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抗体分子模型的确立
发布日期:2018-09-03 07:46:02
    因研究抗体结构而与波特分享1972年诺贝尔生理学医学奖的美国生物化学家埃德尔曼,1929年生于美国纽约的一个医生的家庭,1950年毕业于宾夕法尼亚州厄辛纽斯学院,获学士学位;1954年获宾夕法尼亚大学医学博士学位。1957年进入洛克菲勒大学,开始埋头于抗体结构研究。当时抗体结构研究是一个荆棘丛生的领域,而尔德尔曼毅然闯入这个领域的原因,折辱他所说的:“学科不同,其令人激动的原因也不同;有的是因为具有普遍性,有的是因为具有预见能力。免疫学是一个特别令人激动的学科,原因在于它常常使人产生一些奇妙的想法,其中有些在其他研究领域很难产生。”“抗体在免疫学中占有中心地位,……因此,并不需要有多少了不起的洞察力就可以看到,抗体结构研究对于了解免疫力具有重要的意义。”但是,当埃德尔曼步入抗体结构研究领域时,与当时很多德高望重的抗体研究专家相比,他只是一个赶上“末班车”的新手。但卓有见地的埃德尔曼有令人倾倒的才智。他自信这趟“末班车”仍可把他载到大展雄风的研究天地。有可能把他带上举世瞩目的诺贝尔讲台。埃德尔曼胸怀大志,勇于创新,一踏进抗体结构研究领域,就锋芒毕露,显示一个杰出科学家所特有的气质。

    1958年前后,波特用木瓜蛋白酶降解抗体分子,使之断裂成几个片段,用这种办法解决了抗体分子量极大的难题。埃德尔曼也认为,将抗体裂解成较小的片段,是抗体结构研究的必经之路。但他同时认为,酶解法所得的片段只是人为的产物,实际上机体的活细胞在合成抗体时,显然不是那些片段拼接的。于是,他决心另辟蹊径,经过一段摸索,终于找到了用尿素还原抗体分子二硫键的理想方法。1961年,他与其合作者进行IgG的还原实验。实验所得的裂解产物,比波特的实验所得的片段小得多。与酶解实验的结果相比,还原实验的结果对于认识抗体结构具有更大的意义。因为它无可争辩地证明,抗体并不想波特设想的那样只有一条肽链,而是由多个肽链构成的,从而使抗体结构的研究又一次出现飞跃。但还原实验也有一个弱点:所得的两种肽链发生了变性,失去了抗体活性,因而无法借助它们来测定抗体肽链的氨基酸顺序。

    埃德尔曼为了解决正常血清中抗体极不均一的难题,果断的把眼光转向异常的免疫球蛋白——骨髓瘤蛋白和本周蛋白(Bence Jonse Protein)。出身医学时间的埃德尔曼对骨髓瘤有很深的了解。骨髓瘤病人的骨髓细胞可合成并分泌大量纯一的、无抗体功能,结构却与抗体类似的、异常的免疫蛋白球。但由于不同骨髓瘤病人体内所取得的异常免疫球蛋白各不相同,从而可以把很多不同病人的异常免疫球蛋白看成是正常人体内一系列不同结构免疫球蛋白的随机样本,用以研究正常个体免疫球蛋白的多样性结构特点。更为有趣的是,在有些骨髓瘤病人体内可以查到一种分子量较小,结构一致的本周蛋白。埃德尔曼非常敏锐地联想到这些纯净的蛋白可以作为良好的实验材料。1961年,埃德尔曼非常幸运地发现,本周蛋白竟然是骨髓免疫球蛋白的一条轻链,利用该蛋白将能够很容易地了解和研究正常免疫蛋白球轻链结构变化。埃德尔曼怀着无比兴奋的心情立即做了大量病人骨髓瘤蛋白和本周蛋白的电泳和肽图的比较研究,证明抗体的不均一性是有限的。但仅此仍无法解释抗体为何能与自然界中形形色色的抗炎发生特异性结合的机制。为此,埃德尔曼、波特及其他研究者又分别对IgG轻链氨基酸结构进行了深入研究,终于在1965年前后发现了免疫球蛋白轻链结构中一个至关重要的特点,即每条轻链都有两个区——从氨基端开始的一半是可变区,另一半是恒定区,整个轻链有214个氨基酸残基。其中可变区占108个左右。在埃德尔曼进行的抗体分子轻链研究中,仿佛天赐的骨髓瘤蛋白和本周蛋白扮演了重要的角色。埃德尔曼独特的开拓精神和潜心研究使得这些本无任何免疫功能的异常免疫球蛋白成了宝贵的研究材料,从而开创了抗体结构研究的崭新之路,正如贝弗里奇(W.I.B.Beveridge)所说:“在世纪工作中怎样利用科学的观察,最大限度地 发挥自己的聪明才智以取得成功呢?首先,如何选择观察对象是至关重要的。对象选择对了,就有做出发现的可能。”埃德尔曼对骨髓瘤蛋白及本周蛋白的选择,是他能取得轻链研究成功的关键所在。

    抗体轻链的结构搞明白了,接下来的问题是弄清抗体重链的结构。通过一系列复杂的氨基酸分析,埃德尔曼再次捷足先登,第一个阐明了重链结构。重链正想推测的那样,确实存在着与轻链类似的可变区和一个较长的恒定区。每条重链含有446个氨基酸残基,其中可变区占115个。通过研究抗体四肽链模型,埃德尔曼高度概括的提出抗之所以具有特异性识别和与无数种抗原特异结合的能力,在于抗体四肽链结构中的可变区氨基酸顺序,并且同种抗体的恒定区氨基酸顺序差异不大。自此,抗体分子最详尽的化学结构已基本阐明了。然而,值得指出的是,波特与埃德尔曼在研究过程中的微妙协调补充,也充分体现在最后一次冲刺之中。抗体分子各肽链氨基酸结构虽然最先都是埃德尔曼和他的合作者测定的,但是他们得到的实验数据却不如波特的精确。埃德尔曼以自己的实验为基础,参考波特的精确实验数据,才彻底搞清了抗体分子的整个氨基酸顺序。

    1969年,在美国实验生理学会联合会第53次年会上,埃德尔曼正式宣布:抗体分子最详尽的化学结构已被解决。3年后,为表彰埃德尔曼和波特在抗体结构研究中所做出的开创性贡献,诺贝尔委员会决定把1972年度的诺贝尔生理学医学奖授予这两位杰出的生物化学家。

    埃德尔曼除了研究抗体,还研究过对蛋白质研究十分有用的免疫荧光技术,研究过分子和细胞的分馏分离法、球蛋白以外的一些蛋白质的一级结构和立体结构、植物的基因结构和功能问题。特别是他在抗体结构研究取得胜利之后,立即马不停蹄地投入抗体生物合成的遗传学问题研究,并得出了一个新的结论:抗体分子的每一条多肽链都是由两个基因编码的。其中一个为可变区编码,另一个为恒定区编码。这个具有重要意义的结论,不久就得到了学术界的认可。

    对于埃德尔曼,有人曾做过如此评价:“埃德尔曼总的来说是个性格比较外向、精力充沛、干劲十足的人。他具有令人倾倒的才智,随便什么事情包括现代艺术和音乐,只要你想听听他的意见,他总能滔滔不绝地议论一番,并且讲得头头是道,卓有见识。他研究的领域及其广泛,他论证问题思路清晰,以理服人,他为解释抗体多样性这个令人困惑不解的现象提供的种种论据,充分证明了这一点。”和波特相比,他们两人的风格恰好形成了鲜明的对照。

    在抗体结构的研究中,波特和埃德尔曼都给人们留下了极为深刻的印象。面对令人困惑不解的矛盾现象和重重苦难,两人表现出来的坚韧性精神、独到的思维和机敏的观察分析能力,以及在研究过程中多次发生的互补现象,令人赞叹不已。虽然人们身处两国,经历、性格截然不同,但他们读能积极的从对方的成功中汲取力量和寻找启示,从而不失时机地把握值得追踪的线索,锲而不舍地探索抗体分子结构。两人相互间既有豁达而谨慎的借鉴,又有默契的超越竞争意识,相得益彰,殊途同归。

    波特和埃德尔曼言语抗体结构的研究工作及取得的丰硕成果,开创了免疫化学发展的新时期——分子免疫学。此后,分子免疫学发展十分迅速,已经先后大体上弄清楚了各类免疫球蛋白(包括IgG,IgM,IgE)的一级结构、抗体生物合成的全过程等问题。在抗原研究方面,该学科已阐明了一种球蛋白(肌红蛋白)的全部抗原结构,对抗原的免疫性可抗原专一性结构基础已有深入的认识;证实了核酸的抗原性;细胞表面抗原(血型抗原、组织相容性抗原、肿瘤相关抗原等)的研究也有很大的进展。尤其引人注目的是,抗原的改造和人工合成抗原的研究,为人工合成高效和光谱疫苗开辟了广阔前景。另一方面,细胞免疫学的蓬勃发展,也为分子免疫学提供 许多新概念和新问题。从70年代起,分子免疫学加强了细胞免疫学的相互渗透,研究领域已经远远超出了体液免疫范围,并深入到淋巴细胞的研究。当前发展的新趋向是以淋巴细胞为中心,从分子水平研究淋巴细胞对抗原的识别、激活和效应放大的机制。其核心问题又是在淋巴细胞的分化和激活过程中的信号、受体和基因表达问题。应用遗传工程技术分析免疫球蛋白基因的结构也取得了重要进展。抗体多样性起源的遗传控制和分子进化等一系列基本生物学问题,进行深入研究,从而在免疫学中不断发现新的现象,不断开拓新的领域。
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