互动科普

鲨鱼和脊椎动物的免疫起源

Gary W. Litman*

已存在长达4.5亿年之久的鲨鱼为免疫系统的进化提供了遥远时期的一瞥。

约在5亿年前，所有有颚脊椎动物的祖先出现于地球广大原始海的温暖的水域中。虽然它的身份被笼罩在神秘之中，但有的古生物学家相信，这种祖先相似于称作盾皮鱼的一个较晚鱼类中的某些成员(至少从盾皮鱼留下的化石中知道有这种鱼)。这些笨拙的生物(其中有些看来生长至约7米长)有包在保护性骨板内的头和胸区。

一尾活的盾皮鱼(或其它可能的古老脊椎动物先行者之一)当然会不可估量地增加我们对进化的认识。也许最有意义的是，我们将能够了解身体最复杂的组成之一——免疫系统的运作，这种免疫系统是在某些脊椎动物完成从无颚形式到有颚形式的关键性过渡之后不久就存在。这种过渡在进化中是关键的一步，因为它在导致更加高级的动物(包括最终爬到陆地上并进化为人类)的历程中是一个环节。很可能多成分的、适应性的免疫系统始于第一批脊椎动物。残存的无脊椎动物的免疫系统(或许相似于古老无脊椎动物的免疫系统)不具有脊椎动物免疫的值得注意的适应性能力。

虽然盾皮鱼及它们的祖先已消失很久了，但我们确有次最佳的生物：几种与它们有系统发生的亲缘关系的鱼类，包括鲨鱼、鳃类、魟和银鱿。这些生物——有免疫系统，如果自数亿年前它们最早出现以来真的有变化，那么或许变化也极小——可对进化中这遥远的和不寻常的时期打开一个窗口。

在过去几年内.我的同事和我已研究了某些这类生物的免疫系统。正如所料，在这些活化石中的免疫不同于以后的如蛙、猴和人类这些动物的免疫。然而有趣的是，就保护它们的寄主免受疾病、感染和其它灾祸而言，这些古老的免疫系统似乎与它们的更现代的对应物完全同样有效——如果不是更有效的话。

或许这是不足为奇的，包括鲨鱼、鳐类和魟在内的软骨鱼亚类已存在长达4.5亿年之久（人类(Homosapiens)已存在约50万年），幸免于消灭了无数物种的几次大规模的生物灭绝很难想象、在免疫系统不是特别有效的生物中如此的进化成就如何能够发生。我们为鉴别使软骨鱼免疫如此成功的特性之努力已产生了很有价值的附带的好处：对人类免疫的认识。

免疫的两部分

适应性免疫系统有两个基本部分，叫做体液和细胞。已知体液免疫因子为B淋巴细胞(即B细胞)。B细胞产生蛋白质分子(即抗体)，它在血液中与潜在的有害细菌和病毒上的外来物质(即抗原)相结合。这种结合使其它的身体实体通过各种手段破坏细菌和病毒。抗体也称为免疫球蛋白；人有5种主要类型的抗体。

在一个B细胞上的所有抗体都是属同一类型并与一种特异性抗原相结合。如果这种抗体遇到了它的相应的抗原并与它结合，那么B细胞被刺激繁殖和分泌其抗体。人体数十亿B细胞的大部分生产彼此不相同的抗体。因为在每个B细胞形成时，一个拥有随机成分和遗传成分的遗传过程使细胞产生基本上是独特的“受体”——这种“受体”是实际上与抗原结合的抗体部分。产生这种广范围体液免疫的是抗原受体这种难以置信的多样性。

称为T淋巴细胞(即T细胞)的一组不同的免疫细胞执行细胞免疫。与B细胞相反，T细胞不产生抗体，而能识别与不同类型细胞表面的一类分子结合的抗原。为此，它们配备有一种特殊类型的分子叫做受体。发挥作用的细胞的典型表现包括如排斥外来皮肤移植片和杀死肿瘤细胞这类不同的现象。

抗体(即免疫球蛋白)和T细胞受体是身体能够识别特异性抗原的主要工具。虽然体液和细胞免疫基本上有不同的功能和目的。但是它们在一次免疫应答期间相互作用。例如，T细胞帮助调节B细胞的功能。

在某些方面，鲨鱼和魟的免疫与人的免疫是相似的。这些鱼有脾，正如人一样那里存在B细胞的丰富来源。当一条鲨鱼被免疫时——也就是说被注入一种抗原——B细胞通过产生抗体而应答。这种相似性也适用于细胞免疫。与人相同，鲨鱼和魟有胸腺。在其中T细胞成熟并从中释放出来。鲨鱼也有T细胞受体。近来我和现在在加州理工学院的Jonathan P. Rast研究指出，正如在人体中一样，这些受体的多样性是由相同种类的遗传机制引起的，这种机制产生抗体的多样性。最后，一条鲨鱼移植到另一条鲨鱼的皮肤基本上都引起排斥。

虽然有这些相似性，但在如鲨鱼这种软骨鱼和人的免疫系统之间仍有某些显著的和迷人的差异。例如，软骨鱼有4类不同的免疫球蛋白，而其中只有1类免疫球蛋白属于人体中5个主要类型之列。此外，这些鲨鱼抗体缺乏能够识别(除其它许多东西外)两种相似细菌种类之间微妙差异的锐敏的特异性。

此外，这些抗体缺乏人抗体在持久的免疫应答过程中与抗原越来越强的结合能力——在与侵染对抗中这是一种决定性的优点。鲨鱼不像人那样强有力地和快速地排斥皮肤移植片。而是要经过数周后才产生排斥作用，这一事实表明了细胞免疫的差异。

这些事实是否表明，与人和其它哺乳动物相比。鲨鱼和魟的免疫系统不太适合于寄主的需求？完全不是的。事实上，这种古老免疫系统的特异本质完全说明了在免疫的进化中存在的曲折。此外这种曲折的过程表明，至少在关系着免疫系统的地方，进化可能并非总是如常描绘那样以不屈不挠的、连续的方式在进行。

每种抗原的受体

迄今我们的许多研究是致力于阐明通常长到半米长的一种有斑点的生物(即有角鲨鱼)的体液免疫系统。在这种动物中（如像在所有的脊椎动物中一样)，抗原受体的多样性遗传基础：特别是，每种抗体的抗原受体是通过被称为重、轻两种氨基酸链(是蛋白质分子)之间的相互作用形成的。这些基本抗体分子几乎毫无例外地有两对这种链，因此有两个抗原受体位点。受体到底将与哪种抗原结合取决于构成受体的链中氮基酸的种类和排列。

不管在体内的什么地方生产氨基酸链，它们都是在细胞内产生，而且被细胞核内基因——起一种蓝图的作用——确定。在抗原受体的情况，氨基酸链被B细胞的核内基因断片(也称为抗体基因)确定。对于这一目的有三种类型的基因断片：它们被称为V（“可变的”）、D('“不同的”)和J("结合的”)。重链中的氨基酸由所有三种基因断片确定；轻链仅以V和J编码，称为C(“恒定的”)的第四种基因断片决定抗体的类别。

在人体内，在单个的染色体上现功能性V、D、J和C断片：如像在大多数高等脊椎动物那样，断片以成簇的方式排列，在单个位置有例如约50个功能性V、30个D、6个J和8个C成分，占有DNA分子“梯”的约100万个成分(即梯级)。(这些梯级是碱基对。)当B细胞的基因读出机制产生一种抗体时，各个细胞实体首先在一个多步过程中与邻近C断片的单个V、D和J断片重新组合。然后这种遗传物质向细胞的蛋白质生产系统“读出”这些基因断片的重组决定抗体的抗原结合特征。在如人这类高等脊椎动物中，叫做组合多样性的不同V、D和J成分之这种结合在抗原受体多样性中是一个重要的因素。

在鲨鱼中，抗体基因断片也以簇状组成。但是，一个鲨鱼的重链簇仅含有一个V断片、两个D断片、一个J断片和一个C断片。有100多个这种簇分布在几个不同的鲨鱼染色体中。当一个鲨鱼B细胞中生产蛋白质的机器产生一个抗体时，从一个单独的簇中只有4个基因断片(V, D1, D2和J)被重组(C断片已经连接到J上)。正如在哺乳类动物的情况一样，它们的遗传信息被读出而且转移到组成抗原受体的一种蛋白质中。

在一簇中仅发现V、D1、D2和J成分重组限制了鲨鱼的免疫系统产生多种抗原受体的能力吗?它或许会限制，但(如先前所述)有数百种不同的抗体基因簇散布在几个不同的鲨鱼染色体中。而且，无论是鲨鱼的免疫系统或者是哺乳动物的免疫系统都不只依赖于重组的多样性来产生许多不同的抗体。事实上，在鲨鱼和其它的软骨鱼中，两个其它的现象在促进这种多样性方面起重要得多的作用；它们称为结合的多样性和遗传多样性。

多样性来自何处

为了弄清结合多样性，我们必须回复到确定一种抗原受体链的V、D和J基因断片的结合上。当比如说V和D或D和J断片聚合在一起时就产生功能性多样性。在两个断片合并在一起的结合边界上，在它们实际融合之前，几个DNA碱基对被除去，而新的碱基以近于随机的方式加入。在遗传内容中这种局部的变化最终改变氨基酸序列，因而也改变所形成的抗原受体的特征。

鲨鱼抗体产生系统内存在额外D基因断片的真正的优点正在于此，对于4个不同的基因断片，有3个能够产生这种多样性的地方。在V和D1之间，D1和D2之间以及D2和J之间。由于结合的多样性，能够从每个簇中产生抗体分子的数百万个不同变异体，每个都具有稍微不同的受体结构。另一方面，在哺乳动物中，结合多样性典型地只能在两个位置发生。V和D断片之间以及D和J断片之间。因此，结合多样性在哺乳动物中导致稍微较少的变异。

产生许多不同抗体的这种能力对于防止多种不同的外来入侵者在原理上是有吸引力的。但是在产生抗体多样性的能力和这些多样性的使用效率之间存在着一个很大的——和潜在致命的——差距。鉴于这一事实，结合多样性是一柄双刃剑。在理论上，它能产生足够的抗体专化性以处理几乎任何局面。然而一般来说，实际上它要花太多的时间才能产生足够的抗体，选择最佳抗体，扩大它们的数量，最后才解决人侵的病原;换句话说，寄主在与侵染性病原的竞赛中可能输掉。

为努力使寄主免于输掉这场竞赛，机体依靠迅速选择立即需要的抗体基因之蓝图的机制。这种蓝图首先由身体内10亿个B细胞中的一个表达。在哺乳动物中，专化的细胞室和复杂的胞内通讯为此目的动员和扩大免疫系统。

另一方面鲨鱼大大依赖于遗传多样性的一种形式。这种形式为鲨鱼免疫系统的最有特色的特征，使它避免仅靠运气——例如，通过结合多样性获得的DNA碱基对的幸运的结合——在正确的时间产生正确的抗原受体。在一条鲨鱼中，其V、D1、D2和J基因断片已经完全或部分“预结合”的基因簇占了每个细胞遗传所得的基因簇的很大一部分。

这种簇对于结合多样化只有有限的能力或完全没有能力。对数百个这些预结合或部分预结合簇的分析表明，这些基因断片是明显地相似于普通簇的基因断片，表明在进化的某一点上一类基因断片从另一类基因断片衍生而来。

但是为什么？正如在许多领域中那样，我们对遗传机制的认识已远远超过对它们与功能的关系的理解。可是，软皮鱼的体液免疫系统已进化至两个最佳可能性的结合，应是完全合理的推理：大量的基因能够重组，因而提供免疫灵活性，以及某些有固定特异性的基因能够被迅速动员使抗体抵抗这些物种在所有时间遇到的病原。

多样性的组合形式、结合形式和遗传形式不是产生多样性机制的范围。此外，这两类基因簇通过突变发生额外的变化，这种突变在高等脊椎动物的抗体基因中发生的频率极高。这些突变的目标是改变抗体的抗原受体位点的特征。

比较人和鲨鱼的体液免疫得出一个有趣的结论是，约4.5亿年的进化对抗体免疫的分子只作了相对较少的改变，鲨鱼和人抗体的蛋白质结构是非常相似。此外，确定抗体产生的基因断片之V、D和J序列是相似的。进化所根本改变的是确定抗体的这些基因断片被组织的方式。例如，在鲨鱼中结合多样性和特别是遗传多样性起着更大的作用。虽然相对较简单.但是在鲨鱼的免疫系统中遗传多样化的机制似乎在许多方面比如人这种高等脊椎动物的相应机制更有效。

不足为奇，这些研究结果证实，进化能够使系统适应它们的寄主的直接需要。在免疫的情况下，进化也必须为意想不到的问题作好准备。令人吃惊的是，为了使这一效率成为可能，看来有时会在较短时期内出现其规模不同寻常的不可思议的进化飞跃，至少在抗体免疫中是如此。

细胞免疫

迄今提出的许多基本原理——散布在一条染色体上的间隙很大的基因断片地重新排列和读出并改变它们的遗传信息以确定山氨基酸链组成的抗原受体的产生——适用于细胞免疫及体液免疫。总之，T细胞正如B细胞分泌的抗体一样，也必须识别和结合几乎是无限种类的抗原。

T细胞和抗体均有由相似的基因断片所确定的受体。基因断片重新组配产生抗体分子的基本机制也产生T细胞受体，但是在这种细胞的表面仅有一种T细胞受体。而且它只能识别在不同细胞上与特化的分子结合的外来物质，与某些抗体相比。T细胞对外来物质的亲和力

是低的，而且它们不以抗体那样的方式进行突变。

过去，许多免疫学家相信，细胞免疫先于体液免疫。然而，前面所述的鲨鱼对皮肤移植片的排斥之慢性特征表明，如果有的话，鲨鱼的细胞免疫也是不健全的，而且可能缺乏特异性。这个概念对某些观察者来说又意味着，鲨鱼确实没有T细胞。

为了检验这个假说，我的同事和我着手确定有角鲨鱼是否有T细胞。存在T细胞的明确证明需要鉴定它们的抗原受体。为此目的，直到最近还缺乏有效的常规方法。随着几年前称作聚合酶链反应(PCR)技术的开发而有了突破，这种反应能够产生数百万DNA小切片的拷贝。我们使用一种类型的PCR技术作为一个过程的一部分，此过程产生极大数量的T细胞受体基因，以鉴别它们。近来我们在魟中发现所有四类哺乳动物T细胞抗原受体。而且有了表明它们存在于鲨鱼中的证据。

对一类鲨鱼T细胞受体的广泛特征描述表明，它大致如它的人类对应物那样具有复杂的多样性，这一研究结果使我们十分惊奇。表明与抗体基因的组织相反，自约4.5亿年前鲨鱼从导致哺乳动物出现的进化路线中分出来以来，T细胞受体基因似乎未发生大的变化。这种抗体基因系统和T细胞受体基因系统可能是从一个共同的祖先(它更相似于后者)分化出来，可是也能够证明相反的意见——产生两类免疫基因系统的那个祖先更相似于抗体基因系统。

随着鲨鱼和它们的亲缘物种的基因组特征不断得到确定，我们现在识别了许多不同的基因簇。例如，迈阿密大学的Martin F. Flajnik领导的一个小组最近发现的基因簇类似于抗体和生T细胞受体两者的基因簇。令人感兴趣的是，这些簇的基因进行极高速度的突变。

正在进行的研究也已表明，来自不同簇的免疫系统基因在进化中有相互“混合和配合”的现象。因有数百个簇和许多遗传支持，簇之间的交换已是一种非常有效的产生新型基因簇的手段。我们不断的研究也很有可能将在鲨鱼免疫系统中鉴定出甚至更多的受体。

关于不同簇之间的这种交换，在鲨鱼中不同免疫受体基因簇的奇特的过剩——在各种染色体上一次又一次地重复实际上相同的Y、D1、D2和J碎片的组合——可以从一个完全不同的角度来考察。简言之，这种重组以及鲨鱼遗传机制的其它独有的特性为受体分子迅速进化出新的家族提供了一种手段。在哺乳动物中，这种基因碎片被分离至单个染色体，显然几乎没有结构上的多余部分。这些事实表明，这种类型重组的机会是极少的。

此外，基因断片的复制-存在多重V、D和J这是哺乳动物免疫系统的一种标志——似乎是以引入和保持显著数量非功能遗传成分为代价的。另一方面，在鲨鱼和魟中，非功能性成分是罕见的，而且或许是从基因组中快速地失去。

作为一个非常古老的系列之幸存的代表。鲨鱼、魟和它们的亲缘物种可能是我们保存下来的与T和B细胞免疫的遥远起源的唯一联系。这些鱼对进化过程中关键性的时刻提供了独特的一瞥。通过这个窗口，我们总有一天可以开始看到驱动一个系统进化的成分，这个系统以不同的方式起着类似于古老盾皮鱼的防护板的保护作用，如果不是起更大的保护作用的话。

如果我们正在正确地读出进化记录，则会想到几个问题。是来自病原的挑战的无情本质，导致组织抗体基因的方式发生相对突然的根本的变化吗?这些来自史前脊椎动物的经验以及在当今哺乳动物中所看到的极大的差异表明免疫系统已作好迅速变化的准备吗?情况可能正

是如此，这迫使我们重新考虑我们的进化选择和进化适应性的观点。

（刘义思/译；郭凯声/校〕