第二章免疫分子 1 2 Ig和补体系统Word文档下载推荐.docx
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CL仅发现两种,按它们表现的抗原性将L链区分为κ和λ两种型(type),每一个Ig分子的两条L链均是同一个型,即同是κ型或同是λ型。
H链其余3/4段的氨基酸组成和排列也较恒定,称为H链恒定区(CH)。
CH有五种,据它们的抗原性将H链分为五类(class),μ、δ、γ、α和ε。
它们分别组成的Ig相应称为IgM、IgD、IgG、IgA和IgE。
依每类Ig重链恒定区内个别氨基酸的差异及H链间二硫键位置不同,各类Ig又分亚类(subclass),例如人的IgG分为IgG1、IgG2、IgG3和IgG4,IgM分为IgM1和IgM2,IgA分为IgA1和IgA2;
马的IgG分为IgGa、IgGb、IgGc、IgG(B)和IgG(G);
牛的IgG分为IgG1和IgG2;
猪的IgG分为IgG1、IgG2、IgG3和IgG4等。
L链和H链内,大约每110个氨基酸残基片段内由两个半胱氨酸组成一个链内二硫键,形成一个环,环内的肽链以典型的Ig折叠(immunoglobulinfold)形成球状结构域(domain)。
具有Ig球状结构域的尚有MHC-Ⅰ类分子、MHC-Ⅱ类分子、TCR、Thy-1抗原、粘附分子(ICAM)等,它们归于一个Ig基因超家族(详见第22章)。
L链内有两个结构域,VL和CL;
IgG、IgA和IgD的重链内均有VH、CH1、CH2和CH3四个结构域;
IgM和IgE的重链则多一个CH4结构域。
每个结构域的免疫功能不同,但约有1/3的氨基酸排列顺序相同。
IgG、IgA、IgD的CH1和CH2之间有一个约含30个氨基酸可弯曲的铰链区(hingeregion),有利于Ig两臂伸展,与抗原分子上不同位置的表位结合。
二、免疫球蛋白的多样性及血清型
(一)Ig的多样性
据测定,成年人体内的B淋巴细胞,约有1×
107种克隆,每种克隆约有1×
105个B细胞。
各种克隆B细胞SmIg分子的VL-VH结构不同,能识别结合各种抗原决定簇,引起分化增殖成浆细胞,合成分泌各种特异性Ig分子。
每种特异Ig分子的组成和结构都有差异,这就是所谓的Ig多样性。
(二)Ig的血清型
Ig分子不但具有抗体活性,同时自身也是很好的抗原,因各种动物和个体的遗传因素不同,B细胞在遗传性上具有差异,它们产生的Ig分子在抗原性上也就各不相同,这种差异必然与各种Ig分子的氨基酸残基组成和排列顺序有关,这种受遗传基因控制产生的抗原性差异,称为Ig的遗传标志(geneticmarker)。
根据遗传标志的不同,可将Ig分子的抗原性分为三种不同类型的变异体(血清型),即同种型、同种异型和独特型,具体见表1.5.1,它们可以用血清学方法来测定及分类,故称为免疫球蛋白血清型。
1.同种型(isotype)
即同种动物所有个体B细胞产生的免疫球蛋白的类、亚类,型、亚型都相同,不同种动物之间则不同。
因此,人与各种哺乳类动物的免疫球蛋白,在动物间可互为免疫原。
(1)类(class):
根据CH抗原性的不同,将重链分为γ、α、μ、δ、ε五类,其相应的免疫球蛋白分别为IgG、IgA、IgM、IgD、IgE。
(2)亚类(subclass):
根据CH中二硫键的位置和数目等微细结构的差异,将免疫球蛋白再分为亚类,如IgG可分为IgG1、2、3、4四个亚类,IgA和IgM分别分为IgA1、2及IgM1、2两个亚类。
(3)型(type):
根据CL的抗原性不同,轻链可分为κ(约占65%)和λ(约占35%)两型。
任何一个免疫球蛋白分子的两条轻链总是相同的型,即同是κ型或λ型。
(4)亚型(subtype):
根据λ型的CL区中氨基酸的差异,将λ链分为Cλ1、Cλ2、Cλ3、Cλ4,或OZ(+)即λ链190位为亮氨酸,OZ(-)190位为精氨酸,Kern(+)154位为甘氨酸,Kern(-)154位为丝氨酸等四个亚型。
κ型尚未发现有亚型。
(5)群(group):
根据重链和轻链可变区同源性的差异程度不同,分为VH群、Vκ群和Vλ群等三个主要的群。
(6)亚群(subgroup):
根据群内成员的可变区氨基酸的组成和排列顺序的不同,可进一步将重链可变区分为VHⅠ、VHⅡ、VHⅢ、VHⅣ等亚群。
将κ型轻链可变区分为VκⅠ、VκⅡ、VκⅢ、VκⅣ等亚群。
将λ型轻链可变区分为VλⅠ、VλⅡ、VλⅢ、VλⅣ、VλⅤ、VλⅥ等亚群。
表1.5.1免疫球蛋白血清型
同种型变异部位举例
类CHIgG、IgM、IgA、IgD、IgE
亚类CHIgG1~4,IgA1~2,IgM1~2
型CLκ、λ
亚型CL(λ)OZ(+)、OZ(-)、Kern(+)、Kern(-)
群VVHVκVλ
亚群VHVHⅠ~Ⅳ
VL(κ)VKⅠ~Ⅳ
VL(λ)VλⅠ~Ⅵ
同种异体型CH(γ1~γ3)Gm1、Gm2……Gm30
CH(α2)Am1,Am2
CL(κ)κm1,2,3
独特型VH/VL极多
2.同种异体型(allotype)
即同种动物不同个体的B细胞产生的免疫球蛋白分子,存在抗原特异性的差异。
这是由于CH或CL上一个(或几个)氨基酸改变而造成的抗原性差异,将这些起决定作用的氨基酸称为异型标志。
目前已证明人有Gm、Am、κm三组异型标志,分别为IgG、IgA和κ型轻链的遗传标志,人类的Gm共有约30种Gm因子、Am2种、κm3种,具体见表1.5.2。
3.独特型(idiotype)
指同一动物个体内,不同B细胞克隆产生的免疫球蛋白,VH和VL区内的抗原决定簇不同,表现为抗原特异性的差异。
它反映了抗体分子可变区的抗原决定簇的独特性。
因为在同一个体内,有千万个B细胞克隆(免疫活性细胞),每个B细胞克隆产生的Ig分子V区均有不同的抗原特异性,由此,将Ig区分的型别称为独特型。
独特型抗原决定簇是由Ig的可变区(VH和VL)结构决定的,其氨基酸排列顺序的差异主要在超变区,即主要在Ig分子与抗原决定簇结合的部位。
因为不同的B细胞系(克隆)产生的免疫球蛋白均具有特异的抗原结合部位,而且是均质的,所以一个B细胞克隆就只合成一个独特型抗体。
机体内有千万个克隆的B细胞,就会有千万种不同的独特型抗体分子产生。
独特型的出现,在更精确的水平上反映了每个抗体形成细胞遗传性的微细差别。
除血清中的免疫球蛋白分子外,T、B淋巴细胞表面的抗原受体也具有独特型抗原特异性。
独特型抗原决定簇不仅在不同种间、同种异体间可刺激机体产生抗独特型抗体(anti-idiotypeAb),而且在自身体内也可诱导产生抗独特型抗体。
这样,就形成了独特型与抗独特型的网络系统,由此构成机体内免疫细胞间相互制约的关系,在机体免疫应答调节中起着重要作用(见第十八章)。
表1.5.2人的免疫球蛋白的同种异型
遗传标志肽链类型功能区同种异型氨基酸的位置和种类*
重链轻链
Gmγ1CH1Gm(4)214
精
Gm(17)赖
γ1CH3Gm
(1)356358
门冬亮
Gm(-1)谷蛋
γ2CH2Gm(23),Gm(-23)ND
γ3CH2Gm(5),Gm(-5)ND
Gm(15)
Gm(16)ND
Gm(21)296
酪
Gm(-21)苯丙
γ3CH3Gm(6)
Gm(11)436
苯丙
Gm(-11)酪
Gm(13)
Gm(14)
γ4CH2Gm(4a)309
亮
Gm(4b)空白
Amα2CH3Am
(1)411428458467
苯丙门冬缬缬
Am
(2)苏谷异亮丙
κmκCLκκm
(1)153191
缬亮
κm(1,2)丙亮
κm(3)丙缬
*氨基酸名称“氨酸”二字略,例:
“精”即指“精氨酸”;
ND:
未检测
三、免疫球蛋白分子的功能
(一)重链和轻链的可变区与抗原特异结合
Ig分子的VH和VL与抗原的特异结合,主要以它们的3个高变区,即互补决定区CDR1、CDR2和CDR3,与抗原表位(epitope)互补结合。
各CDR位于VH、VL肽链折叠的回折处,VH、VL的顶部,构成袋型、沟槽型或平面型的空间构型。
HCDR3、LCDR3位于空间构型中较为中心的位置,其全部氨基酸残基可能都与抗原接触。
CDR1、CDR2仅有部分接触。
Ig分子与抗原表位互补部位的氨基酸之间形成非极性的氢键、相互作用的静电力、范德华力和疏水力等。
由于Ig与抗原的结合是非极性的,结合后可以解离,处于可逆状态。
Ig分子与单价抗原的结合力称为亲和力(affinity),Ig分子与抗原结合与解离的强度,在一定条件下取决于Ig分子与抗原结合的亲和力。
在温度、pH、离子强度等恒定条件下,某一种Ig分子与其抗原的结合与解离达到平衡时,抗原-抗体复合物的浓度[Ag-Ab],与游离抗体的浓度[Ab]和游离抗原表位的浓度[Ag]之比是一个常数,即亲和常数(affinityconstant,Ka)。
Ka=[Ag-Ab]/[Ab]·
[Ag]=K+K-
K+为结合反应速度常数,K-为解离反应速度常数。
[Ag-Ab]、[Ag]和[Ab]以摩尔浓度(mol/L)表示,则Ka的单位为摩尔浓度的倒数(L/mol或m-1)。
通常,Ka在107m-1-1012m-1的称为高亲和力抗体,低于107m-1的为低亲和力抗体。
IgM、IgG等抗体分子具有2个以上与抗原表位结合的部位,Ig分子与多价抗原结合的亲和力总和称为亲合力(avidity)。
Ig分子的亲合力并不是亲和力的简单相加,而是呈几何级数上升,因此,一个低亲和力的IgM分子,或多个低亲和力的IgG分子,对天然多价抗原的结合可以是相当紧密的。
(二)CH的功能
1.与细胞膜上的Fc受体(FcR)结合
IgG的Fc段可与MΦ、中性粒细胞、嗜酸性粒细胞等的FcγRⅠ(CD64)结合,有利于细胞吞噬被抗体IgG结合的病原体,即是起调理吞噬作用。
此外,对MΦ等细胞也有刺激作用。
IgG1的Fc段与NK细胞上的FcγRⅢ(CD16)结合),则诱发NK细胞的ADCC效应。
IgE的Fc段与肥大细胞或嗜碱性粒细胞上的FcεRⅠ结合,再次接触抗原,发生交联时,可诱导细胞释出各种活性介质,引发超敏反应。
腺体粘膜下B细胞分泌的IgA,通过Fc段与腺上皮中转运细胞的Fc受体结合,可由腺体粘膜下转运到乳汁中或泪水中。
人、灵长目、啮类类母体血循中的IgG1、3、4,通过Fc段与胎盘中转运细胞的Fc受体结合,可转运给胎儿。
2.识别和激活补体IgG、IgM重链的CH2区的补体结合位点,当抗体与抗原结合后,将识别并结合补体系统中的C1q,启动补体系统的激活,发挥补体的生物学作用。
五聚体的IgM识别C1q的结合位点有5个以上,激活补体的作用比IgG强大得多。
四、免疫球蛋白的遗传控制及生物合成
1941年Beadle和Tatum提出“一个基因一种酶”的假说。
随后的研究认为所有蛋白质的生物合成都遵循“一个基因控制一条多肽链”的遗传规律。
1965年Dreyer和Benner根据人骨髓瘤L链Bencejones蛋白和小鼠骨髓瘤L链蛋白的肽链图分析,提出“两个基因控制一条Ig肽链”。
此后越来越多的研究证实,Ig分子的合成具有独特的遗传规律,即多基因编码Ig分子的一条肽链,其基因表达遵循等位基因排斥原则,即每个B细胞都具有来自父系和母系的两条染色体,每条染色体的相应部位均有编码Ig分子H链、λ链和κ链的等位基因,但任何细胞只能活化等位基因中的一个基因而表达。
(一)编码Ig分子的遗传基因
胚细胞中有3组不连锁的基因簇,分别编码Ig分子的H、κ和λ链,它们分别在小鼠第12、6和16对染色体,人第14、2和22对染色体上。
H链、κ链和λ链的V区和C区分别由V基因和C基因编码,V基因的数目各有100~1000个,每个V基因前均有一个L基因,编码17~20个氨基酸组成的H链和L链的先导肽(leaderpeptide)。
小鼠的CH基因在第12对染色体上的DNA片段(约200kb)中,有依次为5′端的Cμ、Cδ、Cγ3、Cγ1、Cγ2b、Cγ2a、Cε和Cα等8个基因;
Cλ基因有Cλ3和Cλ1,Cλ2和Cλ4分别连锁;
Cκ基因有1种。
1976年Tonegawa以DNA探针证明小鼠胚细胞基因簇中的V基因和C基因是远离的。
轻链V区约含108个氨基酸,但当轻链V基因被分离测定时发现只编码1~95位氨基酸,其余96~108位氨基酸由另一基因编码,这一基因称为连接(joining)基因,简称J基因。
现已知道,在小鼠胚细胞中,H链基因簇内有4个J基因,λ基因簇中有4个J基因,κ基因簇中有5个J基因。
从DNA转录mRNA的基因重排(rearrangement)过程中,一个J基因一端与一个V基因互补,另一端与一个C基因互补,连接远离的V基因和C基因,组成VJC(图1.5.3C2),指导L链的合成。
各个J基因表达氨基酸数目不等的肽段于V区与C区之间,参与抗体与抗原结合的位点。
最初认为H链的基因与L链一样,也由V、J、C基因连接组成,但克隆胚细胞的VH和CH、JH基因后,测定其核苷酸序列,并与相应骨髓瘤的H链氨基酸序列比较,发现H链中还有一段氨基酸既非VH基因编码,也非CH、JH基因编码,而是由另一些DNA片段编码,这些片段中最短的编码3个氨基酸,长的编码17个氨基酸,这些氨基酸都是抗体与抗原决定簇结合的位点,因而它们被称为多样性(diversity)基因,简称D基因。
人约有27个D基因,小鼠有20个D基因,大鼠有11个D基因。
H链基因簇中的V、D、J和C基因重排时,先选择一个D基因与J基因连接,继而一个V基因向DJ基因靠近,形成VDJ联合,最后与一个C基因组合成VDJC基因,编码一条H链(图1.5.4)。
按照DNA编码规律,比较编码骨髓瘤Ig的核苷酸序列及骨髓瘤Ig肽链的氨基酸序列,结果发现H、κ和λ基因簇中各个基因之间都有一个中间片段,称为内含子(intron),将各个基因隔开,这一发现进一步证明编码抗体的基因是远离的。
内含子有长有短,不编码不表达抗体分子。
DNA转录成L链LVJC或H链LVDJC的mRNA前体时,有关基因之间的内含子一起被转录,但在加工剪接为成熟的mRNA过程中,内含子被切除。
(二)Ig多样性的遗传控制及Ig的生物合成
阐明抗体多样性的遗传控制,主要有以下三种学说:
胚系学说,体细胞突变学说和基因重排学说。
1.胚系学说(germ-linetheory)
又称种系学说,认为物种在进化过程中获得的大量突变基因(这种突变的发生,不是抗原诱导的,而是自发的),贮存在生殖细胞内,被保留下来,变成稳定的种质基因,足够编码千千万万种抗体分子。
这个基因数目究竟有多少呢?
估计有105~108个结构基因。
如果其中有102个基因编码VL,以同样数目的基因编码VH,那么就会编码104个不同特异性的抗体分子。
实际上,究竟有多少基因编码L链或H链的V区?
估计很不一致,有人估计是102数量级,有人估计是103数量级。
动物在进化过程中,获得的编码Ig的基因的数目如此巨大,全部贮存在生殖细胞中,再通过生殖细胞一代复一代地遗传下去。
每一个淋巴细胞也必然具备这整套基因,如果淋巴细胞没有种质基因,就难以解决Ig各亚类、亚群以及同种异型标志的遗传,产生成千上万种抗体分子。
2.体细胞突变学说(somaticmutationtheory)
该学说认为数目巨大的突变基因都贮存在种质中,存在于生殖细胞的染色体中是不可能的,也是不经济的。
由种质传下来的只是少量V基因(如Weigert认为生殖细胞系中的基因数目只占机体总数的10%),而V基因的多样性,主要是个体发育期间,体细胞突变造成的。
体细胞基因突变率约为10-6,基因突变是无定向的,由此可以获得大量的V区顺序。
假定一个相同的C基因可能与许多不同的V基因结合,生成无数种不同的抗体,则它们的Fab片段就能分别结合各种不同的抗原。
上述两个学说对于解释免疫球蛋白的多样性都有一定的根据,但也有其不足之处,因此,又出现下述的第三种学说。
3.基因重排学说(generearrangementtheory)
1965年开始由Dreyer和Benner提出,认为Ig的V区和C区分别由V基因和C基因编码,两种基因是分开的,在胚细胞中具有上百个V基因,一个C基因,B细胞受抗原刺激分化为浆细胞过程中,V基因和C基因重排成VC复合基因,VLCL基因编码L链,VHCH基因编码H链,表达产生完整的Ig分子。
随着基因克隆、DNA/RNA杂交、DNA序列分析和蛋白质序列分析等生物学技术的发展,1976年利根川进等首次以实验证明V基因和C基因呈分离状态,并在B细胞成熟分化过程中不断进行重排;
从此,基因重排学说越来越得到证实、完善和赞同。
按照基因重排学说,编码完整Ig分子重链和轻链的DNA,是由多个基因多次重排的结果,从胚细胞或干细胞分化成B细胞,从B细胞受抗原刺激后再分化成浆细胞过程中,都进行基因重排。
例如小鼠的Ig分子,在小鼠胚细胞第12对染色体中,有编码重链的V基因100~1000个,D基因20个,J基因4个,C基因8个,依次为Cμ、Cδ、Cγ3、Cγ1、Cγ2a、Cγ2b、Cε和Cα。
每一个V基因前带有一个L基因,每一个C基因内又含有CH1、绞链区、CH2、CH3或CH4基因片段。
在各个基因之间和基因片段之间都由内含子隔开。
胚细胞或干细胞分化为B细胞过程中,发生各种L-V、D、J基因的任意重排,其他基因被缺失。
分析表明,VDJ的D处正是编码VH第三个超变区CDR3的位点,因此V、D、J基因的不同组合是产生抗体多样性的主要原因。
V、D、J基因进行第一次重排,连结成VDJ联合基因后,与不同C基因进行第二次重排。
首先VDJ与Cμ基因及其之间的内含子转录成μ链mRNA前体。
然后加工切除内含子,成为成熟μ链mRNA(如图1.5.4A)。
也有人以cDNA探针标记发现,μ链和δ链的mRNA来自一个大的mRNA分子,按照基因重排理论,因为胚细胞DNA分子上Cμ和Cδ基因相邻,第二次重排时,VDJ可与CμCδ基因连接成VDJCμCδ复合基因,转录成大的mRNA前体,剪切时消除Cμ基因或Cδ基因而成μ链mRNA和δ链mRNA,在同一克隆的B细胞内编码,表达具有相同V区的μ链和δ链(图1.5.5A),形成的IgM和IgD分子将嵌在B细胞膜上。
浆细胞则经转换重排、转录、加工剪切成δ链mRNA,表达δ链,形成分泌性IgD。
B细胞受抗原激发后,在分化成浆细胞过程中,开始的浆细胞以重排后的VDJCμ基因编码产生μ链,以后的浆细胞发生CH基因转换(switch),转换以5′Cμ-Cδ-Cγ3-Cγ1-Cγ2b-Cγ2a-Cε-Cα3′的次序进行,当转换成VDJCγ组合时的浆细胞则产生IgG。
已成功克隆胚细胞的Cμ基因和Cγ基因,测定它们的核苷酸序列,并进行比较,发现胚细胞Cμ基因前有几个J基因,Cγ基因前没有J基因,但在编码γ链MOPC141的Cγ基因前有J基因,这个J基因正是Cμ基因前J基因中的一个,这表明转换组合成VDJCγ基因,要进行两次重排,第一次VDJ基因连接Cμ基因,第二次移去Cμ基因,VDJ接上Cγ基因(图1.5.4B)。
基因转换中决定抗体特异性的VDJ基因不变,仅改变C基因,因而不同时期的浆细胞产生不同类的Ig,它们与抗原结合的特异性不变。
小鼠胚细胞中编码轻链的κ链、λ链的基因簇分别在第6、16对染色体上。
一般认为,编码κ链的V基因有几百个,J基因5个,C基因1个;
编码λ链的V基因较少,J基因4个,C基因4个。
各基因之间也由内含子隔离。
从胚细胞发育为B细胞,B细胞受抗原决定簇刺激分化成浆细胞过程中,均发生与重链基因相似的基因重排,如图1.5.3C2。
形成的VJC复合基因及内含子转录成L链mRNA前体,经加工切除内含子,成为成熟的轻链mRNA。
(三)Ig的生物合成
其基本程序是,当DNA重排后,转录的H链mRNA和L链mRNA,从核内移到胞浆,分别结合于内质网粗面核糖体上,翻译出带有前导肽的H链和L链,通过内质网膜,进入腔内侧,前导肽被肽酶切除,H链和L链自发地通过二硫键装备成H2L2“Y”字型的基本结构。
Ig分子进入Golgi小体和Golgi小体后的小泡囊,向细胞膜移行过程中加入糖链,形成完整的Ig分子。
Bμ+δ阶段的B细胞,Cμ和Cδ基因末端节段编码Ig分子H链末端约25个氨基酸残基是疏水的,使IgM和IgD分子不能通过细胞膜而嵌在类脂双层中,成为膜表面Ig,是识别抗原决定簇的受体。
浆细胞各类C基因末端节段编码的H链末端氨基酸残基是亲水的,产生的各类Ig分子能通过细胞膜分泌出细胞外。
IgM和分泌型IgA在分泌过程中加入J片形成五聚体IgM和二聚体IgA,后者还加入一个S片。
人和动物产生的Ig分子,其多样性主要是VL-VH结构的多样性,基因重排学说对此可以作出解释。
如前所述,小鼠胚细胞DNA中有V基因100~1000个,L链、H链J基因各4个,H链D基因20个。
假定VL基因100个,VH基因200个,则VL基因重组数目将有100(VL基因)×
4(
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