与病毒的战斗中,当我们靠的的体内的1亿种抗体“特种部队”

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来源:中国科学博览会

疫苗可以说是人类在医学领域最伟大的发明之一。每一种疫苗的诞生,都意味着我们找到了战胜某些传染病的可能途径。在SARS-CoV-2影响全球的今天,开发相应的疫苗成为全世界关注的焦点。

科学家研发针对新冠病毒的疫苗(图源:https://www.bmbf.de/en/coronavirus-status-of-vaccine-development-11210.html)

疫苗之所以能发挥作用,是因为它能促进机体产生抗体,从而达到免疫的效果。那么,抗体是如何产生的,它们是如何工作的呢?

人体内驻扎着近1亿种“特种部队”

抗体是适应性免疫系统的一员,具有特异性,即特异性抗体会结合病原体表达的特异性抗原。为了对付自然界中存在的各种病毒、细菌、真菌和寄生虫(统称为病原体),科学家估计人体大约需要1亿种抗体。就好像有一亿种“特种部队”驻扎在人体内,随时准备发动攻击。抗体是由B细胞产生的,也就是说人体大约需要1亿种B细胞。

但人体内的所有细胞都是由受精卵分裂而来的,所有后代细胞的DNA都和受精卵一模一样,只是复制上有些错误。DNA和编码信息一样,可以被解密成另一种语言——蛋白。抗体的化学性质也是蛋白质。如果是这样的话,每一个B细胞都应该产生同样的抗体。那么抗体的多样性从何而来呢?

日本科学家Susumu Tonegawa于1977年解开了这个谜。十年后,他因阐明抗体多样性的遗传原理而获得诺贝尔奖。Susumu tonegawa认为传统理论总体上是正确的,但也可能有例外。所有的B细胞一开始都是一样的DNA,但是当它们分化成熟后,用来制造抗体的基因就发生了变化,多样化了。这一假设通过研究成熟B细胞和不成熟B细胞的DNA序列得到了证实,科学家发现了抗体基因的调节标志。

未成熟的B细胞有四种类型的抗体基因模块,每种都是由略有不同的基因拷贝组成。成熟的B细胞选择并结合这四种类型的基因,形成自己独特的基因。就像打牌一样,同一副牌,洗牌后,大家画出各种组合。

未成熟和成熟B细胞的抗体基因组成

成熟B细胞中抗体的重链和轻链基因就是通过这种混配策略形成的,可以产生约1000万个不同的B细胞。再加上DNA片段连接时核酸可能缺失或额外增加,B细胞的多样性会进一步增加,所以人体内大约有1亿种抗体。

同样的原理在生物界并不少见。比如20种氨基酸可以串联折叠成无数种蛋白质大分子,4种脱氧核苷酸可以形成各种DNA遗传信息,单糖分子的组合可以形成各种多糖.

蛋白质(左),基因(中)及多糖(右)的组成示意图(作者改编)

这些结构最小的单元就像计算机程序代码中的代码元素。即使是二进制中看似简单的0和1,也可以形成无数个序列,可以编制出令人惊叹的内容。生活的设计者巧妙地运用了同样的原理。

抗体的死亡之吻

在我们接触病原体之前,基因很久以前就准备了各种抗体,那么它们是如何工作的呢?

当一种病原体侵入体内时,病原体表达的抗原最初被相应B细胞表面的抗体识别,此时的抗体也称为B细胞受体(bcr)。每个b细胞大约有10,000个BCr。当a b细胞的bcr与其匹配的抗原发生碰撞时,b细胞会受到刺激而增殖,b细胞会转化成抗体制造厂(此时称为浆细胞),在生产的同时将抗体从细胞中运输到血液中,以应对同样在增殖的病原体。

抗体结构可分为Fab(片段抗原结合)片段和Fc(片段常数)片段。Fab含有可变区,即每种抗体有不同的抗原结合位点。当身体受到特异性抗原刺激时,B细胞会产生特异性抗体——,一个对抗入侵者的专业敢死队。

抗体结构示意图

抗体就像抗原和巨噬细胞之间的桥梁。一端(Fab)结合抗原,另一端(Fc)结合巨噬细胞膜表面的Fc受体,介导巨噬细胞对抗原的吞噬作用。就像抗体给抗原一个死亡之吻,让巨噬细胞破坏它。然而,作为抗原抗体复合物的一部分,抗体随抗原一起死亡。免疫系统的许多成员都是如此勇敢无私地捍卫他们主人的健康。

抗体的桥连作用(左)及巨噬细胞吞噬(右)

免疫系统的记忆功能让疫苗能发挥作用

为了对付不同的病原体,我们体内有很多种B细胞,但是每个B细胞的数量并不大(血液中大约有30亿个B细胞,所以大约30个B细胞可以对每个特定的抗原产生特定的抗体)。只有当一种特定的病原体入侵时,人体才会产生更多能对付这种病原体的B细胞。这种现象在免疫学上称为克隆选择。

一方面,这种设计避免了用各种各样的B细胞填充我们的血液,因为许多B细胞可能没有用处。比如你可能一辈子都得不到SARS或者HIV,所以你就不需要大量能产生相应抗体的B细胞。

另一方面,经过一周左右的免疫应答,当免疫系统破坏入侵者时,B细胞不再受到刺激就会死亡,只剩下少量的记忆B细胞。这样可以让身体在下次遇到同一个敌人时快速反应和战斗,省去了几天痛苦的战争,这叫“知己知彼,百战不殆”!

疫苗接种(图源:Veer图库)

人类正是通过使用类似的策略,发明了疫苗,这是为了帮助免疫系统为凶猛的敌人做好准备。实际上,用于接种的疫苗是一种结构和病原体相似但毒性较弱的抗原。当用疫苗刺激B细胞时,免疫系统对抗体产生的反应就像一场预演战,让身体知道并记住敌人的特征。当真正凶狠的敌人出现时,免疫系统胜算更大。