細胞和分子免疫學:第四節(jié)　補體的結(jié)構(gòu)及遺傳學特征

近年來，補體的分子生物學進展迅猛，對補體系統(tǒng)的活化機理和功能得到了分子水平的解釋。各種補體分子的cDNA已克隆成功，絕大多數(shù)補體蛋白的基因在染色體上的定位已被確定，并通過對它們的核苷酸序列和氨基酸序列的分析，發(fā)現(xiàn)許多補體蛋白的基因在染色體上相連鎖，在結(jié)構(gòu)上具有共同性。

一、補體蛋白結(jié)構(gòu)的共同性

通過對補體系統(tǒng)的蛋白結(jié)構(gòu)進一步探查，表現(xiàn)了一些頗具特色的結(jié)構(gòu)功能域（module)，并根據(jù)它們在氨基酸序列上的同源性，將它們歸為幾個不同的蛋白家族。同一家族中的各個成員通常具有相類似的結(jié)構(gòu)和功能。此外，根據(jù)不同補體蛋白基因間的同源性，提示每個家族的成員可能是由一個共同的祖基因復制而來，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的多樣性，進而使各種補體蛋白又具有各自特定的功能。

(一)C1q與其相關的分子

C1q與其相關的分子：甘露糖結(jié)合蛋白（mannose-binding protein,MBP)、肺表面活性物質(zhì)脫輔基蛋白A和D（surfactantprotein A and D,SP-A,SP-D)、類風濕因子（RF)和膠固素（conglutinin)等，為具有以膠原樣蛋白和凝集素區(qū)結(jié)構(gòu)為特征的一組蛋白。因此有人將collagen與lectin兩字縮合，歸納稱為“collectin”（可暫譯為膠凝素)。這些相關分子均能以抗體依賴或非依賴的方式被激活，再激活補體系統(tǒng)，或具有結(jié)合C1q-R的能力，從而模擬和放大C1q的功能作用。

（二)絲氨酸蛋白酶補體分子

在補體固有成分和調(diào)節(jié)蛋白中，共有6個絲氨酸蛋白酶（原)。即：C1r、Cls、C2、B因子（Bf)、D因子和I因子。它們除彼此在氨基酸序列上有同源性外，還與非補體性絲氨酸蛋白酶（如胰蛋白酶和糜蛋白酶)高度同源。但C2和Bf的催化部位比常見的絲氨酸蛋白酶約多210個氨基酸殘基。在6個補體性絲氨酸蛋白酶中，C1r和C1s，C2和Bf又具有更大的相似性。

C1r和C1s均為單鏈長形結(jié)構(gòu)，兩端呈球形似啞鈴狀，分子量均為85kDa。二者除在C端有共同的絲氨酸蛋白酶結(jié)構(gòu)功能域外，其N端有約450個氨基酸彼此同源。均含有2個拷貝的SCR和1個拷貝的EGF前體結(jié)構(gòu)功能域（圖5-18)。

圖5-18　4種絲氨酸蛋白酶補體蛋白的結(jié)構(gòu)功能域

C2和Bf均為單肽鏈糖蛋白，它們除在形成兩條補體激活途徑中和C3轉(zhuǎn)化酶方面十分相似外，在合成部位、合成途徑、分子大小、亞單位結(jié)構(gòu)、半胱氨酸位置及數(shù)目，以及保守殘基替代及活性部位等方面也有很大的相似性（表5-4)。C2和Bf分子中相同的結(jié)構(gòu)功能域是均有3個CSR、1個與von Willebrand因子（vWF)共同的氨基酸序列和1個絲氨酸蛋白酶結(jié)構(gòu)功能域。

表5-4　C2與Bf的特性比較

(三)末端補體分子

末端補體分子C6，C7，C8和C9是構(gòu)成膜攻擊復合體（MAC)引起靶細胞溶解破壞的重要組成成分。功能上的相似性反映了它們結(jié)構(gòu)上的共同性。均具有420kDa的I型凝血敏感蛋白重復序列（thrombospondin type Irepeat,TSP-1)，而且與TSP-1特有的β片層、和β螺旋結(jié)構(gòu)的立體配體也是類似的。此種結(jié)構(gòu)單位也存在于備解素（properdin)和瘧原蟲的羧箕末端。除TSP-1外，它們還具有1個拷貝的低密度脂蛋白受體結(jié)構(gòu)功能域（low density lipoprotein receptor module,LDL-R)，1個表皮生長因子前體結(jié)構(gòu)功能域（EGf precusor module)。在肽鏈的中央還有1個半胱酸貧乏區(qū)與細胞毒性細胞和NK細胞釋放的perforin的結(jié)構(gòu)具有相似性（圖5-19)。其中C6和C7具有更大的同源性。二者除上述的結(jié)構(gòu)功能域外，在C端還存在著富含半胱氨酸的重復序列，即為2個CSR和2個與I因子重鏈中有一個區(qū)具有同源性的結(jié)構(gòu)功能域（factor I module,FIM)。二者的分子量也相近似，分別為128kDa和121kDa。顯著的差別僅僅是C6的N端多1個由59個氨基酸組成的TSP-1。

圖5-19　末端補體分子的結(jié)構(gòu)功能域

（四)具有SCR的6種補體調(diào)節(jié)蛋白

補體活化調(diào)節(jié)蛋白（requlatorof complement activation,RCA)包括：CR1、CR2、H因子、C4bp、DAF和MCP。它們共同的結(jié)構(gòu)特征是均具有多個類似的短同源重復序列（SCR)。SCR也稱Shushi單位。一個SCR約由60-70個氨基酸殘基所組成，大小為4.5nm。SCR之間有20-40%的同源性。所有的SCR均具有固定的保守骨架序列（其中有4個半胱氨酸形成兩個二硫鍵)，并與脯氨酸、色氨酸、酪氨酸/丙氨酸、甘氨酸相維系而形成一獨特的結(jié)構(gòu)單位（圖5-20)。這一結(jié)構(gòu)單位在CR1中有32個，CR2中有15-16個，H因子中有20個，C4b中有12個，DAF和MCP中各有4個，而且是構(gòu)成這些補體蛋白肽甸的主要結(jié)構(gòu)。SCR在RCA中的功能是與C3、C4和C5結(jié)合，發(fā)揮其調(diào)節(jié)作用。在前述的C1r、Cls、C2、Bf、C6和C7中也含有幾種非補體性蛋白如IL-2R、β2糖蛋白1（β2-1)、內(nèi)皮細胞-白細胞粘附分子-1（ELAM-1)、淋巴細胞的歸位受體和凝血因子Ⅻ的b亞單位中也含有SCR，但其意義不詳。值得注意的是，牛痘病毒具有SCR的編碼DNA，且與C4bp的SCR相類似，可逃避補體經(jīng)典途徑對其發(fā)揮作用。

圖5-20　SCR的結(jié)構(gòu)（模式圖)

注：（A)SCR結(jié)構(gòu)；有44%的SCR是保守的，

包括形成鏈內(nèi)二硫鍵的4個半胱氨酸

（B)具有重迭鏈內(nèi)二硫鍵（……)的SCR

此外，在補體的膜性調(diào)節(jié)分子中，DAF、MCP、C8bp和CD59四種分子者是以糖基磷酯酰肌醇錨（GPI)而固定在細胞膜上的。錨的核心結(jié)構(gòu)是：protein-CO-NH-CH2-PO4-6-man-α1,2-man-α1,6-man-α1,4-G1CN--α1,6MYO-inositol-1-PO4-Lipid。此種結(jié)構(gòu)還存在于多種非補體蛋白中，如堿性磷酸酶、乙酰膽堿酯酶、Thy-1及布氏錐蟲的變異體表面糖蛋白等。補體蛋白DAF、MCP、CD59和C8bp（HRF)可借助于這樣的結(jié)構(gòu)而使補體對自身細胞的損傷減至最小。這就是近日逐漸闡明的補體同源限制性（homologous restriction)。陣發(fā)性血紅蛋白尿（PNH)之所以對補體攻擊敏感，正是由于其紅細胞膜上缺乏含有GPI錨的分子，因而使機體的正常同源限制性作用失去效能所致。

二、補體的遺傳學特征

補體的遺傳學特征學特征表現(xiàn)為多種補體分子具有遺傳的多態(tài)性在染色體上密切連鎖的，形成不同的基因家族。

（一)補體的遺傳多態(tài)性

補體的遺傳多態(tài)性（geneticpolymorphism)是指在同一集團中，兩個或兩個以上非連續(xù)性突變體或基因型（稱型態(tài))，以極小的頻率有規(guī)律地同時發(fā)生的現(xiàn)象。補體成分的多態(tài)性是Alpert和Propp 1986年在人的C3中首次發(fā)現(xiàn)的。此后，已從基因型和表型水平獲得有關不同種內(nèi)補體缺陷與補體多態(tài)性的知識，并從四個水平研究了補體的多態(tài)性：①通過對血清中天然補體成分同種型的分析（表型水平)；②通過確定它們的亞單位組成（亞表型水平)；③通過建立群體遺傳學和形式遺傳學（即同種異型的頻率和各個基因/等位基因的頻率與分離)；④通過對它們DNA結(jié)構(gòu)的定位和測序，提示限制性片段長度多態(tài)性（restriction fragment lenght polymorphism, RFLP)。已發(fā)現(xiàn)許多補體分子具有多態(tài)性，其中以C2、Bf、C4、C3和C6最為顯著（表5-5)。

（二)定位于第1號染色體長臂32區(qū)的RCA基因簇

這一基因簇包括：CR1、CR2、H因子、C4bp、DAF和MCP的基因。由于這一緊密連鎖的基因簇調(diào)控著補體系統(tǒng)的活性，因此可以得出下面的結(jié)論：基因的連鎖是維持密切相關功能的進化的現(xiàn)象。變異體的罕見可能是進行選擇的有利條件，或有時是一種致病的因子。例如，所有罕見等位基因CR1※C的攜帶者，均均患SLE。其他可能的關聯(lián)尚待闡明。

（三)定位于第5號染色體上的MAC補體基因簇

最近確定在5號染色體的短臂存在著補本末端成分C6、C7和C9的基因簇，并發(fā)現(xiàn)C6和C7的基因通常是緊密連鎖著的，證據(jù)主要來自一個C6/C7聯(lián)合缺陷的病例。C6缺陷者與反復發(fā)作的腦膜炎奈瑟氏菌的感染有很強的相關性。某些C7缺陷的個體也易感染奈瑟氏菌。其余個體則是健康的。驚奇的是所有C9缺陷的個體（1便除外)似乎都健康。這些現(xiàn)象說明，在MAC補體分子中，包括定位于其他染色體的基因編碼的C8在內(nèi)f1411.cn/rencai/，存在著某種程度的互補性。即一種補體分子的缺陷，可補其他末端補體分子的功能所補償。C8的3個亞單位（α、β和γ)分別為第1號染色體上的C8A、CIB基因和定位于第9號染色體長臂的基因C8G的產(chǎn)物。

表5-5　補體成分的多態(tài)性與染色體定位

注：表中缺項者為尚末見報道。

（四)定位于第6號染色體短臂21.3區(qū)的MHC Ⅲ類基因

已有許多證據(jù)表明，C2、C4和Bf由位于MHC I、Ⅲ類基因間一段長80kb的DNA所編碼。C2和Bf基因的500kb之中有一部分相重合。C4由2個緊密連鎖的位點上的基因C4A（22kb)和C4B（16kb)所編碼。純合性的Bf缺陷尚末見報道，但偶可見一純合性C4和C2的缺陷。并常與SLE或SLE樣疾病相關聯(lián)。約有2/3純合性C2缺陷的個體是健康的，說明C2的缺陷至少有一部分可被無缺陷的C4所補償。C2和Bf均具有多態(tài)性。人的C2主要由三個等位基因（C2A、C2B和C2C)所編碼。在補體成分的缺陷中，C2的遺傳性缺陷所占比使例較高，為常染色體共顯性遺傳。C2缺陷者發(fā)生免疫復合物病及SLE的危險性較大。Bf的遺傳多態(tài)性最常見的表型為S（slow)和F（fast)，另外還發(fā)現(xiàn)近20種罕見型，基因頻率均<0.02-0.03。B因子的多態(tài)性與某些自身免疫病和感染性疾病有關。C4A和C4B則具有復雜的多態(tài)性，已發(fā)現(xiàn)有30多個同種異型，分別有15和14個等位基因。由C4A和C4B基因編碼的兩種蛋白有99%的序列同源性，但二者在功能上卻有明顯的差別。兩種同型的差別只是1個決定簇的不同。如將1101位的亮氨酸置換為脯氨酸，在SDS-PAGE上即可出現(xiàn)2kDa的表觀分子量的改變；若將1106位的天冬氨酸置換為組氨酸，可使基溶血活性出現(xiàn)3-4倍的變化。另有2個位點含有所謂的“Null”基因稱為：“零基因”（C4quantitative zero,C4QO)或靜息基因，檢不出基因產(chǎn)物的頻率為10-20%，系由于基因的缺失、基因轉(zhuǎn)換或不表達所致。C4A和C4B在功能上的送別表現(xiàn)為：①溶血活性不同，C4B明顯高于C4A，因C4B與羥因形成酯鍵的速度大于C4A的10倍，而C4A與氨基形成酰胺鍵的速度大于C4B的100倍。②C4A在抑制免疫沉淀中的作用較C4B大1.7倍，對腮腺炎病毒的中和作用較C4B大10倍；③抗原性上也有差別；幾乎所有C4A分子中都含Rodgers血型抗原，而C4B則含有Chid O血型抗原。C4A缺陷與多種疾病的關聯(lián)，如SLE、RA、全身性硬化、亞急性硬化性全腦炎（SSPE)、慢性多發(fā)性關節(jié)炎、重癥肌無力、內(nèi)臟利什曼病、普通變異型腎小球腎炎、麻風、巴西芽生菌病、IgA缺陷、胰島素依賴的糖尿病（IDDS)、恰加氏�。�非洲錐蟲病)和艾滋病。

近幾年來，已對大多數(shù)補體分子的結(jié)構(gòu)和遺傳學特征進行了較深入地研究，發(fā)現(xiàn)許多補體分子遺傳上的異常與某些疾病的關聯(lián)。但將體外功能上的改變就視為與體內(nèi)的某一現(xiàn)象有關尚為時過早。今后研究的重要任務，在于闡明補體相關疾病發(fā)病機理中的致病因子來取代統(tǒng)計學上的相關性。

（李恩善)