讨论:脊椎动物的适应性免疫系统

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总论

  • 适应性免疫（Adaptive Immunity）是脊椎动物特有的免疫系统，其核心是抗原诱导个体产生的抗体。
  • 抗原（Antigen）是身体认为应该清除的物质，最本质特征是能引起个体产生抗体（Antibody），化学本质多种多样，各种小分子、蛋白质、核酸都有可能是抗原。
  • 抗体的化学本质是免疫球蛋白，它是由基因组中特定的序列经变异和重组产生的，几乎对每种抗原都有能与之高度专一结合的抗体。（对于核酸，没有针对特定序列的抗体，只有抗DNA、抗RNA的抗体）
  • 免疫球蛋白基因的重组是在有丝分裂期间发生的，这也是有丝分裂期间唯一会发生联会重组现象的地方，此现象有时称为体细胞交换（Somatic Recombination）。
  • 行使适应性免疫的细胞是淋巴细胞，主要分T细胞和B细胞，分别进行细胞免疫（Cell-mediated Immunity）和体液免疫（Humoral Immunity）。

从先天免疫系统到适应性免疫系统

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图1：淋巴结
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图2：细胞进入淋巴结的两条途径
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图3：腹腔器官，脾在最右侧
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图4：脾的解剖
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图5： 脾的组织学
  • 具有吞噬功能的细胞将抗原消化后，将其碎片通过主要组织相容性复合体（Major Histocompatibility Complex，MHC）呈现在细胞表面。
  • MHC有两类：MHC I和MHC II；几乎所有细胞都能表达MHC I（所有有细胞核的细胞，以及血小板；红细胞除外）；而MHC II只在特定细胞表面表达。
  • 表达MHC II的细胞同时又能表达共刺激信号（Co-stimulatory Signal），对于初次入侵的抗原而言，它是引起适应性免疫的必不可少的信号，这类细胞又称为专业抗原呈现细胞（Professional Antigen-presenting Cell，APC）。
  • B细胞也能表达MHC II，但它不产生共刺激信号，而且它在适应性免疫启动后才被激活，因此不属于APC。
  • 最重要的APC是树突状细胞（Dendritic Cell，DC）。
    • 树突状细胞有多种获取抗原的方式。
      1. 由受体介导的胞吞：DC表面有多种PAMP受体，除了常见类型（见先天免疫系统）外还有IgE受体。
      2. 巨胞饮（Macropinocytosis）：在微丝骨架的作用下，树突状细胞的细胞膜不断褶皱，将细胞外的溶液吸收入细胞内，每小时就能吸收相当于细胞体积的溶液，此作用可以被细胞松弛素D（Cytochalasin D）和阿米洛利（Amiloride）抑制。
      3. 吞噬作用（Phagocytosis）：DC可以直接吞下细菌、凋亡细胞等大颗粒物质。
    • 将抗原切割为碎片的主要是组织蛋白酶（Cathepsin）。
    • 来自高尔基体的含有MHC II的分泌泡与来自细胞外的含有抗原的内体集中在细胞中的MIIC区域，这里它们融合，抗原与MHC II结合。
    • MHC II刚刚被合成出来时，它与CLIP蛋白结合在一起，需要HLA-DM蛋白将CLIP蛋白替换为抗原。
    • 一部分抗原会被释放入细胞质，与MHC I结合，再进入内体移动至细胞膜。
    • 细胞膜上的MHC可以被回收，含有MHC的内体也会移动至MIIC区域。
  • 除了树突状细胞，一些巨肥细胞、上皮细胞、嗜酸性粒细胞也能表达MHC II，因此也是APC。
  • DC被抗原激活后，会进入循环系统，移动至淋巴器官中。
  • 淋巴器官：
    • 淋巴器官分为初生淋巴器官和次生淋巴器官。
    • 初生淋巴器官产生新的淋巴细胞，骨髓产生B细胞，胸腺产生T细胞。（鸟类中，B细胞是由法氏囊，又称腔上囊，产生的）
    • 次生淋巴器官是淋巴细胞被激活，启动免疫应答的地方，这也是DC细胞进入的地方，包括淋巴结和脾，以及一些上皮组织中的类淋巴组织（Mucosa-associated Lymphoid Tissue，MALT）。
    • 淋巴结：
      • 淋巴结呈椭球形或肾形，长约0.1-2.5 cm，沿淋巴管分布。
      • 淋巴结最外层是被膜（Capsule），有多个入口淋巴管（Afferent Lymph Vessel）。
      • 淋巴结的一侧有淋巴结门（Hilum），有唯一的出口淋巴管（Efferent Lymph Vessel），以及血管的动脉和静脉出入的地方。
      • 皮层由致密结缔组织形成，它向淋巴结内部伸出许多小梁（Trabeculae），形成粗糙的骨架。
      • 小梁上附着有网状细胞（Reticular Cell，一种成纤维细胞），这些细胞分泌网状纤维（Reticular Fiber），形成细密的骨架。
      • 细密骨架上附着有树突状细胞和巨噬细胞，一部分树突状细胞与B细胞交织在一起，失去了产生MHC II的能力，并且能存储抗原-抗体复合体，这类树突状细胞称为滤泡树突状细胞（Follicular Dendritic Cell）。
      • 骨架结构贯穿整个淋巴结，除此之外淋巴结由外向内分三层：皮层（Cortex）、副皮层（Paracortex）、髓层（Medulla）。
      • B细胞集中在皮层中，排列成淋巴滤泡（Lymphatic Nodule）。
      • 淋巴滤泡分为初生滤泡和次生滤泡，次生滤泡的中心有生长中心（Germinal Center），它是B细胞分裂的地方。
      • 副皮层没有淋巴滤泡，但它是T细胞集中的地方。（如果婴儿时期做手术摘除胸腺，则副皮层无法发育，因此它又被称为依赖胸腺的皮层，Thymus-dependent Cortex）
      • 髓质由髓索（Medullary Cord）和髓窦（Medullary Sinus）组成，髓索含有少量淋巴细胞（主要是B细胞）、浆细胞，髓窦是出口淋巴管的分支。
      • 淋巴结的静脉有高内皮微静脉（High Endothelial Venules），这是血液中的细胞进入淋巴结的地方。
    • 类淋巴组织：
      • 类淋巴组织分布部位很多，主要有消化道、气管、泌尿道等，其中肠道的类淋巴组织（称为GALT）能代替骨髓作为B细胞成熟的场所。
      • 类淋巴组织一般存在于黏膜的固有层（Lamina Propria）。
      • 类淋巴组织没有入口淋巴管，没有被膜，只是一团成纤维细胞、淋巴细胞（包括浆细胞）、嗜酸性细胞，但静脉有高内皮微静脉，也有出口淋巴管。
      • 一部分类淋巴组织形态类似于淋巴囊泡，称为淋巴小结（也叫Lymphatic Nodule），它也分初生小结和次生小结。
    • 脾（Spleen）：
      • 脾的体积很小，但功能很多，除了作为免疫器官，还有造血、生产多种血浆蛋白、储存多余金属（各种重金属）、清除微生物、抗原等外来物、参与脂质、氨基酸代谢等一系列功能。
      • 然而脾对于人又不是必须的，它被摘除后其功能会逐步转移到肝等器官。
      • 脾是最大的免疫器官，本文仅讨论其免疫功能。
      • 脾的最外层是被膜（Capsule），向内伸出小梁（Trabeculae）。
      • 脾没有入口淋巴管，只有出口淋巴管和静脉、动脉，都在脾门（Hilum）处进出。
      • 脾的被膜和小梁中有丰富血管，被膜有成肌纤维细胞（Myofibroblast），可以收缩，在一些哺乳动物中脾可用于储存红细胞，被膜收缩时将储存排出，在人类中一般不大量储存红细胞，但被膜仍有收缩功能。
      • 脾的内部分为红髓（Red Pulp）和白髓（White Pulp），在切面中，白髓呈圆形或细长条，被红髓包裹。
      • 白髓由一团淋巴细胞包裹着中心动脉组成。
      • 在一些部位，白髓膨大成球形，中心动脉通常处于偏离中心的位置，此处集中的是B细胞；T细胞位于白髓其它部分。
      • 有时白髓也会产生淋巴小结，也有次生小结，此时称为脾小结（Splenic Nodule）。
      • 红髓呈红色是因为有大量红细胞，它由脾窦（Splenic Sinus）和脾索（Splenic Cord）组成。
      • 脾索由网状细胞和网状纤维构成骨架，附着有红细胞、巨噬细胞、淋巴细胞（包括浆细胞）、树突状细胞、粒细胞。（猫科、啮齿目动物还有巨核细胞，人类只在胚胎期有）
      • 脾窦实际上是毛细血管，其内皮细胞非常长而相互间空隙很大，允许红细胞通过。
      • 脾的动脉进入白髓后，中心动脉在白髓和红髓分界处向红髓分支出一些直行的动脉，称为笔毛微动脉（Penicillar Arteriole）。
      • 笔毛微动脉变为毛细血管后，其周围有一团巨噬细胞包围，称为鞘毛细血管（Sheathed Capillary），最后毛细血管也消失不见，血液直接被排入组织液。
      • 红髓的功能是销毁老旧的红细胞，回收其中的铁，同时筛查血液中的抗原。
      • 经过检查的血液和红细胞又通过脾窦重新回到血管中。（这是人体中唯一一处采用开式循环的地方，在犬科和啮齿目中这里采用的也是闭式循环）
  • DC被激活后，既可进入血液也可进入淋巴管，最终到达次生淋巴器官；此外淋巴管会从组织液吸收一部分物质，通过入口淋巴管运入淋巴结，被那里的树突状细胞处理。
  • T细胞主要有两种：CD4+和CD8+；前者由MHC II激活，后者由MHC I激活，它们都需要共刺激信号。
  • B细胞可以直接识别组织液中的抗原，但它需要在CD4+ T细胞的帮助下激活。

淋巴细胞

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图6：T细胞表面的受体
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图7：V(D)J重组现象（以B细胞为例）
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图8：V(D)J重组的方式
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图9：胞毒细胞引起被感染细胞凋亡
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图10：免疫球蛋白
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图11：五类免疫球蛋白比较
  • 淋巴细胞是唯一可以在血管、淋巴管、淋巴器官中反复移动的白细胞。
  • 淋巴细胞分为B细胞、T细胞、类淋巴细胞（Lymphoid Cell），不是所有的淋巴细胞都是适应性免疫的组成部分。

T细胞

  • 所有的T细胞表面都有类似于（但不属于）免疫球蛋白的TCR（T Cell Receptor），每个TCR有一个抗原结合位点，每个T细胞有约30000个TCR。
  • 能启动适应性免疫的T细胞的共同特征是TCR由α链和β链组成，且细胞表面有CD4或CD8蛋白。
  • α链和β链的结构见图6，各有一个固定域（Cα和Cβ）和可变域（Vα和Vβ）。
  • α链由V和J两种基因共同编码，β链由V,D,J三种基因共同编码。
  • 对于同一种链，编码它的几种基因处于同一染色体上，每种基因都有多个不同的拷贝（注意不是等位基因），T细胞在胸腺中成熟时，从每种基因各取一个拷贝，组合在一起形成它自己的TCR。（α链和β链的基因在不同的染色体上，每个T细胞只表达一种TCR）
  • 有时经过V(D)J重组产生的TCR没有表达活性，这种细胞自动凋亡，称为β筛选（Beta-selection）。
  • T细胞通过V(D)J重组产生TCR后，会与胸腺的DC和上皮细胞接触，这些细胞表面有展示了人体自身蛋白的MHC，若T细胞的TCR与这些蛋白紧密结合，则T细胞自动凋亡，这是负选择（Negative Selection），保证T细胞不会攻击人体自身细胞。
  • 但是如果T细胞的TCR完全不与MHC II结合，则这种细胞不能正常发挥免疫功能，也会凋亡，这是正选择（Positive Selection），保证T细胞能结合MHC。
  • 因此，存活下来的T细胞都是能与展示人体自身蛋白的MHC蛋白轻度结合（不足以引起激活）的细胞。
  • 刚刚产生的T细胞，同时表达CD4和CD8，在正选择和负选择过程中，与MHC结合程度更高的那种被保留，而另一种的基因通过DNA甲基化被失活，因此成熟的T细胞不会同时是CD4+和CD8+。
  • 刚刚在胸腺中成熟的T细胞，称为原始T细胞（Naive T Cell），它通过血管进入次生淋巴器官，在那里TCR与APC表面的MHC结合，被激活，成为效应T细胞（Effector T Cell）。
  • DC一般需要和T细胞结合几个小时，才能激活T细胞，DC不但要产生MHC II和共刺激信号，还要特定的细胞连接蛋白，并要在结合时分泌特定的细胞介素。
  • 效应T细胞有两种：辅助T细胞（Helper T Cell，属于CD4+）、胞毒T细胞（Cytotoxic T Cell，属于CD8+）。（原始CD4+ T细胞也可以分化成调控T细胞（Regulatory T Cell），但它不被认为属于“效应T细胞”）
  • 辅助T细胞又分化成三类：Th1、Th2、Th17，它们的区别在于分泌的细胞介素种类不同。
  • 辅助T细胞的功能是激活免疫系统的其它细胞，包括胞毒T细胞和B细胞。
  • 胞毒T细胞识别表面存在自己的TCR能结合的抗原的细胞，并引起这些细胞凋亡。
    • 胞毒T细胞首先要和被感染细胞结合，形成免疫突触（Immunological Synapse）结构。
    • 胞毒T细胞引起被感染细胞凋亡的途径有两条：Fas和TRAIL凋亡信号途径、颗粒酶途径。
    • Fas和TRAIL凋亡信号途径见细胞死亡。
    • 颗粒酶途径中，胞毒T细胞首先产生含有穿孔素（Perforin）和颗粒酶（Granzyme）。
    • 穿孔素扰乱被感染细胞的细胞膜和溶酶体膜。
    • 颗粒酶有多种，最常见的是颗粒酶B，它代替细胞凋亡的启动者，切割胱天蛋白酶3和7（都是执行者），此外它还切割线粒体膜上的BID蛋白，启动内源凋亡途径，后来还发现若BID蛋白基因不表达，颗粒酶仍可扰乱线粒体引起内源凋亡，机制不明。
  • 根据表达细胞介素不同，胞毒T细胞分两类（CTL1和CTL2）。

B细胞

  • B细胞表达免疫球蛋白，既可固定在细胞膜上作为抗原受体（BCR，B Cell Receptor），亦可分泌到血液中，称为抗体（Antibody）。
  • 免疫球蛋白与TCR相似，也是通过V(D)J重组产生的，其特点有：
    • 与TCR结构不同，它由两个相同亚基组成，TCR由两个不同亚基（α链和β链）组成。（见图10）
    • 每个亚基由两条链组成，分别称为重链和轻链（Heavy/Light Chain）。
    • 重链有三个固定域和一个可变域，轻链有一个固定域和一个可变域。
    • 每个免疫球蛋白有两个抗原结合位点。（TCR只有一个）
    • 根据编码重链的固定域的基因，将免疫球蛋白分为五类：IgA、IgD、IgE、IgG、IgM。（其主要区别见图11）
    • 产生免疫球蛋白的重组过程比产生TCR多一步，那就是可变域的部分区域发生超突变（Hypervariability），即发生比一般突变率高得多的突变，大大增加免疫球蛋白的种类。
    • 免疫球蛋白对抗原的结合亲和度通常比TCR高。
  • 一开始，B细胞只产生BCR，不分泌抗体；在骨髓中（未成熟）产生IgM，离开骨髓后也产生IgD；这些BCR的抗原结合位点一定是一样的。
  • IgM和IgD共同构成初生免疫球蛋白库（Primary Ig Repertoire），每个人的初生库有约1012种不同的免疫球蛋白，它能保证对每种抗原都有BCR，但普遍对抗原结合程度不高。
  • B细胞需要在脾中完成从只产生IgM到同时产生IgD的转变。
  • 即使没有辅助T细胞，B细胞遇到抗原时也能被激活，但存活时间短，分泌的抗体少，抗体变化不大，不产生生长中心。
  • 在辅助T细胞的调控下，B细胞遇到抗原时第二次启动超突变，大大增强免疫球蛋白对抗原的亲和度，并且免疫球蛋白的类型扩展到五类都有，此时B细胞称为浆细胞（Plasma Cell），并且在淋巴滤泡中聚集成生长中心。
  • 抗体与抗原结合不会直接破坏抗原，它会吸引白细胞、补体蛋白等共同清除抗原。
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