第四节　红细胞血型抗原的生物学功能

红细胞膜表面结构成分形成了红细胞独特的表面标志，是红细胞完成其生物学功能以及形成血型抗原的物质基础。传统红细胞血型概念源于临床输血实践，反映出的本质内容是红细胞膜标志物在输血治疗中起着关键作用，决定了红细胞输注的安全性与有效性。血型研究的重点在于红细胞膜标志物是否具有临床意义，是实用性研究。构成红细胞血型抗原的物质基础是位于红细胞膜表面的糖蛋白及糖脂等具有生物活性的有机大分子，这些大分子不仅是红细胞膜标志物而且还具有多种生物学功能，远非仅仅局限于其抗原性的临床意义，这也是传统血型抗原研究的局限性所在。

就红细胞膜标志物而言，表达于红细胞膜表面的糖蛋白、糖脂等有机大分子具有分化群（cluster of differentiation，CD）特性。例如，红细胞可表达CD239（LU血型系统抗原）、CD234（FY血型系统抗原）、CD35（KN血型系统抗原）、CD44（IN血型系统抗原）等多种CD分子（表1-5）。CD是在研究白细胞、淋巴细胞等免疫细胞标志物及其功能时提出的概念。近年来研究发现，CD分子不仅表达于免疫细胞，而且在红细胞上也有大量表达。CD分子具有受体、黏附分子等生物学功能，所以红细胞同样具有这些生物学功能，20世纪80年代“红细胞免疫系统”概念的提出就是建立在对红细胞CD分子功能认识的基础之上。由此可见，在细胞、分子水平，人体复杂的生理代谢、免疫应答等生命活动过程是由分工不同的多系统、多细胞、多因素共同参与而构成的一个有机整体。

从细胞生理学来讲，红细胞和其他细胞一样，细胞膜上的糖蛋白、糖脂是维持细胞结构正常的重要组成成分，具有维持红细胞膜结构完整及稳定的功能，而结构的完整和稳定与功能的发挥紧密相连，结构异常通常可引起相应的病理改变。另外，有些构成红细胞膜的蛋白质成分具有膜转运蛋白及生物催化剂——酶的功能。

从人类进化过程来讲，红细胞表达的多种多样的血型抗原是人类漫长进化过程的见证。理论上，如果选择压力不存在，那么物种的基因将保持稳定。自然选择压力会打破这种平衡导致基因变异，子代通过遗传的方式积累着这种变异，经过漫长的进化过程表现为今天所见的血型抗原多样性。血型抗原多样性是基因进化的表现，基因与抗原多样性的信息承载了人类进化的全部秘密，是研究人类进化过程的活化石。自然环境的巨大改变意味着某些基因或抗原已经消失，或其功能已失去了原有的存在价值，现在想了解这些基因或抗原的功能已变得非常困难。

对血型抗原功能的研究主要是通过与其他物种相同或相似的基因进行对比、与血型抗原结构类似的功能结构进行对比、或通过基因敲除等分子生物学方法建立相应血型裸型的动物模型等方法推导而来。总之，对红细胞血型抗原功能的认识是从多学科、多角度出发而形成的综合认识。目前对红细胞血型抗原功能的了解仅是冰山一角，尚待进一步深入研究。已知的红细胞血型抗原功能主要有以下几个方面。

一、细胞膜与细胞衣的组成成分

（一）细胞膜的组成成分

红细胞膜由磷脂分子及蛋白质组成，对维持正常的红细胞形态及功能起着重要作用。红细胞膜组成成分异常，可引起红细胞形态、功能发生改变，且易引发溶血性贫血。

1.磷脂

磷脂是红细胞膜的主要组成成分，根据主链结构的不同可分为甘油脂及鞘磷脂。磷脂为两性分子，一侧是含磷或氮的亲水端，另一侧是长烃基链形成的疏水端。磷脂亲水端位于红细胞膜表面，疏水端位于膜内侧。携有不同电荷的磷脂分子在红细胞膜上呈不对称排列，中性分子位于细胞膜外侧，携有负电荷的分子位于细胞膜内侧。带负电荷的磷脂分子外翻暴露于细胞膜外侧时，可引起红细胞凋亡。

磷脂分子异常可引起红细胞膜结构、形态、稳定性、变形能力等发生改变。例如，阵发性冷性血红蛋白尿症（paroxysmal cold hemoglobinuria，PCH）由红细胞膜脂质双分子层中糖基磷脂酰肌醇（glycosyl-phosphatidyl ionositol，GPI）合成缺陷引起，造成红细胞膜柔韧性降低，变形能力差，红细胞易发生破裂，外周血可见球形红细胞及红细胞碎片。P抗原是以GPI为前体合成而来的糖类抗原，GPI合成缺陷导致P抗原缺失，PCH患者血浆中可检出针对P抗原的冷热双相IgG型抗体。

2.膜蛋白

根据所处位置不同，红细胞膜蛋白可分为三种：骨架蛋白、镶嵌蛋白及外周蛋白。

（1）骨架蛋白：

骨架蛋白位于磷脂双分子层内侧，主要有血影蛋白、带2.1蛋白（也称锚定蛋白）、肌动蛋白、带4.1蛋白、带4.2蛋白等。骨架蛋白可形成间隔均匀的网状结构，从结构力学上为磷脂双分子层提供具有一定刚性及变形性的支架。

骨架蛋白可与镶嵌蛋白、细胞质骨架相连，维持细胞膜的稳定性、正常形态及变形能力。骨架蛋白异常可引起红细胞形态发生改变，并导致相应的病理变化。例如，遗传性球形红细胞增多症患者红细胞膜骨架蛋白异常，引起红细胞膜通透性增强，红细胞呈球形且变形能力减弱，易发生溶血性贫血。

（2）镶嵌蛋白：

镶嵌蛋白位于磷脂双分子层中，可通过两种不同方式与磷脂双分子层紧密连接：直接与脂质结合以脂锚定蛋白的形式固定于磷脂双分子层；与骨架蛋白相连将其固定于细胞膜骨架结构上形成跨膜蛋白。根据穿越细胞膜次数不同，跨膜蛋白可分为单次跨膜蛋白与多次跨膜蛋白。例如，GPA、GPB、Kell蛋白为单次跨膜蛋白，带3蛋白、Rh蛋白、Kidd蛋白、Duffy蛋白为多次跨膜蛋白，跨膜次数分别为14、12、10、7。

镶嵌蛋白是多种血型抗原的载体，不同蛋白携有不同血型系统抗原。例如，脂锚定蛋白携有JHM、DO、CROM等血型系统抗原。GPA、GPB携有MNS血型系统抗原、Kell糖蛋白携有Kell血型系统抗原。带3蛋白携有Diego血型系统抗原、Rh蛋白携有Rh血型系统抗原。

镶嵌蛋白之间可相互连接形成蛋白复合物，以不对称的方式分布于红细胞膜。例如，Rh蛋白与Rh相关糖蛋白（Rh-associated glycoprotein，RhAG）形成异源三聚体，通过非共价键与LW糖蛋白（ICAM-4）、Duffy糖蛋白、GPA、整合素相关蛋白（integrin-associated protein，IAP，CD47）等蛋白相连，形成由多个亚单位构成的Rh膜蛋白巨复合物。Kell糖蛋白与XK蛋白相连，以异源二聚体的形式分布于红细胞膜。

镶嵌蛋白表达异常，可引起其本身所携血型抗原以及与其紧密连接的其他镶嵌蛋白所携抗原表达异常。例如，RhAG表达异常会影响Rh蛋白所携抗原的表达，呈Rh_null或Rh_mod型，球形红细胞增多，红细胞膜脆性增强，易发生溶血性贫血。携有Mur低频抗原的Mur糖蛋白与GPA共同表达时，可引起带3蛋白高水平表达。

镶嵌蛋白缺失可不同程度地影响红细胞膜结构稳定及其生物学功能，并表现出相应的病理改变。有些镶嵌蛋白的缺失不会对红细胞膜结构稳定性及生物学功能造成明显影响，而有些缺失则会造成显著影响，甚至是致命影响。例如，GPA缺失对红细胞形态与寿命无明显影响，而Rh蛋白缺失则对红细胞膜结构及稳定性造成显著影响，导致球形及椭圆形红细胞增多、脆性明显增强、易发生溶血。带3蛋白缺失则会明显降低锚定蛋白、GPA等在红细胞膜上的表达，引起异形红细胞血症，并导致严重贫血。带3蛋白缺失型个体死亡率极高，一般情况下无法生存。

（3）外周蛋白：

外周蛋白位于磷脂双分子层外侧。糖蛋白的寡糖链与磷脂双分子层中的GPI相连，将其固定于细胞膜表面。外周蛋白具有膜受体、酶、黏附分子等生物学功能。例如，携有Yt血型系统抗原的乙酰胆碱酯酶具有水解乙酰胆碱的作用。

（二）细胞衣

在糖基转移酶催化下，红细胞膜固有成分（磷脂、蛋白质）完成糖基化过程，结合于固有成分的寡糖链在红细胞膜表面形成一层绒毛状结构，此结构即为细胞衣，也称糖衣。

细胞衣的生物学作用主要有：①细胞衣的形成使红细胞表面膜分子具备了完成生物学功能的完整结构。②抵抗水解，保护红细胞膜结构稳定及良好的变形能力。③赋予红细胞携有负电荷的特性。寡糖链末端单糖经唾液酸化后，使其带负电荷。不仅可提高糖蛋白的亲水性及溶解性，而且可使循环血液中红细胞之间以及红细胞与血管内皮细胞之间保持一定距离，降低由细胞间摩擦而引起的物理损伤。

二、红细胞膜转运蛋白

红细胞膜具有半透膜的物理特性，脂溶性分子、不带电的极性小分子及一些气体分子易于通过细胞膜，而带电分子、离子、极性分子却不能通过。红细胞代谢所需的多种带电分子、无机盐离子以及极性大分子通过细胞膜时，需借助位于红细胞膜的转运蛋白来主动运输。红细胞膜转运蛋白主要有两类：载体蛋白与通道蛋白。两者均具有抗原性，可形成红细胞血型抗原。

（一）载体蛋白

载体蛋白可与特异性溶质结合，通过改变自身构象将溶质转移到红细胞膜的另一侧。多种红细胞膜蛋白具有载体蛋白的生物学功能，例如，带3蛋白、Kidd糖蛋白、Rh蛋白等。

携有Diego血型系统抗原的带3蛋白是阴离子转运体（anion transporter，AE1），可转运和Cl^-。组织细胞代谢产生的CO₂经水合后形成，AE1可将转移至红细胞内并置换出一个Cl^-，到达肺部后再将CO₂释放出来。

Kidd糖蛋白具有转运尿素的功能，红细胞通过高浓度尿素的肾髓质时，Kidd糖蛋白可迅速转运尿素使红细胞内外尿素达到平衡，防止红细胞脱水。Kidd糖蛋白表达异常时，会影响红细胞对尿素的转运。例如，Jk_null型个体尿素转运速度比正常个体低1 000倍，但红细胞形态与寿命却未受到明显影响，可能与其他代偿机制有关。

Rh蛋白可能具有转运铵的功能，但对此争议较大。有研究认为，RhD蛋白功能与Rh蛋白家族中的RhBG、RhCG相同，属于氨及铵盐转运蛋白（ammonium transporter，Amt）超家族，起着转移NH₃、CH₂NH₂的作用。但也有研究认为，具有铵转运功能的蛋白质是Rh同源蛋白，且红细胞通过多种机制实现铵转运，Rh同源蛋白只是众多铵转运蛋白中的一种。

近年来，随着对Rh血型抗原三级结构研究的深入，对Rh蛋白的功能有了新的认识。研究结果显示，与同家族蛋白Amt相比存在明显差异，RhD蛋白在胞外区存在多个短环状结构，胞质内C末端呈α螺旋状结构，具有较强的游动性，游动幅度可达76Ų。从C末端至跨膜螺旋区脯氨酸含量逐渐增加，在跨膜区内存在6个脯氨酸结构（Pro-82，Pro-140，Pro-216，Pro-229，Pro-306，Pro-327），而 Amt仅观察到 2 个脯氨酸结构，该结构具有调节通道开关的作用。另外，RhD蛋白膜外区缺乏Amt所具有的π离子结合部位。RhD蛋白生物学功能可能是 CO₂的转运通道，该通道可能由 Leu-58、Phe-61、Asp-201、Ser-204、Met-205、Ile-260、Ala-264和Asn-265组成。

（二）通道蛋白

红细胞膜上的通道蛋白主要是水通道蛋白，是水分子进出红细胞的关键通道。

1987年，Agre等在分离Rh蛋白时，发现了一个分子量为28kDa的疏水性跨膜蛋白。随后的研究证实该蛋白是红细胞膜水通道蛋白，命名为通道形成整合蛋白28（channelforming integral protein 28，CHIP28）。CHIP28是Colton血型系统抗原的载体。红细胞通过呈高渗环境的肾髓质时，红细胞会脱水变皱，而水通道可使水分子迅速转移至细胞内，起到维持红细胞形态及功能正常的作用。CHIP28分布广泛，除红细胞外，还表达于肾、肺、血管内皮、脑、眼、肝等组织中，若水通道蛋白缺失会引起尿浓缩及肺血管通透性障碍。

三、酶

酶是维持细胞正常新陈代谢不可或缺的物质，没有酶的参与，新陈代谢速度就会变得极为缓慢，生命活动将无法维持。具有酶活性的红细胞膜蛋白主要有Kell糖蛋白、Dombrock糖蛋白及乙酰胆碱酯酶。

Kell糖蛋白是一种金属内切酶，可将无生物活性的肽链裂解为有生物活性的血管收缩素。Dombrock糖蛋白是二磷酸腺苷核糖基转移酶，可催化烟碱腺嘌呤二核苷酸结合到目标蛋白特异氨基酸结构上，起到调节蛋白质功能的作用。携有Yt血型系统抗原的乙酰胆碱酯酶是红细胞膜外周蛋白，具有水解乙酰胆碱，终止神经信号传递的作用。

四、红细胞膜其他标志物

红细胞膜糖蛋白及糖脂构成红细胞膜标志物，主要包括ABO抗原、Lewis抗原、Lutheran 抗原（CD239）、Duffy 抗原（CD234）、GPA（CD235A）、GPB（CD235B）、Xg 抗原（CD99）、Landsteiner-Wiener抗 原（CD242）、Gerbich 抗 原（CD236）、Kell抗 原（CD238）、Diego 抗 原（CD233）、Indian抗原（CD44）及 AnWj低频率抗原、Cromer抗原（衰变加速因子，decay accelerating factor，DAF。CD55）、Ok 抗原（CD147）、JMH 血型抗原（CD108）等。这些标志物不仅分布于红细胞，有些还分布于其他组织细胞，具有多种生物学功能，主要表现为受体及黏附分子的生物学功能。

（一）受体

1.病原微生物的受体

部分病原微生物可通过糖链的介导作用感染细胞，血型抗原糖链结构是一些病毒、细菌、寄生虫的受体，在病原微生物感染过程中起着重要作用。

病原菌糖蛋白、外凝集素及细菌表面配体可识别含有唾液酸及岩藻糖化的寡糖链结构，并与之结合引起相应病理改变。例如，幽门螺旋杆菌外膜蛋白中的血型结合黏附素（blood group antigen binding adhesin，Baba）是Lewis血型抗原的配体，可与Le^b抗原结合并引起慢性胃炎。GPA是恶性疟原虫红细胞结合抗原（erythrocyte binding antigen，EBA）的受体，糖蛋白C是EBA变异体BAEBL的受体，与红细胞结合后可破坏膜结构引起溶血。GPA表达不足的红细胞对恶性疟原虫具有抵抗作用。富含Galα1-4Gal糖链结构的P血型抗原是细小病毒B19的受体，结合后可引起机体出现贫血及免疫功能障碍等临床症状。近期研究显示，P^k抗原与HIV的感染呈负相关，P^k抗原含量越高，感染HIV的风险越低。

2.细胞因子的受体

细胞因子具有细胞间信号传递、免疫调节等功能。红细胞膜存在多种细胞因子受体，具有调节细胞因子的功能。例如，Duffy抗原能与CXC（包括IL-8、IP-10、MGSA 等）及 CC（包括 MIP-1α、MIP-1β、MCP-1、RANTES等）趋化性细胞因子结合。IL-8与Duffy抗原结合后即失去了对靶细胞的作用，红细胞可起到调节IL-8浓度使其维持在一个恰当水平的作用，保证中性粒细胞可向IL-8浓度高的部位移动。

3.补体的受体

补体在免疫调节、早期感染的非特异性免疫过程中起着重要作用。红细胞可表达补体受体（complement receptor，CR），血液循环中90%以上的C3b受体表达于红细胞，是红细胞免疫的重要物质基础，在免疫清除、免疫调理及抗感染过程中起着重要作用。

红细胞表面CR1（Knops血型系统抗原，CD35）可与免疫复合物结合，呈递给巨噬细胞起到免疫清除的作用。红细胞携带的CR1降低可导致机体免疫防御功能下降，并引起相应病理改变。红细胞膜不仅存在补体受体，还存在补体成分。例如，来自血浆的Chido/Rodgers蛋白通过红细胞表面补体第4成分（C4）与红细胞相连，形成Chido/Rodgers血型抗原。C4可与抗体分子结合激活C1成分，同时裂解为C4a和C4b并引起一系列复杂的后续免疫应答过程。若个体为Ch/Rg缺失型（Ch/Rg_null型）则意味着红细胞膜C4成分的缺乏，可导致自身免疫性疾病的发生。另外，红细胞还表达具有补体调节活性的膜标志物，如Cromer 血型系统抗原（CD55）。缺乏CD55的阵发性睡眠性血红蛋白尿症（paroxysmal nocturnal haemoglobinuria，PHN）患者会表现出膜补体调节功能缺陷的亚临床症状。

（二）黏附分子

黏附分子是介导细胞间及细胞与胞外基质间相互结合的重要介质，在凝血、创伤愈合、免疫应答、炎症反应、肿瘤转移等一系列生理及病理过程中起着重要作用。红细胞可表达多种黏附分子，是红细胞完成其生物学功能的重要物质基础。

Lutheran血型系统抗原（CD239）、Indian血型系统抗原（CD44）都是细胞外基质层粘连蛋白的受体，可在红细胞表面形成网状结构将其固定在基膜上，在凝血、创伤修复及血栓形成过程中起着重要作用。Landsteiner-Wiener血型系统抗原（CD242）、Xg 血型系统抗原（CD99）和 Ok 血型系统抗原（CD147）具有细胞间黏附分子的作用。例如，CD99可与淋巴细胞相互作用。肿瘤细胞可表达大量唾液酸化的Lewis抗原——Sialay-Le^x和Sialay-Le^a，可与内皮细胞结合，促进肿瘤细胞的扩散和转移。

（三）人类白细胞Ⅰ类分子

红细胞表达人类白细胞Ⅰ类分子（human leucocyte antigen classⅠ，HLA-Ⅰ）。Bg（bennetgoodspeed，Bg）抗原是一类与 HLA 相关的抗原，Bg^a、Bg^b、Bg^c抗原分别与 HLA-B7、HLA-B17、HLA-A28对应。

HLA-Ⅰ类分子主要表达于有核细胞，成熟红细胞表达较少，高灵敏度检测方法可检测出红细胞HLA-Ⅰ类分子。红细胞HLA-Ⅰ类分子的表达强度会随着红细胞寿命的延长而减弱，通常认为抗-Bg临床意义不显著，但某些情况下抗-Bg可引起溶血性输血反应。

某些免疫性疾病（如系统性红斑狼疮、类风湿性关节炎等）可引起红细胞HLA-Ⅰ类分子表达水平显著升高，提示红细胞在免疫过程中起着一定作用。HLA-Ⅰ类分子可从多方面参与机体免疫应答过程，如可约束免疫细胞间相互作用、参与抗原的处理及免疫调节等。但红细胞HLA-Ⅰ类分子是如何参与这些免疫过程，以及如何完成其生物学功能目前尚不清楚。

总之，红细胞膜标志物的功能非常复杂，同一种标志物往往具有多种不同的生物学功能。例如，Indian血型系统抗原（CD44）不仅具有细胞黏附作用，还与淋巴细胞归巢、调节免疫应答、胚胎发生及发育分化、肿瘤转移等有关。红细胞膜标志物各种生物学功能的正常发挥受诸多因素影响，当各种制约因素处于非平衡状态时就会导致相应病理改变。例如，纯合子镰状细胞性贫血（β^s/β^s）患者，红细胞黏附分子可引起血管内栓塞。