1、第九章 基因与发育本章主要内容：免疫体系发育及免疫球蛋白基因表达学习目的与要求：理解免疫球蛋白概念、免疫球蛋白基因结构结构、基因表达一、免疫体系发育及免疫球蛋白免疫系统是动物的主要防御系统。抗体、T 淋巴细胞受体和组织相容性抗原是免疫系统中 3 种最重要的成分。共同的特点：多样性。由于每类蛋白质都由一个巨大的基因家族编码，它们各自具有许多变异型。在抗体和 T 淋巴西北受体中，基因片段重排导致了所编码蛋白质的多样性。 1、脊椎动物免疫系统脊椎动物抗体基因的表达与多样性是近 20 年来分子生物学界研究的中心议题之一。生物体存在着两条免役途径：体液免疫（humoral immunity） ；细胞免疫
2、（cellular immunity） 。2、B 淋巴细胞及其发育和分化人和其他哺乳动物 B 淋巴细胞（简称 B 细胞）分化产生与骨髓中。成熟的 B 细胞重要存在与淋巴结皮质浅层的淋巴小结及脾脏的红髓与白髓淋巴小结内。B 细胞在抗原刺激下可分化为浆细胞，合成和分泌免疫球蛋白来专一地识别相应的外来抗原，主要执行机体的循环免疫功能。 （1）B 细胞的分化哺乳类动物：祖 B 细胞（porB） 、前 B 细胞（preB） 、未成熟 B 细胞和成熟 B 细胞等。不依赖与抗原，其分化过程在骨髓中。抗原依赖阶段指成熟 B 细胞受抗原刺激活化并分化为浆细胞的过程，主要在外周免疫器官中完成。（2）B 细胞膜表面
3、分子标记B 细胞表面有许多膜表面分子，包括白细胞分化抗原、MHC 以及多种膜表面受体，这些分子可被用与识别抗原，与免疫细胞和免疫分子相互作用，同时也是分离和鉴别 B 细胞的重要依据。抗原刺激后 B 细胞表面 lgD 很快消失，记忆 B 细胞的表面也不存 lgDB 细胞表面的 MHC类抗原在 B 细胞与 T 细胞相互协作时起重要作用。（3）B 细胞的功能成熟 B 细胞表面是否表达 CD5 分子，为 B-1（CD5）和 B-2（CD5）两个亚群。B-1 细胞参与非特异性免疫，B-2 则是通常意义上的 B 细胞，主要介导特异性免疫或先天免疫。3、T 淋巴细胞发育及分化T 淋巴细胞（T lymphoc
4、yte）来源与骨髓的淋巴样干细胞，简称 T 细胞，主要功能是产生一种蛋白质，即 T 淋巴细胞受体。T 细胞直接执行细胞免疫，通过产生多种细胞因子或表达黏附分子等手段，与其他免疫细胞发生直接或间接的接触，而发挥广泛的免疫调节作用。（1）T 淋巴细胞分化与发育胚胎发育到 11-12 天时，淋巴干细胞进入胸腺微环境的影响下迅速发生增殖和分化。（2）Notch 信号途径与 T 细胞分化胎肝或骨髓中的淋巴样干细胞进入胸腺，发育成为不成熟的 CD4-CD8-T 细胞和CD4+CD8+T 细胞，再经过阳性选择，分化成 CD4-CD8+ T 细胞和 CD4+CD8-T 细胞。4、免疫球蛋白的结构所以 lg 分
5、子都含有两类轻链中的一类，即 型或 型。组成的恒定区和可变区的氨基酸序列都是不同的。根据抗体的重链结构特征将其分为 5 类，根据抗原的不同和结构的变化又可分出若干亚类。如人类有 4 种 lgG 亚类，2 种 lgA 亚类和 2 种 lgM 亚类，每一种类型都有一个特征性的恒定区。5、免疫球蛋白基因结构免疫球蛋白（lg）分子由 lg、lg 和 lgH 基因编码，分别位于不同的染色体上。编码一条 lg 多肽链的基因是种系种数个分隔开的 DNA 片段经重排后产生的。Tonegawa 因在免疫球蛋白基因结构研究上的重大突破获 1987 年诺贝尔生理医学奖。在生殖细胞基因这样种， 基因和 基因呈分隔独立
6、排列的结构。这种排列类型被称为种系类型（germ line pattern)，存在于有效表达抗体基因的免疫细胞中。免疫球蛋白基因在表达之前得到了重排。6、Ig 基因重排与 DNA 多样性生物为什么能产生百万种以上（106-108）的 lg 分子呢？认为，V 区和 C 区不同片段在DNA 分子水平上的各种排列组合是形成 lg 分子多态的根本原因，这种假设被称为重组种系理论。就是说，单一种系状态的 lg 基因是不能表达的，只有经过重排，造成种系多样性、连接反应多样性以及体细胞突变等才有可能得到表达。（1）轻链基因的重排与连接V 基因和 J 基因的组合重排是通过 V 基因 3端和 J 基因 5端序列
7、来实施的。这种侧翼序列又称识别序列，是 V 与 J 组合重排所不可缺少的。在结构上的特点是有一段由 7个碱基组成的反向回文序列CACAGTG。在 3端紧接着回文序列的是 11 个碱基的间隔序列，而后是 9 个富含 A、C 的碱基。J5端也包含有与上述 7 碱基与 9 碱基区相配对的序列，其间隔序列由 23 个碱基组成，不能与 V3端 11 个碱基配对，因而形成单链突起（茎环结构） 。特殊的结构和识别序列有着密切的关系，V、J 结合后，上述茎-环结构被切除，形成连续的 V、J 片段。这种 V-J 单位的组合重排是随机的这种随机组合重排又是不精确的，直接造成了重排后的多样性。造成碱基丢失或错位，导
8、致 链种第 96 位以后的氨基酸编码发生改变，使免疫球蛋白结构发生多样性变化。（2） 重链基因的重排与连接 重链基因虽只有一个位点，但结构十分复杂。V 基因和 D 及 J 片段组合能产生 4000 个不同的 V 区，每个 V 区都能和 C 基因相组合。人类的 C 基因簇含有 10 个基因（C、C、C3、C1、C4、 C1、C2、C4、C、C2，其中 C4 是假基因） 。小鼠 C 基因簇只有 8 个 C 基因（5-C-C-C3、C1-C2b-C2a-C-C-3） 。这 8 个 C 基因虽然都使有功能的，但在同一细胞中只有一个基因得到表达。 V、D 和 J 基因的重排 重链基因组这重排是指在 DN
9、A 水平上由无功能V、D 和 J 基因片段组合重排位有功能 V、D 和 J 基因到的过程。这个重排过程同样与识别序列有关，而且重链基因要经过两次重排才得以完成。第一次重排发生于 D 和 J 之间，第二次重排发生于 V 和 DJ 之间，形成有转录功能的 VDJ 基因。第二次重排过程中，同样会产生不精确性，进一步造成免疫球蛋白的多样性。在 VDJ 重排过程中，在 DNA 聚合酶或脱氧核酸转移酶的作用，有时会在结合处插入一个脱氧核苷酸，形成所谓“N 区”插入序列，致使重链 V 区重排后形成VNDNJ 基因单位。由于上述重排机制，使重链 V 区更为复杂。如人类基因组有约 300 个 V 基因、20 个
10、D 基因和 4 个 J 基因及不同的 N 区，加上不同片段之间连接反应的不精确性，VDJ 重排结合产生的变化达到 300204100（N 区因素）10（连接不精确因素）=2.4107。因为 V 和 J 重排结合的多样性程度是 5103，因此，由 链和重链组成的 lg 分子抗体的多样性就可能有 2.41075103=1.21011 之多。 VDJ 基因单位与 C 基因或 C 基因在 RNA 水平上的剪接。VDJ 基因簇作为一个转录单位先转录成 mRNA 前体，经剪接加工形成 m、s、 三种 mRNA 。具体形成哪一种 mRNA，则要根据 C 基因中加 poly（A）的部位而定。在淋巴细胞中，VD
11、J 和 C 结合重排产生 lgM 和 C 结合重排产生 lgD。 体细胞突变引起的多样性7、免疫球蛋白基因表达（1）等为排斥与同型排斥等位排斥：是一个 B 淋巴细胞中发生 V-J 和 V-D-J 重排时，只有一种重组类型出现，产生一种轻链和一种重链。淋巴细胞中产生免疫球蛋白的基因位于两条同源染色体上，而免疫球蛋白基因的表达只发生在其中一条上，这种因为一条染色体上的基因表达而抑制另一条染色体上相同基因表达的现象称为等位基因排斥（allelic exclusion）：这种因为一条染色体上的基因表达而抑制另一条染色体上相同基因表达的现象。同型排斥：B 淋巴细胞的轻链表达时，只生成一种链（ 链或是 链
12、） ，不能同时表达 链和 链。等位排斥和同型排斥使 D 淋巴细胞无性系只表达一种特异抗体，否则就会产生多种特异性抗体。为了区分免疫球蛋白基因的各种状态，将未发生重排的种系构型等位基因称为 lg0，将发生重排并进行功能表达的等位基因称为 lg+，将发生无效重排的无活性等位基因称为lg-。磁暴存在下述几种情况： 等位基因之一发生有效重排，产生活性基因，并产生等位排斥，使另一基因的重排和表达受到抑制，这个细胞构型为 lg0/ lg+； 等位基因之一发生无效重排，另一个染色体上的基因仍处于种系构型，则该细胞构型为 lg0/ lg-，这样的细胞构型不会抑制另一个等位基因的重排； 第一次无效重排后，细胞内
13、又发生另一次有效重排，生成 lg+/ lg-，阻止了进一步重排的发生。（2） 增强子与 Ig 基因表达 免疫球蛋白 V 区基因的转录过程中，浆细胞 lgA 的转录比 B 淋巴细胞中快 4 个数量级。认为，增强子的作用不可忽视。 图 9-10，为什么该启动子在基因重排之前步支持转录，而重排以后获得了转录功能呢？说明 V 基因的启动子只有经过重排、缺失部分 DNA 序列以后，才受这一增强子的影响，获得高效表达，进一步的实验还证实，这个增强子同时具有组织特异性，随着 B 淋巴细胞成熟位浆细胞，它对 lg 基因表达的影响越来越大。8、主要组织相容复合体的表达（1）主要组织相容性复合体概述组织相容性复合
14、体（major histocompatibility complex，MHC）：引起移植排斥的细胞表面抗原称为组织相容性复合体。由于这些抗原的存在，同一物种某个体的组织移植至另一个在抗原组成上不相容的个体时，就会引起免疫反应，产生对所移植器官的排斥。MHC 在移植排斥中起决定作用。MHC 不仅控制着种内移植排斥反应，而且与机体免疫应答、免疫调节及某些病理状态的产生密切相关，处于机体特异免疫反应的中心地位。 细胞毒 T 细胞通过其表面的 TCR 对呈递于 MHC 分子表面的异己外源肽段进行识别，并直接杀伤呈递这类 MHC 的细胞； 辅助 T 细胞也通过其外表面 TCR 识别 II 型 MHC 蛋
15、白中的外源肽段，辅助 B 细胞产生抗体。所以，MHC 与 TCR，lg 相互配合，构成了生物体内复杂多变的免疫反应和应答。（2）MHC 分类集中于小鼠，它的主要组织相容性复合体称为 H-2（histocompatibility antigen-2） ，该基因簇位于第 17 号染色体上。人 MHC 又称白细胞抗原（human leukocytoantigen，HLA）体系，是免疫体系中最复杂，最具多肽性的体系。基因簇位于第 6 号染色体，全长约 2000-3500kb。HLA 共分为 4 型：I 型分子包括 HLA-A、HLA-B和 HLA-C，广泛存在于各种组织细胞中；型分子包括 HLA-DP
16、、HLA-DQ 和 HLA-DR，存在于 B 细胞、巨噬细胞和活化 T 细胞中；型分子为补体系统，包括 C2 和 C4 位点，存在于血清中；型分子可能是一些分化抗原，只存在于淋巴细胞、某些细胞毒 T 细胞和白血细胞中。型分子有一个信号肽链，称为移植抗原（transplantation antigen） ，其相对分子质量约为 4.5104，是跨膜蛋白，与免疫球蛋白结构域相似，可被分为 3 个部分。细胞质内的部分是较短的亲水 C 端片段，称为胞质片段：细胞质内的部分是较短的亲水 C 端片段。跨膜片段：横跨脂质双层的一个较短片段。胞外片段：细胞膜外侧是个较大的 N 端片段。片段可进一步氛围 3 个结构域：1、2、3，前两个结构域可变度高，呈多态性。它们在细胞表面与一种由另一条染色体上的基因所编码的。型分子是 HLA 系统中的另一个重要成分，由 和 两条糖化多肽链组成。 链上携带有主要多态决定簇。已经发现有 6 个 基因和 7 个 基因。（3）MHC 的分布及主要作用MHC 的组织特异性表达是受发育调控的。知道发育至体节中期才开始表达。成熟体细胞中，I 型 MHC 的分布极为广泛，淋巴样细胞中表达量最高，在脑组织和精细胞中几乎不表达。 型 MHC 主要存在于一些免疫细胞，如 B 细胞、巨噬细胞、单核细胞的表面，在树状细胞和内皮细胞中也有分布。
