免疫学拾遗-第4章:抗原和抗体结构

2021
05/17

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01

导读

本章的第一部分介绍了各种类型的抗原,以及哪些抗原能引起最佳的免疫应答。第二部分描述了各类型人类抗体(免疫球蛋白)的一般结构以及抗体的一些分子生物学特性。第5章将更深入地探讨了抗体-抗原相互作用的本质,第6章则解释了抗体多样性是如何产生的。

引起强烈免疫应答的抗原可以有非常多样的化学结构。抗体是B细胞与抗原接触时产生的抗原特异性蛋白,作为血浆成分在血液和淋巴中循环。每个个体都能够合成大量不同的抗体分子,与特定抗原相互作用。

02

抗原

2.1 抗原的类型

在第一章中,抗原被称为获得性免疫系统受体识别的物质。抗原可以根据它们诱导免疫应答的程度以及来源进行分类。

免疫原是一种自身会引起免疫反应的物质,例如产生抗体。有效的免疫原体积较大,分子量一般大于6000,而且化学结构复杂,如,20个不同氨基酸残基组成的蛋白质免疫原比4个不同核苷酸碱基组成的核酸免疫原性更强。乙型肝炎病毒的表面抗原就是免疫原(Box 4.1)。

相比之下,半抗原是能够被免疫受体结合的化合物,但它们本身并不一定会引发免疫反应。例如,像青霉素这种相对简单的化合物本身不能引起抗体反应。如果半抗原与蛋白质等大分子偶联,就能够产生能够非常特异地与半抗原结合的抗体(Fig 4.1)。

 


Fig 4.1丨半抗原-载体结合物

第三种抗原是耐受性抗原。这些分子被适应性免疫系统识别,但适应性免疫系统不会产生应答。

抗原有不同的来源。来自病原体的抗原通常作为免疫原或半抗原,引起强烈的免疫反应。来自他人的蛋白质——比如肾脏移植中出现的不同的主要组织相容性复合体(MHC)等位基因——可以作为异体抗原,从而触发强烈的免疫反应。源自食物(如花生)的抗原可作为大多数人的耐受原。当耐受性程序出错时,这些抗原可能会充当过敏原而触发有害的免疫反应,缺乏耐受性也可能导致正常的宿主分子变成自身抗原。

2.2 表位

抗原表位是抗原的一部分,例如病毒蛋白,抗体可以与之反应。病毒蛋白可能包含大量的表位,能够与许多不同的特异性抗体或T细胞受体相互作用。如Fig 4.2所示,通常有两种类型的表位:一种是不连续表位或称为构象表位,这种抗原表位是将多肽链不连续区域的氨基酸残基聚集成三维(3-D)形状的结构,另一种是连续表位也称线性表位,它们是序列的连续区域,例如多肽链中的氨基酸12至22。

T细胞上的免疫受体识别线性表位需要处理过的抗原被呈递给它们(与MHC分子相关,见第10章)。如Fig 4.2所示,抗体可以识别这两种类型的表位。

 


Fig 4.2线性表位和不连续表位。

03

抗体

3.1 抗体的分离与鉴定

抗体是与刺激其产生的抗原发生特异性反应的蛋白质。抗体的两个关键特征是具有高度特异性,只与特定的抗原结合,并且它们具有很高的亲和力,这意味着它们与抗原的结合非常紧密。

抗体约占血浆蛋白的20%,最初是通过电泳等分析技术检测出来的,电泳中是根据单个血液蛋白的电荷和分子量来分离它们的。在电泳过程中,抗体会被分离到γ区,抗体有时也被称为血清中的丙种球蛋白(Fig 4.3)。

 


Fig 4.3 | 人血清总电泳 Ig, 免疫球蛋白

通常,血清中含有抗体的部分被称为免疫球蛋白。由于正常血清免疫球蛋白是许多B细胞克隆(多克隆免疫球蛋白[Ig])的异质产物,因此血清中的免疫球蛋白构成高度异质的蛋白质谱,而不是单一的分子种类(见Fig 4.3)。针对复杂抗原(如具有多个表位的细菌蛋白),产生的抗体在化学结构和特异性上是不同的,因为它们是不同的B细胞克隆形成的,每个克隆表达一种能够与抗原上的不同表位结合的免疫球蛋白(第6章和第14章)。这使得免疫球蛋白的生物化学研究非常困难,因为单一特异性的纯分子不容易分离出来。在这方面有贡献的发现是血清电泳后,患有骨髓瘤的B细胞恶性肿瘤患者的免疫球蛋白区域(第35章)通常是一条电泳迁移率范围非常窄的条带(Fig 4.4)。

 


Fig 4.4 | 不同患者血清的凝胶电泳。

在这种疾病中,单个克隆的B细胞可能会增殖,这些细胞分泌同种免疫球蛋白,在血清中会发生相对较高浓度的积聚。这些免疫球蛋白在其结构研究早期就成为生化研究中相对纯净的蛋白质来源。

3.2 抗体结构

所有抗体都具有相同的基本分子结构(Fig 4.5)。它们由轻(L)链和重(H)链组成,这些术语指的是它们的相对分子量。轻链的分子量约为25,000,而重链的分子量约50,000至70,000。在碱性免疫球蛋白分子中,两条重链和两条轻链通过分子间二硫键连接在一起,如Fig 4.5所示。五种不同类型的人类重链的结构略有不同,用小写希腊字母表示:µ(mu)表示IgM,δ(delta)表示IgD,γ(gamma)表示IgG,ε(epsilon)表示IgE,α(alpha)表示IgA(Table4-1)。轻链分为两种类型,κ(Kappa)或λ(lambda)。在所有免疫球蛋白中都发现了这两种类型的轻链,但任何一种抗体都只含有一种类型的轻链。任何一种IgG分子都由完全相同的H链和完全相同的L链组成,形成Fig 4.5所示的Y型结构。

 


Fig 4.5 | 抗体的基本结构

基本免疫球蛋白具有独特功能的分子部分。许多生化研究已经证明了这一点。如果碱性免疫球蛋白分子(IgG)受到蛋白酶水解切割,就会产生几个片段(Fig 4.6)。例如,如果用木瓜蛋白酶来裂解IgG,就会得到两种主要类型片段。一个片段与抗原结合,称为片段抗原结合(Fab)。另一个片段是可结晶段(Fc);它不与抗原结合,而是激活一条补体分子途径(第20章)。Fc具有多种生物效应功能,例如能够与巨噬细胞和其他各种细胞上Fc受体结合的能力。如果使用胃蛋白酶水解免疫球蛋白,两个Fab片段会保持连接(F[ab‘]2),但Fc片段会被消化成小片段,并且失去了效应功能。这些发现表明,Ig分子的不同分子部分具有不同的功能,一个负责结合抗原,另一个执行其他生物效应功能。

 


Fig 4.6 | 免疫球蛋白的蛋白水解性消化

进一步的生化研究证明L和H链可以被区分为序列高度可变的区域(VL和VH)和基本恒定的区域(CL和CH)。例如,如果对来自不同免疫球蛋白的几个不同的λ链进行氨基酸测序,那么在L链的N端将有一个相当相似的区域,但也有一个大约有110个氨基酸残基的区域可以观察到不同的λ链之间有很大的序列差异(Fig 4.7)。

 


Fig 4.7 | 免疫球蛋白氨基酸序列:可变区和恒定区

H链也是如此。C区执行生物效应功能,如结合补体蛋白,V区结合抗原。这些可变区对于对大量不同抗原结构作出反应至关重要。

另外三维结构测定显示,免疫球蛋白是由折叠的、重复的、被称为结构域的片段组成的。L链由一个可变结构域和一个恒定结构域组成,H链由一个可变结构域和三个或更多个恒定结构域组成。每个结构域大约有110个氨基酸残基长,并通过更长的多肽链的短片段与其他结构域相连,如Fig 4.8所示。

 


Fig 4.8 | 免疫球蛋白分子的三维结构

免疫系统的其他分子具有相似的折叠多肽域,由此产生了术语:免疫球蛋白超家族来描述这组相关蛋白。

3.3 免疫球蛋白类的部分特征和生物学特性

抗体在循环中以可溶性蛋白质的形式出现,也可以表达在B细胞的表面。所有抗体的主要功能都是结合抗原,使病原体失活。例如,通过凝集细菌,将它们聚集在一起,从而阻止它们进入宿主细胞。如果细菌被抗体包裹,它们被吞噬细胞的可能性将会增加。抗体也能激活补体(第20章),并能引发裂解反应,破坏抗体结合的细胞。这五类抗体具有不同的功能,这是结构差异的结果(Fig 4.9)。

 


Fig 4.9 | 不同种类免疫球蛋白的生物学特性

IgM是免疫反应早期的主要抗体,是由五个H2L2单元组成的五聚体结构,每个单元类似于IgG,由连接链(J)连接在一起,具有10个潜在的抗原结合位点;因此,它是凝集细菌和激活补体的最有效的抗体。

IgD主要作为受体分子存在于B细胞表面,参与B细胞的活化。

IgG是血清中最普遍的抗体分子(见Table 4-1)。它在血清中完好无损地存活时间最长(即半衰期最长),并且能够穿过胎盘为新生儿提供母体保护。

IgE最初是为了防止寄生虫感染。抗原与肥大细胞和嗜碱性粒细胞上的Fc受体偶联的IgE结合,通过激活肥大细胞和释放组胺等介质来触发过敏反应(第27章)。

IgA是唾液、母乳和泪液等分泌物中的主要免疫球蛋白。它也大量存在于呼吸道、生殖器和肠道的粘膜上皮细胞中。分泌物中的IgA(sIgA)由两个IgA分子、一个J链和一个分泌成分分子组成。分泌成分保护分子免受蛋白水解酶的攻击,并促进其跨过上皮细胞转移到分泌物中。

Table 4-1所示,免疫球蛋白通过细胞上存在的各种Fc受体与多种细胞类型相互作用。这种相互作用可以募集细胞(例如炎性巨噬细胞),然后这些细胞可以分泌保护宿主的细胞因子,称为应对外来抗原反应的一部分。

 


TABLE 4-1 | 人免疫球蛋白的部分性质

BOX 4.1 

主动免疫

接种疫苗或主动免疫大大降低了一些传染病的发病率,包括天花和脊髓灰质炎。关键原理(第2章)是以前接触过病原体,如果再次遇到该病原体,就会诱导保护性反应。主动免疫可能涉及使用重组DNA技术制备的抗原;例如,乙型肝炎表面抗原(HBsAg)非常成功地保护个人免受这种感染。乙型肝炎病毒(HBV)是肝炎的主要病因,与相当高的发病率和死亡率有关。这种通过接种疫苗产生的抗体可以使超过90%的接种疫苗的人对感染产生抵抗力。在一些国家,乙肝疫苗现在是在婴儿期接种。而在其他国家,它只提供给特定的群体,如卫生保健工作者。HBV使用HBsAg与肝细胞上的受体结合。一旦病毒与细胞结合,它就可以进入细胞。疫苗诱导产生抗HBsAg的抗体,这些抗体阻止HBsAg与其受体之间的相互作用(Fig 4.10)。


Fig 4.10 | 抗乙肝表面抗原(HBsAg)抗体可防止乙肝病毒感染肝细胞

BOX 4.2 

被动免疫

在常规血液检测中,一名孕妇被发现感染了乙肝病毒。血液测试显示,她的血液中病毒含量很高,婴儿感染的风险很高。在许多国家,这种类型的垂直传播是婴儿感染这种病毒的最常见方式,然后形成终生感染。而在病例中,婴儿在出生6小时后注射乙肝免疫球蛋白(HBIG),随后,她接种了乙肝疫苗,1岁时检测证实她没有被感染。


HBIG是由接种了乙肝疫苗并产生了大量抗乙肝表面抗原(HBsAg)抗体的捐赠者的血浆制成的。它在防止乙肝垂直传播方面的有效性超过70%,也被用于暴露后的预防,例如被针刺伤的人身上。这种抗体制剂提供了对病毒的即时保护,而不需要身体产生反应(被动免疫)。保护作用仅在抗体持续存在时有效;血清半衰期为21天。被动免疫也被用来防止其他感染,并已在埃博拉病毒感染中进行过测试。

BOX 4.3

治疗性抗体

一名患有轻度痴呆症的78岁妇女在家中晕倒后被送往急诊科。她通常服用地高辛和利尿剂来治疗心房颤动和心力衰竭。她有47次/分钟的窦性心动过缓,主治医生想知道这是否可能是患者服用太多地高辛药片的结果。她的血地高辛水平为7.2nmol/L,远高于治疗范围(1.2~2nmol/L)。诊断为意外地高辛过量所致窦性心动过缓。


地高辛的半衰期很长,为36小时。由于严重的心动过缓,病人的医生决定给她提供对抗地高辛的Fab片段。给药4小时后,脉率已恢复正常,患者症状已有明显改善。


抗地高辛Fab片段是通过给羊接种地高辛和载体蛋白而产生的。载体蛋白是必需的,因为地高辛起到半抗原的作用。一旦羊产生了良好的抗体水平,就会抽取大量血液样本,然后将免疫球蛋白从羊血清中分离出来,用木瓜蛋白酶处理产生Fab片段,然后注射到患者体内。抗地高辛Fab片段是成功的,因为它们具有抗体的两个特征。Fab片段对地高辛的亲和力高于地高辛对其泵受体的亲和力,从而允许Fab片段取代地高辛,降低其对心脏毒性的作用。FAB片段也是非常特异的,不会结合到体内的其他任何东西上,这降低了它们引起副作用的风险。

本文由Oncolab实验室微信公众号翻译整理自Immunology for Medical Students,仅用于学习交流使用,如需购买原版书籍可点击阅读原文购买。  

— THE  END —

来源 | Immunology for Medical Students
翻译 |  蒋俊博  钟雪莹
编辑排版 | 蒋俊博
审核 |  王坤 宋乐
本文由作者自行上传,并且作者对本文图文涉及知识产权负全部责任。如有侵权请及时联系(邮箱:nanxingjun@hmkx.cn
关键词:
抗体,抗原,免疫球蛋白,分子

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