抗體,抗體的多樣性及其產生機制 gaobo

抗體，抗體的多樣性及其產生機制INSTITUTEFORIMMUNOBIOLOGYDEPARTMENTOFIMMUNOLOGY高波

2014-10-09gaobo@抗體研究簡史20世紀有關抗體研究獲得諾貝爾醫(yī)學生理學獎的免疫學家年代學者姓名國家獲獎成就1901E.A.Behring德國發(fā)現(xiàn)抗毒素，開創(chuàng)免疫血清療法1908P.Ehrlich德國提出體液免疫理論和抗體生成的側鏈學說1960F.M.Burnet澳大利亞提出抗體生成的克隆選擇學說1972G.M.Edelman美國闡明抗體的本質R.R.Porter英國闡明抗體的化學結構20世紀有關抗體研究獲得諾貝爾醫(yī)學生理學獎的免疫學家年代學者姓名國家獲獎成就1984N.Jerne丹麥提出天然抗體選擇學說和免疫網絡學說G.Kohler德國建立雜交瘤技術制備單克隆抗體C.Milstein阿根廷單克隆抗體技術及免疫球蛋白基因表達的遺傳調控1987Tonegawa日本闡明抗體多樣性的遺傳基礎EmilvonBehring,1901,antitoxinsGeoregesKohlerandCesarMilstein,1984,monoclonalantibodySusumuTonegama,1987,structureofIggeneGeraldEdelmanandRodneyPorter,1972,structureofantibodyPaulEhrlich,1908,productionofantibodyNobelPrizewinnersBurnet,1960，ClonalselectionJerne,1984,Idiotypenetwork抗體——生物體最奇妙的分子無限的多樣性（diversity)功能與結構的雙重性可變區(qū)——抗原結合(特異性specificity)

恒定區(qū)——生物學效應功能分泌型和膜型表達B細胞接受抗原刺激后增殖分化成漿細胞產生的糖蛋白。基本概念Ag1Ab1Ag1-Ab1Ag2Ag2Ag2-Ab2與相應抗原特異性結合。主要存在于血清中。EmilvonBehring(1845-1917)抗毒素（1888）凝集素（1896,GruberandDurham）沉淀素（1897,kraus）抗體(antibody)是介導體液免疫的重要效應分子，是B細胞接受抗原刺激后增殖分化為漿細胞所產生的糖蛋白?？贵w一詞的由來（19世紀末）1937年Tiselius和Kabat用電泳方法證實抗體的活性存在于泳動最慢的血清組分，稱為球蛋白抗體與球蛋白關系抗體≠球蛋白1968和1972年WHO和國際免疫學會分別決定將具有抗體活性或化學結構與抗體相似的球蛋白統(tǒng)稱為免疫球蛋白.抗體與免疫球蛋白關系抗體免疫球蛋白功能概念結構概念一、基本概念B細胞接受抗原刺激后增殖分化成漿細胞產生的糖蛋白與相應抗原特異性結合主要存在于血清中又稱免疫球蛋白(Immunoglobulin)分泌型sIg、膜型mIg1）四肽鏈通過鏈間二硫鍵組成H2L2重鏈：五類(isotype:a、g、m、d、e)輕鏈：兩型(k、l)一、基本結構VHCH1CH2CH3CH4VLCLFabHingeregionFcCOO–NH3+免疫球蛋白的結構RodneyPorter1917-1985NobelPrizein1972GeraldEdelman1929--NobelPrizein1972FabFabFcPorter主要致力于將抗體中負責與外來抗原結合的部分從抗體中分開，他發(fā)現(xiàn)可利用酵素--木瓜蛋白(papain)，將抗體分成三部分。HHLLEdelman將抗體分子假定與其它各種蛋白質一樣，由一些polypeptide鏈所構成，而他認為polypeptide鏈間最可能以二硫鍵結合在一起，故他試圖將這些鍵結打斷來觀察其中的各條polypeptide鏈，結果他發(fā)現(xiàn)這些氨基酸鏈單獨存在時都不具有任何抗體的功用。重鏈（Heavychain:H鏈）①大約500a.a,糖基(+)②類別（Class）:H鏈：

,,,,.(Ig)IgA,IgG,IgMIgD,IgE

輕鏈（lightchain:L鏈）①大約214a.a,糖基(-)②型別（type）:,重鏈和輕鏈（Heavy&lightchains）VHCH1CH2CH3CH4VLCLFabHingeregionFcCOO–NH3+可變區(qū)(Variableregion,VH/VL,Fv)：結合抗原

VH和VL：高變區(qū)HVR－抗原結合部位－互補決定區(qū)CDR

骨架區(qū)FR1－4(1971,Kabat)

恒定區(qū)(Constantregion,CH/CL)

絞鏈區(qū)(Hingeregion)Thebasicstructureofimmunoglobulins三個功能區(qū)(Domain)

0102030405060708090100110120130140150160170180190200210220

5040

302010

0CDR1CDR2CDR3

抗體分子的多樣性Igl

鏈的氨基酸序列酸殘基的變異率相應位置上氨基對來自不同B細胞克隆的Ig輕鏈氨基酸序列進行比較，發(fā)現(xiàn)V區(qū)的變化主要集中在3個分別由6－10個氨基酸殘基組成的狹小區(qū)域內。這3個區(qū)又被稱作高可變區(qū)或互補決定區(qū)（CDR），參與抗原結合部位的組成。

0102030405060708090100110120130140150160170180190200210220

5040302010

0

CDR1CDR2CDR3

抗體分子的多樣性酸殘基的變異率相應位置上氨基DiversityandSpecificity抗原B細胞表位

抗體CDR表位AbAg鉸鏈區(qū)（Hingeregion）VHCH1CH2CH3CH4VLCLFabHingeregionFcCOO–NH3+特點：1)極富彈性2)富含脯氨酸功能:1)有利于Ab與Ag的結合2)有利于Ab與補體的結合IgG分子結合抗原前后的構象變化Fab段Fc段C1q結合位點被屏障結合抗原之前CH1CH2暴露的C1q結合位點結合抗原之后結構域1）Ig分子中由鏈內二硫鍵構成的致密立體球體(V/C/H)。

2）b-sheet、b-barrel、immunoglobulinfold。

3）CDRs(Hypervariableregions)、FRs(Frameworkregions)。免疫球蛋白的結構功能區(qū)“Ig-likeDomain(Ig樣結構域)”二、免疫球蛋白的其他成分(1)化學本質：漿細胞分泌的多肽鏈JCHAIN

IgAdimer(2)存在：IgM（五聚體）,sIgA（雙體）IgM連接鏈（joiningchain，J鏈）SecretorypieceJoiningchain

SPIgAdimer分泌片（SecretoryPiece，SP)(1)化學本質：多肽鏈(70kD)(2)來源：上皮細胞J

chain（3）作用：

a.幫助IgA穿越黏膜

b.保護sIgA抵抗蛋白酶的水解作用SecretoryIgA(sIgA)PlasmacellsIgAdimerpIgRSPEpithelialCell胃蛋白酶木瓜蛋白酶FcpFcF(ab′)2Fab

三、免疫球蛋白的水解片段木瓜蛋白酶作用于IgG分子重鏈間二硫鍵的N端側，將其裂解為Fab段和Fc段。胃蛋白酶則切在該二硫鍵之C端側，產生F(ab’)2和pFc段。類(Class):重鏈C區(qū)抗原性 IgG、IgA、IgM、IgD、IgE亞類(Subclass):重鏈抗原性/二硫鍵數(shù)目位置 IgG1-4型(Type):輕鏈C區(qū)抗原性 k、l亞型(Subtype):輕鏈C區(qū)aa差異排列

l1～4免疫球蛋白的異質性免疫球蛋白的類型血清型免疫球蛋白既可結合抗原，又可作為抗原，激發(fā)機體的免疫應答，因而也是一類抗原物質。由于免疫球蛋白的遺傳基礎不同，不同的免疫球蛋白的抗原性也有差異。利用血清學方法測定和分析免疫球蛋白抗原性予以分類，稱為免疫球蛋白的血清型。1、同種型(isotype)：同一種屬所有個體免疫球蛋白分子共同的抗原特異性標志。由C區(qū)決定。VHCH1CH2CH3CH4VLCLFabHingeregionFc2、同種異型（allotype)：同一種屬不同個體間免疫球蛋白分子所具有的不同的抗原特異性標志。由鏈、鏈、鏈、鏈C區(qū)決定。VHCH1CVLCLFabHingeregionFc3、獨特型(idiotype,Id)：每個免疫球蛋白分子所特有的抗原特異性標志。由超變區(qū)特殊的氨基酸序列及其構型決定。VHCH1CH2CH3CH4VLCLFabHingeregionFc1）與相應抗原特異性結合：Fv2）激活補體：3）結合FcR：促吞噬(opsonization)

介導過敏介導細胞毒(ADCC)

免疫調理 4）穿過胎盤和粘膜5）調節(jié)免疫功能VHCH1CH2CH3CH4VLCLFabFcCOO–NH3+免疫球蛋白的功能免疫球蛋白的功能a.b.免疫球蛋白的功能

Fc

R

Antibody-DependentCell-mediatedCytotoxicity(抗體依賴的細胞介導的細胞毒作用)TargetcellAbEffectorcellTargetcell表達Fc受體的組織細胞(NK、M

、中性粒細胞）通過識別抗體的Fc段直接殺傷被抗體包被的的靶細胞。ADCC免疫球蛋白的功能抗體的抗病毒效應NK靶細胞介導ADCC經典途徑激活補體C1qr2s2調理吞噬作用免疫球蛋白的功能IgGIgMIgAIgEIgD各類免疫球蛋白的特點和功能出生后3個月開始合成，3～5歲接近成人含量最多占血清總Ig的75%產生比較晚，是再次應答的主要抗體半衰期最長(t

?

=23天)分布最廣，血管外的主要抗體唯一能通過胎盤的Ig激活補體–IgG1～3（經典），IgG4（替代）結合細胞–巨噬細胞，單核細胞——調理作用

NK細胞，巨噬細胞——介導ADCC

結合SPA—協(xié)同凝集實驗特性：IgGIgG功能：抗感染的主要抗體

介導II,III型超敏反應介導自身免疫

調理介導ADCC

固定補體中和病毒和毒素

抗菌抗病毒抗外毒素IgG四個亞類的特點IgG1IgG2IgG3IgG4血清含量(占IgG的百分比）702064

血清半衰期(天)2323723通過胎盤++++++++++固定補體+++++–

結合Fc受體+++–++++

特性血清中含量第三出現(xiàn)最早的Ig分布局限，主要在血管內d)通過經典途徑激活補體e)分子量最大f)凝集細菌e)結合細胞–

巨噬細胞,單核細胞-調理

NK細胞,巨噬細胞-介導ADCC

IgMJ鏈

IgM抗感染的先鋒抗體

介導II,III型超敏反應介導自身免疫天然血型抗體

調理作用

(最強)

激活補體中和病毒和外毒素凝集微生物介導ADCC功能：

抗菌作用最強

(500—1000×IgG)

抗病毒抗外毒素IgA特點:血清中含量第二

(血清型IgA，serumIgA)主要以分泌型存在(外分泌液中）.(secretoryIgA,sIgA)

sIgA通過初乳被動轉移給新生兒

唾液,

眼淚,乳汁,

鼻黏膜,

支氣管分泌液,

生殖道分泌物,

前列腺液,

小腸黏膜分泌液.

SCJchainIgAdimersIgA功能：粘膜局部抗感染的主要抗體

阻止病原體粘附于粘膜細胞中和病毒和外毒素

傷寒沙門氏桿菌,

奈瑟氏淋球菌

脊髓灰質炎病毒，流感病毒

抗菌作用抗病毒作用抗外毒素作用IgD分子的結構IgD分子*在膜表面的表達是B細胞成熟的主要標志；*膜型IgD作為BCR的組成部分，發(fā)揮信號傳導作用StructureofIgEmoleculeIgE特性1)含量最少2)與肥大細胞和嗜堿性粒細胞表面的Fc

R受體結合親細胞性抗體:不與Ag結合，即可與肥大細胞和嗜堿性粒細胞表面的FcR牢固結合3)不能激活補體IgE①參與過敏反應(I型超敏反應)

結合肥大細胞和嗜堿性粒細胞導致各種生物活性的介質的釋放嗜酸性粒細胞有IgE的FcR，嗜酸性粒細胞通過此受體結合包被在蠕蟲上的IgE的Fc段，最終殺死寄生蟲②抗寄生蟲感染作用人抗體分子的特性抗體類別IgGIgAIgMIgDIgE重鏈類別gamde重鏈亞類g1,g2,g3,g4a1,a2輕鏈類別k和

lk和

lk和

lk和

lk和

l分子式g2l2

或g2k2a2l2或(a2l2)5SCJa2k2或(a2k2)5SCJ(m2l2)5J或(m2k2)5Jd2l2

或d2k2e2l2

或e2k2分子量（kDa）150160或400900180190固定補體能力+0++++00血清濃度(mg/100ml)100020012030.05血清半衰期(天)236532穿過胎盤＋0000肥大細胞和嗜堿性細胞脫顆粒？000++++裂解細菌能力+++++??抗病毒能力+++++??2014-10-13抗體的多樣性及其產生機制抗體的多樣性抗體的多樣性產生的機制抗體的類別轉換1897年 PaulEhrlich提出側鏈學說1930年 Haurowitz提出直接模板學說1941年 Pauling提出間接模板學說1955年 NielsJerne提出自然選擇學說1958年 FMBurnet提出克隆選擇學說抗體生成理論的發(fā)展史（一）抗體的多樣性抗體/免疫球蛋白的基因結構抗體基因的重排抗體基因的重排機制抗體的多樣性早期假說一：生殖細胞學說抗體的多樣性早期假說二：體細胞突變學說The

genomecontainsmanylociencodingantibodymolecules.Bcellexpressoneoftheseloci.DifferentBcellsexpressdifferentloci.ThereareasmallnumberofantibodygeneswhichundergomutationastheBcellmatures,thusgivingrisetoBcellsexpressingantibodyofdifferentspecificity.1971年Kabat基因嵌入模型利根川進：抗體的基因重排理論免疫球蛋白的基因結構Inheavychains,theV,DandJsegmentsencodethevariabledomainwhiletheCsegmentencodestheconstantdomain.Inlightchains,theVandJsegmentsencodethevariabledomainwhiletheCsegmentencodestheconstantdomain.抗體基因的重排DuringBcellmaturation,immunoglobulingenesundergorearrangement.DuringBcellmaturation,immunoglobulingenesundergorearrangement.DuringBcellmaturation,immunoglobulingenesundergorearrangement.DuringBcellmaturation,immunoglobulingenesundergorearrangement.Thekappaandlambdalociundergosimilarrearrangement.SincetherearenoDsegments,thereisasingleV-->Jrearrangement.Inbothheavyandlightchainrearrangement,anumberofJsegmentsmayremainbetweentheV(D)andCsegments.TheseareincludedintheRNAtranscriptbutaresplicedoutduringRNAprocessing.ThefinallightchainmRNAcontainsoneVJCunit.KubyFigure5-4KubyFigure5-4抗體基因重排的機制（1）重組信號序列(recombinationsignalsequence,RSS)在VH和VL基因3’端、J基因5’端和D基因兩端有高度保守的核苷酸序列，包括一個7核苷酸組成的七聚體(heptamer)和一個9核苷酸組成的九聚體(nonamer)，兩者間隔121或231個核苷酸，稱為RSS。只有間隔12個堿基對和間隔23個堿基對的RSS之間發(fā)生重組，而間隔長度相等的RSS之間不發(fā)生重組，這就是12/23堿基對規(guī)律(12/23basepairrule)，也叫做1+2圈規(guī)律(1+2turnrule)。KubyFigure5-3Recombinationsignalsequences-conservedsequencesinregionsjustupstreamordownstreamofgenesegments.Consistofaconservedheptamerandnonamerwitha12or23bpspacer.KubyFigure5-3Theone-turn/two-turnrule(12/2