基于高中生物學(xué)教材中的吞噬細(xì)胞三問

張文學(xué) 郭煥煥

(河南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 新鄉(xiāng) 453007)

1 吞噬細(xì)胞是如何識別病原體的

吞噬細(xì)胞是保衛(wèi)人體的第二道防線，如果病原體突破皮膚黏膜第一道防線侵入人體，就由人體組織中的吞噬細(xì)胞將其吞噬清除掉。那么吞噬細(xì)胞是怎樣認(rèn)出侵入人體的病原體的？是否如不少人認(rèn)為的那樣，對病原體抗原的識別是T細(xì)胞和B細(xì)胞的事，吞噬細(xì)胞不識別病原體抗原？吞噬細(xì)胞在體內(nèi)為何不吞噬其經(jīng)常接觸的機體自身正常的細(xì)胞？

1.1 吞噬現(xiàn)象 關(guān)于吞噬現(xiàn)象的描述，最早見于1893年出版俄國生物學(xué)家Metchnikoff的著作《Comparative Pathology of Inflammation》，書中詳細(xì)敘述了作者發(fā)現(xiàn)的吞噬細(xì)胞吞噬病原體的現(xiàn)象，并提出吞噬細(xì)胞分小吞噬細(xì)胞和巨噬細(xì)胞兩類。他因此榮獲1908年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎[1]。至于吞噬細(xì)胞如何識別病原體，Metchnikoff未談及，之后也長期沒人關(guān)注。

1.2 模式識別理論 直到20世紀(jì) 90 年代，美國生物學(xué)家Charlie Janeway提出“模式識別理論”[2]，推測吞噬細(xì)胞是通過其細(xì)胞膜上的“模式識別受體(PRR)”去識別病原體的“病原相關(guān)分子模式(PAMP) ”。這一理論后來被法國的Jules A Hoffmann 和美國的Bruce A Beutler用實驗證明是正確的，兩人因此榮獲2011年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎[3]。上述復(fù)雜的理論若簡單地說就是：吞噬細(xì)胞靠其細(xì)胞膜上的“受體”去識別(結(jié)合)病原體的某分子結(jié)構(gòu)，這種識別(結(jié)合)啟動了吞噬細(xì)胞的吞噬活動。所謂的“受體”，就是吞噬細(xì)胞膜上的某種蛋白質(zhì)；受體所識別的分子結(jié)構(gòu)不是某一種病原體所特有，而是多種病原體所共有的分子結(jié)構(gòu)，這樣吞噬細(xì)胞就不需要太多的受體就可以識別幾乎所有的病原體。因此，近年的相關(guān)文獻(xiàn)中才有了吞噬細(xì)胞識別病原體的內(nèi)容。

1.3 吞噬細(xì)胞的受體 吞噬細(xì)胞所具有的受體及其所識別的病原體的分子結(jié)構(gòu)如下：①甘露糖受體，它識別細(xì)菌的甘露糖和巖藻糖；②清道夫受體，它識別革蘭氏陽性菌(G+)的磷壁酸(LTA)和革蘭氏陰性菌(G-)的脂多糖(LPS)；③TLR受體，是擁有11個成員的大家族，可識別革蘭氏陽性菌的肽聚糖(PGN)和磷壁酸、革蘭氏陰性菌的脂多糖和鞭毛蛋白、細(xì)菌和支原體的脂蛋白和脂肽、酵母菌的酵母多糖、病毒的RNA等[4]。

簡言之，吞噬細(xì)胞用受體去識別和結(jié)合病原體的某分子結(jié)構(gòu)；一種受體可識別結(jié)合多種病原體，因為受體所識別的分子結(jié)構(gòu)是多種病原體所共有的分子結(jié)構(gòu)；多種受體可識別一種病原體，因為一種病原體常具有多個可被不同受體識別的分子結(jié)構(gòu)。所以，機體清除侵入的病原體(以病原菌為例)的過程應(yīng)包括：吞噬細(xì)胞和病原菌接觸、識別并結(jié)合、吞入病原菌、殺死并分解病原菌等階段。而機體自身的正常細(xì)胞因不具有病原體所具有的上述分子結(jié)構(gòu)，所以吞噬細(xì)胞不會吞噬機體自身正常的細(xì)胞。

2 吞噬細(xì)胞攝取和處理抗原(細(xì)菌)后為何僅將抗原傳遞給T細(xì)胞，不傳遞給B細(xì)胞

2.1 特異性免疫 大多數(shù)病原體經(jīng)吞噬細(xì)胞等的攝取(吞噬)和處理(分解)，暴露出這種病原體特有的抗原，抗原傳遞(呈遞)給T細(xì)胞；……少數(shù)抗原直接刺激B細(xì)胞，也即來自病原體的少數(shù)抗原刺激B細(xì)胞產(chǎn)生抗體時不需要T細(xì)胞幫助(輔助)，這樣的抗原可直接刺激B細(xì)胞；來自病原體的大多數(shù)抗原刺激B細(xì)胞產(chǎn)生抗體時必須有T細(xì)胞的幫助(輔助)。T細(xì)胞怎么幫助B細(xì)胞？首先T細(xì)胞接受抗原刺激而活化，然后活化的T細(xì)胞分泌淋巴因子與B細(xì)胞表面的淋巴因子受體結(jié)合，這就是T細(xì)胞對B細(xì)胞的幫助。為何T細(xì)胞只能接受由吞噬細(xì)胞處理過的抗原的刺激？這是因為T細(xì)胞不能識別天然完整的抗原，只能識別經(jīng)吞噬細(xì)胞攝取處理過的抗原。

2.2 抗原表位 抗原表位也稱為抗原決定簇。抗原表位是抗原分子中決定免疫應(yīng)答特異性的特殊化學(xué)基團，是抗原與T細(xì)胞、B細(xì)胞、抗體特異結(jié)合的結(jié)構(gòu)功能單位。例如，病原體的蛋白質(zhì)是很好的抗原，它含有多種、多個抗原表位，每個抗原表位是由幾個到十幾個氨基酸組成的。其中，有些抗原表位是可以刺激(結(jié)合)T細(xì)胞的抗原表位；有些是可以刺激(結(jié)合)B細(xì)胞的抗原表位[4]。所以，通常所說的“抗原刺激(結(jié)合)T細(xì)胞、B細(xì)胞”實際上是“抗原中的抗原表位刺激(結(jié)合)T細(xì)胞、B細(xì)胞”。

可刺激T細(xì)胞的抗原表位多位于抗原的內(nèi)部，由幾個到十幾個連續(xù)線性排列的氨基酸構(gòu)成，此抗原表位稱線性抗原表位，例如，由某蛋白質(zhì)抗原中第7～15位氨基酸組成一個線性抗原表位。可刺激B細(xì)胞的抗原表位常位于抗原的表面，而且有些為線性抗原表位，有些為構(gòu)象抗原表位。所謂構(gòu)象抗原表位是指該表位的各個氨基酸不是線性排列，而是在空間上彼此接近形成特定構(gòu)象。例如，抗原肽鏈反復(fù)折疊后第8～9、20～22、30～31位氨基酸在空間上彼此接近，形成一個構(gòu)象抗原表位。正因為刺激T細(xì)胞的抗原表位多位于抗原內(nèi)部，若不將其暴露出來就不能刺激T細(xì)胞，故需要吞噬細(xì)胞將抗原攝取(吞噬)和處理(分解)，使它內(nèi)部的抗原表位暴露出來，并將暴露出來的抗原表位傳遞(呈遞)給T細(xì)胞，這樣才能刺激T細(xì)胞活化。而刺激B細(xì)胞的抗原表位常位于抗原表面，故不需要吞噬細(xì)胞吞噬處理就能刺激B細(xì)胞。對于一些刺激B細(xì)胞的構(gòu)象抗原表位，如果吞噬細(xì)胞將其吞噬處理則會破壞該抗原表位，就不能刺激B細(xì)胞活化了。

3 為何有時吞噬細(xì)胞不能殺死其胞內(nèi)的病原體

有一些致病細(xì)菌如結(jié)核桿菌、麻風(fēng)桿菌等可寄生在宿主細(xì)胞內(nèi)。更精確地講，上述細(xì)菌主要是寄生在巨噬細(xì)胞內(nèi)。作為一種功能強大的吞噬細(xì)胞，巨噬細(xì)胞為何不殺死其胞內(nèi)的結(jié)核桿菌，反而允許該細(xì)菌寄生在其胞內(nèi)呢？

3.1 巨噬細(xì)胞對致病菌的殺傷作用 巨噬細(xì)胞在機體免疫活動中發(fā)揮著重要作用，使機體免受病原菌傷害。例如，結(jié)核桿菌進(jìn)入機體后，巨噬細(xì)胞通過各種受體識別結(jié)核桿菌的各種分子結(jié)構(gòu)，并將其吞噬到胞內(nèi)形成吞噬體，吞噬體與溶酶體融合形成吞噬溶酶體，通過多種途徑殺傷分解結(jié)核桿菌。同時，巨噬細(xì)胞也將其胞內(nèi)分解結(jié)核桿菌后形成的具有免疫原性的多肽呈遞給相應(yīng)的T細(xì)胞，T細(xì)胞因受該抗原肽刺激而活化。有些T細(xì)胞(Th細(xì)胞)活化后釋放淋巴因子IFN-γ，該因子可以反過來活化巨噬細(xì)胞，使巨噬細(xì)胞吞噬殺傷結(jié)核桿菌的能力更加強大；有些T細(xì)胞(Tc)活化后通過多種途徑使胞內(nèi)有結(jié)核桿菌而又無力殺死的巨噬細(xì)胞裂解或凋亡，細(xì)胞裂解凋亡后釋放出來的結(jié)核桿菌被其他由IFN-γ活化過的巨噬細(xì)胞吞噬殺死。

3.2 結(jié)核桿菌的逃逸作用 盡管巨噬細(xì)胞通過上述途徑可以有效地清除結(jié)核桿菌，但是仍會有部分結(jié)核桿菌逃避巨噬細(xì)胞的殺死分解，可在巨噬細(xì)胞內(nèi)長期存活下去。不難想象，能在具有強大殺傷能力的巨噬細(xì)胞內(nèi)寄生的結(jié)核桿菌一定有不同于其他細(xì)菌的獨特之處。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，在上述巨噬細(xì)胞吞噬殺傷結(jié)核桿菌的各個環(huán)節(jié)，結(jié)核桿菌都有“辦法”來逃避[5]。逃避的方法有：①阻止吞噬體與溶酶體融合。吞噬體表面的磷脂酰肌醇-3磷酸分子(PI3P)在吞噬體與溶酶體融合過程中有重要作用。機體感染結(jié)核桿菌后，吞噬體表面的PI3P分子就會因結(jié)核桿菌的“干擾”而減少，這樣就抑制了吞噬體與溶酶體的融合。所謂結(jié)核桿菌的“干擾”包括：一是其胞壁成分脂阿拉伯甘露糖(LAM)可抑制PI3P的產(chǎn)生；二是其分泌的磷酸酶SapM能特異降解PI3P。結(jié)核桿菌還可分泌絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶G(pknG)，繼而通過磷酸化作用于巨噬細(xì)胞內(nèi)的其他效應(yīng)分子，阻礙這些效應(yīng)分子對吞噬體溶酶體融合的幫助。②抵抗巨噬細(xì)胞氧依賴性殺菌系統(tǒng)的殺傷。氧依賴性殺菌系統(tǒng)是巨噬細(xì)胞殺傷所吞噬病原體的重要途徑之一，結(jié)核桿菌產(chǎn)生的一些酶可有效抵抗該系統(tǒng)對結(jié)核桿菌的殺傷。③降低巨噬細(xì)胞對刺激應(yīng)答的敏感性。結(jié)核桿菌的胞壁成分LAM可以改變巨噬細(xì)胞表面IFN-γ受體結(jié)構(gòu)，使巨噬細(xì)胞對IFN-γ的敏感性降低，導(dǎo)致巨噬細(xì)胞不能活化。④減少巨噬細(xì)胞的凋亡。巨噬細(xì)胞凋亡是限制結(jié)核桿菌在細(xì)胞內(nèi)寄生的重要機制之一，但結(jié)核桿菌能通過某些機制抑制巨噬細(xì)胞凋亡。例如，結(jié)核桿菌可誘導(dǎo)產(chǎn)生可溶性TNF受體，也可降低Fas的表達(dá)，從而維持其在巨噬細(xì)胞內(nèi)的存活。