以簡御繁──

免疫辨識及反應的分子生物學基礎

【摘要】科學家發現，在複雜的B細胞、T細胞、吞噬細胞交互反應的免疫過程中，其分子原理竟是十分單純而富藏玄機………

過去二、三十年在免疫學的發展過程中，一直困擾著科學家的一個問題是，免疫系統在面對複雜的外來抗原如病毒及細菌之挑戰時，如何發展出複雜而特殊的免疫反應，包括對特定抗原所產生的抗體及細胞免疫。這一套系統包括幾個複雜的運作過程：

一、它必須能確切的辨識這些抗原的外來性（foreigness）及特殊性（specificity），免疫系統猶如情報系統必須能分辨敵我；

二、這些辨識行為必須要適切的經過轉化處理，將抗原的特殊訊息傳給功能細胞，如B及T細胞；

三、功能細胞必須針對特定抗原訊息，產生單一而特定的反應（如特定抗體的產生）。

所有這些步驟，都必須隨不同種類的抗原及微生物而異。因此，如果有十萬、百萬種不同的微生物或抗原，生物體就必須有能力去處理這些龐大複雜的反應。可以想像，免疫系統的功能將是多麼神奇。

免疫球蛋白的結構

生物界及自然界都有一個共通的法則，那就是「以簡御繁」，都遵守一些單純的數學及物理學原理。多年來免疫學及分子生物學界都企圖要找出，支配這複雜免疫反應的單純自然法則。1960年年代以來，蛋白化學已可以決定抗體的構造。因此，決定免疫球蛋白或抗體的化學結構，從而比較不同抗體間其胺基酸構造的差異，將可以一窺複雜免疫反應的共通法則來。

1970年代，紐約洛克斐勒大學的艾德曼（Edelman）發現抗體的結構及功能，大家始了解到免疫球蛋白分子含有兩個輕鏈（light chain）及兩個重鏈（heavy chain），成Y字形結構。如圖一a所示，輕鏈及重鏈都具有當作結構體的固定部位（constant region），以及與抗原結合的可變部位（variable region）。不同抗體之結構差異，主要在可變部位。

進一步的研究又顯示，可變部位並非各個抗體間的序列完全不同，其特殊處只在三個與抗原分子結合的互補決定區（complementarity determining region, CDR）或稱為高度可變區（hypervariable region見圖一b）。其實此一高度可變區
與抗原結合的特殊部位卻又是十分固定的分子。這一區域在三維空間的立體結構上就形成一環（loop），抗原分子的抗原決定點（antigenic detrminant）就與此抗體的環區緊密結合。在B淋巴球用以辨認抗原分子時，其工具就類似鎖與鑰匙間如此單純的模型。

可是問題來了，既然抗原的分子結構可能成千上萬或多達數百萬，生物個體一生間如何去產生如此為數龐大的抗體分子呢？早期的假說認為，抗原與抗體的這種類似鎖與鑰匙的行為，主導於抗原的特性。生物體只需少數一些不同的抗體分子即可，這些抗體可以依抗原的既定構造扭曲成不同三維空間結構的分子，這樣抗體的種類就可以不必太多或太複雜。此一假說即為抗體形成的「引導論」（instructive theory）。這一模型就如塑造石膏模型一樣，抗原分子形成在先，直接決定抗體的構造。

這一假說很早即被推翻，因為決定抗體分子的立體結構後來證明與抗原的存在與否無關，抗體三維空間的形狀主要還決定於抗體分子的胺基酸組成。也就是說，抗體的分子結構是早就決定了。因此，生物體勢必要準備為數龐大的抗體分子，以應付抗原，亦即具備抗體辨識及結合的專一特性。這一發現符合免疫學的一些觀察，即對抗天花的抗體並無法對其他種病毒感染提供保護。1975年代，單株抗體（monoclonal antibody）技術開發以來，此種抗體的專一性更為明顯。

族群選擇理論

免疫學的此一發展最後確立了1959年柏奈特（Burnet）提出的「族群選擇假說」（clonal selection theory），也就是說生物體的B淋巴球表面早就具有為數眾多的免疫球蛋白分子，這些細胞膜上的免疫球蛋白充當辨識受體（recognition receptor），可以辨識入侵的抗原。當抗體分子找到了特殊的抗原而結合後，該特殊抗體製造細胞就開始轉化增生，而擴充為一大的族群，繼而發展出製造特殊抗體的漿細胞（plasma cell）族群來（見圖二）。

依照族群選擇理論，生物體的B細胞種類為數必十分龐大，各類製造不同抗體的B細胞必須早就存在。此理論繼而導出的一個問題是，生物個體如何在分子生物學或DNA的基礎上，去處理此一複雜的抗體分子製造。因為傳統上認為，染色體上DNA的結構是不變的，除非發生突變，否則DNA構造不會改變。但既然由DNA轉錄RNA，RNA轉譯成蛋白的中心教條十分確定，生物體如何由有限的免疫球蛋白基因，去製造數百萬甚或無限的抗體分子呢？

針對此一問題，過去曾提出兩種假說。「原胚假說」（germ line theory）認為，不同抗體各由不同的基因負責製造。按照此一假說，則生物體的染色體內負責製造免疫球蛋白的基因數將非常龐大，此一假說大都不被接受，因為生物體的染色體免疫基因不可能如此龐大，此與分子生物學及遺傳學的發展相抵觸。很顯然地，生物體必須利用有限的免疫基因來推動複雜的抗體製造，此即為「後天個體假說」（somatic theory）。依照此一假說，則這有限的免疫基因必須進行某些改變，以製造不同性質免疫球蛋白的可變部位。

分子生物學的革命──免疫基因的重組

1976年，日本的利根川進（S．Tonegawa，個人生平詳見本期科月）對此一問題終於提出了突破性的實驗證據，他比較不製造抗體的小鼠胚胎細胞，及可合成κ輕鏈的老鼠骨髓瘤細胞之基因構造，結果發現，這些免疫抗體基因的可變部位，在胚胎發生後可再重組，將部分內段脫掉，而移接到製造固定部位的免疫基因小段上，形成功能性的免疫基因。以後的實驗更闡明，可變部位的基因片段為數在200∼300段或更多，固定部位的基因段較少，在一至數個。免疫球蛋白的固定部位可有IgM（μ）、IgG【瀏覽原件】，IgD（δ）、IgA（α）及IgE（є）等類，也分別由各小段基因負責，在抗體形成的過程中這些固定小段也可依需要而轉換（class switch）。

除了可變部位及固定部位的基因片段外，免疫抗體基因在可變部位及固定部位間另有連接部位基因段（joining region），且重鏈另有變異段（diversity），為數亦在數個至十數個。因此，這些可變部位（V）、變異部位（D）、連接部位（J）的基因，如果經過重組結合（combinatorial joining，見圖三），則可產生為數甚眾或無窮盡的免疫基因（V×D×J組合）。這樣，胚胎的免疫基因就可以為數甚少，在發展為免疫細胞時再排列組合即可，此即所謂的體細胞重組（somatic rearrangement）。

這些基因小段的重組並非隨意發生，而是受一種重組（recombinase）的支配。此一重組酵素可以辨識特殊的核順序及三維空間，如所謂的七核（heptamer）及九核（nonamer）分子。這些基因轉錄為RNA後，RNA又可經接合（splice）而產生各式不同的分子。現已知人類免疫球蛋白重鏈基因位於第14對染色體，而輕鏈的κ及λ分別位於第2及22對染色體上。

利根川進後來在比喻DNA再組合理論時，曾以通用汽車公司的生產線為例，為了適應不同客戶的需要，通用公司不可能為每部車去設計一個生產線，它必須有一些共通的零件及一些變異部位，去從事排列組合。至此，免疫複雜性的分子基礎及機制終於得以闡明，而DNA可以重組的發現改變了分子生物學的歷史。這些實驗在短短的數年間完全給解釋得清清楚楚，其中利根川進主導這些工作及觀念的進行，而榮獲諾貝爾生理醫學獎，早在人們預料之中。

免疫細胞的交互作用

在免疫系統中，除了B細胞上的抗體可用以辨認抗原外，另有T細胞及處理抗原的吞噬細胞〔macrophage或呈現抗原輔助細胞（antigen-presenting accessory cell）〕，三者互相合作，進行特定的免疫功能。近年來的免疫學進展已大略闡明這些細胞間的運作過程。目前已知，外來抗原必須經由吞噬細胞捕捉及處理，再將抗原特性呈現在細胞表面，此一訊息經由T細胞傳遞給B淋巴球，進而幫助或抑制抗體的合成（見圖四）。

在過去數年間，免疫學發展的另一個重心就在於，T細胞與吞噬細胞間如何傳遞抗原的特性及外來性上。吞噬細胞在呈現抗原特性給T淋巴球時，也同時表現特殊的主要組織符合複合體抗原（major histocompatability complex, MHC），MHC含有Ⅰ及Ⅱ類型。吞噬細胞在傳遞抗原特性時，抗原分子須與MHC分子密切相接，而T細胞必須同時辨認抗原的特性及MHC分子的特性。生物體的細胞免疫系統何以不會去攻擊自己的細胞表面抗原，可能就是經由MHC的選擇辨認結果。此一T細胞辨識自己的能力咸認是T細胞在成熟過程中，經過胸線的調教而得到的。

T細胞抗原受體

1984年，戴維斯（Davis）及麥克（Mak）發現，T淋巴球辨認抗原的方式也與B淋巴球相似。T細胞表面也有類似抗體結構的T細胞受體存在，T細胞受體亦含有兩個多胜鏈α及β鏈，分子量各約50kd，以一個雙硫鏈結合（見圖五）。α鏈及β鏈分別由染色體第14對及第7對上的基因所控制，而這些基因的組成與上述抗體基因的組成相似，也分別由可變部位（V）、連接部位（J）、變異部位（D）及固定部位（C）組成。這些基因段在T細胞成熟過程中，也發生系列的重組現象，產生複雜的免疫T細胞，以應付不同類的抗原。

目前T細胞已知可以分為助細胞、抑制細胞及毒殺細胞。T助細胞辨認吞噬細胞上的MHC-Ⅱ型分子，而毒殺、抑制細胞則辨認MHC-Ⅰ型分子，經由對身體細胞上MHC及抗原的辨認，T細胞可進行另一層複雜的細胞免疫反應，包括移植體的排斥、腫瘤的免疫及病毒的抗拒等。目前已發現這些T細胞受體分子與一些T細胞抗原如T₃、T₄、T₈分子緊密接合，形成一複合體，充當T細胞的辨識工具。

在上述B細胞、T細胞及吞噬細胞交互反應的過程中，除了經由細胞表面上受體及抗原的辨識及反應，使特定細胞族群增生分裂外，這些免疫細胞又可以分泌各類的淋巴激素（lymphokines），如淋巴間白素（interleukin）Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型，經由細胞上的特殊受體，引導細胞生長及分化。

免疫球蛋白超基因家族──單純玄妙的生物法則

前文已提及，生物個體在面對龐大複雜的外在環境及微生物的侵擊下，如何「以簡御繁」是考驗造物者智慧的一大挑戰。經過去短短十年的研究，科學家驚訝地發現到，在這一複雜的B細胞、T細胞、吞噬細胞交互反應的免疫過程中，所應用的分子原理竟是十分單純而富藏玄機，就如複雜宇宙運作所依循的單純物理學原理一樣。

現已發現免疫球蛋白、T細胞受體、組織符合抗原（MHC）、及T細胞抗原（T3、T8、Thy-1）的分子結構及基因組成十分相似，基本上具有兩個多胜鏈，含有可變部位及固定部位的基因，構成所謂的免疫球蛋白超基因大家族（immunoglobulinsupergene family，見圖六）。這些構造只經一些改變及演化，即形成不同功能的分子，而彼此之間又巧妙地可以交互作用。此一演化過程究係如何主導出，其個中奧秘已是直指造物神妙之境。未來的發展將決定是否能在此一已知的免疫架構上，用以解決一些很重要的人類疾病，如腫瘤的免疫、移植體的排斥及後天免疫缺陷疾病上。這些發展仍等待著有心人提出一些重要的實驗證據及理論，以作歷史性的觀念變革。

蘇益仁任職於台大醫學院病理科，現在美國哈佛大學醫學院研究

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