医学]07抗体分子、抗体基因重排及B细胞发育.ppt

Antibody Molecules, Their Genes and B Cell Development 抗体分子、基因和 B 细胞发育 Chapter 7 获得性免疫系统的 “五项基本原则” 2 One clone，one receptor 3 Clonal selection and expansion 4 Clonal deletion and self-tolerance 1 Lymphocytes and lymphoid organs 5 Antigen processing and presentation（MHC ） Three Topics Diversity Specificity Memory Adaptive Immunity Three Representatives MHC Antibodies TCRs 7-1 Immunoglobulin and Antibody (抗体分子与免疫球蛋白） a1 a2b g 白蛋白球蛋白 （c） （a） （b） 对健康人用疫苗进行主 动免疫，免疫前（a）和 免疫后10天 （b）分别 采血并对血清蛋白进行 凝胶电泳分析。免疫前 血清中的g 球蛋白条带较 宽，免疫之后则相对集 中。Bruton 氏病患者血 清蛋白中的 g 球蛋白条 带缺失（c）。 Diversity of Ab (抗体分子的多样性) Diversity - Different Classes and Subclasses IgM Igm IgG Igg IgA Iga IgE Ige IgD Igd Diversity - Different Sequences and Specificity 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 50 40 30 20 10 0 CDR1CDR2 CDR3 抗 体 分 子 的 多 样 性 Igl 链 的 氨 基 酸 序 列 酸 残 基 的 变 异 率 相 应 位 置 上 氨 基 对来自不同B细胞克隆的Ig轻链氨基酸序列进行比较，发现V区的变化主 要集中在3个分别由610个氨基酸残基组成的狭小区域内。这3个区又 被称作高可变区或互补决定区（CDR），参与抗原结合部位的组成。 7-2 Basic Structure of Ab Molecules 抗体分子的基本结构 IgG分子由两条H 链和两条L链共价 结合而成。轻链 包括VL和CL两个结 构域，重链含有1 个VH和3个CH 结构 域。VH和VL共同组 成抗原结合部位 。Ig分子中线对 称，具有两个相 同的抗原结合部 位。 胃蛋白酶 木瓜蛋白酶 Fc pFc F(ab)2 Fab 抗 体 分 子 的 酶 切 片 段 木瓜蛋白酶作 用于IgG分子 重链间二硫键 的N端侧，将 其裂解为Fab 段和Fc段。胃 蛋白酶则切在 该二硫键之C 端侧，产生 F(ab)2和 pFc段。 Rodney Porter 1917-1985 Nobel Prize in 1972 Gerald Edelman 1929 - Nobel Prize in 1972 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 50 40 3 0 20 10 0 CDR1CDR2 CDR3 抗 体 分 子 的 多 样 性 酸 残 基 的 变 异 率 相 应 位 置 上 氨 基 Diversity and Specificity COOH CDR3 HV4 NH2 CDR1 CDR2 抗体分子的抗原结合部位 抗原 B 细 胞 表 位 抗体 CDR 表位 Ab Ag “Ig-like Domain (Ig样结构域)” Ig Superfamily -S-S- CL -S-S- CL -S-S- -S-S- CL -S-S- CL -S-S- -S-S- CL -S-S- CL -S-S- -S-S- -S-S- -S-S- -S-S- CL -S-S- CL -S-S- -S-S- V -S-S- V -S-S- CL -S-S- CL -S-S- -S-S- V -S-S- V -S-S- CL -S-S- CL -S-S- -S-S- V -S-S- V -S-S- -S-S- -S-S- -S-S- CLCL -S-S- -S-S- -S-S- -S-S- CLCL -S-S- 免 疫 球 蛋 白 超 家 族 -S-S- V -S-S- V -S-S- C2 C2 -S-S-S-S- C2 -S-S- C2 -S-S- C2 -S-S- C2 -S-S- V -S-S-S-S- V -S-S- -S-S- C2 -S-S- V -S-S- V -S-S- V -S-S- V C2 C2 -S-S-S-S- C2 C2 -S-S-S-S- C2 C2 -S-S-S-S- C2 -S-S- C2 C2 -S-S-S-S- C2 C2 C2 C2 C2 C2 C2 -S-S-S-S- -S-S-S-S-S-S-S-S-S-S- CD2LAF-3 CD3 CD4 CD8 VCAM-1 ICAM-1 ICAM-2 Ig 受体 g d e MHC-IMHC-II b2m 免疫球蛋白 （IgM） TCR Iga/b Ig分子超家族的成 员多数为细胞膜表 面分子。图中显示 的是Ig分子超家族 的一些主要成员及 其分子结构。 7-3 五类抗体分子的主要特点 IgM Igm IgG Igg IgA Iga IgE Ige IgD Igd IgG 分 子 的 四 种 亚 型 IgG1 IgG4 IgG3 IgG2 g1，g2，g3 和 g4 等Igg 链分别参与 组成IgG1、IgG2、 IgG3和IgG4等分子 。IgG3的铰链区最 长，IgG2铰链区较 短。四种亚类的IgG 分子在血清中的浓 度不同，所发挥的 生物学特性亦不相 同。 IgM J 链 IgM 抗 体 结 构 分 泌 型 IgM膜 型 IgM sIgM Iga Igb Iga Igb IgE 分 子 的 结 构 IgD 分 子 的 结 构 J 链 分泌链 IgA dimer GOD Generation of Diversity 7-4 Ig and TCR Gene Rearrangement 外显子1 内含子 RNA转录本 mRNA 蛋白质多肽链 基因1基因2基因3基因4 外显子2外显子4外显子3 内含子内含子 染色体DNA 完整基因 基 因 的 结 构、 转 录 与 翻 译 V3VnJ1J2J3J4V1V2CJ5前 B 细胞 DNA V1V2 V3 Vn J3 J1 J2 J4CJ5基因重排 J5 C RNA 剪切 V2J4 VL CL V1V2J4CJ5成熟 B 细胞 DNA 初级转录本V1V2J4CJ5 J4V2C mRNA L VH Cm 1.胚系基因 2.基因重排 3.重排基因 4.RNA转录本 5.mRNA剪切 6.成熟mRNA 7.Igm前体多肽 V1 V2 V3 Vn D1 D2 D3 Dn J1 J2 J3 J4 Cm Cd Cg Ce Ca V1 V2 D2 J3 J4 Cm Cd Cg Ce Ca V1 V2 D2 J3 J4 Cm Cd Cg Ce Ca V2D2J3 J4 Cm Cd V2D2J3 Cm Cd V2D2J3 Cd Cm J4 J4 V2 D2 J3 Cm V2 D2 J3 Cd L VH Cd Ig 重 链 基 因 重 排 Susumu Tonegama Nobel Prize 1987 7-4Ig基因及其重排 V V V V V V V V J J J J J K 着丝粒 V V V V V V VPREB1 V V J1 L1 J2 L2 J3 L3 J4 L4 J5 L5 J6 L6 J7 L7 IGLL1 IGLL2 IGLL3 V V D D D D V V D D D D J J J J M D G3 G1 EP1 A1 GP G2 G4 E1 A2 95个 IGHV 23个 IGHD 9个 IGHD 9个 IGHJ 11个 IGHC 900 kb 240Kb 22Kb 35Kb 300Kb 免 疫 球 蛋 白 基 因 结 构 IGH （位于染色体 14q32） IGK （位于染色体 2p12-p11） 1.85M b0.85M b 多于90个 IGKV 5个 IGKJ IGKC 11个 IGKV orphons IGL （位于染色体 22q11） 60个 IGLV 800K b 14K b 60K b 670Kb 30Kb 150Kb 7个 IGLJ 与 7个 IGLC 交替排列 3个 IGLL 基因座 IGH基因群包括95个V（50个是功能基因）、32个D、6个J以及以及 9个C基因片段。其中23个D片段位于V片段之间。IGHC基因按照如 下顺序排列：IGHM、IGHD、IGHG3、IGHG1、IGHA1、IGHG2、IGHG4 、IGHE、IGHA2。IGL基因组包括60个V（30个是功能基因，20个为 假基因）、7个J基因片段和7个C区基因（3个假基因）。人IGK基 因群包括70个V（约半数为假基因）、5个J基因片段和1个C区基因 。 7 核苷酸 CACAGTGACAAAAACC 12 V 23 V CACAGTGGGTTTTTGT 23 V 1212 23 J 12 J 23 J D Ig 基 因 的 重 信 号 序 列 IGK IGL IGH 9 核苷酸 9 核苷酸 7 核苷酸 V、D和J基因片段两端的重组信号序列按图中所示方式组成，以保 证V、（D）、J之间的正确重排。 Ig 基 因 重 排 序 列 C C A A A A A C A G G T T T T T G T D4 D3 D23 J1 C A C T G T G C T G A C A C D1 D2 J2 J3 C 5 3 剪切 12bp 23bp 一个IGHD（如IGHD2）和一 个IGHJ （如IGHJ2）基因 片段通过其两侧的23bp- RSS和12bp-RSS被拉拢在一 起。它们之间的DNA片段形 成环状并被剪除，IGHD2和 IGHJ2之间被修复酶连接在 一起。 Heavy chain diversity created by variable recombination AA T A G A G A T A G A G A T G A G G C G TA CA C TGG TG T AA TA CA C TGG TG T AA GA CA C TGG TG T AA A CC TGG TGTA C CG TGTA C G TGA CGTTTGT A CC C AspArg Arg Arg Asn AspAspAsp Tyr Tyr Try Try Try Gly Gly GlyAsn Ser Ser Tyr Tyr Trp Trp GlySerTyrPhe TyrSer Thr JHVHD S107 M603 M167 S107 M603 M167 Light chain diversity created by variable recombination C C C C C CT G G C C C T G G ProTrp Protein Recombined DNA Germ line DNA C C C C C CT G G C C C C G G ProArg C C C C C CT G G C C C C C G ProPro Generation of antibody diversity 1 multiple genes D N A V-region proteins 4 mutation2 variable recombination3 nucleotide addition V1 V3 V4 V2 V5 V6 Vn V mutation V V V J1J2Jn J2 V V J1J2Jn J2 nucleotides Ig 基因的体细胞高频突变与抗体分子的亲和力成熟 7-5 Class switching 53 L VH1 L VHn DH1 DH7 DH13 JH 5 L VH1 L VH201 L VHn DH1 DH DH JH C Cd Cg 3 Cg 1 Cg2b Cg2a Ce Ca C Cd Cg3 Cg 1 Cg 2b Cg2a Ce Ca 3 3 5 L VH1 L VH200 L V D J JH C Cd Cg 3 Cg 1 Cg2b Cg 2a Ce Ca 5 3 L V D J JH C Cd Maturation of the immune response and class-switching cmcdcg3 VJCg3DVJD Primary transcript V-D-J cmmRNA Primary transcript V-D-JCg3 mRNA CmCdLost genes IgMmaturationIgG L VH Cg V2 D2J3 J4 Cg V2D2 J3 Cg V2 D2 J3 Cg V1 V2 D2J3 J4 Cg Ce Ca V2 D2J3 J4 Cm Cd Cg V2D2J3 Cg 1.重排基因 2.DNA再次重排 3.RNA转录本 4.mRNA剪切 5.成熟mRNA 6.Igg 前体多肽 V1 V2 D2J3 J4 Cm Cd Cg Ce Ca Ig 分 子 类 别 转 换 的 机 理 A B 抗体分子的类别转换 - DNA 再次重排 VDJ Sm IGHM Sg IGHG Se IGHE VDJ Sm Se IGHE 再次重排副产物 再次重排 IGH 基因 + IL-4 + CD40 L 重排 IGH 基因 Sg IGHG SmSe IGHM 类 别 转 换 机 制 VDJ下游的IGHM、IGHD、IGHG等基因片段被剪除后，VDJ基因片 段直接与IGHE相连，所产生的基因编码IgE分子重链。 V-D-Jd V-D-Jmd Ploy A Ploy A V-D-Jm IgD mRNA IgM mRNA Primary RNA transcript 抗体分子的类别转换 - RNA 替代剪切 L VDJ Cm2 Cm3 Cm4 S M1 M2 DNA Poly A Poly A Igms mRNA Igmm mRNA 分 泌 型 与 膜 型 IgM 的 产 生 膜 型 分泌型 Ig重链C区基因的3端含有编码疏水性跨膜区的两个外显子（M1、 M2）及多腺苷酸化位点（PA）。mRNA转录本的替代剪切产生两种 不同的mRNA，带有M1和M2外显子序列者指导膜型Igm的合成，M1 和M2序列被剪除者指导分泌型Igm链的合成。 secreted (ms)membrane (mm) Membrane and secreted IgM 7-6B 细胞发育 表达Pre-BCR的B细胞 表达sIgM的未成熟B细胞 B细胞的中枢免疫耐受 表达sIgD和sIgM的成熟B细胞 Iga/Igb与信号转导 骨髓基质细胞和IL-7在B细胞发育过程中的作用 B祖细胞在骨髓中经历前B细胞、未成熟B细胞和成熟B细胞等几个阶 段。在此过程中膜表面 BCR分子发生一系列的变化，成为不同细胞 发育阶段的标志。 替代轻链 VHDHJH DHJH VL