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TCR-BCR识别抗原机制在分子生态水平的比较
免疫学杂志 1999年第3期第15卷 进展
作者：向近敏 刘学锋 李 晖 刘 军 林雨霖 向连滨
单位：湖北医科大学病毒学研究所 武汉 430071
COMPARISON OF TCR-BCR ANTIGEN RECOGNITION MECHANISM
AT THE MOLECULAR ECOLOGICAL LEVEL
在生命科学所有领域的发展中，都集中到了表现生命活动本质的微观水平和超微观水平。生命活动的本质，也就是生命存在的基础，包括结构和功能，在微观水平以光镜和细胞学常规技术为准；在超微观水平以电镜和分子生物学技术为准。免疫学是生命科学中的一个重要领域；一个学科的发展，常伴随着观念的改变和对它的新认识，免疫学自不例外。就我们对免疫学的见识所及，可见一条免疫学概念不断变化发展的线索。我国于1964年提出了分子免疫学的概念［1］，在当时可说是对传统免疫学的一个观念性改变。16年后，提出上述概念的学者又以“免疫学的经典性和非经典性”为题，对传统的免疫学特异免疫和非特异免疫，进行了在免疫概念的提法上不无新意的讨论［2］。先后得到了我国老一辈和晚一辈权威免疫学家谢少文和朱锡华等的支持和赞赏。自我们受到国内微生态学发展的启发并首先在国际上提出“分子生态学”概念［3］之后，我们自然要将生态学概念引入到分子免疫学中来。在1993年讨论了“干扰素的分子生态学”，此文发表于免疫学杂志，并被美国化学文摘（CA）摘登［4］。在可能是国际首著的《分子生态学》第3篇中，有9章（16～24章），讨论免疫分子生态学的有关内容［5］。可以说一门崭新的免疫学分支学科（分子生态免疫学）已经成立。今后的任务是不断对它的发展提高认识和深入探讨。本文以对其作用机制已有很多了解的TCR（T细胞受体）和BCR（B细胞受体）的传统概念，进行分子生态学的分析比较，不难发现免疫反应主体因素和协同因素之间的主从关系，似乎变得模糊不清了，对这种免疫机制主从关系的所谓模糊性进行讨论，是颇有新意的，试申论之。
1 什么是T1B细胞识别抗原的主从因子
T、B细胞识别抗原的主体分子当然是TCR和BCR，都表达于各自细胞的表面。但它们的免疫作用的显现，必须依赖于其它类型表面分子的协同作用如CD分子系统（Cluster desigation）等。就所表现的抗原识别能力，除受到MHC／抗原肽复合体作为限制条件之外，还要受到CD3、CD4、CD8等表面分子的影响，CD3是TCR分子的组成部分，CD4、CD8分别决定T细胞的功能是起帮助免疫的作用（T帮助细胞，Th），还是杀伤免疫的作用（T杀伤细胞，Tk，或细胞毒细胞，TC）。人们一向认为T细胞是细胞免疫的主体，其表面的特异性识别抗原肽的分子是TCR，这被称为主体刺激，但在发挥其免疫功能时，还必须伴有CD4或CD8分子的刺激活化，这被称为协同刺激，这已是公认的细胞免疫的分子机制，也就是我们指的主从因子，当然TCR是主，CD4或CD8是从。从分子生态学的概念来看，即从TCR和CD4或CD8这一对（TCR-CD4或TCR-CD8）生物活性分子的功能看，不防认为主从分子是互为环境条件的，CD4或CD8免疫生物活性的表现，必须有赖于TCR的存在，否则其生物活性在T细胞免疫反应中的作用就不可能表现出来。TCR识别特异性抗原的免疫活性，也必须有赖于CD4或CD8作为环境条件来加以协助，否则TCR的特异性细胞免疫功能也不可能表现出来。这里，我们不揣冒昧地提出生物性分子的生态性的新概念，以表明分子生态学同分子生物学区别。区别之点，就在于分子生物学只讲生物活性分子的生物性，分子生态学则讲生物活性分子的生态性。生态性就是指生物同环境的统一，在宏观水平，生物的个体与群体，对环境条件的依赖性是绝对的；在微观（细胞）水平，各种功能性细胞，都对其功能活动必然有特定的环境条件；在超微观（分子）水平，表现分子生命活动的生物活性分子，也必然有其特定的分子生态条件。我们对分子生态学定义的最近提法，可简化为“分子生态学是研究生物活性分子生态性的科学，免疫分子生态学是研究免疫性生物活性分子生态性的科学”，希望引起讨论，并欢迎批评。
2 BCR结构与功能的生态性
B细胞对天然抗原的识别和反应，依赖于表现特异性免疫的BCR。BCR受抗原刺激所引起的胞内瀑布事件，可导致细胞的活化和分化，直至无能（anergy）或死亡。起始参与BCR刺激活性的是酪氨酸激酶系统，此激酶又引起PLCr－1，2（磷脂酶Cr－1，2）的磷酸化和活化，同时ras蛋白同Shc，Grb2和mSOS等组成活化复合体（activation complex），从而使Raf到达浆膜，起动丝／苏氨酸激酶活化瀑布而引起细胞增殖， 以适应提高免疫反应能力的需要。
传统概念的特异性体液免疫，指的是抗体分子，抗体本来是位于B细胞膜表面的免疫球蛋白（Ig，immunoglobulin），它不是以单一分子存在，实际是一个含双硫键的异质糖蛋白双体，含Igα和Igβ分别由mb-1和B29基因编码，二者都是跨膜结构，即有膜外区、跨膜区和胞浆区。胞浆区内的氨基酸（AA）长度Igα为61，Igβ为48AA，Igα和Igβ含有称为抗原识别活化序列（antigen recognition activation motif， ARAM）或称抗原识别同型体-1（antigen recognition homology 1，ARH1），这两种序列已分析清楚，如图1所示。
图1 Igα，IgβAA序列结合抗原分子比较
×：示AA残基交换后显示α、β特异结合也随之改变
－：示保守性残基
图1示BCR的两条亚链Igα和Igβ的AA序列，各含有同相应效应分子相结合的特异序列，即上面所述的ARAM或ARH-1。Igα和Igβ都含有ARH-1，但同效应分子相结合的特异性各自不同，Igα的DCSM四肽段同Src家族激酶Lyn，Fyn，Blk和P38KDa结合，而Igβ和QTAT四肽段则结合另外两种蛋白40和42KDa。图1还表示，通过转基因技术证明Igα的DCSM以Igβ的QTAT置换，则Igα型同效应分子结合特异性变为Igβ型的特异性，反之亦然。就Igα而言，有报告表明［6］，YEGLN或YEDI单独磷酸化时，可增加对Fyn的结合力3倍，但两者都被磷酸化时，则结合性增加20倍。这种酪氨酸磷酸化的协同效应（synergy effect）指示出效应分子结合的合作性（co-operativity）。
Tseng等［7］ 以立体型分子模式特别讨论了Igα分子构型的静止状态与活化状态所显示的分子内外分子生态性变化的微妙机制，Tseng等提出的模式图，本文引为图2，足以表现出分子生态性的含意，另一模式图，本文引为图3，表明BCR复合体活化时更为复杂的分子生态条件的联系。
图2 BCR Igα的构型变化
图2示mIg BCR的胞浆面异质双体Igα和Igβ的构型关系。左方示静止态，激酶Fyn的N-端连接浆面，并同Igα的DCSM结合，含SH2区和末端酶解功能区，BCR受抗原刺激活化后，Igα构型明显改变，并可能有CD45参与作用，此为酪氨酸磷酸酶（tyrosine phosphatase），可能有两种作用，一是打开Fyn的折叠，二是促进Fyn的激酶活性，并稳定其活化状态，同时使Igα的YEDI和YEGLN去磷酸化。此外，CD45通过Igα／Igβ磷酸化和去磷酸化过程，可能还有促进信号传递的作用。
另一可能性是已经活化的激酶如Fyn等继续与受体BCR复合体结合，作为同其它次级效应分子（secondary effectors）结合的桥梁。例如，Fyn的SH2区结合于Igα，其SH3区则结合于P13-k，而其氨基端又结合于PLCr（phospholipase Cr）［8］，这样同Igα相联系的Fyn同P13-k及PLCr相互联系组成酶分子网络，其分子生态系何其复杂也，参看图3。
图3 一个大BCR受体复合体模式
图3示BCR受体大分子复合体的形成。同受体能发生联系的效应分子，也能同其它的受体复合体组成胞浆内桥（intracytoplasmic bridges）对信号传递发生影响。例如P13-k不仅只同结合于受体的Fyn或Lyn通过SH3发生联系，还可以其SH2 同CD19分子发生联系。图3明确指出了BCR受体大复合体活化后的3条信号传递途径：①受体刺激后引起酪氨酸激酶活化；②这些活化的激酶反过来使Igα和Igβ磷酸化，并直接的或间接的使CD19和CD22也磷酸化；③这些磷酪氨酸和围绕它们的序列都可作为效应点以显示其活化和传导不计其数的次级和三级信号传递分子（secondary and tertiary signal tranductors）的作用。已有实验表明，B细胞如无CD22的表达，就不能通过BCR传递信号［9］，这一点对分子生态免疫学而言，特别有意义，因为一个分子缺失（即一个分子条件的缺少）就可使本来应有的功能，归于无能。
3中的CD19，为糖磷蛋白，同CD21组成复合体，CD21就是补体受体2（CR2），这一复合体还包含TAPA复合分子，CD19在浆面为SH2提供两个结合点，参与同其它分子的网络联系。
CD22为双体，分为CD22a和CD22b，这两条多肽同源性明显，含3个粘性分子，即髓蛋白、神经细胞粘性分子和血浆粘性分子（VCAM-1）。CD22a介导B细胞粘附于单核细胞和红细胞等（红细胞花环），CD22b则在B-B和B-T之间起粘连作用。
以上是关于BCR分子生态性的简要情况。展望未来，必将有新的进展，拭目以待可也。
3 TCR结构与功能的生态性
传统的TCR识别抗原的特异性机制，一直都是比对BCR受到更多重视的问题，这里不拟作详细的讨论，只需将Koretzky［10］和Ward SG等［11］关于T细胞活化的两个示意图，综合为本文的图4，再各加说明即可，但我们将强调某些协同因子对TCR功能表达中的重要意义，我们在讨论BCR的结构和功能时，也是强调的这一点。
图4 TCR的结构与功能及CD28的作用示意
ERK：extracellular signal-regulated kinase
FRAP：FK506-binding protein rapamycin associated protein
JNK：c-jun N-terminal kinase
PI3-kinase（PI3K）：phospoinositide 3-kinase
PKC：protein kinase C
PLC：phosphalipase C
PtdIns（3，4，5）P3：phosphotidylinositol（3，4，5）-triphsphate
PTK：protein tryosine kinas
Ras：P21ras
SM：acidic sphingomeyelinase
TCR：T-cell receptor
TOR：target of rapamycin
TCR实际是α、β链同CD3 ε、δε及双股ζ组成的复合体，但未注意复合体多肽组成的生态性意义。虽然CD4和CD8的作为T细胞不同功能表现的标记分子，受到了一定程度的注意，也从未或很少强调CD4和CD8对T细胞的功能表达，其实起着决定性的作用，不是吗？现已一致认为，无CD4表达的T细胞是不能行使其帮助免疫作用的，无CD表达的T细胞，也是不能行使其杀伤靶细胞的作用的，现在TCR的功能表现，还联系到了其它CD8分子如CD28（图4）和CD2等。TCR活化后的主要信号传导路线是ΡLC／Calcium P21ras和 PI3k， P21ras即Ras，因TCR的活化而活化CD28的P13k激酶，从而引起CD28和TCR之间的“交谈”（cross talk），P13k至少能激活信号下游的Ras、Rac、Pkc和Bcl-XL，此外还有P7056k也被激活。TCR活化的目标通过复杂的信号（我们可称之为分子生态网络），都在于活化和促进IL-2的表达，从而引发和加强T细胞的免疫活性。
TCR的功能表达，除了上面提到的CD28外，CD2的作用，也可能对之有重要的影响，近来Davis等对此作了相当详细的介绍［11］。CD2实际是一个家族［包括CD58、CD48、SLAM（T）、2B4（NK）、Ly-9（T2B）］，与CEA（癌胚抗原）家族［ 包括CD66c（NCA）、CD66b（CGMb）、CD66l（CEA）］同属IgSF（免疫球蛋白超家族），图示如下（图5），易于明了。
图5 CD2与CEA作为IgSF的两个家族成员示意
～：跨膜区
↓：glycosylphosphatidylinositol， GPI，示铆固作用
TCR识别APC（antigen presentate cell）表面分子呈递的MHC-抗原肽时，CD2同APC上的配体CD58（LFA-3）淋巴细胞功能分子-3）结合，有加强MHC限制的T细胞识别抗原肽的作用。T细胞识别抗原的关键步骤是T细胞与APC的接触。两者之间有多种类型的分子相互结合，其中两个细胞上表面分子的相互结合可认为是互为受体与配体的结合，有加强细胞与细胞的粘着作用，细胞粘性分子在细胞免疫机制中的生态性发掘，不只是在细胞免疫经典性概念中具有新意，更是免疫分子生态学的具体内容。Davis等在讨论CD2的作用时，以图解形式阐明了每种分子的粘性作用，引用为本文图6a、b、c，以资参考。
图6a 示T细胞表面的分子名称及其体积大小
ITAM：immunoreceptor tyrosine based activation motif
GPI：见图5
这里要指出的是：TCRCD3复合体含有免疫受体酪氨酸活化序列（ITAM）并邻接CD2分子，CD2和TCR的体积，据结晶学和电镜技术研究资料显示：比CD45或CD43要小6～8倍，而它们的表面密度又比TCR和CD2高2～3倍（图6a、b）
图6b 示静止性T细胞的表面分子，重点在于显示CD2、CD45、CD4及TCRCD3等的分布关系
CD2同ABC的配体结合时，可导致T与APC的细胞膜紧密接触。由于CD45的分子较大，所以当TCR同MHC／抗原肽和CD2同配体结合时，必须将CD45分子向旁边排开，以利于两个细胞的相互接触。从图6c可以看出CD2／配体同TCR／MHC抗原肽复合体组成更复杂的复合体系统，如复合体Ⅰ、复合体Ⅱ、复合体Ⅲ、复合体Ⅱ还结合有CD4分子并同Lck激酶相联系，只有复合体Ⅱ的TCR能识别抗原肽，从而使Lck发挥ITAM磷酸化作用，并进一步组合ZAP-70并传递磷酸化及活化信号，终致TCR免疫特异性的成功表达，具体应该表现在IL-2的基因活化及IL-2产生上。复合体Ⅰ，由于CD4缺失和MHC未有抗原肽结合，当然不会发生免疫作用，复合体Ⅲ虽有CD4和抗原肽存在，但无CD2／配体的参与，也不能发挥免疫作用。
图6c 示APC向T细胞呈递抗原肽时两个细胞表面分子相互结合的情况
关于T细胞活化的最初分子机制，被称为TCR triggering（可译作TCR启动）。对这一启动机制，曾提出两种模式，一是聚集模式（aggregation model），即在TCR同MHC／抗原肽复合体结合时，因有关分子的物理性聚集（physical clustering）而被启动；另一是构型变化模式（conformational change model），即在TCR同MHC／抗原肽复合体结合时引起分子结构的改变而被启动。Davis等认为［11］CD2参与TCR的启动，是一种新的第3种启动模式，不涉及TCR的聚集或构形改变，图6c即可视作此一模式的含义。
另外，CD45分子在T细胞活化中也有一定的作用，属蛋白酪氨酸磷酸盐酶类（protein tyrosine phosphatase， PTPase），它在BCR中的作用，上面已经提到。实验表明：在大多数CD45-T细胞系统，其TCR几乎完全未有同某些信号通道相联系（almost completely uncoupled），如增加多种生物学活性的有关信号：包括酪氨酸磷酸化、磷酸肌醇代谢、胞内Ca［2＋］水平、蛋白激酶C活化、IL-2分泌等，但在某一CD45－T细胞，TCR受影响的情况又不是上述那样的明显。原发性CD45－／－小鼠T细胞信号通路同TCR关联机制的进一步研究的结果表明，CD45-／-T细胞的TCR同信号通路的联系缺失（uncoupling）是有差异性的（differentially），即一些信号通路同TCR不关联，而另一些信号通路同TCR又不是完全不关联。CD45最少有8种同型异构体（isoforms），不同的CD45同型体，具有不同的启动TCR信号通路的能力，是完全可能的事，文献出现的矛盾，不过是对CD45的生态性认识不足而已。
Frearson JA等在讨论PTPaes对T细胞发展、凋亡和信号传递中的作用时［12］，对CD45作了相当详细的论述。T细胞的胞溶性PTPaes活性（cytosolic PTPase activities）不下20种之多，有的已经克隆化。CD45属跨膜PTPase。已有资料表明：CD45作用的底物是P56lck和P59lynPTK（蛋白酪氨酸激酶），这两种PTKs被认为有使ITAM磷酸化的作用，LTAM是不变性 TCR多肽（invariant TCR polypeptide）的组成序列，它被磷酸化，自然起到刺激TCR活化的作用；ITAM的磷酸化，是由于RTK P56lck和P59lyn的去磷酸化。Frearson等指出，刺激TCR不一定就引起P56lck和P59lyn的去磷酸化，而很可能是由于CD45的表达而得以维持同TCR关联的P59lyn和同CD4／CD8关联的P56lck活性于高水平状态，并足以使受体刺激时启动信号的传递，这似乎表明TCR刺激固然可引起上述两种PTK的去磷酸化，而CD45的表达也可起对它们的去磷酸化作用，从而活化T细胞的免疫功能。Frearson等以图解形式描述T细胞的PTPase（膜上，浆内，核内）表达，引为图7以便更加明了。
图7 T细胞的PTPase分布示意
ER：endoplasmic reticulum
FAP-1：Fas-associated PTPase 1
HePTPase：hematopoitic TPPase
IL-2R：interleukin-2 receptor
PTP-1C：proteintyrosine phosphotase 1C
TCR：T cell receptor
图7示PTP酶的膜（CD45）浆（PTP-1c PTP-1D，PTP38，PTP-1B，HePTPase，Tcell PTPase）核（PAC-1）的分布，膜上还有PTPα，PTPσ，ΡΤΡλ等，箭头示有关分子的活性信号联系，如FAP-1（Fas-associated PTPase 1）PTP-1C，PTP-1D等，PTPase种类之多，说明其对底物特异性之高，也就是说，不同的PTPase特异性地作用于不同的底物，从图7还可看出：Fap-1对Fas的活性有抑制作用，而PTP-1C，则对之有促进作用，对Fas-1的促进作用，导致细胞凋亡，同PTP-1C对TCR的负反应是一致的。与PTP-1C相反，PTP-1D则是正作用于TCR，至于膜PTPase CD45则既可正作用于TCR-Fyn（P59），又可正作用于TCR的协同因子CD4／CD8-Lck（P56），这表明CD45对于T细胞的活化和其免疫性表达是不可缺少的，由于本文强调的是CD45，其它胞溶性和核溶性PTPase分子的作用，就不再介绍了。
4 TCR，BCR免疫功能表达的分子生态性比较
TCR和BCR分别是T、B细胞表达免疫功能的生物活性复合体分子，都有识别抗原或抗原肽的作用。比较它们的分子水平免疫机理或其分子免疫的生态性，显然含有新意，也就是说：免疫分子生物学已发展到了免疫分子生态学的程度了。上文在讨论BCR结构和功能的生态性时，指出了BCR的异质双链组成及各自链上ARH-1（即抗原识别序列），图示了它们在静止态和活化态的分子构型变化和CD45使Igα和Fyn磷酸化的可能性（图2），还图示了BCR活化时的信号传导所能联系的CD22、CD19和CD21等分子（图3），显示出BCR分子生态性的复杂性。在讨论TCR结构与功能的生态性时，图示了CD28联系的PI3K（phosphoinositide 3 kinase）激酶信号同TCR活化后分子信号通路之间的网络联系（图4），特别图示了T细胞表面的不同表面分子的分布和APC细胞向TCR呈递抗原肽时两个细胞表面接触所引起的受体与配体的结合和表面分子组合的情况，尤其强调了CD2分子的重要意义（图6a、b、c）。
另外，在BCR活化中可能起作用的分子CD45在TCR的活化中具有无容置疑的重要性，图7对此进行了示意的解释。
比较TCR、BCR功能表达的生态性，重点在于指出其CD系统表面分子的异同；CD45在TCR、BCR的活化中都有作用，而只在TCR中发生作用的有CD4／CD8、CD2、CD28等；只在BCR中发生作用的有CD22、CD19、CD21等，已有大量的实验资料表明：这些分子参与TCR、BCR活化的作用是不可缺少的。由此可以看出：TCR与BCR识别抗原机制在分子水平的比较，实际就是它们之间的分子生态性的比较，颇有新意。
第一作者：男，85岁，大学，教授
5 结语
分子生物学在生命科学中的地位，已取得广泛的共识；分子生态学在生命科学中的地位，尚未受到普遍的注意，我们将不遗余力的阐明分子生态学的规律性和学科性，以便使这一新的学科，能取得生命科学工作者的共识并参与有关理论和实践的开拓工作。联系到分子免疫学，就不能不讨论分子生态免疫学的问题，本文所论述的有TCR和BCR功能表达的新的资料，足以反映分子生态免疫学，是有其客观依据的，欢迎批评和讨论。
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（1997-12-04收稿）