過程分子生物學第三章

過程分子生物學5

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基因的表達與調(diào)控細胞通訊的分子機制免疫多樣性的分子識別胚胎發(fā)育的基因表達譜腫瘤發(fā)生的分子機制基因組學與系統(tǒng)生物學當前第1頁\共有90頁\編于星期五\13點免疫多樣性的分子識別E

B

C

D

A

F

哺乳動物的免疫識別及應(yīng)答系統(tǒng)抗體多樣性的分子機制抗體類型開關(guān)的切換T淋巴細胞受體的結(jié)構(gòu)與功能大型組織相容性蛋白的結(jié)構(gòu)與功能先天性免疫系統(tǒng)的功能與機制G

H

I

微生物識別自我與非自我的分子機制獲得性免疫系統(tǒng)的功能與機制抗體編碼區(qū)的順序組織當前第2頁\共有90頁\編于星期五\13點3A

哺乳動物的免疫識別及應(yīng)答系統(tǒng)生物體免疫系統(tǒng)的本質(zhì)功能是區(qū)分“自我”與“非自我”。對于單細胞生物而言，區(qū)分自身與環(huán)境并不困難，胞內(nèi)物質(zhì)就是自身的，而胞外物質(zhì)都是非自身的。但對于多細胞生物來說，區(qū)分自我與非自我就要依靠分子識別系統(tǒng)。人體由三百多種不同型態(tài)和性質(zhì)的細胞構(gòu)成，這些細胞的結(jié)構(gòu)、功能、作用方式均有其特殊性，因此人體需要由更精確的免疫系統(tǒng)實現(xiàn)下列三種功能：

a免疫系統(tǒng)的功能當前第3頁\共有90頁\編于星期五\13點3A

哺乳動物的免疫識別及應(yīng)答系統(tǒng)自身細胞或物質(zhì)的識別功能

a免疫系統(tǒng)的功能一種機制去識別自身的細胞和分子非自身細胞或物質(zhì)的識別功能一種機制去識別非自身的入侵者抵御消滅入侵者的功能一種機制去抵御消滅入侵者，并修復(fù)由其所造成的機體損傷當前第4頁\共有90頁\編于星期五\13點3A

哺乳動物的免疫識別及應(yīng)答系統(tǒng)b免疫系統(tǒng)的組成先天性免疫兩大免疫系統(tǒng)獲得性免疫巨噬細胞樹突細胞警察系統(tǒng)兩大安全系統(tǒng)軍事系統(tǒng)T淋巴細胞B淋巴細胞兩種方式細胞分子干擾素白介素補體抗體細胞水平上免疫功能的發(fā)揮主要依靠先天性免疫系統(tǒng)中的巨噬細胞和樹突細胞，以及獲得性免疫系統(tǒng)中的T淋巴細胞和B淋巴細胞分子水平上免疫功能的發(fā)揮主要依靠溶解在機體循環(huán)系統(tǒng)中的分子，如細胞因子、補體和免疫球蛋白，因此又稱為體液免疫系統(tǒng)當前第5頁\共有90頁\編于星期五\13點3A

哺乳動物的免疫識別及應(yīng)答系統(tǒng)哺乳動物的免疫系統(tǒng)不但具有重要的生理功能，同時也c免疫系統(tǒng)的特征涉及到許多分子生物學的重大理論問題。當前第6頁\共有90頁\編于星期五\13點免疫識別抗體對抗原的特異性分子識別上述特異性的分子識別通常只涉及到蛋白質(zhì)分子中的5-15個氨基酸殘基，或核酸分子中有限長度的序列。抗體與抗原、受體與配體、大型組織相容性復(fù)合物對抗原的特異性分子識別T細胞受體對抗原/大型組織相容性復(fù)合物的特異性分子識別酶與底物是生物體內(nèi)蛋白質(zhì)之間分子識別的三大模型。譜識別受體對微生物相關(guān)分子譜的特異性分子識別微生物crRNA對外源核酸的特異性分子識別當前第7頁\共有90頁\編于星期五\13點細胞通訊B淋巴細胞合成抗體需要自身細胞和輔助T細胞提供信號；毒素T細胞在與抗原-大型組織相容性復(fù)合物結(jié)合后，將信號轉(zhuǎn)導(dǎo)入細胞內(nèi)，激活一系列參與免疫應(yīng)答的組分；巨噬細胞和樹突細胞上的譜識別受體識別微生物相關(guān)分子譜后，通過特定的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑產(chǎn)生分泌細胞因子，并激活獲得性免疫系統(tǒng)，這些都是細胞通訊的基本原理，但這些信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑又與生命其它過程中的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑有所不同。當前第8頁\共有90頁\編于星期五\13點免疫多樣性免疫多樣性，包括抗體、T細胞受體、大型組織相容性復(fù)合物多樣性的發(fā)生機制，是免疫分子生物學的基本內(nèi)容，也是生命科學的重要理論命題。一個哺乳類動物的機體可以產(chǎn)生多達1013-1014種不同的抗體，它們對應(yīng)著同等數(shù)量的抗原。自然界中存在著的所有細菌、病毒、生物大分子在機體內(nèi)均有對應(yīng)的抗體和T細胞受體，甚至就連自然界內(nèi)尚未出現(xiàn)的抗原分子（如病毒的分子），機體內(nèi)也已存在著相應(yīng)的抗體。那么機體是怎樣產(chǎn)生數(shù)量如此龐大的抗體呢？人體內(nèi)總共只有兩萬多個基因，何以能為數(shù)十萬億種海量的抗體蛋白編碼呢？當前第9頁\共有90頁\編于星期五\13點3B

獲得性免疫系統(tǒng)的功能與機制a獲得性免疫系統(tǒng)的基本組成與特征脊椎動物的獲得性免疫系統(tǒng)主要由B淋巴細胞和T淋巴細胞組成，它們分別合成種類繁多的B細胞受體（BCR）、抗體（Ig，又稱免疫球蛋白）、以及T細胞受體（TCR），用于對外來抗原片段或分子的特異性識別，進而刺激并協(xié)助其它免疫細胞和因子消滅抗原。在哺乳動物中，B細胞成熟于骨髓中，而T細胞則成熟于胸腺中。B細胞上的BCR激活體液免疫，T細胞上TCR的觸發(fā)細胞介導(dǎo)的應(yīng)答途徑。獲得性免疫系統(tǒng)的主要特征是能對特定抗原的識別效應(yīng)進行擴增放大，并對之形成長期性甚至永久性的記憶。當前第10頁\共有90頁\編于星期五\13點體液免疫系統(tǒng)獲得性免疫的體液免疫系統(tǒng)由B淋巴細胞合成和分泌的抗體所介導(dǎo)。一旦抗體與抗原特異性結(jié)合（免疫識別）便通過下列兩種途徑消滅抗原：誘導(dǎo)巨噬細胞的吞噬作用；激活補體系統(tǒng)的降解作用。B淋巴細胞合成抗體需要輔助T淋巴細胞（TH）通過細胞通訊提供指令。當前第11頁\共有90頁\編于星期五\13點細胞介導(dǎo)的免疫系統(tǒng)獲得性免疫的細胞介導(dǎo)免疫是由細胞毒素型T淋巴細胞（CTL又稱殺手T淋巴細胞）實現(xiàn)的。外來抗原尤其是細菌或病毒侵染機體靶細胞后，靶細胞表面靶細胞毒素T細胞抗原片段MHCTCRT細胞受體上的大型組織相容性復(fù)合物（MHC）將細菌或病毒的抗原片段展現(xiàn)在細胞外表面，這時毒素T淋巴細胞表面的T細胞受體就能專一性與抗原片段或抗原片段-MHC復(fù)合物結(jié)合，進而消滅被侵染的靶細胞及入侵者當前第12頁\共有90頁\編于星期五\13點細胞介導(dǎo)的免疫系統(tǒng)哺乳動物的每個個體都有其特異性的MHC蛋白譜，因而從一個個體向另一個體的組織移植是困難的，因為供體與受體之間的MHC蛋白譜不同。機體免靶細胞殺手T細胞抗原片段MHCTCRT細胞受體疫系統(tǒng)不會進攻自身的性質(zhì)稱為“免疫耐受性”，而抗體、T細胞受體、MHC是多樣的（免疫多樣性），這就為機體定義識別自身提供了分子基礎(chǔ)。當前第13頁\共有90頁\編于星期五\13點3B

獲得性免疫系統(tǒng)的功能與機制機體在接觸到抗原后，便會產(chǎn)生對該抗原新一輪入侵的免疫作用，而在此之前，機體缺乏對抗原的這種特異性殺傷作用。換句話說，機體對抗原的殺傷能力是在免疫應(yīng)答過程b獲得性免疫系統(tǒng)的形成中獲得的，這種能力產(chǎn)生的機制遵循“克隆選擇理論”。當前第14頁\共有90頁\編于星期五\13點克隆選擇理論未成熟的淋巴細胞庫中含有大量的B細胞和T細胞。每一個B細胞只表達一種特異性BCR和Ig；同樣，每一個T細胞也只含有一種特異性的TCR。一旦遭遇抗原，特異性的BCR和TCR則分別識別結(jié)合之，并啟動由兩者分別介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，其效應(yīng)是大量（106）針對同種抗原的B細胞和T細胞成熟，并產(chǎn)生更多的抗體，即克隆選擇。每個細胞的表面上分布著大約12萬個BCR分子當前第15頁\共有90頁\編于星期五\13點3B

獲得性免疫系統(tǒng)的功能與機制組成獲得性免疫系統(tǒng)的淋巴細胞屬于外周細胞，它們由成年骨髓中的未成熟干細胞發(fā)育而成，或直接通過血液（B細胞）或通過胸腺（T細胞）遷移至外周淋巴組織如脾臟、淋巴結(jié)、派氏淋巴小結(jié)、扁c獲得性免疫系統(tǒng)的分布每個哺乳動物個體的B淋巴細胞庫中至少由1012

種特異性BCR構(gòu)成，T淋巴細胞庫的含量相對少一些，而每一種特異性的B細胞或T細胞只有少數(shù)幾個相同的細胞組成，因為它們從未遭遇過相應(yīng)的抗原。桃體等處，然后在血液和胸腺之間流動循環(huán)。當前第16頁\共有90頁\編于星期五\13點3C

抗體編碼區(qū)的順序組織高等哺乳類動物的免疫球蛋白（Ig）由兩條重鏈（H，35KD）和兩條輕鏈（L，17KD）通過四對二硫鍵連接而成。

a抗體分子的基本結(jié)構(gòu)重鏈有五種類別：m，d，g，e，a，分別構(gòu)成：IgM、IgD、IgG

IgA、IgE，它們通常具有不同的生物學功能。輕鏈有兩種類別：k，l。人類的抗體中，60%是k鏈；40%為l鏈。當前第17頁\共有90頁\編于星期五\13點抗體的分子結(jié)構(gòu)NNCCVLJCLVLJCLVHDJCH1CH2CH3CH2CH3鉸鏈區(qū)（Hinge）效應(yīng)功能區(qū)（五類抗體的功能類別決定區(qū)）抗原結(jié)合區(qū)當前第18頁\共有90頁\編于星期五\13點3C

抗體編碼區(qū)的順序組織人體免疫球蛋白的編碼基因包括下列三大家族：

b抗體分子的編碼基因輕鏈l家族輕鏈k

家族重鏈H家族300個不同的V基因和4個不同的JC基因

76個不同的V基因、5個不同的J基因、1個C基因

51個不同的V基因、30個不同的D片段、6個不同的J基因、9個不同的C基因，包括m、d、g、a、e五種類型的編碼基因。當前第19頁\共有90頁\編于星期五\13點3C

抗體編碼區(qū)的順序組織在這里，基因的概念是編碼免疫球蛋白多肽鏈的一個特定區(qū)域的DNA序列。在非抗體合成細胞中，V基因和C基因不在同一條染色體上。

b抗體分子的編碼基因三個家族的劃分是因為每個家族的各個基因均有自己的順序組織模式及表達模式，家族不同，基因的順序組織及表達調(diào)控模式也不同。

當前第20頁\共有90頁\編于星期五\13點3C

抗體編碼區(qū)的順序組織高等哺乳類動物免疫球蛋白基因的排列順序在胚胎細胞和B淋巴細胞中是不同的，胚胎細胞中的相應(yīng)基因并不能表達。胚胎細胞中免疫球蛋白的基因順序組織如下：c抗體基因家族的順序組織當前第21頁\共有90頁\編于星期五\13點人類l

基因家族在胚胎細胞第22號染色體上的順序組織1000kb300個Vl基因間隔區(qū)4個Jl

Cl基因信號肽編碼區(qū)可變區(qū)編碼區(qū)J區(qū)編碼區(qū)不變區(qū)編碼區(qū)（-19~-4）（-3~97）（98~110）（111~C）當前第22頁\共有90頁\編于星期五\13點人類k

基因家族在胚胎細胞第2號染色體上的順序組織76個Vk基因間隔區(qū)5個Jk和1個Ck基因信號肽編碼區(qū)可變區(qū)編碼區(qū)J區(qū)編碼區(qū)不變區(qū)編碼區(qū)5個Jk片段分布在500-700bp的區(qū)域內(nèi)，內(nèi)含子結(jié)構(gòu)長為2-3kb增強子當前第23頁\共有90頁\編于星期五\13點人類H重鏈基因家族在胚胎細胞第14號染色體上的順序組織300kb51個VH信號肽編碼區(qū)可變區(qū)編碼區(qū)人的免疫球蛋白H重鏈基因家族不像輕鏈家族那樣分隔成分離的兩部分，而是所有基因全部組成一個巨大的基因簇結(jié)構(gòu)。其中，D區(qū)由2-13個氨基酸組成。

30個D6個Jmdg3g1yea1ygg2g4ea2CH1鉸鏈區(qū)CH2CH3當前第24頁\共有90頁\編于星期五\13點3D

抗體多樣性的分子機制人體的B淋巴細胞可同時產(chǎn)生至少數(shù)十萬億種不同的抗體，每種抗體分子的氨基酸序列均不同。根據(jù)傳統(tǒng)理論，人體至少應(yīng)有數(shù)十萬億個抗體基因為其編碼，但事實上人類染色體中的基因總數(shù)只有2-3萬個，這顯然是傳統(tǒng)理論難以解釋的問題。

1965年，Dreyer和Benett提出了基因重排假說，以解釋抗體多樣性的分子機制：抗體的不變區(qū)是由單基因編碼的，而可變區(qū)則由數(shù)千個基因編碼，機體通過體內(nèi)基因重排或重組方式實現(xiàn)抗體分子的多樣性?？墒钱敃r這個假說并沒有為他人所接受，因為那時人們相信基因是不會重組的，直到十年后，DNA體外重組實驗成功后，這個假說才被承認。當前第25頁\共有90頁\編于星期五\13點3D

抗體多樣性的分子機制

1976年，SusumuTonegawa設(shè)計了一個著名的實驗，證明抗體基因在骨髓干細胞（淋巴細胞的前身）中發(fā)生了重排。實驗設(shè)計如下：從胚胎細胞和骨髓干細胞中分別制備全染色體DNA，用BamHI消化后，凝膠電泳分離，然后用I125標記的抗體mRNA（包含V和C兩部分）雜交兩種來源的DNA片段，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在胚胎細胞DNA片段中有兩條不同大小的BamHI片段呈陽性；而在骨髓干細胞DNA片段中，只有一條帶呈雜交陽性。這表明，在骨髓干細胞中的抗體基因順序組織不同于胚胎細胞，也就是說，骨髓干細胞中的抗體基因發(fā)生了改變，因為骨髓干細胞也是從胚胎細胞分化而來的。當前第26頁\共有90頁\編于星期五\13點3D

抗體多樣性的分子機制后來，當抗體基因逐一被克隆后，DNA順序組織的分析結(jié)果證實了在胚胎細胞和其它非抗體生成體細胞中，構(gòu)成抗體的各基因（尤其是V基因和C基因）是分離的，它們不能表達任何有功能的抗體蛋白。而在B淋巴細胞中，各抗體基因元件重組在一起，輕鏈為V-JC，重鏈為V-DJ-C，它們作為一個轉(zhuǎn)錄單位，轉(zhuǎn)錄出mRNA前體，經(jīng)剪切后，翻譯出抗體蛋白。那么，抗體基因的重排是怎樣進行的呢？當前第27頁\共有90頁\編于星期五\13點3D

抗體多樣性的分子機制小鼠的k輕鏈基因和重鏈基因隨機重排研究得最為詳細，以此為例：a體細胞抗體基因重排的分子機制當前第28頁\共有90頁\編于星期五\13點抗體基因的隨機組合小鼠k輕鏈基因的重排與表達小鼠k輕鏈基因定位于第6號染色體上。Vk基因和Jk片段的選擇是隨機的當前第29頁\共有90頁\編于星期五\13點抗體基因的隨機組合小鼠k輕鏈基因的重排與表達基因重排后，位于Ck上游的增強子激活最鄰近的啟動子，并轉(zhuǎn)錄出mRNA前體，而Vk1、Vk2的啟動子不能被激活。增強子是組織特異性的，僅在B淋巴細胞中有活性當前第30頁\共有90頁\編于星期五\13點抗體基因的隨機組合小鼠H重鏈基因的重排與表達小鼠的H重鏈基因定位在第12號染色體上。H重鏈含有D片段，它直接與重鏈的多樣性（Diversity）有關(guān)。重排分兩個階段：即D與J重排，V與DJ-C重排。當前第31頁\共有90頁\編于星期五\13點抗體基因的重排規(guī)則重排位點的序列特征抗體輕鏈和重鏈基因的重排機制是相同的。在胚胎細胞中，抗體基因在重排位點上（輕鏈：VL與JCL之間；重鏈：D與JCH之間和VH與D之間）均存在特異性的重排位點。在此位點上，特異性回文結(jié)構(gòu)形成斷裂和結(jié)合的重排信號序列（RSS）。七聚體九聚體九聚體七聚體VkJCkVlJCl23bp12bp12bp23bpCACAGTGACAAAAACCCACAGTGGGTTTTTGT當前第32頁\共有90頁\編于星期五\13點抗體基因的重排規(guī)則重排位點的序列特征每個V編碼基因之后均有這種結(jié)構(gòu)。七聚體本身就是回文結(jié)構(gòu)；九聚體本身不是回文結(jié)構(gòu)。在k輕鏈基因中，每個J片段之前均有這種9-23-7結(jié)構(gòu)。小鼠重鏈編碼基因簇中的重排位點也呈現(xiàn)相似的特征序列：VHJCH23bp12bp12bp23bpD當前第33頁\共有90頁\編于星期五\13點抗體基因的重排規(guī)則抗體基因分子的重排規(guī)則─12/23定律一個帶有一種間隔區(qū)的保守序列只能與一個帶有另一種間隔區(qū)的保守序列結(jié)合，也就是說，含有12bp間隔區(qū)的保守列序只能與含有23bp間隔區(qū)的保守列序相結(jié)合VJC12bp23bp信號端信號端編碼端編碼端VJC基因或片段的斷裂位點及連接位點均發(fā)生在七聚體保守序列的兩個外側(cè)，即信號端與編碼端的交界處斷裂連接當前第34頁\共有90頁\編于星期五\13點基因重排的不精確性直接導(dǎo)致在斷裂連接位點上的堿基插入或缺失。整個基因重排過程包括斷裂和結(jié)合兩個反應(yīng)。結(jié)合反應(yīng)會導(dǎo)致堿基的插入或缺失，這種變化發(fā)生在V-J結(jié)合區(qū)（輕鏈）；在重鏈中發(fā)生在V-D和D-J結(jié)合區(qū)。在插入突變中，P核苷酸來源于基因序列的補齊過程；而N核苷酸則來源于隨機摻入過程。當前第35頁\共有90頁\編于星期五\13點基因重排的不精確性經(jīng)過重排反應(yīng)后，原來的抗體編碼序列TACCG變成了TATTGGGGCCG，增加了6對堿基，即2個密碼子。而這些位點恰恰位于抗體分子特異性的超變區(qū)內(nèi)，因而產(chǎn)生了抗體的多樣性。當然，這種堿基的缺失或插入也會導(dǎo)致閱讀框架發(fā)生錯誤，因而大約有三分之二的基因重排是無功能的。當前第36頁\共有90頁\編于星期五\13點基因重排的不精確性若干種參與V（D）J重排的蛋白因子已被鑒定，它們含有典型的七聚體結(jié)合位點、九聚體結(jié)合位點、核酸內(nèi)切酶活性中心等特征結(jié)構(gòu)。其中一個重要的蛋白因子由基因Rag編碼，rag突變型的小鼠不能產(chǎn)生功能性抗體。事實上，RAG1和RAG2負責DNA的斷裂和重連接，而TdT負責N核苷酸隨機摻入。Rag：重排激活基因當前第37頁\共有90頁\編于星期五\13點3D

抗體多樣性的分子機制在抗體分子的形成過程中至少有四個環(huán)節(jié)為其提供了序列多樣性：

b抗體分子多樣性的來源當前第38頁\共有90頁\編于星期五\13點抗體基因裝配元件的多樣性對人體免疫球蛋白輕鏈的裝配元件而言：

Vl=300，JlCl=4，裝配的（VJC）l的總數(shù)為1,200種

Vk=76，JkCk=5，裝配的（VJC）k的總數(shù)為380種

對人體免疫球蛋白重鏈的裝配元件而言：

VH=51，JH=6，D

=30，CH=9，裝配的（VDJC）H的總數(shù)為8.3×104

因而，由于抗體基因元件裝配產(chǎn)生的抗體總數(shù)為：

（1,200+380）x

8.3x104=1.31x108

當前第39頁\共有90頁\編于星期五\13點抗體基因重排過程中堿基插入或缺失的多樣性任何V-JC、V-D-JC、D-JC重排過程均可產(chǎn)生數(shù)量極為可觀的堿基序列改變，雖然這些改變中至少有三分之二是無功能的，但剩下的三分之一也是無法計算的。保守估計，每種重排至少能產(chǎn)生五種有功能的序列，因而其有效突變的總數(shù)大約為：（1,200+380）x

8.3x104x5=6.55x108

當前第40頁\共有90頁\編于星期五\13點V基因和假基因之間同源交換的多樣性這種多樣性首先在鳥類動物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)。雞的免疫球蛋白l輕鏈基因只有3個：Jl、Cl、Vl。但在Vl的上游有25個yVl假基因，Vl甚至是沒有活性的，它必須與yVl發(fā)生同源交換后，才能合成具有活性的l輕鏈。每個yVl基因中均有4-6個片段（10-120

bp不等）可與Vl發(fā)生同源交換，而且這種同源交換可發(fā)生一次、二次……甚至六次，因而由此產(chǎn)生的l輕鏈也可達2.5×108之多！25yVlVlJlClV基因片段之間的同源交換當前第41頁\共有90頁\編于星期五\13點體細胞突變產(chǎn)生的多樣性體細胞突變發(fā)生在成熟的B淋巴細胞內(nèi)，具體部位在輕重鏈可變區(qū)基因的上游區(qū)域，由抗原刺激誘導(dǎo)產(chǎn)生，突變頻率為10-3/堿基對/細胞代數(shù)，比自發(fā)突變頻率高106倍，而且這種細胞超級突變發(fā)生于初級免疫應(yīng)答、B細胞記憶、以及次級免疫應(yīng)答的所有過程中，其結(jié)果是不斷地創(chuàng)造出對抗原具有更強親和力的漿細胞及其抗體?？寺U增類型轉(zhuǎn)換體細胞突變漿細胞體細胞突變克隆擴增類型轉(zhuǎn)換體細胞突變類型轉(zhuǎn)換漿細胞記憶型細胞當前第42頁\共有90頁\編于星期五\13點體細胞突變產(chǎn)生的多樣性研究結(jié)果表明，大多數(shù)表達的V-J和V-D-J序列中含有大約3-15個不等的堿基取代，而且這些突變往往傾向于熱點位置，如5‘-RGYW-3’序列（R=A/G，Y=C/T，W=A/T），主要發(fā)生的堿基取代類型為C→N上述體細胞超級突變在抗體基因重排完成之后仍可創(chuàng)造出105數(shù)量級的抗體種類（以平均每條V-J和V-D-J序列中含有9個取代堿基計算，共有49=2.6x105種突變可能，有義突變率為20/64，則8.19x104）綜合抗體基因重排、重排過程中發(fā)生的堿基插入或缺失、以及重排結(jié)束后的體細胞超級突變，人類成熟的B細胞（漿細胞）庫中理論上可產(chǎn)生高達1013

種不同的抗體（6.55x108

x

8.19x

104=5x1013

）。當前第43頁\共有90頁\編于星期五\13點3D

抗體多樣性的分子機制

生產(chǎn)性免疫球蛋白基因的重排是指能產(chǎn)生出活性抗體的基因重排事件。同源染色體兩條單體的抗體等位基因理論上可同時發(fā)生基因重排，但一旦一條同源染色體上的基因重排是生產(chǎn)性的，或者是成功的，那么它便會抑制另一條同源染色體上等位基因的重排過程，這就是所謂的等位排斥現(xiàn)象。c生產(chǎn)性基因重排觸發(fā)等位基因的排斥因此，每個B淋巴細胞只表達一種類型的輕鏈和一種類型的重鏈，產(chǎn)生一種免疫球蛋白分子。當前第44頁\共有90頁\編于星期五\13點3E

抗體類型開關(guān)的切換人體免疫系統(tǒng)能產(chǎn)生五種不同類型的抗體(免疫球蛋白)，每一類抗體具有不同的重鏈類型，由CH區(qū)域的氨基酸排列順序決定。一個B淋巴細胞在任何一個時刻一般只能產(chǎn)生一種類型的抗體，但在整個細胞周期中，免疫球蛋白的類型可能會發(fā)生改變。這種控制抗體類型轉(zhuǎn)換的因素稱為“類型開關(guān)”，而抗體的輕鏈在整個細胞周期中卻是恒定不變的。當前第45頁\共有90頁\編于星期五\13點3E

抗體類型開關(guān)的切換a各類型免疫球蛋白的組成與功能抗體類型IgMIgDIgGIgAIgECH鏈性質(zhì)分子結(jié)構(gòu)血液中比例生理功能mdgae(m2L2)5Jd2L2g2L2e2L2(a2L2)2J5%1%80%14%<1%巡視非血體液介導(dǎo)過敏反應(yīng)激活補體功能建立免疫耐受激活補體功能當前第46頁\共有90頁\編于星期五\13點3E

抗體類型開關(guān)的切換免疫球蛋白類型的轉(zhuǎn)換實質(zhì)上就是CH基因的轉(zhuǎn)換。V-D-J組合元件與新的CH類型基因發(fā)生第三次基因重排，這就是“類型開關(guān)”的啟動機理。第三次基因重排發(fā)生在CH基因的上游，每個CH基因的上游均含有自己的開關(guān)區(qū)域，即S區(qū)，位于CH基因上游大約2kb處，長度1-10kb不等。S區(qū)內(nèi)均含有一組短小的同源序列，重排位點雖然不是位點專b類型開關(guān)的啟動機制一性的，但都位于這組同源序列的附近。當前第47頁\共有90頁\編于星期五\13點第三次重排的過程當前第48頁\共有90頁\編于星期五\13點3E

抗體類型開關(guān)的切換免疫球蛋白IgM的合成周期可分為兩個階段：cRNA剪切對類型開關(guān)的影響第一階段：當骨髓干細胞分化成前B淋巴細胞時，IgM被合成并定位在細胞的表面，即BCR，其結(jié)構(gòu)式為L2mm2，其中m代表膜蛋白；

第二階段：當前B淋巴細胞進一步分化成漿細胞時，IgM被合成為五聚體形式（L2ms2）5J，其中J是一種結(jié)合肽，與J片段無關(guān)，它與各ms鏈形成二硫鍵，S代表分泌。

當前第49頁\共有90頁\編于星期五\13點3E

抗體類型開關(guān)的切換cRNA剪切對類型開關(guān)的影響

mm與ms僅在重鏈的C末端不同，mm末端是疏水性的，而ms末端是親水性的，這使得IgM具有不同的生物功能。由mm轉(zhuǎn)換成ms并不是靠基因重排機制實現(xiàn)，而是在轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的剪切過程中形成的。

任何一個B淋巴細胞只產(chǎn)生一種免疫球蛋白，這個規(guī)律的一個例外是：在成熟的B淋巴細胞中，IgM和IgD兩種抗體同時合成，但它們的可變區(qū)是相同的，這可能是由于RNA剪切過程發(fā)生故障造成的，因為m和d兩個編碼區(qū)是連在一起的。當前第50頁\共有90頁\編于星期五\13點RNA剪切多樣性對lgM類型開關(guān)的影響機制基因型Cm六個外顯子核RNA膜結(jié)合階段mRNAAAAAAAAAL2mm2核RNA分泌階段mRNAAAAAAAAAL2ms2(L2ms2)5JVDJm1m2m3m4m1m2當前第51頁\共有90頁\編于星期五\13點3FT淋巴細胞受體的結(jié)構(gòu)與功能

T淋巴細胞是高等哺乳動物第二免疫系統(tǒng)(細胞免疫)的主要功能單位，它也能與外來的抗原特異性結(jié)合，但這種結(jié)合依賴于T淋巴細胞表面受體(TCR)。當前第52頁\共有90頁\編于星期五\13點3FT淋巴細胞受體的結(jié)構(gòu)與功能TCR與BCR/Ig的同源性來自于T淋巴細胞和B淋巴細胞的親緣關(guān)系，兩者都是從同一種前體細胞分化而成的。

aTCR與BCR/Ig的同源性當前第53頁\共有90頁\編于星期五\13點TCR與BCR/Ig蛋白結(jié)構(gòu)的同源性

TCR有兩種：ab型受體與gd型受體，其中g(shù)d受體小于5%，ab受體大于95%。gd受體僅在T細胞早期發(fā)育階段合成，而ab受體則在細胞

發(fā)育晚期合成。

abgd四種多肽鏈均由可變區(qū)V、不變區(qū)C、鉸鏈區(qū)J組成，其中b鏈和d鏈還含有多樣區(qū)D，a與b、g與d也都由二硫鍵相連。與免疫球蛋白相同，TCR也能夠識別不可預(yù)期的抗原結(jié)構(gòu)，因此TCR與BCR/Ig同屬抗原球蛋白超家族。

ab型的TCR是一種80kD的糖蛋白，其中a鏈與b鏈各40kD。

當前第54頁\共有90頁\編于星期五\13點TCR與BCR/Ig基因結(jié)構(gòu)的同源性TCR各鏈的基因順序組織與免疫球蛋白基因相似：TCR各亞基基因的裝配也經(jīng)歷V-JC或V-D-JC的重排過程，其重排位點同樣使用七聚體-九聚體的信號序列。

TCRa鏈基因相似于免疫球蛋白的k輕鏈基因TCRb鏈基因相似于免疫球蛋白的H重鏈基因TCRg鏈基因相似于免疫球蛋白的l輕鏈基因TCR與BCR/Ig基因重排機制的同源性當前第55頁\共有90頁\編于星期五\13點3FT淋巴細胞受體的結(jié)構(gòu)與功能TCR編碼基因存在于三個分離的基因簇中。

bTCR基因的順序組織雖然TCR各亞基的V基因數(shù)目比免疫球蛋白的V基因要少，但TCR受體的多樣性卻比免疫球蛋白還多，因為TCR的J和D片段可與V基因發(fā)生異源重排，如VaJdCa、VdJaCd等，在TCR的b基因簇內(nèi)有時還會發(fā)生Db-Dd重排。當前第56頁\共有90頁\編于星期五\13點TCR的ad基因簇結(jié)構(gòu)人的TCRad基因簇定位在第14號染色體上：42Va+Vd1000kbDdJdCd61JaCa當前第57頁\共有90頁\編于星期五\13點TCR的b基因簇結(jié)構(gòu)人的TCRb基因簇定位在第7號染色體的一端：46Vb600kbDb6JbCb1Vb7JbCb2Db當前第58頁\共有90頁\編于星期五\13點TCR的g基因簇結(jié)構(gòu)人的TCRg基因簇定位在第7號染色體的另一端：14Vg150kbJg1Cg1Jg2Cg2當前第59頁\共有90頁\編于星期五\13點3FT淋巴細胞受體的結(jié)構(gòu)與功能cTCR的結(jié)合蛋白復(fù)合物在T細胞中，TCR與CD3蛋白復(fù)合物連為一體。當TCR與抗原結(jié)合后，CD3復(fù)合物中的x亞基就會將信號傳遞至T淋巴細胞內(nèi)，激活胞內(nèi)一系列的酶系，并分泌至T淋巴細胞外，殺滅被外來細菌或病毒侵染的靶細胞，這是免疫細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的一種方式。

當前第60頁\共有90頁\編于星期五\13點3G

大型組織相容性復(fù)合物的結(jié)構(gòu)與功能大型組織相容性蛋白（MHC）大都是糖蛋白，每種高等生物具有不同的MHC，甚至每個生物個體都具有不同于他人的自身MHC，也就是說人與人之間的MHC基因都不同，這與TCR和BCR/Ig基因家族有著本質(zhì)的區(qū)別。因此，MHC的多樣性可能比TCR和BCR/Ig還要大a大型組織相容性蛋白的多樣性特征這種MHC的多樣性是生物體自我識別的分子基礎(chǔ)。當前第61頁\共有90頁\編于星期五\13點MHC多樣性的分子機制MHC多樣性的分子機制是編碼基因內(nèi)的同源交換，因為在MHC基因簇中存在著大量的假基因，它們?yōu)榛虻耐唇粨Q提供了豐富多彩的交換元件。除此之外，MHC與TCR和BCR/Ig在分子水平上具有同源性，三者至少有100個氨基酸殘基是同源保守的，這暗示它們在進化中均來自于一個共同的祖先。當前第62頁\共有90頁\編于星期五\13點3G

大型組織相容性復(fù)合物的結(jié)構(gòu)與功能根據(jù)MHC分子的結(jié)構(gòu)、功能、定位，可將MHC分成三大類亞家族：b大型組織相容性蛋白家族的功能當前第63頁\共有90頁\編于星期五\13點I型MHC屬于傳統(tǒng)的移植抗原，它們位于生物個體所有細胞的表面，能與抗原碎片結(jié)合，并為毒素型T淋巴細胞表面受體(TCR)所識別。I型MHC為二聚體，由一個自身鏈和一個b2微球蛋白鏈構(gòu)成。b2微球蛋白用于I-MHC的細胞膜運輸與定位。當前第64頁\共有90頁\編于星期五\13點II型MHC定位于B淋巴細胞、T淋巴細胞、巨噬細胞的膜表面，功能是負責免疫系統(tǒng)各類細胞之間的通訊。II型MHC為二聚體，由a、b兩條鏈組成，在結(jié)構(gòu)上與I型MHC相似。III型MHC定位于血清內(nèi)，補體蛋白，其功能是裂解細胞和抗原本身，屬于體液免疫系統(tǒng)。III型MHC也呈二聚體結(jié)構(gòu)。當前第65頁\共有90頁\編于星期五\13點3G

大型組織相容性復(fù)合物的結(jié)構(gòu)與功能人類三種類型MHC的編碼基因均定位在一個約4,000kb的染色體區(qū)域內(nèi)，只有b2微球蛋白基因定位于另一條染色體上。c大型組織相容性蛋白基因的順序組織DPDQDRC4C2TNFabHLA-BHLA-CHLA-AHLA-DClassIIClassIIIClassI>19genes當前第66頁\共有90頁\編于星期五\13點MHC基因結(jié)構(gòu)的相似性除了III型MHC外，所有的MHC基因結(jié)構(gòu)都具有很大的相似性。蛋白分子上的各功能區(qū)域往往是由基因上的一個外顯子編碼，也就是說，一個外顯子編碼蛋白分子上的一個功能域，包括：信號肽區(qū)膜外區(qū)轉(zhuǎn)膜區(qū)胞質(zhì)區(qū)非翻譯區(qū)ClassIClassIIaClassIIbb微球蛋白外顯子當前第67頁\共有90頁\編于星期五\13點3G

大型組織相容性復(fù)合物的結(jié)構(gòu)與功能B淋巴細胞和巨噬細胞的作用就象偵察兵，獵取入侵者。當靶細胞與外來抗原遭遇后，便將抗原片段通過其I型MHC展示給毒素T淋巴細胞，后者再通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，激活能在受感染的靶細胞膜上鉆孔并進入靶細胞的酶系編碼基因，進而降解入侵抗原dMHC介導(dǎo)的免疫細胞間的通訊網(wǎng)絡(luò)受感染的細胞毒素T細胞當前第68頁\共有90頁\編于星期五\13點3G

大型組織相容性復(fù)合物的結(jié)構(gòu)與功能當巨噬細胞與外來抗原遭遇后，便通過其II型MHC將抗原暴露給輔助T淋巴細胞，后者識別MHC-抗原復(fù)合物。輔助T淋巴細胞就象指揮者，通過分泌淋巴細胞因子dMHC介導(dǎo)的免疫細胞間的通訊網(wǎng)絡(luò)而發(fā)布命令。巨噬細胞輔助T細胞當前第69頁\共有90頁\編于星期五\13點抗原展示細胞TCR介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)T-細胞淋巴細胞因子當前第70頁\共有90頁\編于星期五\13點3G

大型組織相容性復(fù)合物的結(jié)構(gòu)與功能淋巴細胞因子的功能有三：dMHC介導(dǎo)的免疫細胞間的通訊網(wǎng)絡(luò)命令B淋巴細胞分化成漿細胞，合成和分泌抗體，消滅入侵者；進攻巨噬細胞、血小板及其它細胞，參與整理戰(zhàn)場和醫(yī)治創(chuàng)傷；

作用于輔助T淋巴細胞本身，使其發(fā)出更多的指令，放大信號，擴增免疫細胞的數(shù)目。

另外，B淋巴細胞也擁有自己的信號傳遞途徑。

當前第71頁\共有90頁\編于星期五\13點3H

先天性免疫系統(tǒng)的功能與機制a先天性免疫系統(tǒng)的基本組成與特征

先天性免疫系統(tǒng)為機體提供了抵御微生物病原體侵襲的第一道防線，存在于幾乎所有的多細胞生物中，但表現(xiàn)形式和效應(yīng)機制不同。先天性免疫具有針對微生物病原體中某些固有的分子譜（MAMPs）的識別作用，這些分子譜是微生物病原體上相對保守的模件，但不存在于多細胞的真核生物中，因此先天性免疫系統(tǒng)能迅速高效地辨認自我與非自我。脊椎動物的先天性免疫系統(tǒng)主要由巨噬細胞（Mf）、樹突細胞（DCs）、嗜中性粒細胞構(gòu)成，負責識別MAMPs不同成員的正是這些細胞表面上和細胞內(nèi)的特異性的譜識別受體（PRRs）。當前第72頁\共有90頁\編于星期五\13點微生物病原體中相對保守的分子譜（MAMPs）GENESX2010微生物病原體細胞表面和細胞內(nèi)的某些分子具有種屬保守性，能為宿主生物的先天性免疫系統(tǒng)特異性識別，這些分子的集合稱為微生物病原體相關(guān)性分子譜（MAMPs）。微生物種屬分子譜物質(zhì)細胞學定位譜識別受體細菌三酰基脂肽細胞壁TLR1/TLR2生鞭毛細菌鞭毛蛋白鞭毛TLR5革蘭氏陽性菌肽聚糖細胞壁TLR2/TLR6革蘭氏陰性菌脂多糖細胞壁TLR4細菌/病毒單鏈RNA細胞質(zhì)TLR7/TLR8病毒雙鏈RNATLR3/RIG1真菌b-多聚糖細胞壁Dectin1含DNA微生物非甲基化CpGDNA細胞質(zhì)TLR9當前第73頁\共有90頁\編于星期五\13點先天性免疫細胞上或細胞內(nèi)的譜識別受體（PRRs）微生物病原體被多重不同的PRRs所識別，定位于巨噬細胞和樹突細胞表面或內(nèi)部的PRRs分為三大類：AkikoIwasaki，etal.Science，327，2010受體類型譜識別受體分泌型受體效應(yīng)功能膠原凝集素纖維膠凝蛋白穿透素轉(zhuǎn)膜型受體Toll樣受體家族TLRC型凝集素家族成員胞質(zhì)型受體RIG1樣受體RLRNOD樣受體NLR與微生物細胞表面結(jié)合，激活補體系統(tǒng)的凝集素途徑，并調(diào)節(jié)巨噬細胞和嗜中性粒細胞吞噬病原微生物。識別微生物病原體的MAMPs，并通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑激活獲得性免疫系統(tǒng)。RLR識別病毒RNA，NLR識別細菌肽聚糖降解產(chǎn)物，并誘導(dǎo)其進一步降解。當前第74頁\共有90頁\編于星期五\13點先天性免疫的基本特征

先天性免疫細胞的譜識別受體無需基因重排而直接表達；為譜識別受體所識別的微生物病原體分子譜呈現(xiàn)種屬內(nèi)的統(tǒng)一性和進化學的保守性；先天性免疫系統(tǒng)只是抵御病原體第一波的侵襲，但不能應(yīng)付感染的后續(xù)階段，也沒有記憶功能；先天性免疫應(yīng)答能在一定程度和范圍內(nèi)激活獲得性免疫系統(tǒng)

當前第75頁\共有90頁\編于星期五\13點3H

先天性免疫系統(tǒng)的功能與機制b先天性免疫識別的主流機制先天性免疫對微生物病原體的識別作用既可發(fā)生在細胞外也可發(fā)生于細胞內(nèi)，完全取決于免疫識別發(fā)生的場所是感染細胞還是非感染細胞。細胞外的先天性免疫識別主要由巨噬細胞和樹突細胞的TLR等轉(zhuǎn)膜受體介導(dǎo)，一般為非感染細胞；相反，細胞內(nèi)的先天性免疫識別由細胞內(nèi)的受體介導(dǎo)，如NLR和RLR，這些受體的激活一般需要細胞被感染，因此這些PRRs被廣泛表達。雖然上述兩種類型的識別均能在激活后誘導(dǎo)抗微生物效應(yīng)，但它們采取不同的機制觸發(fā)先天性免疫。當前第76頁\共有90頁\編于星期五\13點微生物病原體的細胞外識別機制AkikoIwasaki，Science，327，2010先天性免疫系統(tǒng)的樹突細胞表面受體TLR特異性識別病原體上的分子譜PAMP或MAMP，由此激活TLR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，這一途徑最終作用于相關(guān)基因，表達出激活T淋巴細胞的細胞因子和共刺激分子。吞噬小體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)協(xié)同指導(dǎo)當前第77頁\共有90頁\編于星期五\13點微生物病原體的細胞內(nèi)識別機制AkikoIwasaki，Science，327，2010如果樹突細胞被病毒感染，則依靠RIG1樣受體實施細胞內(nèi)識別病毒核酸分子，激活RIG1信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，這一途徑最終作用于相關(guān)基因，表達出激活T淋巴細胞的細胞因子和共刺激分子；同時病毒蛋白經(jīng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或自吞噬小體加工后交MHC展示當前第78頁\共有90頁\編于星期五\13點微生物病原體的細胞外與細胞內(nèi)復(fù)合識別機制機體內(nèi)大多數(shù)細胞具有MHC依賴的抗原分子展示功能，但有些無展示活性的細胞nonAPC

可通過細胞外與細胞內(nèi)復(fù)合識別機制識別病原體，并產(chǎn)生相應(yīng)的先天性免疫應(yīng)答non-APC當前第79頁\共有90頁\編于星期五\13點3H

先天性免疫系統(tǒng)的功能與機制cToll樣受體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的普遍意義在脊椎動物先天性免疫中扮演重要角色的Toll樣受體TLR與規(guī)定果蠅腹部發(fā)育途徑的Toll受體高度同源，而且也與果蠅響應(yīng)真菌和革蘭氏陽性菌感染并誘導(dǎo)產(chǎn)生抗菌肽的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑高度相似，這表明Toll的普遍意義。SpaTollTubPelCac/DorDorMAMPTLRMyD88TRIFNFkBNFkBIkB果蠅腹部發(fā)育途徑人類免疫識別途徑當前第80頁\共有90頁\編于星期五\13點3H

先天性免疫系統(tǒng)的功能與機制d動植物識別微生物分子譜的進化學保守性進化歷程（億年前）1086420動物植物哺乳動物昆蟲單子葉雙子葉人鼠當前第81頁\共有90頁\編于星期五\13點PamelaC.RonaldBruceBeutlerScience，330，6007，2010。當前第82頁\共有90頁\編于星期五\13點哺乳動物：小鼠昆蟲：果蠅單子葉：水稻雙子葉：擬南芥受體腳手架蛋白轉(zhuǎn)錄因子當前第83頁\共有90頁\編于星期五\13點3I

微生物識別自我與非自我的分子機制所有的免疫系統(tǒng)都必須在能區(qū)分自我與非自我的前提下抵御外來入侵者。微生物也能采取多種不同的機制（如限制-修飾機制）抵御噬菌體和質(zhì)粒的侵襲。近年來的研究顯示，大約40%的細菌和90%的