免疫系统进化的压力来自哪儿

免疫系统进化的压力来自哪儿？为什么？

答：免疫系统进化的压力来自于动物的进化，因为免疫系统是极其复杂的。不管低等生物还是高等生物，都存在着宿主对外来人侵者的防御和修复自身组织损伤的机制。然而在元脊椎动物的成员中表现出来的这种机制是属于自然免疫性，是先天的特性。机体对各种外来的侵染物的反应没有特异性。反应的效应大多类似于吞噬作用。此外它们还可以通过分泌一些可溶性分子来结合或溶解入浸的微生物。然而随着脊椎动物的进化发展，它们的免疫系统变得更为复杂。它除了表现出类似无脊椎动物的自然免疫性的机制之外，还突出地表现出特异性的免疫应答。随着脊椎动物的进化，免疫系统中的淋巴细胞(B细胞与T细胞)，专门的淋巴器官等相继出现，最后表现出一个完整的免疫系统所具有的特异性的体液免疫应答及细胞免疫应答。由此可以看出无脊椎动物和脊椎动物的免疫系统虽然都在细胞和分子水平上表现出它们各自的免疫应答特性，然而又表现出非常重要的差别。高等的脊椎动物的免疫系统是由分子和细胞水平上的各种各样变异体组成的。在蛋白分子水平上有免疫球蛋白基因家族的Ig，MHC—I，MHC—Ⅱ,TCR及其他许多细胞表面分子家族成员。在细胞水平上，有来自多功能干细胞谱系的一系列细胞及细胞亚系，如B细胞和T细胞及其亚系、粒细胞、单核细胞、巨噬细胞及各种辅助细胞等。这些细胞之间大都有着特异的协同及制约关系。(一)、脊椎动物的免疫进化

脊推动物与无脊椎动物的比较，在免疫进化上有了突破性的进展。从低等的无脊椎动物就出现了淋巴样组织。随着免疫系统的进化，淋巴组织和器官以及各种免疫细胞和分子逐步出现和完善，到哺乳动物免疫系统达到最完善的程度。

一、低等脊椎动物的淋巴样组织

1．原始的淋巴样组织

淋巴系统是产生及储存淋巴细胞及其他血细胞的场所。在最低等脊椎动物无颌类中只有肠系淋巴组织，这种组织在无脊椎动物的纽形动物和环节动物中也偶而出现过。到有颌类的软骨鱼开始出现原始的胸腺和脾脏，到两栖类开始出现骨髓。在高等脊椎动物中有完善的淋巴组织和细胞。如骨髓、胸腺、脾脏、淋巴结以及广泛分布的肠系淋巴组织。骨髓在解剖上与其他淋巴器官是分开的；然而在较低等的脊椎动物中，如鱼类和有尾两栖类等的淋巴组织与髓样组织是混合的。

2．鱼类的淋巴髓样组织

在鱼类中虽然有了淋巴髓样组织，但较低等的软骨负类八目鳗中还没有真正的胸腺，只有原始的脾脏。在较高等的真骨鱼中有原始型的肝、脾和肾中有丰富的黑素—巨噬中心。这是鱼类淋巴髓样组织的重要特征。在黑素—巨噬中心里充满大量色素，如血铁黄素(haemosiderir)，蜡质(ceroid)，黑素(melanin)以及脂卵丝霉褐素(lipofusin)。有人认为这种黑素—巨噬中心的结构类似高等动物原始类型的“发生中心”。这种原始型的发生中心最早发现于鸟类的淋巴样组织中。在鱼类的黑素—巨噬中心里积累的色素可能与脂肪有关，通过脂肪氧化形成脂卵丝霉褐素。

3．两栖类的淋巴样组织

骨髓最早出现在两栖类，而且是在较高等的无尾两栖类。通常用无尾两栖类爪蟾(Xenopus laevis)和美洲豹蛙(Rana piens)作为变温动物有淋巴样组织结构特征的代表。无尾两栖类除淋巴结之外，其他淋巴器官都已出现。这些器官的情况如下：

(1)胸腺：成蛙的胸腺位于皮下，中耳后方。胸腺分皮质和髓质两部分。快速增殖的皮质部淋巴细胞对辐射非常敏感。有证据表明变温动物的胸腺能产生有T细胞功能的淋巴细胞。在胸腺的髓部有几种基质细胞。胸腺中还发现肌样细胞(myoid dells)。这类细胞在哺乳动物和爬行动物中都有。但在两栖类中只在部分种类中存在。胸腺中的肌样细胞能促进组织液的循环或可能提供自身抗原，以训练T细胞使其对自身抗原发生耐受性。

(2)脾脏：在所有的有颌类脊椎动物中脾脏是主要的外围淋巴器官。爪蟾的脾脏分为胸腺依赖区和非胸腺依赖区。白髓滤泡中含有B细胞。在前滤泡周围区的B细胞表面无Ig分子。红髓区开始接收血液循环中带来的物质。后来循环的抗原又被白髓滤泡捕捉。抗原留在大的树突细胞表面。树突细胞从细胞质中伸出伪足穿过介膜，到达T细胞丰富的边带。整个白髓的排列与哺乳动物的不同。

(3)淋巴结和肠系淋巴组织(GALT)：两栖动物中无淋巴结，在某些较高等的两栖类中看到淋巴髓样结，但在组织学上与哺乳动物的淋巴结不同。淋巴髓样结主要功能是滤血器官。它是在淋巴腔中聚集厂一些淋巴样和髓样纫胞。这类细胞在成蛙中位于颈部和腋下部。

肠系淋巴组织最早出现于最低等的脊椎动物(无颌类)。在两栖类中蛙的肠系淋巴组织类似于哺乳动物的粘膜淋巴组织(MALT)，它存在于蛙的整个小肠区。GALT可作为肠中的抗原进入组织细胞的第一道防线。(4)肾、肝脏和骨髓：肾是鱼类和两栖类的主要淋巴器官。但到了羊膜动物的贤，这种功能便退化。在无后两栖类中．肾和肝在个体发育中是最早出现B细胞的场所。事实上各种脊椎动物的肾都有早期分化的血细胞、淋巴样细胞和韶样细脑。骨髓虽然最早出现于两栖类，但在两栖类中的免疫功能还有待澄清。在美洲豹虹成体中有骨髓淋巴样组织，但在爪蟾中骨髓就更为原始，股骨的骨髓只是嗜中性粒细胞分化的主要场所。由此可见至少是骨髓的功能在两栖类中还很不完善。

二、无脊椎动物与脊椎动物淋巴组织进化的比较

无脊椎动物中除了纽形动物、环节动物有肠系淋巴组织，星虫动物(Sipunculid)有NK细胞外，没有发现元脊椎动物中有淋巴样器官。自然在无脊椎动物中也没有发现抗体分子，没有MHC。在较高等的无脊椎动物中如原素动物，已有MHC抗原的某些功能表现，有混合淋巴细胞反应。

在脊椎动物中出现了免疫淋巴组织和器官，而且可以看到随着动物的进化这些免疫组织器官也表现出从低等到高等的发展(图12—1)。GALT组织在最低等的脊椎动物中已经出现。到软骨鱼类以后才相继出现胸腺和脾脏，到无尾两栖类出现骨髓。当然这种原始的骨髓组织的免疫功能还值得研究。在爬行类与鸟类的部分类群中，如蛇和蜥蜴有淋巴结样的组织，有些淋巴结样的组织，但鸡没有。它们有特殊的淋巴组织，即法氏囊。哺乳动物才出现淋巴结及完整的淋巴系统。

三、脊椎动物淋巴细胞和分子的进化

与无脊椎动物相比较，脊椎动物在重要的免疫细胞和分子方面进化有几个突出的特点：①从最低等的脊椎动物圆口纲使出现淋巴细胞；②从最低等脊椎动物圆口纲使出现了抗体IgM，随着进化同种异型抗体种类不断增多；③在脊椎动物中出现混合淋巴细胞反应和细胞毒性反应，表明T细胞的功能在很低等的脊椎动物中便已出现；④当脊椎动物发展到高级阶段才出现MHC分子(图12—2)。这些进化过程中出现的分子虽然不一定都是来自共同的祖先，但在脊椎动物进化上总的方向是向最高等最完善的功能发展。

1．MHC的进化

主要组织相容性复合体(MHC)是具有高多态性的。MHC—I类抗原蛋白是由MHC基因编码的一条重链及另外染色体上基因编码的β2微球蛋白组成的，是CTL的靶分子。MHC —Ⅱ类抗原蛋白是由MHC基因编码的异源二聚体，表达在B细胞、吞噬细胞、树突细胞及活化的T细胞上，是Th细胞的靶分子(见第六章)。关于MHC的起源有许多假说。其中重要的一种假说认为原始的类似MHC分子可能是与MHC—Ⅱβ链类似的同源二聚体。MHC —Ⅱ的α链是后来进化发展而来的。而MHC—I是在MHC—Ⅱαβ出现之后才出现的。它是由MHC—Ⅱαβ基因之间外显子飘移而产生的。MHC是在脊椎动物进化到两栖类才开始出现的，但又不是以后各种动物中都相继随着进化而出现(图12—2)。

在无颌类(Agnatha)圆口纲的八目鳗(Hagfish)有混合淋巴细胞反应(MLR)，从而推断有MHC

功能的存在。并且认为在八目鳗中有些淋巴样细胞对同种异型的决定簇有诱导增殖的应答作用。在八目鳗的研究中也表明存在着刺激和应答的淋巴细胞群。它具有Ig＋细胞，这主要是一些外周淋巴细胞及应答细胞。但不清楚这些应答细胞是否为依赖于MHC的B细胞的应答。圆口纲动物对组织移植排斥反应很慢，有人认为是缺乏MHC成分的表现。在软骨鱼纲和真骨鱼纲中MHC的情况还不很清楚。进化到两栖类才肯定了MHC的存在。然而MHC 的结构在两栖类、鸟类和哺乳类中有很大的差别(图12—3)。两栖类MHC基因座位为XLA。MHC—I为单链，相对分子质量4.0*l04—4.4*104，与其相连接的β2微球蛋白还没有确定。MHc—I至少有10个等位基因。MHc—H由QP两条链组成。编码。链的至少有两个基因，编码β链的至少有5个基因，而且去糖的β链比α链大，更具酸性。MHC—Ⅱ由30个等位基因组成。在蟾蜍的蝌蚪中并无MHC—I表达，这表明MHC—I对蝌蚪的免疫系统的形态发生并不是必不可少的。在两栖类中有很强的MLR和移植排斥反应。

已知在爬行纲中的大鳄鱼(Carimans)、乌龟(Turtles)和蛇(Snakes)都有MLR，但是否有移植排斥反应还不清楚。在蜥蜴和蛇的研究中已证明可以进行混合淋巴反应的细胞能促使发生细胞毒作用。蛇的实验证实：混合淋巴细胞反应、急性移植排斥与细胞毒性的发生之间为正相关。这些资料都表明爬行纲确实存在MHC。

鸟纲中鸡的MHC称为B复合物，MHC—I分子的基因座位BF编码4.0*104—4.3*104的重链，与1.2*104的β2微球蛋白以非共价连接。它们表达在红细胞和白细胞上。分子的部分序列与哺乳动物的MHC—I类分子有同源性。BL基因座位上的MHC—Ⅱ编码3.0 xl04的α链是只表达在B细胞和单核细胞上。而β链的β1β2及穿膜区与人的HLA—D核酸序列同源性达62％—66％。此外鸡的MHC分子还有第Ⅳ类抗原即BG分子(相对分子质量3.1*l04～4.2*l04)。BG分子也是具有高多态性的抗原。BG只表达在红细胞上，在MLR或免疫移植排斥方而似无作用。MHC在哺乳动物中最为完善，然而在各种哺乳动物又有不同的结构，人和鼠的MHC详见第六章。

2．免疫球蛋白的进化

免疫球蛋白作为一类重要的免疫分子是在脊椎动物中才开始出现的。在无脊椎动物中还没有出现过任何免疫球蛋白分子。IgM是最早出现于低等的园口纲一些动物中的免疫球蛋白同种型。但没有其他同种型的免疫球蛋白的出现。抗体的同种型在各纲进化中有很大变化(表12—1)。

在圆口纲中已经有T、B细胞异质性的分化，有肠系淋出组织(GALT)，没有胸腺和脾脏等淋巴组织，但有合成抗体的能力。这表明它们能对各种抗原决定簇作出应答。八目鳗和七鳃鳗(Lamprey)都能对羊红细胞、噬菌体、人红细胞等抗原作出应答而产生相应的抗体。这些抗体有重链H，但没有明确的轻链L。当使用细菌(A.streptococcal)作为抗原免疫八目鳗时，产生的抗体主要识别鼠李糖(rhamnose)。同样抗原免疫哺乳动物产生的抗体主要识别N—2烯葡糖胺。另外发现丑婆鱼中的Ig分子两条H链的相对分子质量并不相等。这表明虽然IgM 在整个脊椎动物各纲都有，但它的分子组成、结构与识别能力并不一样。在有颌类的脊椎动物中IgM是最为保守的同种型抗体。软骨鱼纲中已开始出现脾和胸腺淋巴组织，这意味着它们在产生抗体应答的能力方面对能有所增强。然而这些抗体的亲和人仍然很低。没有其他的抗体同种型出现。到硬骨鱼纲，IgM就能形成4聚体及5聚体。而且多为5聚体。在鲤鱼的非自交系之间可以看到抗DNP交叉反应的许多独特型抗体。但还不清楚鱼类中的抗独特型抗体是否与哺乳动物的有相似的异质性。在两柄类的蟾蜍中，抗体分子进化的表现是出现了同种型的免疫球蛋白。在有尾两栖类西美螈(Axolotl)有IgY，在无尾两栖类中有Ig重链的3种同种型，即IgM、IgY和lgX。其中IgY可能类似于哺乳动物的IgG；IgX可能类似与IgA。它们分布于动物的胃肠系统。无尾两栖类对抗原的反应包括有初应答和再应答。应答反应的速度比鱼类快，在高温下会更快。

爬行纲与两栖纲的情况相似。鸟纲抗体的同种型为IgA和IgD。以在血液中含量较低，在胆汁中含量较高。这种IgA能与人的IgA分泌片特异结合。因此认为鸟纲的IgA是相当于哺乳动物的IgA。但是鸟纲的IgA多样世与哺乳动物IgA的多样性有不同的基因表达方式；鸟纲中的鸡、火鸡和鸟类免疫球蛋白L链的同种型以λ链为主。哺乳动物的大鼠，小鼠Ig 的L链的同种型则以κ链同种型为主(约占95％)。而反刍类动物Ig的L链又以λ同种型为主。最原始的无尾两栖类中L连的氨基酸序列与哺乳动物κ链顺序有40％～60％的同源性，与γ链有32％～36％的同源性。脊椎动物免疫球蛋白的合成与同种型的进化在前面表12—1中已有总结。

3．免疫球蛋白基因表达方式的进化

(1)Ig基因的进化：Ig基因可能是通过两种方式进化的。一是通过多倍体倍增的方式。在染色体分裂失败时，便会发生染色体数加倍。倍增的基因拷贝位于不同的染色体上，彼此之间不连锁。第二种方式可能是串联倍增(tadem duplication)。在同一染色体上的一段DNA 发生倍增。倍增的基因拷贝位于原基因附近，与原基因紧密连锁(图12—4)。这种倍增的结果会使基因表达的肽链比原来的加长。如此就可能从原始的一个免皮球蛋白基因的功能区，通过串联倍增而产生有多功能区的一条Ig基因。Ig基因再特化出一些不同的区域而表达为Ig链的可变区(V)和恒定区(C)。V区基因可能经过多次多倍体倍增和串联倍增而产生L链的同种型和基因重排而发生的多样性。C区也可能通过串联倍增而产生H链的同种型及V区的多样性。但也有些证据表明Ig重链同种型是每个链上的功能区独立进化而来的，不是整条链进化的结果。因为在进化过程中选择压力不一致，而表现为恒定区中CH1－CH4的保守性不一，其中CH4区的保守性最强。

(2)Ig基因结构与多样性的表达方式的进化：从Ig的重链VH区基因结构上看脊椎动物之间的差别很少。它们都L前面的先导序列，CDRl, CDR2，CDR3以框架FRl和FR2间隔排列的结构(见第三章)。只有一个区别是在先与序列的上游近5’端8聚体(octamer)和TA TA 盒序列结构低等软骨鱼类鲨鱼中不存在。但3’端的7聚体(heptamer)与9聚体(monomer)在各纲的IgVH中都存在。这意味着基因组中D和J区在各种之间是保守的(图12—5)。

虽然上述基因结构区域在脊椎动物之间有保守性，然而这些基因在胚系DNA上的排列和表达多样性方式在脊椎动物的不同进化阶段上表现出很大差别。软骨鱼中的鲨鱼，Ig重链基因有数以100计的V、D、J和C组成的基因簇，而且除Cμ之外无同种型。基因重排只发生在簇内而不能在簇与簇间发生基因重排。因此大大减少了基因表达的多样性。无尾两栖类的蟾蜍中有许多VH基因家族，每个家族包括许多单独的功能基因(1～30个/家族)。与鲨鱼不同的是，在这里D、J和C基因是与VH家族分开而独立地排列在胚系DNA上(图12—6)。因此表达的多样性会比前者多，并有同种型。然而—个VH家族内的基因片段之间非常类似，并有许多假基因，可见这类基因结构表达的多样性也受到很大地限制。估计基因表达的多样性约5*104～5*105。两栖类中体细胞突变对多样性的影响很少，多样性主要来自胚系基因重排。

爬行纲与两栖纲相似。鸟纲的免疫球蛋白重链基因还不是很清楚。轻链λ中至少有25个VλL假基因，一个有VλL功能的基因。J、C基因各有一个独立地排列在胚系上。基因重排发生在个体发育的早期，而且只有一种主要类型重排。所以鸟类Ig多样性是来自体细胞基因转换，以假基因为模板产生重排基因的变异体。这种转换主要发生在鸟类的淋巴器官法氏囊中。可见由体细胞突变来表达Ig分子多样性的机制是从鸟类开始的。而进化到哺乳动物以后，所有的假基因都是无效基因。

脊椎动物免疫系统大约在6亿—4.5亿年前建立起来的。因为至今在无脊椎动物中没有发现lg家族任何成员的分子存在。Ig家族成员是在脊椎动物的原始无颌类或者两种现已消亡了的有颅类中迅速发展起来。在这方面对无须类的研究能为Ig和MHC类抗原等结构与

功能的了解提供更多的信息。

脊椎动物的基础免疫分子成分是很保守的。它的结构与用途在各纲中有所不同。有些改变可解释为建立淋巴系统和功能受体的基因共同进化的结果，至于哪一种是限制因子、要看不同的动物类别而定如蛙和鸟类的淋巴样系统每天产生数最大不相同的淋巴细胞。蛙少于105，鸟类为107。蛙的淋巴样组织可能是限制因子。蛙的基因就是在一个很强的自然选择效应下发展的。这可以避免淋巴细胞的浪费。

脊椎动物与无脊椎动物之间免疫系统的联系还不清楚。然而产生各种Ig基因家族区域的祖先基因，在无脊椎动物中似乎已经开始分化，但功能不清。而它们在现代的无脊椎动物中似乎已经消失了。

动物的免疫系统是在动物的系统发生过程中，由低等到高等的进化中而逐步发展和完善的。所以免疫系统的进化是与动物的进化紧密相连的。在无脊椎动物中，没有完整的免疫系统。但在无脊椎动物中有多种多样的免疫防御功能。这些防御功能是通过许多免疫细胞(如吞噬细胞)和免疫分子(如凝集素、溶菌酶、海星因子等)束实现的。随着动物从无脊椎到脊椎动物的进化。免疫系统的进化也发生了重大的飞跃。突出表现在：①淋巴器官的出现和完善；

②重要的淋巴细胞T和B细胞的产生与分化；③重要的免疫分于Ig家族中的Ig及MHC的出现及Ig基因表达多样性的进化。在脊椎动物从低等到高等的进化近程中这些变化表明免疫系统及免疫功能日臻复杂和完善。