· 免疫学 ·
严阵以待
免疫学家正在研制抗击疾病的重量级武器，他们为了使疫苗更加有效而把目标瞄准了机体免疫的分子基础。
知己知彼
“今后50年，我们将在计算机上或是以某种较大的形式建造迪斯尼乐园那样的细胞模型，”丹佛市科罗拉多州立大学的免疫学家菲莉帕 · 玛拉克（Philippa Marrack）预言说“我们的最终目的，是要建造一种非常庞大而让人看得见的`细胞'。并不想使这种细胞只是出现在计算机上，而是想使它成为一座建筑物。”这一想象超越玛拉克的专业范围（机体的免疫防御）而扩展到研究细胞如何存活的各种问题。她说：“这有点像是细胞层次上的`人类基因组计划'。”其目的，是要揭示细胞内成千上万个蛋白质中的每一个蛋白质随时活动的地点和机制。
在数百万不同类型的细胞中，科学家会选择哪一种类型的细胞再现呢？玛拉克认为：最佳候选者是淋巴细胞，即能够与病毒或细菌那样具感染性的作用物作斗争的白细胞。不知何故，如果先前未曾遭遇过这类作用物的入侵，那么名为“T细胞”的特殊淋巴细胞均会把它们看作是外来者并迅速作出反应。
1987年，玛拉克和约翰 · 卡普勒（John Kappler）研究证实，在新生命离开母体之前就开始发育的所有T细胞中，只有一小部分生命力很强而成长为成熟的“斗士”，大多数则注定不适宜参战而相继死亡。这是因为，大多数T细胞都有反抗机体自身组织的潜在危险，而这种危险能引发诸如风湿性关节炎那样的疾病。
这项研究为免疫学家查明那些获准成熟的T细胞所发生的情况打下了基础。人体是怎样利用T细胞感染过去的记忆使这些细胞得以存活并且一直保护着生命进入晚年？还有，是什么原因停止了对失控感染的反应？这些问题都涉及到一种名叫“胞浆移动蛋白”的蛋白质，玛拉克曾参加过对该蛋白质的鉴定。她说：“我们知道，是记忆性T细胞在对胞浆移动蛋白作出反应，而且正是胞浆移动蛋白的平衡在慢慢地使记忆性T细胞向前移动。”
玛拉克预言，有朝一日，科学家可以用胞浆移动蛋白来提高那些能对特殊疫苗作出反应的记忆性T细胞的数量。这不仅可以使机体避免受到感染，而且能起到对抗癌细胞的作用——某些类型的癌细胞都显现出被T细胞看作是外来物的表面蛋白。
同时，玛拉克还在通过监测T细胞内活动中的蛋白质而致力于庞大的初排式细胞模型的建设。例如，玛拉克利用一种叫做“活性荧光成像”的技术发现，在T细胞辨识其目标时，一种名叫MEKK2的蛋白质能在细胞周围帮助传输信号而引发新蛋白质的生产。
这只是一连串致使T细胞能够抗感染事件中的一个小步骤。但是，只有把这些蛋白质所涉及到的情况都查清楚，免疫学家才能解决人类怎样来与疾病斗争的问题。这种未来的庞大模型将使我们对细胞内所发生的活动一览无遗。“必须如此，”玛拉克强调，“否则，我们做这些实验干吗？”
——Julie Clayton
为健康而“跳跃”
“我对细胞核的研究情有独钟，”耶鲁大学的免疫学家戴维 · 夏茨（David Schatz）说，“我喜欢对核内所发生的事件和那些染色体的工作机制进行思考。”夏茨还特别想了解免疫系统的白细胞怎样对其染色体上的DNA进行重新排列以对付各种新型感染的挑战。目前，他的研究工作已经揭示了两种关键酶是如何促使产生人体免疫系统抗击疾病所需要的变化的。他的发现也极大地鼓舞了那些与名为“淋巴瘤”的免疫系癌症作斗争的研究人员。
人体免疫系统能识别大量形形色色的入侵者。机体白细胞有数百万，而每个白细胞在其表面都有它自己独特的蛋白质受体。在B细胞和T细胞内，编码受体蛋白的基因是由分别位于其染色体上的许多DNA片断所组成的。在细胞发育期间，这些片断会发生大范围的位移并以许许多多不同的方式重组而产生过多的不同受体蛋白。由于这一巨大变化，所以不管是什么样的入侵者，总会有一些细胞能够识别并触发免疫反应。
1989年，夏茨和现任职于诺贝尔奖得主戴维 · 巴尔的摩（David Baltimore）实验室的玛乔里 · 奥廷格（Marjorie Oettinger）发现了负责这种免疫细胞重组活动的两种酶RAG1和RAG2。这两种酶都认识靶片断所在部位并能在其任一端对DNA进行剪切。随后，其他酶再把这些片断粘结起来组成基因片断的新阵容，为指示新受体蛋白的制造作好准备。
夏茨后来发现，RAG酶不仅剪切掉靶DNA片断而且把它们移到新的位置。因此它们能像常见于低等生物中可移位的“跳跃基因”转座子一样起作用。夏茨认为，人类自身免疫系统的这种无限多样化可将其起源归因于早已插入原始脊椎动物基因组的侵袭性转座子。
夏茨希望能发现RAG1和RAG2的剪切活动是否直接对淋巴瘤起了作用。在许多这类肿瘤中，染色体已变得相互依附，这可能是剪切和拼接两染色体之间的受体基因时出现异常作用的结果。但这是不是由于RAG1和RAG2或是某些其他蛋白质发生故障尚不清楚。夏茨希望，对正常重排活动和淋巴瘤中出错的深入了解，能帮助我们确认哪些基因发生了异常的打开或关闭。他预言：“我们将会更好地解决是什么东西为这些肿瘤细胞进行了标记，届时我们一定会把它们逮住。”
为了达到这一目标，科学家们将不得不开始对活动中的染色体进行直接观察。一种叫做“光谱核型”的新技术能用计算机化染色法以不同的颜色把细胞核内的每一条染色体都显示出来，这样便容易看见其所在位置。尽管该技术目前还处于初始阶段，但夏茨期望，再过几十年，获取细胞核内所发生活动的完整立体图像能成为常规技术。
“届时你会说，`行啦，让细胞去做你的事吧。'而且你能看得到，哪些蛋白质和染色体在移来移去，”他说。夏茨在完成这一动态景象中所看到的唯一局限因素是人。“我毫不怀疑计算机能胜任此事，只是有一个问题，生物学家和工程师们是否能找到在显微镜可见范围内收集那种信息的办法，”他说，“前景是光明的，但是也面临着挑战。”
——Julie Clayton
水晶球占卜术
“对一种分子如果连看都没看过就谈不上真正的了解，”加州帕萨迪纳市加州理工学院的免疫学家帕米拉 · 布约克曼（Pamela Bjorkman）说，“只有在看过之后，才能去探讨有关其如何作用的各种问题。”
布约克曼要给予关注的受宠分子是那些被称之为“主要组织相容性复合体”（MHC）的分子，它们能引发抵御外来有机物的免疫反应。这些分子还负责排斥移植器官并抵御在移植肝脏或骨髓时由供体所携带白细胞可能导致的“移植物对宿主”疾病。布约克曼对主要通过X光结晶学方法所获知的MHC分子结构进行了深入观察研究，揭开了它们作用机制的惊人奥秘，并为药物设计开辟了新途径。
机体内几乎每一个细胞的表面上都居住着MHC分子。它们能对病毒、细菌、寄生虫以及短时性T细胞等有机体的缩氨酸（蛋白质片断）进行甄别并标记出来，然后引起抵御那种特殊有机体的免疫反应。基于布约克曼和其他人的工作，科学家们目前正在设计他们认为会粘附于MHC分子并触发更强烈免疫反应的疫苗。
但是，要真正了解免疫反应是如何引起的，还需要新的技术。X光结晶学方法要起到作用只能用纯物质或两种物质组成的混合物，不能用3种或3种以上的混合物，因为多种类的混合物难于纯化。为了了解MHC分子如何与T细胞受体或其他蛋白质结合而引发免疫反应，必须开发出其他的技术。
“真正令我对未来感到振奋的事情之一是低温电子显微镜技术，”布约克曼说。这种目前在其他实验室中尚处于开发阶段的技术，能在不同时刻冷冻细胞，然后用电子显微镜方法产生立体图像。采用胜于普通光学显微镜的电子束能使图像放大100万倍，远超过光学显微镜最多只能达到的1000倍。
随着时间的推移，也许在某一天能看得到分子相互作用的情况，即生物学上的“电影”。“下一步将是拍摄动态过程的快照，”布约克曼说，“在用低温电子显微镜技术的整个过程中，如果你不需要获得结晶体，你可以按你冷冻细胞的速度尽快地拍下快照。”一系列紧密连在一起拍下的静态照片能组合成一部有关分子真实活动的纪录片。
布约克曼还密切关注了所谓的MHC类似分子。
虽然这些分子与正式MHC密切相关，但它们已经过演变而具有了完全不同的用途。例如，有一种MHC类似分子能在妇女怀孕时将抗体由母体穿过胎盘运至其胎儿。在成人，这种以FcRn著称的分子能延长抗体寿命，致使免疫系统更加强健。布约克曼的这种分子晶体图像提示了怎样来设计能在血流中保持较长时间的药物的方法。
“令我对该MHC家族着迷的是它所具有的功能多样化，”布约克曼说，“但问题是，这些分子最初的功能是什么呢？”她猜想，这些分子原本参与生命的基本活动，如脂肪代谢或铁代谢，其免疫功能是很晚才发生的。如果这个问题能解决，她说，MHC蛋白质的进化史会使过去遥远的事件清楚明白地显示出来。
——Julie Clayton
击中正确位点
苏黎世大学医院的诺贝尔奖获得者罗尔夫 · 津克纳格尔（Rolf Zinkernagel）认为：免疫系统的地理观将是现代疫苗研究的要素。他说：“如果你把疫苗注入你并不会发生什么问题的大脚趾，而不是注入你的淋巴结，那么一会儿功夫，它就没了。”津克纳格尔希望能发现，为什么疫苗在机体的某些部位会比在另一些部位更为有效。
颈部和腹股沟处的淋巴结在患病期间会肿大，突现了它们在免疫防御上的重要性。淋巴结细胞的独特安排对这一功能起着决定性作用，它们或是通过直接接触或是通过释放激素类物质交换信号。这些信号有助于杀手T细胞识别机体内的物质是朋友还是敌人。机体接受到信号时，T细胞会离开淋巴结到其他部位去巡逻，寻找被感染的细胞或肿瘤细胞并消灭之。
对于迎战侵入机体肺脏和肝脏等抗体不易到达部位的病原体，杀手T细胞显得尤为重要。在抵御诸如麻疹病毒、流感病毒和脊髓灰质炎病毒等细胞破坏性病毒的感染中，抗体是最有效的，因为这类病原体自由飘浮于血液之中。在抵御非漫游性细菌如那些能引起霍乱或白喉的细菌时，它们也能产生很好的效应，并能阻断这类细菌的毒害作用。迄今为止，最成功的疫苗已被作为对付这些疾病的目标，它们一般都善于激活抗体，但在刺激T细胞方面却非常拙劣。津克纳格尔说，至少有部分原因是，研究人员未把淋巴结作为目标而且不能长时期地在体内维持充足的疫苗。
津克纳格尔已经证实，将疫苗注入淋巴结是使人免患皮肤癌或肌瘤的最有效办法。他领导的小组通过为动物进行同一类型活肿瘤细胞预防接种的办法成功地防止了动物皮下固体瘤的生长。然而，只有肿瘤细胞存活时间够长而得以进入淋巴结，疫苗才能起作用。当然，注射肿瘤细胞最终会使癌细胞扩散。因此，为了治病救人，津克纳格尔希望能在不注射活细胞的情况下仿效这一接种疫苗的作用。
目前，他的小组正在对恶性黑素瘤患者进行研究，正在尝试把肿瘤细胞蛋白质片断直接注入淋巴结。尽管研究尚未完成，但初步结果看来很有希望。
津克纳格尔说，另一个可能成功的实验选项是，用编码肿瘤细胞蛋白质的DNA为病人接种。希望那些细胞能接纳这种DNA，制造出这类蛋白质，并在细胞表面显示出来。当这类经接种DNA的细胞到达淋巴结时，它们能像注射活肿瘤细胞一样服务于同一目的，而没有任何危险。
DNA疫苗还将帮助解决另一个有关当前疫苗的问题：如何长时期地维持免疫力。例如，当前的结核疫苗，只不过提供部分且短暂的保护，因为它含有弱化的细菌，且这些细菌在体内的存活期最多是1～3年。一种较好的选择办法是，利用像结核杆菌那样能够整个一生都生活在寄主体内的细菌。DNA疫苗可以生产出各种能长期制造人们渴望的抗原性蛋白的细胞。倘若这些细胞能传播到淋巴结，它们会产生几乎永久的免疫力。
世界上最有效的疫苗之一，沙宾脊髓灰质炎疫苗就是按上述原理起作用的。它由活的但已弱化的病毒所组成，这些病毒能使人体在几天时间受到感染但不会致病。这种疫苗能确保机体至少在5～10年内使抗脊髓灰质炎病毒感染的抗体维持较高水平。
决定这种DNA应置于体内何部位将需要充分的解剖学知识和生理学知识。津克纳格尔说：“我确信，这些系统生理学方面的知识将再度风行并且得以应用，否则就会碰壁。”
——Julie Clayton
（未完待续）
[New Scientist Conference Report，2000年4月15日]