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第一节 免疫组学概述  一、免疫组学的定义 利用组学技术研究免疫系统全套分子库和它们作用的靶分子及其功能的科学。免疫组学包括了免疫基因组学、免疫蛋白质组学和免疫信息学三方面的研究，特别强调在基因组学和蛋白质组学研究的基础上，充分利用生物信息学、生物芯片、系统生物学、结构生物学、高通量筛选等技术，大规模开展免疫系统和免疫应答分子机理研究，发现新免疫相关分子的功能，为全面系统了解免疫系统和免疫应答提供基础。蛋白质组学是一个旨在大规模、高通量、高效率地分离和鉴定构成生物体的蛋白质及其功能的新研究领域。免疫蛋白质组学随着蛋白质组学的出现也应运而生，为免疫学的快速发展发挥了重要作用。免疫组学重点研究免疫相关的全套分子、它们的作用靶分子及其功能。 免疫蛋白质组学将蛋白质组学技术、鉴定蛋白质的高通量性与免疫学技术鉴定免疫原的可靠性有机地结合起来，在病原微生物以及肿瘤免疫原和疫苗候选靶位的研究中有着重要应用，已经成为该研究领域中最具生命力的技术手段。免疫蛋白质组学的关键研究技术包括双向凝胶电泳 （2-DE）、多维液相层析 （MD-LC）、生物质谱技术 （MALDI-TOF/ESIMS）、蛋白质芯片、生物信息学以及蛋白质免疫印迹技术等。这些研究技术将随着蛋白质组学及免疫学的发展而不断地改进和完善，而且新发展的研究方法也将进一步完善免疫蛋白质组学的技术体系。 二、免疫基因组研究 （一）人类免疫相关新基因及其编码蛋白质的功能研究 目前，虽然基本完成人类基因序列的解析，但仍对大量的人类基因的功能一无所知；对多数已知基因的功能一知半解，大量的人类新基因和蛋白有待于我们发掘。在人类基因组内，目前我们能够根据功能识别的免疫相关分子的数量仍然不多。实际上，人类基因组中编码免疫相关的基因数量应该远大于这个数量，这有待于我们从基因组中发掘更多的免疫基因。我们面前的一个关键问题就是如何开展免疫相关功能基因的研究，这将进一步从分子水平了解免疫的生理和病理过程，有助于免疫相关疾病的发病机理研究，有助于发现疾病基因和抗病基因。在21世纪，我们已经不大可能克隆全新的人类基因，但是，我们完全有可能发现人类基因在免疫系统的新功能，在人类免疫相关功能基因组领域仍然有很多有待开掘的处女地，关键是要有创新的研究思路和众多新技术及传统技术的灵活运用，如生物信息学技术、生物芯片技术、转基因和基因敲除技术、酵母双杂交技术、基因表达谱系分析、蛋白质组学、结构基因组学技术、高通量细胞筛选技术等。这一领域的研究必须发挥多学科多领域实验室的相互协作，包括基础与临床的合作，以大科学模式开展研究，这样才能取得真正意义的重要科学成果。 （二）免疫相关疾病的致病基因和易感基因的鉴定 根据遗传特点免疫相关疾病包括单基因遗传病和多基因复杂性疾病。单基因遗传病是由单一的基因缺陷或突变导致病变，例如性联重症联合免疫缺陷（XSCID，IL-2Rγ基因缺陷）、性联无丙种球蛋白血症（XLA，BTK基因缺陷）、遗传性血管神经性水肿（CINH基因缺陷）等。随着人类基因组计划的完成，极大促进了单基因遗传病的研究，其技术包括全基因组扫描技术、定位克隆技术等均已经比较成熟，相对容易获得结果，其关键是有好的遗传疾病家系。目前，已由上千种单基因遗传病的致病基因已经被精确定位，因而这一领域竞争非常激烈。我国有丰富的疾病资源，特别是一些我国特有的单基因遗传病家系，可提供良好的基础发现新的致病基因，因而应重视单基因遗传病特别是免疫相关遗传病的研究，这对于研究免疫应答的分子机理具有重要的意义。 复杂性疾病是由于多种基因的变异加环境和生活习惯等因素的共同影响，使得每个人对不同的疾病的易感性不同，如自身免疫病、变态反应、肿瘤等在临床看到的绝大多数疾病属于复杂性疾病。此外，由病原微生物导致的感染性疾病如肝炎、艾滋病（ AIDS）等也往往与内因（人类基因）有关。在复杂性疾病的研究中，一个重要的指标是单核普酸多态性（SNPs），即不同个体间在基因水平的单核普酸变异。根据分析，无关个体间的基因中约有300万个单核普酸多态性。目前已经发现并基因定位的SNPs超过1千万。通过SNPs的研究，可以了解人类个体差异的分子基础，发现正常个体与疾病患者的基因变异，了解机体免疫功能不同的遗传基础和免疫相关疾病的发病机理，并为疾病的诊断及疾病易感性研究提供基础。 三、免疫蛋白质组学的技术体系 基于2-DE的免疫蛋白质组学的技术体系双向凝胶电泳：2-DE技术是第一种能将近千个蛋白质同时分离并清晰展示的实验技术，也是免疫蛋白质组学分析的关键技术之一。 基于2-DE的免疫蛋白质组学研究技术体系流程为：首先制备蛋白质样品，同时获得该样品的抗血清通过2-DE对蛋白质样品进行分离，经电转印将分离的蛋白质转到硝酸纤维素（NC）膜或聚氟乙烯 （PＶDF）膜等固相载体上；然后利用上述抗血清通过 Western印迹对分离的蛋白质进行免疫学检测，获得阳性反应点；从对应的2-DE胶上取阳性蛋白质点，经胶内酶切后进行质谱分析获得肽指纹图或肽序列标签，通过蛋白质数据库搜索对蛋白质进行鉴定。目前，基于2-DE的技术体系 （2-DE-West-ernblotting-MS）已成为免疫蛋白质组学分析的经典途径，大多数研究均利用该技术体系来完成。 基于多维液相层析的免疫蛋白质组学技术体系：Opiteck等于1997年首次运用多维液相层析 （MD-LC）结合质谱技术分析蛋白质混合物，从而开创了非凝胶电泳的免疫蛋白质组学研究技术。离子交换层析反相高效液相色谱 （RP-HPLC）、分子排阻层析和亲和层析等层析模式都可用来组合多维液相层析。目前，以一维离子交换层析与二维RP-HPLC相结合的模式最为常用。多维层析技术能弥补2-DE的一些技术缺陷，如能对低丰度疏水性及难溶性蛋白质进行分离分析，而且在分离蛋白质时，蛋白质样品可不经变性处理。此外，液相层析与质谱联用实现了蛋白质分离鉴定的自动化操作。多维液相层析技术因其分辨率高、应用范围广、自动化程度高等优势已成为免疫蛋白质组学研究的关键技术。多维层析技术以及近年出现的液相层析-毛细管电泳（LC-CE）和二维毛细管电泳（2D-CE）等新型分离技术，都有取代2D-CE在免疫蛋白质组学研究中的主导地位之势。 基于蛋白质芯片的免疫蛋白质组学技术体系：蛋白质芯片是高通量、微型化和自动化的蛋白质分析技术，也是免疫蛋白质组学研究相关技术中最具发展潜力的一种技术。Hess等于2005年提出了蛋白质芯片与质谱分析相结合的免疫蛋白质组学方法，该方法分为3个步骤：①抗体固定，将抗血清与抗原捕获转移试剂（ACTR）培育，通过抗体的Fc区与ACTR特异性作用而将抗体固定；②抗原捕获，将含抗原的样品与固定的抗体混合培育，固定的抗体通过与抗原相互作用，从而将抗原捕获；③将抗原-抗体复合体转移到蛋白质芯片上进行SELDI-TOF质谱分析，对捕获的抗原进行鉴定。 四、免疫信息学 随着人类基因和病原微生物基因的序列资料指数增长，面对海量的生物信息数据，只能应用计算机技术加以分析、处理、储存。过去很多需要大量实验的研究工作，现在只要鼠标操作即可获得宝贵资料。免疫信息学是生物信息学的分支学科，是计算机科学与免疫学相结合的交叉学科，重点是利用计算机技术开展免疫学的生物信息学分析和计算。对于免疫学家来说，在后基因组时代，必须要了解生物信息学和免疫信息学的基本技术，能够在网络数据库中查找、分析所需要的资料，开展免疫相关基因和蛋白质的结构域分析、同源序列检索、基因定位分析、SNP分析、表达谱分析、结构模建和功能预测、免疫系统数学模型建立、虚拟免疫细胞分析等，促进免疫学的科研水平。 第二节 免疫组学研究的应用
一、肿瘤免疫组学 肿瘤免疫组学主要是利用基因组学、转录组学及蛋白质组学等相关的高通量技术开展肿瘤抗原谱及免疫应答分子谱的研究，近年来，已有一些相关的工作发表，例如，利用SEREX技术筛选肿瘤病人的肿瘤抗原谱阅；利用蛋白质芯片建立肿瘤抗原及抗原表位谱等。Jongeneel等人建立了肿瘤免疫组的数据库，成为第一个全面反映肿瘤抗原谱和免疫应答谱的数据库（http： //www2. licr. org/CancerhnmunomeDB/）。这些研究将促进我们对肿瘤免疫机制的进一步研究，同时，利用类似的免疫组学技术，还可对自身免疫病、感染性疾病、变态反应等免疫相关疾病的抗原谱及免疫应答分子谱进行研究，为这些疾病的诊断、预防和治疗提供新分子靶标。 二、抗原组学 抗原组是指所有编码的病原生物的抗原蛋白阵列，鉴定病原生物的全部抗原上的抗体结合表位就是抗原组学。抗原组学是建立在基因组学和蛋白质组学基础上的新型领域，他正在成长为继基因组学和蛋白质组学的科学热点。利用基因组学可以预测疫苗的候选抗原，利用蛋白质组学可以筛选疫苗的候选抗原，利用抗原组学可以鉴定疫苗的候选抗原。抗原组是指病原体内所有抗原的总合，利用该技术多种细菌抗原已被确定。抗原组技术也应用于肿瘤相关抗原的筛选，寻找肿瘤相关抗原，建立肿瘤抗原组学的研究策略与技术方案。肿瘤抗原组是指肿瘤细胞内全部抗原（蛋白类抗原与非蛋白类抗原）的总合，肿瘤抗原组学是主要利用免疫学、抗原表位组学、抗体组学及多系统组学相关技术高通量有效筛选、发现肿瘤相关抗炎的一门新兴学科。 三、抗原表位组学 抗原表位组学概念是建立在基因组学和蛋白组学基础上又一新兴系统生物学及免疫学学科，它以大规模、高通量建立抗原表位库为特色，正成长为新的科学热点。当前针对传染性细菌等病原的疫苗研发也已从传统减毒或灭活的病原微生物发展到基因重组疫苗、亚单位疫苗、甚至表位疫苗，而绘制功能性表位图谱则是病原蛋白“表位组学”其中一项重要的内容。抗原表位分析对抗体人源化改造，抗体亲和力提高，抗体稳定性改造，发现新的功能表位，改变抗体特异性，设计新抗体，基于抗原一抗体相互作用的立体构型设计，新型功能分子改造抗体都很重要。对已确定功能的抗原表位，进行筛选或改造以得到高亲和力、高特异性的诊断及治疗用单抗；已发现的抗原表位，进一步确定其功能；针对未知抗原表位，结合蛋白质组学、生物信息学、系统生物学，利用计算机模拟等技术，以抗原库、抗原表位库和抗体库为基础，发现并确定抗原表位，对于阐明某些未知的发病机理、发现新的疫苗候选、研发新的抗体与抗体药物具重要意义。利用相关学科的最新成就，结合相关技术，建立抗原表位库及抗体库，高通量筛选抗原靶标及抗原表位，将大大加速药物靶标筛选及抗体组药物的研发进程，对诊断及治疗性新药的基础研究和研发都具有价值。 四、抗体组学 随着基因组及蛋白组研究的进一步发展，陆续提出了抗原表位组学、抗体组学等新概念，抗体组学是在基因组学和蛋白组学基础上，利用相关学科的最新研究成果，结合鼠、兔、人杂交瘤技术及基因工程抗体技术的一门新兴学科，涉及抗体靶标高通量筛选、建立大规模抗体库、大规模高通量筛选，优化应用于研究、诊断及治疗。抗体组药物是通过抗体组学相关技术筛选研发得到的抗体药物。与传统的抗体药物相比，抗体组药物以高通量、整体化、信息化和系统化为特点，这样一方面可以大大提高抗体药物的研发速度，缩短药物的研发周期，另一方面由于抗体组药物的筛选利用了基因芯片、蛋白芯片和组织芯片等高通量技术，减少了研发成本和风险，既可获得广谱的抗体药物，又可获得个性化的抗体药物。 |
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