联反应的补体成分，包括16种蛋白分子，即C1q.r.s、C4、C2、C3、C5C9、B因子、D因子、P因子、甘露糖结合凝集素(mannose-binding lectin)和丝氨酸蛋白酶(serine protease);第二组以可溶性或膜结合的形式存在，为调节与控制补体系统活化的分子，即C1INH、C4bp、H因子、I因子、P因子和S蛋白等；第三组为介导补

35、体活性片段，或调节蛋白生物学效应的补体受体分子如CR1、CR2、CR3、CR4、CR5、H因子受体(fHR)及C3a受体(C3aR)、C2a受体(C2aR)及C4a受体(C4aR)等。补体系统的固有成分在一般情况下，除C1q外，在体液中均以非活性状态存在，当受“激活剂”作用后，则按一定顺序活化，并产生一系列的生物学活性，如协助抗体和吞噬细胞杀灭病原微生物，担负着机体的非特异性抗感染作用等。另外，补体活化过程中产生的某些分解产物，可以引起炎症反应，造成免疫损伤。补体的性质不稳定，对温度很敏感，于室温下24小时被破坏，在010其活性能保持34天，冻干后低温下能保存3年左右。将血清加热至61、2分钟

36、，56、1530分钟，其活性丧失，为灭能或灭活(inactivation)。紫外线、酸、碱、酒精、乙醚、氯仿、蛋白酶等均可破坏补体。因为豚鼠血清中的补体丰富且稳定，在血清反应中如指出有补体参与时，所用补体均为正常豚鼠血清。补体是Nuttall(1888)和Buchner(1889)于发现的，但直至1968年，世界卫生组织命名委员会才规定以C代表补体的固有成分，分别以C1(含C1q、C1r、C1s三个亚组分)、C2、C3C9表示。当某一种成分或数种成分的复合物活化后，在其数字上加一横线表示；灭活的补体成分，在其符号前加英文字母i表示，如iC3a。补体在动物体内的合成部位通过体外组织培养法证明，C

37、1在胃肠道上皮细胞内合成，C2、C4由巨噬细胞合成，C3主要由肝脏合成，也可由巨噬细胞合成，C6和C9也在肝脏合成，C5、C8在肝、脾、肾、肺等多种脏器合成，C7的合成部位不明。由于肝脏能合成多种补体成分，如发生药物中毒时，补体含量则明显下降。补体与其他血浆蛋白相比，补体代谢率极快，血浆中的补体每天约有一半被更新，尽管如此，在正常血清中的含量较稳定，约占血清总蛋白量的10%，它本身不随机体免疫反应的加强而加强，只有在疾病情况下，才出现波动，可能发生复杂的变化；在正常血清中，C3含量最高，每毫升血清中可达1 600g，C4居中为430g，C2最低为30g。具体见表1.6.1。二、补体系统的激活途

38、径补体的各个成分除C1q外，都以无活性的酶原形式存在于血清中，必须激活才能发挥作用。补体活化时，通常是前一个活化成分，往往是后一个成分活化时的激活酶，因此补体需按一定顺序进行反应，此称为补体顺序反应。表1.6.1 补体系统主要成分的性状补体成分 分子量 电泳区带 肽链数目 血清含量(g/ml)C1q 400 000 2 18 70C1r 95 000 1 35C1s 85 000 1 1 35C4 180 000 2 3 430C2 117 000 1 1 30C3 190 000 1 2 1 600C5 190 000 1 2 75C6 128 000 2 1 60C7 120 000 2

39、1 55C8 163 000 3 3 55C9 79 000 1 200P因子(备解素)220 000 2 4 25 D因子(C3PAse)25 000 1 2B因子(C3PA)95 000 1 240C1INH(C1抑制物)105 000 1 180C4bp(C4结合蛋白)100 000 - - 250I因子(C3bINA)93 000 2 50H因子(、H)150 000 1 400S蛋白(PS)80 000 - - 500过敏毒素灭活因子30 000 - -激活补体的过程依据其起始的顺序不同，可分为以下三条途径： (一) 经典途径(classical pathway) 又称传统途径或C1

40、激活途径。参与经典途径的补体成分共11种，各成分只有在抗原抗体(如IgG和IgM)复合物的作用下，才能依次活化。有人根据补体的9种11个成分对细胞膜的作用特点不同，将补体各成分归纳成以下三个功能单位：识别单位(recognition unit)：包括C1q、r、s，负责识别与细胞膜上抗原结合的抗体；激活单位(activation unit)：包括C4、C2和C3，负责激活补体某些成分；攻膜单位(membrane attack unit)：包括C5、C6、C7、C8和C9，分别作用于细胞膜，使细胞溶解。同一功能单位的各个补体分子间有着很大的化学亲和性，活化后，可以相互结合在一起，共同执行一种生物

41、学功能。现以绵羊红细胞(E)和溶血素(A)相遇，形成E-A复合物，激活补体，引起的溶血反应为例，说明补体的经典激活过程。1.识别单位的活化当抗原与抗体即E-A结合后，抗体的绞链区发生构型改变，免疫球蛋白由T型变为Y型，使CH2处的补体结合点暴露出来，C1q能识别抗体上的补体结合点，并与之结合。C1q为一奇特的大分子蛋白质，是已知补体成分最大者，由18条多肽链组成，分子量40万。电镜下观察，C1q由一个中央亚单位和六个大小相同的外周亚单位组成，每个亚单位含有三条不同的肽链，两个亚单位之间由双硫键相连，每个亚单位结构的C末端盘旋成球状，是C1q识别免疫球蛋白补体结合点的部位。C1q与免疫球蛋白的补

42、体结合点结合后，C1q的构型发生改变，可激活C1r和C1s，在Ca2+存在下，形成具有酯酶(esterase)活性的C1。在正常情况下，由Ca2+使补体的三个亚单位聚合成为一个大分子的复合物，其中有1分子的C1q，2分子的C1r和4分子的C1s。C1q含有大量的甘氨酸、羧氨酸和羟脯氨酸，其成分类似胶原蛋白。C1r是一种球蛋白。C1s是一种球蛋白。2. 激活单位在靶细胞膜上的聚合 在Mg2+存在下，C1将C4的链分解成小碎片C4a和大碎片C4b，无活力的C4a游离至液相中，C4b可迅速地与细胞膜上的受体相结合，未与细胞膜结合的C4b则迅速失去结合力，蜕变为无活力的iC4b，C1激活C4后，再激活

43、C2，它也分解为C2a和C2b两个碎片，C2a和细胞膜上的C4b结合，形成具有酶活性的C4b2a(C3转化酶，convertase)，参与下一步补体的活化反应，尚有一部分未结合的C2a迅速失去活性，蜕变为iC2a，C2b无生物活性，游离至液相中。C4b2a使C3分裂为小碎片C3a和大碎片C3b，C3a游离至液相中，呈现过敏毒素和趋化因子的作用，C3b迅速与细胞膜上的C4b和C2a结合成C4b2a3b(C5转化酶)，余下未结合的C3b，在血清中可分解为C3c和C3d。C4是一种1球蛋白，含有、三条肽链，分子量分别为9万、8万和3万。C2是1球蛋白，由一条肽链组成。C3的相对电泳位置在1，由两条肽

44、链组成，分子量19万。3. 攻膜单位在靶细胞膜上的聚合 C5在C4b2a3b的作用下，裂解为C5a和C5b，C5a游离至液相中，也呈过敏毒素和趋化因子的作用，C5b除与细胞膜结合外，还与C6、C7结合，形成一个三分子的复合物C567(trimolecular complex)，此时细胞膜上出现超微结构的损伤，但没有生理功能的改变，接着一个C8分子(具有磷脂酶活性，phospholipase)与C567结合，6个C9分子与C8连接，则产生一个由10个分子共同组成的分子量高达100万的大分子集团，此时于红细胞膜上出现直径80100的圆形小孔，无数小孔形成后，便可导致靶细胞中血红蛋白和盐类等由小孔流

45、出，外界的水分进入，整个细胞溶解。补体激活过程中产生的各种活物质的作用详见后述。激活单位和攻膜单位处于活化状态的分子和各分子复合物都是非常不稳定的，除非与靶细胞膜结合，否则很快蜕变，失去活性。因此，损伤作用只限于被抗体识别的靶细胞，而不能扩散到邻近的正常细胞，只要抗体的识别功能正常，就能保证补体有选择性的有效的攻击靶细胞，而不致损伤正常细胞。(二) 旁路途径(alternative pathway) 又称替代途径、C3激活途径、备解素途径、第二前端反应或第二通路。不经C1、C4、C2，而在IF、P因子、D因子和B因子等参与的补体激活过程。研究发现，缺乏C4的豚鼠，缺乏C2的人，应用某些细菌、革

46、兰氏阴性菌内毒素(LPS)、酵母多糖、右旋糖酐、植物多糖、菊糖、眼镜蛇毒、胰蛋白酶、豚鼠的IgG和人的IgA、D、E等均可绕过C1、C4、C2，在IF等的参与下，完成补体C3-C9激活的连锁反应，有别于上述的经典途径。IF(initiating factor)，始动因子，因它被激活先于备解素系统，故名，电泳时它在位，分子量17万，由二条肽链组成，存在于正常血清中的球蛋白；又称C3NeF(nephritic factor，肾炎因子，该因子首先在肾炎患者血中发现，以后于正常机体内也发现有NeF。IF在LPS等激活物质的作用下，成为活化的IF(即IF)，它在一种未知因子(X因子)的协同下，激活备解素

47、(properdin ，P因子，存在于正常血清中，系糖蛋白，分子量22万)，P在Mg2+参与下，使D因子(C3激活剂前体转化酶，C3PAse ，存在于正常血清中，含量极微，为球蛋白，分子量 2.5万)活化为D。D在天然C3(又称A因子，系2球蛋白，分子量18万)参与下，使B因子(C3激活剂前体，C3 proactivator，C3PA，存在于正常血清中，为不耐热的球蛋白，呈非活性状态，对C3无作用)裂解为Ba及Bb两部分，Bb与天然C3b结合，形成C3bBb(旁路途径的C3、C5转化酶)，C3bBb一方面将C3裂解为C3a及C3b，C3a游离至液相中，C3b又能与Bb结合成C3bBb，以扩大上

48、述效应;另一方面C3bBb又能裂解C5为C5a及C5b，C5a游离至液相中，C5b相继激活C6、C7、C8、C9，形成C6789引起靶细胞破坏。机体内由于有旁路途径激活补体的形式存在，就大大增加了补体系统的作用，扩大了非特异性和特异性免疫之间的联系。另外，还可以说明在抗传染免疫中，抗体未产生以前，机体即有一定的免疫力，其原因是LPS等激活物先于经典途径激活补体，杀死微生物，发挥抗传染的功能。(三) 甘露聚糖结合凝集素途径(mannan-binding lectin pathway，MBL途径) 活化补体的MBL途径，与经典途径的过程基本类似，只是其活化起始于炎症期产生的C-反应蛋白及MBL与病

49、原体结合之后，而非依赖于抗原抗体复合物活化补体系统。在病原微生物感染的早期，体内巨噬细胞和中性粒细胞等产生TNF-、IL-1、IL-6和IL-8等可引起炎症反应的细胞因子，从而导致机体发生炎症，产生急性期反应(acute phase response)，并诱导肝细胞合成甘露糖结合的凝集素(mannose-binding lectin,MBL)及分泌急性期蛋白，即C-反应蛋白；甘露糖结合的凝集素(MBL)和C-反应蛋白均参与补体的活化。其中，MBL系Kawasaki于1978年发现，它是一种钙依赖性糖结合蛋白，属于植物凝集素家族中的一员，其结构含有糖识别域(carbohydrate recogn

50、ition domain,CRD)，故可通过CRD与细菌的甘露聚糖残基结合，介导细菌凝集、诱导炎症反应及活化补体等免疫调节作用，于1993年被命名为甘露糖结合凝集素(MBL)。正常血清中的MBL水平极低，但在急性期反应时，其水平明显升高。虽然MBL与C1q并不具有氨基酸序列上的同源性，但二者的分子结构类似，MBL可通过与细菌的甘露聚糖残基结合，然后与丝氨酸蛋白酶结合，形成MBL相关的丝氨酸蛋白酶(MBL-associated serine protease,MASP-1、MASP-）。由于MASP亦具有活化C1q的生物学活性，故可水解C4和C2分子，继而形成C3转化酶，其后的反应过程与经典途径

51、相同，这种补体激活途径被称为MBL途径。此外，C-反应蛋白也可与C1q结合，并使之激活，然后依次激活补体其他成分。 (四) 补体活化的共同末端效应 以上三条补体活化途径形成的C5转化酶，均可裂解C5，这是补体级联反应中最后一个酶促步骤。此后的过程只涉及完整蛋白成分的结合与聚合，并形成两类末端产物：若补体激活发生在脂质双层上，则可构成C5b9(膜攻击复合物，MAC)；若补体激活发生在没有靶细胞的血清中，则有关的补体成分可同S蛋白形成亲水的、无溶细胞活性的SC5b7、SC5b8、SC5b9。那么，MAC是怎样组装的? C5与C5转化酶中的C3b结合，并被裂解成C5a和C5b，前者释放入液相，后者仍

52、结合在细胞膜表面，并可依次与C6、C7结合，形成C5b67复合物，插入浆膜脂质双层中，进而与C8呈高亲和力结合，形成C5b678，该复合物可牢固地附着于细胞膜表面，但其溶细胞的能力有限，附着于细胞膜表面的C5b8复合物，又可与1215个C9分子联结成C5b9，即为MAC(图1.6.5)，电镜下可见这种C9多聚体的特征性结构，为中空的多聚C9(poly-C9)插入靶细胞的脂质双层膜，形成一个内径为11nm的小孔。MAC在细胞膜上形成的小孔，使得小的可溶性分子、离子以及水分子可以自由通过细胞膜，但蛋白质类的大分子则难从胞浆中逸出。最终导致胞内渗透压降低，细胞溶解。此外，末端补体成分插入细胞膜，可能

53、使致死量的钙离子被动地向胞内弥散，并最终导致细胞死亡。三、补体两条主要激活途径的比较补体的两条激活途径有共同之处，又有各自的特点。现将补体两条激活途径的不同处，列表1.6.2。表1.6.2 补体两条主要激活途径的比较项 目 经典激活途径 旁路激活途径激活物质 抗原、抗体(IgM、IgG1、 IgA、IgE、IgG4、酵母多糖、LPSIgG3、IgG2)形成的免疫复合物 参与的补体成分 C1C9 C3、C5C9、P因子、B因子、D因子所需离子 Ca2+、Mg2+ Mg2+ C3转化酶 C42 C3bBb C5转化酶 C423 C3bBb作 用 参与特异性体液免疫 参与非特异性免疫四、补体系统激活的调节补体激活时，其多种组成成分严格按一定的顺序依次反应，产生出多种生物活性物质，参与机体的防御功能。机体通过一系列复杂的因素，调节补体的激活过程，使之反应适度。例如依赖C3b的正反馈途径即可扩大补体的生物学效应。但若补体过度激活，不仅会无益地消耗大量补体成分，使机体抗感染的能力