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【转载】《自然》发文纪念B淋巴细胞50年  

2015-01-15 11:10:18|  分类: 引用参考 |  标签: |举报 |字号 订阅

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回首B淋巴细胞50年

 ——《自然》发文纪念这一开创现代免疫学的发现

该成果所产生的影响再怎么高估都不为过。在接下来的几年里,单克隆抗体遍布实验生物学的所有角落。

《自然》发文纪念B淋巴细胞50年 - 基因虫 - 静湖1946

 B淋巴细胞的扫描电镜照片

图片来源:Eye of Science/SPL

1963年,当Max Dale Cooper加入Robert Good在美国明尼苏达大学的实验室时,免疫学领域出现了两个阵营。它们彼此都非常不喜欢对方。

当时,免疫学研究的核心问题是脊椎动物如何调整自己的防线以应对细菌和病毒,而后两者的化学物质表现出几乎无限的多样性。在加入Good实验室的两年里,Cooper作出了一项关于淋巴细胞的发现,其被证明为破解上述谜团并最终统一该研究领域的两大阵营起到了至关重要的作用。

50年前,Good、Cooper和他们的同事Raymond Peterson在《自然》杂志上发表论文,提出淋巴细胞有两种类型的观点。这左右了现代免疫学的进程,并且影响了对免疫缺陷疾病和免疫系统肿瘤的研究和治疗以及强大的研究工具和治疗方法——单克隆抗体的发展。

关于克隆的战争

20世纪60年代,其中一个阵营的免疫学家主要关注化学术语,并在当时取得了长足进步。该阵营的科学家发现,抗体分子是拥有两个结合位点的蛋白质,能识别大量外在分子(抗原),甚至是合成抗原。同时,抗体由两种重链和两种轻链组成。其中,每个重链和轻链N末端的氨基酸多变,而C末端相对稳定。

第二个阵营关注的是细胞和整个有机体水平上的免疫学。在该阵营中,克隆选择学说当时正越来越被接受。该理论认为淋巴细胞是多样的,而且每个细胞都是独特的或者可以生成克隆。每个细胞都拥有一个独一无二的表面受体,当其与抗原结合时,会触发细胞的克隆和扩散。该理论由澳大利亚墨尔本沃尔特和伊莱扎霍尔医学研究所(WEHI)的Frank Macfarlane和芝加哥大学的David Talmage于20世纪50年代提出。克隆选择学说为免疫学提供了概念框架,但关于其存在和作用机制的证据一直没有找到。

1961年,同在WEHI工作的Jacques Miller发现,胸腺被移除的小鼠并未像动物通常表现的那样,对来自其他种群小鼠的植皮手术产生排斥反应。这表明胸腺是一类能调节排斥反应等现象的关键细胞源,但该实验并未获得广泛认可。当时,研究人员认为,淋巴细胞是抗体的唯一来源。不过,免疫学家并不知道产生抗体的淋巴细胞和参与移植排斥反应的淋巴细胞是否以及如何关联。

以此为背景,身为儿科专家和临床免疫学家的Cooper开展了一系列临床观察,这为发现有两种淋巴细胞类型存在提供了早期的线索。一种同X染色体相关的疾病——维斯科特—奥尔德里奇综合征的患者,会产生严重的、与免疫缺陷相关的疱疹病毒病变。不过,这些人拥有很高水平的抗体。与之相反,患有同X染色体相关的遗传性免疫缺陷丙种球蛋白缺乏症的男孩能控制这种病毒感染,尽管他们缺乏抗体反应。这表明产生抗体的淋巴细胞和来自胸腺的、可产生移植排斥反应的淋巴细胞可能是两种不同的类型。

关键的实验

Cooper是少数几位发现这种矛盾结论中所藏线索的免疫学家之一。他和Good决定重新研究鸡的腔上囊和胸腺所起的作用。直到那时,关于鸡的器官移除研究还有着相互矛盾的结果。Cooper推断,这些差异之所以会出现,是因为一些鸡可能在器官被移除前便拥有了免疫细胞。他的解决办法是在移除器官后1天用放射线照射孵化的雏鸡,这会消除在鸡孵化前由其腔上囊或胸腺产生的任何细胞。因此,这些雏鸡能揭示这两个器官在免疫系统发育中所起的作用。

1965年1月9日,研究结果在《自然》杂志发表,引起广泛关注。没有腔上囊并经放射线照射的鸡被注射牛血清白蛋白或布鲁氏菌后,均未产生抗体。来自这些雏鸡的血清完全缺乏主要的抗体类型。然而,依赖胸腺的脾脏白髓区完全正常。这种反差极大的表型极易让人联想到同X染色体相关的丙种球蛋白缺乏症患者。

次年,Cooper和同事在一篇发表于《实验医学期刊》的重要论文中扩展了他们的开创性研究。他们利用不含腔上囊和胸腺的辐照雏鸡,阐明了由这两种器官产生的免疫细胞所具有的不同功能。同时,他们发现抗体反应需要来自腔上囊的B细胞,而来自胸腺的T细胞则能够调节迟发型超敏反应、移植物抗宿主的排斥反应和植皮排斥反应。

针对免疫缺陷疾病的两种淋巴细胞模型的解释力是巨大的。由于同X染色体相关的丙种球蛋白缺乏症患者在抗体产生上有缺陷,但在细胞免疫方面正常,因此他们的疾病或许只能归因于B细胞发育缺陷。相反,细胞免疫和基于抗体的免疫都严重缺乏的瑞士型无丙种球蛋白血症,可能是由一种对T细胞和B细胞均有影响的前体细胞缺陷引起的。一点也不奇怪的是,相较于免疫学家,临床医生更能接受Cooper的发现。

接下来,Cooper面临的最重要问题是在哺乳动物中发现同腔上囊作用相同的器官。在随后的近10年间,该研究的关联性和通用性一直备受争议。

在哺乳动物中找到和腔上囊作用相同的器官被证实异常艰难。起初,Cooper和同事怀疑肠道组织是B细胞的来源。他们在这个死胡同里花费了巨大的精力。

1974年,答案最终浮出水面。当时,Cooper和来自英国伦敦大学学院的Martin Raff、John Owen从怀孕14天的小鼠中获得其胚胎肝脏细胞。在4~7天的培养之后,B细胞产生了。与此同时,由来自WEHI的Gustav Nossal和瑞士日内瓦大学的Pierre Vassalli领导的小组利用小鼠骨髓细胞有了类似发现。换句话说,造血或形成血液的组织在哺乳动物中充当了腔上囊在鸡中所起的作用。

到了20世纪70年代末,这种对于不同淋巴细胞类型的理解开始改变白血病和淋巴瘤的治疗。如今,这些肿瘤的细胞起源可被用来对癌症进行分类,并制定不同的治疗方法。因此,急性淋巴细胞白血病可能源自B细胞或T细胞,亦或两者都不是,而非霍奇金和伯基特淋巴瘤源自B细胞。针对这些肿瘤的不同疗法的效果如何,通常和它们的分类密切相关。

药物和疫苗

B淋巴细胞生物学所产生的最大影响之一是杂交瘤的发明,这是一种可无限繁殖产生抗体的细胞系。1975年,来自英国剑桥MRC分子生物学实验室的Georges K?觟hler和César Milstein报道称,他们将B细胞同一种骨髓瘤细胞融合后,得到的杂交细胞可不间断产生特定抗体。这就是单克隆抗体技术的起源,并使K?觟hler、Milstein和Niels Jerne获得1984年诺贝尔生理学或医学奖。

该成果所产生的影响再怎么高估都不为过。在接下来的几年里,单克隆抗体遍布实验生物学的所有角落。这些分子是一类可被用来鉴定、分离研究人员感兴趣的几乎任何分子或细胞的潜在特定试剂。在临床上,单克隆抗体已成为最有力的诊断和治疗方式之一。

Cooper的发现还为回答克隆选择学说的最根本问题奠定了基础,即克隆多样性是如何产生的。1976年,Susumu Tonegawa阐明了该问题:B细胞通过结合3种类型的基因片段“召集”了多个系列的抗体。

最终,这些在化学水平上得到详细阐明的抗体,如今在基因、细胞和组织层次上也有了更好的理解。到20世纪80年代中期,T细胞的克隆属性也被解释清楚。通过发现B细胞和T细胞,Cooper和同事开启了一系列具有里程碑意义的发现,并最终统一了该领域中的化学和分子阵营。

不过,B淋巴细胞生物学仍存在一些关键问题。尤其是在开发针对HIV、流感和很多其他致病原的疫苗时,还有很多未被满足的要求。理解B细胞如何被选择分化成保护身体免受感染的长寿细胞,将为人们在实证研究失败的地方提供指导。

随着这些发现继续影响人类健康,记住它们源自50年前Cooper利用雏鸡进行的一次实验仍然有着重要意义。(闫洁)

《中国科学报》 (2015-01-14 第3版 国际)

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