抗原识别受体的基因重排以及受体多样性的产生
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8
Tonegawa的设想：
BCR胚系基因
X
经过重排的基因 X
XX X
X 限制性内切酶酶切位点
9
重排现象的实验证明
10
对小鼠胚系DNA和骨髓瘤细胞V和C基因的DNA 做序列分析，发现在重排后的V区和C区基因不 是直接拼接在一起的，由此发现了J (joining) 基因片段和D（diversity）基因片段。
七核苷酸－12/23核苷酸的随机序列－九核苷酸
17
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.
18
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
抗原识别受体的基因重排 以及受体多样性的产生
1
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)
2
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。
22
SHM在抗体的可变区发生
小鼠和人类的SHM的频率是10-5至10-3，比其他 基因的自发突变高1百万倍。 为什么能够发生高频突变？
需要AID (Activation-induced cytidine deaminase， 活化诱导激活的胞嘧啶核苷脱氨酶)
AID
cytosine
uracil
23
SHM的发生
11
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
20
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。
21
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)
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
Susumu Tonegawa（利根川进） b.1939
12
二、产生BCR多样性的机制
13
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。
3
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？
4
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
5
一、 BCR重排的发现
6
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
轻链不产生类别转0 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。
26
类别转换也需要AID参加
27
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
5. 经Error-prone DNA polymerases修复，导致突 变 （在胞嘧啶位置或相邻 位置）
24
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。
可变区多样性是怎样产生的?
7
抗体多样性的两种假说：
体细胞突变假说
B细胞发育过程中发生了突变，导致生成的BCR或者抗 体变成许多种
基因片段重排假说 ？
Dreyer和Bennett于1965年提出，即两个基因一条多 肽链理论。他们认为BCR由两类基因片段组成，一类编 码BCR的V区，一类编码BCR的C区。V区基因含有多个基 因片段，只有其中一个片段与C区形成抗体。
19
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。
14
多样性机制之一：基因片段的重排
15
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
16
重组信号序列：
12/23规则(12/23 rule) 重组信号序列(recombination signal sequence, RSS):
Tonegawa的设想：
BCR胚系基因
X
经过重排的基因 X
XX X
X 限制性内切酶酶切位点
9
重排现象的实验证明
10
对小鼠胚系DNA和骨髓瘤细胞V和C基因的DNA 做序列分析，发现在重排后的V区和C区基因不 是直接拼接在一起的，由此发现了J (joining) 基因片段和D（diversity）基因片段。
七核苷酸－12/23核苷酸的随机序列－九核苷酸
17
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.
18
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
抗原识别受体的基因重排 以及受体多样性的产生
1
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)
2
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。
22
SHM在抗体的可变区发生
小鼠和人类的SHM的频率是10-5至10-3，比其他 基因的自发突变高1百万倍。 为什么能够发生高频突变？
需要AID (Activation-induced cytidine deaminase， 活化诱导激活的胞嘧啶核苷脱氨酶)
AID
cytosine
uracil
23
SHM的发生
11
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
20
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。
21
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)
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
Susumu Tonegawa（利根川进） b.1939
12
二、产生BCR多样性的机制
13
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。
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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？
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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
5
一、 BCR重排的发现
6
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
轻链不产生类别转0 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。
26
类别转换也需要AID参加
27
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
5. 经Error-prone DNA polymerases修复，导致突 变 （在胞嘧啶位置或相邻 位置）
24
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。
可变区多样性是怎样产生的?
7
抗体多样性的两种假说：
体细胞突变假说
B细胞发育过程中发生了突变，导致生成的BCR或者抗 体变成许多种
基因片段重排假说 ？
Dreyer和Bennett于1965年提出，即两个基因一条多 肽链理论。他们认为BCR由两类基因片段组成，一类编 码BCR的V区，一类编码BCR的C区。V区基因含有多个基 因片段，只有其中一个片段与C区形成抗体。
19
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。
14
多样性机制之一：基因片段的重排
15
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
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重组信号序列：
12/23规则(12/23 rule) 重组信号序列(recombination signal sequence, RSS):