結(jié)構(gòu)生物學(xué)十五免疫系統(tǒng)的分子識(shí)別

1、結(jié)構(gòu)生物學(xué)十五免疫系統(tǒng)的分子識(shí)別免疫系統(tǒng)的分子識(shí)別免疫系統(tǒng)一覽抗體的結(jié)構(gòu)與抗原的識(shí)別主要組織相容性復(fù)合物（MHC）的結(jié)構(gòu)與抗原的識(shí)別T細(xì)胞受體（TCR）的結(jié)構(gòu)與功能免疫系統(tǒng)一覽免疫性 是肌體識(shí)別和排除外來抗原物質(zhì)的功能抗原：是一類能夠誘導(dǎo)肌體產(chǎn)生免疫應(yīng)答并能與相應(yīng)抗體或T細(xì)胞受體發(fā)生特異反應(yīng)的物質(zhì)。蛋白質(zhì)是主要的抗原，糖類、脂類、核酸是半抗原。肌體的免疫性分兩種類型先天性免疫：先天具備，非特異性，不需要外來抗原的識(shí)別適應(yīng)性（獲得性）免疫：高度特異性，多樣性，具有記憶的功能，識(shí)別自身和非自身的抗原先天性免疫的組成解剖學(xué)屏障：皮膚和黏膜生理屏障：溫度、pH、體液或組織中的殺菌物質(zhì)吞噬細(xì)胞屏障：巨噬

2、細(xì)胞和嗜中性粒細(xì)胞發(fā)炎屏障：組織損傷引起的炎癥反應(yīng)可以控制損傷適應(yīng)性免疫的類型體液免疫：抗體介導(dǎo)的免疫應(yīng)答體液免疫中最重要的角色是B淋巴細(xì)胞（B細(xì)胞），B淋巴細(xì)胞在骨髓中成熟和分化，其細(xì)胞膜上有表達(dá)的抗體分子，抗體分子和特定抗原的相互作用引起B(yǎng)細(xì)胞分化成漿細(xì)胞，漿細(xì)胞表達(dá)分泌型的抗體，分泌的抗體結(jié)合抗原，使抗原被中和并促進(jìn)抗原的清除。細(xì)胞免疫：細(xì)胞毒性細(xì)胞介導(dǎo)的免疫應(yīng)答細(xì)胞免疫中的關(guān)鍵角色是T淋巴細(xì)胞（T細(xì)胞）。T細(xì)胞在骨髓中發(fā)生，但遷移到胸腺中成熟。T細(xì)胞膜上有表達(dá)的抗原結(jié)合受體，稱為T細(xì)胞受體（TCR）。TCR并不直接識(shí)別抗原，而是通過稱為主要組織相容性復(fù)合物（MHC）的分子識(shí)別抗原。MH

3、C分子位于細(xì)胞膜上，有兩種類型：I型（在所有有核細(xì)胞中表達(dá)）和II型（只在抗原遞呈細(xì)胞APC中表達(dá)）。當(dāng)T細(xì)胞遇到結(jié)合在細(xì)胞表面的MHC分子上的抗原時(shí)，便進(jìn)行增殖和分化。 有兩種T細(xì)胞亞群：T輔助細(xì)胞（TH）和T細(xì)胞毒性細(xì)胞（TC）。當(dāng)TH通過MHC分子與抗原相互作用時(shí)，TH細(xì)胞被活化從而分泌一系列細(xì)胞因子，這些細(xì)胞因子對(duì)于激活B細(xì)胞、TC細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和其他細(xì)胞起重要作用。在細(xì)胞因子的影響下，并且在與MHC-抗原復(fù)合物結(jié)合后，TC細(xì)胞增殖并分化成有細(xì)胞毒性的T淋巴細(xì)胞（CTL），這種細(xì)胞具有消滅變異細(xì)胞如腫瘤細(xì)胞和病毒感染細(xì)胞的能力。 免疫應(yīng)答過程的幾個(gè)特點(diǎn)抗原識(shí)別的關(guān)鍵分子是抗體、TCR、

4、和MHC分子體液和細(xì)胞免疫反應(yīng)的產(chǎn)生依賴于TH細(xì)胞的激活。TH細(xì)胞的激活發(fā)生在TCR識(shí)別APC（可能是B細(xì)胞）表面的MHC-抗原復(fù)合物時(shí)，激活導(dǎo)致TH細(xì)胞分泌細(xì)胞因子，細(xì)胞因子誘導(dǎo)B細(xì)胞分化成漿細(xì)胞，以及TC細(xì)胞分化成CTL細(xì)胞，此外還誘導(dǎo)其他不屬于適應(yīng)性免疫的細(xì)胞如自然殺傷細(xì)胞（NK）、巨噬細(xì)胞。B細(xì)胞和T細(xì)胞的專一性在接觸抗原之前就決定了。這意味著對(duì)所有存在的每一種抗原，都有一種對(duì)應(yīng)的抗體和一種T細(xì)胞受體TCR，當(dāng)抗原結(jié)合到與它相應(yīng)的TCR上時(shí)（通過MHC分子），導(dǎo)致對(duì)這種抗原專一的細(xì)胞群的增殖和分化，這一過程稱為克隆選擇。免疫記憶是淋巴細(xì)胞克隆選擇的結(jié)果。在克隆選擇過程中，一種類型的細(xì)胞

5、分化成記憶細(xì)胞，這些記憶細(xì)胞比一般的淋巴細(xì)胞存活時(shí)間更長(zhǎng)，當(dāng)?shù)诙谓佑|抗原時(shí)，在初次應(yīng)答中產(chǎn)生的記憶細(xì)胞與抗原發(fā)生作用，產(chǎn)生更快、更強(qiáng)烈的應(yīng)答反應(yīng)，稱為再次應(yīng)答。這就是免疫作用的原理。免疫系統(tǒng)的組成免疫器官：是淋巴細(xì)胞和其他免疫細(xì)胞發(fā)生、分化、成熟、定居、增殖和產(chǎn)生免疫應(yīng)答的場(chǎng)所。中樞免疫器官：骨髓、胸腺，以及腔上囊（禽類）外周免疫器官：淋巴結(jié)、脾、粘膜相關(guān)淋巴組織和皮膚相關(guān)淋巴組織。免疫細(xì)胞：泛指所有參與免疫應(yīng)答或與免疫應(yīng)答有關(guān)的細(xì)胞。淋巴細(xì)胞：T細(xì)胞、B細(xì)胞、NK細(xì)胞抗原遞呈細(xì)胞（APC）：?jiǎn)魏?吞噬細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞、B細(xì)胞其它免疫細(xì)胞：各種粒細(xì)胞、肥大細(xì)胞、血小板及紅細(xì)胞等免疫分子：免疫

6、細(xì)胞膜分子： T細(xì)胞抗原識(shí)別受體（TCR）、B細(xì)胞抗原識(shí)別受體（BCR）、主要組織相容性抗原（MHC）、白細(xì)胞分化抗原、粘附分子、促分裂素受體、細(xì)胞因子受體、免疫球蛋白FC受體和補(bǔ)體受體等。可溶性分子：免疫球蛋白分子、補(bǔ)體分子、及各種細(xì)胞因子免疫系統(tǒng)的分子識(shí)別免疫系統(tǒng)一覽抗體的結(jié)構(gòu)與抗原的識(shí)別主要組織相容性復(fù)合物（MHC）的結(jié)構(gòu)與抗原的識(shí)別T細(xì)胞受體（TCR）的結(jié)構(gòu)與功能抗體的結(jié)構(gòu)抗體和免疫球蛋白（Ig）抗體是由漿細(xì)胞產(chǎn)生的能與抗原發(fā)生特異性結(jié)合的一類球蛋白免疫球蛋白是具有抗體活性或化學(xué)結(jié)構(gòu)與抗體相似的球蛋白抗體是生物學(xué)和功能上的名稱，免疫球蛋白是結(jié)構(gòu)和化學(xué)本質(zhì)上的概念抗體是免疫球蛋白，但免疫

7、球蛋白并不都具有抗體活性免疫球蛋白的類型和結(jié)構(gòu)免疫球蛋白有5種類型：IgG, IgM, IgA, IgD, IgE所有Ig的基本單位都是由兩條相同的輕鏈（L鏈，25kD，有兩種類型：l或k）和兩條相同的重鏈（H鏈，50kD,有5種不同類型：g, m, a, d, e）組成，由這樣4條肽鏈和幾對(duì)二硫鍵連接形成的一個(gè)基本單位，稱為Ig單體。Ig單體的結(jié)構(gòu)Ig的每條鏈都可以劃分成幾個(gè)結(jié)構(gòu)域，輕鏈2個(gè)，重鏈4個(gè)。每個(gè)結(jié)構(gòu)域包含110個(gè)氨基酸殘基序列比較表明：N末端結(jié)構(gòu)域序列變化很大，稱為可變區(qū)（V）；C末端結(jié)構(gòu)域序列變化較小，相對(duì)穩(wěn)定，稱為恒定區(qū)（C）。6個(gè)結(jié)構(gòu)域記為：VL、VH、CL、CH1、CH2

8、、CH3。在V區(qū)內(nèi)序列變化不是恒定的，在特殊的區(qū)域變化很大，而其他區(qū)域則同源性很高。變化很大的這些區(qū)域稱為超變區(qū)。超變區(qū)是Ig與特異性抗原的決定族相結(jié)合的位置，因而又稱互補(bǔ)決定區(qū)（CDR1 CDR3）。不同Ig之間這些區(qū)域的大小和序列都不同。鉸鏈區(qū)：在Ig重鏈CH1和CH2之間有一段較長(zhǎng)的肽鏈，稱為鉸鏈區(qū)（hinge region）。鉸鏈區(qū)內(nèi)的肽鏈易于彎曲，有相當(dāng)?shù)娜嵝?，是酶解的敏感部位。Ig分子酶解碎片抗體的多樣性是怎樣獲得的？對(duì)于幾乎任何抗原，免疫系統(tǒng)都能產(chǎn)生一個(gè)抗體，其結(jié)合位點(diǎn)的多樣性幾乎不受限制，這一點(diǎn)是如何達(dá)到的呢？?jī)煞N假說體細(xì)胞重組假說：相對(duì)少的基因片段重組產(chǎn)生可變區(qū)。體細(xì)胞突變假

9、說：B細(xì)胞分化過程中具有很高的突變率。這兩種機(jī)制對(duì)抗體的多樣性都有貢獻(xiàn)Ig可變區(qū)是由不同基因片段重組連接而成重鏈V區(qū)是由3個(gè)基因片段組成：V, D, 和 J。輕鏈V區(qū)是由2個(gè)基因片段組成：V 和 J基因片斷數(shù)目及其組合：重鏈：1000VH, 10DH, 6JH, 60,000個(gè)VDJ組合;輕鏈：150VK, 5JK, 750個(gè)VJ組合由于接頭處連接方式的不夠明確，導(dǎo)致更大的多樣性，組合數(shù)可增大10倍：(60,000 x10)x(750 x10)=4.5x109CDR1和CDR2是由V基因片段內(nèi)部編碼的CDR3來自于V-J或V-D-J的接頭處，對(duì)于輕鏈還加上 J 的N末端部分，對(duì)于重鏈還加上 D

10、 和 J 的N末端部分輕鏈基因的形成和表達(dá)重鏈基因的形成和表達(dá)體細(xì)胞突變是抗體多樣性的又一個(gè)來源在基因片斷連接過程中可以插入或刪除一些核苷酸Ig基因的突變率比其他基因高1百萬倍，這些突變是在B細(xì)胞中特殊的酶的促使下發(fā)生的突變多數(shù)發(fā)生在CDR區(qū)在二次或三次免疫后，突變更加頻繁完整Ig的晶體結(jié)構(gòu)由于鉸鏈區(qū)的柔性通常會(huì)阻礙結(jié)晶，所以完整Ig的晶體結(jié)構(gòu)相對(duì)較少鉸鏈區(qū)的柔性對(duì)于抗原的識(shí)別是必要的IgG分子有一定的自由度鉸鏈區(qū)是柔性的可變結(jié)構(gòu)域與不變結(jié)構(gòu)域之間的區(qū)域，稱為開關(guān)肽。由于開關(guān)肽構(gòu)象的柔性，可變結(jié)構(gòu)域和不變結(jié)構(gòu)域的取向可以不同。取向由肘角（兩個(gè)局部二重軸之間的夾角，127 227）定義。Ig片段

11、的晶體結(jié)構(gòu)Ig是糖蛋白，聚糖鏈連接在重鏈的C區(qū)V區(qū)和C區(qū)都具有希臘鑰匙b桶折疊V區(qū)和C區(qū)結(jié)構(gòu)域沒有序列相似性，但折疊模式卻很相似C區(qū)結(jié)構(gòu)域有7條b折疊鏈，其中4條形成一個(gè)b片層，另外3條形成第二個(gè)b片層，b片層之間由二硫鍵連接在一起，整個(gè)結(jié)構(gòu)是一個(gè)希臘鑰匙b桶，b鏈之間的環(huán)區(qū)很短。V區(qū)結(jié)構(gòu)域很相似但是有9條b鏈，兩條額外的b鏈處于第3和第4條鏈之間，包含了CDR2。位于b桶一側(cè)的b鏈之間的環(huán)區(qū)更長(zhǎng)，包含了超變區(qū)（CDRs）。超變區(qū)位于V區(qū)結(jié)構(gòu)域的環(huán)上輕鏈和重鏈的V區(qū)結(jié)構(gòu)域的結(jié)構(gòu)非常相似。在重鏈和輕鏈的共6個(gè)CDRs中，5個(gè)CDR的構(gòu)象變化很有限（因?yàn)樗鼈円残枰cb片層框架相互作用），但是重鏈的

12、CDR3的構(gòu)象變化相當(dāng)大。結(jié)構(gòu)域的相互作用VL和VH、CL和CH1相互接觸，這些結(jié)構(gòu)域的結(jié)合非常緊密和廣泛。C區(qū)結(jié)構(gòu)域的結(jié)合主要通過兩個(gè)4條鏈的b片層之間的相互作用，b片層中有很多疏水殘基彼此相互作用。V區(qū)結(jié)構(gòu)域的相互作用則很不同。為了讓CDRs靠近，5條鏈的b片層形成了結(jié)構(gòu)域相互作用的表面，結(jié)構(gòu)的堆積不象C區(qū)結(jié)構(gòu)域那樣緊密。抗原結(jié)合位點(diǎn)來自重鏈和輕鏈的6個(gè)CDR環(huán)區(qū)相互靠近，形成抗原結(jié)合位點(diǎn)，并在b桶的頂部展開。CDRs要么形成一個(gè)可以結(jié)合半抗原的裂縫，要么形成一個(gè)可以結(jié)合蛋白質(zhì)的平坦的表面。通過改變CDRs的大小和氨基酸組成，抗原結(jié)合位點(diǎn)可以具有不同的形狀和電荷?？乖Y(jié)合位點(diǎn)中CDR的排列

13、CDR3總是處在中心，CDR1和CDR2總是處在邊上半抗原的結(jié)合半抗原是附著在蛋白質(zhì)上的小分子，能夠誘導(dǎo)肌體產(chǎn)生抗體。右圖是Fab-磷酸膽堿復(fù)合物的結(jié)構(gòu)。磷酸膽堿埋藏在由所有CDR環(huán)（輕鏈CDR2除外）形成的裂縫中，結(jié)合模式與通常的底物或抑制劑的結(jié)合非常相似，抗原-抗體界面在形狀和電荷上是高度互補(bǔ)的。與蛋白質(zhì)的相互作用：抗體-溶菌酶復(fù)合物溶菌酶與蛋白質(zhì)的相互作用涉及到一個(gè)大的面積（20 x302），總的埋藏表面積大約7002，75110個(gè)原子對(duì)參與，1023個(gè)氫鍵，3個(gè)鹽鍵。在抗原和抗體中帶有突起和凹陷的不規(guī)則表面無論在形狀還是化學(xué)上都構(gòu)成互補(bǔ)。水分子很大程度上被排除在表面之外，結(jié)合的水分子都

14、參與形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)。來自抗體的17個(gè)殘基與溶菌酶的殘基發(fā)生接觸，原子堆積象蛋白質(zhì)內(nèi)部一樣緊密，表面的互補(bǔ)性有少量不理想。與抗體接觸的溶菌酶的表面是由多肽鏈中兩個(gè)不同區(qū)域的殘基形成：因此三維折疊對(duì)于識(shí)別是必需的?？贵w中幾乎所有的CDRs都參與結(jié)合。在抗體結(jié)合時(shí)溶菌酶分子幾乎沒有任何構(gòu)象改變，在抗體分子中也只有很小的變化，結(jié)構(gòu)域之間的取向角度有輕微的改變。這些小的改變有利于抗原-抗體更好的結(jié)合。與流感病毒神經(jīng)氨酸苷酶結(jié)合的抗體可變區(qū)蛋白質(zhì)抗原與半抗原的結(jié)合位點(diǎn)比較抗原結(jié)合時(shí)的構(gòu)象改變CDRs是否適應(yīng)了抗原的結(jié)構(gòu)（誘導(dǎo)契合）還是有預(yù)先存在的結(jié)合位點(diǎn)（鎖鑰模型）？關(guān)于這個(gè)問題的討論一直在持續(xù)。對(duì)溶菌酶和

15、神經(jīng)氨酸苷酶與抗體的作用來說，是預(yù)先存在的結(jié)合位點(diǎn)，伴隨著多肽主鏈有12的小的改變和一些大的側(cè)鏈移動(dòng)。但是也有一些抗體（如BV04, anti-DNA, 17/9, anti-peptide）發(fā)生大的構(gòu)象改變。例如在17/9中重鏈CDR3在復(fù)合物中有完全不同的構(gòu)象；在BV04中，抗原-抗體結(jié)合后CDR1（輕鏈）和CDR3（重鏈）都有一個(gè)很不同的構(gòu)象。因此，誘導(dǎo)契合和鎖鑰模型都可能發(fā)生，目前誘導(dǎo)契合是占優(yōu)勢(shì)的理論。Fab 17/0與多肽抗原免疫球蛋白超家族（IgSF）免疫球蛋白折疊子是很多不同蛋白的共同模體，這些蛋白質(zhì)屬于免疫球蛋白超家族（IgSF）。所有這些蛋白質(zhì)具有一個(gè)共同的結(jié)構(gòu)，稱為免疫球

16、蛋白同源單位，長(zhǎng)度約100氨基酸，中心有能穩(wěn)定兩個(gè)b片層的二硫鍵。這類蛋白質(zhì)的成員包括免疫學(xué)上重要的分子、細(xì)胞識(shí)別中重要的蛋白質(zhì)等，從昆蟲到哺乳動(dòng)物都有出現(xiàn)。免疫球蛋白與疾病Ig與變態(tài)反應(yīng)疾病Ig與漿細(xì)胞疾病Ig與免疫缺陷疾病免疫系統(tǒng)的分子識(shí)別免疫系統(tǒng)一覽抗體的結(jié)構(gòu)與抗原的識(shí)別主要組織相容性復(fù)合物（MHC）的結(jié)構(gòu)與抗原的識(shí)別T細(xì)胞受體（TCR）的結(jié)構(gòu)與功能主要組織相容性復(fù)合物（MHC）主要組織相容性復(fù)合物（major histocompatibility complex，MHC）是表達(dá)于脊推動(dòng)物有核細(xì)胞表面的一類膜蛋白。MHC最初是在研究組織移植的排斥現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn)的，與肌體識(shí)別移植物是自身或非自

17、身的組織有關(guān)。進(jìn)一步的研究表明MHC在抗原遞呈和免疫應(yīng)答調(diào)控方面具有重要功能。MHC分子是IgSF的特殊成員，具有與Ig恒定區(qū)相似的結(jié)構(gòu)域。MHC的兩個(gè)主要類型 I型 II型出現(xiàn)在幾乎每個(gè)細(xì)胞 出現(xiàn)在B細(xì)胞用于識(shí)別自身和非自身 用于識(shí)別免疫細(xì)胞雜合二聚體（a鏈+b2m） 雜合二聚體（a鏈+b鏈）糖基化的 糖基化的結(jié)合短肽（810殘基） 結(jié)合更長(zhǎng)的肽（長(zhǎng)度可變）MHC的多態(tài)性MHC蛋白是高度多態(tài)性的人I型MHC由3個(gè)分離但同源的基因編碼：HLA-A, HLA-B, HLA-C（Human Leucocyte Associated antigen），II型MHC也有3個(gè)蛋白已知在高等脊椎動(dòng)物中這些

18、基因是多態(tài)性最高的，如小鼠的每個(gè)MHC基因位點(diǎn)有50個(gè)已知的等位基因因此兩個(gè)不相干的個(gè)體不可能有相同的MHC基因組合（這在器官移植中引起了問題）但是每個(gè)個(gè)體只有有限數(shù)量的MHC分子。這少數(shù)幾個(gè)分子如何與數(shù)量眾多的外來抗原發(fā)生作用呢？MHC的結(jié)構(gòu)MHC I型和II型的結(jié)構(gòu)是非常相似的：一個(gè)平臺(tái)式的結(jié)構(gòu)包括一個(gè)平坦的8鏈反平行b片層和位于其上的2個(gè)長(zhǎng)而輕微彎曲的a螺旋。螺旋之間的空間是抗原性多肽的結(jié)合位置。另一個(gè)結(jié)構(gòu)域具有典型的免疫球蛋白恒定區(qū)的結(jié)構(gòu)MHC蛋白與多肽的結(jié)合外來抗原作為一個(gè)整體不能被MHC識(shí)別，但是它們可以在細(xì)胞內(nèi)被處理成短肽，后者可以被MHC識(shí)別呈遞。I型MHC：810殘基的短肽主

19、要結(jié)合在兩個(gè)末端。更長(zhǎng)的肽（10殘基）會(huì)在中間突起以保持末端在同樣的位置。多肽通常是伸展的構(gòu)象，一般不依賴于序列，嚴(yán)格偏愛第2、5和C末端的殘基。II型MHC：結(jié)合長(zhǎng)度可變的更長(zhǎng)的多肽。多肽從結(jié)合位點(diǎn)伸出，沒有口袋用來固定多肽的末端。多肽呈多聚ProII構(gòu)象，對(duì)5個(gè)位置上的殘基有些偏愛。比較兩種結(jié)合模式兩種情況下都有小的口袋用來結(jié)合側(cè)鏈并與多肽主鏈原子形成氫鍵I型識(shí)別多肽末端，是牢固的結(jié)合；II型不識(shí)別，是松散的結(jié)合免疫系統(tǒng)的分子識(shí)別免疫系統(tǒng)一覽抗體的結(jié)構(gòu)與抗原的識(shí)別主要組織相容性復(fù)合物（MHC）的結(jié)構(gòu)與抗原的識(shí)別T細(xì)胞受體（TCR）的結(jié)構(gòu)與功能T細(xì)胞受體（TCR）T細(xì)胞受體是二聚體（a/b,

20、 或g/d）,有一個(gè)抗原識(shí)別位點(diǎn)。與Ig一樣，在TCR中發(fā)現(xiàn)了4個(gè)超變區(qū)，其中3個(gè)與Ig中的CDRs相似。 TCRs也具有可變的和恒定的結(jié)構(gòu)域，對(duì)V區(qū)和C區(qū)結(jié)構(gòu)域，TCR和Ig之間有高度的序列同源性（30% 70%）：提示了典型的Ig折疊，a鏈和b鏈之間的配對(duì)類似于Ig中H鏈和L鏈。編碼a/b或g/d鏈的基因的排列與Ig基因非常相似，由于基因的重排，可以產(chǎn)生巨大數(shù)量的蛋白質(zhì)序列。與CD3的g, d, e, z組分一起，TCR識(shí)別MHC分子呈遞的抗原性多肽。CD3是不可變的，它參與信號(hào)傳導(dǎo)。TCR是如何識(shí)別MHC的？TCR識(shí)別嵌入在MHC分子中的多肽：這對(duì)其抗原識(shí)別位點(diǎn)有限制CDR1和CDR2的有限的多樣性：識(shí)別MHC？CDR3的多樣性：多肽特異性？提出的結(jié)合MHC-多肽復(fù)合物的模型就是基于這種推測(cè)，TCR平行于MHC的螺旋，CDR3平行于結(jié)合肽單獨(dú)的TCR的結(jié)構(gòu)a/b鏈的