揭开抗体多样性的奥秘

生理科学进展 �� �年第!∀ 卷第 # 期 · 生理科学史话 · 揭 开 抗 体 多 样 性 的 奥 秘 北京医科大学免疫学教研室 谢 蜀 生 自 � � ∀ 年 ∃%& ∋( ) ∗ 和北里发现抗体以来 , 人们对机体能产生针对任何抗原的抗体的现象 +免疫学上称 为抗体的多样性 , , )− (. / 0 1 0 (2% ∋3 (−14一直迷惑不解 。 � � 5 年斯德哥尔摩的诺贝尔奖评选委员会决定把该 年的生理学或医学奖授予 65 岁的利根川进 +7 /) %∗ , 8 ,4 时 , 即宣告了这个一世纪来生物学中最令人迷惑的 谜底已经揭开 。 一 、 抗体生成理论的探讨 本世纪初 , 9 &∋ :: ;& 提出了抗体生成的侧链学说 , 以说明抗体多样性的原因 。 他预言机体内抗体生成细 胞 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面存在着各种能与不同抗原结合的侧链 。 进人体内的任何抗原都可选择一种适合它的侧链与之结合 , 从 而复制出大量该种侧链进人血流 , 即为抗体 。 侧链学说当即被广泛接受 , 9&∋ :(;& 因此获得 � � ∀ � 年的诺贝 尔奖 。 本世纪 !∀ 年代 , <,) 0 3 −% () %∋ 用实验室内合成的半抗原与蛋白偶联后免疫动物 , 获得了针对该半抗原的 抗体。 按照侧链学说 , 这意味着对自然界不存在的物质 , 抗体生成细胞表面也预先准备好了与它结构相适 应的侧链分子 。 这在当时是难以接受的 。 #∀ 年代 , = ,>∋ / 8 (−? 等提出了抗体生成的模板学说 , 认为抗体生 成细胞先合成一条没有任何特异性的肤链 , 抗原进人后 , 该肤链即以抗原为模板 , 拆叠而成与该抗原相适 合的抗体分子 。 ≅∀ 年代初 , Α Β Χ 双螺旋结构的阐明 , 确立了蛋白质一级结构由 Α Β Χ +基因 4决定 , 而蛋白 质的一级结构又决定了其空间构型 , 这就彻底否定了模板学说认为抗体的空间结构由抗原决定的错误理论。 � �≅ 5 年 ∃盯)% −提出克隆选择学说 , 认为体内存在着带有不同受体的抗体分泌细胞 +克隆4 , 抗原进入体内 选择一个与它构型互补的受体结合 , 从而促使带有这个受体的细胞大量增殖 , 并产生出更多的抗体分子。 克 隆选择学说与侧链学说在本质上都强调抗原的选择性 , 把抗体多样性的原因看成是抗体分泌细胞的内在特 性 , 而与抗原无关 。 克隆选择学说解释了抗体的特异性和多样性 , 同时 , 也为免疫生物学的发展奠定了基 础 。 为此 , � � Δ ∀ 年 ∃ > ∋) %− 荣获诺贝尔奖 。 但在 ≅∀ 年代末 , 克隆选择学说至多也只能从细胞水平解释抗体多样性产生的原因 , 却不能从本质上说 明抗体多样性产生的机制 。 也就是说 , 它不能解释抗体分泌细胞表面预先就已存在的 、 在结构上无限多样的 抗原受体是怎 么产生的 。 这个问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 的 答案 八年级地理上册填图题岩土工程勘察试题省略号的作用及举例应急救援安全知识车间5s试题及答案 必需要到抗体的分子结构以及为抗体分子 编码的基因结构中去寻 找 。 二 、 抗体分子结构的研究 Δ∀ 年代中期 , 9 0% :Ε , ) 和 Φ/∋ −; ∋ 用骨髓瘤蛋白为材料+一种由浆细胞肿瘤所分泌的均一的免疫球蛋白4 , 阐明了抗体的结构 , 即抗体分子是二条相同的重链和二条相同的轻链通过二硫链联在一起的四肤链结构 。对 抗体分子进行的氨基酸顺序分析表明 , ‘不同的骨髓瘤蛋白的轻链和重链的氨基端大约有 �� ∀ 个氨基 酸的顺 序互不相同 , 变异很大 , 现称为可变区 + Γ 区4 Η 而其余部分的氨基酸顺序则有较高同源性 , 现称为稳定区 +Ι 区4 。 这个发现是揭开抗体多样性之谜的极其重要的一步。 轰因为 , 抗体多样性的结构基础存在于 Γ 区的 � �∀ 个氨基酸中。 � � 5 � 年 ϑ , . , − 等分析了多种骨髓瘤蛋白可变区氨基酸顺序时进一步发现 , 可变区的氨基 酸也不是全部易变的 , 氨基酸变化最大的区域集中在某几个区域 , 他们称之为高变区 Η 而可变区其余部分的 氨基酸变化很小 , 称之为骨架区 。 显然 , 抗体多样性是来源于这些高变区的氨基酸顺序的变化 。 ϑ ,. ,− 认 为 , 这些高变区通过肚链折叠组成抗原结合部位 。 氨基酸顺序不同的高变区通过折叠形成的构型不同 , 分别 与相应的抗原结合 , 从而形成特异性不同的抗体分子 。 这个设想立即被抗体的 Κ 一线衍射图像所证实。这样 , 抗体多样性的基础已在抗体分子结构的水平上得到了解决 。 接下来的向题是 , 为可变区编码的基因如何编 码大量的 、 结构各异的氨基酸顺序 , 这就是抗体 的基因结构问题 。 三 、 抗体多样性的理论 关于编码抗体的基因 , 最初提出两种假说 , 第一种假说称为生殖细胞系学说+Λ %∋ Ε :()% −&%/ ∋1 , 又称 胚系学说 4 , 认为在生殖细胞的基因库中原先已经存在有无限多个可变区基因 , 生殖细胞通过分裂而将整个 可变区基因库传给每一个体细胞。 不同的抗体生成细胞表达不同的可变区基因 , 这样机体就具有可能分泌各 种特异性抗体的细胞 。 第二种假说是体细胞突变学说+3 。Ε ,− (; Ε >− ,− (/ ) −&%/ ∋ 14 , 认为生殖细胞中可变区 基因的数目是有限的 , 但在生殖细胞分裂分化成不同的体细胞时 , 这些少数的可变区基因可发生突变 , 从而 使不同的抗体分泌细胞具有了不同的可变区基因 , 因此 , 可产生各种不同特异性抗体。 生殖细胞系学说易于理解 , 但许多不同的基因同时塞在细胞的基因库中 , 基因库将不堪负荷 。 后来 , 用核 酸分子杂交技术 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 , 在生殖细胞中可变区基因的数目确实是有限的。 这些可变区基因显然不能独立产生 出数以千百万计的不同特异性的抗体分子 。 体细胞突变理论强调抗体多样性来源千后天的特性 , 但仅靠体细 胞突变是难以获得如此巨大的多样性的 。 正如 9 0% :Ε ,) 指出的 Μ “除非每一次细胞分裂时都发生突变 , 同时 未突变的细胞都被消灭掉 。 即使这样 , 突变产生的可变区基因仍不够用 。”因此 , 体细胞突变理论也显然不 足以完全解释抗体多样性的起源 。 在上述两种理论都陷入困境时 , � � 5� 年 ϑ ,. ,− 等在他们发现高变区结构的基础上 , 又提出了基因嵌入 模型 。 ϑ ,. ,− 等认为 , 生殖细胞中编码高变区的 Α Β Χ 片段+’Ν 、基因4与编码可变区骨架区的 Α Β Χ 片段在细 胞核中是分开的 。 在细胞分化成熟的过程中 , 编码高变区的小基因可插人骨架区基因中 , 从而形成一个完整 的可变区基因 。 基因嵌人模式本质上是一种基因重排理论 。 当时 , 正如 ϑ,. ,− 本人所说的 Μ “几乎没有一个 人相信我们的这个模式。 ”但以后几年 , 一在细菌和植物 , 甚至哺乳动物细胞中发现的插入顺序和转座子引起 了人们的重视 , 并在哺乳动物细胞内发现了催化基因嵌入的酶 , 从而使蒸因嵌入模式变得引人 注 目 了 。 � � 5 Δ 年 , 当时在瑞士巴塞尔免疫学研究所工作的 , 年仅 #Δ 岁的青年科学家利根川进用分子杂交的方法 , 对 研究另辟蹊径 , 在抗体基因结构的研究中取得了重大突破 , 大大推进了抗体多样性遗传基础的认识 。 四 、 抗体可变区荃因结构和重排 利根川进在研究思路上的一个重大突破是把研究目标转向对小鼠胚胎细胞基因的分析。 首先 , 他们用核 普酸顺序分析证明 , 在 �! 天龄的小鼠膝胎细胞中 , 高变区的顺序已经固定在骨架区的颇序内。 基因嵌入模 式认为 , 只有在成熟的抗体分泌细胞中 , 高变区顺序才插入骨架区 , 因此 , 利根川进的发现无疑是对基因 嵌人模式巨大的冲击 。 对此 , ϑ,. ,− 提出 , �! 天的胚胎细胞并不是真正的生殖细胞 , 因此 , 不能否定在生 殖细胞中高变区基因与骨架区基因分开的假设 。 利根川进随即证明 , 他们对小鼠精子细胞和胚 胎 细胞 中 Α Β Χ 结构分析的结果说明 , 生殖细胞和 �! 天的胚胎细胞中可变区基因的核普酸顺序是相同的 。 他们又用 免疫球蛋白轻链的 Ε Ο Β Χ 反转录的 ; Α Β Χ 作探针 , 检查了小鼠胚胎细胞和成熟的抗体分泌细胞+骨髓瘤细 胞4轻链的可变区基因。 结果发现 , 完整的可变区基因在胚胎时是两个分开的基因片段 , 一个编码可变区 �Π � 了个氨基酸 +现称为 2 基因4 Η 另一个编码其它 �# 个左右的氨基酸 +现称为 Ν 基因4 。 而在骨髓瘤细胞中 , 这 两个基因完全拼接在一起 。 说明在抗体分泌细胞成熟的过程中 , 发生了 Γ 基因和 Ν基因的重排。 在 2 基因 中 , 既包括高变区顺序 , 也包括骨架区顺序 , ‘这就直接否定了小基因嵌人模式 。 但 ϑ ,. ,− 等提出的基因嵌 入模式第一次提出了基因相互作用和重排的概念 。 利根川进的工作证明 , 在抗体分泌细胞分化成熟的过程 中 , 这种后天发生的 Γ 一 Ν基因的重排确实是抗体多样性产生的重要原因 。 利根川进又进一步证明 , 在胚胎期 , 可变区基因和稳定区基因也是分开的 Η 而在成熟的细胞中 , 两个基 因已拼接在一起 。 ∀ 年代初, 利根川进在研究重链可变区基因时发现 , 完整的重链可变区基因 , 除 2 基因 和 Ν基因外 , 还有一个与其分开的 Α 基因 +0 (2% ∋ 3(− 1 ∗%) %4 。 Α 基因为可变区的一个高变区编码 , 在抗体 多样性的发生上具有重要意义 。 利根川进在上述工作基础上 , 提出在抗体基因形成过程中 , 至少发生两次 Α Β Χ 水平上的基因重排 Μ 一次是 Γ 一 Α 一Ν+ 重链4或 Γ 一Ν+ 轻链4基因的重排 , 这次重排形成了完整的 Γ 区基因 Η 另一次是 Γ 一 Α 一Ν基因 与不同的 Ι 基因的重排 , 产生不同类的抗体+Θ∗ Ρ , Θ∗ Λ 等4 。 这种基因重排现象在成年动物骨髓中的前 ∃ 细胞向成熟 ∃ 细胞分化过程中同样出现 。 生理科学进展 � � �年第!∀ 卷第 # 期 · 读者之声 · 对高师生物系人体及动物生理学教材的几点意见 人体及动物生理学是综合大学和师宛院校生物学系的一门重要基础课程 Σ 由于种种原因 , 长期以来 , 生物系的生理学教材大都借用医学院校的 , 由于两类学校的培养目标不同 , 对培养生物学人材来说 , 显然 有不足之处 。 因此翌从事生物学系生理学工作的教师已先后编写了《基础生理学》+赵以炳主编4 , 《动物生理 学》+陈守良4 , 《人体及动物生理学》+王粉等4 , 《生理学实验》+中山大学等4以及一些由地方出版社出版的教 材 , 这无疑有利于生物学系的教学 。 为进一步提高教材质量 , 拟就以下几个方面提出一些不成熟的意见 , 供同行们参考。 一 、 教材中应适当鳍太比较生理学讯内容 赵∗ 烟先生隶陈守良先生在 � � 。年〔’〕就提出了这一向题 , 并对此向题根据综合大学生物系的特点作了 深刻淤分析。 对于高等师范院校 , 我认为也应该这样。 因为高师的培养 目标和综合大学的培养目标有共同 之处 , 它们都是培养从事生物学的研究和教学人材 , 这是共性 。 因此 , 这两类学校培养出来的学生应该有 着共同的生物学基础 。 从这一点出发 , 赵先生等的意见也完全适用于高师生物系 。 人体及动物生理学作为生物系的一门基础裸程是研究人体和动物生命活动的一 般规律 , 应该面向整个 动物界 。 因此 , 作为教材应当以人体及哺乳动物的器官、 系统生理学为主干内容 , 在这一基础上再适当增 加一些重要的比较生理学的知识玉例如呼吸的机制 , 在省稚动物的各纲差别较大 , 除了人体及哺乳动物的 呼吸机制外 , 应再简要说明鸟类更爬行 、 两栖 、 鱼类的呼吸机制。 这样做 , 一方面使学生加深了对动物生 命括动复杂性的认识 , 另一方面又进一步讯固了动物学的知识 , 因为动物学多在二年级开设 , 当时学生还 仅具感性认识 , 朱能深化 。 总的效果可开阔学生的思路 , 扩大学生的知识面 。 有的学生在实验时发现 , 蟾 蛤的肺为什么在打开体腔后不是萎缩而是膨胀Τ 如果讲了两栖类肺通气的机制与喃乳类的区别 , 这个问题 就可以得出答案了。 又如 , 鲸类 、 海豹等水生哺乳动物用肺呼吸 , ‘为什么能潜人水下几十分钟、 甚至几小 时而不呼吸 Τ 它与陆生哺乳动物的呼吸有何区别Τ 学生尽管学了生理学 , 还是解释不了这些现象 。 所以 , 增加一些比较生理学的内容 , 对开发学生的智力是有好处的 。 陈守良先生写的 《动物生理学》 在这一方面作 出了榜样。 当然 , 每章中究竟应增加多少内容 , 需要再讨论。 高师与综合大学也有不同之处 , 高师主要是培养中学和部分高校的生物学教师 , 而综合大学主要是培 养生物学研究人员。 如何体现出这种区别 Τ 当然主要是从裸程设置上 , 如高师有人体解剖学 、 教学法 、 心 理学 、 教育实习等 , 而综合大学则没有。 就人体及动物生理学来说 , 我认为只要附上一章 “生长和发育”即 可 , 其余全部内容则不应与综合大学有很大区别。 二 、 对于一些实验现象的解释 , 教材应做出较高深度的分析, 不能只描述实验现象 , 这对于培养学生 5∀ 年代末、 ∀ 年代初 , 利根川进对抗体基因结构的研究彻底解开了抗体多样性的奥秘 。 目前认为 , 抗 体多样性是由多种机制综合作用的结果 Μ 〔+( 4 多个胚系 2 基因 +Ε > (− (Υ :% ∗ % ∋Ε :() % Γ ∗ % ) % 3 4Η +! 4 2 一Ν 和 2 一Α 一Ν重排 +2 一 Ν , ) 0 1 一Α 一 Ν ∋% , ∋ ∋, 。∗ / Ε %) −4 Η +# 4 基因重排过程中的变异+∋ % % / Ε . () , −(/ ) , : () , % % > ς ∋, % (% 34 Η +6 4 体细胞点突变+3/ Ε , −(% Υ / () − Ε > −, −(/ ) 4 Η +≅4 重链和轻链的配对组合 +, 33 / ∋ −% 0 & % , 2 1 , ) 0 :(∗ & − % & , () 3 4 。 抗体多样性之谜的揭开是现代分子生物学最激动人心的一页 , 在这百年探索的进程中 , 从 ∃%& ∋ ()∗ 到禾止 根川进 , 前后共有 5 名生物学家被推上了诺贝尔奖的领奖台。 参 考 文 献 〔� 〕ϑ () 0 − 〔! 〕Ρ , ∋ Κ ΘΕ Ε > ) / ∗ % ) % −(% , � � 5 Η Δ +吐4 Μ # ∀ , Ω %(% ) % % � � 5 多 ! ∀ ! +6 # Δ≅ 4 Μ ! � Ρ , ∋ Κ Ν< Σ Ω % (% ) % % �� 5 Η ! ∀ ! +6 # Δ Δ 4 Μ 6 � ! Ρ , ∋ Κ Ν< Σ Ω % (% ) ; % � � 5 Η ! # +6 ! Δ 4 Μ 6 ‘