第二节
补体系统的激活及其调节

在生理情况下，血清中补体组分多以类似非活性的酶前体形式存在。在某些激活物的作用下，补体各组分依次被激活，形成放大的连锁反应，产生一系列生物学效应，发挥抗感染和免疫调节等作用。补体系统的激活是一种级联酶促反应，其激活过程因激活物质、参与的补体成分和补体成分被激活的起始顺序不同而异，目前已发现有三条补体激活途径即经典途径、旁路途径和MBL途径。

补体三条激活途径均可分为两个阶段：①早期阶段，包括级联反应的启动，C3、C5转化酶的形成（即活化阶段），统称为前端反应；②晚期阶段，从C5裂解开始，最终形成攻膜复合物，产生溶细胞效应，即末端通路。

一、补体激活的经典途径

经典激活途径（classical pathway，CP）是指激活物与 C1q 结合，依次活化 C1r、C1s、C4、C2、C3，形成 C3转化酶（ ）与 C5转化酶（ ），最终进入共同终末途径的级联酶促反应过程，它是机体体液免疫反应的效应机制之一。

（一）激活物

免疫复合物为经典激活途径的主要激活物，与抗原结合的IgG1～3亚类和IgM分子可结合C1q。此外，C反应蛋白、细菌脂多糖（LPS）、髓鞘脂和某些病毒蛋白等也可作为激活物。激活物激活补体的特点包括：①抗体的恒定区含有补体结合位点，当抗原抗体结合后，抗体发生构象改变，使C1q能够与抗体恒定区的补体结合位点结合；②每一个C1q分子必须同时与两个或两个以上的补体结合位点结合才能被激活。IgG是单体，故需要两个或两个以上相邻IgG分子与多价抗原结合形成免疫复合物（immune complex，IC），才能提供近距离的结合位点供C1q结合、活化。IgM分子为五聚体，至少可以提供5个补体结合点，单个IgM分子即可有效启动经典途径，因此IgM比IgG更能有效地激活补体。

（二）参与的补体成分

参与经典途径的补体固有成分为C1～C9。C2血浆浓度很低，是补体激活级联酶促反应的限速分子。

（三）激活过程

补体激活经典途径包括识别阶段、活化阶段和膜攻击阶段三个过程。

1.识别阶段

是指IC与C1q结合，使C1活化，形成C1酯酶的阶段。C1为多聚体分子复合物，由 1个C1q分子、2个C1r分子和2个C1s分子借Ca ^2＋ 连接而成。C1q是由6个呈辐射状排列的相同亚单位组成。每个亚单位的羧基端是由异源三聚体组成的球形结构，构成C1q分子头部，是C1q与IgFc段结合的部位，其氨基端聚合成束。C1r和C1s均为单链蛋白质，二者结构相似，以C1s-C1r-C1r-C1s的顺序连接呈四聚体，缠绕于C1q分子头部，形成紧密连接（图4-1），为C1s的活化提供先决条件。当2个以上C1q头部与IC中IgM或IgG的补体结合位点结合后，C1q的6个亚单位发生构象改变，激活C1r并将其裂解为两个片段，小片段即激活的C1r，可将C1s裂解为两个片段，其中小片段 具有丝氨酸蛋白酶活性，启动经典激活途径。

2.活化阶段

是指 依次裂解C4、C2形成C3转化酶，后者进一步裂解C3并形成C5转化酶的阶段（图4-2）。

裂解的第一个底物是C4。C4分子是由α、β、γ三条多肽链经二硫键连接而成。在Mg ^2＋ 存在下， 使C4裂解为小片段C4a和大片段C4b。C4a释放进入液相，C4b高度不稳定，大部分 C4b在液相中被灭活，仅少量C4b附着于抗原-抗体复合物或抗体所结合的细胞表面，从而有效地激活补体的后续成分。

裂解的第二个底物是C2。C2分子为单链多肽，在Mg ^2＋ 存在下，C2与固相C4b形成复合物，继而被 裂解为大片段C2a和小片段C2b。C2b被释放入液相，C2a可与C4b形成 复合物，即经典途径的C3转化酶。 复合物中的C4b可与C3结合，C2a可水解C3。

C3分子是由α和β链连接的异二聚体，C3分子的裂解是补体激活的关键环节，三条激活途径均有涉及。C3转化酶使C3裂解为小片段C3a和大片段C3b。C3a被释放入液相，C3b分子内部的硫酯基团（—S—CO—）暴露，成为不稳定的结构域。大部分 C3b与水分子相互作用形成—SH和—COOH被灭活，不再参与补体级联反应。少量C3b可与细胞表面的 结合，形成 复合物，即经典途径的C5转化酶，继而裂解C5，并启动补体活化的晚期阶段。

3.膜攻击阶段

即攻膜复合物（membrane attack complex，MAC）的形成，导致靶细胞溶解的阶段。C5是由二硫键连接而成的异二聚体，被C5转化酶裂解为小片段C5a和大片段C5b，前者释放入液相，后者可与单链蛋白C6稳定结合为 C5b6，C5b6与单链蛋白 C7结合形成C5b67，暴露膜结合位点，与邻近的细胞膜非特异性结合，结合在膜上的C5b67与C8具有高亲和力，形成C5b678复合物牢固地插入靶细胞膜脂质双层中。该复合物可促进12～15个 C9分子聚合，形成 C5b6789n微管状复合物，即MAC（图4-3）。插入靶细胞膜的 MAC通过破坏局部磷脂双层而形成“渗漏斑”或穿膜的亲水性跨膜孔道，允许可溶性小分子、离子以及水分自由通过细胞膜，但蛋白质等大分子却难以从胞质中逸出。由于胞内胶体渗透压较胞外高，导致水和离子内流，胞内渗透压降低，细胞肿胀并最终破裂。

二、补体激活的旁路途径

旁路途径（alternative pathway，AP）又称替代激活途径，是由病原体或外源性异物直接激活C3，绕过C1、C4和C2，由B因子、D因子及P因子等参与的激活过程。该途径属于物种进化过程中最早出现的补体激活途径，在感染早期，尚未产生特异性抗体时发挥重要的抗感染作用。

（一）激活物

某些细菌的细胞壁结构（脂多糖、磷壁酸）、酵母多糖或葡聚糖，以及凝聚的IgA和IgG4等均可为补体的旁路激活途径提供保护性环境和接触表面，使后续级联反应得以进行。

（二）激活过程

1.前端反应阶段

在生理条件下，血清中C3可受蛋白酶等作用，缓慢而持久地自发水解成C3a和C3b。绝大多数C3b在液相中快速灭活，少数C3b与附近正常细胞的膜表面共价结合，被膜表面多种调节蛋白所灭活，不能发挥其作用。当感染发生时，C3b结合在缺乏调节蛋白的激活物表面，可不被灭活，在Mg ^2＋ 存在的条件下，其与B因子结合形成C3bB复合物。血清中的D因子可将结合状态的B因子裂解成Ba和Bb，Bb与 C3b结合形成 ，即旁路途径的C3转化酶。 极不稳定，易被血清中H因子和I因子灭活。血清中P因子可与 结合并防止其被降解。结合于激活物表面的 裂解大量C3，产生更多C3b。C3b一方面与B因子结合，促进 的形成，进而增加对C3的裂解速度，称为旁路途径的正反馈放大机制；另一方面，C3b与 结合形成 （或 ），即旁路途径的 C5转化酶，可裂解 C5（图4-4）。

2.共同末端效应阶段

C5转化酶裂解C5，以后的过程与经典途径相同，最终形成攻膜复合物，导致靶细胞溶解。

三、补体激活的凝集素途径

凝集素途径（lectin pathway）又称为MBL途径，是指血浆中甘露聚糖结合凝集素（mannan-binding lectin，MBL）直接识别病原体表面的糖结构，进而依次激活MBL相关丝氨酸蛋白酶（MBL-associated serine protease，MASP）、C4、C2和 C3，形成 C3转化酶和 C5转化酶的级联酶促反应过程。

（一）激活物

主要激活物为病原体表面的糖结构，如甘露糖、岩藻糖及N-乙酰葡糖胺等。脊椎动物细胞表面的相应糖结构被唾液酸等成分覆盖，故不能启动 MBL途径，因此，MBL能够识别“自身细胞”和“非己病原体”。

（二）激活过程

MBL是一种钙离子依赖的糖结合蛋白，正常血清中MBL水平极低，在病原体感染早期，体内巨噬细胞和中性粒细胞可产生IL-1、IL-6和TNF-α等细胞因子从而导致机体发生急性期反应，并诱导肝细胞合成与分泌MBL和C反应蛋白等参与补体激活的急性期蛋白。MBL结构与C1 q类似，与多种病原体表面的糖类配体结合后发生构象改变，激活与之相连的MASP1和MASP2。活化的MASP2具有 的酯酶活性，可裂解 C4和C2，生成 C3转化酶 ，进而通过与经典途径相同的作用方式，完成后续补体成分活化的酶促级联反应。活化的MASP1能直接裂解C3生成C3b，在D因子和P因子的参与下，激活补体的旁路途径（图4-5）。因此，MBL途径对补体经典途径和旁路途径的活化具有交叉促进作用。

四、补体三条激活途径的比较

在生物物种进化中，三条激活途径出现的顺序依次为旁路途径、MBL途径、经典途径。三条激活途径的激活过程既具有各自的特点，又存在相互交叉之处，且具有共同的终末反应过程（图4-6）。在机体感染早期，尚未产生相应抗体之前，旁路途径和MBL途径可使补体发挥非特异抗感染作用。在感染中、晚期，机体产生相应抗体后，启动经典途径发挥特异性抗感染作用，同时可通过形成C3b促进旁路途径的正反馈效应。三条激活途径彼此联系，互相促进，从而使补体系统成为体内具有重要生物学作用的功能系统和放大系统。补体三条激活途径的比较如表4-1所示。

五、补体激活的调节

补体系统的激活是一种高度有序的级联反应，具有精密的调控机制，使之活化适度，既能有效杀灭入侵的病原体，又可防止对自身组织的损伤。补体系统激活的调节作用主要包括两个方面：

（一）补体的自身调节

某些激活的补体成分极不稳定，成为级联反应的重要自限因素。一般情况下，只有结合于固相的C4b、C3b和C5b才能激活经典途径，旁路途径的C3转化酶只在特定的细胞或颗粒表面才具有稳定性。此外，三条激活途径的C3转化酶 和 均极易衰变，从而限制了C3裂解以及后续的酶促反应。与细胞膜结合的C4b、C3b和C5b也容易衰变，可阻断补体的级联反应。因此，人体血液循环中一般不会发生自发性补体激活反应。

（二）补体调节蛋白的作用

在血浆中和细胞膜表面存在多种补体调节蛋白，可通过与不同补体成分的相互作用，维持补体激活与抑制的动态平衡，发挥有效的生物学功能，补体调节因子的缺失或功能异常是导致某些疾病发生的重要机制。目前已发现10余种补体调节蛋白，按其作用特点可分为两类：

1.可溶性调节蛋白

存在于血浆中，是防止或限制补体在液相中自发激活的抑制因子。

（1）C1抑制物（C1 inhibitor，C1 INH）：

C1 INH为单链糖基化蛋白，可与活化的 C1r或 C1s结合形成稳定的复合物，导致C1丝氨酸蛋白酶失活；与MBL-MASP结合，抑制MASP的活性。

（2）C4结合蛋白（C4 binding protein，C4bp）：

C4bp为多肽链糖蛋白，通过两种方式抑制补体的激活：①通过与 C2竞争C4b，从 中取代C2a，抑制C3转化酶的形成；②C4bp作为I因子的辅助因子，促进I因子对C4b的裂解。

（3）H因子：

H因子为单链糖蛋白，调节补体激活的机制包括①H因子可同B因子或Bb竞争结合C3b，从而阻止旁路途径中C3转化酶的形成；②作为I因子的辅助因子，H因子可增加 C3b与I因子的亲和力，干扰C3转化酶的组装；③H因子也能将已与C3b结合的B因子或Bb从C3转化酶中逐出，促进C3转化酶的失活。

（4）I因子：

I因子为异源二聚体蛋白，在C4bp、H因子、膜辅助蛋白和 CR1等辅助因子的协同下，I因子可将C4b裂解为C4d和C4c，也可使C3b裂解形成iC3b，后者进一步裂解为C3dg和C3c，由此控制补体系统的活化。

（5）玻璃连结蛋白（vitronectin）：

又称为S蛋白，为单链糖蛋白，可与C5b67复合物结合并使其失去膜结合活性，阻止可溶性C5b67复合物插入细胞膜的脂质层，保护补体活化部位的正常细胞免遭损害。

（6）群集素（SP40/40）：

为血浆糖蛋白，也可抑制MAC组装，并能使 MAC从细胞膜上解离为可溶性MAC，失去溶细胞作用。

2.膜型的调节蛋白

存在于组织细胞表面，保护机体组织细胞免遭补体损伤作用的抑制因子。

（1）膜辅助蛋白（membrane cofactor protein，MCP）：

属单链穿膜糖蛋白，广泛分布于多种细胞膜表面，可与C3b或iC3b、C4b结合而促进I因子对C3b和C4b的裂解灭活，抑制C3转化酶形成，从而保护自身细胞免遭补体介导的溶解破坏。

（2）衰变加速因子（decay-accelerating factor，DAF）：

属单链穿膜糖蛋白，广泛分布于多种细胞膜表面，一方面可阻止经典途径和旁路途径中C3转化酶、C5转化酶的装配，另一方面也可促进已形成的C3转化酶自发衰变，从而抑制MAC的形成，DAF仅表达在宿主细胞表面，不表达于细菌等靶细胞表面，因此在保护自身细胞不被溶解的同时，又不会抑制补体的溶菌作用。

（3）同种限制因子（homologous restriction factor，HRF）：

又称 C8 结合蛋白（C8-binding protein，C8bp），分布于多种血细胞表面，能与C8结合，抑制其与C9结合及聚合，阻止MAC插入自身细胞膜，使血细胞不被溶解破坏。

（4）膜反应性溶解抑制物（membrane inhibitor of reactive lysis，MIRL）：

广泛分布于多种组织细胞和血细胞表面，通过与C7、C8或C9结合，阻止MAC的完整组装，从而限制补体对自身细胞的溶解破坏。

问题与思考

有研究指出：可以借助转基因技术使猪细胞表达人的膜结合型补体调节蛋白，如 MCP、DAF，MIRL等，以此阻断猪-人异种器官移植所发生的超急性排斥反应，试述该研究思路的可行性。 R4fGQrkTTDn/eS4+9YWKDKU2Ad35rm7K8uZZDGOwJr4W4whTbsgSCu/MfPuaVnJU