医学免疫学 抗原识别受体的基因重排及受体多样性的产生

多样性机制之三：基因片段结合处的变化
基因重排和轻重链随机组合理论上仅能 产生1.9x106个不同抗原特异性的抗体， 远远低于实际抗体数。基因片段在结合处 的变化大大增加了多样性。
多样性机制之四： 体细胞高突变（Somatic Hypermutation, SHM)
对抗体可变区的序列分析
抗体的亲和力成熟 (affinity maturation)
IFNg诱导组成性表达的蛋白酶体成免疫蛋白酶体 （immunoproteosome）
b1￫b1i (LMP2) b5￫b5i (LMP7) b2￫b2i (MECL-1) PA28a PA28b
免疫蛋白酶体更能将蛋白降解成抗原肽
免疫蛋白酶体将蛋白降 解成正确的C末端肽，它 们再被一些酶降解成可 提呈的肽
Aaron Ciechanover
Avram Hershko Irwin Rose
细胞用泛素(ubiquitin)/蛋白酶体(proteasome) 系统降解蛋白质
泛素是76个氨基酸组成的多肽，负责给要降 解的蛋白加上标签。
泛素加标签的步骤：
1、泛素末端羧基通过硫酯 键与泛素活化酶（E1)结合。
1. 单链DNA上的胞苷在 AID的作用下转变为尿苷， dC:dG形成 dU:dG错配
2. uracil-N-glycosylase （UNG)除去dU
3. APE1（脱嘌呤/脱嘧啶 核酸内切酶1）使DNA的一 条链形成缺口
4. Mismatch repair (MMR) 蛋白识别G-U错配碱基或 G-缺失碱基
三、TCR的基因结构和多样性的产生
BCR和TCR都是识别抗原，那么TCR的 基因结构和多样性的产生究竟是否和 BCR相似呢？
（1）TCR和BCR的相似之处
TCR结构类似免疫球蛋白，与免疫球蛋白有30-35%同源 性。与BCR一样，两种TCR都含可变区和恒定区。
TCR结构与免疫球蛋白 的Fab类似
每条编码轻链和重链可 变区的基因都由数个基 因片段组成。
k链：40（Vk）x 5（Jk）= 200个Vk l链：30（Vl）x 4（Jl）= 120个Vl 重链：40（VH）x 25（DH）x 6（JH）= 6000个VH
重ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ信号序列：
12/23规则(12/23 rule) 重组信号序列(recombination signal sequence, RSS):
TCR的胚系基因结构（ b, g链基因在第7号染色体上，
a, d链基因在第14号染色体上）
TCR的基因的组成方式与免疫球蛋白基因基本一样。a链 和g链基因类似轻链，有V和J基因片段。b链和d链基因类似 重链，有VDJ基因片段。
TCR也是通过体细胞重排变为多样性的
TCR的重排的机制与免疫球蛋白一样，也具有7核 苷酸和9核苷酸的重组识别信号，并遵守12/23碱基 规则。
一、抗原的处理和提呈过程
1、外源性抗原和内源性抗原
胞浆内的抗原称为内源性抗原，通过吞噬小体进入细胞 的抗原为外源性抗原
2、两类MHC分子结合的肽来源不同 • MHC I类分子结合来源于胞浆蛋白的肽
• MHC II类分子结合膜结构小泡中的肽 • I类和II类分子提呈的肽分别由CD8＋或CD4＋ T细胞识别
2、泛素-E1然后与泛素 交连酶（E2)上的巯基结 合转移到E2上形成泛素E32、。泛素-E2然后在泛素 蛋白连接酶（E3）的作用 下与要降解的蛋白的赖氨 酸e氨基结合，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标签
蛋白酶体负责将蛋白降解成肽片段
• 蛋白酶体的核心为20S的复合物，含两组多肽。 • 在圆桶形的两头，有两个a环，每个环含7个不同的多肽。 • 在圆桶形的中间，有两个b环，每个环含7个不同的多肽。 • 蛋白酶体6个活性部位位于3个b亚基上（b1, b2, b5）
Defective ribosomal product (DRiP)
4、MHC II类分子提呈肽的过程
由MHC II类分子提呈的抗原是被吞噬溶 酶体和MHC II类小体（MHC class II compartment, M IIC)中的蛋白酶降解成肽 的。
5. 经Error-prone DNA polymerases修复，导致突 变 （在胞嘧啶位置或相邻 位置）
多样性机制之五：
类别转换（isotype switch）
B细胞恒定区的基因在B细胞成熟后仍然改 变。所有的B细胞最开始都表达IgM，之后表 达的抗体可以是IgG，IgA和IgE，这种变化叫 做类别转换。
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1987 “For his discovery of the genetic principle for generation of antibody diversity"
Massachusetts Institute of Technology (MIT) Cambridge, MA, USA
（2）TCR和BCR的区别
TCR也具有连接多样性，且变化更大。
编码TCR b链的D基因片段分在两处，这样会增加其 有效重排的机会
编码a链的J基因片段比抗体多，也会增加有效重排 的机会
TCR没有分泌形式，总是膜蛋白，而抗 体分膜型Ig和分泌型Ig
TCR最大的不同于BCR的地方是它不产生体细 胞突变。
轻链不产生类别转换。
免疫球蛋白C区基因:
200 kb长。每个C区基因又分成几个外显子，每个外显 子表达一个恒定区功能域。
类别转换也需要AID参加
类别转换与V区基因重排不一样。
第一，所有类别转换的产物都是具有功能的； 第二，类别转换仅仅引起抗体的类别而不是特异性 变化；
第三，类别转换在B细胞受到抗原激活之后产生，而不
人可以表达的抗原受体约为1012个， 人的基因总数仅为3－5万个。
问题： 为什么人产生的抗体比他自身携带
的总的基因数还要多？
内容： 一、BCR重排的发现 二、产生BCR多样性的机制 三、TCR的基因结构和多样性的产生
一、 BCR重排的发现
BCR或抗体由可变区和恒定区组成，其多样性 主要是由可变区决定的
抗原识别受体的基因重排 及
受体多样性的产生
淋巴细胞抗原识别特点：
T、B细胞都用其抗原识别受体识别抗原
B细胞：B cell receptor (BCR) T细胞：T cell receptor (TCR)
究竟什么样的病原微生物能够突破机体 的天然免疫屏障并不能预料。为了能够防御 所有可能的病原微生物的感染，特异性免疫 应答系统必须形成一个巨大的抗原受体库， 以便能够识别所有可能的外来抗原物质。
多样性机制之二：重链轻链随机组合
k链：40（Vk）x 5（Jk）= 200个Vk l链：30（Vl）x 4（Jl）= 120个Vl 重链：40（VH）x 25（DH）x 6（JH）= 6000个VH
理 论 上 将 产 生 6000x(200 ＋ 120)=1.9x106 个 不 同 抗原特异性的抗体，实际上要少一些。因为并不是 所有的V基因都以同样频率使用，并不是所有的轻链 重链配对都能成功。
在蛋白酶体圆桶的最外端有两个19S蛋白帽。每 个19S帽由20个亚单位组成。
19S的帽和20S的蛋白酶体核心组合成26S的蛋白 酶体。
19S的蛋白帽的功能是识别带有多个 泛素的蛋白，使它们去折叠，移去泛素， 使线性化的蛋白进入蛋白酶体核心。
The ubiquitin-proteasome pathway
为什么？
T细胞仅是识别细胞结合的抗原。这些抗原局部浓 度很高，不需要T细胞的亲和力通过体细胞突变增加。
成熟的T细胞不能识别自身抗原，而体细胞突变后可 能会产生自身反应性。和B细胞不一样，自身反应的T 细胞可以直接引起疾病，因此T细胞不应该通过体细胞 突变。
TCR和BCR多样性的异同
重点： 产生BCR和TCR多样性的机制和区别
七核苷酸－12/23核苷酸的随机序列－九核苷酸
转录方向相同的VJ是主 要形式，环出的片段形 成signal joint，保留在 染色体上的片段形成
coding joint.
V区基因的重组由几种V(D)J重 组酶协调完成，负责剪切和连 接工作。
RAG1/RAG2：重组活化基因 Ku70/Ku80：DNA修复因子 DNA-PK：DNA依赖蛋白激酶K Artemis：核酸酶 TdT：末端脱氧核糖核酸转移酶 DNA ligase IV：DNA连接酶IV XRCC4：DNA修复蛋白
1.骨髓中形成初级抗体 库
抗体基因片段在与抗原 无关的情况下装配起来， 这样的抗体对抗原具有 低亲和力。
2.外周形成次级抗体库 在抗原的驱使下产生的 变化，对该抗原具有低 亲和力的B细胞就会发 生体细胞突变，形成高 亲和力的B细胞。
问题： 为什么免疫系统要用两种机制改变
体细胞使抗体增加多样性？
微生物和它们的分泌物是免疫系统的主要 防御对象。因为微生物生长速度比脊椎动物快 许多倍，因此微生物产生突变体的速度可以很 快，如果免疫球蛋白仅是由胚系基因编码的， 那么脊椎动物就无法对付抗原飞速的变化，体 细胞多样性使得机体不受限制地产生抗体。
Susumu Tonegawa（利根川进） b.1939
二、产生BCR多样性的机制
人免疫球蛋白胚系基因图
l轻链基因位于22号染色体上，k轻链基因位于2号染色体上， 重链基因位于14号染色体上。 V区基因和C区基因。V、D、J基因片段。 信号肽L(leader)将各条肽链导入内质网腔后被切去。
多样性机制之一：基因片段的重排
是在B细胞发育过程中产生；
第四，类别转换不是随机的，而是由T细胞调节的。
CSR和SHM都在B细胞的生发中心发生
2008.8
人免疫球蛋白多样性的产生