补体系统：机体免疫的重要防线

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1、补体介绍

补体系统是免疫系统重要的组成部分，可增强（补充）抗体和吞噬细胞清除微生物和受损细胞、促进炎症和攻击病原体细胞膜的能力，是先天性免疫和获得性免疫的重要参与者。

“补体”这一名称源于比利时免疫学家Jules Bordet。他发现，含有抗菌抗体的新鲜血清在37°C下可以溶解细菌，然而，如果血清被加热到56°C或更高温度，它会失去溶解能力。因为抗体结构有热稳定，这种溶解能力的丧失不是抗体活性的衰减引起的。Jules Bordet认为血清中含有另一热敏感成分，这种成分协助或补充抗体的溶解功能，并命名为“补体”。

图注：补体系统由比利时免疫学家Jules Bordet 发现，并因此获得了1919年的诺贝尔奖。

补体系统由大约 50种蛋白质和蛋白片段组成，包括血清蛋白和细胞膜受体，它们约占血清中球蛋白的10%。

这些蛋白由肝脏合成，并作为无活性的前体在血液中循环。当被几种触发因素刺激时，系统中的蛋白酶会切割特定的蛋白质并启动进一步酶切的扩增级联反应，最终可以刺激吞噬细胞清除入侵微生物，诱发炎症以吸引更多的吞噬细胞参与免疫反应，同时可以形成细胞膜攻击复合物，直接对入侵微生物进行杀伤。

图注：补体系统的蛋白组成及对应的生物学功能

在体液系统中，补体蛋白是不活跃或短暂活跃（几秒钟）的，但它们在附着到微生物、抗体或凋亡细胞后或被激活。因此，补体的激活及生物学功能被限制在微生物细胞表面或抗体结合到抗原的部位，而非在血液中发生。

图注：补体系统的全貌展示图

2、补体的激活途径

补体的激活有三个主要途径：经典途径，由结合到抗原上的特定抗体激活；替代途径，在没有抗体的情况下在微生物细胞表面激活；以及凝集素途径，由结合到微生物表面甘露糖结合蛋白激活。

“经典”和“替代”这两个途径命名的产生是因为经典途径首先被发现，但从系统发育学上讲，替代途径更为古老。替代途径和凝集素途径是先天免疫的效应机制，而经典途径是获得性免疫中的体液免疫的主要机制。

尽管补体激活的路径在启动方式上有所不同，但它们都会导致最丰富的补体C3蛋白被C3转化酶裂解为两个片段，C3a和C3b（按惯例，补体蛋白水解产物通过小写字母后缀来标识，a指较小的产物，b指较大的产物。）C3b随后共价连接到微生物细胞表面或结合到抗原的抗体上。

补体相关的免疫学功能均依赖于C3蛋白的水解，如，吞噬细胞（中性粒细胞和巨噬细胞）表达C3b的受体，识别与微生物共价连接的C3b，促进吞噬作用。C3b也会进一步组装成C5转化酶的第二酶复合物，它将C5裂解为C5a和C5b。C5a片段可以促进炎症，并通过在膜上形成孔洞裂解微生物。不同的补体激活途径的差别在于C3b的产生方式不同。

图注：激活有经典途径，替代途径，和凝集素途径。不同的补体激活途径的差别在于C3b的产生方式不同，但都需要水解C3产生C3b来继续后续的免疫反应。

2.1 补体激活的替代途径

补体的替代途径激活，可以不依赖抗体产生可以稳定地附着在微生物表面的C3b。通常，血浆中的C3以极低的速率（每小时总血浆C3的1%到2%）持续被裂解，以产生C3b，这是持续动态平衡。

C3蛋白含有一个反应性硫酯键，该键在一个位于蛋白质称为硫酯域的区域内。当C3被裂解时，C3b分子构象改变，硫酯域被翻转暴露出来。随后C3b通过硫酯域共价连接到细胞表面，该硫酯域与细胞表面蛋白质或多糖的氨基或羟基反应，形成酰胺或酯键。如果上述结合过程没有发生，C3b无法和细胞表面结合，处于循环系统中，暴露的反应性硫酯键会被迅速水解而失活，进一步的补体激活被终止。

图注：C3补体被切割及结合到细胞表面的流程图。

当C3b的构象发生变化时，也暴露出另一个结合位点，用于结合一种称为因子B的血浆蛋白，因子B和C3b共价结合后，接着被一种称为因子D的血浆丝氨酸蛋白酶裂解，释放出一个小片段称为Ba，并产生一个较大的片段称为Bb，Bb保持与C3b相连。C3bBb复合物是替代途径的C3转化酶，它的功能是裂解更多的C3分子，从而建立后续的级联放大反应。即使C3b是通过经典途径或凝集素途径产生的，它也可以与Bb形成复合物，诱发后续级联反应。因此，替代途径C3转化酶的功能可以为替代途径、经典途径或凝集素途径启动时放大补体激活。

图注：替代途径的C3补体级联反应

替代途径激活发生在微生物细胞表面，而非宿主细胞上。如果C3bBb复合物在宿主细胞上形成，它会迅速被降解，宿主细胞上存在的几种调节蛋白的作用而终止补体反应。此外，替代途径的另一种蛋白质，称为正电子素，可以结合并稳定C3bBb复合物，正电子素倾向性的附着在微生物而非宿主细胞上。正电子素由激活的中性粒细胞释放（也可以由巨噬细胞和一些T细胞产生），是唯一已知的补体正向调节因子。

一些由替代途径C3转化酶产生的C3b分子与转化酶本身结合。这导致形成一个包含一个Bb部分和两个C3b分子的复合物，作为替代途径C5转化酶，它将裂解C5并启动补体激活的后续步骤。

2.2 补体激活的经典途径

经典途径是由补体蛋白C1与体内已和抗原结合的IgG的CH2域或IgM的CH3域结合启动的。在IgG抗体中，IgG1和IgG3是比其他亚类更有效的补体激活剂。IgG2具有一定的激活补体能力，但IgG4则没有。

C1是一个由C1q、C1r和C1s亚单位组成的多聚体蛋白复合物，其中C1q负责和抗体结合，而C1r和C1s是蛋白酶。C1q亚单位由六条链组成的伞状放射阵列构成，每条链都有一个球形头部，通过一个类胶原臂连接到中央柄上。这个六聚体可以特异性地结合到μ和一些γ重链的Fc区域。

图注：C1补体蛋白结构示意图（左）和电镜下的拍照（右）。

抗体只有结合到抗原上，才能通过经典途径的激活补体，而自由循环的抗体则无此功能。原因是每个C1q分子至少绑定两个Ig重链才能被激活，而每个Ig Fc区域只有一个C1q结合位点。因此，为了启动经典途径激活，多个IgG分子必须被拉近，C1q才能绑定，而多个IgG抗体只有在同时结合到多价抗原的相同表位或微生物、细胞或组织表面的几个抗原分子时才会聚集在一起。尽管自由循环的IgM是五聚体，但也不会与C1q结合，因为自由的IgM的Fc区域C1q无法识别，与抗原结合后IgM会引起构象变化，暴露Fc区域中的C1q结合位点，从而允许C1q结合。由于五聚体结构，一个IgM分子可以绑定两个C1q分子，这也是IgM比IgG更有效的激活补体的一个原因。

图注：C1与IgM和IgG的Fc结合示意图。C1必须和两个或更多的Fc部分同时结合才能启动补体级联反应。自由循环的IgG分子不会激活C1，因为每个IgG只有一个Fc区域（A），但与细胞表面抗原结合后，相邻的IgG Fc部分可以结合并激活C1（B）。可溶性的五聚体IgM的Fc部分对C1不可达（C）。在IgM与表面结合的抗原结合后，它会发生形状变化，允许C1结合和激活（D）。

C1r和C1s是丝氨酸蛋白酶，形成一个四聚体（2个C1r+2个C1s）。两个或更多C1q的球形头部与Fc区域结合，导致C1r酶活化，它裂解并激活C1s。激活的C1s裂解级联反应中的下一个蛋白C4，生成C4b。C4与C3同源，C4b含有一个类似于C3b内部硫酯键，可以通过形成共价酰胺或酯键附着在细胞表面，确保经典途径激活在细胞表面上进行。

随后，下一个补体蛋白C2与细胞表面结合的C4b复合，并由附近的C1s分子裂解，产生一个可溶性C2b片段和一个较大的C2a片段，后者在细胞表面与C4b关联。（注意，C2片段的命名法与其他补体蛋白不同，附着的较大片段称为a片段，而释放是b片段。）由此形成的C4b2a复合物是经典途径的C3转化酶，能够结合并蛋白水解裂解C3。这个酶复合物与C3的结合由C4b介导的，而蛋白水解是由C2a组分催化的。

C3的裂解导致小的C3a片段被移除，而C3b可以与细胞表面或启动补体激活的抗体形成共价键。在C3b沉积后，它可以结合因子B，并通过前面讨论的途径产生更多的C3转化酶。多个酶促步骤和放大作用的最终效果是，在补体激活的细胞表面上，几分钟内可以沉积数百万分子的C3b。替代途径和经典途径的关键早期步骤是相似的：替代途径中的C3与经典途径中的C4同源，因子B与C2同源。

由经典途径C3转化酶产生的C3b分子绑定到转化酶上并形成C4b2a3b复合物，这个复合物作为经典途径的C5转化酶，它裂解C5并启动补体激活的后期步骤。

2.3 补体激活的凝集素途径

凝集素途径是由微生物的多糖与循环凝集素的结合触发的，如血浆甘露糖（或甘露聚糖）结合凝集素（MBL）或Ficolins，这些可溶性凝集素是结构类似的胶原样蛋白。

MBL、L-Ficolin和H-Ficolin是血浆蛋白；M-Ficolin主要由组织中激活的巨噬细胞分泌。MBL具有N端的胶原样结构域和C端的碳水化合物识别（凝集素）结构域，因此是血清凝集素家族成员之一。Ficolins具有类似的结构，带有N端的胶原样结构域和C端的纤维蛋白原样结构域。胶原样结构域有助于组装基本的三螺旋结构，这些结构可以形成更高级别的寡聚体。MBL结合到多糖上的甘露糖残基，而Ficolins的纤维蛋白原样结构域结合含有N-乙酰葡萄糖胺的聚糖。这些多糖和聚糖在细菌和真菌中丰富存在。MBL和Ficolins都与MBL相关的丝氨酸蛋白酶（MASPs）相结合，包括MASP1、MASP2和MASP3。MASPs在结构上与C1r和C1s蛋白酶同源，并且具有类似的功能，即裂解C4和C2以激活补体途径。MBL的多聚体与MASP1和MASP2（或MASP3和MASP2）结合，MASP2是裂解C4和C2的蛋白酶。在这一途径中随后的生物学路径与经典途径相同。

图注：MBL和Ficolins的结构示意图。它们的结构和C1补体蛋白类似

2.4 补体激活后，形成膜攻击复合体（MAC）

由替代途径、经典途径或凝集素途径产生的C5转化酶启动补体系统后面组分的激活，最终形成细胞毒性的膜攻击复合体（MAC）。

C5转化酶将C5裂解为一个小的C5a片段，以及一个包含α和β链的C5b片段，该片段被释放并结合到血浆C6上。C6经历一个构象变化，然后C5b-C6复合物通过离子和疏水相互作用结合到细胞膜上。

然后，血浆中的C7绑定到C5b的α链并形成C5b-C6-C7（C5b-7）复合物。结合的C7经历一个两亲性转变并穿透膜，可以促进一些磷脂酰胆碱小胶束从膜中释放，但不形成完整的孔洞。

C8蛋白是由三个不同链组成的三聚体，其中一个链与C5b-7复合物的C5b组分结合，并与第二链形成共价异二聚体；第三链插入到膜的脂质双层中。这个稳定插入的C5b,6,7,8复合物（C5b-8）形成不稳定的孔洞，直径范围从0.4到3纳米，大量的这些C5b-8复合物可以溶解细胞。通过结合C9（补体级联反应的最后组分）到C5b-8复合物，形成完全活性的MAC。

图注：膜攻击复合体（MAC）形成流程图。补体激活后，后续的补体蛋白会次序的在微生物表面形成MAC，疯狂的“打孔”

C9是一种血清蛋白，在结合的C5b-8处聚合，形成由C5b-9复合物组成的质膜孔洞，包含C5b、C6、C7、C8和许多分子的C9。这些孔洞的外径大约为20纳米，内径为1到11纳米，高度大约为15纳米，它们形成的通道允许水和离子的自由移动。通道大小基于C5b-C9复合物中C9分子的数量而变化。单独的C9也可能形成管状复合物。水的进入导致渗透性肿胀和MAC沉积表面的细胞破裂。由聚合的C9形成的孔洞类似于穿孔素形成的膜孔，且在结构上与穿孔素同源。

图注：膜攻击复合体（MAC）图。

3、补体系统的免疫学功能

补体系统在先天免疫和适应性体液免疫中的主要功能是促进对微生物的吞噬作用，刺激炎症，并诱导这些微生物的裂解。此外，补体激活的产物有助于B淋巴细胞的激活和抗体的产生。吞噬作用、炎症和体液免疫的刺激都是通过补体蛋白的蛋白水解片段与各种细胞表面受体的结合介导的，而细胞裂解则是由MAC介导的。

3.1 补体介导的吞噬作用

激活补体的微生物被C3b、iC3b或C4b包裹，并通过这些蛋白与巨噬细胞和中性粒细胞上的特定受体结合而被吞噬。如前所述，补体的激活导致C3b和iC3b共价结合到细胞表面。C3b和iC3b凭借其特异性结合到中性粒细胞和巨噬细胞上的受体，作为吞噬促进因子。

图注：补体分子的受体及相关生物学作用

C3b和C4b（后者仅由经典途径产生）结合到CR1，而iC3b结合到CR3（Mac-1）和CR4。CR1本身在诱导C3b包裹的微生物的吞噬作用方面效率不高，但如果微生物被包裹，则其能力得到增强。由细胞因子IFN-γ激活的巨噬细胞也增强了CR1介导的吞噬作用。C3b和iC3b依赖的微生物吞噬作用是先天和适应性免疫对抗感染的主要防御机制。

图注：补体C3b介导的吞噬作用

补体介导吞噬的一个重要例子是机体对抗荚膜多糖细菌（如肺炎球菌和脑膜炎球菌）的防御。抗荚膜多糖的IgM抗体与细菌结合，通过经典途径激活补体，并在脾脏中引起细菌的吞噬清除。这也是为什么缺乏脾脏的个体（如，由于外伤性破裂后的外科移除或在自身免疫性溶血性贫血或血小板减少症患者中）易患播散性肺炎球菌和脑膜炎球菌败血症的原因。

3.2 补体刺激炎症反应的发生

补体水解产生的小片段C5a、C4a和C3a可以激活肥大细胞，中性粒细胞和内皮细胞，诱发急性炎症。

图注：补体片段诱导的验证反应

这三种片段与肥大细胞结合并诱导其脱颗粒，释放血管活性介质，如组胺。在中性粒细胞中，C5a刺激运动性、与内皮细胞的牢固粘附，并在高剂量下刺激呼吸爆发和活性氧种的产生。此外，C5a可能直接作用于血管内皮细胞，诱导血管通透性增加和P-选择素的表达，促进中性粒细胞的结合。C5a对肥大细胞、中性粒细胞和内皮细胞的这种组合作用有助于补体激活部位的炎症。C5a是促使肥大细胞脱颗粒最有力的介质，C3a的效力大约低20倍，C4a大约低2500倍。

中性粒细胞是人类先天免疫系统中数量最多的白细胞，也被称为非特异性免疫系统。它们在循环中代表着对侵入病原体的细胞防御的第一道防线。中性粒细胞是第一批被招募到感染和炎症部位的细胞，它们部署了强大的机制来消灭病原体。中性粒细胞对抗细菌和真菌病原体是先天免疫系统的重要组成部分，并参与炎症反应的发展。
Uncle in town，公众号：胖猫的生命医学札记中性粒细胞（Neutrophil）:残暴的免疫

3.3 补体介导的裂解

补体通过MAC介导来介导病原生物体的裂解。不过，大多数病原体已经进化出了厚厚的细胞壁或荚膜，这些结构可以阻碍了MAC对它们细胞膜的接近。补体介导的溶解似乎对那些无法抵抗MAC插入的少数病原体至关重要，例如具有非常薄细胞壁的奈瑟菌属细菌。

图注：补体介导的病原裂解示意图

3.4 补体介导的其他免疫学功能

通过与抗原-抗体复合物结合，补体蛋白促进这些复合物的溶解及其通过吞噬细胞的清除。如果免疫复合物在血液中积累，它们可能会沉积在血管壁中，并导致炎症反应，损害血管及周围组织。免疫复合物的形成需要Ig Fab区域的多价结合到抗原，还需要并列Ig分子的Fc区域的非共价相互作用。补体在Ig分子上的激活可以立体阻碍这些Fc-Fc相互作用，从而促进免疫复合物的溶解。此外，当如前所述，附着C3b的免疫复合物与红细胞上的CR1结合，这些复合物随后在肝脏中由吞噬细胞清除。

从C3产生的C3d蛋白质与B细胞上的CR2结合，促进B细胞激活和体液免疫反应的启动。当抗原激活补体时，无论是直接激活（例如，当抗原是微生物多糖时）还是在抗体结合后激活，都会产生C3d。补体激活导致C3b及其裂解产物C3d共价附着到抗原上。B淋巴细胞可以通过它们的Ig受体结合抗原，并通过CR2（B细胞上的共受体）同时结合附着的C3d，从而增强B淋巴细胞中抗原诱导的信号。

图注：C3b-CR2对B细胞激活通路的辅助作用。

被补体包裹的抗原也被淋巴器官生发中心的滤泡树突细胞（FDCs）结合。FDCs在生发中心向B细胞展示抗原，这个过程对于高亲和力B细胞的选择也非常重要。

4、补体激活的调节

补体级联的激活以及活性补体蛋白的稳定性在体内收到严格的调控，以防止在正常宿主细胞上激活补体，即使在微生物细胞和抗原-抗体复合物上补体激活的持续时间也是需要限制的。

补体的调节是通过几种循环和细胞膜蛋白（下表）介导的，这些蛋白多属于一个称为补体活性调节因子（RCA）的家族，并且由相邻位于染色体1号q3.2位置紧密聚集的同源基因编码。RCA蛋白包括细胞膜蛋白，衰减加速因子（DAF/CD55），膜辅助因子蛋白（MCP/CD46），补体受体1（CR1/CD35）和补体受体2（CR2/CD21）。循环血浆中的RCA蛋白包括因子H和C4结合蛋白（C4BP）。

不同的调节机制在补体激活的早期阶段抑制C3转化酶的形成，在后期阶段抑制C3和C5转化酶的分解和失活，并抑制膜攻击复合体（MAC）的形成。

C1r、C1s和MASP-2的蛋白水解活性被一种称为C1抑制剂（C1 INH）的血浆蛋白抑制。C1 INH是一种丝氨酸蛋白酶抑制剂（serpin），是C1r和C1s的底物类似物，竞争性的结合C1r2-C1s2，从而通过经典途径停止激活。通过这种方式，C1 INH防止了在血浆中酶活性C1r2-C1s2的积累，并限制了活性C1r2-C1s2可用于激活补体级联后续步骤的时间。同样地，通过失活MASP-2，C1 INH也减弱了凝集素途径。

图注：C1抑制剂（C1 INH）对C1蛋白的抑制作用。

RCA家族的调节蛋白通过结合到沉积C3和C5转化酶的组分来抑制补体反应。如果C3b沉积在正常哺乳动物细胞的表面，它可能会被几种膜蛋白结合，包括MCP（CD46）、CR1和DAF，以及血浆蛋白因子H。沉积在细胞表面的C4b同样被DAF、CR1、MCP以及另一种血浆蛋白C4BP结合。通过结合到C3b或C4b，这些蛋白竞争性地抑制C3转化酶的其他组分的结合，例如替代途径的Bb和经典途径的C2a，从而阻止补体级联的进一步发展。

图注：通过抑制C3（上）和C5（下）蛋白转化酶来抑制补体反应示意图

由C3a和C5a诱导的炎症通过血浆羧肽酶快速切割它们的C末端精氨酸残基来调节。这导致生成C3a去精氨酸和C5a去精氨酸，它们的活性只有这些蛋白质原生态形式的大约10%。

MAC（膜攻击复合体）的形成被一种称为CD59的膜蛋白抑制。CD59是一种在许多细胞类型上表达的GPI连接蛋白。它通过在C5b-8插入膜后将自己整合入正在组装的MAC中，从而抑制C9分子的后续添加。CD59存在于正常宿主细胞上，限制MAC的形成，但它不存在于微生物上。MAC的形成也被血浆蛋白质如S蛋白抑制，S蛋白通过结合到可溶性C5b,6,7复合物上并因此防止它们插入到补体级联启动地点附近的细胞膜中。

图注：CD59抑制MAC的形成