医学检验信息网 检验医学 2006-11-17 11:33:17

马大龙

随着人类基因组计划的完成，基因和蛋白的数据正在以指数增加的速度积累，至2005年8月，世界三大公共DNA及RNA序列储存库的基因序列信息已经达到了100G（100 000 000 000）对碱基，能提供不同生物的5500万个基因序列（中国科技信息网）。在海南生物信息的基础上，基于基因组和蛋白质组学的研究成果具有极为广阔的应用前景，将会从根本上改变疾病诊断、治疗和预防的传统健康产业模式，带来巨大的社会和经济效益。
基因组和蛋白质组学的研究成果也为免疫学研究带来了契机，促使免疫学研究的方法、思路和观念和巨大的改变，一门新的免疫学前沿分支学科——免疫组学（Immunomis）应运而生，为免疫学的快速发展发挥了越来越重要的作用。免疫组学和免疫组（Immunome）的概念最早是在1999年由Pederson教授在奥期陆举行的自身免疫国际会议上的首次提出[1]，但当时的免疫组学定义只局限于研究抗体和TCR V区分子结构和功能，随着人类基因组计划的完成，免疫组学的概念已远远超出了抗体和TCR的范畴，其新定义是研究免疫相关的全套分子、它们的作用靶分子及其功能，免疫组学包括了免疫基因组学（Immunogenomics）、免疫蛋白质组学（Immunoproteomics）和免疫信息学（Immunoinformatics）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，发现新的免疫相关分子，为全面系统了解免疫系统和免疫应答提供基础。免疫系统与机体系统的最大不同之处在于它的多样性，特别是由于抗体和TCR基因重排以 MHC遗传变异导致的免疫分子的超高频率结构多样性，造成研究和极大难度，对于这样高度复杂的免疫系统和研究，常规技术的研究结果往往是只见树木不见森林，无法窥伺全貌。免疫组学的问世，为这一领域研究提供了新的有力武器，有可能成为揭开免疫之谜的新钥匙。
2004年10月在布达佩期召开了第一届国际基础与临床免疫基因组学会议，进行了免疫基因学研究成果的交流[2]，而预定在2006年召开的第二届会议则将免疫蛋白质组学和免疫生物信息学研究列入重点交流内容，并将会议更名为“免疫基因组学和免疫学大会”（www．bcii2006．org）。此外，在澳大利亚成立了国际免疫组学会（The International Immunome Research），并即将出版免疫组研究杂志（Immunome Research）。可以预期，今后免疫组学研究将形成免疫学研究的新热点。
由于免疫组学研究涉及的范围很宽，本文不可能全面介绍，仅重点就本实验室关注的一些研究内容加以介绍，以期启发思路，举一反三。
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。根据2005年1月版RefSeq数据库统计，已发表功能研究论文1篇以下的人类基因占58.3%,发展5篇以下论文的基因占23.3%,6篇以上的基因只占18.2%.这说明我们对人类基因功能的了解尚远远不够,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和数量仍然不多.例如,由Gambridge大学John Trosdale教授实验室建立了免疫基因相关信息数据库(The Immunogenetic Related Information Sorece,IRIS)收集了目前所有的已知人类免疫功能基因,至2005年8月共包括1562基因,大约代表7%人类基因组基因[3].实际上,人类基因组中编码免疫相关的藏历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过程,有助于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.在21世纪,我们完全有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,以大学科模式开展研究,这样才能取得真正意义的重要科学成果[4,5].
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（C1INH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，其技术包括合基因组扫描技术、定位克隆技术等均已比较成熟，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料，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[6]。
复杂性疾病是由于多种基因的变异加环境的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苷酸多态性（Single Nucleotide Polymorphisms，SNPs），即不同个体间的基因水平的单核苷酸变异。根据分析，无关个体间的基因中约有300万个单核苷酸多态性，目前已经发现并基因定位的SNPs超过1千万。通过SNPs的研究，可以了解人类人体差异的分子基础，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。目前国际上研究SNP的热点之一是免疫相关基因，如HLA、细胞因子及其受体、免疫信号转导分子等。此外，近年发现，在不同个体中还存在仍另外一种类型的基因变异，称为为拷贝数量多态性（Copy Number PolymorphisM，CNP），表现为大段DNA序列（>100kb）的缺失或增加[7].目前尚无CNP与免疫系统和免疫相关疾病关系的报道,但可以预期,免疫相关基因区域的CNP很可能影响不同个体的免疫应答能力,期待今后有这方面的研究成果.
三、肿瘤免疫组学
肿瘤免疫组学（Cancer immunomics）主要是利用基因组学、转录组学和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（Serological analysis of recombinant cDNA expression linbraries）技术筛选肿瘤病人的肿瘤抗原谱[8]；利用蛋白质芯片建立肿瘤抗原及抗原表位谱等。Jongeneel等[9]人建立了肿瘤免疫组学的数据库，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/CancerImmunomeDB/）.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[10]。
四、病原体免疫组学
根据2005年Immunity杂志报道[11]，为了全面研究病原体的免疫组，在美国NIH的支持下,正在建立国际上最大的免疫表位数据库(The Immune Epitope Database),计划在2005年底建成开放,收集国际上发现的所有B细胞表位和T细胞表位,促进免疫学家开展抗感染免疫的研究的疫苗及诊断试剂的开发(http:∥www2.licr.org/CancerImmunomeDB/).从实验设计来看,这一计划利用了各种高通量的抗的表位发现技术以及免疫信息学的分析技术,包括噬菌体表现展示技术,规模人HLA转基因小鼠技术,随机基因片段表达及抗原鉴定技术,组合多肽技术,四聚体表位作图技术(Tetramer Guided Epitope Mapping),MHC结合抗原肽预测技术等,预计在4~5年内,将获得4万至5万个抗原表位的全套信息纳入数据库,供全世界科学家使用,加快这一领域的研究进程.
五、基于基因线的新型免疫药物
人类功能基因组学的一个重要的目标和发展契机是基因组药物的开发，基因组药物（Genome-baseddrug）是指利用基因序列数据，经生物信息学分析、高通量基因表位、高通量功能筛选和体内外药效研究开发得到的新药候选物，据估计，人类基因中，大约有2000~3000个左右可作为药物靶标或基因工程药物，具有巨大的开展潜力。目前国际上至少已有18个基因组药物进入临床，包括新的重组细胞因子、重组可溶性受体、针对人类基因产物的治疗性抗体、同位素标记重组蛋白、新靶基因的基因治疗、以人类基因产物为靶标的小分子药物等，其中除了4个小分子药物外，至少14个是免疫相关的分子（表1），提示这一算什么将为药物开展提供重要的新工具。

 

药物名称	靶基因	适应症	临床阶段	公司
重组MPIF-1	MPIF-1	肿瘤化疗	Ⅱ期停止	HGS﹡
重组KGF-2（Repifermin）	KGF-2	高剂量化疗导致的口腔溃疡	Ⅱ期	HGS﹡
重组BlyS	BlyS	免疫缺陷	Ⅰ期	HGS﹡
重组IL-21	IL-21	黑色素瘤、肾细胞癌	Ⅰ期	ZymoGenetics
TACI-Ig（可溶性受体）	TACI（BlyS受体）	SLE	Ib期	ZymoGenetics
重组FGF20（GG53135）	FGF20	高剂量化疗导致的口腔溃疡	Ⅱ期	CuraGe
重组OPG	OPG	骨质疏松	Ⅰ期停止	Amgen
AMG162（人源化抗体）	RANKL	骨质疏松	Ⅱ期	Amgen
LympoStat-B（人源化抗体）	BLyS	SLE、类风湿关节炎	Ⅱ期	HGS﹡
LymphoRad[3]（同位素标记靶向药物）	BLyS	B细胞淋巴瘤	Ⅱ期	HGS﹡
HGS-ETR1（人源抗体）	DR4	肠癌、非何杰氏淋巴瘤	Ⅱ期	HGS﹡
HGS-ETR2（人源抗体）	DR5	晚期肿瘤	I期	HGS﹡
VEGF2质粒基因治疗	VEGF-2	慢性稳定型心绞痛	Ⅱ期	Corautus Gentics
INGN241（腺病毒基因治疗）	IL-24	转移性黑色素瘤	Ⅱ期	Introgen

六、免疫信息学
随着人类基因和病帮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的资料。免疫信息学（Immunoinformatics）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[12]。对于免疫学家来说，在后基因组时代，必须要了解生物信息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、免疫系统学数学模型建立、虚拟免疫细胞（E-immunocell）分析等，促进免疫学的科研水平。可以预计，今后的免疫学研究的每个环节都将不能脱离免疫信息学的帮助，不掌握信息学的免疫学家将可能落伍于新时代的免疫前沿研究。
七、结语
免疫组学为免疫研究开拓了新的视野，提供了新的研究工具，更加强调将免疫系统看作一个整体，重视系统免疫学（Systems immunology）的研究，“不畏浮云遮望眼，只缘身在最高层”。虽然这一领域刚刚起步，道路还很漫长，但其对免疫学的巨大推动作用将在未来几年内显现出来，其贡献将有可能不亚于20世纪80年代的分子生物学技术对免疫学的巨大推动作用。我国免疫学家应该对此有所认识，抓住机遇，发挥优势，重视与生物信息学和数学领域的专家合作，开展有我国特色的免疫组学研究，为免疫学的发展做出我们自己的贡献。

摘自：《中华微生物学和免疫学杂志》2005年9月第25卷第9期

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