生命信息安全控制原理的探討

諶南輝

(江西農(nóng)業(yè)大學 動物科學技術(shù)學院，江西 南昌 330045)

1 免疫認知的歷史沿革

早期的認知，因天花康復(fù)后不再患天花，得名“免疫”。隨后發(fā)現(xiàn)相關(guān)事件不限于病原微生物，如過敏反應(yīng)、移植物排斥、妊娠反應(yīng)、輸血反應(yīng)等。由于這些非傳染性因子，即非經(jīng)典免疫元素導(dǎo)致認知的積淀，終于從微生物學脫穎而出，形成一門新學，即免疫學。

事物的潛態(tài)是事物發(fā)生的動因，而顯態(tài)是由潛態(tài)所決定的現(xiàn)象反映。人們認知常以顯態(tài)的表現(xiàn)去作潛態(tài)的詮釋，即用現(xiàn)象去詮釋和定義潛態(tài)的本質(zhì)。比如認為排異是免疫的本質(zhì)，對于腸道正常菌群不排斥，則用“耐受”來詮釋。排異與耐受都是現(xiàn)象，而現(xiàn)象發(fā)生的真正動因(潛態(tài))才是需要探究的。

得天花則為危，一旦康復(fù)則為安，不再患，古人曰:免疫。免疫是現(xiàn)象，事件之因是機體的化險為夷、轉(zhuǎn)危為安的生命機制。

研究顯示，免疫應(yīng)答不僅針對病原相關(guān)分子模式(pathogen associated molecule patterns，PAMP)外源性成分，也可由自身物質(zhì)所誘導(dǎo)，即自身正常細胞所發(fā)出的危險信號也會感召機體的應(yīng)答。人們一直在討論模式。從克隆選擇學說、SNSD(self－nonsef determination)模式、雙信號模式、雙信號模式的延伸－協(xié)同刺激模式、INS模式，到新近的危險模式(danger model)[1]。從克隆選擇學說，到SNSD(self－nonsef determination)模式、雙信號模式、雙信號模式的延伸－協(xié)同刺激模式、INS模式基本上是基于排異的思維，而新近的危險模式開始從自己與非己的觀念沖破出來，出現(xiàn)了有意義的內(nèi)容和新的思維。

2 生命信息識別是保障生命安全的第一要素

細菌(bacteria)和古細菌(archaea)有一套防御機制抵御外來侵入性因子，在成簇的、有規(guī)律間隔的多次重復(fù)短片段(clustered regularly interspaced short palindromic repeat，CRISPR)基礎(chǔ)上建立適應(yīng)性免疫系統(tǒng)，其效應(yīng)酶蛋白Cas9清除外源DNA片段。該系統(tǒng)將外源病毒或質(zhì)粒DNA短片段“集中”到細胞基因組特定區(qū)域上，將外源DNA作為一種記憶儲存起來。這段DNA轉(zhuǎn)錄生成CRISPR前體RNA，前體RNA生成后被切割成一段一段的重復(fù)RNA片段，這些小RNA分子即成熟CRISPR RNA(crRNA)。crRNA招募CRISPR相關(guān)蛋白與被細胞記住的外源入侵DNA或mRNA片段結(jié)合，將它們徹底摧毀。病毒再次入侵時，細菌編碼的Cas9因子發(fā)揮作用，消滅來犯病毒[2]。Cas9蛋白與crRNA和tracrRNA協(xié)同識別外來DNA分子，與之結(jié)合將其降解，該機制具有記憶性。生命為了自身的生存，如細菌那樣，必須識別感知外來遺傳信息物質(zhì)，并以一種有效機制將其消除。高等生物存在更為豐富多彩的識別裝置，TCR識別細胞內(nèi)傳遞的危險信號;BCR、Ig感知體液環(huán)境中的危險信號。模式識別受體(pattern recognition receptor，PRR)識別外源病原微生物，然后將其清除。生命信息識別針對危險因素而存在，它是生物歷史演化的結(jié)果，對每一個生命個體來說，是保障生命安全存在的第一要素。

3 生命信息中危險因素的屬性與種類

所謂危險因素一定是與生命相關(guān)聯(lián)的物質(zhì)，它具有生命信息屬性和生命安全性屬性。它可以是遺傳信息本身，如DNA、RNA，或者是遺傳信息產(chǎn)物，如蛋白質(zhì)、肽，或者是遺傳信息產(chǎn)物指導(dǎo)下的合成產(chǎn)物及修飾產(chǎn)物，如細菌的肽聚糖、脂多糖以及脂蛋白、糖蛋白等。一個物質(zhì)之所以能觸發(fā)生命機體信息安全控制系統(tǒng)，這個物質(zhì)必定需要具有上述兩個屬性，缺一不可。例如半抗原沒有免疫原性，是因為半抗原或者缺乏生命信息屬性、或者缺乏生命安全性屬性，即不具備對機體的危險性。正常菌群雖然具有生命信息屬性，但是缺乏生命安全性屬性，常規(guī)情況下不具有對宿主的危險性屬性，故不會引起應(yīng)答反應(yīng)。

危險因素分為外源性和內(nèi)源性。前者來源于病毒、細菌、寄生蟲。移植物、血型及變應(yīng)原等也屬于外源性。后者有HSPs、線粒體、透明質(zhì)酸寡糖、硫酸乙酰肝素多糖片段、纖維蛋白原、纖連蛋白III型重復(fù)外結(jié)構(gòu)A、膜表面活性蛋白A、β防御素、高遷移率蛋白組1(HMGB1)等[3]。

4 生命信息識別感應(yīng)器的形成是保障生命安全控制的硬件基礎(chǔ)

4.1 生命信息識別感應(yīng)器的形成

生命信息識別感應(yīng)器的形成有“固有”和“適應(yīng)”兩種。前者有Toll樣受體家族、病毒RNA識別受體家族、DNA識別受體家族、NOD樣受體、C型凝集素受體家族、清道夫受體、甲酸基多肽受體、補體受體等。這些識別感應(yīng)器的形成，可以理解為生物在對生命信息博弈進化中演變產(chǎn)生，是生命歷史性的積淀產(chǎn)物，對于一個個體來說，是由“父母”所賜，所以認為是固有的。從歷史的長河來看，是物種在億萬年歷史的長河中，由物種本身適應(yīng)環(huán)境信息的變化，世代適應(yīng)積淀，世代通過遺傳信息“博弈”的記憶而“固定”下來。后者有TCR、BCR/Ig。TCR的產(chǎn)生，由胸腺T細胞通過雙陰性、雙陽性和單陽性階段，即通過一系列的基因重排和選擇，其過程發(fā)生在胸腺。研究證實TCR存在受體編輯現(xiàn)象[4]。BCR有著與TCR相類似的過程，這些過程發(fā)生在骨髓或法氏囊及囊樣組織。BCR更重要的是體細胞高頻突變，其過程發(fā)生在如脾臟、淋巴結(jié)的器官組織中。論“適應(yīng)”，比如受體編輯，體細胞高頻突變，是個體對環(huán)境生命信息的一種適應(yīng)性應(yīng)答，但是發(fā)生在胸腺或者骨髓、法氏囊的過程卻與外界環(huán)境信息毫無直接關(guān)聯(lián)，可以說，也是由“父母”所賜，本應(yīng)認作“固有”。

4.2 生命信息識別感應(yīng)器的種類與特性

4.2.1 PRR PRR識別PAMP，包括細菌脂多糖、脂蛋白、肽聚糖、鞭毛蛋白、非甲基化CpG DNA、病毒雙鏈RNA、真菌細胞壁等。PRR識別PAMP后引發(fā)受體配體反應(yīng)，然后向細胞內(nèi)傳遞微生物感染信號，激發(fā)機體的應(yīng)答，從而將病原微生物清除。根據(jù)PRR存在的形式可分為膜型、分泌型和胞質(zhì)型3種形式。膜型，包括TLR家族中多數(shù)成員，甘露糖受體(MR)和清道夫受體(SR);分泌型，包括甘露糖結(jié)合凝集素(MBL)、C反應(yīng)蛋白(CRP)和脂多糖結(jié)合蛋白(LBP)等;胞質(zhì)型，包括TLR家族中TLR3、TLR7/TLR8和TLR9，以及NLR家族中所有的成員。

4.2.2 識別感應(yīng)器總體歸納 由存在的方式，如體液型的有C3b、Ig、凝集素等;細胞膜表面存在的有:BCR、TCR、TLR1/2/4/5/6以及C型凝集素受體家族、清道夫受體、整合素;細胞器存在的有:識別 DNA 受體家族(DAI、AIM2)、識別肽聚糖受體家族(NLRs);在內(nèi)體及溶酶體中的有:TLR3、7、8、9 及識別RNA受體家族RLRs、PKR等。

感應(yīng)器識別信息后被激活的定為陽性識別，受到抑制的則為陰性識別。陽性識別又分為信息經(jīng)分解分析后再進行識別以及信息無需經(jīng)過分解就能直接進行識別的2種情況?？傮w情況歸納總結(jié)如圖1。

TCR識別的命題，一直受到關(guān)注。MHC分子給T細胞提供的是一個短肽，為線性多肽。人們會聯(lián)想BCR識別模式，會從抗原與抗體的關(guān)系推測TCR與MHC－多肽的關(guān)系。抗原抗體的結(jié)合是以空間構(gòu)象互補關(guān)系所決定。從線性多肽出發(fā)，其應(yīng)視為一段密碼符號，在本質(zhì)上是遺傳信息的線性符號，由此可見，TCR本質(zhì)上是識別一個遺傳信息(密碼)，而不是與BCR一樣純粹識別一個空間構(gòu)象。MHC分子代表自身遺傳信息產(chǎn)物，由自身遺傳信息產(chǎn)物MHC分子給予T細胞，即給予TCR提呈一個外源多肽遺傳信息，其傳遞的模式如圖2所示。

圖1 生命信息安全控制識別感受器的方式、種類與定位Fig.1 The mode，category and range of identification sensors of life information security control

由圖2可以說明MHC限制現(xiàn)象，即TCR只能接受來自自身遺傳信息提供給予的外源遺傳信息，換句話說，非自身遺傳信息遞給的情況下，是不能接受任何一種信息的。K Christopher Garcia等[5]研究，認為TCR與MHC之間的結(jié)合存在遺傳特異性，并提出了密碼子假說(codon hypothesis)。從TCR結(jié)合過程可見[6]，常規(guī) αβTCR 采用斜線對接模式，結(jié)合MHC分子的部位覆蓋整個凹槽，其CDR環(huán)是可塑性的，采用誘導(dǎo)契合型結(jié)合方式，其CDR環(huán)在結(jié)合前后會有大的構(gòu)象變化。研究表明，TCR對pMHC識別主要集中于多肽的中部。據(jù)此能夠說明，BCR與TCR識別方式有著本質(zhì)不同，前者是剛性構(gòu)象式識別，比喻為鎖鑰式識別，屬性為空間構(gòu)象信息;后者是柔性線性式識別，比喻為印章式識別，即印章邊框比作MHC，印章中的文形比作短肽信息，其屬性為遺傳密碼信息。前者需要通過體細胞高頻突變，從而選擇親和性高的克隆用以嚴密調(diào)整空間構(gòu)象，以利更精細地適合抗原的構(gòu)象;后者不需要體細胞高頻突變這個環(huán)節(jié)，因為TCR識別的是一段遺傳信息的“文字密碼”，因此不需要特地調(diào)整構(gòu)象。誠然，遺傳信息的感知同樣離不開構(gòu)象信息傳遞的方式，比喻為印章，同樣存在構(gòu)象的情景，但它不是剛性，它具有一定彈性和柔性。

圖2 MHC－多肽與TCR之間的作用機制Fig.2 The action mechanism between MHC－polypeptide and TCR

5 生命信息感知與處理過程是保障生命安全控制不可或缺的事件

生命信息感知與處理過程發(fā)端于由識別到感知，由分析到傳遞，進而引發(fā)細胞的活化、分化、增殖，并產(chǎn)生效應(yīng)。

APCs通過其所攜帶的識別感應(yīng)器感知內(nèi)源性或外源性危險信號，由此APCs被激活。激活后經(jīng)由溶酶體酶分析方式或蛋白酶體分析方式對信息進行分析加工，并將加工好的遺傳信息通過MHC分子－短肽的形式傳遞給T細胞，其結(jié)果在APCs與T細胞接觸之間形成“免疫突觸”，即信息簇集的方式進行信息傳遞，其分子表現(xiàn)形式為MHC－短肽－TCR，同時由共刺激作用以及細胞因子給T細胞發(fā)出信號，從而激活T細胞內(nèi)信號傳遞，這樣T細胞被激活成為細胞毒性T細胞(CTL)或輔助性T細胞(Th)。如上過程概括為，由信息的識別導(dǎo)致信號的產(chǎn)生，信息分子傳遞、轉(zhuǎn)化生成信號分子，T細胞一方面識別并接受由APCs傳遞的遺傳信息，同時接受共刺激和細胞因子的信號，在這里TCR是信息受體，更確切地說，是遺傳信息的受體，除此之外的屬于信號受體，誠然信號是信息的載體[7]。

“免疫記憶”是生命信息安全控制中的重要事件。所謂“免疫記憶”，在本質(zhì)上是對遺傳信息的記憶，離開了遺傳信息的識別與分析就不存在“免疫記憶”。對于B細胞來說，B細胞所表現(xiàn)出來的記憶，只有在T細胞的輔助下才能發(fā)生，也就是說，只有當T細胞產(chǎn)生了對遺傳信息記憶的條件下，才有B細胞對構(gòu)象信息的記憶。通常所說的，胸腺依賴性抗原具有記憶性，而非胸腺依賴性抗原沒有記憶性，就是這個道理。

NK細胞對信息的分析與識別感受機制取決于抑制性信號與活化性信號之間的平衡狀態(tài)，NK細胞表面抑制性受體感受靶細胞表面MHC I類分子后，傳導(dǎo)抑制性信號，從而抑制NK細胞的活化，靶細胞免受攻擊。一旦活化性信號強勢抑制性信號，導(dǎo)致誘導(dǎo)NK細胞的活化。這樣NK細胞是對信息分析識別的權(quán)衡確定其抑制或活化狀態(tài)，由此保障其以最大限能力來區(qū)分正常細胞和異常細胞，從而確定是否對靶細胞行使“killing”效應(yīng)。

6 生命信息安全策略行為取決于對生命信息識別分析處理的結(jié)果

概括地說，信息、信號間的相互作用與相互制約決定細胞的命運和效應(yīng)功能。信息與信號的有無、多寡影響應(yīng)答行為策略的結(jié)局。

初始T細胞(naive T cells)富集于脾臟、淋巴結(jié)，經(jīng)由血液循環(huán)和淋巴循環(huán)行使監(jiān)視功能。一旦機體遭遇危險因子，非成熟DC通過 PRR識別感受PAMP，在感染部位發(fā)揮吞噬作用，并遷移至淋巴結(jié)，通過MHC分子提呈短肽，為T細胞提供遺傳信息，表達共刺激分子，如CD40、CD80和CD86，分別與T細胞之CD154、CD28和CD152相互作用，為T細胞活化提供信號，并產(chǎn)生細胞因子和趨化因子，為T細胞提供信號，通過上述信息、信號作用于T細胞，即與CD4+T細胞或CD8+T細胞相互作用，共同作用決定T細胞的分化和功能。

圖3 生命信息安全控制中Th1/Th2的平衡與失控Fig.3 The balance and imbalance of Th1/Th2 in life information security control

當缺乏TCR遺傳信息，T細胞將不會反應(yīng);只有TCR遺傳信息而缺乏共刺激信號，T細胞將進入無能狀態(tài)(anergy)、耐受甚至凋亡[8]。由于DC呈遞短肽(遺傳信息)的濃度以及表達共刺激分子和分泌細胞因子的不同，決定著T細胞爾后的命運結(jié)果，這樣初始CD4+T細胞就可能分化成不同的輔助性T細胞，即Th1、Th2、Th17和Threg細胞。不同的Th有著相異的生命功能，從而發(fā)揮不同的效應(yīng)，形成不同的應(yīng)答結(jié)局。Th1負責輔助“細胞免疫”方面的效應(yīng)，Th2負責輔助“體液免疫”方面的效應(yīng)。由圖3可見[9]，不同的細胞因子作為信號所產(chǎn)生的作用效應(yīng)決定Th細胞的不同取向和功能。

表1 TCR－肽－MHC相互作用改變促使CD4+T細胞變型轉(zhuǎn)變Tab.1 The inter－action in TCR－peptide－MHC induce transformation of the T cell CD4+

由表1可見[10]，TCR配體上肽成分序列的改變，這種序列的改變將決定Th1和Th2細胞性質(zhì)的改變。其機制是對MHC II類分子具有高親和力的短肽，能誘導(dǎo)細胞向Th1細胞亞類轉(zhuǎn)變，而改變的肽配體(altered peptide ligand，APL)將改變應(yīng)答發(fā)生的方向。研究表明，TCR－肽－MHC三者間的相互作用不僅控制功能性應(yīng)答的幅度，而且決定應(yīng)答發(fā)生的方向。

7 生命信息安全控制行為過程

NK細胞在殺傷靶細胞過程，通過穿孔素和粒酶系統(tǒng)介導(dǎo)靶細胞壞死及膜TNF家族分子介導(dǎo)靶細胞凋亡。前者需要NK細胞識別受體與靶細胞直接接觸方可實現(xiàn)，后者則不需要。NK細胞抗腫瘤，通過“內(nèi)識別”，如NCRs、NKG2D等直接識別惡性轉(zhuǎn)化的癌細胞并被活化，也可能由輔助細胞，如巨噬細胞、DC的作用下被活化。后者通過PRR，如TLR2、RIG－1、TLR7等進行識別，通過分泌多種細胞因子或直接接觸將信號傳遞到NK細胞，使NK細胞發(fā)揮殺傷作用及分泌炎性細胞因子功能。

CTL也是通過穿孔素和粒酶系統(tǒng)介導(dǎo)靶細胞程序性壞死，并通過其FasL與受感染細胞上的Fas相互作用，以這樣兩種機制導(dǎo)致靶細胞凋亡。受病毒感染的細胞將病毒蛋白的肽經(jīng)蛋白酶體分析方式，由MHC I類分子呈遞信息到細胞表面，這樣該細胞便成為CTL殺傷的靶，CTL表達與MHC I類的非多態(tài)區(qū)結(jié)合的CD8，以限制CTL只識別在MHC I類分子中呈遞肽的細胞，以穩(wěn)定TCR與MHC－肽的相互作用。另外表面共刺激分子與黏附分子，如LFA－1對CTL與靶細胞的相互作用和對激活其細胞毒機理發(fā)揮重要作用。活化步驟還誘導(dǎo)CTL的FasL表達。CTL含有大量溶解細胞的顆粒，其內(nèi)含有蛋白酶、粒酶A、粒酶B和穿孔素。顆粒向靶細胞接觸點附近的膜移動。在與膜融合時，顆粒釋放穿孔素，穿孔素聚合在靶細胞的膜中，造成允許蛋白酶進入的孔。由于酶裂解作用，其產(chǎn)物誘導(dǎo)細胞凋亡。

8 生命信息安全控制錯位、缺失、偏離及其危害

由圖3可見，當Th1及Th2過度偏離時有可能引發(fā)“免疫性疾病”，如Th1型的有肝損傷、糖尿病、移植物抗宿主反應(yīng)。Th2型的有呼吸道過敏反應(yīng)、特應(yīng)性皮膚炎。也就是說，當Th1/Th2平衡的失控將導(dǎo)致系統(tǒng)的紊亂，發(fā)生對機體安全的危害。

MHC II類分子缺陷又稱裸淋巴細胞綜合癥(bare lymphocyte syndrome，BLS)，以MHC II類分子表達缺失為特征。由于MHC II類分子缺陷導(dǎo)致CD4+T細胞不能呈遞肽，患者細胞免疫和體液免疫出現(xiàn)嚴重缺陷，臨床表現(xiàn)為許多機會性致病菌感染[4]。

IL－2如圖3所示，對Th細胞的分化發(fā)揮重要作用，也能對B細胞、NK細胞、單核細胞及巨噬細胞產(chǎn)生重要作用，是因為這些細胞表面存在IL－2的受體。IL－2受體由三個亞基，即α、β、γ鏈組成。γ鏈基因位于X染色體上，由于γ鏈基因發(fā)生變異，導(dǎo)致γ鏈功能異常。研究表明，γ鏈功能異常是引起X－連鎖嚴重聯(lián)合免疫缺陷病(X－linked severe combined immune deficiency，XSCID)的原因[11]。XSCID患者體液免疫和細胞免疫都缺陷，其外周血T細胞顯著減少或缺失。胸腺幾乎不見發(fā)育，T細胞早期分化異常。B細胞表面只表達IgM，其它類別未發(fā)現(xiàn)。這一點是由于B細胞的類別轉(zhuǎn)換過程中缺失T細胞提供的必需信號的緣故。γ鏈屬于細胞因子受體，持續(xù)表達在T細胞，B細胞，NK細胞，髓樣細胞和成紅細胞上。γ鏈與IL－2受體α鏈和β鏈共同組成高親和力IL－2受體，參與IL－2的功能。酪氨酸激酶Jak－3主要功能是傳導(dǎo)γ鏈的信號，Jak－3缺陷導(dǎo)致的表型與XLSCID相同。γ鏈蛋白細胞外功能區(qū)單個氨基酸置換，阻斷了T細胞和NK細胞的分化。臨床表現(xiàn)為口腔念珠菌病，紅斑，持續(xù)性腹瀉，呼吸道合胞病毒、副流感病毒3、腺病毒、卡氏肺囊蟲感染以及革蘭陰性菌敗血癥。

[1]Matzinger，P.tolerance，danger and the extended family[J].An Reviews of Immunology，1994，12:991－1045.

[2]Stan J，Brouns J.A swiss army knife of immunity[J].Science，2012，337:808－809.

[3]龐廣昌.食品免疫論[M].北京:科學出版社，2008:205.

[4]曹雪濤.免疫學前沿進展[M].北京:人民衛(wèi)生出版社，2009:252－259，472.

[5]Feng D，Bond C J，Ely L K，et al.Structural evidence for a germline－encoded T cell receptor－major histocompatibility complex interaction’codon?[J].Nat Immunol，2007，8(9):975－983.

[6]Borg N A，Wun K S，Kjer－Nielsen L，et al.CD1d－lipid－antigen recognition by the semi－invariant NKT T－cell receptor[J].Nature，2007，448(7149):44－49.

[7]唐曉波.信息安全概論[M].北京:科學出版社，2010.

[8]舒紅兵.抗病毒天然免疫[M].北京:科學出版社，2009:198.

[9]齊藤 隆，竹森利忠.新用語ライブラリ— 免疫[M].2版.東京都:羊土社，2000:58.

[10]余傳霖，熊思東.分子免疫學[M].上海:復(fù)旦大學出版社，上海醫(yī)科大學出版社，2001:135.

[11]中村正孝，菅村和夫.インターロイキン2(IL－2)[J].Clinical Immunology，1995，(Suppl.16):29－38.