第五章补体系统.doc

(完整版)第五章补体系统第五章 补体系统第一节 补体概述补体（complement,C)系统包括30余种组分,其广泛存在于血清、组织液和细胞膜表面，是一个具有精密调控机制的蛋白质反应系统.血浆中补体成分在被激活前无生物学功能.多种微生物成分、抗原抗体复合物以及其他外源性或内源性物质可循三条既独立又交叉的途径，通过启动一系列丝氨酸蛋白酶的级联酶解反应而激活补体，所形成的活化产物具有调理吞噬、溶解细胞、介导炎症、调节免疫应答和清除免疫复合物等生物学功能。补体不仅是机体固有免疫防御的重要部分，也是抗体发挥免疫效应的主要机制之一，并对免疫系统的功能具有调节作用。补体缺陷、功能障碍或过度活化与多种疾病的发生和发展过程密切相关。(一)补体系统的组成补体系统由补体固有成分、补体受体、血浆及细胞膜补体调节蛋白等蛋白组成。1. 补体固有成分 补体固有成分是指存在于血浆及体液中、构成补体基本组成的蛋白质，包括：经典激活途径的C1q、C1r、C1s、C2、C4；旁路激活途径的B因子、D因子和备解素（properdin，P因子）; 甘露糖结合凝集素激活途径（MBL途径）的MBL、MBL相关丝氨酸蛋白酶（MASP）；补体活化的共同组分C3、C5、C6、C7、C8、C9。2. 补体调节蛋白（complement regulatory protein） 指存在于血浆中和细胞膜表面，通过调节补体激活途径中关键酶而控制补体活化强度和范围的蛋白分子，包括血浆中H因子、I因子、C1INH、C4bp、S蛋白、Sp40/40、羧肽酶N（过敏毒素灭活因子）、H因子样蛋白（FHL）、H因子相关蛋白(FHR）;存在于细胞膜表面的衰变加速因子(DAF）、膜辅助蛋白（MCP）、CD59等。3. 补体受体（complement receptor，CR） 指存在于不同细胞膜表面、能与补体激活过程所形成的活性片段相结合、介导多种生物效应的受体分子.目前已发现CR1、CR2、CR3、CR4、CR5及C3aR、C4aR、C5aR、C1qR、C3eR、H因子受体（HR）等.(二）补体的命名补体经典激活途径和终末成分按照其发现先后，依次命名为C1、C2、C3C9。补体旁路途径成分分别称为B因子、D因子、H因子、I因子、P因子。具有酶活性的补体分子，均在其上以横线表示之。补体在活化过程中被裂解为若干片段,分别以该补体成分后缀以英文小写字母而命名。如C3a/C3b、C5a/C5b等.另外，某些补体调节蛋白按其功能命名,如衰变加速因子(DAF）、膜辅助蛋白（MCP）等。(三）补体的生物合成约90%血浆补体成分由肝脏合成，少数成分由肝脏以外的细胞合成,例如:C1由肠上皮和单核/巨噬细胞产生;D因子由脂肪组织产生；其他器官和细胞(如内皮细胞、淋巴细胞、神经胶质细胞、肾脏上皮细胞、生殖器官等)也能合成补体的某些成分.多种促炎细胞因子（如IFN、IL1、TNF-、IL6等）可刺激补体基因转录和表达.感染、组织损伤急性期以及炎症状态下,补体产生增多，血清补体水平升高.第二节 补体激活补体固有成分以非活化形式存在于体液中，其通过级联酶促反应而被激活，产生具有生物学活性的产物.已发现三条补体激活途径，即经典途径、旁路途径和MBL途径，它们有共同的终末反应过程（图5-1）。（一）经典激活途径经典激活途径（classical pathway）指激活物与C1q结合，顺序活化C1r、C1s、C2、C4、C3，形成C3转化酶(）与C5转化酶（）的级联酶促反应过程。1. 参与的补体成分 参与该途径的补体成分依次为C1、C4、C2和C3（图52）。C1通常以C1q(C1r)2 （C1s）2复合大分子的形式存在于血浆中。C2血浆浓度很低，是补体活化级联酶促反应的限速步骤.C3是血浆中浓度最高的补体成分,是三条补体激活途径的共同组分。2. 激活物 经典激活途径的激活物主要是与抗原结合的IgG、IgM分子。另外，C反应蛋白、细菌脂多糖(LPS）、髓鞘脂和某些病毒蛋白（如HIV的gp120）等也可作为激活物.不同人IgG亚类活化C1q的能力由高到低依次为IgG3IgG1IgG2，IgG4无激活经典途径的能力。3. 活化过程 C1q与2个以上Fc段结合可发生构型改变，使与C1q结合的C1r活化，活化的C1r激活C1s的丝氨酸蛋白酶活性。的第一个底物是C4：在Mg2+存在下，使C4裂解为C4a和C4b，大部分新生的C4b与H2O反应而失活,仅5 C4b结合至紧邻抗原抗体结合处的细胞或颗粒表面。的第二个底物是C2分子：在Mg2+存在下，C2与C4b形成复合物，被裂解而产生C2a和C2b;C2a可与C4b结合成复合物即C3转化酶(C3 convertase），后者使C3裂解为C3a和C3b，此乃补体活化级联反应中的枢纽性步骤。新生的C3b可与中C4b结合，形成即C5转化酶（C5 convertase)，进入终末途径（图5-2）。另外，C3b还可进一步被裂解为C3c、C3dg、C3d等小片段，其中C3d可参与适应免疫应答（见第十三章“B细胞介导的体液免疫应答）.（二）旁路激活途径旁路激活途径（alternative pathway）又称替代激活途径，其不依赖于抗体，而由微生物或外源异物直接激活C3，由B因子、D因子和备解素(P因子）参与，形成C3转化酶与C5转化酶的级联酶促反应过程.种系发生上，旁路途径是最早出现的补体活化途径，乃抵御微生物感染的非特异性防线。1. 激活物 旁路途径的“激活物”,实际上是为补体激活提供保护性环境和接触表面的成分，如某些细菌、内毒素、酵母多糖、葡聚糖等.2. 活化过程 此途径从C3开始:天然C3与水分子形成C3(H2O)，在Mg2+存在下，C3(H2O）与因子结合，因子被因子裂解为Ba和Bb, Bb与C3（H2O） 结合为（即旁路途径的起始C3转化酶），其中Bb片段具丝氨酸蛋白酶活性。起始C3转化酶极不稳定，易被血清中H因子和I因子灭活，但其酶活性仍足以活化若干C3分子生成C3b。绝大多数C3b在液相中快速失活，少数可与附近的膜表面结构共价结合，其后果是：结合于自身组织细胞表面的C3b，可被多种调节蛋白（如H因子、I因子、DAF、MCP、CR1等）降解、灭活；结合于“激活物表面的C3b，其不能被有效灭活且与B因子结合，结合的B因子被D因子裂解为Ba和Bb，Bb仍与C3b结合，形成（旁路途径C3转化酶）.旁路激活途径中，备解素（P）与C3b和Bb分子结合可稳定转化酶，防止其被降解。结合于激活物表面的可裂解更多C3分子，部分新生的C3b又可与Bb结合为新的,形成旁路激活的正反馈放大效应。部分C3b与复合物结合为,此即旁路途径C5转化酶。其后的终末过程与经典途径完全相同(图53)。（三）MBL激活途径MBL途径（MBL pathway）又称凝集素途径(lectin pathway），指由血浆中甘露糖结合的凝集素（mannose-binding lectin，MBL）直接识别多种病原微生物表面的N氨基半乳糖或甘露糖，进而依次活化MASP1、MASP2、C4、C2、C3，形成与经典途径中相同的C3转化酶与C5转化酶的级联酶促反应过程。MBL激活途径的主要激活物为含N氨基半乳糖或甘露糖基的病原微生物。MBL分子结构类似于C1q分子。在Ca2+存在条件下,MBL可与多种病原微生物表面的N氨基半乳糖或甘露糖结合，并发生构型改变，导致MBL相关的丝氨酸蛋白酶（MBL associated serine protease，MASP）活化.MASP有两类：活化的MASP2能以类似于的方式裂解C4和C2，生成类似经典途径的C3转化酶，进而激活后续补体成分;活化的MASP1能直接裂解C3生成C3b，形成旁路途径C3转化酶，参与并加强旁路途径正反馈环路（图5-4).因此,MBL途径对补体经典途径和旁路途径活化具有交叉促进作用。(四)补体激活的共同终末过程参与三条补体激活途径终末过程的组分及活化过程相同，其主要机制是:C5转化酶(或）将C5裂解为C5a、C5b；C5a游离于液相，是重要的炎症介质，C5b可与C6稳定结合为C5b6；C5b6自发与C7结合成C5b7，暴露膜结合位点，与附近的细胞膜非特异性结合;结合于膜上的C5b7可与C8结合,所形成的C5b8可促进C9聚合，形成C5b6789n复合物,即攻膜复合物（membrane attack complex，MAC)（图5-5)。插入细胞膜的MAC通过破坏局部磷脂双层而形成“渗漏斑”，或形成穿膜的亲水性孔道，最终导致细胞崩解.(五）三条补体激活途径的特点及比较补体是一种相对独立的固有免疫防御机制，在种系进化中，三条激活途径出现的先后顺序是旁路途径、MBL途径和经典途径。三条途径起点各异，但存在相互交叉，并具有共同的末端过程（图56)。1. 经典途径 主要特点为：激活物主要是由IgG或IgM结合膜型抗原或游离抗原所形成的免疫复合物（IC)，C1q识别抗原抗体结合物是该途径的起始步骤；C3转化酶和C5转化酶分别是和；其启动有赖于特异性抗体产生，故在感染后期（或恢复期）才能发挥作用，或参与抵御相同病原体再次感染机体。2. 旁路途径 主要特点为：“激活物”是细菌、真菌或病毒感染细胞等,直接激活C3；C3转化酶和C5转化酶分别是和;存在正反馈放大环路；无需抗体存在即可激活补体，故在感染早期或初次感染即可发挥作用。3. 凝集素途径 主要特点为：激活物质非常广泛，主要是多种病原微生物表面的N氨基半乳糖或甘露糖，由MBL识别;除识别机制有别于经典途径外，后续过程基本相同;对经典途径和旁路途径具有交叉促进作用;无需抗体参与即可激活补体,可在感染早期或对未免疫个体发挥抗感染效应.第三节 补体系统的调节机体对补体系统活化存在着精细的调控机制,主要包括：控制补体活化的启动；补体活性片段发生自发性衰变；血浆和细胞膜表面存在多种补体调节蛋白，通过控制级联酶促反应过程中酶活性和MAC组装等关键步骤而发挥调节作用。本章主要介绍各类补体调节蛋白针对补体激活途径关键环节的调节机制（见表51)。（一）调控经典途径C3转化酶和C5转化酶此调控作用主要是阻断C3转化酶形成，或使已形成的灭活.另外，经典途径C5转化酶（）也受此机制调控。1. C1抑制物（C1 inhibitor,C1INH） 是血浆糖蛋白，可抑制C1r/C1s和MASP活性，使之不能裂解C4和C2，从而阻断形成。2. 补体受体1(complement receptor1，CR1）（CD35） 广泛表达于红细胞及有核细胞表面，可识别C3b和C4b。CR1与C4b结合，可阻断C4与C2结合，抑制形成。CR1亦能促进I因子对C4b的灭活作用。3. C4结合蛋白（C4 binding protein，C4bp） 为血浆蛋白，可通过与C2竞争性结合C4b而阻断组装或使灭活，也可促进I因子对C4b的裂解作用。4. 衰变加速因子（decay accelerating factor，DAF）（CD55) 为表达于所有外周血细胞、内皮细胞和各种黏膜上皮细胞表面的一种膜蛋白，可抑制形成，分解已在细胞膜表面形成的，或促进中Bb与C3b的解离（图5-7A）.5. 膜辅蛋白（membrane cofactor protein，MCP）（CD46） 为表达于多种组织细胞表面的一种膜蛋白，可促进I因子裂解C3b的作用（图57B）。6. I因子 是一种血浆蛋白，可在其他因子辅助下将C4b裂解为C4c和C4d，从而抑制活性或阻断形成。（二）调控旁路途径C3转化酶和C5转化酶多种调节蛋白可通过不同机制调控旁路途径C3转化酶（)形成，或抑制已形成C3转化酶的活性。例如：I因子可裂解C3b;H因子可直接作用于C5转化酶或间接辅助I因子的作用；CR1可与C3b牢固结合;MCP可促进I因子裂解C3b的作用。另外，旁路途径C5转化酶(）也受此机制调控。除上述负调节作用外，P因子可与牢固结合而形成稳定的，从而加强裂解C3的作用。(三）针对攻膜复合物的调节作用多种调节蛋白可抑制MAC形成，从而保护自身正常细胞免遭补体攻击.1. CD59 即膜反应性溶破抑制物（membrane inhibitor of reactive lysis,MIRL），其广泛表达于多种组织细胞，可阻止MAC组装，限制MAC对自身或同种细胞的溶破作用。2. C8结合蛋白（C8 binding protein，C8bp） 为表达于多种组织细胞和血细胞表面的一种膜蛋白，能抑制MAC组装及其对靶细胞的溶破作用.3. S蛋白(S protein，SP） 亦称玻连蛋白（vitronectin），是一种血浆蛋白，可阻碍C5b67复合物与靶细胞膜结合而抑制MAC形成。4. 群集素 为一种血浆蛋白,可抑制MAC组装，并促进MAC从细胞膜解离为可溶性MAC，从而丧失溶细胞作用.表5-1 补体调节蛋白及其功能调节蛋白功能可溶性调节蛋白C1抑制物(C1INH）抑制C1r、MASP活性，阻断形成C4结合蛋白（C4bp）抑制、形成与活性I因子（If）抑制、形成与活性H因子(Hf）抑制、形成与活性P因子(Pf)稳定S蛋白（SP）抑制MAC形成群集素抑制MAC形成膜型调节蛋白补体受体1（CR1）抑制、形成与活性衰变加速因子（DAF) 抑制、形成与活性膜辅蛋白（MCP）抑制、形成与活性MIRL/CD59抑制MAC形成附: 补体调节的同源限制现象同源限制性（homologous restriction)指靶细胞与补体来源于同一种属时，补体溶细胞效应可受抑制。同源限制性能保护组织细胞免受自身补体损伤，参与此效应的补体调节蛋白称为同源限制因子（homologous restriction factor，HRF),包括DAF、MCP、CR1和CD59。HRF广泛分布于机体多种细胞和组织，其生物学作用为：HRF高表达于感染或炎症反应时最易遭受补体攻击的靶细胞（如血液细胞、血管内皮细胞及其他管道的上皮细胞等），保护自身细胞免遭损伤;精子及精浆高表达CD59、DAF，可保护精子免受女性生殖道中抗精子抗体和补体的损伤；胎盘滋养层上皮细胞表达CD59、DAF和MCP,可保护胎儿免受来自母体或胎血的补体损伤。* 补体受体补体活化过程中产生多种活性片段，它们通过与相应受体结合而发挥生物学效应.（1） 补体受体型（CR1、C3b/C4b受体、CD35）:CR1广泛分布于多种免疫细胞表面，血液中约85 CR1表达于红细胞表面。CR1与补体结合的亲和力从高到低依次为C3b、C4b、iC3b。CR1的主要免疫学功能为:调理作用：吞噬细胞表面CR1可与细菌或病毒表面的C3b结合,发挥调理作用;调节补体活化：CR1可抑制C3转化酶活性，保护宿主细胞免受补体介导的损伤;清除免疫复合物：红细胞借助CR1与吸附含有C3b的免疫复合物结合，将它们转运至肝、脾，由该处的巨噬细胞清除之；参与免疫记忆（见第十三章）.（2） 补体受体型（CR2、C3b受体、CD21)：CR2表达于B细胞、活化的T细胞、上皮细胞和滤泡树突状细胞（FDC）表面,其配体是iC3b、C3d、C3dg、C3b等。CR2可与CD19和CD81在B细胞膜表面形成复合物，从而参与B细胞激活。FDC表面的CR2可参与B细胞记忆的形成（见第十三章）.此外，CR2可作为EB病毒进入B细胞或其他CR2阳性细胞的受体，从而参与某些疾病的发生和发展。（3） 补体受体型（CR3、CD11b/CD18)：CR3广泛分布于包括吞噬细胞在内的多种免疫细胞表面，其配体主要是iC3b.CR3可促进吞噬细胞吞噬iC3b包被的微生物颗粒。（4） 补体受体型(CR4、CD11c/CD18）:CR4高表达于吞噬细胞表面，其配体和组织分布均与CR3相同。（5） C5aR（CD88)和C3aR:C3aR和C5aR广泛表达于肥大细胞、嗜碱粒细胞、中性粒细胞、单核/吞噬细胞、内皮细胞、平滑肌细胞和淋巴细胞表面。C3a和C5a通过与相应受体结合而发挥其生物作用或参与病理损伤。（6） C1q受体：C1q受体可增强吞噬细胞对C1q调理的免疫复合物和MBL调理的细菌的吞噬作用，还可促进氧自由基产生，增强细胞介导的细胞毒作用等。第四节 补体的生物学意义（一）补体的生物功能补体活化的共同终末效应是在细胞膜上组装MAC所介导细胞溶解效应。同时，补体活化过程中生成多种裂解片段，通过与细胞膜相应受体结合而介导多种生物功能。1. 溶菌、溶解病毒和细胞的细胞毒作用 补体激活产生MAC，形成穿膜的亲水性通道，破坏局部磷脂双层，最终导致细胞崩解。MAC的生物学效应是：溶解红细胞、血小板和有核细胞;参与宿主抗细菌和抗病毒防御机制。2. 调理作用 补体的调节吞噬作用是机体抵御全身性细菌和真菌感染的主要机制之一（图58)。3. 免疫黏附（immune adherence） 此效应是机体清除循环免疫复合物的重要机制（图59）。4. 炎症介质作用 C3a和C5a被称为过敏毒素(anaphylatoxin），它们可与肥大细胞或嗜碱粒细胞表面C3aR和C5aR结合,触发靶细胞脱颗粒,释放组胺和其他血管活性介质,介导局部炎症反应;C5a对中性粒细胞等有很强趋化活性，可诱导中性粒细胞表达黏附分子，刺激中性粒细胞产生氧自由基、前列腺素和花生四烯酸，引起血管扩张、毛细血管通透性增高、平滑肌收缩等（图510）。(二）补体的病理生理学意义1. 机体抗感染防御的主要机制 在抗感染防御机制中,补体是固有免疫和适应性免疫间的桥梁.在生物进化过程中，补体作为相对独立的固有免疫防御机制，其出现远早于适应性免疫。种系发生学研究已证实，无脊椎动物和低等脊椎动物体内已能检出补体活性，且三条补体激活途径各具特点：旁路途径是最早出现的C3活化途径；MBL途径将原始的、凝集素介导的防御功能与补体相联系，进一步显示补体作为固有免疫防御机制的重要性;补体经典途径在种系发生上出现最晚，它将非特异的补体与特异的适应性免疫相联系，成为体液免疫应答的重要效应机制。病原微生物侵入机体后，在特异性抗体出现前数天内，机体有赖于固有免疫机制发挥抗感染效应。补体旁路途径或MBL途径通过识别微生物表面或其糖链组分而触发级联反应,所产生的裂解片段和复合物通过调理吞噬、炎症反应和溶解细菌而发挥抗感染作用。在特异性抗体产生之后,可通过经典途径触发C3活化,与旁路途径中C3正反馈环路协同作用，形成更为有效的抗感染防御机制。2. 参与适应性免疫应答 补体活化产物、补体受体及补体调节蛋白可通过不同机制参与适应性免疫应答（详见第十四章)。例如：补体介导的调理作用可促进抗原提呈细胞摄取和提呈抗原，启动适应性免疫应答；与抗原结合的C3d可介导BCR与CR2/CD19/CD81复合物交联,促进B细胞活化；补体调节蛋白CD55、CD46和CD59能介导细胞活化信号，参与T细胞活化；滤泡树突状细胞(FDC)表面的CR1和CR2可将免疫复合物固定于生发中心，从而诱导和维持记忆性B细胞;感染灶的过敏毒素可招募炎症细胞，促进抗原的清除；补体可抑制高分子量免疫复合物形成，并促进已沉淀的复合物溶解，从而在免疫复合物处理中发挥重要作用;等等。3. 补体系统与血液中其他级联反应系统的相互作用 补体系统与体内凝血系统、纤溶系统和激肽系统存在密切关系:四个系统的活化均依赖多种成分级联的蛋白酶裂解作用，且均借助丝氨酸蛋白酶结构域发挥效应；一个系统的活化成分可对另一系统发挥效应，如C1INH不仅调节C1r和，也可抑制激肽释放酶、血浆纤溶酶、凝血因子和.某些疾病状态下（如弥散性血管内凝血、急性呼吸窘迫综合征等)，四个系统的伴行活化具有重要生理病理意义.综上所述：补体的生物学意义远超出单纯非特异性防御的范畴，而涉及包括免疫应答在内的广泛生理功能：补体系统既是固有免疫防御一部分，又是特异性体液免疫应答的重要效应机制；补体可调节适应性免疫应答，并与体内其他蛋白系统相互联系.第五节 补体与疾病的关系补体遗传缺陷、功能障碍或过度活化，均可参与某些疾病的病理过程。(一）遗传性补体缺损相关的疾病几乎所有补体成分均可能发生遗传性缺损,其多为常染色体隐性遗传，少数为常染色体显性遗传，个别成分为X性联隐性遗传。遗传性补体缺陷所致疾病约占原发性免疫缺陷病的2，以参与经典途径补体组分的缺陷较常见（详见第十九章）。由于补体成分缺损，致使补体系统不能被激活，导致患者对病原体易感，同时由于体内免疫复合物清除障碍而易患相关的自身免疫病。(二）补体与感染性疾病补体在机体抵御致病微生物感染中起重要作用.某些情况下，病原微生物可借助补体受体入侵细胞，其机制为；微生物促进补体活化后，微生物表面与C3b、iC3b、C4b等补体片段结合，通过CR1、CR2而进入细胞，使感染播散；某些微生物可以补体受体或补体调节蛋白作为其受体而入侵细胞。例如：EB病毒以CR2为受体;麻疹病毒以MCP为受体；柯萨奇病毒和大肠杆菌以DAF为受体;等等。此外，微生物感染细胞后,可产生类似MCP、CD59、DAF样的补体调节蛋白，从而有效抑制补体的活化及溶解效应。（三）补体与炎症性疾病补体激活是炎症反应中重要的早期事件。创伤、烧伤、感染、缺血再灌注、体外循环、器官移植等均可激活补体系统,所产生的炎性因子或复合物（如C3a、C5a和非溶破效应的C5b7、C5b8、 C5b9等)，可激活单核细胞、内皮细胞和血小板，使之释放炎症介质和细胞因子而参与炎症反应。另一方面，补体系统通过与凝血系统、激肽系统和纤溶系统间的相互作用,并与TNF、PAF、IL-1、IL-6、IL-8等细胞因子彼此协同或制约，在体内形成极为复杂的炎性介质网络，扩大并加剧炎症反应，从而参与多种感染和非感染性炎症疾病的病理生理过程.因此，适时恰当地抑制补体功能可能成为疾病治疗的有效途径。(四）补体与异种器官移植猪是异种器官移植最理想的供体。已发现,人体内存在针对猪细胞表面某种组分的天然抗体，猪-人间异种移植术后，该天然抗体可与猪器官血管内皮细胞结合，通过活化补体而造成内皮细胞损伤，引起超急性排斥反应。鉴于补体膜调节蛋白具有同源限制性，借助转基因技术使供体动物组织表达人的跨膜型补体调节蛋白(如CD55/DAF、CD46/MCP、CD59等）,有可能阻断猪人异种器官移植所引起的超急性排斥反应。- 17 -