第五章 补体系统
补体一词指的是一组50多种血清蛋白，它们与先天免疫系统和适应性免疫系统合作，以清除体内的病原体、死亡细胞和免疫复合物。补体蛋白最初是因为它们能够与抗体结合并破坏抗体结合的细胞膜而被发现的。因此，它们最初被归类为适应性免疫反应的一部分。然而，我们逐渐意识到，补体蛋白在细胞膜上打洞的能力只是其在免疫中作用的一小部分。补体蛋白对先天和适应性免疫分支的有效运作的重要性，以及它们在其中的作用的多样性，都强调了微生物病原体中演化出的补体逃避策略的数量。事实上，补体蛋白的作用如此多样，以至于在一个多世纪后的今天，我们仍在了解它们功能的新的方面。
对补体的研究始于19世纪90年代，当时朱尔·博尔代特(Jules Bordet)表明，对霍乱弧菌的绵羊抗血清会引起细菌溶解（膜破坏），并且加热抗血清会破坏其杀菌活性。令人惊讶的是，通过添加不含抗菌抗体的新鲜血清，可以恢复加热后的血清的溶解细菌的能力。博尔代特推断，溶菌作用需要两种不同的物质：一种是热稳定的、特定于霍乱的抗体，它们结合到细菌表面，另一种是热敏感（不稳定）的成分，负责溶解活性。
为了纯化这第二种非特异性成分，博尔代特开发了针对红细胞的抗体，并利用这些抗体，结合血清中的纯化分数，来识别那些与抗体合作诱导溶血（红细胞溶解）的血清蛋白。著名的免疫学家保罗·埃尔利希（Paul Ehrlich），在柏林独立进行类似的实验，并创造了“补体”这个术语，将其定义为“完成抗体作用的血血清活性”。
随后的几年中，研究人员发现，归因于补体的活动是由50多种蛋白质和糖蛋白介导的。大多数补体成分由肝细胞在肝脏合成，尽管也有一些由血液单核细胞、组织巨噬细胞、成纤维细胞以及消化道和泌尿生殖道的上皮细胞产生。补体成分约占血浆中球蛋白蛋白部分的15%。此外，由于系统中的一些调节成分存在于细胞膜上，所以现在补体一词包含了分布在血浆和细胞膜之间的蛋白质和糖蛋白。补体成分可以分为七个功能类别（概览图5-1）：
概览图5-1 补体蛋白的功能类别
补体途径由直接或通过抗体或其他病原体特异性蛋白与病原体结合的蛋白质启动。在经历了构象变化后，(2) 酶促介质激活其他酶，生成补体级联反应的中心蛋白，C3和C5转化酶，它们裂解C3和C5，释放活性成分，介导补体的所有功能，包括(3) 调理作用，(4) 炎症，以及(5) 膜攻击复合物（MAC）的形成。效应补体蛋白可以标记抗体-抗原复合物以供吞噬（调理素），启动炎症（过敏毒素），或结合到病原体并促进MAC的形成。通常，这些效应分子通过(6) 吞噬细胞、粒细胞或红细胞上的补体受体发挥作用。(7) 调节蛋白通过促进它们的降解或阻止它们与宿主细胞结合来限制补体的作用。
起始补体成分。这些蛋白质通过结合特定的可溶性或膜结合分子来启动各自的补体反应。一旦被它们的配体激活，它们就会发生构象变化，导致它们的生物活性发生变化。
酶促介质。一些补体成分是蛋白水解酶，它们裂解并激活补体反应序列中的下一个成员。直到被蛋白酶裂解才变得活跃的蛋白质称为酶原。一些补体蛋白酶在结合到其他大分子并经历构象变化后变得活跃；其他的是酶原本身，直到被另一个“上游”蛋白酶裂解才变得活跃。裂解补体成分C3和C5的两个酶复合物分别被称为C3和C5转化酶，它们在补体生物学中占据着中心重要的位置。从起始蛋白到生物效应分子的补体途径中的蛋白质序列被称为“补体级联反应”。
增强吞噬作用的成分，或调理素。在补体级联反应激活后，一些补体蛋白被裂解成两个片段，每个片段随后承担特定的角色。对于C3和C4，较大的片段C3b和C4b充当调理素，与微生物细胞共价结合，并作为具有C3b或C4b受体的吞噬细胞的配体。
炎症介质。一些小型补体片段充当炎症介质。这些片段结合到小血管内皮细胞上的受体，并诱导毛细血管直径增加，从而增强受影响区域的血流。它们还吸引其他细胞到组织损伤部位。由于这些效应在过量时可能是有害的（甚至致命的），这些片段被称为过敏毒素，源自希腊语短语，意为“反对保护”。C3a和C5a是过敏毒素的例子。
膜攻击蛋白。膜攻击复合物（MAC）的蛋白插入入侵微生物的细胞膜并打孔，导致病原体溶解。通过电子显微镜广泛地成像了MAC。该复合物本身形成了一个带有中心孔的补体蛋白环状多聚体，细胞质内容物可以通过该孔逸出。MAC也可以在感染的宿主细胞上形成，尽管补体系统必须首先克服旨在保护宿主细胞免受补体攻击的调节机制。
补体受体蛋白。细胞表面受体分子结合补体蛋白并发出特定细胞功能的信号。例如，一些补体受体，如CR1，结合到已经调理病原体的补体成分，如C3b，触发C3b结合病原体的吞噬作用。过敏毒素补体成分C5a与中性粒细胞上的C5a受体（C5aRs）结合，刺激中性粒细胞脱颗粒和炎症。
调节补体成分。宿主细胞通过存在调节蛋白而受到保护，免受意外的补体介导的损伤。这些调节蛋白包括因子I，它降解C3b，和CD59（保护蛋白），它抑制MAC在宿主细胞上的形成。
主要的补体激活途径
补体成分代表了脊椎动物免疫反应中一些最古老的参与者。随着病毒、寄生虫和细菌感染脊椎动物宿主并学会逃避补体系统的功能，新的宿主免疫机制不断演化，形成了微生物攻击和宿主反应之间无尽的舞蹈。
有三条主要途径可以启动补体级联反应：经典途径、凝集素途径和替代途径，如图5-2所示。尽管每种途径的起始事件不同，但它们最终都汇聚在生成一个酶复合物上，该复合物裂解C3分子。将C3裂解成两个片段C3a和C3b的酶被称为C3转化酶。经典途径和凝集素途径使用C4b2a二聚体作为它们的C3转化酶活性，而替代途径使用C3bBb（见图5-2）。然而，两种C3转化酶活性的最终结果是一样的：C3b浓度的显著增加，这是一个至关重要的多功能补体蛋白。
图5-2 通过三条主要补体激活途径生成C3和C5转化酶
经典途径是由C1q与抗原-抗体复合物结合而启动的。图中的抗原以深红色显示，起始抗体以绿色显示。C1的酶组分C1r（以蓝色显示）被激活并裂解C1s，C1s进而裂解C4生成C4a和C4b。C4b附着在膜上并结合C2，然后C1s裂解C2形成C2a和C2b。（C2b进一步被裂解成为炎症介质。）C2a仍然附着在C4b上，形成经典途径的C3转化酶（C4b2a）。在凝集素途径中，甘露糖结合凝集素（MBL，绿色）特异性结合病原体上保守的碳水化合物阵列，激活与MBL相关的丝氨酸蛋白酶（MASPs，蓝色）。MASPs裂解C2和C4，生成C3转化酶，如经典途径所示。在替代途径中，C3经历自发水解生成C3(H2O)，该物质结合血清因子B。结合到C3(H2O)的B因子被血清因子D裂解，产生的C3(H2O)Bb复合物形成一个流体相C3转化酶。一些C3b，在通过这个复合物裂解C3后释放，结合到微生物表面。在那里，它结合因子B，被因子D裂解，形成细胞结合的替代途径C3转化酶C3bBb。这个复合物被适当蛋白稳定。C5转化酶是通过向每个C3转化酶添加一个C3b片段形成的。
经典途径由抗体结合抗原启动
经典途径的补体激活被认为是适应性免疫反应的一部分，因为它始于抗原-抗体复合物的形成。这些复合物可能是可溶的，或者它们可能在抗体与病毒、真菌、寄生虫或细菌细胞膜上的抗原决定簇或表位结合时形成。可溶性抗体-抗原复合物通常被称为免疫复合物。只有由IgM类抗体或某些IgG抗体亚类形成的抗原-抗体复合物才能激活经典补体途径。初始激活涉及这些抗体-抗原复合物与补体成分C1、C2和C4的相互作用，这些成分通常以非活性前体或酶原的形式存在于血浆中。
抗原-抗体复合物的形成诱导抗体分子的非抗原结合(Fc)部分发生构象变化。这种构象变化暴露了抗体对C1成分的结合位点。在血清中，C1以一个大分子复合物存在，由一个C1q分子和两个丝氨酸蛋白酶C1r和C1s分子组成，它们在Ca2+稳定的复合物(C1qr2s2)中聚集在一起。C1q分子本身由18个多肽链组成，它们聚合形成六个胶原样的三螺旋臂，这些臂的尖端结合抗原结合抗体的C1q结合位点。
图5-3 C1大分子复合物的结构。C1q与两个C1r和两个C1s相互作用形成C1复合物。C1q分子由18个多肽链组成，形成六个胶原样的三螺旋。每个C1大分子复合物必须至少与两个抗体恒定区域结合，才能发生稳定的C1q-抗体相互作用。在血清中，IgM以基本的四链免疫球蛋白结构的五聚体存在。在循环的、非抗原结合的IgM中，抗原结合臂以星形从中心的轻微凸起的核心向外延伸。图5-4a显示了带有C1q结合位点（白色）的五聚体单位。图5-4b从侧面展示了同一分子的投影，说明了分子中心的轻微凸起。在这种相对平面的构象中，C1q结合位点不易被C1q配体接近。然而，当五聚体IgM与多价抗原结合时，它经历了显著的构象变化，呈现出“订书钉”配置（图5-4c），并暴露了至少三个C1q结合位点。因此，参与抗体-抗原复合物的IgM分子可以结合C1q，而循环的、非抗原结合的IgM则不能。
与五聚体IgM相比，单体IgG每个分子只含有一个C1q结合位点。尽管这个C1q结合位点是暴露的，但在抗体聚合作用不存在的情况下，其亲和力太低，无法允许补体激活。最近的结构分析表明，当IgG抗体与其抗原结合时，抗原结合的抗体的Fc部分的残基参与Fc-Fc结合到相邻IgG分子，导致形成能够与C1q高亲和力结合并激活补体的IgG六聚体（图5-4d）。尽管较小的IgG复合物能够在某种程度上激活补体，但它们对C1q的较低亲和力将相应降低补体活性的程度。
C1q还能够直接结合许多配体，独立于IgM或IgG，从而激活补体级联反应。例如，它可以与与细菌上暴露的磷酸胆碱残基复合的C反应蛋白结合。它还可以结合组织损伤元素，如DNA、annexins A2和A5以及凋亡细胞表面的组蛋白，从而实现调理作用和吞噬。正如我们在“进展框5-2”中稍后将看到的，它似乎还能够结合到不完全突触上尚未定义的分子，促进它们的破坏。
图5-4 五聚体IgM和六聚体IgG的模型，这些模型来源于X射线晶体学数据。(a)五聚体IgM的星形形态，显示了C1q结合位点（白色），在这种平面构象中不易接近。 (b)从侧面看，未与抗原结合的五聚体IgM的形状是准平面的蘑菇形。注意中心的轻微凸起，它阻止了星形分子完全变平。在(b)和(c)部分中，为了更清楚地显示其余分子，已从(a)部分中数字移除了深蓝色的单体。 (c)当IgM与多价抗原的一个以上的表位结合时（红点），它会戏剧性地改变其构象，变成“订书钉”形态，并暴露出C1q的结合位点。 (d)显示了IgG的六聚体复合物的形状。虚线圈出了一个单独的IgG单体和C1q结合的赖氨酸残基，以红色突出显示。
与五聚体IgM不同，单体IgG每个分子只含有一个C1q结合位点。尽管这个C1q结合位点是暴露的，但在抗体聚合作用不存在的情况下，其亲和力太低，无法允许补体激活。最近的结构分析表明，当IgG抗体与其抗原结合时，抗原结合的抗体的Fc部分的残基参与Fc-Fc结合到相邻IgG分子，导致形成能够与C1q高亲和力结合并激活补体的IgG六聚体（图5-4d）。尽管较小的IgG复合物能够在某种程度上激活补体，但它们对C1q的较低亲和力将相应降低补体活性的程度。
C1q还能够直接结合许多配体，独立于IgM或IgG，从而激活补体级联反应。例如，它可以与与细菌上暴露的磷酸胆碱残基复合的C反应蛋白结合。它还可以结合组织损伤元素，如DNA、annexins A2和A5以及凋亡细胞表面的组蛋白，从而实现调理作用和吞噬。
图5-5 经典途径中间产物的概览图，直到C5转化酶的形成
抗源性决定簇以深红色显示，起始组分（抗体和C1q）以绿色显示，活性酶以蓝色显示，过敏毒素以鲜红色显示。
C1q与抗原结合抗体分子的Fc区域的C1q结合位点结合，诱导C1r分子之一发生构象变化。C1r分子的这种构象变化将其转化为活性丝氨酸蛋白酶，然后裂解并激活其伴侣C1r分子。这两个C1r蛋白酶随后裂解并激活两个C1s分子（见图5-5第1部分）。
活化的C1s有两种底物：C4和C2。C4被激活时，C1s水解其链的氨基末端的一个小片段（C4a）。C4b片段通过在C4裂解时暴露的不稳定的内硫酯键与目标膜表面共价结合。C4b与膜的结合发生在C4b的内硫酯键被暴露时，它与细胞膜上的蛋白质或碳水化合物的羟基或氨基发生反应。这一反应必须迅速发生，否则不稳定的硫酯键会进一步水解，再也无法与细胞表面形成共价键（见图5-6）。事实上，在C4b能够与细胞表面结合之前，大约90%的C4b已被水解。C4b还能够与参与抗原-抗体复合物的抗体分子的恒定区域形成共价键。
图5-6 C4b与微生物膜表面的结合通过硫酯键通过暴露的氨基或羟基进行。 (a) C3b和C4b都包含高度反应性的硫酯键，这些键会受到细胞膜蛋白质和碳水化合物上的羟基或氨基的亲核攻击。 (b) 硫酯键的断裂导致膜大分子与补体成分之间形成共价键。 (c) 如果在生成C3b和C4b片段后，共价键的形成没有迅速发生，硫酯键将被水解，如所示。
在C4b与膜表面或免疫复合物结合后，C2变得容易受到邻近C1s酶的裂解。一个较小的C2b片段扩散开来，留下一个在C4b上仍然具有酶活性的C4b2a复合物（图5-5第2部分）。在这个复合物中，C2a是具有酶活性的片段，但它只有在与C4b结合时才具有活性。这个C4b2a复合物，正如我们之前了解到的，是C3转化酶，它将C3转化为其酶活性形式。
膜结合的或免疫复合物结合的C3转化酶酶，C4b2a，现在水解C3，产生两个不均等的片段：小的过敏毒素C3a和至关重要的片段C3b。一个单一的C3转化酶分子可以产生200多个C3b分子，导致经典途径的这一步骤发生巨大的放大。
C3b的产生是补体系统随后反应的重要前体。在C3裂解之前作用的补体成分的缺陷会使宿主极易感染传染性和自身免疫性疾病，而途径后期的组分缺陷通常后果较小。特别是，C3本身缺陷的患者在对抗革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌的感染时异常敏感。这是因为C3b以三种重要且不同的方式保护宿主：
类似于C4b，C3b共价结合到微生物表面，提供了一个分子“标签”，允许具有C3b受体的吞噬细胞吞噬被标记的微生物。这个过程称为调理作用。
C3b可以与参与可溶性抗原-抗体复合物的抗体的Fc部分结合。这些被C3b标记的免疫复合物被吞噬细胞上的C3b受体或红细胞上的受体结合，并被吞噬或运送到肝脏进行破坏。
一些C3b分子与膜定位的C4b2a酶结合，形成三分子的膜结合的C5转化酶复合物C4b2a3b。
凝集素途径是由可溶性蛋白识别微生物抗原启动的
凝集素途径的补体激活，像经典途径一样，通过激活由C4b和C2a组成的C3转化酶进行，然而，它并不依赖于抗体来识别微生物威胁并启动补体激活过程，而是使用凝集素——识别特定碳水化合物组分的蛋白质——作为其特异性受体分子（见图5-7）。由于它不依赖于适应性免疫系统中的抗体，因此凝集素途径被认为是先天免疫的一部分，而不是适应性免疫。
图5-7 凝集素途径的启动依赖于凝集素受体识别微生物细胞表面碳水化合物。凝集素受体，如MBL，结合微生物细胞表面碳水化合物。它们结合MASP家族丝氨酸蛋白酶，这些蛋白酶裂解C2和C4以介导形成凝集素途径C3转化酶。
甘露糖结合凝集素（MBL），第一个被证明能够启动补体激活的凝集素，结合在微生物如沙门氏菌、李斯特菌和奈瑟菌细菌；隐球菌和白色念珠菌真菌；甚至在HIV-1和呼吸道合胞病毒（RSV）等病毒的膜上的紧密排列的甘露糖（糖）残基。MBL的进一步特性表明，它还识别N-乙酰葡萄糖胺、D葡萄糖和L岩藻糖聚合物上的微生物表面。所有这些糖，包括甘露糖，都以定义的三维阵列呈现其相关的羟基组，因此MBL是作为典型的模式识别受体（见第3章）。与MBL在重要免疫级联反应的起始位置一致，MBL水平低的个体容易受到重复的严重细菌感染。
MBL由肝脏组成性表达，属于凝集素家族的凝集素亚类。最近，其他凝集素受体被识别为凝集素途径补体激活的启动因子。这些包括collectin-10和collectin-11以及ficolin家族的几个成员：ficolin-1、ficolin-2和ficolin-3。这些蛋白质共享一个由胶原样三螺旋组成的“柄”，与碳水化合物识别结构相连。识别结构的性质定义了凝集素属于collectin家族还是ficolin家族。在本节中，我们将使用MBL作为凝集素途径启动受体的示例。
在血液中，MBL与MBL相关丝氨酸蛋白酶（MASP蛋白）相关联。已经鉴定出三种MASP蛋白——MASP-1、MASP-2和MASP-3，但大多数MASP功能研究指向MASP-2蛋白作为下一步MBL途径中最重要的参与者。有趣的是，对缺乏编码MASP-1和MASP-3基因的动物进行的实验表明，这些蛋白酶可能在下面讨论的替代途径中发挥重要作用。
MASP-2在结构上与丝氨酸蛋白酶C1s相关，当MBL结合到微生物表面时，相关的MASP-2分子裂解C2和C4，产生我们在讨论经典途径时遇到的C4b2a C3转化酶（见图5-2）。从这一点开始，凝集素途径使用的所有下游组分都与经典途径相同。在比较凝集素途径和经典途径时，我们注意到可溶性凝集素受体取代了抗体作为抗原识别组分，MASP蛋白取代了C1r和C1s在裂解C2和C4、激活C3转化酶中的作用。一旦形成了C3转化酶，凝集素途径的反应就与经典途径相同。凝集素途径的C5转化酶，像经典途径一样，也是C4b2a3b。
凝集素途径是由凝集素如甘露糖结合凝集素或ficolin家族成员与微生物表面碳水化合物的结合启动的。
凝集素提供识别功能，与微生物表面的碳水化合物残基结合。这种结合激活了与凝集素相关的丝氨酸蛋白酶（MASP-2）分子，裂解C4和C2以创建C3转化酶，C2a4b。
与经典途径一样，凝集素途径启动序列的最终结果是生成酶，裂解C3为C3a和C3b，以及裂解C5为C5a和C5b。
替代途径以三种不同的方式启动
替代途径的补体激活，像凝集素途径一样，独立于抗体-抗原相互作用。因此，这条途径也被认为是先天免疫系统的一部分。然而，与凝集素途径不同，替代途径使用一组不同的C3和C5转化酶（见图5-2）。正如我们将看到的，替代途径C3转化酶，C3bBb，由一个C3b蛋白片段和一个在替代途径中独有的分子Bb组成。然后添加第二个C3b以形成替代途径C5转化酶，C3bBbC3b。
最近的调查揭示了替代途径可以以三种不同的方式启动。首先发现的启动模式是“滴答”途径，它使用四种血清成分C3、因子B、因子D和properdin（或因子P）（见表5-2）。已经确定了替代途径的另外两种激活模式：一种是由properdin启动的，另一种是由蛋白酶如凝血酶和激肽释放酶启动的。在经典实验框5-1中，我们讲述了发现properdin的科学家的悲惨故事。
替代途径的发现
科学史的研究向我们展示了科学家们，像其他专业人士一样，通常倾向于仅以已经熟悉和常规的方式思考问题。科学，像艺术和时尚一样，有其流行趋势和“圈内人”，有时那些工作方向与他们领域主流趋势大不相同的人，在他们的同事的思想赶上他们自己的思想之前，很难获得信誉。
Louis Pillemer（图1）就是这种情况，他是properdin的发现者；到其他免疫化学领域的科学家认识到他的发现的力量时，为时已晚。
Louis Pillemer出生于1908年在南非约翰内斯堡。1909年，全家移民到美国，并在肯塔基州定居。Pillemer在杜克大学完成了学士学位，并在同一机构开始上医学院。但在第三年中间，他余生都将困扰的情绪问题首次出现，他离开了。当时，正值大萧条时期，肯塔基州那些能够通过医学基础考试的个体被鼓励照顾没有医生服务的患者。Pillemer恭敬地通过了这次考试，并开始骑马穿越肯塔基州，探访病人并提供当时可用的任何治疗。1935年，他放弃了这种流浪生活，进入了当时西储大学（现在的凯斯西储大学）的研究生院。
在那里，Pillemer获得了博士学位，除了在哈佛和华盛顿特区的军医学校度过一段时间外，他余生都在凯斯西储大学度过，发展成为一名杰出的生物化学家。他更值得注意的成就包括首次纯化了破伤风毒素和白喉毒素，这些毒素与杀死的百日咳病原体一起，用于开发标准的DPT疫苗。
在这些成功后，Pillemer将注意力转向了他最初在研究生期间遇到的补体系统的生物化学。抗体介导的经典途径已经被确定。然而，Pillemer对一些最新实验感到好奇，这些实验表明将人血清与酵母细胞壁的不溶性碳水化合物提取物zymosan混合，会导致补体的第三个重要组成部分C3的选择性丢失（见图2）。他对C3丢失的机制感到好奇，最初将结果解释为C3被选择性吸附到zymosan表面。他认为，如果这是真的，吸附到zymosan可能被用作从血浆中纯化C3的方法。然而，Pillemer最初的主意被证明是不正确的。接下来，他开始研究C3的丢失是否是由于在zymosan表面发生的C3裂解。
皮勒梅尔成功证明了C3确实在葡萄糖表面被拮抗，并进一步展示了C3的拮抗作用仅在pH值为7.0且温度为37°C时发生。这让他猜测血清中的某种酶可能与葡萄糖结合，并导致C3成分的失活。与假设一致的是，当他将血清和葡萄糖混合在17°C时，没有发生在里面。但是，如果他先让血清和葡萄糖发酵在17°C下混合，然后将混合物加热至37°C，C3的近距离效果就和在37°C下直接梯度的一样有效。
接下来，他将酵母与葡萄糖一起在17°C下进行，并离心并从混合物中去除葡萄糖，然后将新鲜的葡萄糖加入到剩余的含有C3的培养基中。高到37°C，但没有发生任何反应，C3保持完好。骨髓中导致C3分裂的酶活性似乎被接触到骨髓的葡萄糖已吸附，并葡萄糖被去除时一起消失。
皮勒梅尔总结，血清中存在的某种因子会被葡萄糖吸附，这对于C3的短路是必要的。他和他的学生及合作者一起吸附了这种成分，将其命名为“适解素”（properdin），源自拉丁语中的“perdere”，意为“破坏”。他在1954年发表的开创性《科学》论文中的实验流程图展示在图2中。适解素，皮勒梅尔还发现了血浆中另一个对于C3关键的热不稳定因子。
皮勒梅尔和合作者进一步将适解素鉴定为一种占碳水化合物缺失0.03%的蛋白质，其活性完全依赖于镁离子的存在。通过一系列精巧的实验，皮勒梅尔展示了这一点新发现因子在与补体相关的抗菌和抗病毒反应中的重要性，以及其在一种称为阵发性睡眠性血红蛋白尿症的疾病中的作用。
从今天的知识来看，我们可以更准确地解释他实验中的现象。适解素与葡萄糖结合，并稳定了补体替代中途径的C3转化酶，从而导致C3途径。事实上，2007年进行的实验表明，适解素与葡萄糖的结合方式类似于它与奈瑟氏菌膜的结合。
皮勒梅尔对适解素的发现以及他对破伤风和白喉毒素的收缩工作应足以奠定其作为世界级生物化学家的重要性。 事实上，他的发现被认为具有足够的普遍兴趣，不仅在于科学媒体上进行了宣传，还登上了大众媒体——《纽约时报》、《周刊时代》和《科利尔》杂志都发表了相关文章和社论。皮勒梅尔并没有夸大其词；记录那个时期科学家们特别指出，皮勒梅尔从未在经过同行评审的科学文献中对其分子提出或宣传过任何超出事实的证实。
然而，在1957年和1958年，科学家罗伯特·纳尔逊（Robert Nelson）提出了对皮勒梅尔（Pillemer）发现的另一种解释。他指出，皮勒梅尔所谓的新蛋白质可能只是针对葡聚糖（zymosan）的天然抗体的混合物。如果情况确实如此，那么皮勒梅尔所做的不过是再次描述了经典补体途径。敏感的生化实验确实显示了在适解素（properdin）制剂中存在低抗SPCR水平的抑制，这使得免疫学界开始怀疑适解素在皮勒梅尔所描述的补体激活中的相关性。
皮勒梅尔对此感到极度沮丧。根据他前研究生、后来成为著名免疫学家的欧文·H·勒波（Irwin H. Lepow）所说，皮勒梅尔的“情绪从未完全稳定过，他的行为突然惊醒，偶尔喝酒，并似乎在尝试药物。” 1957年8月31日，正值适解素争议的里程碑，皮勒梅尔因突然巴比妥牙齿中毒死亡。的死亡被判定为自杀，但没有人知道他是否只是为了寻求短暂的压力，因此意外身亡，还是他真正打算结束自己的生命。
后来的实验表明，在部分封闭的适解素中去除抗葡聚糖酶后，微生物仍然能够催化C3的拮抗，从而验证了皮勒梅尔的发现。此外，皮勒梅尔实验早期所发现的热点因子最初被确定为一种未知的分子，后来被命名为因子B（因子B）。到20世纪60年代末，其他实验室开始进入这一领域，逐渐证实并扩展了皮勒梅尔的发现，这也成为我们今天所说的补体替代激活途径。皮勒梅尔未能亲眼见证其卓越的工作得到肯定，这是免疫学史上令人痛心的悲剧之一。
图5-8 替代途径滴答机制的启动。 (a) C3的自发水解产生C3(H2O)，其与因子B结合使其易于被因子D裂解，形成“流体相C3转化酶”，能够裂解C3为C3a和C3b。 (b) 一些由流体相转化酶生成的C3b分子结合到细胞膜上。C3b像C3(H2O)一样，与因子B结合使其易于被因子D裂解。 (c) 膜结合的C3bBb通过properdin（因子P）的结合而稳定，形成C5转化酶，该酶也通过properdin的结合而稳定。
在血浆中，流体相转化酶裂解许多C3分子为C3a和C3b（图5-8b）。C3(H2O)Bb复合物在健康宿主中不太稳定，并且迅速被降解，因此这种途径被称为“滴答”。然而，如果有感染存在，一些新形成的C3b分子会结合到附近的微生物表面通过它们的硫酯键（见图5-6）。
事实证明，因子B不仅能与C3(H2O)结合形成流体相转化酶，而且还能与C3b片段结合。在微生物感染存在的情况下，因子B结合到新附着在微生物细胞表面的C3b分子（见图5-8b），并且变得容易被因子D裂解，产生C3bBb复合物。这些C3bBb复合物现在位于微生物膜表面。像经典途径的C4b2a复合物一样，细胞结合的C3bBb复合物具有C3转化酶活性，这个复合物现在从流体相C3(H2O)Bb作为主要的C3转化酶。
为了清楚起见，这里有两种C3转化酶在替代途径滴答途径中：一种是启动途径的流体相C3(H2O)Bb，另一种是放大途径并导致微生物破坏的膜结合C3bBb C3转化酶。
细胞结合的替代途径C3转化酶在被properdin（也称为因子P）结合之前是不稳定的（见图5-8c）。一旦被properdin稳定，这些细胞结合的C3bBb C3转化酶复合物迅速在微生物表面产生大量C3b分子。其中许多然后结合因子B，接着被因子D裂解，从而促进更多C3分子的裂解并放大C3b产生的速率。这种放大途径非常快；一旦替代途径被启动，不到5分钟内可在微生物表面沉积超过2×10^6个C3b分子。所有结合在微生物表面的C3b分子都能够募集因子B并放大C3转化酶的浓度，不管C3b最初是通过经典途径、凝集素途径还是替代途径生成的。最近的实验表明，不管启动途径如何，高达90%的沉积C3b分子是通过替代途径的激活产生的。
就像经典和凝集素途径的C5转化酶是由C3b添加到C4b2a C3转化酶复合物形成的一样，替代途径的C5转化酶也是通过向替代途径C3bBb C3转化酶复合物添加C3b形成的。因此，替代C5转化酶具有C3bBbC3b的组成，并且像替代C3转化酶一样，它也通过与properdin的结合而稳定。像经典和凝集素途径的C5转化酶一样，C3bBbC3b裂解C5，进而形成MAC（见表5-3和图5-8c）。
替代途径的properdin激活途径 在上一节中，我们介绍了properdin作为稳定正在进行的替代途径活动的调节因子。然而，最近的数据表明，除了稳定替代途径的活动外，properdin也可能启动它。
体外实验表明，如果properdin分子附着在人工表面并允许其在存在Mg2+的情况下与纯化的补体组分相互作用，固定在位的properdin结合C3b和因子B（见图5-9）。这种结合的因子B被因子D裂解，产生的C3bPBb复合物充当有效的C3转化酶，导致上面讨论的放大过程。因此，看来properdin能够在人工基质上启动替代途径的激活。
图5-9 通过properdin特异性非共价结合到目标膜启动替代途径。Properdin（因子P）结合到微生物膜的组分上，并稳定替代途径的C3bBb复合物的结合。这与滴答途径的区别在于，properdin首先结合并启动补体沉积在膜上。
然而，证明一组反应可以在体外发生并不一定意味着它实际上在体内发生。研究人员接下来调查了properdin是否能够特异性地结合到某些微生物上，包括肺炎衣原体，以及凋亡和坏死细胞表面。一旦结合，properdin确实能够启动替代途径，如上所述。
注意，这条途径依赖于预先存在的低水平的C3b，这必须通过如滴答途径等机制生成。然而，properdin对肺炎衣原体膜的特异性结合表明，与滴答途径的非特异性C3b结合相比，properdin途径可以提供更大的选择性。
替代途径的蛋白酶激活途径 最近的一些精彩工作揭示了凝血和补体级联反应之间不仅存在功能上的相互作用，还有理论上的相似之处。
几十年前，已经显示血液凝固途径涉及的蛋白因子，如凝血酶，可以在体外裂解补体成分C3和C5，释放活性的过敏毒素C3a和C5a。由于这些裂解反应需要相对较高的凝血酶浓度，最初被认为在生理上没有意义。然而，最近在小鼠疾病模型中已经证明，凝血级联的启动可能导致生理上相关的C3和C5的裂解，产生C3a和C5a。
具体来说，在急性肺炎症的免疫复合物模型中，凝血酶裂解C5，释放活性C5a，与其受体结合诱导炎症介质的释放。这种凝血酶介导的C5裂解也在C3基因敲除小鼠中得到证实，其中C5转化酶不可能以通常的方式生成。鉴于这种过敏毒素的促炎作用，C5a的产生将导致炎症状态的进一步放大。后续实验还发现，其他凝血途径酶，如纤溶酶，能够生成C3a和C5a。
然而，应该注意的是，尽管在凝血酶裂解C5后可以形成具有临床相关浓度的C5a，但通过这条路线不会生成具有功能意义的C5b浓度。
有趣的是，当血液中的血小板在凝血反应期间被激活时，它们会释放高浓度的ATP和Ca以及丝氨酸/苏氨酸激酶。这些酶作用于细胞外蛋白，包括C3b的磷酸化。磷酸化的C3b比未磷酸化的形式更不容易被蛋白酶降解，因此，通过这条路线，凝血级联反应的激活增强了所有补体途径。
关键概念：
替代途径滴答途径的启动是当C3与因子B结合，然后容易被因子D裂解为Ba和Bb。Bb片段继续与水解的C3结合，形成流体相C3转化酶。一些由这个转化酶生成的C3b分子粘附在微生物表面；在那里它结合因子B，再次在因子D存在下被裂解，形成膜结合的C3转化酶C3bBb。这个复合物被properdin稳定。
替代途径也可以通过properdin最初结合到细菌表面来激活。
C5a的生成也可以通过凝血酶裂解C5来实现，从而连接凝血和补体级联反应。
替代途径启动序列的最终结果是生成酶，裂解C3为C3a和C3b，以及裂解C5为C5a和C5b。
三条补体途径在C5转化酶形成和MAC生成中汇聚
所有三条启动途径都在C5转化酶形成中汇聚。对于经典和凝集素途径，C5转化酶的组成是C4b2a3b；对于替代途径，C5转化酶的组成是C3bBbC3b。然而，所有类型的C5转化酶活性的最终结果是一样的：C5分子裂解为两个片段，C5a和C5b。
大的C5b片段在靶细胞或免疫复合物的表面生成，并为随后的膜攻击复合物（MAC）的组分提供结合位点。然而，C5b组分非常不稳定，并且不像C3b和C4b那样与膜共价结合。因此，除非它通过与C6的结合稳定，否则它会迅速失活。
图5-10 形成膜攻击复合物（MAC）。 (a) MAC的形成，显示C6、C7、C8和C9组分向C5b组分添加。 (b)体外聚合C9和补体诱导的红细胞膜损伤的多聚C9复合物的显微照片。这些损伤是由MAC形成的。 (c)膜攻击复合物的成员C5b、C6、C7、C8和C9的相对位置。
C5b与血清蛋白C6结合，产生的复合物通过离子和疏水键与细胞膜可逆地相互作用。C7与C5bC6结合引起C7的构象变化，暴露出能够插入微生物膜内部的疏水区域（图5-10a）。C7插入细胞膜是形成膜攻击复合物的触发事件，这将最终导致细胞死亡。然而，如果C6和C7的结合发生在抗原-抗体（免疫）复合物或其他非细胞表面上，那么疏水结合位点将无法锚定复合物，它会被释放。有时这些复合物在被释放之前甚至与C8或C9结合。被释放的膜攻击复合物可能会插入附近细胞的膜中并介导“无辜旁观者”溶解。然而，在生理条件下，这种溶解通常通过调节蛋白最小化；“孤儿”复合物被调节蛋白S（也称为玻璃连接蛋白）结合，然后被破坏。
图5-10 形成膜攻击复合物（MAC）。 (a) MAC的形成，显示C6、C7、C8和C9组分向C5b组分添加。 (b)体外聚合C9和补体诱导的红细胞膜损伤的多聚C9复合物的显微照片。这些损伤是由MAC形成的。 (c)膜攻击复合物的成员C5b、C6、C7、C8和C9的相对位置。
C8由两个肽链组成：C8α和C8β。C8α与C5b67复合物结合引起C8β二聚体的构象变化，使得C8β的疏水区域能够插入到磷脂膜的内部。C5b678复合物能够创建一个小的膜孔，直径为10 Å。形成MAC的最后一步是C9与C5b678复合物的结合和聚合。多达10到19个C9分子可以被单个C5b678复合物结合和聚合。在聚合过程中，C9分子经历了构象转变，使得它们也能够插入到膜中。完成的MAC具有管状形态和功能性孔径为70到100 Å，由C5b678复合物和多聚C9复合物组成（图5-10b和5-10c）。细胞膜完整性的丧失导致细胞死亡。
补体受体将补体标记的病原体连接到效应细胞
许多补体的生物活性取决于补体片段与宿主细胞表面补体组分受体的结合。一些补体受体的水平受先天和适应性免疫系统的调节。例如，各种因子，包括补体系统的过敏毒素，已被证明可以增加吞噬细胞表面的补体受体数量高达10倍。此外，一些补体受体在调节补体活性方面发挥重要作用，通过介导生物活性补体组分的蛋白酶解。
因此，在讨论补体的生物功能之前，我们首先应该熟悉补体组分的受体以及它们的活性。补体组分及其主要配体的受体列于表5-5。如果受体有多个名称，我们在首次介绍时提供了多个名称，并在随后的描述中使用更常用的名称。
关键概念：
补体受体蛋白通过作为桥梁将补体组分与其结合的细胞连接起来，从而介导补体组分的功能。
补体增强宿主对感染的防御
补体蛋白通过形成MAC、调理可能的病原体以及诱导有助于将白细胞引导到感染部位的炎症反应，从而积极参与宿主对感染的防御。
MAC诱导的细胞死亡 补体被描述的第一个功能是其在将MAC插入目标细胞膜后诱导细胞死亡的作用。早期关于MAC形成的实验使用红细胞作为靶细胞，这种情况下报告了涉及17到19个C9分子的大孔。在细胞膜中形成这些孔（见图5-10b和5-10c）有助于小分子和离子自由通过膜。被穿透的红细胞膜无法维持渗透完整性，细胞在大量水分从细胞外液涌入后溶解。
然而，后续使用核糖体真核细胞的研究显示，可以形成更小的孔，这些孔仅由几个C9分子产生，这种情况下死亡是通过钙离子流入细胞质后的程序性细胞死亡（凋亡）发生的。核的断裂是凋亡死亡的标志，在MAC诱导的核糖体细胞溶解过程中观察到，这进一步支持了至少一些MAC靶向细胞会通过凋亡坏死（一种特殊的程序性细胞死亡）而死亡的观点。
使用补体杀死真核细胞实际上是非常困难的，因为这些细胞的质膜有许多因子可以灭活补体蛋白，从而保护宿主细胞在针对感染微生物的补体介导攻击期间免受附带损害。然而，当存在高浓度的补体成分时，MAC可以压倒宿主对MAC攻击的防御。如果细胞碎片的浓度足够高，可能会导致自身免疫反应。事实上，补体介导的损伤在几种自身免疫疾病中都是问题，补体系统被认为是自身免疫综合征治疗的靶标。
细胞能否从MAC攻击中恢复？有充分记录的研究表明，可以从细胞表面移除MAC，要么通过脱落含有MAC的膜囊泡进入细胞外液，要么通过在细胞内溶酶体内部化和降解MAC含有的囊泡。如果MAC在最初表达在膜上后不久就被脱落或内化，细胞可以修复任何膜损伤并恢复其渗透稳定性。
这种从MAC攻击中恢复的能力的一个不幸的副作用是，针对肿瘤特异性抗体的补体介导溶解可能因内化或脱落MAC而变得无效。更具戏剧性的是，最近的研究表明，亚致死数量（即不足以引起溶解）的MAC复合物在真核细胞表面的组装可以导致细胞周期进展的诱导和抑制凋亡！
促进调理作用
正如我们所了解到的，术语调理作用指的是抗体和补体组分（以及其他蛋白质）对危险抗原的包被，然后这些抗原能够被吞噬细胞上的Fc受体（针对抗体）或补体受体（针对补体组分）识别。补体包被的抗原与吞噬细胞结合，导致补体受体介导的吞噬作用和抗原破坏（见图5-13）。此外，红细胞上的补体受体也有助于结合免疫复合物，然后将这些复合物运送到肝脏，由巨噬细胞吞噬清除。尽管调理作用在视觉上不如MAC形成那么引人注目，但它可能是补体组分承担的生理上最重要的功能。
图5-13 通过补体组分和抗体调理微生物细胞。吞噬作用是由巨噬细胞和中性粒细胞表面的许多不同的补体受体介导的，包括CR1、SIGN-R1和C1qRp。吞噬细胞还利用其Fc受体结合抗体调理的抗原。
调理作用与抗体和补体一起，为抵御病毒感染提供了关键保护。抗体和补体可以在病毒周围形成一个厚实的蛋白质涂层，通过阻止病毒与宿主细胞上的受体结合，来中和病毒的传染性。然后它们通过激活的巨噬细胞上的Fc和补体受体促进吞噬作用，随后在细胞内破坏消化颗粒。
最近的研究表明，补体还可以通过另一种机制保护细胞免受某些病毒（如腺病毒）的细胞内感染。进入细胞的病毒，无论是有或没有抗体，只要表面覆盖有补体，就能从内质网系统中逃逸并进入细胞质。在那里，每个病毒粒子周围的C3和/或C4分子外壳激活了蛋白质降解的蛋白酶体系统，导致病毒破坏。此外，补体还向细胞发出信号，表明其防御已被破坏，并通过上调转录因子NF-κB、AP-1和IRF3/5/7来激活保护性蛋白的合成。
促进炎症
到目前为止，我们专注于补体因子裂解产生的较大产物的作用：C3b和C4b在调理作用中的作用，以及C5b在形成MAC中的作用。然而，C3和C5裂解的较小片段——C3a和C5a——也介导了至关重要的事件，它们作为过敏毒素或诱导炎症的因子。
C3a和C5a结构相似，是促进炎症和作为某些白细胞类的趋化因子的小型蛋白质（约9 kDa大小）。C3a和C5a分别通过G蛋白偶联受体（C3aR和C5aR）与粒细胞、单核细胞、巨噬细胞、肥大细胞、内皮细胞和某些树突细胞结合（见图5-12）。这些过敏毒素与其受体的结合触发了一个信号传导级联，导致可溶性促炎介质（如IL-6和TNF-α）的分泌。这些细胞因子引起局部血管通透性的增加，促进白细胞迁移到感染部位，并伴随着平滑肌运动的增加，有助于将释放的液体推向损伤部位。此外，过敏毒素受体结合促进了中性粒细胞（中性粒细胞、嗜碱性粒细胞和嗜酸性粒细胞）的脱颗粒，以及随后释放的第二轮炎症介质（如组胺和前列腺素）。炎症介质促进淋巴细胞进入邻近淋巴结，在那里它们被病原体激活。这种局部炎症反应得到系统效应的支持，例如发热，这会降低微生物的活性。
关键概念：
补体组分通过形成导致感染微生物死亡的膜攻击复合物来帮助宿主防御感染。
补体在调理细胞以便巨噬细胞吞噬方面的作用可能是其最重要的功能。
过敏毒素C3a和C5a促进局部炎症反应，加速白细胞进入感染区域。
补体在先天免疫和适应性免疫之间的作用
补体系统的成分通过多种机制调节适应性免疫。这些机制中的许多最近才被描述，而关于补体组分和调节蛋白的结合如何影响抗原呈递细胞、T细胞和B细胞的研究仍处于初期阶段。
补体和抗原呈递细胞 树突细胞（DCs）、滤泡树突细胞（FDCs）和巨噬细胞都表达许多已知的补体受体。当与抗原结合时，MBL、C1q、C3b和C4b每个都能与抗原呈递细胞上的相应受体结合，在抗原识别过程中通过各自的受体发出信号，从而增强抗原的摄取。
此外，通过C5aR（过敏毒素C5a的受体）对抗原呈递细胞的信号传导已被证明可以调节它们的迁移并影响它们白介素的产生，特别是细胞因子IL-12的产生。抗原呈递细胞产生的IL-12通常会使T细胞反应向T1表型倾斜（见第10章）。由于在抗原传递的途径、抗原的性质以及抗原呈递细胞的成熟状态不同，激活过敏毒素受体后，IL-12的产生被诱导和抑制，因此我们必须推断许多信号通路被整合以得到对抗原和补体组分的最终生物学反应。
补体和B细胞介导的体液免疫 早期实验表明，耗尽小鼠的C3会损害它们的T细胞依赖的抗原特异性B细胞反应，这意味着补体可能参与了B细胞反应的启动。现在看来，这一开创性观察是首次描述补体受体CD21作为抗原识别的共受体，这一点前面已经描述过（见“补体受体将补体标记的病原体连接到效应细胞”部分）。
补体和T细胞介导的免疫
最近的研究表明，补体在质量控制新从胸腺释放的T细胞中发挥作用。血清中一种特殊亚类的B细胞分泌的IgM抗体与细胞表面碳水化合物的反复模式结合。这些B细胞位于先天和适应性免疫系统的界面，被称为“天然抗体”。当T细胞在胸腺成熟时，其细胞表面碳水化合物的唾液酸残基数量增加。在正常情况下，新近胸腺移民（RTEs）的细胞表面被这些带负电的唾液酸残基覆盖，这些残基保护RTEs免受天然IgM抗体的结合。唾液酸残基还有助于结合可溶性的补体活性抑制因子，如因子H。RTEs离开胸腺的速度与正常情况一样，但由于NKAP缺乏导致唾液酸水平低，它们无法在外围存活到完全成熟。这些T细胞被证明与血清IgM结合，并被补体溶解。进一步分析表明，NKAP水平低影响了它们的存活，因为它们不仅容易被天然IgM抗体结合，而且在缺乏NKAP的情况下，这些RTEs也无法表达细胞膜补体抑制蛋白CD55。最后，在缺乏足够唾液酸的细胞表面碳水化合物的情况下，有缺陷的RTEs无法结合到可溶性的补体激活抑制因子，如因子H。这意味着，一旦补体级联反应被天然IgM抗体结合所启动，在缺乏膜结合或可溶性抑制蛋白的情况下，补体级联反应会迅速完成。因此，补体被用来提供一个质量控制检查，以确保即将离开胸腺的T细胞是完全成熟的。
此外，缺乏C3基因的小鼠的CD4和CD8 T细胞反应减少，最近的发现为这一现象提供了线索。T1 CD4 T细胞持续产生低水平的细胞内C3a和C3b，C3a的产生已被证明对T细胞存活至关重要。当T细胞通过其抗原受体被激活时，它会分泌C3a和C3b片段。小的过敏毒素C3a与T细胞膜上的受体结合，并诱导该T细胞分泌支持T1反应的促炎细胞因子。此外，T1 T细胞的生长和存活也已显示依赖于C3b片段与细胞表面分子CD46的相互作用。有趣的是，在T1免疫反应结束时，也有证据表明T细胞持续产生这些补体组分在免疫反应的收缩阶段很重要，因为补体片段已被证明可诱导T1 T细胞群在开始关闭并接近凋亡时产生IL-10。
C5也已被牵涉到T细胞反应中，因为用C5aR信号抑制剂处理的小鼠在流感病毒感染后产生的抗原特异性CD8 T细胞比野生型小鼠少。这表明C5a可能在CD8 T细胞激活期间充当共刺激因子，可能通过增加抗原呈递细胞产生的IL-12。这些实验表明，通过补体组分的信号传导可能对T细胞介导的适应性免疫反应有积极影响。
因此，除了在T细胞发育过程中发挥监视作用并在T细胞成熟失败时帮助消除这些T细胞外，补体还被证明影响成熟T细胞的激活。
关键概念：
补体组分与抗原呈递细胞的结合增强了它们的吞噬能力，并调节了细胞因子的分泌。
补体组分通过增加B细胞与补体结合抗原结合的亲和力来增强B细胞介导的免疫反应。
未成熟的T细胞免受天然抗体和补体介导的溶解，因为它们的细胞表面糖蛋白上提供了额外的唾液酸残基。有缺陷的T细胞没有这层保护层，因此补体参与了T细胞发育过程中的质量控制机制。
C3a、C5a和C3b与成熟T细胞上的相应受体的结合促进了它们的生长、分化和存活。
补体有助于免疫反应的收缩阶段
在适应性免疫反应的收缩阶段，大多数在初始增殖阶段产生的淋巴细胞会经历凋亡（程序性细胞死亡），只留下少数具有抗原特异性的细胞以提供免疫记忆。我们称这个阶段为免疫反应的收缩阶段。在这个阶段，可溶性抗原-抗体复合物可能仍然存在于血液和免疫器官中。为了避免自身免疫疾病，这些多余的淋巴细胞和免疫复合物必须被安全地处理掉，而不引起进一步的炎症，补体组分在这些过程中发挥了重要作用。
凋亡细胞和尸体的处理 凋亡细胞在它们的细胞膜外部表达磷脂酰丝氨酸。在健康细胞中，这种磷脂通常限制在膜的细胞质侧，当细胞进入凋亡时，其位置的变化向免疫系统发出信号，表明细胞正在死亡。暴露的磷脂酰丝氨酸随后被血清蛋白annexin A5识别，该蛋白反过来被C1q识别。核的断裂、DNA的切割和DNA在细胞表面的表达也是凋亡的标志，最近的研究表明C1q能够特异性地与DNA以及在垂死细胞和凋亡碎片表面暴露的糖蛋白和磷脂结合（见图5-14）。一旦凋亡开始，垂死的细胞被分解成称为凋亡小体的膜结合囊泡，这些凋亡小体也在它们的外部膜表面上表达磷脂酰丝氨酸和/或DNA。
C1q的结合促进了凋亡细胞和凋亡小体的吞噬作用，通过C1qR（C1q受体）在吞噬细胞上的识别直接进行，或者在启动经典补体途径后间接进行，导致C3b沉积在垂死细胞和小体上。然后，吞噬作用也通过巨噬细胞上的CR1受体识别沉积的C3b进行介导。
在缺乏C1q的情况下，凋亡的膜小泡从垂死的细胞中释放出来作为凋亡小体，这些小体可以作为抗原并引发自身免疫反应。因此，C1q基因敲除小鼠与对照小鼠相比，显示出更高的死亡率和更高的自身抗体滴度，并且也显示出更高频率的肾小球肾炎，这是一种自身免疫性肾脏疾病。分析C1q基因敲除小鼠的肾脏发现免疫复合物的沉积以及大量的凋亡小体。
免疫复合物的处理
如前所述，将可溶性免疫复合物与C3b结合有助于它们与红细胞上的CR1受体结合。尽管红细胞表达的CR1（每细胞100-1000分子，取决于细胞的年龄和宿主的遗传构成）低于粒细胞（每个细胞5×10^5分子），但由于红细胞与白细胞的比例约为1000:1，因此红细胞占血液中CR1的约90%。红细胞因此在通过将C3b包被的免疫复合物运送到肝脏和脾脏来清除C3b包被的免疫复合物方面发挥重要作用，在那里免疫复合物从红细胞上被剥离并被巨噬细胞吞噬（见图5-15）。
图5-15 循环免疫复合物通过与红细胞补体受体结合，随后在肝脏和脾脏中被巨噬细胞补体受体剥离的清除。由于红细胞上的CR1受体比巨噬细胞少，后者可以在红细胞通过肝脏或脾脏时将复合物从红细胞上剥离。这一过程的缺陷可能导致肾脏损伤，因为免疫复合物的积累。
补体活性的调节
所有具有损伤宿主潜力的生物系统都受到严格的调节机制的约束，补体系统也不例外。特别是考虑到替代途径缺乏抗原特异性的潜在正反馈机制，必须存在机制以确保补体蛋白的破坏潜力仅限于适当的病原体表面，并将对健康宿主组织的附带损害最小化。
补体活性通过短蛋白半衰期和宿主细胞表面组成被动调节
许多补体成分的相对不稳定性是宿主保护自己免受长时间意外补体激活的第一个手段。例如，替代途径的C3转化酶，C3bBbC3b，其半衰期仅为5分钟，除非它与properdin反应稳定。第二个被动调节机制取决于宿主与微生物细胞表面碳水化合物组成的差异。例如，破坏C3b的流体相蛋白酶与宿主细胞的结合效果要比与微生物结合的效果好得多，因为宿主细胞表面含有较高水平的唾液酸，而微生物的这种糖的含量显著较低。（我们在“补体和T细胞介导的免疫”部分中遇到了这种机制，其中我们描述了补体在确保未适当发育的T细胞被破坏中的作用）。因此，任何偶然落在宿主细胞上的C3b分子都可能在造成重大损害之前被降解。
除了这些更被动的环境制动器来防止不适当的补体激活外，一系列主动调节蛋白发挥作用，以抑制、降解或减少补体蛋白及其片段在宿主细胞上的活性。补体活性受到调节的阶段如图5-16所示，调节蛋白列于表5-6中。
关键概念：
补体活性通过被动和主动机制进行调节。
许多关键补体成分在组织液中的半衰期很短。
C1抑制剂促进C1组分的解离
C1抑制剂是一种血浆蛋白，能够与丝氨酸蛋白酶的活性位点结合，有效地使它们失活。C1INH属于称为丝氨酸蛋白酶抑制剂（serpins）的蛋白质类别，它通过与蛋白酶C1r2s形成复合物，导致其从C1q解离，阻止C4或C2的进一步激活（见图5-16a）。C1INH抑制经典途径的丝氨酸蛋白酶和凝集素途径的MASP-2。它是唯一能够抑制经典和凝集素补体途径启动的调节蛋白，其在血浆中的存在限制了它们可以保持活性的时间。
关键概念：
C1INH是一种丝氨酸蛋白酶抑制剂，它抑制经典途径的C1r2s丝氨酸蛋白酶和凝集素途径的MASP-2蛋白酶，阻止C4和C2的进一步激活以及C3转化酶的形成。
衰减加速因子促进C3转化酶的衰减
由于C3转化酶催化的反应是补体激活中的主要放大步骤，因此两种C3转化酶C4b2a和C3bBb的生成和寿命受到特别严格的控制。膜结合的衰减加速因子，或DAF（CD55），加速了宿主细胞表面的C4b2a C3转化酶的衰减。为了完成其工作，DAF需要CR1和C4BP（C4结合蛋白）的辅助因子（见图5-16b）。这些衰减加速蛋白协同作用，加速C4b2a复合物分解为其单独的组分。C2a在没有C4b的情况下不活跃，会扩散开来，残留的膜结合C4b被另一个调节蛋白因子I降解（见图5-16c）。
在替代途径中，DAF和CR1以类似的方式发挥作用。然而，它们代替C4BP与因子H结合，分离替代途径C3转化酶中的C3b组分和Bb伴侣（见图5-16b）。同样，不活跃的Bb扩散开来，残留的C3b被降解（见图5-16c）。
5-16
虽然DAF和CR1是膜结合成分，因此它们的表达限制在宿主细胞上，因子H和C4BP是可溶性调节补体成分的辅因子。因子H的宿主特异性功能通过其与细胞表面如唾液酸和肝素这样的负电荷碳水化合物的结合来确保，这些是真核细胞而不是原核细胞的重要组成部分。同样，C4BP优先与宿主细胞膜蛋白聚糖如硫酸肝素结合。通过这种方式，宿主细胞受到保护，免受补体成分的沉积；相比之下，缺乏DAF和CR1表达并且无法结合因子H或C4BP的微生物入侵者则完全易受补体介导的攻击。然而，正如我们将看到的，有时微生物会劫持这些旨在确保宿主细胞保护的机制，并用它们来保护自己。
关键概念：
任何落在宿主细胞上的C3转化酶复合物（经典和凝集素途径的C4b2a或替代途径的C3bBb）都被宿主细胞膜蛋白DAF降解，DAF与要么在宿主细胞膜上表达、要么特异结合到宿主细胞膜的辅助因子协同作用。
因子I降解C3b和C4b
因子H、C4BP和CR1也是补体调节的第二种机制：因子I催化的机制中的辅助因子。因子I是一种可溶的、始终活跃的丝氨酸蛋白酶，能够裂解膜结合的C3b和C4b成非活性片段（见图5-16c）。
然而，如果因子I确实是可溶的、始终活跃的，并且旨在破坏C3b和C4b，人们可能会想知道补体级联反应如何能够成功地摧毁入侵的微生物。答案再次是，因子I需要这些同样的宿主细胞特异性辅助因子才能发挥作用。因此，膜结合C3b在宿主细胞上的裂解是由因子I与膜结合宿主细胞蛋白MCP和CR1以及可溶性辅助因子因子H协同作用完成的。同样，膜结合C4b的裂解也是由因子I完成的，这次是与膜结合MCP和CR1以及可溶性辅助因子C4BP协同作用完成的。
由于这些膜结合或膜结合的辅助因子不存在于微生物细胞上，C3b和C4b因此在它们落在宿主细胞上时被破坏，但被允许留在微生物细胞上并发挥其特定功能。
最近，已经鉴定出与因子H有不同程度补体调节活性的六个蛋白质。它们的活性和调节目前正在仔细研究中。有趣的是，因子H及其相关蛋白质的遗传变异与年龄相关性黄斑变性等慢性炎症性疾病有关。
关键概念：
因子I是一种可溶的、始终活跃的丝氨酸蛋白酶，它只能在与宿主细胞膜上的必要辅助因子相关联时裂解C3b和C4b成非活性片段。
辅助因子MCP在淋巴细胞进入凋亡时丢失，从而允许C3b沉积在垂死细胞表面并随后被吞噬。
CD59（保护蛋白）抑制MAC攻击
在特别强大的抗体反应或伴随广泛补体激活的炎症反应中，可能会发生对健康宿主细胞的不当MAC组装，机制已经进化来防止由此产生的意外宿主细胞破坏。宿主细胞表面蛋白CD59（保护蛋白）与可能沉积在宿主细胞上的任何C5b678复合物结合，并阻止它们插入宿主细胞膜。CD59还阻止向发展中的MAC中添加更多的C9。此外，可溶性补体S蛋白，也称为玻璃连接蛋白，结合任何从微生物细胞释放的流体相C5b67复合物，防止它们插入宿主细胞膜。
CD59和DAF都是通过糖基磷脂酰肌醇锚定在膜上的膜相关分子。罕见的基因突变PIGA阻止受影响个体附加这些锚，因此这些患者遭受补体活性的失调。专门针对补体组分以帮助解决患有补体相关疾病个体症状的药物开发在临床焦点框5-3中描述。
临床焦点框5-3 补体系统作为治疗靶标
补体衍生的过敏毒素在炎症中的参与使补体成为治疗炎症性疾病（如关节炎）治疗的有趣靶标。此外，可能导致补体介导的宿主细胞损伤的自身免疫疾病（如多发性硬化症和年龄相关性黄斑变性）也是补体治疗干预的潜在候选者。
在过去的三十年中，已经对几种补体成分进行了晶体化和分子表征，这是开发针对特定蛋白质的定制药物的必要前提。到目前为止，已经批准了三种针对干扰补体组分的疗法用于临床使用，还有几种正在进行临床或临床前试验。已经在临床中的疗法是专门针对和调节补体蛋白C5（两种不同的药物）或因子D的抗体或抗体部分。
迄今为止，最成功的与补体相关的治疗是专门针对由补体级联失调引起的疾病。阵发性夜间血红蛋白尿（PNH）表现为红细胞脆性增加，导致慢性溶血性贫血、全血细胞减少（所有类型的血细胞丢失）和静脉血栓形成（血块形成）。PNH的名称来源于尿液中出现血红蛋白，通常在一夜睡眠后首次排尿时观察到。PNH的原因是一种普遍的细胞表面蛋白合成缺陷，这影响了两种补体调节蛋白的表达：DAF（CD55）和CD59（保护蛋白）。
DAF和CD59是作为补体介导的细胞溶解的抑制因子，作用于补体介导细胞溶解过程的不同阶段。DAF诱导经典、凝集素和替代途径的C3转化酶的解离和失活（见图5-16）。CD59在途径中的作用较晚，通过与C5b678复合物结合并阻止C9的结合，从而防止形成破坏被攻击细胞的膜孔。
缺乏这些蛋白会导致宿主细胞对补体介导的溶解敏感，并与血栓形成的风险增加有关。
CD59和DAF通过糖基磷脂酰肌醇（GPI）锚而不是像许多膜蛋白那样通过疏水氨基酸链附着在细胞膜上。大多数PNH患者的一个酶亚单位，称为磷脂酰肌醇糖苷类A（PIG-A），缺乏将GPI锚附着到适当蛋白的表达。PIG-A基因位于X染色体上，这部分X染色体在女性中被沉默，这意味着每个细胞只有一个基因副本。因此，该副本的缺陷意味着患者缺乏保护红细胞免受溶解所需的DAF和CD59的表达。术语“阵发性”指的是红细胞溶解的发作通常是由压力或感染触发的，这导致C3b在宿主细胞上的增加沉积。
PNH是一种慢性疾病，平均生存时间为诊断后10至15年。PNH患者最常见的死亡原因是影响肝脏静脉的血块，以及进行性骨髓衰竭。
2004年，PNH治疗取得了突破性进展；一种针对补体组分C5的人源化单克隆抗体被用来抑制补体级联反应的最后步骤和膜攻击复合物的形成。这种抗体——依库珠单抗（Soliris）——被注入患者体内，随后监测红细胞丢失的情况。在依库珠单抗治疗期间，患者出现了显著改善（见图1）。用依库珠单抗治疗PNH患者可以缓解血红蛋白尿，逆转由于尿液中蛋白质含量高导致的肾脏损害，并显著降低血栓形成频率。2007年，依库珠单抗被批准用于治疗普通人群中的PNH。
图1 用依库珠单抗治疗PNH患者可以缓解血红蛋白尿。显示治疗前一个月每位患者每月发作天数（左列）以及用依库珠单抗治疗12周期间（右列）的发作天数。【数据来自P. Hillmen等人，2004年。依库珠单抗治疗阵发性夜间血红蛋白尿。新英格兰医学杂志350:552。】
由于控制脑膜炎奈瑟菌（N. meningitidis）感染依赖于完整且功能正常的膜攻击复合物（MAC），因此接受依库珠单抗治疗的患者通常会接种脑膜炎奈瑟菌疫苗。
PNH的病理学强调了激活补体系统固有的潜在危险。保护宿主细胞免受激活的补体复合物攻击的调节系统是必需的，并且这些调节剂的表达或有效性的变化可能导致病理结果。
补体级联反应中C3的中心地位可能表明它将是治疗干预补体介导疾病的理想靶标。然而，其在三条途径交汇处的位置意味着干扰C3活性会使患者面临增加的感染疾病风险，通常由先天和适应性免疫系统控制，因此针对C3的全身性药物可能具有过高的风险效益比。
然而，科学家们最近成功开发了专门针对C3的药物治疗，这些药物专门针对攻击特定器官的补体介导疾病。一种药物，Compstatin，是通过实验发现与C3特异性结合的化合物而开发的。随后进行了基于结构和计算研究的化学改进，Compstatin衍生物POT-4目前正在进行第二阶段临床试验，用于治疗年龄相关性黄斑变性，这是一种进行性和使人衰弱的眼病，导致迅速且不可避免的完全失明。因为POT-4可以直接送入眼玻璃体，所以将系统副作用对患者的免疫系统的影响降到最小。第二种针对C3的药物AMY-101目前正在进行临床前试验，并且已被欧洲药品管理局和美国食品及药物管理局授予治疗C3肾小球病（C3G）的孤儿药地位，这是一种影响肾脏小球的罕见疾病，由替代途径补体激活失调引起。
关键概念：
在宿主细胞表面沉积的MAC通过一种称为CD59（保护蛋白）的蛋白被阻止。
羧肽酶可以灭活过敏毒素C3a和C5a
过敏毒素活性通过血清羧肽酶从C3a和C5a的羧基末端精氨酸残基的裂解来调节，导致其过敏毒素活性迅速失活（见图5-16e）。羧肽酶是一类从蛋白质羧基末端移除氨基酸的酶；调节过敏毒素活性的特定酶是羧肽酶N、B和R。这些酶从C3a和C5a的羧基末端移除精氨酸残基，形成所谓的无精氨酸（des-Arg）的非活性形式的分子。此外，如上所述，C5a与C5L2的结合也有助于调节C5a的炎症活性。
关键概念：
过敏毒素通过宿主特异性羧肽酶失活。
补体缺陷
已经描述了每种补体成分的遗传缺陷。经典途径早期成分（C1q、C1r、C1s、C4和C2）的纯合子缺陷导致类似的症状，特别是免疫复合物疾病如SLE、肾小球肾炎和血管炎的显著增加。这些缺陷的影响强调了C3b在清除免疫复合物中的作用。此外，如前所述，C1q已被证明可以结合凋亡细胞和细胞碎片。在缺乏C1q结合的情况下，凋亡细胞可以作为自身抗原，导致如SLE这样的自身免疫疾病的发展。补体早期成分缺陷的个体也可能遭受来自革兰氏阴性和革兰氏阳性、化脓性（脓液形成）细菌如链球菌和金黄色葡萄球菌的反复感染。这些细菌通常对MAC的溶解作用有抵抗力，但早期补体成分通过介导局部炎症反应和调理细菌在控制此类感染中很重要。
MBL缺陷在人群中相对常见，导致婴儿和儿童发生严重的发热性（发烧诱导）感染。MBL缺陷的儿童遭受反复的呼吸道感染。MBL缺陷的个体在SLE患者中的频率比正常个体高两到三倍，某些突变形式的MBL在慢性乙型肝炎携带者中普遍存在。
因子D和properdin——替代途径的早期成分——的缺陷似乎与脑膜炎奈瑟菌感染有关，但与免疫复合物疾病无关。
C3缺陷的个体表现出严重的临床表现，反映了C3在调理作用和形成MAC中的核心作用。第一个被确认为C3缺陷的个体是一个患有频繁严重细菌感染导致脑膜炎、支气管炎和肺炎的孩子，最初被诊断为无丙种球蛋白血症。在测试显示正常的免疫球蛋白水平后，发现了C3缺陷。这个案例突出了补体系统在将体液抗体反应转化为有效的宿主防御机制中的关键作用。大多数C3缺陷的个体有复发性细菌感染，也可能表现出免疫复合物疾病。
C4水平在人群中变化很大。编码C4的基因位于主要组织相容性位点（见第7章），C4基因的数量因人而异，从两个到六个不等。基因拷贝数低与血浆中C4水平较低以及SLE的发病率相应更高有关，原因如前所述。
患有经典途径如C4的完全缺陷的患者比普通人更容易感染肺炎链球菌、流感嗜血杆菌和脑膜炎奈瑟菌等细菌。然而，即使C4基因拷贝数低的患者似乎也能相对很好地抵抗这种感染。有趣的是，C4存在于两种异构体中：C4A和C4B。C4B在结合上述三种细菌的表面方面更有效。
补体末端途径成分的缺陷个体比普通人群更有可能遭受脑膜炎，这表明补体成分C5至C9通过补体介导的溶解对控制脑膜炎奈瑟菌特别重要。这导致了发布公共卫生指南，强调需要为补体末端成分缺陷的个体接种脑膜炎奈瑟菌疫苗。
补体调节蛋白的缺陷也已被报道。如前所述，C1INH，C1抑制剂，通过防止C1过度激活C4和C2来调节经典途径的激活。然而，作为一种丝氨酸蛋白酶抑制剂，它还控制血液中的两种丝氨酸蛋白酶。C1INH缺陷的患者患有一种复杂疾病，包括过量产生活性介质（控制血管直径和完整性的分子），进而导致组织肿胀和细胞外液积聚。临床上的结果是遗传性血管水肿。它通常表现为局部组织水肿，经常在创伤后发生，但有时也会无缘无故地发生。水肿可能在皮下组织内；在肠道内，引起腹痛；或在上呼吸道内，可能导致致命的气道阻塞。C1INH缺陷是一种常染色体显性条件，在人类人口中的频率为1/1000。
在人类和实验动物中对补体成分的纯合子缺陷的研究提供了有关各个补体成分在免疫中作用的重要信息。这些初步观察通过使用基因敲除小鼠的研究得到了显著增强，这些小鼠经过基因工程改造，缺乏特定的补体成分。对这些动物体内补体活性的研究允许对复杂的补体蛋白系统进行剖析，并为每个补体成分分配确切的生物学角色。
患有补体缺陷的患者经常表现出免疫复合物疾病，并遭受由脑膜炎奈瑟菌等包膜细菌引起的感染的不成比例的影响。
对于大多数补体缺陷，存在动物模型，缺乏特定补体成分的基因敲除动物对于剖析各个成分在免疫反应中的作用至关重要。
微生物补体逃避策略
补体在宿主防御中的重要性通过微生物演化出的逃避补体攻击的策略的数量和多样性清楚地说明了。革兰氏阳性菌已经发展出厚的细胞壁和胶囊，使它们能够摆脱MAC的插入，而其他细菌物种则逃入细胞内 vacuoles 中以逃避免疫检测。然而，这两种一般策略对微生物来说能量密集，许多微生物已经采用了更具体的补体逃避策略以逃避破坏。
在本节中，我们在概念层面上讨论了补体微生物逃避，对微生物演化出的逃避这种免疫反应效应机制的各种方法进行了分类。然而，应该强调的是，不同的微生物将使用这个策略菜单中的变化选择。
许多病毒干扰经典补体途径的第一步，在抗体的Fc区域合成蛋白质和糖蛋白，从而阻止补体结合。一些病毒还产生蛋白质，增强从病毒感染细胞表面清除抗体-抗原复合物的速率和/或制造诱导病毒蛋白-抗体复合物快速内化的蛋白质。
由于高度特异性的蛋白质-蛋白质相互作用在补体成分之间是补体级联工作的核心，因此微生物已经进化出干扰这些结合反应的机制是合乎逻辑的。金黄色葡萄球菌保护自己免受补体攻击的机制已经得到了特别好的研究，但抑制补体蛋白之间相互作用的策略并不局限于细菌。在某些人类寄生虫中也检测到了产生抑制补体成分之间相互作用的分子。例如，由某些物种的血吸虫和锥虫产生的蛋白质，补体C2受体三跨膜蛋白，破坏了C2a和C4b之间的相互作用，从而阻止了经典途径C3转化酶的产生。
一些微生物产生蛋白酶来破坏补体成分。这种策略主要由细菌使用，并且存在许多能够消化各种补体成分的细菌蛋白酶。例如，铜绿假单胞菌的弹性蛋白酶和碱性磷酸酶针对C1q和C3/C3b的降解，以及源自链球菌的两种蛋白酶ScpA和ScpB，专门攻击过敏毒素C5a。
链球菌致热外毒素B被发现能够降解补体调节蛋白properdin，导致替代途径C3转化酶在细菌表面的不稳定。真菌也能灭活补体蛋白。机会性人类病原体曲霉菌分泌一种名为Alp1的碱性蛋白酶，能够裂解C3、C4、C5和C1q，以及IgG。由于这种病原体倾向于攻击已经免疫受损的患者，它进一步破坏免疫系统的能力在临床上尤为令人困扰。
几种微生物已经开发出能够结合一种或另一种流体相补体抑制因子C4BP或因子H的能力。例如，化脓性链球菌，一种重要的人类病原体，表达一种名为“M蛋白”的蛋白质家族，能够结合C4BP和因子H。这些调节蛋白在细菌表面的表达导致抑制补体固定作用的后续步骤。
更令人惊讶的是，一些微生物似乎从宿主细胞获取了膜结合调节蛋白。从患有胃溃疡的患者身上获得的幽门螺杆菌被发现对CD59呈阳性。CD59通常通过糖基磷脂酰肌醇锚定在宿主膜上，因此这种锚似乎以某种方式从宿主转移到细菌细胞膜上。
许多病毒已经进化出产生与补体调节蛋白的结构和功能非常相似的蛋白质的能力。例如，天花和牛痘病毒表达与补体抑制蛋白，它们结合C3b和C4b并充当因子I的辅因子，从而防止补体激活在病毒膜上发生。除了在病毒基因组内编码补体调节蛋白外，一些病毒还积极诱导宿主细胞内这些蛋白的合成。其他病毒在从宿主细胞出芽时通过将自己隐藏在表达调节补体组分的宿主膜区域来伪装自己。最后，一些病毒通过在病毒膜中掺入高水平的唾液酸来模仿真核细胞膜，从而促进与因子I的辅因子结合，这些辅因子通常只与宿主细胞膜结合。这导致抑制补体激活在病毒表面。
关键概念：
病毒、细菌、真菌和寄生虫中使用的补体逃避策略种类繁多。微生物使用的补体逃避策略的数量和多样性强调了补体作为宿主防御机制的重要性，许多微生物使用不止一种逃避策略。
一些病原体通过与抗体的Fc区域结合干扰免疫球蛋白介导的补体激活的第一步。一些病毒增强了从病毒感染细胞表面清除抗原-抗体复合物的速率。
一些微生物产生专门破坏补体蛋白的蛋白酶。一些微生物产生与补体组分结合的蛋白质，掩盖它们相互作用的位点。一些微生物模仿或直接获取补体调节蛋白以逃避补体介导的破坏。一些病毒诱导宿主细胞内调节蛋白的合成。还有一些病毒通过将唾液酸整合到病毒膜中来伪装自己，模仿真核细胞膜。
补体系统的进化起源
尽管补体系统最初是通过其将抗体结合转化为病原体溶解的能力来表征的，但对补体进化的研究已经确定，补体级联反应中裂解C3、C4和C5成分的蛋白质家族是相对较晚添加到动物基因组中的。因此，无脊椎动物和早期脊椎动物中激活补体级联反应可能最终导致调理作用和通过原始血细胞的吞噬作用。在适应性免疫系统出现之前，非MAC补体成分中，替代途径的蛋白质似乎是最早出现的，其次是凝集素识别系统的成分。一个完整的MAC直到适应性免疫系统出现时才出现（见图5-17和表5-8）。
图5-17 补体成分的进化。三个灰色箭头显示了每条途径出现的时间。彩色箭头反映了每个补体蛋白家族中第一个成员首次出现的时间。基因复制事件的时间，这些事件导致了经典补体途径的形成，由双头箭头表示。
基因组分析已将补体成分分类为五个基因家族，每个家族都具有独特的结构域，使研究人员能够追踪它们的系统发育起源。
首先，这些基因家族编码C1q、甘露糖结合凝集素（MBL）和纤维连接蛋白。在像七鳃鳗（无颚的鱼类状脊椎动物）、海胆和海鞘（海鞘）这样原始的物种中已经鉴定出原型C1q分子的基因。对不同物种中C1q基因簇的分析表明，C1q基因出现在免疫球蛋白基因之前，至少这些C1q蛋白中的一些能够结合特定的碳水化合物，表明它们可能能够区分宿主和病原体。因此，C1q可能在很早的时间点上就表达了识别外来分子的能力，独立于抗体结合，并且类似于MBL和纤维连接蛋白的方式。已经在七鳃鳗中鉴定出甘露糖结合凝集素，因此将MBL的起源至少追溯到早期脊椎动物。实际上，在海鞘中已经描述了功能性凝集素途径。然而，尽管已经在海鞘基因组中鉴定出编码MBL样蛋白的基因，但它们与脊椎动物MBL蛋白的关系尚不清楚。
接下来要讨论的三个基因家族都编码以某种方式涉及裂解补体成分C3、C4和C5的蛋白质。第一个家族由因子B和丝氨酸蛋白酶C2组成；第二个家族包括丝氨酸蛋白酶MASP-1、MASP-2、MASP-3、C1r和C1s；第三个家族包含C3家族成员C3、C4和C5，它们本身不是蛋白酶，但受蛋白酶裂解和激活。
对许多无脊椎动物物种的研究已经表明，大多数（如果不是全部的话）无脊椎动物的基因组只包含这三个基因家族中的每一个的单一副本代表。相比之下，大多数脊椎动物中每个基因家族都发生了一个或多个基因复制事件，表明在早期有颚脊椎动物进化的早期阶段可能发生了基因复制。已经从所有迄今为止分析的无
脊椎动物后口动物中鉴定出每个因子B、C3和MASP家族的基因，唯一的例外是MASP家族基因，它在海胆基因组中缺失。
有趣的是，尽管在一些非常早期的原口动物中已经鉴定出C3和因子B家族的成员——例如，马蹄蟹和毯子壳蛤——但对果蝇或秀丽隐杆线虫的全基因组序列的分析未能找到任何原补体蛋白序列。这与在海葵和珊瑚中存在所有三个家族基因形成鲜明对比，并表明补体系统编码蛋白的能力已经从常见的模型系统果蝇和秀丽隐杆线虫的基因组中特异性丢失了。原口动物和刺胞动物（例如，水母、珊瑚）中缺乏编码补体级联反应后期溶解成分的基因支持了原补体系统通过调理作用发挥作用的假设。
第五个基因家族编码的蛋白质C6、C7、C8α、C8β和C9共同构成末端补体复合物。它们共享独特的结构域，使得分子系统发育分析成为可能。特别是，哺乳动物成分C6、C7、C8α、C8β和C9都含有MAC/perforin（MACPF）结构域，除了其他两个或更多成员共有的结构域。哺乳动物、鸟类和两栖动物共享所有这些基因（鸡基因组序列中缺失的C9基因除外）。尽管尚未在鲨鱼等软骨鱼类中记录完整的MAC蛋白集合，但已经克隆并鉴定了与哺乳动物C8α同源的C8α亚单位的基因。此外，鲨鱼的血清几十年来已知具有溶血活性，对靶细胞表面形成的孔结构的显微分析显示，与MAC攻击引起的跨膜孔结构无法区分。因此，MAC的功能性可能在适应性免疫系统出现后不久就出现了。
基因组分析将这个家族的基因追溯到原口动物、头索动物和脊椎动物分化之前，因为海鞘（原口动物）和文昌鱼（头索动物）拥有原始副本。然而，文昌鱼和海鞘的MAC蛋白不可能以类似于后来脊椎动物的方式发挥作用，因为它们缺乏与C5蛋白相互作用的结构域。有趣的是，有毒海葵的毒素在结构上最接近补体途径的膜攻击复合物蛋白。
总之，补体进化是基于五个基因家族成员的多样化和连续复制，这些基因家族首先响应微生物识别和调理作用的需求而进化，然后，随着适应性免疫系统的出现，通过额外的基因复制和功能适应形成我们今天所知的补体系统。
关键概念：
补体基因属于五个家族。
替代途径成分的基因首先在进化中出现，而编码末端补体成分的基因最后出现。因此，在适应性免疫出现之前，补体通过介导吞噬作用发挥其保护功能。
结论
补体系统由一组血清蛋白组成，其中许多以非活动形式循环，必须首先被裂解或经历构象变化才能被激活。补体蛋白包括起始分子、酶促介质、膜结合成分或调理素、炎症介质、膜攻击蛋白、补体受体蛋白和调节成分。
尽管补体蛋白的基因出现在适应性免疫系统的受体基因之前，但补体蛋白在先天免疫和适应性免疫中都发挥作用。也许最重要的补体介导的效应功能是补体蛋白C1q和C3b，它们作为吞噬作用中的调理素。这些蛋白覆盖微生物表面，并被巨噬细胞上的补体特异性吞噬受体识别。其他补体蛋白作为过敏毒素，带来炎症反应中增强的血流和毛细血管通透性。还有一些补体蛋白构成了膜攻击复合物，该复合物在微生物细胞膜上打孔，有时也在微生物感染的宿主细胞上打孔，导致它们的溶解和死亡。
由于补体系统的破坏潜力，一组严格的调节蛋白与效应蛋白共同演化。这些调节蛋白的作用是将补体介导的损伤限制在微生物靶标上，并将对宿主细胞的附带损害降到最低。补体系统对宿主防御的重要性在微生物演化出的逃避补体介导活性的策略数量和多样性中得到了最好的证明。各种微生物模仿或挪用宿主调节蛋白，专门破坏补体蛋白，或干扰补体蛋白之间的相互作用或与抗体分子的相互作用，随着新微生物的出现，新的逃避策略不断演化。
