抗原識別受體的基因重排以及受體多樣性的產(chǎn)生

抗原識別受體的基因重排以及受體多樣性的產(chǎn)生

T、B細(xì)胞都用其抗原識別受體識別抗原

B細(xì)胞：Bcellreceptor(BCR) T細(xì)胞：Tcellreceptor(TCR)淋巴細(xì)胞抗原識別特點：

究竟什么樣的病原微生物能夠突破機體的天然免疫屏障并不能預(yù)料。為了能夠防御所有可能的病原微生物的感染，特異性免疫應(yīng)答系統(tǒng)必須形成一個巨大的抗原受體庫，以便能夠識別所有可能的外來抗原物質(zhì)。問題：

為什么人產(chǎn)生的抗體比他自身攜帶的總的基因數(shù)還要多？

人可以表達(dá)的抗原受體約為1012個，人的基因總數(shù)僅為3－5萬個。內(nèi)容：一、BCR重排的發(fā)現(xiàn)二、產(chǎn)生BCR多樣性的機制三、TCR的基因結(jié)構(gòu)和多樣性的產(chǎn)生

一、BCR重排的發(fā)現(xiàn)BCR或抗體由可變區(qū)和恒定區(qū)組成，其多樣性主要是由可變區(qū)決定的

可變區(qū)多樣性是怎樣產(chǎn)生的?抗體多樣性的兩種假說：體細(xì)胞突變假說

B細(xì)胞發(fā)育過程中發(fā)生了突變，導(dǎo)致生成的BCR或者抗體變成許多種基因片段重排假說

Dreyer和Bennett于1965年提出，即兩個基因一條多肽鏈理論。他們認(rèn)為BCR由兩類基因片段組成，一類編碼BCR的V區(qū)，一類編碼BCR的C區(qū)。V區(qū)基因含有多個基因片段，只有其中一個片段與C區(qū)形成抗體。？Tonegawa的設(shè)想：

XXXXXX限制性內(nèi)切酶酶切位點BCR胚系基因經(jīng)過重排的基因

重排現(xiàn)象的實驗證明

對小鼠胚系DNA和骨髓瘤細(xì)胞V和C基因的DNA做序列分析，發(fā)現(xiàn)在重排后的V區(qū)和C區(qū)基因不是直接拼接在一起的，由此發(fā)現(xiàn)了J(joining)基因片段和D（diversity）基因片段。“Forhisdiscoveryofthegeneticprincipleforgenerationofantibodydiversity"MassachusettsInstituteofTechnology(MIT)

Cambridge,MA,USATheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1987SusumuTonegawa（利根川進(jìn)）b.1939二、產(chǎn)生BCR多樣性的機制

人免疫球蛋白胚系基因圖l輕鏈基因位于22號染色體上，k輕鏈基因位于2號染色體上，重鏈基因位于14號染色體上。V區(qū)基因和C區(qū)基因。V、D、J基因片段。信號肽L(leader)將各條肽鏈導(dǎo)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔后被切去。多樣性機制之一：基因片段的重排每條編碼輕鏈和重鏈可變區(qū)的基因都由數(shù)個基因片段組成。k鏈：40（Vk）x5（Jk）=200個Vkl鏈：30（Vl）x4（Jl）=120個Vl重鏈：40（VH）x25（DH）x6（JH）=6000個VH重組信號序列：12/23規(guī)則(12/23rule)重組信號序列(recombinationsignalsequence,RSS):

七核苷酸－12/23核苷酸的隨機序列－九核苷酸轉(zhuǎn)錄方向相同的VJ是主要形式，環(huán)出的片段形成signaljoint，保留在染色體上的片段形成codingjoint.V區(qū)基因的重組由幾種V(D)J重組酶協(xié)調(diào)完成，負(fù)責(zé)剪切和連接工作。

RAG1/RAG2：重組活化基因

Ku70/Ku80：DNA修復(fù)因子

DNA-PK：DNA依賴蛋白激酶KArtemis：核酸酶

TdT：末端脫氧核糖核酸轉(zhuǎn)移酶

DNAligaseIV：DNA連接酶IVXRCC4：DNA修復(fù)蛋白k鏈：40（Vk）x5（Jk）=200個Vkl鏈：30（Vl）x4（Jl）=120個Vl重鏈：40（VH）x25（DH）x6（JH）=6000個VH

理論上將產(chǎn)生6000x(200＋120)=1.9x106個不同抗原特異性的抗體，實際上要少一些。因為并不是所有的V基因都以同樣頻率使用，并不是所有的輕鏈重鏈配對都能成功。多樣性機制之二：重鏈輕鏈隨機組合多樣性機制之三：基因片段結(jié)合處的變化

基因重排和輕重鏈隨機組合理論上僅能產(chǎn)生1.9x106個不同抗原特異性的抗體，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實際抗體數(shù)?；蚱卧诮Y(jié)合處的變化大大增加了多樣性。

多樣性機制之四：體細(xì)胞高突變（SomaticHypermutation,SHM)對抗體可變區(qū)的序列分析

抗體的親和力成熟(affinitymaturation)小鼠和人類的SHM的頻率是10-5至10-3，比其他基因的自發(fā)突變高1百萬倍。SHM在抗體的可變區(qū)發(fā)生需要AID(Activation-inducedcytidinedeaminase，活化誘導(dǎo)激活的胞嘧啶核苷脫氨酶)cytosineuracilAID為什么能夠發(fā)生高頻突變？SHM的發(fā)生1.單鏈DNA上的胞苷在AID的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)槟蜍?，dC:dG形成dU:dG錯配2.uracil-N-glycosylase（UNG)除去dU3.APE1（脫嘌呤/脫嘧啶核酸內(nèi)切酶1）使DNA的一條鏈形成缺口4.Mismatchrepair(MMR)蛋白識別G-U錯配堿基或G-缺失堿基5.經(jīng)Error-proneDNApolymerases修復(fù)，導(dǎo)致突變（在胞嘧啶位置或相鄰位置）多樣性機制之五：

類別轉(zhuǎn)換（isotypeswitch）

B細(xì)胞恒定區(qū)的基因在B細(xì)胞成熟后仍然改變。所有的B細(xì)胞最開始都表達(dá)IgM，之后表達(dá)的抗體可以是IgG，IgA和IgE，這種變化叫做類別轉(zhuǎn)換。輕鏈不產(chǎn)生類別轉(zhuǎn)換。

免疫球蛋白C區(qū)基因:

200kb長。每個C區(qū)基因又分成幾個外顯子，每個外顯子表達(dá)一個恒定區(qū)功能域。類別轉(zhuǎn)換也需要AID參加類別轉(zhuǎn)換與V區(qū)基因重排不一樣。第二，類別轉(zhuǎn)換僅僅引起抗體的類別而不是特異性變化；第三，類別轉(zhuǎn)換在B細(xì)胞受到抗原激活之后產(chǎn)生，而不是在B細(xì)胞發(fā)育過程中產(chǎn)生；第四，類別轉(zhuǎn)換不是隨機的，而是由T細(xì)胞調(diào)節(jié)的。第一，所有類別轉(zhuǎn)換的產(chǎn)物都是具有功能的；CSR和SHM都在B細(xì)胞的生發(fā)中心發(fā)生2008.8基因重排體細(xì)胞突變類別轉(zhuǎn)換細(xì)胞狀態(tài)未成熟細(xì)胞成熟細(xì)胞成熟細(xì)胞發(fā)生地點骨髓生發(fā)中心生發(fā)中心抗體部位可變區(qū)可變區(qū)恒定區(qū)人免疫球蛋白多樣性的產(chǎn)生抗體多樣性的發(fā)育控制

1.骨髓中形成初級抗體庫抗體基因片段在與抗原無關(guān)的情況下裝配起來，這樣的抗體對抗原具有低親和力。2.外周形成次級抗體庫在抗原的驅(qū)使下產(chǎn)生的變化，對該抗原具有低親和力的B細(xì)胞就會發(fā)生體細(xì)胞突變，形成高親和力的B細(xì)胞。問題：

為什么免疫系統(tǒng)要用兩種機制改變體細(xì)胞使抗體增加多樣性？

微生物和它們的分泌物是免疫系統(tǒng)的主要防御對象。因為微生物生長速度比脊椎動物快許多倍，因此微生物產(chǎn)生突變體的速度可以很快，如果免疫球蛋白僅是由胚系基因編碼的，那么脊椎動物就無法對付抗原飛速的變化，體細(xì)胞多樣性使得機體不受限制地產(chǎn)生抗體。三、TCR的基因結(jié)構(gòu)和多樣性的產(chǎn)生

BCR和TCR都是識別抗原，那么TCR的基因結(jié)構(gòu)和多樣性的產(chǎn)生究竟是否和BCR相似呢？（1）TCR和BCR的相似之處

TCR結(jié)構(gòu)類似免疫球蛋白，與免疫球蛋白有30-35%同源性。與BCR一樣，兩種TCR都含可變區(qū)和恒定區(qū)。TCR結(jié)構(gòu)與免疫球蛋白的Fab類似

TCR的基因的組成方式與免疫球蛋白基因基本一樣。a鏈和g鏈基因類似輕鏈，有V和J基因片段。b鏈和d鏈基因類似重鏈，有VDJ基因片段。

TCR的胚系基因結(jié)構(gòu)（

b,g鏈基因在第7號染色體上，a,d鏈基因在第14號染色體上）TCR也是通過體細(xì)胞重排變?yōu)槎鄻有缘?/p>

TCR的重排的機制與免疫球蛋白一樣，也具有7核苷酸和9核苷酸的重組識別信號，并遵守12/23堿基規(guī)則。（2）TCR和BCR的區(qū)別TCR也具有連接多樣性，且變化更大。編碼TCR

b鏈的D基因片段分在兩處，這樣會增加其有效重排的機會編碼a鏈的J基因片段比抗體多，也會增加有效重排的機會TCR沒有分泌形式，總是膜蛋白，而抗體分膜型Ig和分泌型Ig

TCR最大的不同于BCR的地方是它不產(chǎn)生體細(xì)胞突變。

為什么？

T細(xì)胞僅是識別細(xì)胞結(jié)合的抗原。這些抗原局部濃度很高，不需要T細(xì)胞的親和力通過體細(xì)胞突變增加。

成熟的T細(xì)胞不能識別自身抗原，而體細(xì)胞突變后可能會產(chǎn)生自身反應(yīng)性。和B細(xì)胞不一樣，自身反應(yīng)的T細(xì)胞可以直接引起疾病，因此T細(xì)胞不應(yīng)該通過體細(xì)胞突變。TCR和BCR多樣性的異同重點：產(chǎn)生BCR和TCR多樣性的機制和區(qū)別抗原提呈

antigenpresentation抗原提呈是T細(xì)胞需要的

T細(xì)胞識別抗原的方式有別于BCR及其抗體（識別線性抗原肽、MHC限制性）

一些細(xì)胞能夠識別攝取抗原，加工處理抗原蛋白質(zhì)，使其降解成小肽，并由細(xì)胞的MHC分子將肽運送到細(xì)胞表面供T細(xì)胞識別，這樣的過程稱為抗原提呈。內(nèi)容：一、抗原的處理和提呈過程二、抗原提呈細(xì)胞一、抗原的處理和提呈過程1、外源性抗原和內(nèi)源性抗原

胞漿內(nèi)的抗原稱為內(nèi)源性抗原，通過吞噬小體進(jìn)入細(xì)胞的抗原為外源性抗原2、兩類MHC分子結(jié)合的肽來源不同

MHCI類分子結(jié)合來源于胞漿蛋白的肽

MHCII類分子結(jié)合膜結(jié)構(gòu)小泡中的肽

I類和II類分子提呈的肽分別由CD8＋或CD4＋

T細(xì)胞識別3、MHCI類分子提呈肽的過程

蛋白質(zhì)要想變成可以被MHCI類分子結(jié)合的肽，首先胞漿內(nèi)的蛋白要被降解成肽片段。

怎樣降解？NobelPrizeinChemistryfor2004“forthediscoveryofubiquitin-mediatedproteindegradation"AaronCiechanoverAvramHershkoIrwinRose細(xì)胞用泛素(ubiquitin)/蛋白酶體(proteasome)系統(tǒng)降解蛋白質(zhì)泛素是76個氨基酸組成的多肽，負(fù)責(zé)給要降解的蛋白加上標(biāo)簽。泛素加標(biāo)簽的步驟：1、泛素末端羧基通過硫酯鍵與泛素活化酶（E1)結(jié)合。

2、泛素-E1然后與泛素交連酶（E2)上的巰基結(jié)合轉(zhuǎn)移到E2上形成泛素-E2。3、泛素-E2然后在泛素蛋白連接酶（E3）的作用下與要降解的蛋白的賴氨酸e氨基結(jié)合，形成泛素-蛋白。4、更多的泛素加到泛素-蛋白上形成蛋白降解標(biāo)簽蛋白酶體負(fù)責(zé)將蛋白降解成肽片段蛋白酶體的核心為20S的復(fù)合物，含兩組多肽。在圓桶形的兩頭，有兩個a環(huán)，每個環(huán)含7個不同的多肽。在圓桶形的中間，有兩個b環(huán)，每個環(huán)含7個不同的多肽。蛋白酶體6個活性部位位于3個b亞基上（b1,b2,b5）

在蛋白酶體圓桶的最外端有兩個19S蛋白帽。每個19S帽由20個亞單位組成。

19S的帽和20S的蛋白酶體核心組合成26S的蛋白酶體。19S的蛋白帽的功能是識別帶有多個泛素的蛋白，使它們?nèi)フ郫B，移去泛素，使線性化的蛋白進(jìn)入蛋白酶體核心。Theubiquitin-proteasomepathwayIFNg誘導(dǎo)組成性表達(dá)的蛋白酶體成免疫蛋白酶體（immunoproteosome）b1?b1i(LMP2)b5?b5i(LMP7)b2?b2i(MECL-1)PA28aPA28b

免疫蛋白酶體更能將蛋白降解成抗原肽免疫蛋白酶體將蛋白降解成正確的C末端肽，它們再被一些酶降解成可提呈的肽

降解了的肽是怎樣進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的呢？

TAP（transportersassociatedwithantigenprocessing）將胞漿內(nèi)的肽轉(zhuǎn)運到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中肽裝載復(fù)合物(peptide-loadingcomplex)Nat.Immunol.5:678(2004)MHCI類分子提呈肽的詳細(xì)過程Defectiveribosomalproduct(DRiP)4、MHCII類分子提呈肽的過程由MHCII類分子提呈的抗原是被吞噬溶酶體和MHCII類小體（MHCclassIIcompartment,MIIC)中的蛋白酶降解成肽的。MHCII類分子提呈抗原的簡要過程MHCII類分子也進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。不變鏈（invariantchain,Ii）可以防止MHCII類分子在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中與肽結(jié)合，并將MHCII類分子從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)引入MIIC。三個MHCII類分子和三條Ii形成一個九聚體MHCII類分子提呈肽的詳細(xì)過程不變鏈降解后留下一段與MHC分子結(jié)合的小肽CLIP(CLassII-associatedInvariantchainPeptide)HLA－DM和HLA－DO使MHCII類分子與CLIP解離并與肽片段結(jié)合5.抗原的交叉呈遞現(xiàn)象（1）MHCI類分子交叉呈遞外源性抗原肽

感染了病毒的細(xì)胞由CD8＋T細(xì)胞殺死。

如果僅是外周組織細(xì)胞感染了病毒，而APC沒有被感染，那么CD8＋

T細(xì)胞怎樣活化成為效應(yīng)細(xì)胞呢？

感染了病毒的細(xì)胞通過吞噬的途徑被APC捕獲，但是卻可以活化CD8＋

T細(xì)胞。How？T細(xì)胞在成為效應(yīng)細(xì)胞之前，都必須先由APC活化（priming）。為什么外源性抗原要交叉呈遞給CD8+T細(xì)胞？

外源性抗原怎樣進(jìn)入胞漿的呢？

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中錯誤折疊的蛋白質(zhì)在Sec61孔狀復(fù)合物參與下可以被返回胞漿降解。Nat.Immunol.5:678(2004)

早期吞噬小體為高pH，不適宜蛋白降解，抗原在此階段逃逸至胞漿，再被交叉呈遞。晚期吞噬小體pH低，適宜蛋白降解，提供MHCclassII呈遞。CurrOpinImmunol.2010;22:109-17.（2）MHCII類分子交叉呈遞內(nèi)源性抗原肽

How？

針對直接進(jìn)入胞漿的微生物或者吞噬小體破損進(jìn)入胞漿的微生物。腫瘤產(chǎn)生一些異常分子。胸腺中T細(xì)胞的成熟和耐受。為什么內(nèi)源性抗原要交叉呈遞給CD4+T細(xì)胞？Around20–30%oftheMHCclassIIpresentedligandsarederivedfromcytosolicandnuclearantigens

Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2005,102,7922–7927

chaperone-mediatedautophagymicroautophagymacroautophagy

三種自噬現(xiàn)象：CurrOpinImmunol.2010;22:89–93.JImmunol.2009，182:3335–3341.自噬引起的MHCII類分子提呈各種抗原提呈的結(jié)果二、抗原提呈細(xì)胞（antigenpresentingcell,APC）1、MHC分子在細(xì)胞中的表達(dá)抗原提呈細(xì)胞必須能夠表達(dá)MHC分子MHC分子在不同細(xì)胞中的表達(dá)2、抗原提呈細(xì)胞的概念廣義的抗原提呈細(xì)胞狹義的抗原提呈細(xì)胞（專職，非專職）三種專職的抗原提呈細(xì)胞樹突狀細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、B細(xì)胞抗原提呈細(xì)胞應(yīng)該能夠（1）識別攝取并加工處理抗原（2）通過MHC分子將抗原在細(xì)胞表面提呈（3）表達(dá)粘附分子使T細(xì)胞和APC緊密接觸（4）表達(dá)協(xié)同刺激分子，給T細(xì)胞第二信號T細(xì)胞和APC相接觸的區(qū)域形成免疫突觸（immunologicalsynapse）

c-SMAC,central-supramolecularactivationcomplexp-SMAC,peripheral-SMAC組成免疫突觸的分子3、樹突狀細(xì)胞對抗原的提呈（dendriticcell,DC)J.Exp.Med.137:1142,1973RalphSteinmanNobelPrizeinPhysiologyorMedicinefor2011“Forhisdiscoveryofthedendriticcellanditsroleinadaptiveimmunity”.(1943-2011)DC細(xì)胞的來源DC細(xì)胞來源很雜，有多個亞群，缺乏涵蓋所有DC的特征表面抗原標(biāo)志。絕大多數(shù)較深入研究的DC為髓系起源Science327:656-61.2010MDP:macrophage-DCprogenitorCDP：common-DCprogenitor

PDC：plasmacytoidDCscDC:classicalDCslpDC:laminapropria

DCsTip-DC:TNF-iNOS-producingDCBlood2009;113:3418-3427不同DC的組織分布比例：周圍組織中的DC是不成熟的，表