抗体新功能的发现: 催化水的氧化作用

　　　　　　 作者：彭克军， 黄玉珊 王树人

【关键词】 抗体 单线态氧 过氧化氢 臭氧

　　经典免疫学理论认为， 抗体通过其Fab片段可变区与相应抗原特异结合， 通过调理、 中和、 ADCC及激活补体等机制发挥免疫效应， 清除病原微生物或引起机体病理性损伤。然而最近的研究发现抗体具有一种前所未知的新功能， 即所有的免疫球蛋白， 不论其来源或抗原特异性， 都能催化水的氧化反应产生过氧化氢（h3O2）和臭氧（O3）等活性氧分子， 因此在机体的免疫防御和病理过程中扮演一种新的重要角色。

　　1 抗体催化水的氧化途径的发现
　　
　　早在20世纪40年代， Pauling［1］就提出了抗体可能具有催化活性， 认为抗体的抗原结合位点以任意的方式产生， 那么这种结合位点应该和酶的活性相似， 因此抗体也可能具有酶的活性。直到1975年杂交瘤技术的问世和发展后， Pauling的这种假说陆续得到证实。自从1986年Tramontano及Pollack等［2， 3］介绍了抗体催化水解反应的作用后， 人们对抗体的特性又有了新的认识， 认为抗体不仅具有识别、 结合的能力， 而且还具有更复杂的化学特性。因此人们提出疑问， 抗体的这种催化作用是否就是其本身发挥正常免疫功能的一种机制。长久以来， 并没有充足的证据支持这种假说。
　　
　　Wentworth等［4］研究发现所有的抗体都能催化单线态氧（1O2）和水反应生成h3O2， 其反应形式为: x1O2 + h3O→h3O2 + (x-1) 3O2。这种抗体介导的过程并不依赖于其来源及抗原特异性， 均能通过1O2结合于抗体折叠部位内而激发。研究显示［5］抗体的这种催化作用具有显著的杀菌能力。当G-大肠埃希菌（Escherichia coli）暴露于1O2水溶液中时， 只能观察到微弱的杀菌效应， 但随着抗原特异性或非特异性抗体的加入， 95%的细菌被杀灭。这种杀菌活性似乎是抗体的一种普遍特性， 因为不管抗体的来源及其抗原特异性， 所有的免疫球蛋白均表现出这种活性。通过形态学观察， 这种氧化损伤明显增加了胞壁和浆膜对水的通透性， 并且胞壁上出现穿孔现象， 这种杀伤机制与吞噬细胞杀伤细菌时所观察到的形态学非常相似。进一步的定量研究发现， 通过抗体催化水的氧化杀灭50%的细菌， 其产生的h3O2水平， 明显低于对照组杀灭同样数量细菌所需要的h3O2的水平， 由此推断抗体催化水的氧化过程中可能产生其他的杀菌分子。Wentworth等［5］进一步研究证实在抗体催化水的氧化过程中产生了一种O3的化学信号。O3本身具有高度的杀菌活性， 而h3O2与O3的联合对细菌的毒性作用远远大于它们其中的任何一个［6］。因此可以认为抗体催化水的氧化途径产生的h3O2与O3在机体的免疫防御过程中具有重要意义， 表明抗体除了识别功能外， 其本身也具有清除外来病原微生物的作用。

　　2 抗体催化水的氧化途径的可能机制
　　
　　Wentworth等［7］推测， 抗体催化1O2和水的反应可能通过双氢三氧化物（h3O3）作为中间体而最后生成h3O2。抗体作为一种催化剂提供了一种特殊的分子环境， 促使h3O3向h3O2的转化。Xu等［8］通过量子化学方法研究并系统阐述了抗体催化水的氧化过程的可能途径， 从其复杂的途径可以看出， 抗体在催化h3O3向h3O2的转化过程中产生了O3等中间产物。
　　
　　研究表明［7］， 抗体介导的h3O2产生的效率远远高于其他非免疫球蛋白。除了抗体， 其他种类蛋白中仅仅T细胞受体（TCRαβ）表现出这种催化水产生h3O2的能力。由于TCRαβ的免疫球蛋白折叠区的结构域与抗体的结构相似， 暗示这种免疫球蛋白样结构基序在催化水的氧化途径中扮演着特殊作用。但又发现拥有这种结构基序不一定能催化产生h3O2。例如， β2微球蛋白虽然属于免疫球蛋白超家族一员， 但不能催化产生h3O2。Datta等［9］利用对接和分子动力学技术研究了各种蛋白的结构位点， 发现抗体中两个Greek key折叠结构域的交接面（IGKD）在催化1O2和水反应形成h3O3和h3O2中具有关键作用， 而这种结构仅存在于抗体和TCR中， β2微球蛋白则没有， 初步阐明了抗体催化水的氧化作用的内在原因。
　　
　　由于h3O2的生成速率在一定的氧气浓度中显示饱和状态， 而在一定范围内与抗体的浓度呈线性关系［4］， 因此抗体对1O2的还原作用可能与抗体内结合氧的位点有关。Zhu等［10］根据抗体结晶化实验研究证实， 抗体催化水的氧化途径的反应点位于抗体的可变区和恒定区交界面的区域， 而且在轻链163位点色氨酸残基（TrpL163）附近， 此时色氨酸的吲哚环已被氧化修饰。

　　3 抗体催化水的氧化作用在生物学中的意义
　　
　　传统的观点认为抗体在清除外来抗原中只起着辅助的作用， 然而抗体这种催化水的氧化作用的发现无疑赋予了抗体在防御外来病原微生物中一种新的功能。如果抗体介导水的氧化在机体内具有重要意义， 那么作为启动这种氧化过程的1O2在体内又如何产生呢？目前认为体内1O2的来源主要是激活的吞噬细胞， 包括单核细胞和中性粒细胞［11］。而且这些吞噬细胞表面均具有Fc受体， 能结合大量的免疫球蛋白。这些结合的免疫球蛋白除了介导调理作用外， 也为抗体催化水的氧化提供了可能性。Babior等［12］已报道包被有IgG的中性粒细胞激活后能产生O3的化学信号， 初步证明吞噬细胞可能参与了抗体催化的氧化作用。
　　
　　如果抗体催化水的氧化作用作为机体的一种重要免疫防御机制， 那么这种反应在体内又是如何被调节呢？考虑到人血清中免疫球蛋白的浓度在10 g/L以上， 抗体的这种催化水的氧化如果被任意激活， 会对机体产生广泛的损伤。但是， 正如以上所描述， 在正常情况下1O2只能由激活的吞噬细胞产生， 而体内吞噬细胞的激活又受到机体严格的控制。吞噬细胞通过胞吞作用或抗体的调理作用吞噬抗原后被激活而释放出1O2， 因而1O2的产生只局限于炎症部位。研究显示， 1O2具有较短的寿命（&<0.6 μs）和较短的扩散距离（≤0.07 μm）［13］， 因此1O2只能在抗原浸润部位附近发挥作用， 从而最大限度减少其对外周正常组织的损伤。
　　
　　除了考虑1O2的作用， 局部h3O2和O3是否会对外周正常组织产生损害作用呢？h3O2是一种稳定的分子， 可以远离炎症部位而对外周组织产生广泛的毒性作用。但是过氧化氢酶或谷胱甘肽过氧化物酶在体内广泛存在， 可以随时清除这些h3O2分子， 从而减少h3O2对外周组织的损伤。O3虽然是一种毒性很强的分子， 但也具有很短的寿命， 因而也不能远距离扩散。从以上可以看出， 在正常情况下， 无论是参与抗体催化水的氧化作用的1O2， 还是这种途径的氧化产物h3O2和O3， 对炎症部位的外周正常组织均不造成威胁。

　　4 抗体催化水的氧化作用可能参与了机体某些病理过程
　　
　　机体的许多疾病与氧化损伤存在密切的联系， 如自身免疫病、 动脉粥样硬化症、 衰老等。在某些病理情况下， 抗体催化水的氧化途径产生的活性氧分子也可能对机体造成不利的影响。Wentworth等［5］在Arthus反应模型中发现了O3的化学信号。Arthus反应是一种由免疫复合物沉积引起的炎症性疾病， 中性粒细胞的浸润和聚集为其主要特征。因此一些以免疫复合物病为特征的自身免疫性疾病如系统性红斑狼疮（SLE）、 类风湿性关节炎等的发病过程可能涉及到抗体这种催化水的氧化作用。
　　
　　动脉粥样硬化症（AS）被认为是一种慢性炎症性疾病， 其中脂质的氧化与损伤、 泡沫细胞的形成在AS的发生、 发展中是关键性的环节之一。最近的研究显示［14］， AS患者的粥样斑块被激活后产生一种O3的化学信号， 并且发现一种胆固醇的O3氧化产物5， 6secosterol， 而且体外实验显示这种O3氧化产物也可以激发泡沫细胞的形成以及诱导心肌细胞的凋亡［15］。因此可以推断， 抗体催化水的氧化作用可能参与了AS的发病机制。

　　
　　核黄素作为内源性光敏剂， 在光照下能产生1O2。Nieva等［16］最近研究发现， 免疫球蛋白能利用核黄素产生的1O2激活抗体催化水的氧化作用， 并且这种作用促进了核黄素光诱导的溶血效应。因此提示， 抗体催化水的氧化作用可能是核黄素光氧化导致红细胞破坏的因素之一。

　　5 结语
　　
　　抗体催化水的氧化作用可能是抗体介导的一种新的免疫防御机制， 该项功能的发现无疑丰富了我们对抗体清除外来病原微生物的认识。考虑到抗体的这种作用并不依赖于其抗原特异性和来源， 而且免疫球蛋白至少已经存在于5亿年前， 因此我们有理由推断这种功能可能是抗体在生物进化过程中最古老的一种机体防御形式， 而抗体其他的功能如激活补体、 调理等作用则可能是抗体继续进化过程中形成的更精致的补充。同时， 抗体的这种催化效应也提示其潜在的病理学意义。由于这种途径产生的化学产物如h3O2及O3等均可能参与炎症的扩展， 因此对机体内一些炎症性疾病可能产生影响， 从而为我们研究这些相关性疾病的发病机制及寻求新的拮抗点提供新的认识和方向。另外， 利用抗体这种催化功能为基础的免疫治疗也具有广阔的应用前景。例如， 通过抗体催化水的氧化可以促使尼古丁、 脱氧麻黄碱等精神类药物的分解［17］， 因而对控制药物滥用等方面具有深远意义。

参考文献

　　［1］ Pauling L. Nature of forces between large molecules of biological interest［J］. Nature， 1948， 161: 707-709.

　　［2］ Tramontano A， Janda KD， Lerner RA. Catalytic antibodies［J］. Science， 1986， 234: 1566-1570.

　　［3］ Pollack SJ， Jacobs JW， Schultz PG. Selective chemical catalysis by an antibody［J］. Science， 1986， 234: 1570-1573.

　　［4］ Wentworth AD， Jones LH， Wentworth PJr， et al. Antibodies have the intrinsic capacity to destroy antigens ［J］. Proc Natl Acad Sci USA， 2000， 97: 10930-10935.

　　［5］ Wentworth PJr， McDunn JE， Wentworth AD， et al. Evidence for antibodycatalyzed ozone formation in bacterial killing and inflammation［J］. Science， 2002， 298: 2195-2199.

　　［6］ Kuo CH， Zhong L， Zappi ME， et al. Kinetics and mechanism of the reaction between ozone and hydrogen peroxide in aqueous solutions［J］. Can J Chem Eng， 1999， 77: 473-482.

　　［7］ Wentworth PJr， Jones LH， Wentworth AD， et al. Antibody catalysis of the oxidation of water［J］. Science， 2001， 293: 1806-1811.

　　［8］ Xu X， Muller RP， Goddard Ⅲ WA. The gas phase reaction of singlet dioxygen with water: a watercatalyzed mechanism［J］. Proc Natl Acad Sci USA， 2002， 99: 3376-3381.

　　［9］ Datta D， Vaidehi N， Xu X， et al. Mechanism for antibody catalysis of the oxidation of water by singlet dioxygen［J］. Proc Natl Acad Sci USA， 2002， 99: 2636-2641.

　　［10］ Zhu XY， Wentworth PJr， Wentworth AD， et al. Probing the antibodycatalyzed wateroxidation pathway at atomic resolution［J］. Proc Natl Acad Sci USA， 2004， 101: 2247-2252.

　　［11］ Tatsuzawa H， Maruyama T， Hori K， et al. Singlet oxygen ((1) Delta(g)O(2)) as the principal oxidant in myeloperoxidasemediated bacterial killing in neutrophil phagosome［J］. Biochem Biophys Res Commun， 1999， 262: 647-650.

　　［12］ Babior BM， Takeuchi C， Ruedi J， et al. Investigating antibodycatalyzed ozone generation by human neutrophils［J］. Proc Natl Acad Sci USA， 2003， 100: 3031-3034.

　　［13］ Moan J. On the diffusion length of singlet oxygen in cells and tissues［J］. J Photochem Photobiol B， 1990， 6: 343-347.

　　［14］ Wentworth PJr， Nieva J， Takeuchi C， et al. Evidence for ozone formation in human atherosclerotic arteries［J］. Science， 2003， 302:1053-1056.

　　［15］ Sathishkumar K， Haque M， Perumal TE， et al. A major ozonation product of cholesterol， 3betahydroxy5oxo5，6secocholestan6al， induces apoptosis in H9c2 cardiomyoblasts［J］. FEBS Lett， 2005， 579: 6444-6450.

　　［16］ Nieva J， Kerwin L， Wentworth AD， et al. Immunoglobulins can utilize riboflavin (Vitamin B2) to activate the antibodycatalyzed water oxidation pathway［J］. Immunol Lett， 2006， 103: 33-38.

　　［17］ Xu Y， Hixon MS， Yamamoto N， et al. Antibodycatalyzed anaerobic destruction of methamphetamine［J］. Proc Natl Acad Sci USA， 2007， 104: 3681-3686.文章编号: 1007-8738(2008)06-0651-03