免疫系统对抗体的反应是一个很好的例证。 抗体的免疫反应仅在高等脊椎动物中存在。 这是已知的最精妙复杂的身体抵御外部物质的系统。 入侵物称作抗原或者免疫原(immunogen)。 由于蛋白质和糖类等任何物质都可以成为抗原, 抗原的形式是无限的。
抗体是免疫球蛋白的一种, 可与抗原选择性的反应, 是仅含有20个氨基酸的短链蛋白质, 由重链和轻链构成V型核心区域。 由于DNA中的遗传信息控制蛋白质合成, 一个生物体有必要包含所有抗体的信息吗? 是否是由几十亿条遗传信息合成几十亿种抗体来抵抗几十亿种抗原? 人类仅有几万基因, 容不下如此巨大的数量。
为解决这个问题, 活的生物体使用文库方法。 在整个抗体结构中, 与各种抗原结合的位点是最重要的。 结合位点至少包含5段随机肽链其中有重链和轻链。 它们并不是仅由一个基因编码的。 如果有10个片断, 总组合就是 100,000, 于是这个方法就能够形成多样的结构。
免疫系统实际上仅使用数百基因即可建立数十亿抗体来对抗外部物质。
让我们讨论一下文库方法是如何用于抗体合成的。 抗体是一种称为 免疫球蛋白(Ig)的蛋白质, 被分为G，A，M, E, D等几类。 最典型的抗体是IgG, 有Y型三维结构, 包含两套重链和轻链, 质量约是150kD。
抗原结合片断(Fab), 也即识别抗原的位置, 在抗体的末端, 桥型部分称作晶化片断(Fc)。 抗原结合位含108个氨基酸, 有三个片断, 称作V区(可变区), D区(差异区)和J区(连接区)。 换句话说, 它是各种不同的V-D-J组合, 一个是V区变化(V1 ,V2,V3。
。。V250), 一个是D区变化(D1,D2,D3。。。D15), 一个是J区变化(J1,J2,J3。。。J5)。 因此, 总组合的个数是250 x 15 x 5 = 18,750, 但这只适用于重链。 轻链有V-J组合但没有D区, 这样就是250(V) x 4(J) = 1,000种选择。
所以总的重链和轻链个数是18,750 x 1,000 = 18,750,000。 另外, 因为D-J和V-J之间相连的桥不匹配所导致的选择拼接可以产生额外的多样性, 约为三倍。 这与文库生产有关。
根据V-D-K遗传信息按照这种组合产生的抗体称为胚系抗体(Germline Antibody)。
尽管很多种不同的抗原入侵, 但仅有几种抗体抗原结合相对紧密。 但是, 18,750,000 x 3 (考虑选择拼接)并不是所有可能的组合。 还有更多呢! 由于结合位点含有108个氨基酸, 每个又可能是20种氨基酸中的一种, 理论上说可产生20108种抗体。
大自然在这一点上大自然又耍了个花招。 在胚系抗体中B淋巴细胞(一种体细胞)产生一种可与抗原紧密结合的前导抗体。 B淋巴细胞通过部分突变不断产生新修饰的抗体群, 这称为体细胞突变。 体细胞突变可以产生新的多样性, 用以选出优化后的与抗原结合更紧密的抗体。
这一步与文库优化过程有关。
关于抗体-抗原和酶-底物键合有两种互为竞争的模型: 锁钥模型和诱导契合模型。 锁钥模型解释了结构互补电荷相异的抗原与抗体在特定位置特异性结合的基础, 诱导契合模型解释了相对较大的抗体通过改变结合位形状与抗原的几种构象结合。
根据对胚系抗体和体细胞突变最近研究, 胚系抗体通过改变形状与抗原结合符合诱导契合模型。 另一方面, 体细胞突变符合锁钥模型。 这时, 突变的氨基酸能够协助形成抗体非结合位的特定形状。 因此, 一旦抗原被识别, 胚系抗体就被选出来柔韧地抓住抗原, 然后体细胞突变以加强构象, 从而增强对抗原的结合。
。
全部
