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手术刀式定点清除病毒的解决方案

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    开心
    2023-2-1 09:26
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    [LV.6]常住居民II

    发表于 2020-3-27 16:32:02 | 显示全部楼层 |阅读模式

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    品质源于技术 服务源于态度
    这是阿什卡微信公众号的第749篇原创文章
    首发于2020年3月21日


    硫酸可以杀死病菌,但喝硫酸消毒是愚蠢的。杀敌,是为了自己好好活,而不是陪敌人斗气,共赴黄泉。


    在体内杀灭病菌,比在自己的土地上杀敌还要小心百倍,因为家园破败可以重建,但身体受损很难复原。所以,干掉病菌的最高境界,永远是手术刀式的定点清除。


    而我——你的免疫系统,是定点清除的鼻祖。超过10亿年经验告诉我,定点清除的第一要义,是精准识别。对此,我无所不用其极。今天,主要聊两款高精尖武器。


    非特异免疫系统的左右护法杀招强,战线广,十项全能。但达芬奇只有一个,全能往往意味着泛而不精。


    非特异免疫系统的照妖镜——几个通用受体,可以开展两种模式的识别:


    病菌模式——正经细胞不带、而病菌那些妖艳贱货普遍携带的明显特征。


    危险模式——细胞受损信号。


    面对千变万化的病菌,左右护法区分敌我没问题,但精准识别微妙差别就力有不逮了。


    01.webp.jpg

    所以对付某些特别狡猾的敌人,就达不到“狠准稳快”的战略要求。这时候,就得请求系统技术支持了——在病菌脑门儿贴上各种标签:坏蛋、拆、精品美食……


    前面聊过,战事吃紧时,左右护法都会释放细胞因子。其中白细胞介素1、白细胞介素6和肿瘤坏死因子可以调高体温,也可以让肝脏往血液里释放一些蛋白(代表人物是C反应蛋白),引发急性炎症反应。这些蛋白可以激活一套高精尖武器——补体系统


    补体系统出场姿势有点刻意。


    它是一系列蛋白酶组装而成,座次像梁山好汉一样,依次排开。


    和平时期,它们按照座次,手脚被一根链子捆在一起,闭关装死,也就是没有活性。


    一旦大哥和病菌表面的特定分子结合,它就扭转身形,说一句“我们失去的只是锁链”,便一把扯断自身枷锁。大哥一激活,便立马回身砍断二哥的铁锁,二哥再激活三哥……


    说到这儿,你可能会想到机枪,第一颗子弹发射的后坐力,帮第二颗子弹上膛,并推动撞针击发之,以此类推,子子弹弹无穷匮也。


    补体系统设计比机枪更惊艳,它形成了一个串联放大式反应序列,在病菌表面产生了大量补体复合物。


    说白了就是给病菌贴上标签,告诉左右护法巨噬细胞和粒细胞:盘它,吃它,就是不能留着它。


    为了激励吞噬细胞,标签上可能还有:新品美食,免费品尝。


    这个给病菌打标签,加强吃货细胞吞噬能力的功能,叫做调理功能。


    除了调理功能,补体还有装甲爆破功能,在病菌表面形成破膜复合物,打个洞杀死它。


    接下来出场的是战略战术无人机,大名鼎鼎的定点清除利器——抗体


    给病菌贴标签,是抗体的拿手好戏之一。所以,补体的名字,本来是“补充抗体功能”的意思。


    补体的大哥不仅能被病菌表面分子激活,还能被结合了病菌的抗体激活。于是,补体、抗体、吞噬细胞之间,形成了一个铁三角:补体和抗体就像给吞噬细胞多装了两双眼睛;抗体可以激活补体;吞噬细胞又可以激活抗体。


    02.webp.jpg

    这哥仨,都可以识别病菌表面的分子,但在这个技术领域,抗体是一骑绝尘。


    吞噬细胞和补体是死脑筋,只能识别那些它们生来就能识别的分子,不认识的就是不认识,不会学习。所以,吞噬细胞和补体只能是常规兵种,老老实实地在非特异免疫部队服役。


    抗体就不一样了,它千变万化,能识别的分子不可计数。所以它隶属特种部队,是特异免疫的大杀器。


    这种无人机体积小,造价低,产量高,却功能强大,可以为任何敌人量身打造,一经投入使用,敌人莫不闻风丧胆。



    03.webp.jpg

    抗体的作战手法就是一个字:贴。当然是贴到病菌身上,打死也不下来。



    这一贴有两用:



    一种抗体是和病菌蛋白结合,废其武功,或者让它忘记自己是谁、在哪、干嘛的。比方说,一个病毒千辛万苦伪造了良民证,隆重地安置在专用手臂上举着,做着骗进细胞城取代老大的病菌梦,不料一个抗体啪叽一声,连臂带证糊了个满,甩又甩不脱,逃又逃不掉,只能等死。这种抗体叫“中和抗体”。



    另一种就是为吃货战友打标签,这貌似和补体没啥区别,但别忘了抗体是标签界的王者。你都能贴,也不如我贴得全、贴得精、贴得准,这是定点清除病菌的保障。



    我们先欣赏一下这款无人机的绝妙设计。抗体由蛋白质组装而成,丫长得有点像英文的Y:



    04.webp.jpg


    由图可见,两条长长的重链拼成Y形骨架,骨架的两条枝丫上,通过氨基酸之间形成的二硫键,各悬挂一条轻链,这就完成了抗体的基本结构。




    其中,下面的蓝色部分是固定区,约占3/4。



    其余1/4是可变区域,在两个枝丫尖端紫色部分。这部分安装不同的装备,就可以结合不同的抗原,对付不同的敌人。咱们把这个可变的装备叫“接头”好了。



    05.webp.jpg



    就像多功能扳手,同一个手柄,换上不同的套筒,就能对付不同型号的螺丝。



    巧妙的是,抗体结合抗原,也像套筒扳手一样,是结构互补——



    06.webp.jpg


    看抗原和接头的构型,很显然,图中的六个抗原,只有一个可以和这个抗体结合。



    原理虽然简单,但是,确保任何抗原来了我都能结合,却是个超级大难题。


    因为,病菌千变万化,抗原花样更是数不胜数,而且构型不断翻新,还不可预测。


    面对这个亿年难题,我采取了一个最笨的,也是最有效的办法:穷举法。说白了就是造出尽可能多的接头构型,让每个抗体都有一个不同的接头,用来结合不同的抗原。


    这样,虽然我不知道会遇到哪种抗原,但是我知道,只要拥有接头品类足够多的抗体,从概率上来说,总有一款适合它。


    这个基本策略说起来容易,但做起来很难:免疫识别的高度多样性如何实现?


    我们都知道生命的“中心法则”,即DNA转录形成RNA,RNA翻译形成蛋白质。基本原则是,一基因决定一蛋白。那么到底什么是基因?


    这里简单讲,基因就是一段可以编码蛋白质的DNA。


    当然,事情往往不那么简单。有时,一个基因是由好几段在染色体不同位置上的DNA拼凑而成的。这个过程叫做基因重组。



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    开心
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    [LV.6]常住居民II

     楼主| 发表于 2020-3-27 16:33:14 | 显示全部楼层


    基因重组之于细胞,就类似于大爆炸之于宇宙,自从细胞进化出这个功能,就一发不可收拾,把它玩儿得风生水起。


    一句话:基因重组构成了抗体多样性的基础。


    先说无人机的接头,也就是可变区的重链、轻链。


    它们的基因,都是由几个基因片段连接而成。妙处在于,每一个基因片段,都有几个乃至几十个不同的拷贝。


    比如重链可变区基因,由V、D和J三个基因片段连接而成,而它们又分别有65、27和6个拷贝。这意味着,区区三个片段的随机组合,形成的重链可变基因种类就可以达到:


    65×27×6=10530个


    这只是重链。与此同时,轻链可变区也是同理。


    而那个接头,是重链、轻链两个可变区混搭而成,不同轻重链的组合,让抗体的数量再上一层楼,形成百万数量级的不同抗体。


    另外,重组过程还会随机增减VDJ之间的连接区。这个过程进一步增加了抗体序列的变化量级。加上这个因素,抗体的款式就达到了惊人的百亿级别,也就是10的11次方 !


    这仍然没完。


    无人机的制造商B细胞,会给数量级飙升火上浇油。


    当B细胞被抗原激活,开始分裂增值的时候,其抗体DNA有很高突变率,产生大量的“点突变”,即一次突变,只改变一个核苷酸,从而达到对抗体序列的微调。这样一来,每个后代B细胞都产生稍微不同的抗体,进一步增加了抗体的多样性,并通过微调找到结合该抗原的最佳抗体。


    这一机制,是日本科学家利根川进搞清楚的,他以此斩获了1987年诺贝尔医学奖。


    07.webp.jpg


    抗体的主体结构,也就是机身长得都差不多,它百亿级的变化,主要是武器装备——对付抗原的接头。


    但无人机的机身也不是一模一样,它有五种。这五种机身,决定了抗体一共分五类。


    抗体的机身,也叫免疫球蛋白:immunoglobulin。缩写就是lg,不是LG。


    基本机型是lgM——所有抗体一生下来都是IgM。



    IgM:喜欢五个一起扎堆,形成很大的聚合物,所以很难穿过血管壁。它的主要功能是激活补体系统。


    形成迅速、血液富集、激活补体,这三个特点,使得它成为快速控制入侵血液病菌的重要武器。


    其余机型,都是lgM的亚型。



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    开心
    2023-2-1 09:26
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     楼主| 发表于 2020-3-27 16:33:52 | 显示全部楼层
    本帖最后由 刘萝卜锅 于 2020-4-2 12:38 编辑


    随着周围环境不同,机身开始转型,史称“亚型转换”。这个过程,需要特异免疫系统的另一大高手T细胞干预,不同的细胞因子背景和刺激信号,决定了抗体转成哪个机型。


    抗体的接头,主要对付抗原;而抗体的机身,则主要是服务免疫细胞用。


    机身可以和免疫细胞结合。不同免疫细胞,结合不同亚型抗体的受体,而抗体的结合,激活该免疫细胞。


    应用场景:


    病菌闯入,面对无限风光,拔剑四顾心茫然,这个剑就是抗原。


    抗体一看,可算来了个配套的,于是挥舞着接头,一头扎进病菌怀里,接头正好套住剑和持剑之手,这一扎,春风得意遇知音,桃花也含笑映祭台,屁股就撅在了外面,非常醒目诱人。


    识别此屁股的免疫细胞就邪魅一笑,上前一把抓住,要么一口吞下,要么子弹炮弹手榴弹地一阵狂轰滥炸……


    战斗总结:接头决定了结合哪个抗原,也就是抓住哪个病菌,而机身决定了这个抗原携带者的命运。


    我们欣赏一下其他四种机型。


    IgG:这是最有名的抗体,也是最长寿的抗体,随着免疫反应的进行,它存活的时间最长。它不扎堆,所以容易进入组织。Th1细胞刺激这种机型的形成。


    这款机型具有抗体的所有三个功能:


    一是调理作用。即给病菌打上标签,机身可以结合巨噬细胞和自然杀伤细胞,引导它们定点清除敌军。


    二是中和抗体。结合毒素或者病菌蛋白,减弱或废掉它们的武功。


    三是激活补体系统。摇人帮忙贴签打架。但它这方面的能力远远不及IgM。


    IgA:主要部署在细胞分泌液里,因此在上皮粘膜区很常见,比如肠道、呼吸道。它的调理功能很弱,主要是中和抗体,在免疫防御的第一线,废掉病菌和上皮细胞结合的武功。


    IgD:这个抗体和IgM一样,最早在B细胞上表达,功能一直很神秘,而揭秘工作正在进行中。


    IgE:这是一个给我们很多人惹麻烦的抗体,因为它主导过敏反应。这款机型在Th2细胞刺激下形成,它喜欢肥大细胞、噬酸性粒细胞和噬碱性粒细胞。


    这些细胞一旦和IgE抗体结合,就就会吐出一堆化学物质,其中最主要的一种叫做组织胺,这是过敏反应的第一推手。


    抗体之所以成为非特异免疫系统的主要杀器之一,是因为它不仅对新型病菌可以量身定制,指哪打哪,而且运用穷举法,解决了抗原千变万化的多样性问题。


    但问题也随之而来:多样性达到一定程度,可能会形成误伤友军的机型款式。


    如何既保证多样性,又保证不针对自身的内源物,从而避免误伤友军——自身免疫反应?这个难题,我们会在后面拆解。


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