第一節 免疫組學(xué)概述
一、免疫組學(xué)的定義
利用組學(xué)技術(shù)研究免疫系統全套分子庫和它們作用的靶分子及其功能的科學(xué)。免疫組學(xué)包括了免疫基因組學(xué)、免疫蛋白質(zhì)組學(xué)和免疫信息學(xué)三方面的研究，特別強調在基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)研究的基礎上，充分利用生物信息學(xué)、生物芯片、系統生物學(xué)、結構生物學(xué)、高通量篩選等技術(shù)，大規模開(kāi)展免疫系統和免疫應答分子機理研究，發(fā)現新免疫相關(guān)分子的功能，為全面系統了解免疫系統和免疫應答提供基礎。蛋白質(zhì)組學(xué)是一個(gè)旨在大規模、高通量、高效率地分離和鑒定構成生物體的蛋白質(zhì)及其功能的新研究領(lǐng)域。免疫蛋白質(zhì)組學(xué)隨著(zhù)蛋白質(zhì)組學(xué)的出現也應運而生，為免疫學(xué)的快速發(fā)展發(fā)揮了重要作用。免疫組學(xué)重點(diǎn)研究免疫相關(guān)的全套分子、它們的作用靶分子及其功能。
免疫蛋白質(zhì)組學(xué)將蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)、鑒定蛋白質(zhì)的高通量性與免疫學(xué)技術(shù)鑒定免疫原的可靠性有機地結合起來(lái)，在病原微生物以及腫瘤免疫原和疫苗候選靶位的研究中有著(zhù)重要應用，已經(jīng)成為該研究領(lǐng)域中最具生命力的技術(shù)手段。免疫蛋白質(zhì)組學(xué)的關(guān)鍵研究技術(shù)包括雙向凝膠電泳 （2-DE）、多維液相層析 （MD-LC）、生物質(zhì)譜技術(shù) （MALDI-TOF/ESIMS）、蛋白質(zhì)芯片、生物信息學(xué)以及蛋白質(zhì)免疫印跡技術(shù)等。這些研究技術(shù)將隨著(zhù)蛋白質(zhì)組學(xué)及免疫學(xué)的發(fā)展而不斷地改進(jìn)和完善，而且新發(fā)展的研究方法也將進(jìn)一步完善免疫蛋白質(zhì)組學(xué)的技術(shù)體系。
二、免疫基因組研究
（一）人類(lèi)免疫相關(guān)新基因及其編碼蛋白質(zhì)的功能研究
目前，雖然基本完成人類(lèi)基因序列的解析，但仍對大量的人類(lèi)基因的功能一無(wú)所知；對多數已知基因的功能一知半解，大量的人類(lèi)新基因和蛋白有待于我們發(fā)掘。在人類(lèi)基因組內，目前我們能夠根據功能識別的免疫相關(guān)分子的數量仍然不多。實(shí)際上，人類(lèi)基因組中編碼免疫相關(guān)的基因數量應該遠大于這個(gè)數量，這有待于我們從基因組中發(fā)掘更多的免疫基因。我們面前的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是如何開(kāi)展免疫相關(guān)功能基因的研究，這將進(jìn)一步從分子水平了解免疫的生理和病理過(guò)程，有助于免疫相關(guān)疾病的發(fā)病機理研究，有助于發(fā)現疾病基因和抗病基因。在21世紀，我們已經(jīng)不大可能克隆全新的人類(lèi)基因，但是，我們完全有可能發(fā)現人類(lèi)基因在免疫系統的新功能，在人類(lèi)免疫相關(guān)功能基因組領(lǐng)域仍然有很多有待開(kāi)掘的處女地，關(guān)鍵是要有創(chuàng )新的研究思路和眾多新技術(shù)及傳統技術(shù)的靈活運用，如生物信息學(xué)技術(shù)、生物芯片技術(shù)、轉基因和基因敲除技術(shù)、酵母雙雜交技術(shù)、基因表達譜系分析、蛋白質(zhì)組學(xué)、結構基因組學(xué)技術(shù)、高通量細胞篩選技術(shù)等。這一領(lǐng)域的研究必須發(fā)揮多學(xué)科多領(lǐng)域實(shí)驗室的相互協(xié)作，包括基礎與臨床的合作，以大科學(xué)模式開(kāi)展研究，這樣才能取得真正意義的重要科學(xué)成果。
（二）免疫相關(guān)疾病的致病基因和易感基因的鑒定
根據遺傳特點(diǎn)免疫相關(guān)疾病包括單基因遺傳病和多基因復雜性疾病。單基因遺傳病是由單一的基因缺陷或突變導致病變，例如性聯(lián)重癥聯(lián)合免疫缺陷（XSCID，IL-2Rγ基因缺陷）、性聯(lián)無(wú)丙種球蛋白血癥（XLA，BTK基因缺陷）、遺傳性血管神經(jīng)性水腫（CINH基因缺陷）等。隨著(zhù)人類(lèi)基因組計劃的完成，極大促進(jìn)了單基因遺傳病的研究，其技術(shù)包括全基因組掃描技術(shù)、定位克隆技術(shù)等均已經(jīng)比較成熟，相對容易獲得結果，其關(guān)鍵是有好的遺傳疾病家系。目前，已由上千種單基因遺傳病的致病基因已經(jīng)被精確定位，因而這一領(lǐng)域競爭非常激烈。我國有豐富的疾病資源，特別是一些我國特有的單基因遺傳病家系，可提供良好的基礎發(fā)現新的致病基因，因而應重視單基因遺傳病特別是免疫相關(guān)遺傳病的研究，這對于研究免疫應答的分子機理具有重要的意義。
復雜性疾病是由于多種基因的變異加環(huán)境和生活習慣等因素的共同影響，使得每個(gè)人對不同的疾病的易感性不同，如自身免疫病、變態(tài)反應、腫瘤等在臨床看到的絕大多數疾病屬于復雜性疾病。此外，由病原微生物導致的感染性疾病如肝炎、艾滋?。?AIDS）等也往往與內因（人類(lèi)基因）有關(guān)。在復雜性疾病的研究中，一個(gè)重要的指標是單核普酸多態(tài)性（SNPs），即不同個(gè)體間在基因水平的單核普酸變異。根據分析，無(wú)關(guān)個(gè)體間的基因中約有300萬(wàn)個(gè)單核普酸多態(tài)性。目前已經(jīng)發(fā)現并基因定位的SNPs超過(guò)1千萬(wàn)。通過(guò)SNPs的研究，可以了解人類(lèi)個(gè)體差異的分子基礎，發(fā)現正常個(gè)體與疾病患者的基因變異，了解機體免疫功能不同的遺傳基礎和免疫相關(guān)疾病的發(fā)病機理，并為疾病的診斷及疾病易感性研究提供基礎。
三、免疫蛋白質(zhì)組學(xué)的技術(shù)體系
基于2-DE的免疫蛋白質(zhì)組學(xué)的技術(shù)體系雙向凝膠電泳：2-DE技術(shù)是第一種能將近千個(gè)蛋白質(zhì)同時(shí)分離并清晰展示的實(shí)驗技術(shù)，也是免疫蛋白質(zhì)組學(xué)分析的關(guān)鍵技術(shù)之一。
基于2-DE的免疫蛋白質(zhì)組學(xué)研究技術(shù)體系流程為：首先制備蛋白質(zhì)樣品，同時(shí)獲得該樣品的抗血清通過(guò)2-DE對蛋白質(zhì)樣品進(jìn)行分離，經(jīng)電轉印將分離的蛋白質(zhì)轉到硝酸纖維素（NC）膜或聚氟乙烯 （PＶDF）膜等固相載體上；然后利用上述抗血清通過(guò) Western印跡對分離的蛋白質(zhì)進(jìn)行免疫學(xué)檢測，獲得陽(yáng)性反應點(diǎn)；從對應的2-DE膠上取陽(yáng)性蛋白質(zhì)點(diǎn)，經(jīng)膠內酶切后進(jìn)行質(zhì)譜分析獲得肽指紋圖或肽序列標簽，通過(guò)蛋白質(zhì)數據庫搜索對蛋白質(zhì)進(jìn)行鑒定。目前，基于2-DE的技術(shù)體系 （2-DE-West-ernblotting-MS）已成為免疫蛋白質(zhì)組學(xué)分析的經(jīng)典途徑，大多數研究均利用該技術(shù)體系來(lái)完成。
基于多維液相層析的免疫蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)體系：Opiteck等于1997年首次運用多維液相層析 （MD-LC）結合質(zhì)譜技術(shù)分析蛋白質(zhì)混合物，從而開(kāi)創(chuàng )了非凝膠電泳的免疫蛋白質(zhì)組學(xué)研究技術(shù)。離子交換層析反相高效液相色譜 （RP-HPLC）、分子排阻層析和親和層析等層析模式都可用來(lái)組合多維液相層析。目前，以一維離子交換層析與二維RP-HPLC相結合的模式最為常用。多維層析技術(shù)能彌補2-DE的一些技術(shù)缺陷，如能對低豐度疏水性及難溶性蛋白質(zhì)進(jìn)行分離分析，而且在分離蛋白質(zhì)時(shí)，蛋白質(zhì)樣品可不經(jīng)變性處理。此外，液相層析與質(zhì)譜聯(lián)用實(shí)現了蛋白質(zhì)分離鑒定的自動(dòng)化操作。多維液相層析技術(shù)因其分辨率高、應用范圍廣、自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢已成為免疫蛋白質(zhì)組學(xué)研究的關(guān)鍵技術(shù)。多維層析技術(shù)以及近年出現的液相層析-毛細管電泳（LC-CE）和二維毛細管電泳（2D-CE）等新型分離技術(shù)，都有取代2D-CE在免疫蛋白質(zhì)組學(xué)研究中的主導地位之勢。
基于蛋白質(zhì)芯片的免疫蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)體系：蛋白質(zhì)芯片是高通量、微型化和自動(dòng)化的蛋白質(zhì)分析技術(shù)，也是免疫蛋白質(zhì)組學(xué)研究相關(guān)技術(shù)中最具發(fā)展潛力的一種技術(shù)。Hess等于2005年提出了蛋白質(zhì)芯片與質(zhì)譜分析相結合的免疫蛋白質(zhì)組學(xué)方法，該方法分為3個(gè)步驟：①抗體固定，將抗血清與抗原捕獲轉移試劑（ACTR）培育，通過(guò)抗體的Fc區與ACTR特異性作用而將抗體固定；②抗原捕獲，將含抗原的樣品與固定的抗體混合培育，固定的抗體通過(guò)與抗原相互作用，從而將抗原捕獲；③將抗原-抗體復合體轉移到蛋白質(zhì)芯片上進(jìn)行SELDI-TOF質(zhì)譜分析，對捕獲的抗原進(jìn)行鑒定。
四、免疫信息學(xué)
隨著(zhù)人類(lèi)基因和病原微生物基因的序列資料指數增長(cháng)，面對海量的生物信息數據，只能應用計算機技術(shù)加以分析、處理、儲存。過(guò)去很多需要大量實(shí)驗的研究工作，現在只要鼠標操作即可獲得寶貴資料。免疫信息學(xué)是生物信息學(xué)的分支學(xué)科，是計算機科學(xué)與免疫學(xué)相結合的交叉學(xué)科，重點(diǎn)是利用計算機技術(shù)開(kāi)展免疫學(xué)的生物信息學(xué)分析和計算。對于免疫學(xué)家來(lái)說(shuō)，在后基因組時(shí)代，必須要了解生物信息學(xué)和免疫信息學(xué)的基本技術(shù)，能夠在網(wǎng)絡(luò )數據庫中查找、分析所需要的資料，開(kāi)展免疫相關(guān)基因和蛋白質(zhì)的結構域分析、同源序列檢索、基因定位分析、SNP分析、表達譜分析、結構模建和功能預測、免疫系統數學(xué)模型建立、虛擬免疫細胞分析等，促進(jìn)免疫學(xué)的科研水平。
第二節 免疫組學(xué)研究的應用
一、腫瘤免疫組學(xué)
腫瘤免疫組學(xué)主要是利用基因組學(xué)、轉錄組學(xué)及蛋白質(zhì)組學(xué)等相關(guān)的高通量技術(shù)開(kāi)展腫瘤抗原譜及免疫應答分子譜的研究，近年來(lái)，已有一些相關(guān)的工作發(fā)表，例如，利用SEREX技術(shù)篩選腫瘤病人的腫瘤抗原譜閱；利用蛋白質(zhì)芯片建立腫瘤抗原及抗原表位譜等。Jongeneel等人建立了腫瘤免疫組的數據庫，成為第一個(gè)全面反映腫瘤抗原譜和免疫應答譜的數據庫（http： //www2. licr. org/CancerhnmunomeDB/）。這些研究將促進(jìn)我們對腫瘤免疫機制的進(jìn)一步研究，同時(shí)，利用類(lèi)似的免疫組學(xué)技術(shù)，還可對自身免疫病、感染性疾病、變態(tài)反應等免疫相關(guān)疾病的抗原譜及免疫應答分子譜進(jìn)行研究，為這些疾病的診斷、預防和治療提供新分子靶標。
二、抗原組學(xué)
抗原組是指所有編碼的病原生物的抗原蛋白陣列，鑒定病原生物的全部抗原上的抗體結合表位就是抗原組學(xué)?？乖M學(xué)是建立在基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)基礎上的新型領(lǐng)域，他正在成長(cháng)為繼基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的科學(xué)熱點(diǎn)。利用基因組學(xué)可以預測疫苗的候選抗原，利用蛋白質(zhì)組學(xué)可以篩選疫苗的候選抗原，利用抗原組學(xué)可以鑒定疫苗的候選抗原?？乖M是指病原體內所有抗原的總合，利用該技術(shù)多種細菌抗原已被確定?？乖M技術(shù)也應用于腫瘤相關(guān)抗原的篩選，尋找腫瘤相關(guān)抗原，建立腫瘤抗原組學(xué)的研究策略與技術(shù)方案。腫瘤抗原組是指腫瘤細胞內全部抗原（蛋白類(lèi)抗原與非蛋白類(lèi)抗原）的總合，腫瘤抗原組學(xué)是主要利用免疫學(xué)、抗原表位組學(xué)、抗體組學(xué)及多系統組學(xué)相關(guān)技術(shù)高通量有效篩選、發(fā)現腫瘤相關(guān)抗炎的一門(mén)新興學(xué)科。
三、抗原表位組學(xué)
抗原表位組學(xué)概念是建立在基因組學(xué)和蛋白組學(xué)基礎上又一新興系統生物學(xué)及免疫學(xué)學(xué)科，它以大規模、高通量建立抗原表位庫為特色，正成長(cháng)為新的科學(xué)熱點(diǎn)。當前針對傳染性細菌等病原的疫苗研發(fā)也已從傳統減毒或滅活的病原微生物發(fā)展到基因重組疫苗、亞單位疫苗、甚至表位疫苗，而繪制功能性表位圖譜則是病原蛋白“表位組學(xué)”其中一項重要的內容?？乖砦环治鰧贵w人源化改造，抗體親和力提高，抗體穩定性改造，發(fā)現新的功能表位，改變抗體特異性，設計新抗體，基于抗原一抗體相互作用的立體構型設計，新型功能分子改造抗體都很重要。對已確定功能的抗原表位，進(jìn)行篩選或改造以得到高親和力、高特異性的診斷及治療用單抗；已發(fā)現的抗原表位，進(jìn)一步確定其功能；針對未知抗原表位，結合蛋白質(zhì)組學(xué)、生物信息學(xué)、系統生物學(xué)，利用計算機模擬等技術(shù)，以抗原庫、抗原表位庫和抗體庫為基礎，發(fā)現并確定抗原表位，對于闡明某些未知的發(fā)病機理、發(fā)現新的疫苗候選、研發(fā)新的抗體與抗體藥物具重要意義。利用相關(guān)學(xué)科的最新成就，結合相關(guān)技術(shù)，建立抗原表位庫及抗體庫，高通量篩選抗原靶標及抗原表位，將大大加速藥物靶標篩選及抗體組藥物的研發(fā)進(jìn)程，對診斷及治療性新藥的基礎研究和研發(fā)都具有價(jià)值。
四、抗體組學(xué)
隨著(zhù)基因組及蛋白組研究的進(jìn)一步發(fā)展，陸續提出了抗原表位組學(xué)、抗體組學(xué)等新概念，抗體組學(xué)是在基因組學(xué)和蛋白組學(xué)基礎上，利用相關(guān)學(xué)科的最新研究成果，結合鼠、兔、人雜交瘤技術(shù)及基因工程抗體技術(shù)的一門(mén)新興學(xué)科，涉及抗體靶標高通量篩選、建立大規?？贵w庫、大規模高通量篩選，優(yōu)化應用于研究、診斷及治療?？贵w組藥物是通過(guò)抗體組學(xué)相關(guān)技術(shù)篩選研發(fā)得到的抗體藥物。與傳統的抗體藥物相比，抗體組藥物以高通量、整體化、信息化和系統化為特點(diǎn)，這樣一方面可以大大提高抗體藥物的研發(fā)速度，縮短藥物的研發(fā)周期，另一方面由于抗體組藥物的篩選利用了基因芯片、蛋白芯片和組織芯片等高通量技術(shù)，減少了研發(fā)成本和風(fēng)險，既可獲得廣譜的抗體藥物，又可獲得個(gè)性化的抗體藥物。
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