免疫系統一日遊

Posted By Mr. Thursday

免疫系統對我們實在是非常重要。之前介紹過的病毒,或是生活環境中都有許多細菌,甚至身體裡面也會自己長出癌細胞,但是因為有了免疫系統,我們可以在一定程度下保持自己的健康,除此之外,我們得過一種疾病之後,還會記住這個疾病,第二次的免疫反應會更大更迅速,讓我們有「免疫」的表現。或者透過疫苗的方式,我們也不需要得過一次病,就可以「免疫」了!然而我們的免疫系統,是如何運轉的呢?除了白血球 (可以細分為4種今天不談) 提供身體一般非特定性的免疫功能,對每一種疾病特定的免疫反應,則是透過身體裡面的兩種淋巴細胞來反應,分別是B細胞T細胞。為什麼叫做B細胞和T細胞呢?是因為他們喜歡用 BT 下載影片嗎?No No No! B細胞是因為他是在骨髓 (bone marrow) 裡面成熟,所以稱為B細胞, T細胞是因為他是在胸腺 (thymus) 成熟,所以稱為T細胞。

圖1 淋巴細胞(lymphocyte)與樹狀白血球細(dendritic cell)

B細胞T細胞如何在身體裡面清除病原,讓身體保持健康呢?這邊有另外兩個主角,就是抗原抗體 (antigen and antibody)。抗原是病菌或病毒上面某個可以被辨認的蛋白質片段,而抗體就是免疫細胞上面,可以專門來辨認和結合抗原的部分,抗原和抗體,就有如鑰匙和鎖的關係,而且具有特定性,一個抗體就只辨認一種抗原。B細胞和T細胞的差別,可以從他們細胞膜上面的抗體來分別。

圖2 抗原 (antigen) 與 抗體 (antibody)

每個T細胞或B細胞上面有許多抗體 (antibody),就像上面那張圖裡面紫色的部分一樣,每個細胞有很多個抗體,但是同一個細胞表面的抗體會全部都一樣,也就是說抗體有很多種,但是一個B細胞或T細胞上面,只有一種抗體分布在上面。而一個抗原(antigen)則會有許多小部分 (epitopes) 可以讓某一個特定的抗體所辨認,所以一個抗原,有時候會需要三個抗體才能完全被辨認和結合。

抗體結合到抗原上面,就表現出免疫的作用了,譬如說病毒如果被抗體辨認,然後結合起來,病毒原來可以侵入細胞的區域,可能就被抗體給佔據,因此病毒就無法再入侵健康的細胞了。對於已經被感染的細胞,或是外來的病菌,抗體則是有另外一種作用,簡單地說,是一種把抗原標示起來的作用,讓免疫系統其他組成份子可以確定摧毀的目標。整個故事怎麼走呢?下面就來慢慢解釋。

首先,除了B細胞和T細胞以外,還有一種細胞稱為T-Helper細胞 (T-幫助細胞)。T-helper細胞在被啟動的時候,可以分泌一種化學物質 (cytokine) ,間接刺激B細胞和T細胞,形成兩條免疫反應的路徑,在往這兩條路走下去之前,讓我們先看看T-helper細胞怎樣子被啟動。

MHC和 T-helper 細胞的啟動

當一個細胞被感染以後,或是身體裡面的巨噬細胞 (macrophage) 剛把一個外來的病原體吃掉的時候,病原體上面的蛋白質,也就是抗原 (antigen),就是可以被抗體辨認的地方,會從細胞裡面被帶到細胞膜上面示眾。而把抗原從細胞裡面帶到細胞膜上面的物質,名稱簡寫為 MHC,是一種蛋白質,可以把抗原從細胞裡面,帶到細胞膜上面示眾。T-helper細胞在細胞膜上面,如果有可以對應的抗體結合上去,T-helper細胞自己就會被啟動,開始散發出化學物質 (cytokine),間接啟動B細胞和T細胞。

因此受到感染的細胞,把病菌吃掉的巨噬細胞樹狀白血球細胞、以及B細胞本身,都會在吃完病原或感染後,經由MHC把可以被辨認的抗原從細胞裡面,帶到細胞膜表面示眾。T-hepler細胞上面的抗體一旦結合到這個抗原,就會分泌化學物質 (cytokine) 刺激B細胞T細胞

間接啟動B細胞的路徑

B細胞被T-helper細胞間接啟動以後,會分化成熟為兩種B細胞,分別是漿B細胞 (plasma B cell)和記憶B細胞 (memory B cell)。漿B細胞就是負責大量生產可以結合剛才那一個抗原的抗體,就像是大量製造對付某一個抗原的子彈,製造出來的抗體就可以開始發揮作用,而這也稱為第一階段的免疫反應記憶B細胞,則是可以存活數十年之久,下一次又遇到同樣一個抗原出現的時候,可以立即製造抗體,因此免疫反應變快了,也變強了,因為第一次分化成熟的時候,同時就製造了一堆記憶B細胞,是可以認得這個抗原的B細胞。所以記憶B細胞,就是第二階段免疫反應的主角,再第二次接觸抗原的時候,立即且比第一次更強烈地製造對應的抗體。

圖3 間接啟動B細胞的免應反應路徑

間接啟動T細胞的反應路徑

剛才提到B細胞分泌抗體來達成免疫作用,會發生在器官移植排斥和輸錯血的時候,也會發生在消滅外來病菌的時候,也就是針對完整的病原體進行消除。然而如果是自己身體的細胞,但是已經被感染,要消除自己本身被感染的細胞,要怎麼辦呢?T細胞這條路徑,就是負責這一個部分。

因為T細胞上面還有膜蛋白CD8 (所以下一次如果看到投影片上面有CD4或是CD8,就知道是在講膜蛋白,不是講音樂產業了XD),所以T細胞和T-helper細胞一樣,都可以和示眾的MHC上面的抗原結合。T-helper剛才啟動分泌化學物質(cytokin) 之後,T細胞間接被啟動,就會和B細胞一樣再分成兩條路,一部分會變成殺手T細胞 (cytotoxic T cell),另一部分變成記憶T細胞 (memory T cell)。殺手T細胞可以在被感染的細胞上面 (有MHC在細胞膜上面把病原示眾,所以不會殺錯細胞) 挖個洞,然後分泌分解細胞的物質進去。這個感染的細胞,就會進行細胞凋亡 (apotosis)的過程。之後剩下來的碎屑抗原,就是由剛才B細胞分泌的大量抗體來圍起來。

圖4 間接啟動T細胞的反應路徑

抗體產生的過程

至於這麼多種病原,要從哪邊產生這麼多種抗體來辨認呢?DNA是否有這麼多基因可以產生這麼多種抗體呢?關鍵在於mRNA的修飾。先讓我們稍微回想一下,之前介紹DNA到蛋白質的過程,大約有下面幾個步驟:

  1. 依照DNA製造出互補(A對T, C對G) 的mRNA,有如石膏像的模子。
  2. mRNA上面三個鹼基代表一個胺基酸
  3. tRNA在ribosome裡面,上面抓著胺基酸,下面一次比對三個mRNA單位,製造出一串胺基酸序列
  4. 胺基酸序列經過自我摺疊,形成立體結構,變成有功能的蛋白質

其中第一步的部分,有一些簡化,簡化了什麼呢?是mRNA在進入ribosome,接受tRNA比對來製造蛋白質之前,會先做修飾。這個修飾的動作不只是免疫系統這邊需要,其他部分像是基因調節 (gene regulation)的步驟,都會用到,譬如說脂肪的數量、醣類的數量,會影響某一種蛋白質的表現量,影響的方法,就是讓DNA產生mRNA的時候,可以只產生前面一段,或是像免疫這邊,進行修飾

讓我們先把抗體放大瞧瞧。

圖5 T細胞抗體

圖6 B細胞抗體

上面Y形狀和鐮刀狀的部分,就是抗體的形狀,尖端的部分有個字母V,代表多變化 (variant),因為抗體V的那一端有各種變化,才能比對和結合各式各樣的抗原。我們的基因有40種V片段和5種 J 片段,原本這樣子只有45種變化,但是mRNA修飾的過程中,可以少掉內含子 (intron),只讓外含子 (extron) 表現出來。因此組合數就變成40*5 = 200種,因為每次會挑一個V片段和一個J片段組合,其他部分就會裁減掉,不會被tRNA拿來比對製造胺基酸序列。

圖7 抗體基因與mRNA修飾的示意圖

圖8 抗體基因重組示意圖

所以,我們現在知道,T細胞和B細胞上面有抗體,可以和抗原結合。但是需要T-helper細胞啟動才會開始分化。T-helper細胞則是會和細胞膜表面的MHC示眾的抗原結合,才會分泌化學物質(cytokine)來間接啟動T細胞和B細胞。T細胞和B細胞啟動之後都會有兩種路,相同的地方是都會有記憶細胞,分別是記憶T細胞記憶B細胞,記憶細胞可以再下次接觸到同樣的抗原的時候,有更快更激烈的免疫反應,達到免疫的效果。B細胞另一條路,則是分化成漿B細胞,負責分泌可以結合目前這個抗原的抗體,有如一堆子彈。T細胞的另一條路,則是分化成殺手T細胞(cytotoxic T cell),負責把已經被感染的身體細胞消滅,進入細胞凋亡 (apoptosis) 的過程。抗體結合到抗原上面之後,可以停止病原的作用,或是標示出這個需要消滅的目標。下面是免疫過程的總整理圖。

圖9 免疫系統總整理

下面有一段影片,希望對各位讀者的了解有幫助,不過還沒有中文字幕。

影片1 免疫過程簡介

免疫的不全、過敏、與自我攻擊

愛滋病 (AIDS) 是後天免疫缺乏症候群,是一種疾病,造成這個疾病的,是一種病毒叫做 HIV,也就是人類免疫缺乏病毒,這種病毒因為會攻擊剛才提到的T-helper細胞,造成T-helper細胞個數下降,促使免疫力下降,因此平常都不會致命的疾病,都可能造成愛滋患者死亡。

過敏則是另外一個極端,因為免疫系統裡面,某些抗體(IgE)在過敏原結合上去之後,會讓相鄰的抗體連結在一起,讓mast 細胞釋放出histamin,造成微血管過度擴張,就變成過敏症狀了,嚴重過敏有可能導致死亡。抗體依照結構可以分為IgA, IgE等等,有些和血液的Rh有關,有些會透過母乳為給嬰兒(IgA)。下面就是各種免疫血球素 (immunoglobulin) 的形狀。

圖10 免疫血球素(immunoglobulin)

自我攻擊則是說免疫系統裡面的抗體,在製造出來成熟之前,會先自我檢查,是否會對身體本身進行結合,也就是把身體自己的組織當成抗原。如果這個檢查的關口失效,製造出來的抗體和免疫細胞,就會攻擊自己身體的健康細胞,造成自體免疫疾病 (autoimmune disease),像是多重硬化症 (MS: multiple sclerosis),就是一種自體免疫的疾病。

結語

這次簡單地向各位介紹免疫系統,包括T-helper細胞如何間接啟動B細胞和T細胞,造成記憶細胞表現免疫功能,以及B細胞分化後製造抗體、T細胞分化後啟動感染細胞的自我凋亡過程。也介紹了抗體有那麼多種,是因為mRNA開始轉譯之前,會經過修飾,因此會有200多種抗體的組合。最後提到免疫系統分別再不全、過敏、以及自我攻擊的時候,出現的疾病狀態。如果沒辦法一次吸收,還請各位讀者慢慢咀嚼,或是等待下一篇白話文出現囉!

延伸閱讀

  • Campbell and Reece, Biology, 7th edition, Pearson.
  • (Wikipedia) antibody, antigen, T cell, B cell, T-helper cell, Immunoglobulin, immune system
  • (維基百科) 抗體, 抗原, T細胞, B細胞, T-helper細胞, 免疫血球素,免疫系統,自體免疫疾病,過敏
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