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变形

了解自身免疫疾病狼疮如何导致免疫系统攻击 DNA,以及抗体在此过程中的作用。

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在狼疮中,免疫系统对身体的攻击始于一个简单的分子行为:一种抗体将 DNA 扭曲成它可以抓住的形状。

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免疫系统是判断何物对身体有害、何物无害,何物为自身、何物为非自身(self and not-self)的最终仲裁者。但当这种判断失误时,就会爆发一场名为自身免疫疾病的生物内战。也许最臭名昭著的自身免疫疾病是系统性红斑狼疮,它困扰着数万名美国人(其中 90% 是女性),有时是致命的。在狼疮中,身体莫名其妙地开始攻击自身的 DNA,引发一连串反应,导致皮肤、肾脏和其他器官的结缔组织发炎。

现在,密歇根大学的研究人员认为他们已经发现了这个破坏链中的一个早期环节:免疫系统首次捕获并制服它视为敌人的物质的方式。

在正常的免疫反应中,身体会检测到入侵细菌或病毒膜上显示的某种外来蛋白质或碳水化合物——抗原。然后,它开始大量产生 Y 形蛋白质,称为抗体,这些抗体附着在入侵者身上,将其标记为待摧毁。但在狼疮中,由于原因不明,身体突然开始产生抗体来攻击血液中漂浮的无害 DNA 片段(其中一些是从死细胞释放出来的)。然后,抗体-DNA 复合物会粘附在肾壁上,引发对该组织区域的全面免疫攻击。

研究人员尚未弄清楚的一件事是,抗体如何能够抓住 DNA,因为 DNA 与它们通常的目标非常不同。密歇根大学的化学家 Gary Glick 认为他可能找到了答案——一种称为诱导拟合(induced fit)的现象,当一个分子实际上改变了另一个分子的形状,以便它们能更紧密地结合在一起时发生。Glick 解释说,这就像你在尝试将一个圆形的钉子插入一个方形的孔中,而你实际上可以改变孔的形状,让钉子更好地匹配。

为了弄清楚狼疮抗体是否可能改变 DNA 的形状,Glick 和他的同事们研究了一种称为发夹(hairpin)的 DNA 结构。发夹是一种单链 DNA,它向自身折叠,使互补核苷酸对——DNA 的构件——相互接触。互补核苷酸相互结合,将单链扭曲成熟悉的双螺旋结构——除了末端,那里有一个未配对核苷酸的单链环。

Glick 的团队合成了两种发夹:一种是天然类型的,另一种是在其中,通常连接双螺旋两条链的弱氢键被更强的二硫键(一种通常只在蛋白质中发现的键)所增强。然后,研究人员从患有狼疮倾向的小鼠中提取了抗 DNA 抗体,将它们施加到两种发夹上,并观察发生了什么。

正如 Glick 预期的那样,抗体与天然 DNA 结合得很好——但与强化的部分则不行。换句话说,它只能牢牢抓住它能使其变形的东西。Glick 解释说,我们的小二硫键锁阻止了 DNA 改变其结构。这表明抗体分子在接触或粘附到 DNA 之后,会极大地改变 DNA 分子的形状,以获得更好的匹配。

他接着说,抗体最初会结合到发夹单链的部分,然后开始解开双螺旋。但它不仅在解开它,它还在断裂双螺旋,断裂氢键。Glick 说,氢键非常弱,只需要抗体在牢固附着于单链环时稍微推拉一下就可以断裂。

发夹并不是血液中漂浮的唯一一种 DNA。还有其他类型——例如,中心有一个未解开 DNA 气泡的普通双螺旋——在狼疮中,它们也可能受到其他抗体的攻击。但 Glick 怀疑他的诱导拟合机制在这些攻击中的大多数(如果不是全部)中起作用。他说,如果研究人员能够弄清楚抗体如何抓住 DNA 的所有细节,他们也许就能找到一种方法来松开它——或者阻止抗体首先抓住它。Glick 说,这就是为什么我们现在正试图生成这个抗体-DNA 复合物的真实三维图像。如果你能精确地找到抗体在 DNA 上的结合位置,你或许就能设计和合成阻断它的药物。

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