信阳师范大学：《分子与细胞免疫学》课程教学资源（讲义）第十章抗原.pdf

第一节抗原的概念和特性一、抗原的概念在免疫学发展的早期，人们应用细菌或其外毒素给动物注射，经一定时期后，用体外实验证明，在其血清中存在一种能使细菌发生特异性凝集反应的物质。称之为凝集素，或能特异性中和外毒素性的物质，称之为抗毒素。其后将血清中这种具有特异性反应的物质统称为抗体（antibody,Ab）。而将能刺激机体的物质统称为抗原（antigen,Ag）。随着现代免疫学的发展，已经证明，当抗原分子进入机体后，能触发免疫细胞一系列的复杂的生物学过程，称之为免疫应答。既能诱导正免疫应答，也能诱导负免疫应答。因此，上述抗原的概念已不能完全概括其函义。目前认为凡能诱导免疫系统发生免疫应答，并能与其产生的抗体或效应细胞在体内或体外发生特异性反应的物质，可称之为抗原。二、抗原的特性根据现代抗原的概念，抗原必须具备二种特性，即免疫原性和抗原性。（一）免疫原性抗原的免疫原性（immunogenicity）是指抗原分子能诱导免疫应答的特性。它涉及抗原分子与免疫细胞间的相互作用，即它必须经过抗原呈递细胞的加工、处理和呈递作用，以及能被1和B细胞的抗原识别受体所识别。因此抗原的免疫原性与抗原分子的化学性质相关，更与机体的免疫应答特性相关。（二）抗原性抗原的抗原性（antigenicity）是指抗原分子能与免疫应答产物，即抗体或效应T细胞发生特异反应的特性，故亦称之为抗原的反应原性（reactivity）。它只涉及抗原分子与抗体分子或T细胞的抗原受体分子（TCR）间的相互作用，即分子与分子间的相互作用。只是抗原分子表面的有限部位能与抗体分子结合，称此部位为抗原决定簇（antigendeterminant）或表位（epitope）。因此抗原的抗原性主要决定于抗原分子的化学性质。如抗原为蛋白质分子，其抗原性可决定于其氨基酸序列或其空间构型。第二节抗原的免疫原性抗原的免疫原性，首先决定于其自身的化学特性，但同一种抗原，对不同种动物或同种动物不同个体间其免疫原性强弱，可表现很大差异，因此一种抗原的免疫原性是由其化学性质和宿主因素决定的。具有免疫原性的物质称为免疫原（immunogen）。一、免疫原性的化学基础

第一节抗原的概念和特性一、抗原的概念在免疫学发展的早期，人们应用细菌或其外毒素给动物注射，经一定时期后，用体外实验证明，在其血清中存在一种能使细菌发生特异性凝集反应的物质。称之为凝集素，或能特异性中和外毒素性的物质，称之为抗毒素。其后将血清中这种具有特异性反应的物质统称为抗体（antibody,Ab）。而将能刺激机体的物质统称为抗原（antigen,Ag）。随着现代免疫学的发展，已经证明，当抗原分子进入机体后，能触发免疫细胞一系列的复杂的生物学过程，称之为免疫应答。既能诱导正免疫应答，也能诱导负免疫应答。因此，上述抗原的概念已不能完全概括其函义。目前认为凡能诱导免疫系统发生免疫应答，并能与其产生的抗体或效应细胞在体内或体外发生特异性反应的物质，可称之为抗原。二、抗原的特性根据现代抗原的概念，抗原必须具备二种特性，即免疫原性和抗原性。（一）免疫原性抗原的免疫原性（immunogenicity）是指抗原分子能诱导免疫应答的特性。它涉及抗原分子与免疫细胞间的相互作用，即它必须经过抗原呈递细胞的加工、处理和呈递作用，以及能被T 和B细胞的抗原识别受体所识别。因此抗原的免疫原性与抗原分子的化学性质相关，更与机体的免疫应答特性相关。（二）抗原性抗原的抗原性（antigenicity）是指抗原分子能与免疫应答产物，即抗体或效应T细胞发生特异反应的特性，故亦称之为抗原的反应原性（reactivity）。它只涉及抗原分子与抗体分子或T细胞的抗原受体分子（TCR）间的相互作用，即分子与分子间的相互作用。只是抗原分子表面的有限部位能与抗体分子结合，称此部位为抗原决定簇（ antigen determinant ）或表位（epitope）。因此抗原的抗原性主要决定于抗原分子的化学性质。如抗原为蛋白质分子，其抗原性可决定于其氨基酸序列或其空间构型。第二节抗原的免疫原性抗原的免疫原性，首先决定于其自身的化学特性，但同一种抗原，对不同种动物或同种动物不同个体间其免疫原性强弱，可表现很大差异，因此一种抗原的免疫原性是由其化学性质和宿主因素决定的。具有免疫原性的物质称为免疫原（immunogen）。一、免疫原性的化学基础

许多天然物质可诱导免疫应答，其中大分子蛋白质和多糖具有强免疫原性，小分子多肽及核酸也具有免疫原性。（一）化学组成大分子蛋白质，分子量大于10000者，可含有大量不同的抗原决定簇，是最强的免疫原。如异种血清蛋白、酶蛋白及细菌毒等，是强免疫原蛋白质的例子。多糖是重要的天然抗原，纯化多糖或糖蛋白、脂蛋白以及糖脂蛋白等复合物中的糖分子部分都具有免疫原性。在自然界，许多微生物有富含多糖的荚膜或胞壁，细菌内毒素是脂多糖，以及一些血型抗原（A、B、C、H）也是多糖。核酸分子多无免疫原性，但如与蛋白质结合形成为核蛋白则有免疫原性。在自身免疫病中，可见对天然核蛋白诱导的免疫应答产生的抗DNA或RNA抗体。此外，多肽类激素如胰岛素虽为小分子量（6000）亦具有免疫原性。来自一种动物的胰岛素，如长期用于另一种动物，亦能诱导免疫应答产生抗体。（二）分子量凡具有免疫原性的物质，其分子量都较大，一般在1万以上，小于1万者呈弱免疫原性，低于4000者一般不具有免疫原性。许多小的免疫性原性分子可激发细胞免疫，而不产生抗体。亦有大分子量物质，如明胶分子量可达10万，但因其为直链氨基酸结构，易在体内降解为低分子物质，所以呈弱免疫原性。可见免疫原性除与分子量有关外，还与其化学结构相关。（三）化学结构在蛋白质分子中，凡含有大量芳香族氨基酸，尤其是含有酷氨酸的蛋白质，其免疫原性强；而以非芳香族氨基酸为主的蛋白质，其免疫原性较弱。蛋白质和多糖抗原，凡结构复杂者免疫原性强，反之则较弱。其复杂性是由氨基酸和单糖的类型及数量等决定的。如聚合体蛋白质分子较单体可溶性蛋白质分子的免疫原性强。二、宿主因素与免疫原性免疫原性物质进入机体后能否诱导产生免疫应答，除上述化学基础外，尚受宿主因素的影响，而且是更要的因素。（一）异种性在免疫功能正常条件下，只有异种或同种异体的免疫原性物质才能诱导宿主的正免疫应答，即只有“非已”抗原才能引起正免疫应答。这是由于免疫系统在个体发育过程中，对“自已”抗原产生耐受，不能识别，而对“非已”抗原则能够识别所致。因此抗原来源与宿主种系关系越远，其免疫原性也越强，如微生物抗原、异种血清蛋白等物质对人是强免疫原。反之种系关系较近，则免疫原性也弱，如鸭血清蛋白对鸡呈弱免疫原性，而对兔则表现为强免疫原性。得但目前证明在正常个体也可诱发生理性自身免疫应答，只有超出一定范围才能直病理性自身免疫应答。（二）宿主遗传性在同种动物不同个体间结感染的抵抗力存在明显差异的事实，已早为人知，但不能解释其产生的原因，只以个体差异说明之。其后，用已知人工合成抗原给不同近交系动物免疫，每一近

许多天然物质可诱导免疫应答，其中大分子蛋白质和多糖具有强免疫原性，小分子多肽及核酸也具有免疫原性。（一）化学组成大分子蛋白质，分子量大于10000者，可含有大量不同的抗原决定簇，是最强的免疫原。如异种血清蛋白、酶蛋白及细菌毒等，是强免疫原蛋白质的例子。多糖是重要的天然抗原，纯化多糖或糖蛋白、脂蛋白以及糖脂蛋白等复合物中的糖分子部分都具有免疫原性。在自然界，许多微生物有富含多糖的荚膜或胞壁，细菌内毒素是脂多糖，以及一些血型抗原（A、B、C、H）也是多糖。核酸分子多无免疫原性，但如与蛋白质结合形成为核蛋白则有免疫原性。在自身免疫病中，可见对天然核蛋白诱导的免疫应答产生的抗DNA或RNA抗体。此外，多肽类激素如胰岛素虽为小分子量（6000）亦具有免疫原性。来自一种动物的胰岛素，如长期用于另一种动物，亦能诱导免疫应答产生抗体。（二）分子量凡具有免疫原性的物质，其分子量都较大，一般在1万以上，小于1万者呈弱免疫原性，低于4000者一般不具有免疫原性。许多小的免疫性原性分子可激发细胞免疫，而不产生抗体。亦有大分子量物质，如明胶分子量可达10万，但因其为直链氨基酸结构，易在体内降解为低分子物质，所以呈弱免疫原性。可见免疫原性除与分子量有关外，还与其化学结构相关。（三）化学结构在蛋白质分子中，凡含有大量芳香族氨基酸，尤其是含有酷氨酸的蛋白质，其免疫原性强；而以非芳香族氨基酸为主的蛋白质，其免疫原性较弱。蛋白质和多糖抗原，凡结构复杂者免疫原性强，反之则较弱。其复杂性是由氨基酸和单糖的类型及数量等决定的。如聚合体蛋白质分子较单体可溶性蛋白质分子的免疫原性强。二、宿主因素与免疫原性免疫原性物质进入机体后能否诱导产生免疫应答，除上述化学基础外，尚受宿主因素的影响，而且是更要的因素。（一）异种性在免疫功能正常条件下，只有异种或同种异体的免疫原性物质才能诱导宿主的正免疫应答，即只有“非已”抗原才能引起正免疫应答。这是由于免疫系统在个体发育过程中，对“自己”抗原产生耐受，不能识别，而对“非已”抗原则能够识别所致。因此抗原来源与宿主种系关系越远，其免疫原性也越强，如微生物抗原、异种血清蛋白等物质对人是强免疫原。反之种系关系较近，则免疫原性也弱，如鸭血清蛋白对鸡呈弱免疫原性，而对兔则表现为强免疫原性。得但目前证明在正常个体也可诱发生理性自身免疫应答，只有超出一定范围才能直病理性自身免疫应答。（二）宿主遗传性在同种动物不同个体间结感染的抵抗力存在明显差异的事实，已早为人知，但不能解释其产生的原因，只以个体差异说明之。其后，用已知人工合成抗原给不同近交系动物免疫，每一近

交系动物其遗传背景相同，结果发现有的品系能产生抗体，称为高应答品系（hkghresponder）。有的品系不能产生抗体，称为无或低应答品系（nonrespondre）。例如应用人工合成抗原二硝基苯-多聚-左旋-赖氨酸（DNP-poly-L-L）在荷兰猪品系2（GPstrain2）可以引起应答，而对品系13（GPstrain13）则不能引起应答。这充分证明个体遗传性对免疫应答的控制作用。在70年代McDevitt等应用人工合成抗原在近交系小鼠体内发现了控制免疫应答的基因座（immuneresponslocus）定位于H-2复合体的I区，称此基因为免疫应答基因-1（immuneuesponse,Ir-1)。（三）免疫佐剂免疫佐剂的物质有：①微生物及其产物，常用的微生物有分枝杆菌、短小棒状杆菌、百日咳杆菌以及处左兰氏阴性杆菌的提取物脂多糖，自分枝杆菌的提取物质胞壁酰二肽等。②多聚核苷酸，如多聚肌苷酸：胞苷酸（poly1:C），多聚腺苷酸（poly1:A：μ）等。③弗氏佐剂（Freundadjuvant），这是目前最常用于动物实验的佐剂，它是将抗原水溶液与油剂（石蜡油或植物油）等量混合，：再加乳化剂（羊毛脂或叶吐温80）制成油包水抗原乳剂，称之为不完全弗氏佐剂。如在不完全佐剂中加入分枝杆菌（如死卡苗）则称为完全弗氏佐剂。④无机物，如明矾及氢化铝等。佐剂的作用机制尚不完全清楚：①它可能增加抗原的表面面积，易为巨噬细胞所吞噬；（②）延长抗原在体内的存留期，增加与免疫细胞接触的机遇；③诱发抗原注射部位及其局部淋巴结的炎症反应，有利于刺激免疫细胞的增殖作用。第三节抗原的抗原性自发现抗体后，用血清学方法在体外实验，证明了大然抗原与其相应抗体发生特异性合，这是一个重要的免疫学现象，称这种特性为抗原的抗原性。在早期由于尚未建立对蛋白质抗原进行分析的方法，为研究抗原性的化学本质造成了困难。奥地利免疫化学家Landsteiner在本世纪20年代创建了人工结合抗原，并应用血清学方法对抗原性的化学本质进行了系统的研究为抗原、抗体的相互作用提供了大量知识，为天然抗原化学性质的研究奠定了基础一、人工结合抗原Landsteiner首创用已知化学结构的低分子化合物或化学基团与免疫原性蛋白质进行偶联，制备了偶氨蛋白。由于低分子化合物本身无免疫原性，单独免疫动物不能对其产生抗体，如与蛋白质偶联再免疫动物则能对其产生抗体，并能单独与其抗体结合。故称此种无免疫原性低分子化合物为半抗原（hapten，H），称免疫原性蛋白质为载体（cauuier,C）自此建立了半抗原与载体的概念（H-C）。因此可以认为半抗原是外加在免疫原分子上的已知化学结构的化学基团，在一定意义上它与抗原分子上未知化学结构的天然抗原决定簇是同义语（图10-1）

交系动物其遗传背景相同，结果发现有的品系能产生抗体，称为高应答品系（ hkgh responder）。有的品系不能产生抗体，称为无或低应答品系（nonrespondre）。例如应用人工合成抗原二硝基苯-多聚-左旋-赖氨酸（DNP-poly-L-L）在荷兰猪品系2（GP strain2）可以引起应答，而对品系13（GP strain13）则不能引起应答。这充分证明个体遗传性对免疫应答的控制作用。在70年代McDevitt等应用人工合成抗原在近交系小鼠体内发现了控制免疫应答的基因座（ immuneresponslocus ）定位于 H-2 复合体的 Ⅰ 区，称此基因为免疫应答基因 -1 （ immune uesponse,Ⅰr-1）。（三）免疫佐剂免疫佐剂的物质有：①微生物及其产物，常用的微生物有分枝杆菌、短小棒状杆菌、百日咳杆菌以及处左兰氏阴性杆菌的提取物脂多糖，自分枝杆菌的提取物质胞壁酰二肽等。②多聚核苷酸，如多聚肌苷酸：胞苷酸（poly1:C）,多聚腺苷酸（poly1:A：μ）等。③弗氏佐剂（Freundadjuvant）,这是目前最常用于动物实验的佐剂，它是将抗原水溶液与油剂（石蜡油或植物油）等量混合，再加乳化剂（羊毛脂或叶吐温80）制成油包水抗原乳剂，称之为不完全弗氏佐剂。如在不完全佐剂中加入分枝杆菌（如死卡苗）则称为完全弗氏佐剂。④无机物，如明矾及氢化铝等。佐剂的作用机制尚不完全清楚：①它可能增加抗原的表面面积，易为巨噬细胞所吞噬；② 延长抗原在体内的存留期，增加与免疫细胞接触的机遇；③诱发抗原注射部位及其局部淋巴结的炎症反应，有利于刺激免疫细胞的增殖作用。第三节抗原的抗原性自发现抗体后，用血清学方法在体外实验，证明了天然抗原与其相应抗体发生特异性结合，这是一个重要的免疫学现象，称这种特性为抗原的抗原性。在早期由于尚未建立对蛋白质抗原进行分析的方法，为研究抗原性的化学本质造成了困难。奥地利免疫化学家Landsteiner在本世纪20年代创建了人工结合抗原，并应用血清学方法对抗原性的化学本质进行了系统的研究，为抗原、抗体的相互作用提供了大量知识，为天然抗原化学性质的研究奠定了基础。一、人工结合抗原 Landsteiner首创用已知化学结构的低分子化合物或化学基团与免疫原性蛋白质进行偶联，制备了偶氨蛋白。由于低分子化合物本身无免疫原性，单独免疫动物不能对其产生抗体，如与蛋白质偶联再免疫动物则能对其产生抗体，并能单独与其抗体结合。故称此种无免疫原性低分子化合物为半抗原（hapten,H），称免疫原性蛋白质为载体（cauuier,C）自此建立了半抗原与载体的概念（H-C）。因此可以认为半抗原是外加在免疫原分子上的已知化学结构的化学基团，在一定意义上它与抗原分子上未知化学结构的天然抗原决定簇是同义语（图10-1）

载体-苯胺+++载体-邻位氨基苯甲酸++++载体-间位氨基苯磺酸++++载体-对位氨基苯酸++++：阳性反应：一：阴性反应抗原除与其相应抗体发生特异反应外，也可与其它相关抗体发生反应，称这种现象为交又反应。这是由于在二种不同的抗原分子中具有相同的抗原决定簇引起的，称为共同簇或共同抗原，也可能由于二种不同决定簇具有相似的结构，但并非相同，也能引起交叉反应。在发生学上较近的种属间，其抗原产生的抗体，彼此间易出现交叉反应。如牛血清清蛋白（BSA）与其它种属清蛋白之间的交叉反应（表10-3）。表10-3牛血清蛋白与其它种属清蛋白的交叉反应清蛋白来源交叉反应%（BSA)清蛋白来源交叉反应%(BSA)人515豚鼠猪狗3213羊小鼠7510马13大鼠17猫地鼠2513二、载体决定与半抗原决定簇单独应用半抗原不能诱导机体产生抗体，只有将半抗原与载体蛋白结合后，才能诱导机体既能产生抗载体蛋白抗体，也能产生半抗原抗体，已为实验所证明。这就提出了为什么单独应用半抗原不能产生抗体，载体在抗体产生中发挥什么作用等问题。为了回答上述问题，有的学者应用牛血清蛋白-二销基苯（BSA-DNP）和卵白蛋白-二硝基苯（OA-DNP）为载体结合半抗原，观察了载体在抗体产生中的作用，他们首先应用BSA-DNP对小鼠进行初次免疫，然后再分别应用BSA-DNP和OA-DNP进行再次免疫，观察载体对抗DNP抗体产生的影响.他们发现，只有当初次与再次免疫时，半抗原需要在相同载体上才能产生半抗原抗体，称此为载体效应（表10-4）。证明载体不是单纯起运载半抗原的作用，而是具有载体特异性。因此提出一个完全抗原分子，必须具有载体决定簇和半抗原决定簇。表10-4载体-半抗原效应实验组别初次免疫再次免疫抗DNP抗体1BSA-DNPBSA-DNP+++2BSA-DNPOA-DNP+3BSA-DNP+OAOA-DNP+++

载体-苯胺载体-邻位氨基苯甲酸载体-间位氨基苯磺酸载体-对位氨基苯砷酸 +++ －－－－ ++++ －－－－ ++++ －－－－ +++ +：阳性反应；－：阴性反应抗原除与其相应抗体发生特异反应外，也可与其它相关抗体发生反应，称这种现象为交叉反应。这是由于在二种不同的抗原分子中具有相同的抗原决定簇引起的,称为共同簇或共同抗原. 也可能由于二种不同决定簇具有相似的结构，但并非相同，也能引起交叉反应。在发生学上较近的种属间，其抗原产生的抗体，彼此间易出现交叉反应。如牛血清清蛋白（BSA）与其它种属清蛋白之间的交叉反应（表10-3）。表10-3 牛血清蛋白与其它种属清蛋白的交叉反应清蛋白来源交叉反应%（BSA）清蛋白来源交叉反应 %（BSA）人猪羊马地鼠 15 32 75 13 13 豚鼠狗小鼠大鼠猫 5 13 10 17 25 二、载体决定簇与半抗原决定簇单独应用半抗原不能诱导机体产生抗体，只有将半抗原与载体蛋白结合后，才能诱导机体既能产生抗载体蛋白抗体，也能产生半抗原抗体，已为实验所证明。这就提出了为什么单独应用半抗原不能产生抗体，载体在抗体产生中发挥什么作用等问题。为了回答上述问题，有的学者应用牛血清蛋白-二销基苯（BSA-DNP）和卵白蛋白-二硝基苯（OA-DNP）为载体结合半抗原，观察了载体在抗体产生中的作用，他们首先应用BSA-DNP对小鼠进行初次免疫，然后再分别应用BSA-DNP和OA-DNP进行再次免疫,观察载体对抗DNP抗体产生的影响.他们发现,只有当初次与再次免疫时,半抗原需要在相同载体上才能产生半抗原抗体，称此为载体效应（表10-4）。证明载体不是单纯起运载半抗原的作用，而是具有载体特异性。因此提出一个完全抗原分子，必须具有载体决定簇和半抗原决定簇。表10-4 载体-半抗原效应实验组别初次免疫再次免疫抗DNP抗体 1 2 3 BSA-DNP BSA-DNP BSA-DNP+OA BSA-DNP OA-DNP OA-DNP +++ + +++

信阳师范大学：《分子与细胞免疫学》课程教学资源（讲义）第十章 抗原

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