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Charlotte S. Kaetzel, Jiri Mesteky, 和 Jenny M. Woof 早期在胃肠道的外部分泌物中以及随后在乳汁、唾液、眼泪、呼吸道和生殖道分泌物和尿液中发现的抗体，激发了对其结构、功能和免疫后诱导的广泛研究。不同于血浆，外分泌液含有独特结构和功能特性的较低水平抗体、它们有显著不同的免疫球蛋白（Ig）同种型（isotype）分布。在眼泪、鼻分泌液、唾液、乳汁和肠液中，Ig的主要同种型是IgA，主要以分泌型IgA （SIgA）的形式存在(表11.1)。相反，IgG主要存在于女性和男性的下呼吸道和泌尿生殖系统的分泌物中。不同外分泌液的免疫球蛋白水平不同，反映了Ig的主要来源(局部产生或来自血浆)。此外，在相同的分泌中，Ig的水平也存在明显的差异，这与收集方法、样品的处理、参与Ig转运的上皮细胞相关受体表达以及影响（朝不同同种型）Ig类转换的不同调节机制有关。粘膜分泌物的Ig含量还受激素（如女性生殖道月经周期期间）、营养状况、个体年龄、感染和炎症引起的粘膜屏障损伤，以及其他因素（包括宿主组织与在粘膜表面定植的微生物群的相互作用）的影响。
一、分泌型免疫球蛋白的特征 在外分泌液中，Ig的所有同种型都存在，尽管浓度明显不同。因此，所有的Ig同种型都可以被认为是分泌的，因为它们进入内腔很大程度上取决于主动转运机制穿过上皮细胞。在健康状况下，Ig的细胞间运动微不足道，因为抗体太大，不能被动扩散到腔内。而当炎症时，屏障功能破坏了，诸如血清IgG和白蛋白等大分子都能在全部覆盖上皮细胞的内腔检测到。 11.1 外分泌液中的Ig同种型的相对分布和分子形态与血浆中有显著差异 所有同种型免疫球蛋白均存在于外分泌液中；但与血浆相比，其相对分布和分子形态有显著差异。 IgA在血浆中以单体（两条重链α链和两条轻链 κ或λ链组成的四链）形式存在（图11.1a-d）。只有一小部分（大约1%-5%）血浆IgA是多聚体，即由二到四个单体的聚合形式组成，它们通过二硫键在IgA单体的α链和另一条连接（J）链之间进行共价连接（图11.1e）。在典型的外分泌液（如肠液、乳汁、眼泪和唾液）中，IgA的主要形式是SIgA，它由2或4个IgA分子单体，一个J链分子，以及一个额外的糖蛋白（分泌片）组成，分泌片在含有J链的pIgA通过上皮细胞的受体介导转运过程中获得（见下文）。二聚体(两个IgA单体分子)与四聚体（四个单体分子）的比例，在唾液和乳汁的SIgA中约为3:2。分泌型IgA的结构如图11.1f所示。 在外分泌液（特别是胆汁、男女生殖道分泌物和尿液）中，IgA的小部分可变分量以单体IgA和缺乏分泌片的pIgA出现。对SIgA、pIgA和单体IgA的结构研究已经揭示了这些分子的大小和形状，如图11.1所示。
许多物种只有单一的IgA基因。然而，人类和大多数类人猿有两个IgA亚类（IgA1和IgA2），由两个不同的恒定区域基因编码。IgA1和IgA2在α1和α2 H链上表现出特征结构差异，并表现出不同的生物活性（图11.1和11.2）。在血浆中，大约84%的分子属于IgA1亚类，大约16%属于IgA2亚类。外分泌液中IgA亚类的比例呈特征性分布，如鼻液中以IgA1为主，而大肠液中IgA2的含量多于IgA1（见图11.2）。
除了各种分子形式的IgA外，外分泌液还含有IgG、IgM以及微量的IgD和IgE，具体取决于检查的分泌液。 IgM以分泌形式（SIgM）出现，其分泌片是在多聚Ig受体（pIgR）介导的跨上皮转运过程中获得的，pIgA和IgM都有这种分泌片（见下文）。然而，SIgM的水平显著低于SIgA；除非是选择性IgA缺陷的个体，在这些个人中，SIgM可以替代缺乏的SIgA并补偿并其功能。IgG和IgA的水平和相对比例在不同分泌液中有所不同，在小肠和结肠的远端肠液、乳汁、眼泪和唾液中IgG水平较低，但在月经周期的不同阶段收集的尿液、精液和宫颈阴道分泌物中IgG的明显多于IgA。IgG单体通过新生儿Fc受体（FcRn）主动转运到外分泌液中，也可以在上皮屏障受损后沿细胞扩散。IgE通过FcεRII （CD23）跨粘膜上皮细胞转运，在唾液、呼吸道和肠道分泌物中检测到极低浓度的IgE。然而，它可能参与寄生虫感染的免疫防御和过敏个体的局部1型超敏反应，在这些情况下可以达到非常高的水平。 在母乳中发现了低水平的IgD，但具体的转运机制尚未明了。 11.2 不同物种间黏膜免疫球蛋白的不同分布 不同脊椎动物在这种（免疫球蛋白）同种型（其水平和分子形态）存在显著差异，因此，在实验设计及其解释，以及它们与人类黏膜免疫系统的相关性时，必须考虑这些差异。普通的实验动物，如小鼠和大鼠，只有一种在结构上类似于人类IgA2的单一IgA同种型（因为它缺少一个可以被细菌IgA1蛋白酶切割的铰链区——见后），而且在它们的血浆中几乎所有的IgA都是以聚合形式存在的。相比之下，兔子的基因组编码超过13个IgA亚类，但只编码一个IgG类。诸如啮齿动物、猪、牛、马、绵羊和山羊等物种的初乳和乳汁中所含的IgG为主要的同种型。这些物种的乳腺上皮细胞表达FcRn，它介导IgG从循环转运到初乳和乳汁。乳汁中存在的IgG对（婴儿的）生存具有巨大的功能意义。与人类和许多其他物种不同，在啮齿类动物、猪、牛和马中，产前不会有显著水平的IgG通过胎盘转运，因此，这些物种的新生儿在其循环中缺乏母体获得的IgG。因此，如果没有初乳和牛奶，它们会在几天内死于常见的环境微生物感染。母乳的摄入和选择性的受体介导的IgG从肠腔转移到新生儿的循环中是其生存的必要条件。IgG通过极化上皮细胞的腔-血运输是由FcRn通过穿胞作用（transcytosis）完成的。在啮齿类动物（小鼠和大鼠）的新生儿期，肠腔是高酸性的，FcRn在肠上皮细胞中表达极高水平。正如后面所讨论的，这些酸性条件非常适合FcRn介导的IgG摄取，以及穿过单纯极化上皮从上端到基底方向的矢量转运（vectoral transport）。在断奶时（大约出生后2周），FcRn表达下调近1000倍。在啮齿类动物和其他动物中，FcRn这种发育调节的功能性表达导致了这种IgG受体被命名为初生儿（受体）。然而，正如后面讨论的那样，该受体的表达并不局限于新生儿或粘膜上皮，因此，活跃的低水平转运可以贯穿整个生命周期，如在人类、非人灵长类动物、猪和可能的其他动物中看到的。 IgM具有促进黏膜防御的作用，存在于所有脊椎动物中，除了原始的无颌类（Agnathans）。IgD的进化前体存在于软骨和硬骨鱼类中，在除鸟类外的所有高等脊椎动物中都发现了与哺乳动物IgD的真正同源物。在脊椎动物进化过程中，其他粘膜Ig同种型已经独立出现，包括硬骨鱼类的IgT和两栖动物的IgX。IgY同种型存在于两栖动物、爬行动物和鸟类中，与哺乳动物的IgG和IgE都有同源性，哺乳动物的IgA也存在于鳄鱼（短吻鳄和鳄鱼）和鸟类的黏膜分泌物中。 11.3 黏膜IgA的生物合成不同于循环IgA 在人类和其他几个物种中，IgA的产量（约66 mg/ kg体重/天）远远超过其合成的所有其他免疫球蛋白同种型的总和。这反映了在黏膜分泌液中的分布和明显不同的分解代谢机制。与IgG相比，IgA的血清浓度较低是由于为黏膜和全身池产生的IgA分布的结果：大约三分之二的IgA主要以其聚合形式在黏膜组织，特别是肠道产生，并有选择地转运到外分泌液，大约三分之一的IgA单体在骨髓、淋巴结和脾脏中产生并进入循环。此外，IgA在循环中的半衰期比IgG短得多（IgA大约需要5-6天，而人类IgG大约需要20-25天），这是因为分解代谢主要发生在肝脏，肝细胞表达的唾液糖蛋白受体在IgA结合中起主导作用。事实上，IgG是寿命最长的血清蛋白，因为它可以保护内皮和造血系统（主要是单核细胞、树突状细胞、B细胞和巨噬细胞），通过胞饮作用使IgG在溶酶体中不降解。黏膜组织中淋巴母细胞和浆细胞的数量也超过骨髓、脾脏和淋巴结中的细胞数量，并呈现出典型的Ig同种型分布（见第1章）。 在骨髓中，IgA几乎完全以单体的形式产生，以产生IgA1的细胞为主。在淋巴结和脾脏中，存在产生少量pIgA的细胞。α和L （κ或λ）链在多核糖体上产生，并通过几种可能的路径组装成单体IgA分子。α链的糖基化是由N-乙酰葡萄糖胺（GlcNAc）附着在多核糖体上开始，在高尔基体上继续，并在细胞内通过高尔基体（内质网）到达细胞表面分泌前终止。在生产pIgA的细胞中，J链与单体IgA分子络合生成IgA二聚体或更高的分子形态。现在还不能确定是否J链引发或终止Ig的聚合反应，pIgA和IgM分子可在没有J链的情况下组装。J链的加入和聚合物的生成似乎是在分泌前不久发生的最后一步。在产生pIgA的细胞中，绝大多数的胞内IgA以单体IgA和IgA半分子的形式存在。然而，J链与pIgA的结合对于随后pIgA与上皮pIgR的结合至关重要（见下文）。因此，在黏膜组织中几乎所有产生pIgA的细胞胞内J链均为阳性，而在骨髓中均为阴性。分泌片，即裂解的pIgR胞外结构域，在经上皮运输后仍然附着在含有J链的pIgA上，形成SIgA复合物（见下文）。因此，SIgA是两种结构和功能不同的细胞类型的终端产物：浆细胞产生带有J链的pIgA，上皮细胞产生分泌片。一些发现提供了这个系统的相对独立和IgA系统的粘膜分隔（mucosal compartments）的证据。在出生后的第一年，外分泌液中的SIgA水平达到成人水平，而血浆中的IgA水平要在青春期达到成人水平。产生IgA1和IgA2的细胞在黏膜组织中的分布与这两个亚类在对应外分泌液中的分布平行。用微生物抗原进行粘膜（尤其是口服）免疫，可诱导外分泌液中的SIgA反应，但血浆中的IgA反应水平较低。反之，用抗原（例如，细菌多糖疫苗）进行全身免疫，可在血浆中诱导出最初的明显IgA反应，却不会在外分泌液中诱导出相似强度的反应。最后，静脉注射放射性标记的pIgA或（IgA骨髓瘤患者的血浆高水平的）pIgA骨髓瘤蛋白，并不能导致外分泌液中有效地出现IgA。后一点相当重要，因为它表明对某抗原（例如，人类免疫缺陷病毒-1[HIV-1]或流感病毒）特异性的pIgA，通过全身途径给予不太可能导致外分泌液中的SIgA水平升高。 11.4 IgA存在两个亚类：IgA1和IgA2 如前所述，结构和遗传学研究表明，IgA在人类和原始灵长类动物中分为两个亚类。人类和其他物种IgA的比较结构表明，IgA2是系统发育较早的形式，而IgA1是通过插入编码IgA1铰链区的基因片段产生的。除了13个氨基酸残基的IgA1铰链区外，α1和α2 的H链的结构差异很小。此外，IgA1和IgA2在糖苷键的数量、组成和类型以及聚糖侧链的附着位点上也存在差异（见图11.1）。不同体液中IgA1和IgA2的比例反映了相应组织中产生IgA1和IgA2的细胞的分布。此外，有关不同类型抗原对其IgA亚类的抗体反应的研究显示了显著的差异。例如，针对流感病毒、HIV-1、或常见食物蛋白抗原的抗体主要与IgA1亚型相关，而针对细菌多糖，脂多糖(LPS)和脂磷壁酸抗原的抗体主要存在于IgA2亚类。 与IgA2相比，IgA1更长的铰链导致VH和VL结构域配对形成的抗原结合位点之间的距离更大。因此，IgA1单体具有与相隔较远的抗原结合的二价性，这可能在对某些抗原的高亲和力识别方面比IgA2和其他Ig同型有优势。反过来，亲和力的增加可能导致IgA1在抗原表面更久，提供了更多的触发（消除识别的抗原靶点的）效应功能的机会。IgA1和IgA2在功能上的其他差异包括它们对某些细菌蛋白酶的敏感性（见后文），由IgA相关聚糖介导的细菌粘附抑制，以及与其他蛋白（如纤维连接蛋白、乳铁蛋白和多种酶）结合并与凝集素相互作用的能力。IgA1分子的结构畸变（改变糖聚糖部分或聚集）可能导致IgA从非补体激活的Ig转化为补体激活剂（凝集素和替代途径），并形成致病性免疫复合物，如在称为IgA肾病的常见肾小球肾炎中所见（见第32章）。 11.5 IgA的严重糖基化具有重要的功能影响 对IgA相关聚糖的分析表明，总分子质量的6%-10%是由N-和O-连接的侧链贡献的，它们在数量和组成上显示出显著的异质性(见图11.1c和d)。最显著的差异是在由N -乙酰半乳糖胺(GalNAc)、半乳糖(Gal)和唾液酸组成的IgA1铰链区存在3 ~ 5个短O-连接聚糖。由于在J链上尤其是分泌片上存在聚糖，SIgA的总聚糖含量甚至高于血清单体IgA，其中N链聚糖含量尤其丰富（约占总分子质量的22%）。聚糖似乎在IgA分解代谢、激活补体凝集素途径以及与细菌结合从而抑制其与上皮细胞的粘附中发挥重要作用(见下文)。 11.6 J链是将单体IgA连接在一起形成聚合物IgA的一种独特蛋白 人类的J链基因位于4号染色体上。它编码一个15~16kDa的多肽，与任何其他已知的蛋白无关。J链富含酸性氨基酸，含有8个Cys残基，其中6个形成保守的链内二硫键。J链序列在广范围物种 （从哺乳动物、鸟类、爬行动物到两栖动物和鱼类）间高度保守（约70%）。 J链在B细胞谱系的淋巴细胞（原B细胞和前B细胞）分化早期产生。 虽然详细的三维结构还有待研究，但已经提出了许多J链构象的模型。这些结构包括含有N端β-片层和C端α-螺旋段的双结构域、类似于Ig VL结构域β-折叠桶结构的单结构域，以及含有N端β-折叠桶结构和C端结构域同时含有α-螺旋和β-链（考虑到二硫键配对排列）的双结构域替代模型。 早期的电子显微照片显示二聚体IgA具有双Y形。这些尺寸与两个IgA单体通过Fc区域尖端连接的排列方式一致，沉降和粘度实验以及最近的诱变和分子建模研究都支持这种插入J链的单体“端到端”排列方式（见图11.1e）。将两个IgA单体的尾部区域与J链连接起来的二硫化物桥稳定了这种排列。在α H链的c端，每一个尾部都是由18个氨基酸组成的高度保守的一段，其倒数第二残基为半胱氨酸。每个IgA单体中的其中一个半胱氨酸与J链中未参与链内二硫键的两个Cys残基中的一个（Cys14和Cys68）形成二硫桥。IgA尾部和J链上的N-链接糖似乎都影响二聚体的形成，而结构域IgA Fc似乎也在决定二聚化效率中发挥一些作用。事实上，一些J链表位还没有在多聚IgA上辨认出，这表明部分Fc可能部分遮蔽J链。然而，J链很容易通过链间二硫键的裂解而从多聚IgA中释放出来，这表明J链与多聚IgAFc区域之间存在的非共价相互作用比较弱。J链也可由表达IgM、IgD和IgG的粘膜浆细胞产生，并通过二硫键连接到其中的两个多聚IgM中的重链。但由于γ和δ重链中缺少倒数第二的Cys残基，J链不能与IgG或IgD形成二硫键。 二、分泌型免疫球蛋白的上皮穿胞作用（epithelial transcytosis） 单层柱状上皮细胞形成粘膜和外分泌腺的衬里，通过紧密连接和其他屏障结构连接在一起，阻止大部分溶质的细胞旁运输，特别是像免疫球蛋白那样的巨大多亚基蛋白复合体(见第5章)。因此，局部合成的多聚IgA和IgM以及单体IgG和IgE被特殊的受体通过粘膜上皮细胞主动运输到外部分泌液中。多聚IgA和IgM的受体在内腔表面被切割，其胞外区域成为SIgA或SIgM复合物的功能部分。IgG和IgE受体介导穿过黏膜上皮的多轮Ig双向转运（即双向穿胞作用）。 11.7 多聚免疫球蛋白受体将多聚IgA和IgM传递到黏膜分泌液中 多聚免疫球蛋白（pIgA和pIgM）在粘膜上皮细胞间的转运是由一种称为多聚免疫球蛋白受体（pIgR；图11.3）的跨膜糖蛋白介导的。pIgR结合于多聚免疫球蛋白抗体的Fc区，因此可以归类为Fc受体的一种类型。 pIgR编码的单基因，位于人和小鼠的1号染色体上，首先出现在硬骨鱼类中，并存在于所有高等脊椎动物中。pIgR对于SIgA的上皮穿胞作用的必要性可通过pIgR缺陷小鼠证明，研究发现这种小鼠外分泌物中的IgA明显减少，而血清中IgA水平升高。pIgR介导的抗体运输量在肠道中是最大的，导致SIgA平均每天大约3克进入成人肠液。由于产生IgA的浆细胞的丰富程度远远大于SIgM，因此只有较少量SIgM被运输到肠道分泌液中，虽然SIgM可以部分弥补IgA缺乏者的SIgA减少。pIgR是在粗面内质网中合成的完整膜蛋白，在高尔基体中进一步修饰，包括广泛的N-连接糖基化。在跨高尔基体网络中，pIgR被分装成小泡，将其运送到上皮细胞的基底外侧表面，在那里它结合（上皮固有层中浆细胞分泌的）pIgA和pIgM。无论是否与pIg结合，pIgR都被内吞，并通过一系列有序小泡传递到上皮细胞的顶端（内腔）膜。在胞转细胞过程中，pIgR和二聚IgA的两个亚单位之一间形成二硫键，导致受体和抗体之间的永久联合。一旦pIgR复合物到达顶端质膜，pIgR的胞外结构域被蛋白裂解形成可溶性分泌片。未结合的pIgR裂解导致游离分泌片的释放，而结合pIgA或pIgM的pIgR裂解导致SIgA或SIgM的释放。许多外分泌液（如初乳）含有大量游离分泌片，它们通过抑制某些微生物的结合和调节促炎因子的活性来促进黏膜内稳态。人类分泌片的7个N-聚糖链具有独特的结构，高度岩藻糖基化和唾液酸化，类似于抗菌乳铁蛋白。这些N-聚糖结合多种宿主、病原体和环境释放的具有凝集素样活性的物质。碳水化合物介导的肠黏蛋白与分泌片的结合将游离分泌片、SIgA和SIgM锚定在上皮细胞上的粘液层，从而形成对抗感染的免疫屏障。分泌片也通过抑制微生物蛋白酶进入脆弱的IgA铰链区来稳定SIgA（见后文）。
在一些动物中，如啮齿动物和兔子，SIgA也可以通过肝胆途径进入肠道分泌物。与人类不同，在这些物种中，大多数循环的IgA是聚合的，而不是单体的。大部分的pIgA似乎来源于肠固有层的浆细胞，在那里pIgA没有通过肠上皮细胞运输（经门静脉）进入血液循环。在肝脏中，肝细胞窦状表面的pIgR与pIgA结合并运输到胆管，类似于黏膜上皮细胞的顶端表面。pIgR的蛋白水解裂解导致SIgA释放到胆汁中，胆汁流入近端小肠。由于这些物种的pIgR不与pIgM结合，该同种型抗体（后者）不从血液运输到胆汁（仍留在循环中）。人类和其他灵长类动物已经进化出一种独特的将分泌性抗体运输到胆汁的途径。在这些物种中，pIgR由胆管上皮细胞表达，而不是由肝实质肝细胞（parenchymal hepatocytes）表达。胆管上皮下固有层的浆细胞分泌pIgA（以及较小程度上的IgM），然后通过pIgR介导的上皮细胞穿胞作用进入胆汁。 pIg- pIgR胞转途径的某些独特特性有助于分泌抗体的免疫功能（见图11.6）。在运输过程中，含有pIg-pIgR复合物的胞内小泡可与从上皮细胞顶端表面内化的内吞小泡融合。这种细胞内共存（intracellular colocalization）提供了抗体介导的胞内中和内吞微生物和抗原。pIgR的另一个重要特性是它能够将结合了抗原或整个微生物的pIgA或pIgM从固有层运输到粘膜上皮细胞的腔表面。pIgR结合和运输巨大的pIgA免疫复合物的能力表明，与抗原交联的Fab片段并没有明显改变pIgR与pIgA的Fcα-J链段的结合。因此，黏膜内局部产生的pIgA抗体可以捕获和排泄来自环境、饮食、共生菌群或感染微生物的抗原。 11.8 黏膜上皮细胞pIgR的表达受微生物因子和宿主因子的调控 由于在每一轮SIgA或SIgM转运过程中，膜结合的pIgR被蛋白酶水解为可溶性分泌片，因此pIgR的上皮表达必须维持在高水平，以支持向外分泌液输送粘膜抗体的需求。pIgR的单肽链由人类和小鼠1号染色体上的pIgR基因编码。pIgR在上皮细胞中的表达受多种微生物和宿主因子的调控（表11.2）。在肠道中，共生菌群与宿主细胞之间的交互作用对维持pIgR的表达至关重要。对于人类和小鼠，pIgR在结肠中的表达比的小肠高8 - 10倍，这与结肠中细菌含量要高得多是一致的。无菌小鼠肠道淋巴组织发育不全（见第19章），肠道上皮细胞中pIgR的表达也低于正常水平。在无菌小鼠体内定植多形拟杆菌（正常小鼠和人类肠道的重要共生体）可恢复pIgR的表达。pIgR的表达受微生物及其产物对肠上皮细胞的直接影响，也受微生物刺激产生的宿主因子的间接影响。 肠杆菌科细菌（包括共生体和病原体）释放的LPS通过LPS的固有受体toll样受体4 （TLR4）和转录因子核因子κB （NF-κB）激活启动的信号通路上调PIGR基因的转录。 上皮细胞中TLR接头蛋白MyD88选择性缺失的小鼠会降低结肠中pIgR的表达和IgA的运输，表明TLR信号通路对pIgR调控的重要性。pIgR的表达也被证明可以被丁酸盐（butyrate）增强，丁酸盐是一种具有抗炎特性的细菌发酵产物。肠病毒如呼肠孤病毒感染后，导致双链RNA进入上皮细胞，通过toll样受体TLR3信号通路上调PIGR基因转录，激活NF-κB和转录因子中的干扰素调节因子家族。因此，分泌性抗体进入肠液的速度可由正常肠道菌群成分和病原体调节，而上皮pIgR则作为先天免疫和适应性免疫之间的联系。
为应答共生微生物的定植或致病微生物的感染，宿主细胞产生细胞因子，这些细胞因子调节pIgR在黏膜上皮细胞中的表达。促炎细胞因子干扰素-γ（IFN-γ）和肿瘤坏死因子-α (TNF-α)（分别通过JAK-STAT和NF-κB信号通路）上调PIGR基因的转录。白细胞介素-1 (IL-1)，激活myd88依赖的信号通路，共享TLR通路的许多要素，协同IFN-γ和TNF-α。另一种促炎细胞因子，IL-17，已被证明可以增强呼吸道上皮细胞中pIgR的表达，并可能有助于调节肠道中的pIgR。pIgR调控的一个独特方面是辅助T细胞Th1型细胞因子IFN-γ和Th2型细胞因子IL-4之间的协同作用，其作用通常是拮抗的。pIgR的能力被广泛的宿主细胞因子调节，促进了分泌抗体的最佳运输，以应答在粘膜表面遇到的广谱微生物及环境刺激。 矛盾的是，在人类炎症性肠病(IBD)相关的肠道炎症和小鼠实验性结肠炎期间，肠上皮细胞中pIgR的表达下调。pIgR表达的缺失与肠道固有层中IgA的积累和循环中IgA水平的增加有关，这可能导致系统免疫系统对肠道衍生抗原的暴露增加。pIgR的表达降低也见于异型增生上皮（dysplastic epithelium）和胃肠及呼吸道癌。这些情况的一个共同特征是相对未分化的上皮细胞快速增殖，在稳态条件下维持pIgR表达并在感染期间增强pIgR表达的微生物和宿主因子可能无法对其做出适当的反应。 pIgR的表达受激素的调控，具有细胞特异性。雌激素和孕激素在子宫内膜上皮细胞中的作用是拮抗的，因此在发情周期中pIgR的表达和IgA的运输是不同的。雄激素已被证明能上调男性和女性生殖组织中pIgR的表达。泌尿生殖系统上皮下的固有层含有分泌IgA的浆细胞，虽然密度比鼻和肠粘膜低，生殖器分泌物中的SIgA已被证明有助于提高对性传播疾病的免疫力。多肽激素催乳素可上调妊娠和哺乳期间乳腺上皮细胞中pIgR的表达，从而增强游离分泌片和SIgA加入初乳和乳汁。乳腺固有层由分泌pIgA的浆细胞构成，这些浆细胞最初是由肠道相关淋巴组织和鼻咽相关淋巴组织中的抗原刺激的。与充足pIgR母鼠的后代相比，缺乏pIgR母鼠的后代（母乳中缺乏SIgA抗体）的共生肠道菌群的组成发生了改变，并且这些变化在断奶后一直持续到成年。因此，pIgR通过乳腺上皮运输到母乳中的SIgA抗体在母婴共享的环境中提供了对感染因子和外源性抗原的保护，也形成了母乳喂养婴儿肠道菌群的发展。 11.9 IgG和IgE在粘膜上皮内的双向转运是由特化的Fc受体介导的 IgG靠新生儿FcRn完成穿过极化的粘膜上皮细胞的转运，因其在新生的大鼠和小鼠肠道上皮细胞中高水平表达而得此名。FcRn（当时因其发现者而被称为“Brambell受体”）最初以其在循环IgG代谢中的作用为特征，被证明可以保护内化的IgG免受各种类型的细胞内降解。随后，研究表明FcRn通过胎盘内皮细胞介导IgG从母体转移到胎儿循环中。FcRn可以通过新生啮齿类动物的肠道上皮运输母体乳源性腔内IgG抗体并进入体循环，这一发现提示了该受体对黏膜免疫的重要性。FcRn仅在大鼠和小鼠的新生儿期肠道上皮细胞中表达，而在人类中，它在整个生命周期中在肠细胞和各种其他类型的细胞中表达，包括呼吸道上皮细胞、乳腺、皮肤、肾脏和眼睛，以及内皮细胞和造血细胞（单核细胞、巨噬细胞、树突状细胞、中性粒细胞和B细胞）。FcRn是一种主要的组织相容性复合体（MHC）0Ⅰ类分子，其跨膜α重链包含三个胞外结构域，与可溶性β2-微球蛋白非共价结合（图11.4a）。α重链由MHC基因位点外的FCGRT基因（在人的19号染色体和小鼠的7号染色体上）编码。FcRn和典型MHC I类蛋白的一个主要区别是，α1和α2结构域不折叠形成肽结合槽（peptide-binding groove），而是形成一个平台，与IgG 的Fc区（在Cγ2和Cγ3区域界面）接触(图11.4b)。来自体外结合研究的证据表明，IgG的高亲和力结合需要两分子FcRn聚合。
在极化的上皮细胞中，FcRn引导IgG通过复杂的细胞内途径（进行往复穿越）(图11.5)。这一途径在三个重要方面不同于pIgR介导的聚合IgA和IgM的上皮穿胞作用。首先，pIgR介导的转运强烈偏向于从基底侧到端侧方向，而FcRn介导的转运可以将IgG传递到两个表面，对黏膜免疫具有重要的功能影响(见后)。其次，FcRn不像pIgR一样在质膜上裂解，可以介导多轮IgG转运。在6.0左右的微酸性pH条件下，FcRn结合最优，有利于在酸性细胞内腔室和在中性pH质膜释放IgG。新出生啮齿动物肠细胞的管腔质膜是一个例外，那里的自然酸性环境有利于IgG与FcRn结合，并通过受体介导的内吞作用摄取。这种细胞表面的FcRn-IgG结合也可能发生在其他上皮细胞表面的局部酸性微环境中，如可能发生在炎症期间。这种细胞表面的FcRn-IgG结合也可能发生在其他上皮细胞表面的局部酸性微环境中，如可能发生在炎症期间。然而，对于大多数类型的细胞，IgG主要通过液相胞饮作用被内化，并被送到酸性的内小体室，在那里与FcRn结合。与此一致的是，大部分在上皮内表达的FcRn包含在细胞内的核内体中。一旦结合，FcRn转移单体IgG，将其从溶酶体中分离出来，进入一系列运输和循环的小泡，运送到基底外侧和端侧表面。在内皮细胞和造血细胞等非上皮细胞中，携带FcRn-IgG的复合体循环囊泡返回质膜释放到间质液或血液循环。FcRn保护胞内IgG免受溶酶体降解的能力是该受体抑制IgG分解代谢，增加循环IgG半衰期的机理。有趣的是，FcRn也结合血清白蛋白，并在调节白蛋白分解代谢中发挥类似的作用。
与在人类和实验IBD中观察到的pIgR表达和SIgA穿胞作用下调形成对比，IBD时肠道的促炎环境导致通过FcRn介导的穿胞作用增加了IgG的产生和腔内IgG结合抗原的吸收。减少sIgA介导的免疫排除（ SIgA-mediated immune exclusion）和增加IgG介导的抗原吸收的结合可能是循环中针对自身和细菌抗原的IgG抗体水平增加的原因，这是人类IBD的一个共同特征，可能进一步促进肠道炎症。 与IgA、IgM和IgG相比，IgE在黏膜分泌物中的水平通常很低。然而，在过敏性疾病如哮喘、过敏性鼻炎、食物过敏和肠道寄生虫感染的个体中，固有层中产生IgE的浆细胞数量和呼吸道和胃肠道分泌物中IgE水平升高。 IgE的高亲和力受体FcεRI由多种免疫细胞表达，在IgE的效应功能中发挥重要作用（见后文）。最近人们发现在几种细胞类型（包括肠细胞）中，低亲和力的IgE受体FcεRII （CD23）介导IgE和IgE抗原复合物的胞吞和双向穿胞作用。CD23介导的IgE穿胞作用可增强潜在过敏原通过肠上皮屏障的转运，对黏膜防御和过敏有重要意义（见后文）。 三、粘膜免疫球蛋白的功能 不同同种型Ig在体外分泌物中的特征性分布和生物学特性反映了各种不同粘膜表面最佳保护的功能需求。SIgA和SIgM抗体对抗原的内在亲和力通常低于IgG抗体，但由于多价效应（例如，SIgA二聚体和四聚体分别有4个或8个抗原结合位点），SIgA和SIgM有更高的抗原亲和力及增强的交联抗原能力。此外，结合分泌片的存在保护SIgA和SIgM免受蛋白水解降解，使它们在富含蛋白酶的分泌液（如胃肠道）中的比IgG抗体的半衰期更长。在呼吸道和生殖道的分泌液中，IgG抗体可能是更重要的免疫防御，在那里它们更稳定。在被动注射（细菌和病毒的）病原体或其产物的特异性IgA抗体的无菌仔猪和小鼠动物模型中，证明了黏膜抗体的直接保护作用。粘膜Ig有效地减少抗原从粘膜表面的吸收，这一过程被称为免疫排除（immune exclusion）。 对于生物活性抗原，如细菌或植物毒素和病毒，粘膜Ig可以中和它们的活性或阻止它们与上皮细胞表面的结合（图11.6）。抗体同种型严重影响粘膜Ig的保护作用。SIgA，由于它不激活补体级联，能排除抗原但不产生局部炎症。相反，补体的激活通过IgM 或IgG的抗原抗体复合物可能引起局部炎症，导致由于黏膜屏障改变而增加抗原和病原体的非特异性摄取。例如，在缺乏SIgA的个体中抗原攻击导致比健康个体更高的循环免疫复合物水平。
11.10 分泌型Ig保护粘膜表面免受微生物的侵袭 粘膜Ig利用多种机制来增强粘膜表面的屏障功能(见图11.6)。通过抗原特异性结合和聚糖介导的相互作用，大量不同范围的黏膜微生物被SIgA覆盖，导致这些微生物对上皮细胞表面受体的附着被抑制。体外实验表明，与SIgA的α重链和分泌片部分相关聚糖可作为诱饵，有效防止革兰氏阳性和革兰氏阴性微生物附着在胃肠道和呼吸道上皮细胞表达的聚糖依赖性受体上。这种相互作用限制了Ig覆盖细菌的自然生物生态位，并有助于形成生理上的“生物膜”，对其持续生存和建立互利的黏膜菌群至关重要。IgG抗体也参与免疫排除，特别是在下呼吸道和泌尿生殖道，它们在那里更稳定。这些抗体的活性可能通过与乳铁蛋白、溶菌酶和过氧化物酶系统等先天体液免疫因子的协同作用进一步增强。母乳中的SIgA抗体似乎在保护新生哺乳动物免受微生物侵袭方面特别重要，因为研究发现，pIgR缺陷母兽的哺乳后代在（在排出肠上皮的）正常无菌肠系膜淋巴结中有几种侵入性细菌。 11.11 黏膜Ig的上皮细胞穿胞作用增强免疫防御 SIgA抗体除了与粘膜表面抗原相互作用外，还可在其上皮细胞转运过程中起到免疫保护作用。具有生物学活性的抗原（如毒素）可通过受体介导的内吞作用从上皮细胞的上端表面内化并传递到细胞内分选小泡。与此同时，基底外侧表面携带pIgA-pIgR复合物的胞外小泡与上端分选小泡融合，使IgA抗体中和其特异性抗原(见图11.6)。例如，IgA抗体已被证明可以中和上皮细胞内的细菌LPS，从而抑制粘膜内潜在的促炎反应，并限制LPS进入体循环。IgA抗体也被证明通过与细胞内分选泡内新合成的包膜糖蛋白结合，干扰流感病毒和仙台病毒的组装。通过pIgR介导的抗原-抗体免疫复合物运输到粘膜上皮细胞腔表面，黏膜IgA抗体也有助于清除抗原。除含有可溶性蛋白抗原的免疫复合物外，pIgR已被证明可介导与pIgA与全病毒和细菌形成的免疫复合物的穿胞作用。粘膜IgA的这种排泄功能限制了环境、饮食和微生物抗原进入全身免疫系统，从而最大限度地减少了潜在促炎症IgG抗体的产生。上皮细胞内或固有层内的传染性微生物排泄可以防止它们扩散到身体的其他部位。 FcRn介导从粘膜上皮细胞的基底外侧到顶端表面的IgG穿胞作用，将保护性IgG抗体传送到外分泌液中。反过来，IgG抗原复合物从管腔运输到与肠道、肺和泌尿生殖系统相关的上皮细胞的近腔表面，导致完整抗原的吸收。重要的是，这些IgG抗原复合物可以被黏膜树突状细胞吞噬，这些细胞运输到区域淋巴结，并向黏膜和全身T细胞提呈抗原肽。在实验模型中，这种FcRn驱动的抗原吸收途径已被证明在肠道和呼吸道诱导对黏膜抗原的耐受性。这种机制可能在新生儿中特别重要，因为母乳中的IgG抗体可以促进母亲免疫的肠道抗原的吸收。因此，IgG抗体除了在黏膜防御中发挥作用外，还可能促进共生肠道菌群的生理耐受性，并调节过敏性呼吸道炎症的发展。虽然尚未被正式证实，但CD23介导的IgE结合抗原的吸收可能有助于黏膜耐受和/或炎症，特别是在黏膜IgE水平相对较高的过敏个体中。 11.12 SIgA及分泌片具有（通过其糖修饰和调节黏膜炎症的）先天免疫功能 除了IgA的抗原特异性免疫功能，SIgA和游离分泌片也参与调节对病原体的先天性“非特异性”反应。许多这些功能是通过结合细菌和宿主因子的不寻常分泌片N-聚糖介导的。游离分泌片已被证明可以通过与艰难梭菌毒素A和产肠毒素大肠杆菌菌毛等细菌成分结合来限制感染或降低发病率。在先天和抗原特异性免疫反应期间，分泌片和SIgA通过限制潜在促炎免疫反应增强黏膜稳态。因为与IgG不同，IgA是补体的弱激活剂，IgA可以中和抗原和排泄免疫复合物，但不会引发炎症反应而导致粘膜附带损伤和破坏屏障功能。虽然在某些情况下，人工聚合的或改变了聚糖的IgA，但在某些情况下，可以通过替代的或凝集素通路来激活补体级联，但这种机制并没有出现在黏膜组织中。虽然外部分泌液包含补体成分,但它们通常不会处于促进补体有效激活的水平。此外，这些分泌液中IgA抗体比IgG抗体更丰富，导致了抗原结合的竞争，并限制了IgG介导的经典补体途径的激活。游离分泌片也可以通过与趋化因子IL-8形成高分子复合物来预防炎症，限制其作为中性粒细胞趋化因子的活性。 11.13 黏膜Ig也与免疫细胞上的Fc受体相互作用 通过激活吞噬细胞和其他免疫细胞上的同种型特异性Fc受体，黏膜Ig可能促进抗黏膜病原体的保护性免疫应答。其中一些免疫细胞，如巨噬细胞，是粘膜表面的常驻细胞，而其他细胞往往只在感染或其他侵害时渗透到粘膜部位的。在人类中，有三种IgG特异性Fc受体（FcγRⅠ, FcγRⅡ和FcγRⅢ），一种IgA特异性Fc受体（Fc αRⅠ)和高亲和力IgE Fc受体(Fc εRⅠ)在黏膜固有层的各种类型的免疫细胞上表达。这些Fc受体的连接反应触发了（通过吞噬、脱颗粒和释放抗菌因子以及释放活性氧等机制）对IgG覆盖靶点的请除。有趣的是，IgG与FcγR的相互作用模式与IgA与FcαRI的相互作用模式有很大的不同。所有Fc γR都与Fc区N端靠近铰链区的IgG位点发生相互作用。相比之下，Fcα RI的相互作用位点位于靠近IgA Fc的中点，在Cα2和Cα3结构域之间的界面(见图11.1)。微生物蛋白靶向IgA的这一受体位点似乎为某些病原体通过Fc α RⅠ介导的清除机制逃避消灭提供了一种有效的手段(见下文)。肠巨噬细胞、树突状细胞和B细胞也表达FcRn。在这些细胞类型中，虽然FcRn介导IgG单体的循环，但它参与指引含抗原抗体复合物的多聚IgG的进入MHCⅡ类限制性提呈相关的抗原加工区，这可能在抵抗黏膜病原体或促进炎症性肠病中的肠道炎症中起重要作用。IgE-抗原复合物与粘膜抗原提呈细胞（如树突状细胞、巨噬细胞和嗜碱性粒细胞）上的FcεRI结合可能调节IgE介导的适应性免疫。在效应期，IgE-抗原复合物交联细胞表面FcεRI导致粘膜肥大细胞脱粒，这是消除寄生虫感染的重要机制。 四、病原体逃避IgA介导防御功能的策略 IgA和微生物群之间的关系是复杂的。共生微生物和病原体都调节着IgA的产生和运输，它们的定植又受到IgA分泌的影响。这种关系的重要性以及IgA作为一种免疫防御形式的有效性，由于一些病原体将IgA作为逃避免疫反应的一种手段而得到强调。 11.14 病原体表达干扰IgA功能的IgA1蛋白酶 某些致病细菌（已知会引起临床上重要的和威胁生命的感染）会分泌蛋白水解酶，并在IgA1的铰链区进行特异性切割。这些IgA1蛋白酶由定植并侵入粘膜部位的细菌产生，这些细菌可导致急性脑膜炎等疾病（脑膜炎奈瑟菌、流感嗜血杆菌和肺炎链球菌）、口腔疾病（血链球菌、口腔链球菌）和性传播感染（淋病奈瑟菌）。这些蛋白酶似乎与毒力有关，因为密切相关的非致病性菌株不产生它们。IgA1蛋白酶的结构和机制特征的多样性表明它们是通过趋同进化而产生的。据推测，它们破坏IgA功能的能力为细菌在粘膜表面定植和入侵提供了有利的机会。 IgA1蛋白酶在IgA1延伸的铰链区域内切割脯氨酸后肽键，每个蛋白酶在特定的脯氨酸-丝氨酸或脯氨酸-苏氨酸位点进行切割（图11.7）。IgA2缺乏这种敏感序列，因此抵抗切割。IgA1的蛋白水解实质上是将Fab区域的抗原识别功能与Fc区域的效应功能分离开来，从而允许任何被游离Fab片段识别的细菌逃脱通常通过Fc区域触发的消灭过程。此外，（游离）Fab的结合阻断了完整Ig的通路，使细菌避开了黏膜Ig的保护作用。
IgA1蛋白酶的有效识别和切割是由铰链氨基酸序列和抗体整体内铰链的结构环境共同控制的。因此，诱变实验表明，易感键必须位于Fc区合适的距离，而Fc区下部的基序（Cα3结构域）是几种IgA1蛋白酶识别底物所必需的。来自流感嗜血杆菌的1型蛋白酶X射线晶体结构首次搞清楚的IgA1蛋白酶结构，既往提出的结合机制与这里的发现一致。在这个模型中，Fc的结合被假定为使蛋白酶稳定在一个开放的构象中，从而允许铰链肽进入活性位点，从而发生切割。 11.15 致病菌表达与毒性有关的对IgA和分泌片特异的结合蛋白 细菌逃避粘膜IgA反应的另一种策略是使用表面蛋白，称为IgA结合蛋白，它能特异性地结合人类IgA的血清和分泌形式。这种蛋白由A族链球菌（化脓性链球菌）表达，这是一种引起急性感染的重要病原体，有时导致心脏和肾脏功能受损;B组链球菌，是新生儿败血症、脑膜炎和肺炎的主要原因;金黄色葡萄球菌会导致皮肤感染、脓肿、肺炎、菌血症和其他疾病，其中许多疾病会危及生命。值得注意的是，尽管这些生物体产生的IgA结合蛋白在结构上是不相关的，但它们都与大致相同的IgA Fc区域相互作用。它们在IgA Fc区域的相互作用位点与FcαRⅠ结合位点重叠，并且它们的结合被证明可以阻断IgA与该受体的结合，抑制FcαRⅠ介导的反应的触发。这种抑制能力表明，这些细菌进化出了IgA结合蛋白表达，作为一种手段，通过与FcαRⅠ相互作用来逃避IgA引发的消灭机制（elimination mechanism）。 肺炎链球菌可引起从相对轻微的中耳炎到潜在致命的败血症、肺炎和脑膜炎等疾病，它表达一种名为CbpA（也称为SpsA和PspC）的表面蛋白，可特异性结合人类pIgR和分泌片。肺炎链球菌通过与上皮细胞表面的pIgR结合，利用该蛋白增强鼻咽的定植和侵袭。缺乏CbpA的肺炎链球菌菌株在鼻咽定殖的能力降低，这表明其结合pIgR的能力可能是一个重要的毒力因素。而鼻咽上皮细胞分泌的游离分泌片和SIgA可与CbpA结合，抑制其与细胞表面pIgR的结合能力。这种细菌毒力因子与宿主防御机制之间的平衡可能导致人鼻咽携带肺炎链球菌易感性的变化。 五、总结 所有同种型抗体都可以作为分泌性免疫球蛋白发挥作用，因此在黏膜防御中发挥关键作用。分泌性IgA是大多数粘膜部位的主要抗体类别，而IgG主要在下呼吸道和泌尿生殖系统的分泌物中。IgM的浓度较低，但可在选择性IgA缺乏时补偿IgA。粘膜IgE在寄生虫感染中起保护作用，而在食物过敏和哮喘中起致病作用。大部分黏膜IgA和IgM通过与J链多肽的共价相互作用形成多聚体。多聚IgA和IgM通过多聚免疫球蛋白受体沿基底外侧到顶端方向穿过黏膜上皮细胞，并在顶端表面切割形成SIgA和SIgM。pIgR的胞外结构域是一种五结构域的多肽，也被称为分泌片，它与SIgA和SIgM结合，提供保护以对抗蛋白水解，增强免疫效应功能。SIgA是高度糖基化的，这增加了它的稳定性和某些方面的保护功能。IgG通过新生儿Fc受体沿顶端-基底外侧和基底外侧-顶端双向通过黏膜上皮细胞转运，IgE通过FcεRⅡ（CD23）进行双向转运。 SIgA在粘膜分泌液中和生物活性抗原，阻止食物抗原的吸收，并抑制粘膜微生物与上皮细胞的粘附。在pIgR介导的上皮细胞穿胞作用中，SIgA也能中和病原体和抗原，并通过转运到上皮细胞腔表面，清除固有层的抗原-抗体免疫复合物。母乳中的SIgA抗体对于保护新生儿肠道免受微生物的侵袭和塑造发育中的肠道菌群的组成具有重要意义。IgG抗体促进粘膜抗原的摄取和提逞，将粘膜抗原暴露与免疫反应的系统性诱导联系起来，并通过FcRn介导的穿胞作用促进免疫耐受。IgG、IgA和IgE抗体与粘膜组织中吞噬细胞和免疫细胞上特定的Fc受体结合，通过吞噬和释放抗菌物质等机制来触发消灭病原体和抗原。一些致病菌通过分泌切割IgA1的蛋白水解酶或IgA结合蛋白来抑制SIgA防御机制。 参考文献（略） |
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