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科技報導

在抗擊病毒方面,我們依靠體內“特種部隊”億萬種抗體



疫苗可以說是人類在醫學領域最偉大的發明之一。 每一種疫苗的誕生都意味著我們已經找到了克服某種傳染病的方法。 如今,當新的冠狀病毒影響世界時,相應疫苗的開發也已成為全世界關注的焦點。 疫苗之所以起作用,是因為它們可以促進人體中抗體的產生,從而達到免疫效果。 那麼,抗體是如何產生的以及它們如何起作用?

駐紮在人體的近一億“特種部隊”

抗體是適應性免疫系統的成員,具有特異性,即特異性抗體將與病原體表達的特異性抗原結合。 為了應對自然界中存在的各種病毒,細菌,真菌和寄生蟲(統稱為病原體),科學家估計人體需要大約1億種抗體。 這就像隨時有1億“特種部隊”駐紮在人體中隨時準備進攻一樣。 抗體是由B細胞產生的,這意味著人體需要大約1億種B細胞。

但是,人體中的所有細胞都來自受精卵的分裂。 除了複製過程中可能發生的某些錯誤外,所有子代細胞的DNA都與受精卵的DNA完全相同。 DNA就像編碼信息一樣,可以解密為另一種語言蛋白質。 抗體的化學性質也是蛋白質。 在這種情況下,每個B細胞都應產生相同的抗體。 那麼抗體的多樣性從何而來?

日本科學家Susumu Tonegawa在1977年解決了這個難題,十年後,他因闡明抗體多樣性的遺傳原理而獲得了諾貝爾獎。 Tonegawa認為傳統理論通常是正確的,但可能會有例外。 所有的B細胞起初都具有相同的DNA,但是當它們成熟後,用於製造抗體的基因就會發生變化並且多樣化。 通過研究成熟和未成熟B細胞的DNA序列,可以證實這一假設,科學家發現了抗體基因的模塊化設計。

未成熟的B細胞具有四種主要類型的抗體基因模塊,每種模塊均由序列略有不同的基因拷貝組成。 成熟的B細胞從這四種類型的基因中進行選擇和組合,以形成自己的獨特基因。 就像玩紙牌一樣,在洗牌後,同一副牌中的每個人都會繪製各種組合。

未成熟和成熟B細胞的抗體基因組成

未成熟和成熟B細胞的抗體基因組成

成熟的B細胞中抗體的重鍊和輕鏈基因都是通過這種混合匹配策略形成的,可以產生約1000萬個不同的B細胞。 再加上連接DNA片段時可能發生的核酸缺失或額外添加,B細胞的多樣性將進一步增加,因此人體中的抗體類型可達到約1億種。

相同的原理在生物界並不罕見。 例如,可以將20種氨基酸串聯折疊成無數種蛋白質大分子,4種脫氧核糖核苷酸可以形成各種DNA遺傳信息,單醣分子的組合可以形成各種多醣。 …

蛋白質(左),基因(中)和多醣(右)的組成示意圖(作者改編)

蛋白質(左),基因(中)和多醣(右)的組成示意圖(作者改編)

這些最小的結構單元就像計算機程序代碼中的代碼元素。 甚至二進制系統中看似簡單的0和1也可以形成無數序列並編寫令人驚奇的內容。 生活的設計師非常巧妙地運用了相同的原理。

死亡之吻

在我們接觸病原體之前,基因已經準備了多種抗體,那麼它們如何發揮作用?

當病原體侵入人體時,由病原體表達的抗原首先被相應B細胞表面的抗體識別。 此時,該抗體也稱為B細胞受體(BCR)。 每個B單元大約有10,000個BCR。 某個B細胞的BCR擊中其匹配抗原後,該B細胞將受到刺激並增殖,並且該B細胞將變成抗體製造工廠(此刻稱為漿細胞),同時生產,運輸抗體從細胞中抽出到血液中,以處理同樣增殖的病原體。

抗體的結構可分為Fab(片段抗原結合)片段和Fc(片段常數)片段。 Fab包含可變區,即每種抗體具有不同的抗原結合位點。 當身體受到特定抗原刺激時,B細胞將產生特定抗體-一種針對入侵者的專業死亡小隊。

抗體結構示意圖

抗體結構示意圖

抗體就像連接抗原和巨噬細胞的橋樑。 一端(Fab)與抗原結合,另一端(Fc)與巨噬細胞膜表面上的Fc受體結合,從而介導巨噬細胞對抗原的吞噬作用。 就像抗體給抗原一個死亡之吻,讓巨噬細胞將其破壞一樣,只不過該抗體也是抗原-抗體複合物的一部分,並被抗原破壞。 免疫系統的許多成員都勇敢無私地捍衛自己的主人。 健康。

抗體橋接(左)和巨噬細胞吞噬(右)

抗體橋接(左)和巨噬細胞吞噬(右)

免疫系統的記憶功能可使疫苗發揮作用

為了應對不同的病原體,我們體內的B細胞種類很多,但是每個B細胞的數量並不大(血液中大約有30億個B細胞,因此對於每種特定的抗原,大約有30 B只有當特定的病原體入侵時,人體才會產生更多的B細胞來應對這種病原體,這種現像在免疫學中稱為克隆選擇。

一方面,這種設計可防止我們的血液充滿各種B細胞,因為許多B細胞可能派上用場。 例如,您可能一生中都不會感染SARS或HIV等。需要大量能夠產生相應抗體的B細胞。

另一方面,在大約1週的免疫應答後,當免疫系統消除入侵者時,如果B細胞不再受到刺激,它們就會死亡,僅留下少量的記憶B細胞。 這樣,當下一次遇到相同的敵人時,身體便會迅速做出反應,從而省去了數天的痛苦戰鬥。 俗話說“知己知彼,永不止百戰”!

正是由於借用了類似的策略,人類發明了疫苗。 注射疫苗有助於免疫系統為與兇猛的敵人作鬥爭做好準備。 實際上,用於疫苗接種的疫苗是一種抗原,其結構類似於病原體,但毒性較小。 當使用疫苗刺激B細胞時,免疫系統對產生抗體的反應就像排練一樣,以便人體識別並記住敵人的特徵。 當真正的兇猛敵人出現時,免疫系統就會變大。 獲勝的可能性。