免疫曲目

2017年7月19日

Nigel R.A.Beeley博士

大多数脊椎动物的免疫系统既有先天性成分又有适应性成分(1)。先天性成分通常被认为是遗传性的,由对病原体的解剖学屏障以及细胞反应的复杂混合物组成,通常可以立即采取行动(2)。适应性成分(3)响应时间相对较长,通常称为免疫库,由B细胞和T细胞产生,以帮助识别和响应各种外部感染,例如病毒,细菌,蠕虫,寄生虫和相关微生物,不受欢迎的化学物质和毒素,以及经过修饰的“自身”细胞(例如癌细胞)。免疫库有两个关键组成部分:免疫球蛋白(AKA抗体),由两个B细胞衍生的蛋白质(所谓的重链和轻链)构成;以及由四种T细胞衍生蛋白(标记为α,β,γ和δ)构成的T细胞受体,尽管只有α和β实际上有所不同(4)。

几年前,免疫学领域的一个主要问题是免疫系统如何从B细胞和T细胞上的T细胞受体中产生大量的免疫球蛋白,其中受体在拓扑学上等同于抗原结合抗体的片段(5)。这是一个特别令人生畏的问题,因为当时,研究人员认为DNA序列是固定的,并且努力设想如何对其进行更改或修饰以产生潜在的大阵列(估计最多10个)11 免疫球蛋白和10的变体11 T细胞受体序列。有趣的是,这种信念或教条不应与“分子生物学的中心教条”相混淆,这是受尊敬的英国研究人员弗朗西斯·克里克(Francis Crick)对英语选择不佳的一个持久例子。答案就是现在所说的V(D)J重组(7),它是产生抗体多样性的基本遗传原理,并且Susumu Tonegawa为此获得了1987年诺贝尔生理学或医学奖(8)。重链和轻链基因包含三种不同类型的基因片段的多个副本,这些片段定义了抗体的可变(CDR)区。人免疫球蛋白重链区包含2个恒定(C)和44个可变(V)基因片段,以及27个多样性(D)和6个连接(J)基因片段。轻链还具有一组相似的C,V和J片段,但缺少D。DNA重排可使大约3×10的生成11 组合,每个B细胞一个,尽管有些由于自身反应性而被移除。 T细胞受体基因具有一组相似的C,V,D和J基因片段,这些片段可以以相似的方式进行重排以生成T细胞受体库(1),(7)。

当检查此类活动的终点时,可观察到的循环抗体的数量通常要少得多,大约为1,000,而可观察到的T细胞受体的数量也是如此。这是因为发生了体细胞(有时称为亲和力)成熟(9),并且成熟途径可以经过数千种抗体变体,直到达到少数具有所需亲和力和选择性的抗体的终点,从而有效地对抗具有开始了免疫反应。下一代基因测序方法最近在研究免疫库中变得无价,这主要是由于在典型shot弹枪测序方案中获得的DNA序列读取长度的增加。读取长度越长,越容易弄懂成熟途径。短读长度低于250个碱基时,几乎不可能弄清楚在恒定区的本质相同的背景下,少数氨基酸发生了什么变化。

NIH疫苗研究小组几年前进行的一些抗HIV抗体研究证明了这一点。 HIV感染的世界人数很少,全世界约有100人,称为长期非进步者(10),这些人HIV阳性的时间长达30年或更长时间,但从未发展成完全的AIDS,此外, ,从未接受过HIV感染的治疗。这些长期无进展的血液和组织样本在医学界引起了极大的兴趣,因为它们可能导致针对HIV的新颖和改进的治疗方法,并有助于疫苗设计。从血液中分离免疫球蛋白组分的经典方法,然后鉴定单个抗体非常困难,需要多个大样本,并且20年来进展缓慢。在美国国立卫生研究院(NIH),最近的一项复杂的捕获实验使用了抗原重现的HIV-1包膜糖蛋白,然后通过免疫球蛋白基因表达被捕获的单个B细胞,从非进展者中分离出三种广泛中和的抗体(VCR01,VCR02和VCR03)(11 )。然后,他们着手使用第一代Roche 454高温测序技术,达到类似的最终结果“从头”,并结合定制的生物信息学套件,将测序长度的能力推到了极限,以阐明重链和轻链的成熟途径然后将重链和轻链缝合在一起,产生少量的免疫球蛋白序列(在计算机中),这可能解释了供体血样的非进展状态(12)。然后处理这些序列,并在实验室中制备单克隆抗体,并针对不同的HIV病毒株进行测试。现已鉴定出几种对各种HIV菌株具有广泛中和作用的抗体,这些抗体现在已知已普遍流行,并且正在临床中检查原始的VCR01和几个VCR01亲属。

现在,这种新发现的调查免疫方法的途径开始有助于检查一系列医疗保健问题。免疫肿瘤学的最新进展就是这样的领域,其中少数癌症患者已成功用嵌合抗原受体治疗(提供了对移植T细胞的免疫球蛋白特异性)(13)。通过查看免疫库的详细信息,可以更彻底地研究这种方法。即使由治疗的发起者否认,此处的基本观察结果是,仅基于已知的生化机制,临床结果仍远远超出了预期。换句话说,这里正在进行的不仅仅是一个产品/一个目标流程。另一个例子是治疗转移性黑色素瘤的新方法(14)。 FDA已经批准了八种治疗黑色素瘤的新药,包括四种免疫疗法和四种靶向疗法。免疫治疗药物为依匹莫单抗(ipilimumab),派姆单抗(pembrolizumab)(Keytruda®),尼武单抗(nivolumab)和talimogene laherparepvec(T-VEC,Imlygic™)(15)。靶向疗法是关卡抑制剂,可“阻止”免疫系统并使之抵抗癌症,包括维罗非尼(Zelboraf®),达布拉非尼(Tafinlar®),曲美替尼(Mekinist®),最后是溶瘤病毒疗法Cobimetinib(Cotellic ®)(15)。这些药物被认为靶向常见的基因突变,例如在黑色素瘤患者亚群中发现的BRAFV600突变。与小分子药物相比,在转移性黑色素瘤病例中观察到的免疫疗法的成功表明,正在进行的工作比原始的机械假说还多(16),并且基于研究这些患者免疫系统的新方法将揭示改善和产生这些疾病的方法。更好的治疗。

还应注意,第二代和第三代测序技术现在可用于读取越来越长的序列,每次读取的碱基范围从1,000到11,000多个,从而简化了所需的某些生物信息学(17)。

在检查给定项目的免疫库反应时,将涉及多少数据收集,整理,分析和解释? (18)好吧,首先是根据人类基因组,治疗方案,患者,样品与时间的关系。换句话说,一个非常大的数字,仅是一个完全注释的关系数据库中的数字,例如 CDD库,可以优雅地管理。

参考文献

1)Owen J,Punt J和Stranford S(2013)“ Kuby Immunology 7th Edition”出版。 W. H. Freeman; ISBN-10:142921919X,ISBN-13:978-1429219198
2) //en.wikipedia.org/wiki/Innate_immune_system
3) //en.wikipedia.org/wiki/Adaptive_immune_system
4) //en.wikipedia.org/wiki/Immune_repertoire
5)Williamson AR。 (1979年)“罗伊·卡梅伦演讲。控制抗体形成:某些不确定性” J Clin Pathol Suppl(R Coll Pathol)。 13:76-84。 PMID:391829
6) //en.wikipedia.org/wiki/Central_dogma_of_molecular_biology
7) //en.wikipedia.org/wiki/V(D)J_recombination//www.youtube.com/watch?v=h9mqsllg1Cs
8)Brack,C.,Hirama,M.,Renhard-Schuller,R.和Tonegawa,S.(1978)。 “通过体细胞重组产生完整的免疫球蛋白基因” 细胞, 15 (1):1-14。
Tonegawa S,Brack C,Hozumi N,Pirrotta V.(1978)“免疫球蛋白基因的组织” 冷泉刺症状量化生物学。 42分2:921-31。 PMID:98276
//tonegawalab.mit.edu/research/publications/
9) //en.wikipedia.org/wiki/Affinity_maturation
10) //en.wikipedia.org/wiki/Long-term_nonprogressor
11)吴X,杨ZY,李Y,霍格科普CM,席夫WR,西曼MS,周T,施密特SD,吴L,许L,Longo NS,麦基K’Dell S,Louder MK,Wycuff DL,Feng Y,Nason M,Doria-Rose N,Connors M,Kwong PD,Roederer M,Wyatt RT,Nabel GJ,Mascola JR。 (2010)“信封的合理设计可识别广泛中和的HIV-1人单克隆抗体” 329 (5993):856-861。 PMID:20616233
12)朱J,奥菲克G,杨永平,张BS,Louder MK,卢GL,麦基K,潘切拉M,斯金纳J,张正,Park R,Eudailey J,劳埃德KE,布林J,阿拉姆SM,海恩斯BF, Simek M,Burton DR,Koff WA,Mullikin JC,Mascola JR,Shapiro L和Kwong PD。 (2013)“通过下一代测序和重链/轻链系统配对来挖掘HIV-1中和抗体的抗体组” Natl。学院科学美国。, 110 (16):6470-6475。
朱J,吴X,张B,麦基K,O’戴尔S,索托C,周T,卡萨扎JP; NISC比较测序计划,Mullikin JC,Kwong PD,Mascola JR,Shaprio L.(2013)。 “通过下一代B细胞转录物测序从头鉴定VRC01类HIV-1中和抗体” 美国国家自然科学研究院 110 (43):E4088-97。
He L,Sok D,Azadnia P,Hsueh J,Landais E,Simek M,Koff WC,Poignard P,Burton DR和Zhu J.(2014)。 “通过下一代测序,无偏见性捕获和单分子条形码,可以更准确地查看人B细胞的组成部分” 科学代表 4:6778.
13) //en.wikipedia.org/wiki/Chimeric_antigen_receptor
14) http://www.skincancer.org/skin-cancer-information/melanoma/melanoma-treatments/treatment-of-metastatic-melanoma
15) http://www.cancerresearch.org/cancer-immunotherapy/impacting-all-cancers/melanoma
16)有关癌症新思维的有趣TED演讲,请参阅: //www.ted.com/talks/mina_bissell_experiments_that_point_to_a_new_understanding_of_cancer
17) //www.thermofisher.com/us/en/home/life-science/sequencing/next-generation-sequencing/ion-torrent-next-generation-sequencing-workflow/ion-torrent-next-generation-sequencing-run-sequence/ion-pgm-system-for-next-generation-sequencing.html
http://www.pacb.com/smrt-science/smrt-sequencing/
18)Kwong PD,Chuang GY,DeKosky BJ,Gindin T,Georgiev IS,Lemmin T,Schramm CA,Sheng Z,Soto C,Yang AS,Mascola JR,Shapiro L.(2017)“抗体:了解B-的生物信息技术对HIV-1的细胞免疫” 免疫学报 275 (1):108-128。 PMID:28133812


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