过程分子生物学5 2 3 4 1 6 基因的表达与调控基因的表达与调控细胞通讯的分子机制细胞通讯的分子机制免疫多样性的分子识别免疫多样性的分子识别胚胎发育的基因表达谱胚胎发育的基因表达谱肿瘤发生的分子机制肿瘤发生的分子机制基因组学与系统生物学基因组学与系统生物学免疫多样性的分子识别E B C D A F 人体的免疫识别及应答系统人体的免疫识别及应答系统免疫球蛋白基因的顺序组织免疫球蛋白基因的顺序组织抗体多样性的分子机制抗体多样性的分子机制免疫球蛋白类型开关的启动免疫球蛋白类型开关的启动T T 淋巴细胞受体的结构与功能淋巴细胞受体的结构与功能大型组织相容性蛋白的结构与功能大型组织相容性蛋白的结构与功能3A3A 人体的免疫识别及应答系统人体的免疫识别及应答系统 对于对于单细胞生物单细胞生物而言，区分自身和环境是不困难的，胞内物而言，区分自身和环境是不困难的，胞内物质就是自身的，而胞外物质都是非自身的。但对于质就是自身的，而胞外物质都是非自身的。但对于多细胞生物多细胞生物来来说，区分自身与非自身就要依靠分子识别系统。人体由说，区分自身与非自身就要依靠分子识别系统。人体由三百多种三百多种不同型态和性质的细胞构成，这些细胞的结构、功能、作用方式不同型态和性质的细胞构成，这些细胞的结构、功能、作用方式均有其特殊性，因此人体需要由免疫系统实现下列三种功能：均有其特殊性，因此人体需要由免疫系统实现下列三种功能： a 免疫系统的功能3A3A 人体的免疫识别及应答系统人体的免疫识别及应答系统自身细胞或物质的识别功能自身细胞或物质的识别功能 a 免疫系统的功能一种机制去识别自身的细胞一种机制去识别自身的细胞 非自身细胞或物质的识别功能非自身细胞或物质的识别功能 一种机制去识别非自身的入侵者一种机制去识别非自身的入侵者 抵御消灭入侵者的功能抵御消灭入侵者的功能 一种机制去抵御消灭入侵者，并修复由其所造成的机体损伤一种机制去抵御消灭入侵者，并修复由其所造成的机体损伤3A3A 人体的免疫识别及应答系统人体的免疫识别及应答系统 人体的免疫系统由人体的免疫系统由B B淋巴细胞淋巴细胞、T T淋巴细胞淋巴细胞、吞噬细吞噬细胞胞构成。就免疫过程的性质而言，人体免疫系统包括两构成。就免疫过程的性质而言，人体免疫系统包括两b 免疫系统的组成大部分：即大部分：即体液免疫系统体液免疫系统和和细胞介导的免疫系统细胞介导的免疫系统。 体液免疫系统体液免疫系统体液免疫系统由体液免疫系统由抗体分泌抗体分泌所介导，依所介导，依赖于赖于B B淋巴细胞淋巴细胞。B B淋巴细胞合成抗淋巴细胞合成抗体（免疫球蛋白），抗体与抗原特异体（免疫球蛋白），抗体与抗原特异性结合（性结合（免疫识别免疫识别），然后通过下列），然后通过下列两种途径消灭抗原：两种途径消灭抗原：巨噬细胞的吞噬作用巨噬细胞的吞噬作用 补体系统的降解作用补体系统的降解作用 抗原抗体复合物为巨噬细胞吞噬和抗原抗体复合物为巨噬细胞吞噬和降解降解 体液免疫系统体液免疫系统 补体的性质补体的性质 补体是一种能与抗体功能互补的补体是一种能与抗体功能互补的成分，由成分，由2020种左右的种左右的蛋白酶蛋白酶组成。它组成。它们识别抗体抗原复合物并降解之，们识别抗体抗原复合物并降解之，同时也能促进巨噬细胞及其吞噬物的同时也能促进巨噬细胞及其吞噬物的降解。降解。 此外，此外，B B淋巴细胞合成抗体需要淋巴细胞合成抗体需要T T淋巴细胞提供信号（淋巴细胞提供信号（细胞通讯细胞通讯），），这种这种T T淋巴细胞称辅助淋巴细胞称辅助T T淋巴细胞。淋巴细胞。细胞介导的免疫系统细胞介导的免疫系统细胞介导的免疫细胞介导的免疫是由含有细胞是由含有细胞毒素的毒素的T T淋巴细胞实现的，这类淋巴细胞实现的，这类T T细胞称为细胞称为杀手杀手T T淋巴细胞淋巴细胞。外。外来抗原，尤其是细菌或病毒侵来抗原，尤其是细菌或病毒侵染机体靶细胞后，靶细胞表面染机体靶细胞后，靶细胞表面靶细胞靶细胞杀手杀手TT细胞细胞抗原片段抗原片段MHCMHCTCRTCR TT细胞受体细胞受体上的上的大型组织相容性复合物大型组织相容性复合物（MHCMHC）将细菌或病毒的抗原片段展现在将细菌或病毒的抗原片段展现在细胞外表面，这时杀手细胞外表面，这时杀手T T淋巴细胞表面的淋巴细胞表面的T T细胞受体就能专一性与抗原细胞受体就能专一性与抗原片段或片段或抗原片段抗原片段- -MHCMHC复合物复合物结合，进而消灭被侵染的靶细胞及入侵者结合，进而消灭被侵染的靶细胞及入侵者细胞介导的免疫系统细胞介导的免疫系统哺乳动物的每个个体都有其特哺乳动物的每个个体都有其特异性的异性的MHCMHC蛋白谱蛋白谱，因而从一，因而从一个个体向另一个体的组织移植个个体向另一个体的组织移植是困难的，因为供体与受体之是困难的，因为供体与受体之间的间的MHCMHC蛋白谱不同。机体免蛋白谱不同。机体免靶细胞靶细胞杀手杀手TT细胞细胞抗原片段抗原片段MHCMHCTCRTCR TT细胞受体细胞受体疫系统不会进攻自身的性质称为疫系统不会进攻自身的性质称为“免疫耐受性免疫耐受性”，而抗体、，而抗体、T T细胞受体、细胞受体、MHCMHC是多样的（免疫多样性），这就为机体定义识别自身提供了分子是多样的（免疫多样性），这就为机体定义识别自身提供了分子基础。基础。3A3A 人体的免疫识别及应答系统人体的免疫识别及应答系统 机体在接触到抗原后，便会产生对该抗原新一轮入侵的机体在接触到抗原后，便会产生对该抗原新一轮入侵的免疫作用，而在此之前，机体缺乏对抗原的这种特异性杀伤免疫作用，而在此之前，机体缺乏对抗原的这种特异性杀伤作用。换句话说，机体对抗原的杀伤能力是在免疫应答过程作用。换句话说，机体对抗原的杀伤能力是在免疫应答过程c 免疫系统的形成中获得的，这种能力产生的机制遵循中获得的，这种能力产生的机制遵循“ “克隆选择理论克隆选择理论” ”。克隆选择理论克隆选择理论未成熟的淋巴细胞池中含未成熟的淋巴细胞池中含有有B B细胞和细胞和T T细胞，每一个细胞，每一个B B细胞和细胞和T T细胞只含有一种细胞只含有一种特异性抗体和受体。在初特异性抗体和受体。在初级免疫应答之后，大量的级免疫应答之后，大量的B B细胞和细胞和T T细胞成熟，它们细胞成熟，它们具有对某一抗原的特异性具有对某一抗原的特异性抗体和受体。抗体和受体。3A3A 人体的免疫识别及应答系统人体的免疫识别及应答系统 哺乳动物的免疫系统不但具有重要的生理功能，同时也哺乳动物的免疫系统不但具有重要的生理功能，同时也d 免疫系统的特征涉及到许多分子生物学的重大理论问题。涉及到许多分子生物学的重大理论问题。免疫识别免疫识别抗体与抗原的特异性分子识别抗体与抗原的特异性分子识别 上述特异性识别通常只涉及到抗原蛋白分子中的上述特异性识别通常只涉及到抗原蛋白分子中的5-65-6个氨基个氨基酸残基。抗体与抗原、受体与配体、酶与底物是生物体内酸残基。抗体与抗原、受体与配体、酶与底物是生物体内蛋白质蛋白质MHCMHC与抗原的特异性分子识别与抗原的特异性分子识别T T细胞受体与抗原细胞受体与抗原MHCMHC复合物的特异性分子识别复合物的特异性分子识别之间分子识别之间分子识别的三大模型。的三大模型。细胞通讯细胞通讯 B B淋巴细胞合成抗体需要辅助淋巴细胞合成抗体需要辅助T T细胞提供信号；杀手细胞提供信号；杀手T T细胞在细胞在与抗原与抗原MHCMHC复合物结合后，将信号转导入细胞内，激活一系列复合物结合后，将信号转导入细胞内，激活一系列参与免疫应答的组分。这些都是细胞通讯的基本原理，但这种信参与免疫应答的组分。这些都是细胞通讯的基本原理，但这种信号转导又与细胞因子和生长因子的信号转导通路有所不同。号转导又与细胞因子和生长因子的信号转导通路有所不同。免疫多样性免疫多样性 免疫多样性，包括抗体、免疫多样性，包括抗体、T T细胞受体、细胞受体、MHCMHC的多样性发生机的多样性发生机制，是免疫分子生物学的基本内容，也是生命科学的重要理论命制，是免疫分子生物学的基本内容，也是生命科学的重要理论命题题。 一个哺乳类动物的机体可以产生数百万甚至一个哺乳类动物的机体可以产生数百万甚至数亿种数亿种不同的抗不同的抗体，它们对应着同等数量的抗原。自然界中存在着的所有细菌、体，它们对应着同等数量的抗原。自然界中存在着的所有细菌、病毒、生物大分子在机体内均有对应的抗体和病毒、生物大分子在机体内均有对应的抗体和T T细胞受体，甚至细胞受体，甚至就连自然界内尚未出现的抗原分子（如病毒），机体内已存在着就连自然界内尚未出现的抗原分子（如病毒），机体内已存在着相应的抗体。那么机体是怎样产生数量如此庞大的抗体呢？人体相应的抗体。那么机体是怎样产生数量如此庞大的抗体呢？人体内总共只有几万个基因，如何能为数亿种抗体蛋白编码呢？内总共只有几万个基因，如何能为数亿种抗体蛋白编码呢？3B3B 免疫球蛋白基因的顺序组织免疫球蛋白基因的顺序组织 高等哺乳类动物的免疫球蛋白（高等哺乳类动物的免疫球蛋白（IgIg）由两条重链由两条重链（HH，35KD35KD）和两条轻链（和两条轻链（L L，17KD17KD）通过通过四对二硫键四对二硫键连接而成。连接而成。 a 抗体分子的基本结构 重链有五种类别：重链有五种类别：m m m m，d d d d，g g g g，e e e e，a a a a，分别构成：分别构成：IgMIgM、IgDIgD、IgGIgG IgAIgA、IgEIgE，它们通常具有不同的生物学功能。它们通常具有不同的生物学功能。 轻链有两种类别：轻链有两种类别：k k k k，l ll l。 人类的抗体中，人类的抗体中，60%60%是是k k链；链；40%40%为为l ll l链。链。 抗体的分子结构抗体的分子结构NNNNCCCCV VLLJ JCCLLV VLLJ JCCLLV VHHDJDJCCH1H1CCH2H2CCH3H3CCH2H2CCH3H3铰链区（铰链区（HingeHinge）效应功能区（五类抗体的功能类别决定区）效应功能区（五类抗体的功能类别决定区）抗原结合区抗原结合区3B3B 免疫球蛋白基因的顺序组织免疫球蛋白基因的顺序组织人体免疫球蛋白的编码基因包括下列三大家族：人体免疫球蛋白的编码基因包括下列三大家族： b 抗体分子的编码基因轻链轻链 l l l l 家族家族轻链轻链 k k k k 家族家族重链家族重链家族少于少于300300个不同的个不同的V V基因和大于基因和大于6 6个不同的个不同的CC基因基因 少于少于300300个不同的个不同的V V基因以及唯一的基因以及唯一的1 1个个CC基因基因 大约大约300300个不同的个不同的V V基因以及基因以及9 9个不同的个不同的CC基因基因包括包括 m m m m、d d d d、g g g g、a a a a、e e e e 基因基因 3B3B 免疫球蛋白基因的顺序组织免疫球蛋白基因的顺序组织 在在这这里里，基基因因的的概概念念是是编编码码免免疫疫球球蛋蛋白白多多肽肽链链的的一一个个特特定定区区域域的的DNADNA序序列列。在在非非抗抗体体合合成成细细胞胞中中，V V基基因因和和CC基基因因不不在在同同一一条条染染色色体上。体上。 b 抗体分子的编码基因 三三个个家家族族的的划划分分是是因因为为每每个个家家族族的的各各个个基基因因均均有有自自己己的的顺顺序序组组织织模模式式及及表表达达模模式式，家家族族不不同同，基基因因的的顺顺序序组组织织及及表表达达调调控控模模式式也也不同。不同。 3B3B 免疫球蛋白基因的顺序组织免疫球蛋白基因的顺序组织 高高等等哺哺乳乳类类动动物物免免疫疫球球蛋蛋白白基基因因的的排排列列顺顺序序在在胚胚胎胎细细胞胞和和B B淋淋巴巴细细胞胞中中是是不不同同的的，胚胚胎胎细细胞胞中中的的相相应应基基因因并并不不能表达。胚胎细胞中免疫球蛋白的基因顺序组织如下：能表达。胚胎细胞中免疫球蛋白的基因顺序组织如下： c 抗体基因家族的顺序组织l l l l 基因家族在胚胎细胞中的顺序组织基因家族在胚胎细胞中的顺序组织1000 kb1000 kb少于少于300300个个V Vl ll l基因基因间隔区间隔区大于大于6 6个个J Jl ll l CCl ll l基因基因信号肽编码区信号肽编码区可变区编码区可变区编码区J J 区编码区区编码区不变区编码区不变区编码区（-19 -4-19 -4）（-3 97-3 97）（98 11098 110） （111 111 CC）k k k k 基因家族在胚胎细胞中的顺序组织基因家族在胚胎细胞中的顺序组织少于少于300300个个V Vkk基因基因间隔区间隔区5 5个个J Jkk和和1 1个个CCkk基因基因信号肽编码区信号肽编码区可变区编码区可变区编码区J J 区编码区区编码区不变区编码区不变区编码区5 5个个J Jkk片段分布在片段分布在500 - 700 500 - 700 bpbp的区域内，内含子结构长的区域内，内含子结构长为为2 - 3 2 - 3 kbkb增强子增强子H H 重链重链基因家族在胚胎细胞中的顺序组织基因家族在胚胎细胞中的顺序组织300 kb300 kb300300个个VVHH信号肽编码区信号肽编码区可变区编码区可变区编码区 人人的的免免疫疫球球蛋蛋白白HH重重链链基基因因家家族族不不像像轻轻链链家家族族那那样样分分隔隔成成分分离离的的两两部部分分，而而是是所所有有基基因因全全部部组组成成一一个个巨巨大大的的基基因因簇簇结结构构。其其中中，DD区区由由2-132-13个氨基酸组成。个氨基酸组成。 2020个个DD66个个JJm d gm d g3 3 gg11ye ye aa1 1 yg yg gg2 2 gg4 4 e ae a22CCH1H1铰链区铰链区CCH2H2CCH3H33C3C 抗体多样性的分子机制抗体多样性的分子机制 人体的人体的B B淋巴细胞可同时产生至少数百万种不同的抗体，每种抗体淋巴细胞可同时产生至少数百万种不同的抗体，每种抗体分子的氨基酸序列均不同。根据传统理论，人体至少应有几百万个免疫分子的氨基酸序列均不同。根据传统理论，人体至少应有几百万个免疫球蛋白基因为其编码，但事实上人体染色体中的基因总数只有球蛋白基因为其编码，但事实上人体染色体中的基因总数只有3-43-4万个万个这显然是一个理论上的难题。这显然是一个理论上的难题。 19651965年年，DreyerDreyer和和BenettBenett提出了基因重排假说，以解释抗体多样性提出了基因重排假说，以解释抗体多样性的分子机制：抗体的不变区是由单基因编码的，而可变区则由数千个基的分子机制：抗体的不变区是由单基因编码的，而可变区则由数千个基因编码，机体通过因编码，机体通过体内基因重排体内基因重排或重组方式实现抗体分子的多样性。可或重组方式实现抗体分子的多样性。可是当时这个假说并没有为他人所接受，因为那时人们相信基因是不会重是当时这个假说并没有为他人所接受，因为那时人们相信基因是不会重组的，直到十年后，组的，直到十年后，DNADNA体外重组实验成功后，这个假说才被承认。体外重组实验成功后，这个假说才被承认。3C3C 抗体多样性的分子机制抗体多样性的分子机制 19761976年，年，Susumu TonegawaSusumu Tonegawa设计了一个著名的实验，证明抗体基设计了一个著名的实验，证明抗体基因在骨髓干细胞（淋巴细胞的前身）中发生了重排。实验设计如下：从因在骨髓干细胞（淋巴细胞的前身）中发生了重排。实验设计如下：从胚胎细胞和骨髓干细胞中分别制备全染色体胚胎细胞和骨髓干细胞中分别制备全染色体DNADNA，用用BamHIBamHI消化后，凝消化后，凝胶电泳分离，然后用胶电泳分离，然后用 I I125 125 标记的抗体标记的抗体mRNAmRNA（包含包含V V和和C C两部分）杂交两两部分）杂交两种来源的种来源的DNADNA片段，结果发现在胚胎细胞片段，结果发现在胚胎细胞DNADNA片段中有两条不同大小的片段中有两条不同大小的BamHIBamHI片段呈阳性；而在骨髓干细胞片段呈阳性；而在骨髓干细胞DNADNA片段中，只有一条带呈杂交阳片段中，只有一条带呈杂交阳性。这表明，在骨髓干细胞中的抗体基因顺序组织不同于胚胎细胞，也性。这表明，在骨髓干细胞中的抗体基因顺序组织不同于胚胎细胞，也就是说，骨髓干细胞中的抗体基因发生了改变，因为骨髓干细胞也是就是说，骨髓干细胞中的抗体基因发生了改变，因为骨髓干细胞也是从胚胎细胞分化而来的。从胚胎细胞分化而来的。3C3C 抗体多样性的分子机制抗体多样性的分子机制 后来，当抗体基因逐一被克隆后，后来，当抗体基因逐一被克隆后，DNADNA顺序组织的分析结果证实顺序组织的分析结果证实了在胚胎细胞和其它非抗体生成体细胞中，构成抗体的各基因（尤其了在胚胎细胞和其它非抗体生成体细胞中，构成抗体的各基因（尤其是是V V基因和基因和C C基因）是分离的，它们不能表达任何有功能的抗体蛋白。基因）是分离的，它们不能表达任何有功能的抗体蛋白。而在而在B B淋巴细胞中，各抗体基因元件重组在一起，轻链为淋巴细胞中，各抗体基因元件重组在一起，轻链为V-JCV-JC，重链重链为为V-DJ-CV-DJ-C，它们作为一个转录单位，转录出它们作为一个转录单位，转录出mRNAmRNA前体，经剪切后，前体，经剪切后，翻译出抗体蛋白。那么，抗体基因的重排是怎样进行的呢？翻译出抗体蛋白。那么，抗体基因的重排是怎样进行的呢？3C3C 抗体多样性的分子机制抗体多样性的分子机制小鼠的小鼠的k k k k轻链基因和重链基因随机重排研究得最为详细，以此为例：轻链基因和重链基因随机重排研究得最为详细，以此为例：a 体细胞抗体基因重排的分子机制抗体基因的随机组合抗体基因的随机组合 小鼠小鼠k k k k轻链基因的重排与表达轻链基因的重排与表达小鼠小鼠k k k k轻链基因定位于第轻链基因定位于第6 6号染色体上。号染色体上。V Vk k基因和基因和J Jk k片段的选择是随机的片段的选择是随机的抗体基因的随机组合抗体基因的随机组合 小鼠小鼠k k k k轻链基因的重排与表达轻链基因的重排与表达基因重排后，位于基因重排后，位于CCk k上游的增强子激活最邻近的启动子，并转录出上游的增强子激活最邻近的启动子，并转录出mRNAmRNA前体，而前体，而V Vk k1 1、V Vk k2 2的启动子不能被激活。增强子是组织特异性的，仅在的启动子不能被激活。增强子是组织特异性的，仅在B B淋巴细胞中有活性淋巴细胞中有活性抗体基因的随机组合抗体基因的随机组合 小鼠小鼠H H重链基因的重排与表达重链基因的重排与表达小鼠的小鼠的HH重链重链基因定位在第基因定位在第1212号染色体上。号染色体上。HH重链含有重链含有DD片段片段，它直接与重链的，它直接与重链的多样性多样性（DiversityDiversity）有关。重排分两个阶段：即有关。重排分两个阶段：即DD与与J J重排，重排，V V与与DJ-CDJ-C重排。重排。 抗体基因的重排规则抗体基因的重排规则 重排位点的序列特征重排位点的序列特征抗体轻链和重链基因的重排机制是相同的。在胚胎细胞中，抗体基因在重排位点上抗体轻链和重链基因的重排机制是相同的。在胚胎细胞中，抗体基因在重排位点上（轻链：（轻链：V VLL与与JCJCLL之间；重链：之间；重链：D D与与JCJCHH之间和之间和V VHH与与D D之间）均存在特异性的重排位点。之间）均存在特异性的重排位点。在此位点上，在此位点上，特异性回文结构特异性回文结构形成断裂和结合的形成断裂和结合的信号序列信号序列。七聚体七聚体九聚体九聚体九聚体九聚体七聚体七聚体VVkkJCJCkkVVllJCJCll23 23 bpbp12 12 bpbp12 12 bpbp23 23 bpbpCACAGTGCACAGTGACAAAAACCACAAAAACCCACAGTGCACAGTGGGTTTTTGTGGTTTTTGT抗体基因的重排规则抗体基因的重排规则 重排位点的序列特征重排位点的序列特征每个每个V V编码基因之后均有这种结构。七聚体本身就是回文结构；九聚体编码基因之后均有这种结构。七聚体本身就是回文结构；九聚体本身不是回文结构。在本身不是回文结构。在k k轻链基因中，每个轻链基因中，每个J J片段之前均有这种片段之前均有这种9-23-79-23-7结结构。小鼠重链编码基因簇中的重排位点也呈现相似的特征序列：构。小鼠重链编码基因簇中的重排位点也呈现相似的特征序列：VVHHJCJCHH23 23 bpbp12 12 bpbp12 12 bpbp23 23 bpbpDD抗体基因的重排规则抗体基因的重排规则 抗体基因分子的重排规则抗体基因分子的重排规则一个带有一种间隔区一个带有一种间隔区的保守序列只能与一的保守序列只能与一个带有另一种间隔区个带有另一种间隔区的保守序列结合，也的保守序列结合，也就是说，含有就是说，含有1212bpbp间隔区间隔区的保守列序只的保守列序只能与含有能与含有2323bpbp间 隔间 隔区区的保守列序相结合的保守列序相结合VVJCJC12 12 bpbp23 23 bpbp信号端信号端信号端信号端编码端编码端编码端编码端VVJCJC基因或片段的断裂位基因或片段的断裂位点及连接位点均发生在点及连接位点均发生在七聚体七聚体保守序列的保守序列的两个外侧两个外侧，即信号端与编码端的交界处，即信号端与编码端的交界处断裂断裂连接连接基因重排的不精确性基因重排的不精确性直接导致在断裂连接位点上直接导致在断裂连接位点上的的碱基插入碱基插入或或缺失缺失。整个基因重排过程包括整个基因重排过程包括断裂断裂和和结合结合两个反应。结合反应两个反应。结合反应会导致碱基的插入或缺失，会导致碱基的插入或缺失，这种变化发生在这种变化发生在V-JV-J结合区结合区（轻链）；在重链中发生在（轻链）；在重链中发生在V-DV-D和和D-JD-J结合区。在插入突结合区。在插入突变中，变中，P P核苷酸核苷酸来源于基因来源于基因序列的补齐过程；而序列的补齐过程；而N N核苷核苷酸酸则来源于随机掺入过程。则来源于随机掺入过程。 基因重排的不精确性基因重排的不精确性经过重排反应后，原来的抗经过重排反应后，原来的抗体编码序列体编码序列TACCGTACCG变成了变成了TATAT TTGGTGGGGGGCCGCCG，增加了增加了6 6对碱基，即对碱基，即2 2个密码子。而个密码子。而这些位点恰恰位于抗体分子这些位点恰恰位于抗体分子特异性的超变区内，因而产特异性的超变区内，因而产生了抗体的多样性。当然，生了抗体的多样性。当然，这种碱基的缺失或插入也会这种碱基的缺失或插入也会导致阅读框架发生错误，因导致阅读框架发生错误，因而大约有三分之二的基因重而大约有三分之二的基因重排是无功能的。排是无功能的。基因重排的不精确性基因重排的不精确性若干种参与若干种参与V V（D D）J J重排的重排的蛋白因子已被鉴定，它们含蛋白因子已被鉴定，它们含有典型的有典型的七聚体结合位点七聚体结合位点、九聚体结合位点九聚体结合位点、核酸内切核酸内切酶活性中心酶活性中心等特征结构。其等特征结构。其中一个重要的蛋白因子由基中一个重要的蛋白因子由基因因ragrag编码，编码，ragrag突变型的小突变型的小鼠不能产生功能性抗体。鼠不能产生功能性抗体。3C3C 抗体多样性的分子机制抗体多样性的分子机制在抗体分子的形成过程中至少有四个环节为其提供了序列多样性：在抗体分子的形成过程中至少有四个环节为其提供了序列多样性： b 抗体分子多样性的来源抗体基因装配元件的多样性抗体基因装配元件的多样性对人体免疫球蛋白轻链的装配元件而言：对人体免疫球蛋白轻链的装配元件而言： V Vll300300，J JllCCll6 6，装配的装配的（VJCVJC）ll的总数为的总数为1,8001,800种种 V Vkk300300，J JkkCCk k = = 5 5，装配的装配的（VJCVJC）kk的总数为的总数为1,0001,000种种 对人体免疫球蛋白重链的装配元件而言：对人体免疫球蛋白重链的装配元件而言： V VHH300300，J JH H = = 5 5，DD = = 2020，CCH H = = 9 9，装配的，装配的（VDJCVDJC）HH的总数为的总数为270,000270,000， 2.7102.71055 因而，由于抗体基因元件装配产生的抗体总数为：因而，由于抗体基因元件装配产生的抗体总数为： （1,800 1,800 + + 1,0001,000）x x 2.7 2.7 x 10x 1055 = = 7.56 x 107.56 x 1088 抗体基因重排过程中碱基插入或缺失的多样性抗体基因重排过程中碱基插入或缺失的多样性 任何任何V-JCV-JC、V-D-JCV-D-JC、D-JCD-JC重排过程均可产生数量极为可观的碱基重排过程均可产生数量极为可观的碱基序列改变，虽然这些改变中至少有三分之二是无功能的，但剩下的三分序列改变，虽然这些改变中至少有三分之二是无功能的，但剩下的三分之一也是无法计算的。保守估计，每种重排至少能产生两种有功能的序之一也是无法计算的。保守估计，每种重排至少能产生两种有功能的序列，因而其有效突变的总数大约为：列，因而其有效突变的总数大约为： （1,800 1,800 + + 1,0001,000）x x 3 3 x 10x 104 4 x 2 = x 2 = 1.68 x 101.68 x 1088 其中，其中，3 3 x 10x 104 4 = = 300 300 x 20x 20 x 5 x 5 V V基因和假基因之间同源交换的多样性基因和假基因之间同源交换的多样性 这种多样性首先在鸟类动物体内发现。鸡的免疫球蛋白这种多样性首先在鸟类动物体内发现。鸡的免疫球蛋白l l轻链基因只有轻链基因只有3 3个：个：J Jl l、CCll、VVll。但在但在VVll的上游有的上游有2525个个yyVVll假基因假基因，VVll甚至是没有活性的，它必须与甚至是没有活性的，它必须与yyVVll发生同发生同源交换后，才能合成具有活性的源交换后，才能合成具有活性的ll轻链。每个轻链。每个yyVVll基因中均有基因中均有4-64-6个片段（个片段（10-12010-120 bpbp不等）可与不等）可与VVll发生同源交换，而且这种同源交换可发生一次、二次发生同源交换，而且这种同源交换可发生一次、二次甚至六次，因甚至六次，因而由此产生的而由此产生的ll轻链也可达轻链也可达2.5102.51088之多！之多！ 25 25 yyVVllV Vl lJ Jl lCCl lVV基因片段之间的同源交换基因片段之间的同源交换体细胞突变产生的多样性体细胞突变产生的多样性这种突变发生在成熟的这种突变发生在成熟的B B淋巴细胞淋巴细胞内，具体部位在轻重链可变区基因内，具体部位在轻重链可变区基因的上游区域，由的上游区域，由抗原刺激诱导抗原刺激诱导产生产生突变频率为突变频率为1010- 3- 3/ /碱基对碱基对/ /细胞代数细胞代数其结果是不断地出现对抗原具有更其结果是不断地出现对抗原具有更强亲和力的抗体产生。不过这一个强亲和力的抗体产生。不过这一个过程发生在初级免疫应答过程中，过程发生在初级免疫应答过程中，之后绝大部分细胞死亡，只留下很之后绝大部分细胞死亡，只留下很少的细胞作为记忆保留下来，保留少的细胞作为记忆保留下来，保留下来的是优良的体细胞突变株。下来的是优良的体细胞突变株。 3C3C 抗体多样性的分子机制抗体多样性的分子机制 生产性生产性免疫球蛋白基因的免疫球蛋白基因的重排重排是指能产生出是指能产生出活性抗体活性抗体的基因重排事的基因重排事件。同源染色体两条单体的抗体等位基因理论上可同时发生基因重排，件。同源染色体两条单体的抗体等位基因理论上可同时发生基因重排，但一旦一条同源染色体上的基因重排是生产性的，或者是成功的，那么但一旦一条同源染色体上的基因重排是生产性的，或者是成功的，那么它便会抑制另一条同源染色体上等位基因的重排过程，这就是所谓的它便会抑制另一条同源染色体上等位基因的重排过程，这就是所谓的等等位排斥现象位排斥现象。 c 生产性基因重排触发等位基因的排斥 因此，每个因此，每个B B淋巴细胞只表达一种类型的轻链和一种类型的重链，淋巴细胞只表达一种类型的轻链和一种类型的重链，产生一种免疫球蛋白分子。产生一种免疫球蛋白分子。 3D3D 免疫球蛋白类型开关的启动免疫球蛋白类型开关的启动 人体免疫系统能产生人体免疫系统能产生五种不同类型五种不同类型的抗体的抗体( (免疫球蛋白免疫球蛋白) )，每一类，每一类抗体具有不同的重链类型，由抗体具有不同的重链类型，由C CHH区域的氨基酸排列顺序决定。一个区域的氨基酸排列顺序决定。一个B B淋巴细胞在任何一个时刻一般只能产生一种类型的抗体，但在整个细淋巴细胞在任何一个时刻一般只能产生一种类型的抗体，但在整个细胞周期中，免疫球蛋白的类型可能会发生改变。这种控制抗体类型转胞周期中，免疫球蛋白的类型可能会发生改变。这种控制抗体类型转换的因素称为换的因素称为“类型开关类型开关”，而抗体的轻链在整个细胞周期中却是恒，而抗体的轻链在整个细胞周期中却是恒定定不变的。不变的。3D3D 免疫球蛋白类型开关的启动免疫球蛋白类型开关的启动IgMIgM（m m m m22L L22）55J J（5%5%）分泌在分泌在血液血液中，识别抗原并形成复合物，激活补中，识别抗原并形成复合物，激活补a 各类型免疫球蛋白的组成与功能体系统和巨噬细胞体系统和巨噬细胞IgDIgD（d d d d22L L22）（1%1%）定位于定位于B B淋巴淋巴细胞表面细胞表面，与免疫耐受性的发生有关，与免疫耐受性的发生有关 IgGIgG（g g g g22L L22）（80%80%）分泌在分泌在血液血液中，功能与中，功能与IgMIgM相似，是人体内主要的相似，是人体内主要的免疫球蛋白种类免疫球蛋白种类IgAIgA（a a a a22L L22）（14%14%）分泌在各种分泌在各种体液体液中，如唾液、泪液、肠液中，在那中，如唾液、泪液、肠液中，在那里形成第一道防线里形成第一道防线IgEIgE（e e e e22L L22）（ 1%1%）与抗原形成复合物，促进绝大部分细胞将组织胺泵与抗原形成复合物，促进绝大部分细胞将组织胺泵出细胞外，是机体过敏反应的触发剂出细胞外，是机体过敏反应的触发剂3D3D 免疫球蛋白类型开关的启动免疫球蛋白类型开关的启动 免疫球蛋白类型的转换实质上就是免疫球蛋白类型的转换实质上就是C CHH基因的转换基因的转换。V-D-JV-D-J组合元组合元件与新的件与新的C CHH类型基因发生类型基因发生第三次基因重排第三次基因重排，这就是，这就是“类型开关类型开关”的启的启动机理。第三次基因重排发生在动机理。第三次基因重排发生在C CHH基因的上游，每个基因的上游，每个C CHH基因的上游均基因的上游均含有自己的开关区域，即含有自己的开关区域，即S S区，位于区，位于C CHH基因上游大约基因上游大约2 2kbkb处，长度处，长度1-1-1010kbkb不等。不等。S S区内均含有一组短小的同源序列，重排位点虽然不是位区内均含有一组短小的同源序列，重排位点虽然不是位点专点专b 类型开关的启动机制一性的，但都位于这组同源序列的附近，其重组的机理不详。一性的，但都位于这组同源序列的附近，其重组的机理不详。第三次重排的过程第三次重排的过程3D3D 免疫球蛋白类型开关的启动免疫球蛋白类型开关的启动免疫球蛋白免疫球蛋白IgMIgM的合成周期可分为两个阶段：的合成周期可分为两个阶段：c RNA剪切对类型开关的影响 第一阶段：当骨髓干细胞分化成前第一阶段：当骨髓干细胞分化成前B B淋巴细胞时，淋巴细胞时，IgMIgM被合成并定位被合成并定位在细胞的表面，其结构式为在细胞的表面，其结构式为L L22m m m mmm22，其中其中mm代表膜蛋白；代表膜蛋白； 第二阶段：当前第二阶段：当前B B淋巴细胞进一步分化成浆细胞时，淋巴细胞进一步分化成浆细胞时，IgMIgM被合成为五被合成为五聚体形式聚体形式（L L22m m m ms s22）55J J，其中其中J J是一种是一种结合肽结合肽，与，与J J片段无关，它与各片段无关，它与各m m m ms s链链形成二硫键，形成二硫键，S S代表分泌。代表分泌。 3D3D 免疫球蛋白类型开关的启动免疫球蛋白类型开关的启动c RNA剪切对类型开关的影响 m m m mmm与与m m m ms s仅在重链的仅在重链的C C末端不同，末端不同，m m m mmm末端是疏水性的，而末端是疏水性的，而m m m ms s末端末端是亲水性的，这使得是亲水性的，这使得IgMIgM具有不同的生物功能。由具有不同的生物功能。由m m m mmm转换成转换成m m m ms s并不是并不是靠基因重排机制实现，而是在转录产物的剪切过程中形成的。靠基因重排机制实现，而是在转录产物的剪切过程中形成的。 任何一个任何一个B B淋巴细胞只产生一种免疫球蛋白，这个规律的一个例淋巴细胞只产生一种免疫球蛋白，这个规律的一个例外是：在成熟的外是：在成熟的B B淋巴细胞中，淋巴细胞中，IgMIgM和和IgDIgD两种抗体同时合成，但它们两种抗体同时合成，但它们的可变区是相同的，这可能是由于的可变区是相同的，这可能是由于RNARNA剪切过程发生故障造成的，因剪切过程发生故障造成的，因为为m m m m和和d d d d两个编码区是连在一起的。两个编码区是连在一起的。RNARNA剪切多样性对剪切多样性对lgMlgM类型开关的影响机制类型开关的影响机制基因型基因型CCm mm m六个外显子六个外显子核核RNARNA膜结合阶段膜结合阶段mRNAmRNAAAAAAAAAAAAAAAAALL2 2 mmmm22核核RNARNA分泌阶段分泌阶段mRNAmRNAAAAAAAAAAAAAAAAALL2 2 mmss22(L(L2 2 mmss22)55JJV VDDJ Jm m m m1 1m m m m2 2m m m m3 3m m m m4 4mm1 1 mm2 23E3E T T 淋巴细胞受体的结构与功能淋巴细胞受体的结构与功能 T T淋巴细胞是高等哺乳动物第二免疫系统淋巴细胞是高等哺乳动物第二免疫系统 ( (细胞免疫细胞免疫) ) 的主要功能单位，它也能与外来的抗原特异性结合，但这种的主要功能单位，它也能与外来的抗原特异性结合，但这种结合依赖于结合依赖于T T淋巴细胞表面受体淋巴细胞表面受体( (TCRTCR) ) 。3E3E T T 淋巴细胞受体的结构与功能淋巴细胞受体的结构与功能 TCR TCR与与IgIg的同源性来自于的同源性来自于T T淋巴细胞和淋巴细胞和B B淋巴细胞的亲淋巴细胞的亲缘关系，两者都是从同一种前体细胞分化而成的。缘关系，两者都是从同一种前体细胞分化而成的。 a TCR与Ig的同源性TCRTCR与与IgIg蛋白结构的同源性蛋白结构的同源性 TCRTCR有两种：有两种：a ab ba ab b型受体与型受体与g gd dg gd d型受体，其中型受体，其中g gd dg gd d受体小于受体小于5%5%，a ab ba ab b受体受体大于大于95%95%。 g gd dg gd d受体仅在受体仅在T T细胞早期发育阶段合成，而细胞早期发育阶段合成，而a ab ba ab b受体则在细胞受体则在细胞 发育晚期合成。发育晚期合成。 a ab bg gd da ab bg gd d四种多肽链均由可变区四种多肽链均由可变区V V、不变区不变区C C、铰链区铰链区J J组成，其中组成，其中b b b b链链和和d d d d链还含有多样区链还含有多样区D D，a a a a与与b b b b、g g g g与与d d d d也都由二硫键相连。与免疫球蛋白也都由二硫键相连。与免疫球蛋白相同，相同，TCRTCR也能够识别不可预期的抗原结构，因此也能够识别不可预期的抗原结构，因此TCRTCR与与IgIg同属抗原球同属抗原球蛋白超家族。蛋白超家族。 abababab型的型的TCRTCR是一种是一种8080kDkD的糖蛋白，其中的糖蛋白，其中a a a a链与链与b b b b链各链各4040kDkD。 TCRTCR与与IgIg基因结构的同源性基因结构的同源性TCRTCR各链的基因顺序组织与免疫球蛋白基因相似：各链的基因顺序组织与免疫球蛋白基因相似：TCRTCR各亚基基因的装配也经历各亚基基因的装配也经历V-JCV-JC或或V-D-JCV-D-JC的重排过程，其重排的重排过程，其重排位点同样使用位点同样使用七聚体七聚体- -九聚体九聚体的信号序列。的信号序列。 TCRTCRa a a a链基因相似于免疫球蛋白的链基因相似于免疫球蛋白的k k k k轻链基因轻链基因TCRTCRb b b b链基因相似于免疫球蛋白的链基因相似于免疫球蛋白的HH重链基因重链基因TCRTCRg g g g链基因相似于免疫球蛋白的链基因相似于免疫球蛋白的l l l l轻链基因轻链基因TCRTCR与与IgIg基因重排机制的同源性基因重排机制的同源性3E3E T T 淋巴细胞受体的结构与功能淋巴细胞受体的结构与功能 TCR TCR编码编码基因存在于三个分离的基因存在于三个分离的基因簇基因簇中。中。 b TCR基因的顺序组织 虽然虽然TCRTCR各亚基的各亚基的V V基因数目比免疫球蛋白的基因数目比免疫球蛋白的V V基因要少，但基因要少，但TCRTCR受体的多样性却比免疫球蛋白还多，因为受体的多样性却比免疫球蛋白还多，因为TCRTCR的的J J和和D D片段可与片段可与V V基因发生异源重排，如基因发生异源重排，如V Va a a aJ Jd d d dC Ca a a a、V Vd d d dJ Ja a a aC Cd d d d等，在等，在TCRTCR的的b b b b基因簇内基因簇内有时还会发生有时还会发生DDb b b b-D-Dd d d d重排。重排。TCRTCR的的adadadad基因簇结构基因簇结构人的人的TCRTCRadadadad基因簇基因簇定位在第定位在第1414号染色体上：号染色体上：100 100 VVa a + + 10 V10 Vdd1000 kb1000 kbDDddJJddCCddVVdd100 J100 JaaCCaaTCRTCR的的b b b b基因簇结构基因簇结构人的人的TCRTCRb b b b基因簇基因簇定位在第定位在第7 7号染色体的一端：号染色体的一端：40 V40 Vbb600 kb600 kbDDbbJJbbCCbb11VVbbJJbbCCbb22TCRTCR的的g g g g基因簇结构基因簇结构人的人的TCRTCRg g g g基因簇基因簇定位在第定位在第7 7号染色体的另一端：号染色体的另一端：14 V14 Vgg150 kb150 kbJJgg11CCgg11JJgg22CCgg223E3E T T 淋巴细胞受体的结构与功能淋巴细胞受体的结构与功能c TCR的结合蛋白复合物在在T T细胞中，细胞中，TCRTCR与与CD3CD3蛋白蛋白复合物复合物连为一体。当连为一体。当TCRTCR与与抗原结合后，抗原结合后，CD3CD3复合物中复合物中的的x x亚基就会将信号传递至亚基就会将信号传递至T T淋巴细胞内，激活胞内一系淋巴细胞内，激活胞内一系列的酶系，并分泌至列的酶系，并分泌至T T淋巴细淋巴细胞外，杀灭被外来细菌或病胞外，杀灭被外来细菌或病毒侵染的靶细胞，这是免疫毒侵染的靶细胞，这是免疫细胞信号转导的一种方式。细胞信号转导的一种方式。 3F3F 大型组织相容性蛋白的结构与功能大型组织相容性蛋白的结构与功能 大型组织相容性蛋白大型组织相容性蛋白（MHCMHC）大都是糖蛋白，每种高等生物具大都是糖蛋白，每种高等生物具有不同的有不同的MHCMHC，甚至每个生物个体都具有不同于他人的自身甚至每个生物个体都具有不同于他人的自身MHCMHC，也就是说人与人之间的也就是说人与人之间的MHCMHC基因都不同，这与基因都不同，这与TCRTCR和和IgIg基因家族有基因家族有着本质的区别。因此，着本质的区别。因此，MHCMHC的多样性可能比的多样性可能比TCRTCR和和IgIg还要大，这种还要大，这种MHCMHC的多样性是生物体自我识别的分子基础。的多样性是生物体自我识别的分子基础。a 大型组织相容性蛋白的多样性特征MHCMHC多样性的分子机制多样性的分子机制 MHC MHC多样性的分子机制是编码基因内的多样性的分子机制是编码基因内的同源交换同源交换，因为在，因为在MHCMHC基因簇中存在着大量的假基因，它们为基因的同源交换提供了丰富多基因簇中存在着大量的假基因，它们为基因的同源交换提供了丰富多彩的交换元件。彩的交换元件。 除此之外，除此之外，MHCMHC与与TCRTCR和和IgIg在分子水平上具有同源性，三者至少在分子水平上具有同源性，三者至少有有100100个氨基酸残基是同源保守的，这暗示它们在进化中均来自于一个氨基酸残基是同源保守的，这暗示它们在进化中均来自于一个共同的祖先。个共同的祖先。3F3F 大型组织相容性蛋白的结构与功能大型组织相容性蛋白的结构与功能根据根据MHCMHC分子的结构、功能、定位，可将分子的结构、功能、定位，可将MHCMHC分成三大类亚家族：分成三大类亚家族： b 大型组织相容性蛋白家族的功能I I 型型MHCMHC属于传统的移植抗原，它们属于传统的移植抗原，它们位于生物个体所有细胞的表位于生物个体所有细胞的表面，能与抗原碎片结合，并面，能与抗原碎片结合，并为杀手为杀手T T淋巴细胞表面受体淋巴细胞表面受体( (TCRTCR) )所识别。所识别。I I 型型MHCMHC为二为二聚体，由一个自身链和一个聚体，由一个自身链和一个b b b b2 2微球蛋白链构成。微球蛋白链构成。b b b b2 2微球微球蛋白用于蛋白用于I-MHCI-MHC的细胞膜的细胞膜运输与定位。运输与定位。II II 型型MHCMHC定位于定位于B B淋巴细胞、淋巴细胞、T T淋巴细淋巴细胞、巨噬细胞的膜表面，功胞、巨噬细胞的膜表面，功能是负责免疫系统各类细胞能是负责免疫系统各类细胞之间的通讯。之间的通讯。II II 型型MHCMHC为二为二聚体，由聚体，由a a a a、b b b b两条链组成，两条链组成，在结构上与在结构上与I I 型型MHCMHC相似。相似。III III 型型MHCMHC定位于血清内，补体蛋白，定位于血清内，补体蛋白，其功能是裂解细胞和抗原本其功能是裂解细胞和抗原本身，属于体液免疫系统。身，属于体液免疫系统。IIIIII型型MHCMHC也呈二聚体结构。也呈二聚体结构。 3F3F 大型组织相容性蛋白的结构与功能大型组织相容性蛋白的结构与功能 人类三种类型人类三种类型MHCMHC的编码基因均定位在一个约的编码基因均定位在一个约4,0004,000kbkb的染色体区的染色体区域内，只有域内，只有b b b b2 2微球蛋白基因定位于另一条染色体上。微球蛋白基因定位于另一条染色体上。 c 大型组织相容性蛋白基因的顺序组织MHCMHC基因结构的相似性基因结构的相似性除了除了IIIIII型型MHCMHC外，所有的外，所有的MHCMHC基因结构都具有很大的相似性。蛋白分子基因结构都具有很大的相似性。蛋白分子上的各功能区域往往是由基因上的一个外显子编码，也就是说，一个外上的各功能区域往往是由基因上的一个外显子编码，也就是说，一个外显子编码蛋白分子上的一个功能域，包括：显子编码蛋白分子上的一个功能域，包括：信号肽区信号肽区膜外区膜外区 膜外区膜外区 转膜区转膜区 胞质区胞质区 非翻译区非翻译区 3F3F 大型组织相容性蛋白的结构与功能大型组织相容性蛋白的结构与功能B B淋巴细胞和巨噬细胞的淋巴细胞和巨噬细胞的作用就象侦察兵，猎取入作用就象侦察兵，猎取入侵者。当侵者。当靶细胞靶细胞与外来抗与外来抗原遭遇后，便将抗原片段原遭遇后，便将抗原片段通过其通过其 I I 型型MHCMHC展示给杀展示给杀手手T T淋巴细胞，后者再通过淋巴细胞，后者再通过信号转导途径，激活能在信号转导途径，激活能在受感染的靶细胞膜上钻孔受感染的靶细胞膜上钻孔并进入靶细胞的酶系编码并进入靶细胞的酶系编码基因，进而降解入侵抗原基因，进而降解入侵抗原d MHC介导的免疫细胞间的通讯网络3F3F 大型组织相容性蛋白的结构与功能大型组织相容性蛋白的结构与功能当巨噬细胞与外来抗当巨噬细胞与外来抗原遭遇后，便通过其原遭遇后，便通过其II II型型MHCMHC将抗原暴露将抗原暴露给辅助给辅助T T淋巴细胞，淋巴细胞，后者识别后者识别MHC-MHC-抗原抗原复合物。辅助复合物。辅助T T淋巴淋巴细胞就象指挥者，通细胞就象指挥者，通过分泌淋巴细胞因子过分泌淋巴细胞因子d MHC介导的免疫细胞间的通讯网络而发布命令。而发布命令。3F3F 大型组织相容性蛋白的结构与功能大型组织相容性蛋白的结构与功能淋巴细胞因子的功能有三：淋巴细胞因子的功能有三：d MHC介导的免疫细胞间的通讯网络命令命令B B淋巴细胞分化成浆细胞，合成和分泌抗体，消灭入侵者；淋巴细胞分化成浆细胞，合成和分泌抗体，消灭入侵者；进攻巨噬细胞、血小板及其它细胞，参与整理战场和医治创伤；进攻巨噬细胞、血小板及其它细胞，参与整理战场和医治创伤； 作用于辅助作用于辅助T T淋巴细胞本身，使其发出更多的指令，放大信号，淋巴细胞本身，使其发出更多的指令，放大信号，扩增免疫细胞的数目。扩增免疫细胞的数目。 另外，另外，B B淋巴细胞和也拥有自己的信号传递途径。淋巴细胞和也拥有自己的信号传递途径。