第十二章 免疫多样性产生的机制

第一节 免疫系统和免疫球蛋白

第二节 免疫球蛋白基因的重组和体细胞突变

第三节 免疫球蛋白重链恒定区基因

第四节 T 细胞抗原受体基因

第一节 免疫系统和免疫球蛋白

一、 免疫系统

1 、组成：免疫反应 的互补系统

体液免疫系统：针对细菌、胞外病毒和外来蛋白

细胞免疫系统：破坏被病毒感染的宿主细胞、某

些寄生物和外来的移植组织

涉及细胞

淋巴细胞（ lymphocyte ）：造血干细胞

通过对外来物质特异的模受体识别抗原

B 、 T 淋巴细胞巨噬细胞：组织特异，来源于骨髓干细胞

吞噬大颗粒和细胞、抗原呈递细胞

2 、 B 、 T 细胞

（ 1 ） B 细胞： ◘ bone marrow 中完成发育

◘ 表达独特的抗原膜结合受体 ----- 一种抗体分子

◘ 遇到抗原迅速分裂成子代：

a) 记忆细胞：长寿

表达与亲代细胞具有同一结合特性抗体

b) 效应细胞：浆细胞，存活几天

产生分泌型的可溶性抗体

◘ B 细胞受体单独识别抗原

但需要 TH 细胞提供信号才能分泌抗体

（ 2 ） T 细胞：

◘ 迁移到 thymus gland 中完成后期发育 ◘ 表达抗原特异的膜受体－－ T 细胞受体

异二聚体 αβ 或 γδ 两条蛋白链

◘ 受与 MHC 结合的抗原刺激激活分化成：

记忆 T 细胞 各种效应 T 细胞

◘ 两种： T 助细胞或 TH 细胞（ helper T cell ） 激活后分泌淋巴因子激活 B 、 Tc 和吞噬细胞等 T 胞毒细胞或 Tc 细胞（ cytotoxic T cell ） 监视病毒感染细胞、肿瘤和外来移植组织

◘ T 细胞识别与 MHC 结合的抗原 MHC major histocompatibility complex

（ 3 ）免疫反应分类

◘ 体液免疫反应

依赖于 B 细胞，由分泌抗体

（ Ig ）来介导

◘ 细胞免疫反应

二、 免疫球蛋白（ Immunoglobulin ）可溶性的血清糖蛋白－－－ Ig

1 、结构：

非共价键和二硫键连接的轻、重链

两者均含可变区或V 区－－ N 端和恒定区或 C 区－－ C 端

◘ 两大特点

高度特异性、庞大多样性

L 链（ 214aa ）－－ VL 、 C

L

κ 和 λ 两种，对一个 Ig 唯一H 链（ 426aa ）－－ VH 、

CH1 、 CH2 、 CH

3

恒定区的序列有 γ 、 α 、 μ 、 δ 和 ε 五种类型VL 和 VH 内有高变区－－真正抗原结合部位负责抗体分子对抗原的识别互补决定区－－ CDR

IgG 、 IgA 、 IgM 、 I

gD 和 IgE （人体）

第二节 免疫球蛋白基因的重组 和体细胞突变

一、 免疫球蛋白基因的组织

◘ Ig 基因有三个独立的基因家族分别编码两个轻链（ κ 和λ ）、

一个重链（小鼠 6 、 16 和 12 号染色体） ◘ 轻链基因家族的组成： L 、 V 、 J 、 C 四类基因片段

L －－ leader segment V －－ variable segment

J －－ jioning segment C －－ constant segment

◘ 重链家族： L 、 V 、 D 、 J 、 C 五类片段

D －－ diversity segment 高变区 ◘ J 和 C 之间有增强子

◘ 种系中基因数目变动较大

FamilyV Genes C Genes

Man Mouse Man Mouse

Lambda <300 2 >6 4

Kappa <300 ~1000 1 1

Heavy ~300 >1000 9 8

人的重链基因簇包括了所有组织重链的基因信息（重链恒定区九种 C 片段、两个假基因）

λ 家族 V 基因后跟随着几个以 J 片段作为前导的 C 基因

k 家族（人和老鼠）的组成： V 基因（人 <300 、鼠～ 1000 ）、 5 个 J （一个假基因）、 1 个 C 基因

二、 免疫球蛋白基因形成过程中的重组机制

◘ 除淋巴细胞外，所有细胞免疫球蛋白基因簇的结构都是

相同的－－种系结构

◘ 骨髓干细胞在分化为成熟 B 淋巴细胞时出现免疫球蛋白

基因的体细胞重排

◘ 即－－淋巴细胞中重组产生活性基因使免疫系统为基因组

的改变提供了广泛的基础

－－抗体分子的多样性

1 、轻链基因 V 和 J 片段的重组

a ） λ 链的重组

◘ 每个 C 片段前有

J 跟随 ◘ 只发生一次重组

在 V 和 J-C之间

(V 和 J 的重组 )

b ） κ 链的重组

◘ κ 基因簇只有一个 C◘ V 与 C之间 5个 J（一个假基因）

◘ 用到的每个 J都可以成为 V 的外元终端

◘ 整合 J左边 的缺失掉 右边的拼接过程中作为内元

◘ 重链的可变 区由 V 和 J基 因及第三个 D 基因片段 编码 ◘ 重链的可变 区重组有两 个阶段 D-J 重组、 VH 和 DJ 重组

2 、重链基因 V 、 D 和 J 片段的重组

◘ 所有 V 基因的组织结构上很类似

a ）第一个外元编 码信号序（用于膜的黏附）

b ）第二个编码 可变区自身的 主要部分

c ）其他部分由 D 片段（只对 H 家族）和一条 J 片段提供

◘ 一个指定的 B 淋巴细胞产生 λ 、 κ其中之一轻链同重链结合

◘ 轻链中表现为同型性项斥（ isotypic exclusion ） 往往只有 κ 链基因重组失败，才发动 λ 链基因重组

◘ 抗体中大部分轻链是 κ 链， λ 链往往占少部分 人类有约 60%的轻链是 κ 链，约 40%为 λ 链。老鼠有 95% 的 B 细胞表达 κ 类型的轻链

◘ 单特异性－－单个 B 细胞只产生一种抗体基因

◘ 淋巴细胞为二倍体－－ H 、 κ 和 λ都有两个等位基因 －－－重组表现为等位基因排斥（ allelic exclusion ）

3 、重组的分子机制

◘ 利根川进（ Tonegawa S） 1987 Nobel prize

1 ） 重组位点

◘ 轻重链重组涉及相同的机理（特异位点）

◘ V下游、 J上游、 D 两侧存在保守的重组信号序列（ RSS）◘ RSS: 共同的回文七核苷酸－－ CACAGTG（与基因连接） 固定长度的间隔序列－－ 12bp 或 23bp 共同的富含 A的九核苷酸－－ ACAAAAACC

◘ 轻链中： κ 链 V下游与 J上游的 RSS方向相反 ( 间隔序列 12 、 23)

◘ D下游和 J上游的 RSS也有同样关系（ 12 、 23 ）

◘ 重链中： V下游与 D上游的 RSS方向相反 ( 间隔序列 23 、12)

λ 链 ( 间隔序列 12 、 23)

2 ） 重组机制

◘ 涉及链的断裂和重接

◘ 重组酶基因 rag(recombination activating gene) 编码蛋白质 RAG1 和 RAG2

◘ RAG1 和 RAG2 识别 RSS之间所形成的二级结构

◘ 重组只发生在间隔为 12bp 与 23bp 的不同 RSS 之

间

－－－ 12 － 23 规则

V LL V

V L

9Nt 9Nt

12Nt 23Nt

7Nt 7Nt

V J L

a) RAG1/RAG2 识别的二级 结构

◘ 不同的 V 片段与 J-C 的重组 （ H 链 V 与 D 、 D 与 J-C ） －－导致 Ig 多样性

b) RAG1/RAG2复 合物切开七核苷酸 与基因接头处的一 条链（ 3‘－ OH 、 5’－ P）c) 基因片段末端形成 发夹结构 游离 3’－ OH攻击 另一条链的酯键 （双链断裂）d) 连接反应导致序列 的变化－插入、缺失 （影响编码蛋白）

◘ 连接位点不同－－ 导致 Ig 的多样性

3) V 基因只有和 C 连接 后才有活性

◘ 涉及启动子和增强子 的作用◘ V-C 连接后 V 的启动子 接近增强子后才有活 性 ◘ 增强子只在 B 细胞内 才有活性（组织…）

4) 重排中的等位相斥

◘ 轻、重链中都涉及

◘ Ig0 －未经重排的种 系构型 Ig －－无效基因 Ig+ －有效基因

◘ 活性链的生成抑制 了进一步的重排

三、体细胞突变

◘ 在体细胞原型球蛋白基因序列上发生的单个碱基突变

◘ λ 、 κ 轻链和重链都发现有体细胞突变

总结：产生抗体多样性的机制

a ） 性细胞内含有多个 V 基因

b ） V-J 和 V-D-J 的重组

c ） 重组部位的差异性

d ） 体细胞突变

e ） 重链和轻链的随机重组

★ 各种机制相伴随 , 因此 Ig 多样性以乘积的方式增加

L （） 300 (V) × 5(J) ＝ 1500 （ L() ）

H n × 100(V) × 20(D diversity) × 4(J) × 10(C)

＝ n × 80000

L V-L 多位点连接 10

H V-L 多位点连接 100

Ig 种类

1500 × 80000 × 10 × 100 ＝ n × 12 × 1010

远远多于抗原的种类（数百万种）

第三节 免疫球蛋白重链 恒定区基因

◘ B 细胞分化之出 ,轻重链重排后经转录和拼接加工成成熟 mRNA后翻译成免疫球蛋白－－膜型－－ IgM 、 IgD

◘ 成熟 B 细胞经抗原刺激－－－分泌型抗体 IgM 再次抗原刺激后第二次重排 －－出现重链基因改变恒定区（ C 片段），即类型转换 抗原特异性不变－－－－ IgG 或 IgA 或 IgE

◘ 类型转换后的 B 细胞－－－浆细胞 分泌大量单特异性的抗体

一、 免疫球蛋白重链恒定区基因

2 、重链基因 C 片段的转换发生在转换区－－ switch region S区－－－每个 C 片段的 5’端（ δ 除外）

◘ 成熟的抗体形成细胞－－－使用同一系列的可变区基因， 通过 C 区变化转变抗体类型 (可能与染色体间的交换有关 )

1 、一个细胞同时产生两种以上 Ig －－通过选择性拼接 （不同的加尾位点）

◘ C 区导致的抗体类型的转换

二、 膜型和分泌型球蛋白的产生

◘ 通过 C 区基因不同方式 的转录而产生的

免疫球蛋白产生的总结图

1 、 D→J 重组重链

2 、 V→DJ 重组

3 、 VDJ － μδ 转录4 、翻译 μ 和 δ

轻链

5 、 V→J 重组

6 、转录 VJ － κ 或 VJ－ λ

7 、翻译 κ 或 λ

8 、膜 IgM 膜 IgD

9 、分泌型 IgM

第一次抗原

T 依赖抗原抗原、 TH

10 、换成 IgG 或 IgA 或 IgE

第四节 T 细胞抗原受体基因

◘ T 细胞抗原受体－－ TCR 的抗原— MHC 结合部位由四组

不

同的基因编码： α 和 β、 γ和 δ

◘ TCR基因重排和 Ig 的重链重 排十分相似

◘ TCR的 δ 基因位于 α 基因座的 内部

◘ TCR多样性的程度： V 、 D 和 J 的重组 连接部位的差异 多个 D 区的存在

本章结束

!!

复习题

1 、免疫球蛋白基因的组织形式如何？

2 、免疫球蛋白轻重链基因中的 V 基因表达机制

3 、免疫球蛋白轻重链基因的重组机制

4 、免疫球蛋白多样性产生的机制