素材：抗體蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)及抗體多樣性產(chǎn)生的模型

1、抗體蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)及抗體多樣性產(chǎn)生的模型抗體的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，這是多年研究的結(jié)論。按蛋白質(zhì)電泳特征稱為y球蛋白(中文曾稱為丙種球蛋白), 按功能稱為免疫球蛋白。英國(guó)國(guó)家醫(yī)學(xué)研究所的rodney porter (1917-1985)美國(guó)佛 羅里達(dá)大學(xué)和印第安納大學(xué)的frank putnam (1917-2006)和洛 克菲勒大學(xué)的gerald edelman (1929-2014)等實(shí)驗(yàn)室揭示了 lg 的基本結(jié)構(gòu)(porter, 1959； edelman and poulik,1961; edelman and gaily, 1962, 1967； putnam et al., 1963；

2、 edelman et al., 1969)olg可以被木瓜蛋白酶ab.* 1chlln b $(和胰蛋白酶)切為；：. chain afab段和 fc段：1| carbohydntc(porter, 1950； fried e'1'很般'iandputnam,1960；i:代15 nisonoff etal.,1959),也可以通過(guò)二硫鍵還原分開(edelman, 1959； nisonoff et al.,1960； franek, 1961),由重鏈和輕鏈組成(edelman and poulik, 1961)。 1963年了解的抗體基本結(jié)構(gòu)如圖(fleischm

3、an, porter and press, 1963)o1967年首次確定一條輕鏈全部序列(wikler et al., 1967), 1969年確定同一個(gè)lg的輕鏈和重鏈全部序列后獲得更準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)(edelman et al., 1969)o 般哺乳動(dòng)物lg亞基由兩條輕鏈和兩 條重鏈組成，輕鏈兩百多氨基酸殘基、重鏈五百多氨基酸殘基。 兩條重鏈之間以二硫鍵共價(jià)連接，輕鏈也以二硫鍵分別與一條重 鏈結(jié)合。重鏈和輕鏈的氨基端為可變區(qū)域(v區(qū))，九十多個(gè)氨 基酸組成，v區(qū)差異最大的部分被推斷為抗體結(jié)合區(qū)域(wuand kabat, 1970)。重鏈的羅爰基部分為恒定區(qū)域(c區(qū))可以與補(bǔ)體 結(jié)合，引起補(bǔ)

4、體反應(yīng)。1968年，美國(guó)國(guó)家健康研究院(nih)的科學(xué)家解析了 lg的 晶體結(jié)構(gòu)(terry,matthew and davis, 1968)o此后進(jìn)一步工作得到 更精確的結(jié)果(silverton, navia anddavis, 1978)o按照其fc段的差別，哺乳動(dòng)物的lg通常分為五類：iga,igd, ige, igg, igmo在抗原第一次刺激b細(xì)胞時(shí)，b細(xì)胞表面主要是igmjgd, 之后出現(xiàn)類型轉(zhuǎn)變(classswitching) (wang et al., 1970),產(chǎn)生和 分泌 igg (和 ige、lga)0igd、ige和igg的結(jié)構(gòu)為典型的兩條輕鏈和兩條重鏈。而 iga是

5、二聚體，由兩個(gè)這樣的亞單位組成。igm是五聚體，由五 個(gè)同樣的亞基組成。導(dǎo)致紅細(xì)胞(和細(xì)菌)凝集反應(yīng)的原因是一 般lg至少有兩個(gè)抗原結(jié)合位點(diǎn)，可以同時(shí)結(jié)合抗原性相同的兩 個(gè)細(xì)胞。而多聚體的抗體更可以結(jié)合更多具有相同抗原的細(xì)胞。對(duì)lg的蛋白質(zhì)研究得益于發(fā)現(xiàn)“ bences-jones蛋白質(zhì)”。1884 年，英國(guó)醫(yī)生 henrybencejones (1813-1873)從當(dāng)時(shí)所謂 “軟骨病”人的尿液分析發(fā)現(xiàn)后來(lái)稱為bencejones蛋白質(zhì)的物 質(zhì)(bence jones, 1848)o這種病人實(shí)際是多發(fā)性骨髓瘤(multiple myeloma)o從孤兒成長(zhǎng)為科學(xué)家的putnam多年研究骨髓瘤

6、分 泌的蛋白質(zhì)，發(fā)現(xiàn)它們是lg (putnam and udin, 1953； putnam, 1962)o edelman 確定它們是 lg 的輕鏈(edelman and poulik, 1962； edelman and gaily, 1962),每一骨髓瘤分泌單一的(“單 克隆”)lg輕鏈(potter et al., 1964)?？梢杂没瘜W(xué)誘變劑導(dǎo)致正 常鼠發(fā)生骨髓瘤(potterand boyce, 1962),得到不同的骨髓瘤用于研究。發(fā)現(xiàn)骨髓瘤的抗體特征為1975年發(fā)明單克隆抗體的 制備技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。在i960年代對(duì)免疫學(xué)研究幫助很大，因 為科學(xué)家通過(guò)骨髓瘤可以很快獲得大量同

7、一蛋白質(zhì)，從而有助于 研究lg的氨基酸序列。輕鏈的氨基酸序列得到確定(hilschman and craig, 1965；titani et al, 1965； bennettet al., 1965； putnam, titani and whitley, 1966； titani, shinoda and putnam, 1969)o同一lg的全部氨基酸序列也得到確定(edelman et al., 1969),從而明確同一lg重鏈和輕鏈的v區(qū)相似，更明確了 重鏈和輕鏈有多少個(gè)二硫鍵相連。一個(gè)人的一生中可以產(chǎn)生很多種抗體，有一種估計(jì)是1012 種抗體。landsteiner發(fā)現(xiàn)，動(dòng)物的特異

8、抗體不僅對(duì)毒素、對(duì)病原菌， 而且對(duì)化學(xué)分子，包括自然界不存在的化學(xué)分子，而且很多化學(xué) 差別能夠引起不同的抗體（landsteiner, 1936）。這讓人們大開 眼界，認(rèn)識(shí)到多樣性是識(shí)別化學(xué)特異性。動(dòng)物個(gè)體如何產(chǎn)生數(shù)量眾多的不同抗體？爭(zhēng)論的核心問(wèn)題在于：“多基因”對(duì)“少基因”，“種系發(fā) 生細(xì)胞”對(duì)“體細(xì)胞”。一種觀點(diǎn)認(rèn)為抗體的基因全是進(jìn)化過(guò)程 中積累產(chǎn)生了，在種系發(fā)生細(xì)胞有很多編碼抗體蛋白質(zhì)的基因, 甚至一一對(duì)應(yīng)各種不同的抗體。另一觀點(diǎn)認(rèn)為種系發(fā)生細(xì)胞只有 很少與抗體蛋白質(zhì)相應(yīng)的基因，在體細(xì)胞分化過(guò)程中產(chǎn)生更多基 因（或其重組、突變）而編碼所有抗體。曾有多個(gè)假說(shuō)，例如：1）多年堅(jiān)持主張抗體的產(chǎn)

9、生猶如酶的適應(yīng)性的burnet曾認(rèn)為 無(wú)需提出基因是抗體特異性的原因（burnet and fenner, 1948）；2）分子生物學(xué)家lederberg于1959年提出基因與抗體的關(guān)系: 抗體蛋白質(zhì)的特異性由其特定氨基酸序列所決定；產(chǎn)生特定抗體 的細(xì)胞含相應(yīng)的特定核甘酸序列；抗體形成細(xì)胞的基因多樣性源 自其增殖過(guò)程中很高的自發(fā)突變率；高突變率包括細(xì)胞增殖某些 時(shí)期lg的dna組裝隨機(jī)性。每個(gè)細(xì)胞在開始成熟時(shí)，按其基 因型自發(fā)產(chǎn)生少量抗體；未成熟的抗體形成細(xì)胞在遇到同源抗原 時(shí)被抑制（可以是消除細(xì)胞）；成熟的抗體形成細(xì)胞在同源刺激 下成為漿細(xì)胞；抗原刺激觸發(fā)成熟細(xì)胞進(jìn)行增殖，但基因型穩(wěn)定, 因

10、而細(xì)胞克隆增大，產(chǎn)生同源抗體；抗原消失后，這些克隆仍然 存在，一旦遇到同樣抗原可以很快出現(xiàn)抗體反應(yīng)（lederberg,1959)；3) 物理學(xué)家leo szilard (1898-1964)于1960年提出抗體產(chǎn)生 的理論。從細(xì)菌基因的重量和哺乳動(dòng)物一個(gè)細(xì)胞內(nèi)dna的重量, 他推算一個(gè)細(xì)胞內(nèi)可有一百萬(wàn)種基因，他認(rèn)為每一種抗原可以進(jìn) 入細(xì)胞內(nèi)，通過(guò)結(jié)合特異的酶，解除了特異的抑制子，使得對(duì)應(yīng) 的抗體編碼基因得以啟動(dòng)表達(dá)，產(chǎn)生抗體(szilard, 1960)o這一 理論需要在種系發(fā)生細(xì)胞就存在很多基因，不需要體細(xì)胞基因改 變；4) 1962年，當(dāng)時(shí)在美國(guó)wisconsin大學(xué)的英國(guó)科學(xué)家oliv

11、ersmithies (1925-2017)等提出結(jié)合珠蛋白(haptoglobin)的基因 可以有基因重組(特別是基因復(fù)制duplication )和點(diǎn)突變(smithies, connell and dixon, 1962)。1963 年，smithies 提出 同一條染色體基因重組(特別是基因交叉及其導(dǎo)致的倒位)是ig 多樣性的機(jī)理之一，另一機(jī)理為ig基因的堿基突變(增加或減 少堿基導(dǎo)致移碼突變)(smithies, 1963； 1967)；5) 1965 年，加州理工學(xué)院的 william dreyer (1928-2004)和claude bennett提出：在種系發(fā)生細(xì)胞 的同一條

12、染色體上，一部分由多個(gè)編碼 v區(qū)的序列重復(fù)組成(例如成為環(huán)狀dna)0而編碼c區(qū)的序列可以如細(xì)菌 質(zhì)粒形成過(guò)程一樣在染色體之外。在體 細(xì)胞分化過(guò)程中，c區(qū)域的dna只與v區(qū)域序列之一(多個(gè)環(huán)之一)匹配而產(chǎn)生獨(dú)特的輕鏈(dreyerand bennett, 1965)；6) 意大利納布納斯國(guó)際遺傳學(xué)和生物物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家提 出：編碼lg的基因其遺傳密碼有特殊性，同一個(gè)密碼可以被翻 譯成為不同的氨基酸(potter, appella, geisser, 1965)。也許從 幾百個(gè)特殊區(qū)域選其中一到兩個(gè)與c區(qū)組成一條lg (cioli and baglion, 1966)；7) leroy ho

13、od (1938-)成為加州理工學(xué)院dreyer的研究生, 他們提出：n端v區(qū)的肽段與c端分別由兩個(gè)基因指導(dǎo)編碼產(chǎn) 生，之后兩個(gè)肽段由酶促反應(yīng)所連接稱為單個(gè)肽段，或編碼n端 和c端的兩個(gè)基因融合、或其rna融合(hood, gray and dreyer, 1966)；8) 劍橋的英國(guó)醫(yī)學(xué)研究基金會(huì)(mrc)的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室(lmb) 的分子生物學(xué)家sydney brenner (1927-2019)與免疫學(xué)家cesar milstein (1927-2002)提出：編碼共同區(qū)域的核酸序列是酶的識(shí) 別位點(diǎn)，這種酶切割dna,切割后dna在修復(fù)過(guò)程中在v區(qū) 引入變異(brenner and m

14、ilstein, 1966)；9) edelman提出：在進(jìn)化過(guò)程中，編碼lg的基因發(fā)生串接重 復(fù)(tandemduplication),可能重復(fù)到50個(gè)左右。它們出現(xiàn)點(diǎn) 突變，從而不同。在哺乳動(dòng)物個(gè)體的淋巴細(xì)胞成熟過(guò)程中，出現(xiàn) 體細(xì)胞的dna交叉(somatic cross-over),產(chǎn)生基因突變(edelman and gaily, 1967)；10) 劍橋大學(xué)植物系的遺傳學(xué)家提出在同一個(gè)染色體上，有多個(gè) 編碼lg的基因重復(fù)排列，淋巴細(xì)胞成熟過(guò)程中，發(fā)生同一染色 體內(nèi)的交叉(intrachromosomalcross-over),兩個(gè)基因連在一起編 碼個(gè) lg (whitehouse,

15、1967),這一假說(shuō)在 dreyerand bennett(1965)基礎(chǔ)上進(jìn)了一步，編碼c區(qū)的基因不再是在染色體外， 而是與編碼v區(qū)的基因同在一條染色體上；11) 伯克利加州大學(xué)科學(xué)家提出編碼v區(qū)域的基因與編碼c區(qū) 域的基因需要在dna或rna水平連接(koshland, davis and fujita, 1969);12) 到1970年，hood和talmage還認(rèn)為種系發(fā)生假說(shuō)更有吸 引力(hood andtalmage, 1970)；13) edelman提出：在淋巴細(xì)胞成熟過(guò)程中，編碼v區(qū)的多個(gè) 基因中的一個(gè)因?yàn)榛蜣D(zhuǎn)位(translocation)而與編碼c區(qū)的連 接在一起，編碼 lg (gaily and edelman, 1970)；14) jerne提出免疫器官是突變發(fā)生器官(mutant-breeding organs),其中淋巴細(xì)胞編碼lg的基因出現(xiàn)體細(xì)胞基因突變，生 成多種抗體(jerne, 1971