破解谜团:B淋巴细胞发现50年

  医学

1965年1月,《自然》期刊发表了麦克斯•戴尔•库珀等人的研究论文,这标志着B淋巴细胞首次被人类发现。这一划时代的发现解开了免疫学重要的谜团,并且为众多药物和疫苗的研发生产奠定了基础。在50年后,《自然》期刊在网站上发表了这篇纪念文章,对50年间的淋巴细胞研究的历史进行了回顾。

上世纪60年代中期,麦克斯•库珀在明尼苏达大学罗伯特•古德的实验室。图片来自:US Natl Lib. Medicine

Alulull/译)1963年,麦克斯•戴尔•库珀(Max Dale Cooper)加入了明尼苏达大学的罗伯特•古德(Robert Good)的实验室。在当时,免疫学界有两大阵营,他们互相看不对眼。

在那个年代,免疫学亟待解决的核心问题就是,脊椎动物究竟通过何种方式为每一种病原体量身定制特异性的防御机制,而且这种特异性防御的多样性几乎没有上限。加入古德实验室后不到两年,库珀就发现了负责这项任务的两种淋巴细胞。随后的历史证明,他的发现为免疫学界破解了重要的谜团,并最终让两大阵营合为一体。

50年前,古德、库珀以及他们的同事雷蒙德•皮特逊(Raymond Peterson)在《自然》期刊上发表文章,揭示了两种淋巴细胞的存在。这一发现对现代免疫学的发展进程起了决定性的作用,为免疫缺陷病与免疫系统癌症的研究与治疗、以及单克隆抗体(一种在基础研究和临床领域都大显身手的利器)的发明都带来了深远的影响。

克隆战争

在上世纪60年代,免疫学家的一派阵营已经依赖化学方法取得了值得瞩目的成就。这群科学家发现,抗体分子的真面目是一种具有两个结合位点的蛋白质,它能够识别种类繁多的外来分子(抗原),甚至包括人工合成的分子;他们还发现,抗体分子由两条重链和两条轻链组成,每条链一端(N端)的氨基酸具有多样性,而另一端(C端)的结构则保持稳定。

与此同时,另一个阵营则在细胞和完整有机体的水平上展开研究。在这个阵营里,越来越多的学者开始接受“克隆选择学说”,他们认为淋巴细胞具有多样性,而且每一种淋巴细胞都携有独特的表面受体,当受体与抗原结合时,就触发了该种细胞的克隆扩增。这一诞生于50年代的理论的提出者是澳大利亚瓦尔特与伊莉莎•霍尔医学研究所(Walter and Eliza Hall Institute of Medical Research,MEHI)的弗兰克•马克法莱恩•本内特(Frank Macfarlane Burnet),以及芝加哥大学的大卫•达玛吉(David Talmage)。他们的理论为免疫学提供了概念框架,但这一理论还缺少实证,它的作用机理也仍旧扑朔迷离。

1961年,同在WEHI工作的杰奎斯•米勒(Jacques Miller)用实验表明,切除胸腺后的小鼠与普通动物不同,不会对来自另一品系小鼠的皮肤产生排异反应。这就说明,胸腺正是排异反应相关细胞的重要来源,但是,他的实验并没有得到广泛的接受。当时的学者认为,淋巴细胞是抗体的唯一来源。但是,免疫学家不知道的是,产生抗体的淋巴细胞和参与排异反应的淋巴细胞之间存在怎样的关系。

在这个背景下,身为儿科医生和临床免疫学家的库珀进行了一系列临床观察,为两种淋巴细胞的存在提供了早期线索。以一种X染色体相关疾病、维斯科特-奥尔德里奇综合征为例,病人会因为免疫缺陷而发生严重的病毒性疱疹病变,但他们体内的抗体水平却很高。与之相反,患有伴X染色体遗传的免疫缺陷病——丙种球蛋白缺乏症的男孩能够控制住这种病毒感染,尽管他们缺乏相应的抗体反应。这一现象表明,能够产生抗体的淋巴细胞和来源于胸腺、产生排异反应的淋巴细胞可能是两种完全不同的东西。

关键的实验

从1956年《家禽科学》(Poultry Science)上刊登的一篇论文中,包括库珀在内的几位免疫学家发现了解决这一谜题的重要线索。这篇论文记录了一个关于鸡法氏囊(腔上囊)的“意外发现”,研究者在一个无关免疫的实验中移除了鸡的法氏囊,结果他们惊讶地发现,这些鸡的抗体水平出现了明显的下降。作者在文中写道,他们 “怀疑法氏囊在抗体产生过程中发挥着重要作用”。

古德和库珀决定重新对鸡的法氏囊和胸腺展开研究。当时,以鸡为实验对象的器官移除研究得出的结果并不一致。库珀认为,其中一些鸡可能在器官被移走之前就已经产生了免疫细胞,从而导致了实验结果的差异。对此,他的解决办法是让小鸡在做完器官移除手术一天后接受射线照射,以杀死胸腺和法氏囊在孵化前产生的所有细胞。

他们的实验结果于1965年1月9日发表在《自然》期刊上,一时轰动了学界。在被注射牛血清蛋白或布鲁氏菌时,这些经射线处理、法氏囊移除的鸡不会产生抗体,且血清完全缺乏主要类型的抗体。然而,与胸腺有关的脾脏白髓区未受影响。这一结果与X染色体相关血内丙球蛋白缺乏症病人的症状高度相符。

第二年,库珀和同事们对他们的研究进行了扩展,并在《实验医学期刊》(Journal of Experimental Medicine)发表了重要论文。他们利用射线处理、胸腺和法氏囊切除的方法对鸡进行实验,阐明了来自这两个器官的免疫细胞不同的作用。他们发现,法氏囊(bursa)来源的B淋巴细胞负责抗体反应,而胸腺(thymus)来源的T淋巴细胞则与迟发性超敏反应、器官和皮肤移植排异反应等细胞免疫过程有关。

两种淋巴细胞的模型可以为免疫缺陷疾病提供极好的解释。因为X染色体相关血内丙球蛋白缺乏症病人缺乏抗体,但细胞免疫正常,所以他们的病症很有可能与B细胞发育缺陷有关。与之相反,联合免疫缺陷患者的细胞免疫与抗体免疫都严重受损,因此这种疾病的问题可能是出在了T细胞和B细胞共同的前体上。不出所料,临床医生比搞基础研究的免疫学家更乐于接受库珀的发现。

接下来,库珀需要完成一个至关重要的任务,那就是在哺乳动物中寻找与法氏囊功能相当的器官。在目标达成之前,“双淋巴细胞”学说的普适性一直存在着争议,这种情况延续了近十年。科学家们经常问库珀这样一个问题:“麦克斯,今年找到法氏囊的类似器官了吗?“

事实证明,这是一个相当艰难的任务。最开始,库珀和同事怀疑小肠组织是B细胞的来源,他们在这个死胡同里耗费了大量的精力。

一个B淋巴细胞的彩色电镜显微照片。图片来自:Eye of Science/SPL

等到1974年,真相终于大白于天下。库珀与伦敦大学学院的马丁•劳夫(Martin Raff)和约翰•欧文(John Owen)合作,对孕期第14天的小鼠胚胎肝脏细胞进行培养,4到7天后,B细胞就产生了。与此同时,WEHI的古斯塔夫•诺萨尔(Gustav Nossal)领导的研究小组和瑞士日内瓦大学的皮埃尔•瓦萨里(Pierre Vassalli)用小鼠骨髓细胞也得到了类似的结果。换句话说,在哺乳动物身上,造血组织就担负了类似法氏囊的功能。

70年代末,关于淋巴细胞不同谱系的理解开始改变白血病和淋巴瘤的治疗手段。如今,肿瘤细胞的起源被用于癌症的分类及治疗方案的调整。例如,急性淋巴细胞白血病可能来源于B细胞或T细胞,也可能两者都不是;非霍奇金氏(non-Hodgkin’s)淋巴瘤和伯基特氏(Burkitt’s)淋巴瘤则源自B细胞。这些分类会直接影响到各种治疗方案的选择和效果。

药物和疫苗

对B细胞的了解给我们带来的最大影响之一就是杂交瘤技术的发明,它制造出了一种能够无限分裂并产生抗体的细胞系。1975年,剑桥大学MRC分子生物学实验室的乔治•科勒(Georges Köhler)和塞萨尔•米尔斯坦因(César Milstein)将B细胞与一种骨髓瘤细胞融合,得到了一种能够持续产生特异性抗体的杂交细胞,于是,单克隆抗体技术诞生了。1984年,科勒、米尔斯坦因和尼尔斯•杰尼(Niels Jerne)因此摘取诺贝尔生理医学奖的桂冠。

这项成就对后世的影响再怎么强调都不为过。随后的几年里,单克隆抗体渗透进了实验生物学的每一个角落。这些潜能无限的分子能特异性地识别、分离及影响几乎任何一种科学家感兴趣的分子和细胞。在临床上,单克隆抗体已经成为最为有效的诊断和治疗工具之一。

库珀的发现还为解答克隆选择理论中最为核心的问题奠定了基础:抗体的多样性是如何产生的?1976年,日本研究者利根川进阐明了这个问题背后巧妙的分子机制。B细胞能够从一个大的备选基因库中选择出3种类型的基因片段,从而组合生产出千变万化的抗体分子。

最终,人们对抗体分子的了解也从化学层面扩展到了基因、细胞和机体的水平。80年代中期,T细胞系统的性质也得以阐明。以库珀等人关于B细胞和T细胞的发现为起点,一系列里程碑式的科研成果将免疫学界的化学阵营和细胞阵营团结在了一起。

当然,在B细胞生物学中,还有许多问题暂时还没有答案。在艾滋病、流感等疾病防控中,疫苗开发现状也不足以让人满意。进一步理解B细胞如何分化为抵抗感染的长寿细胞,能够引导我们在曾经跌倒的地方再次爬起,最终取得成功。

在B淋巴细胞发现之后,人类的健康事业从中获得了持续而巨大的收益。与此同时,我们也应当铭记这一伟大发现的起源——50年前库伯进行的那一次实验,以及为实验献身的鸡们。(编辑:窗敲雨)

编译来源

Nature, Immunology: Fifty years of B lymphocytes

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