《免疫遗传学基础》doc版.doc

膇蒁螀膀肃蒀袂羃莂葿薂螆芈蕿蚄羂膄薈螇螄肀薇蒆羀肆薆虿袃莄薅螁肈芀薄袃袁膆薃薃肆肂蚃蚅衿莁蚂螇肅芇蚁袀袈膃蚀虿肃腿芆螂羆肅芆袄膁莄芅薄羄芀芄蚆膀膆芃螈羂肂莂袁螅莀莁薀羁芆莁螃螄节莀袅聿膈荿薅袂肄莈蚇肇莃莇蝿袀艿莆袂肆膅蒅薁袈肁蒅蚃肄羇蒄袆袇莅蒃薅膂芁蒂蚈羅膇蒁螀膀肃蒀袂羃莂葿薂螆芈蕿蚄羂膄薈螇螄肀薇蒆羀肆薆虿袃莄薅螁肈芀薄袃袁膆薃薃肆肂蚃蚅衿莁蚂螇肅芇蚁袀袈膃蚀虿肃腿芆螂羆肅芆袄膁莄芅薄羄芀芄蚆膀膆芃螈羂肂莂袁螅莀莁薀羁芆莁螃螄节莀袅聿膈荿薅袂肄莈蚇肇莃莇蝿袀艿莆袂肆膅蒅薁袈肁蒅蚃肄羇蒄袆袇莅蒃薅膂芁蒂蚈羅膇蒁螀膀肃蒀袂羃莂葿薂螆芈蕿蚄羂膄薈螇螄肀薇蒆羀肆薆虿袃莄薅螁肈芀薄袃袁膆薃薃肆肂蚃蚅衿莁蚂螇肅芇蚁袀袈膃蚀虿肃腿芆螂羆肅芆袄膁莄芅薄羄芀芄蚆膀膆芃螈羂肂莂袁螅莀莁薀羁芆莁螃螄节莀袅聿膈荿薅袂肄莈蚇肇莃莇蝿袀艿莆袂肆膅蒅薁袈肁蒅蚃肄羇蒄袆袇莅蒃薅膂芁蒂蚈羅膇蒁螀膀肃蒀袂羃莂葿薂螆芈蕿蚄羂膄薈螇螄肀薇蒆羀肆薆虿袃莄薅螁肈芀薄袃 第三章 免疫遗传学基础动物体识别和排除抗原性异物的免疫功能是在进化过程中逐步发展和完善起来的。与动物体的其他机能一样，免疫功能也受遗传的调控，亦即执行免疫功能的细胞表面物质或其他免疫分子，如抗原、抗体、补体等均受遗传控制，此外，生物体的免疫应答同样受遗传调控。免疫遗传学主要研究免疫系统的结构与功能，包括抗原遗传、抗体遗传和免疫应答遗传三个方面。它们是动物生产性能得以表现的重要基础，对于动物品种改良、抗病育种等具有重要意义。第一节 免疫学的基本概念机体的免疫力是指机体接触“抗原性异物”或“异已成分”的一种特异性生理反应，其作用是识别和排除抗原物质，以维持机体的生理平衡。免疫的现代概念指机体识别和排除抗原性异物的功能，即机体区分自身与异已的功能，包括免疫防御、自我稳定和免疫监视三大方面。免疫防御即防御各种病原微生物及其毒素侵袭的功能，表现为机体防御病原微生物的侵害并中和其毒素，非正常的免疫防御则出现超敏反应或变态反应，杀伤自身正常的组织或细胞，反应低下时又将引起免疫缺陷。免疫的自我稳定功能即保证机体组织和细胞进行正常代谢的功能。自我稳定功能可清除体内自然衰老或损伤的细胞，以维护机体的生理平衡；机体免疫稳定性遭到破坏时，因某种自身组织成分所发生的慢性持续性免疫病理变化，造成组织损伤或引起机能障碍，产生自身免疫病。机体的免疫监视功能主要是发现和清除受理化因素或病毒等的作用或由于遗传误差所产生的非正常型的突变细胞，以防癌的发生。免疫监视功能正常时，能有效地清除体内突变或异常细胞，功能异常时则异常细胞就可能癌变或导致持续性感染。一、先天性免疫和获得性免疫免疫按照获得的方式和作用特点可分为先天性免疫和获得性免疫。先天性免疫是生物体在种系进化和个体发育过程中逐渐形成的防御功能， 是机体抵御微生物侵袭的第一道防线。在个体出生时即具备， 并为种系所共有，故又称为非特异性免疫。参与先天性免疫的作用有：皮肤黏膜 的物理阻挡作用；皮肤、黏膜 局部细胞分泌的抑菌、杀菌物质的化学作用；吞噬细胞的吞噬作用；自然杀伤细胞（NK细胞）对靶细胞的杀伤作用；体液中的效应分子的生物学作用，如补体，他们在感染早期执行防御功能。获得性免疫是个体出生后，在生活过程中接触病原微生物等特定抗原后产生的免疫，仅针对该特定抗原发生反应，又称特异性免疫。执行获得性免疫功能的是抗原特异性淋巴细胞，即T淋巴细胞、B淋巴细胞和抗原提呈细胞。机体接触病原微生物等特定抗原后诱导或激活获得性免疫，对不同的分子具有高度的特异性，并且每一次接触后其防御能力将进一步增强。这些诱导或激活特异性免疫的外源性物质就称为抗原。获得性免疫是进化的结果，惟脊椎动物所特有。免疫应答是动物体对抗原刺激的特异应答，即获得性免疫应答，包括细胞免疫应答和体液免疫应答。细胞免疫应答是由T淋巴细胞识别抗原引起的，并由效应T细胞和巨噬细胞介导的免疫应答，它不能通过血清传递，但能通过致敏淋巴细胞传递。体液免疫应答是由B细胞系产生的抗体参与的免疫应答。抗体的生理功能是中和以及消除引起它产生的抗原，是防御细胞外微生物及其毒素的主要途径。然而，由于侵染或吞噬至细胞内的微生物(如病毒和细菌)不可能与血液中的抗体接触，这类感染的防御机制主要是依赖细胞免疫(表3-1)。表3-1 细胞免疫与体液免疫的区别细胞免疫体液免疫抗原吞噬至细胞内的微生物侵入细胞内并能进行复制增生的微生物细胞外细菌、异种组织等参与应答的淋巴细胞T淋巴细胞T淋巴细胞B淋巴细胞效应机制吞噬细胞的激活、杀伤和消除微生物感染细胞的自身溶解分泌抗体，清除细菌免疫传递途径淋巴细胞淋巴细胞血清(抗体)二、免疫系统免疫系统包括中枢免疫器官、外周免疫器官、免疫细胞和免疫分子，这些构成了脊椎动物的机体防御系统，是特异性免疫应答的基础(表3-2)。表3-2 免疫系统的组成免疫器官免疫细胞免疫相关分子中枢外周膜型分子分泌型分子胸腺骨髓法氏囊(禽)脾脏淋巴结黏膜 相关淋巴组织皮肤相关淋巴组织干细胞系淋巴细胞单核吞噬细胞其他APC(树突状细胞、内皮细胞等)其他免疫细胞(粒细胞、肥大细胞、血小板、红细胞等)TCRBCRCD分子粘附分子MHC其他免疫球蛋白补体分子细胞因子(一) 中枢免疫组织和器官中枢免疫器官是免疫细胞发育成熟的场所，包括胸腺、法氏囊(禽类)和骨髓。胸腺由胸腺基质细胞（TSC）和胸腺细胞组成，是T细胞发育成熟的场所。胸腺小叶中靠近边缘的皮质区密集地布满了胸腺细胞，靠近中心的髓质区则细胞稀少。胸腺为胸腺细胞的发育、成熟提供微环境。胸腺为产生免疫活性细胞CD3CD4和 CD3CD8所必需，这些T细胞选择表型标记为机体的获得性免疫反应所必需。 骨髓和法氏囊是造血器官，多能造血干细胞（HSC）在骨髓中增殖。骨髓中的HSC分化为淋巴干细胞（LSC），进而分化为淋巴祖细胞，一部分迁移至胸腺，发育为功能性T淋巴细胞；一部分分化发育为功能性B细胞；骨髓是B细胞成熟的唯一器官；另外，骨髓也是体液免疫应答发生的场所。中枢免疫器官向外周免疫器官输送T、B淋巴细胞，决定着外周免疫器官的发育。(二) 外周免疫器官外周免疫器官由脾脏、淋巴结和消化道、呼吸道及泌尿生殖道的淋巴小结等组成。它们是T、B细胞定居和对抗原刺激进行免疫应答的场所，富含捕获和处理抗原的巨噬细胞、树突状细胞和朗罕氏细胞，侵入的抗原滤至淋巴窦内，促使吞噬细胞吞噬和提呈抗原。(三) 免疫细胞参与免疫应答或与其有关的细胞称为免疫细胞，包括淋巴细胞、单核细胞、巨噬细胞、多形核细胞、肥大细胞和辅佐细胞等。它们的种类很多，各司其职，相互配合而又相互制约，为清除非自身的异物而共同发挥作用。在机体免疫应答中起主要作用的细胞是淋巴性细胞，包括T细胞、B细胞、无标志细胞(N细胞)、K细胞以及免疫应答过程中的过渡型细胞和终末的效应细胞。在免疫细胞中，受抗原物质刺激后能分化增殖、发生特异性免疫应答、产生抗体或淋巴因子的细胞，称为免疫活性细胞，主要是T细胞和B细胞。单核细胞系的细胞和粒细胞起主要的协同作用。T细胞和B细胞表面具有表面抗原和表面受体两类表面标志，并通过这些表面分子识别抗原。长期以来，人们一直认为红细胞仅具有运输O2和CO2的功能。1981年，Siegel提出了“红细胞具有免疫功能”的理论，随后许多学者对红细胞的免疫功能进行了系统研究，发现红细胞表面具有许多与免疫有关的物质，参与免疫应答的调节。(四) 免疫相关分子参与免疫应答的相关分子除膜型分子(TCR、BCR、CD分子、粘附分子、MHC等)外，还包括抗体、补体和细胞因子等。抗体(又称免疫球蛋白)是在B细胞受抗原物质刺激后，经分化增殖而分泌的一类糖蛋白，能与该抗原发生特异性结合反应，因而具有中和毒素和病毒、引起细菌凝集和蛋白质沉淀等功能，是构成机体体液免疫的主要物质。补体是血清中含有的非特异性杀菌物质。早期研究发现，它对特异性抗体溶解相应的细菌和红细胞有促进作用，故称之为补体。现在知道，补体并不是一种单一物质，而是一组具有酶原活性的血清球蛋白，由多种成分组成。除抗体、补体等免疫相关分子在机体免疫应答过程中起着重要作用外，细胞因子在免疫效应和免疫功能的调节中亦起着重要的介导作用。细胞因子由多种细胞产生，由淋巴细胞产生的因子可称为淋巴因子，由单核-巨噬细胞分泌的因子可称为单核因子。第二节 抗体抗体(Ab)是由抗原致敏的B细胞分化为浆细胞产生的并能与相应抗原发生特异性结合的免疫球蛋白( Ig)，是体液免疫应答的主要效应分子，存在于血液和组织液中。它们能特异性结合或识别入侵的病原微生物，因此构成机体防御系统的重要组成部分。一、抗体的结构与功能所有抗体单体分子都有相似的结构，均是由两条相同的重链(H链)和两条相同的轻链(L链)组成的4条肽链的对称结构，轻、重链链内和链间分别借助二硫键相连(图3-1)。轻链分子质量约25kDa，重链分子质量为50kDa左右。分析抗体分子的氨基酸序列后发现，肽链在N-端序列变化很大，而其余部分变化不大，因此，将变化大的区域称为轻链或重链可变区(V区)，它们占轻链的1/2(约107个氨基酸)、重链的1/4(约107130个氨基酸)；肽链上变化不大的区域称为轻链或重链恒定区(C区)，占轻链的1/2、重链的3/4。C区的氨基酸数量、种类、排列顺序及含糖量都比较恒定，同一物种、同一类别的Ig其C区氨基酸只有少数差别，但不同物种Ig则差别很大。根据轻链C区结构的差异，将其分为两个型：kappa()链和lambda()链。一个抗体分子只能具有两型轻链中的一种，它们的比例因物种而异。小鼠抗体分子的/是20/1，而人抗体中该比例为2/1。根据重链C区结构的不同，可将重链分为五类：、和链，由它们组成的免疫球蛋白分别称为IgA、IgG、IgD、IgE和IgM。其中有些类别还可再分亚类，例如，人IgG有四个亚类：IgG1、IgG2、IgG3和IgG4。IgA有两个亚类：IgA1 和IgA2。小鼠IgG也有四个亚类：IgG1、IgG2a、IgG2b和IgG3。V区与抗原识别有关，决定抗体识别的特异性，而C区参与免疫应答，具有许多重要的生物学功能。L链、H链V区有些区域的氨基酸残基变化更大。Wu和Capra等人分析了免疫球蛋白V区氨基酸序列后发现，每条链V区各有3个特殊区域的氨基酸序列变化最大，即L链第2434、5056、8997位和H链第3135、5065、95102位。这些区域称为高变区或超变区(HVR)，它们直接与抗原接触，因此这些部位又称为互补决定区(CDR)，从N-端开始依生物活性区绞链区抗原结合区重链(或)轻链(或)图3-1 抗体结构示意图次为CDR1、CDR2、CDR3(图3-2)。V区中的非高变区，其氨基酸组成与序列变化相对较小，这些氨基酸残基组成V区稳定的立体结构，即框架结构或支架结构(FR)。VH和VL各有4个FR (FR1、FR2、FR3和FR4)，它们将V区的3个CDR隔开，并夹持着CDR，为超变区提供合适的三维空间折叠，使得高变区彼此靠近和暴露于分子表面。这样，每条L链和H链的高变区相互作用形成一个单一的抗原结合位点。每个Ig单体分子有2个抗原结合位点，在功能上称为双价抗体。图3-2 互补决定区与抗原表位的结合H链和L链上每隔90个氨基酸残基就通过链内二硫键连接形成跨度约为110个氨基酸的环形结构域。由此，L链有VL、CL两个功能区。这种结构类型是许多被称为Ig基因超家族分子的共同特征，如MHC-I、II类分子、TCR、细胞间黏附分子(ICAM)等均具有这种环形结构域。VL、CL两个功能区是结合抗原的部分。除了V区外，IgG、IgA、IgD的H链C区均由3个环形结构域组成，分别为CH1、CH2、CH3；IgM和IgE的H链C区由4个环形结构域组成，即多一个CH4。C区各结构域的功能不同，一般CH1是遗传标志所在区，CH2是补体结合位点所在区，参与活化补体，CH3/CH4能与细胞表面的Fc受体结合，行使抗体的功能，介导调理吞噬、细胞毒作用及超敏反应。不同功能区在结构上具有明显的相似性，在各类免疫球蛋白相应功能区中，约有1/3的氨基酸序列相同，因此这些功能区又称为同源区。在CH1尾部和CH2头部，位于209240位，有一个约30个氨基酸残基组成的柔性的绞链区，其脯氨酸（pro）含量较高，并有25个链间二硫键。由于脯氨酸独特的性状，使得免疫球蛋白分子的两个臂倾向于打开，有利于伸展两臂。绞链区的主要功能是调节抗体可变区上抗原结合部位与相应的抗原表位匹配，促进抗原抗体结合。此外也有利于Ig分子构象变化，暴露补体结合位点。抗体分子结构研究发现，有些部位很容易被蛋白酶水解。用木瓜蛋白酶在一定条件下水解IgG分子，使绞链区H链间二硫键连接部位的N侧断裂，产生3个大小相似的片段，其中2个片段完全相同，分子质量约45kDa，由带L链的H链VHCH1片段组成，这些片段仍具有结合抗原的能力，称为抗原结合片段(Fab)。第三个片段含有重链的CH2和CH3，该片段由于较易被结晶，因此称为结晶片段(Fc)。用胃蛋白酶代替木瓜蛋白酶裂解IgG分子，在CH2区域被切断，产生一个大片段和一些小片段。大片段为5S的F(ab)2，由两个Fab和连接的铰链区组成，是双价的，能同时结合两个表位，因而能起沉淀和凝集反应。小片段类似于Fc片段，但失去了Fc片段原有功能，故称为pFc。二、抗体分子介导的效应功能 当病原微生物侵入机体后，导致B细胞产生特异抗体，抗体结合抗原触发抗体效应功能的发挥，产生各种不同的生物学后果。（一）调理作用IgG抗体的调理作用使吞噬作用增强。IgG是体液免疫应答产生的主要抗体，在血清中含量最高约占免疫球蛋白总量的75%。巨噬细胞和嗜中性细胞表面都带有针对IgG分子Fc片段的受体。IgG类抗体与颗粒性抗原(如细菌)结合后，其Fc段与吞噬细胞，如巨噬细胞、嗜中性粒细胞表面的Fc受体(FcR)结合，促进吞噬细胞对抗原的吞噬作用。单个FcR和单个抗体的Fc相互作用非常弱，几个抗体的Fc与同一个靶细胞同时结合，则产生非常强的相互作用，引发一系列信号通路的激活，使抗原抗体复合物被吞噬。（二）激活补体人类的IgM和大部分IgG抗体亚类(IgG1、IgG2、IgG3) 与抗原结合成复合物后，能通过经典途径激活补体；抗体绞链区发生构型改变，使Fc段的补体结合部位暴露，补体成分C1与之结合，并被激活，导致补体其他成分，如Clr、Cls、C4、C2的连续激活，形成具有酶活性的C3转化酶，后者进一步酶解C3并形成C5转化酶，裂解C5，然后开始通过C6、C7、C8、C9的序贯结合形成攻膜复合体(MAC)。当抗原抗体结合后，抗体补体激活后产生多种生物效应：使细胞表面形成穿孔或使细胞双层磷膜破坏，引起细胞裂解从而杀死外来微生物；调理外来微生物或颗粒，使吞噬细胞对它们的吞噬作用增强；产生某些溶蛋白性补体片段，激活炎症反应。（三）抗体依赖性细胞介导的细胞毒作用(ADCC)发挥抗体依赖性细胞介导的细胞毒作用的抗体主要是IgG、IgE和IgA。细胞毒T淋巴细胞(CTL)以外的几种不同的白细胞群体，包括嗜中性细胞、嗜酸性细胞、巨噬细胞，尤其是NK细胞，也具有杀伤各种靶细胞的功能。在很多情况下杀伤靶细胞需要有特异抗体先将靶细胞包被，这就是抗体依赖性细胞介导的细胞毒作用。抗体与靶细胞表面的抗原结合后，可通过其Fc段与巨噬细胞和NK细胞、中性粒细胞等细胞膜上带有FcR的杀伤细胞相结合，由FcR传递激活信号，通过这些激活的细胞释放TNF、IFN等细胞因子，促进对靶细胞的杀伤作用。三、抗体多样性产生的分子机制自然界中存在的抗原决定簇的种类和数量巨大，因此所需要能与之相结合的抗体的数量也必然是庞大的。据推算，免疫系统必须具有产生1091011种抗体的能力。显然，若无特别的编码机制，即使人或动物的基因组全部用于编码抗体基因也无济于事。然而，研究表明，抗体分子的合成具有独特的遗传规律，即多基因编码免疫球蛋白分子的一条肽链。（一）编码抗体分子的基因结构抗体分子是由B细胞编码的抗体基因所控制，抗体基因由H、三个不相连锁的基因簇所组成。每一个基因簇是由大量的编码V区的基因片段和一个或多个编码C区的基因片段所组成。相应地，H基因簇编码抗体分子的H链，基因簇编码抗体分子的链，基因簇编码抗体分子的链，它们分别位于不同的染色体上。人和小鼠编码抗体H链和、轻链的基因位于不同的染色体上(表3-3)。表33人和小鼠抗体基因的染色体定位编码多肽链基因符号（人）基因染色体定位人鼠轻链Ig2p126轻链Ig22q1116重链IgH1412人H链基因包括：先导序列基因(L)、V区基因(VH)、多样性基因(D)、连接基因(JH)和C区基因(CH)。它们之间被非编码的DNA隔开(图3-3)。每个VH基因片段的5端有两个L基因，它们分别编码先导肽N端约15或16个氨基酸和C端4个氨基酸。人H链基因群中有百余个VH基因片段，共分7个亚群，其中无功能的假基因占1/22/3；具有可读框(ORF)能进行重排、转录和表达的功能性VH基因片段约50个左右。人的D基因片段接在VH基因片段之后，在JH基因群的5端，其特点是序列和长度多变。D基因片段编码59个氨基酸，人类约有30个功能性D基因片段。Ig基因重排时DH与JH首先重组，再进行VH-DH-JH重组，共同编码V区中的100130个氨基酸。V基因片段编码VH中N端98102个氨基酸(包括CDRl和CDR2)， VHDH连接处、D基因片段及DHJH连接处编码的肽段构成VH的CDR3。C区基因片段位于JH基因的3端，但它们之间约相隔1000多个碱基，其中有增强子等调控元件。人类有11个C区基因，其中2个为假基因，9个功能性C基因，从5端起为m、d、g3、g1、a1、g2、g4、e和a2。除d基因外，其他8个基因的5端都有一段非编码的特殊序列，称为转换区(S)，为重组酶识别的部位，在Ig的类别转换中起重要作用。每个C区基因由46个外显子组成，它们分别编码相应的C区功能域。小鼠有个C区基因，按顺序分别为m、d、g3、g1、g2b、g2a、e和a。人类轻链基因群由3个基因片段组成，即V、J和C基因(图3-3)，比H链少一个D区基因。V基因编码轻链可变区195位氨基酸，在基因组中约有100个左右的基因片段，其中约4050个V基因是有功能的。J基因位于V的下游，有5个基因片段，小鼠有一个假基因。C区C基因为1个。V与J基因片段重组后编码链可变区，其中第2632、4855位氨基酸为CDRl及CDR2区，V与J基因连接处编码CDR3。人类轻链与链相似，也有3个基因编码，即V、J和C，亦无D区基因(图3-4)。小鼠只有2个基因片段，即V1和V2。轻链基因的结构与链不同，具有多个C基因，每个C基因有其自己的J基因片段，形成JC结构，J和C之间有插入序列，这种JC结构共7个，其中4个有转录功能。V基因片段与J基因片段重组后形成有功能的链基因，它们编码的功能区与V相似，有CDRl、CDR2及CDR3。测序结果发现人有百余个V基因，但只有30多个为功能性基因，共分10个亚群，其余均为假基因。人类链多样性较小鼠为多，而小鼠链仅占L链的5%，故对多样性影响不大。牛有20个V基因片段，但其中有14个是假基因，J基因片段不止一个，但只有一个表达。羊有90100个V基因片段。图33人Ig重链、轻链基因结构 （二）抗体基因片段的重排及其机制所有细胞的胚系基因组中都有Ig基因，形成完整抗体多肽链的基因处于不同的染色体上。但只有骨髓干细胞向B淋巴细胞方向分化成熟时，才发生免疫球蛋白基因的重排，使在不同染色体上的、由非编码序列隔开的V、D、J基因片段组合在一起，成为有功能的基因，编码抗体的不同功能域。1V区基因重排 在B细胞发育过程中，H链V区基因首先重排，然后是L链V区基因。最后每个B细胞只含有一个功能性H链V区DNA序列和一个L链V区DNA序列，每个这样的B细胞产生一种特异性抗体。H链V区基因重排包括两个独立的过程，首先是DJ重排，一个D基因片段与一个JH基因连接起来，然后进行VDJ重排(图3-4)，重排的基因编码完整的H链V区。L链V区基因由VJ重排完成，任何一个V或V基因与某个J或J基因经基因重排连在一起，成为有功能的可变区基因(图3-4)，编码L链V区。图3-4免疫球蛋白重、轻链基因重排2V区基因重排的机制 Ig基因重排是通过一组酶的催化作用而完成的，这一过程包括：识别重组信号、切断以及DNA修复等。V基因的3端、J基因的 5端和D基因的两侧都有一个独特的序列，包括一个七聚体和一个富含AT的九聚体，其序列分别为CACAGTG和ACAAAAACC，它们之间是一段12bp或23bp的非保守的间隔序列(spacer)。这两种间隔序列分别相当于DNA螺旋一圈和两圈，所以也称它们为one-turn和two-turn图3-5(a)。这种“七聚体间隔序列九聚体”的结构就称为重组信号序列(RSS)。在重组酶作用下，带有12bp间隔序列RSS的基因片段只能与带有23bp间隔序列的片段相结合，这种现象称为“1223规则，它保证了DNA片段的正确连接。在H链VH片段3端和JH片段5端都具有带23bp间隔序列的RSS，而DH片段5和3端都是带12bp间隔序列的RSS图3-5(b)。根据“1223规则，VH片段不能与JH片段相连，因此其顺序为DHJH相连，然后VH与DHJH相连，最后形成VHDHJH连接片段。对于L链VL片段，V基因3端带有12bp间隔序列的RSS，而J基因5端带有23bp间隔序列的RSS，因此只能V与J相连。在轻链中则相反，V基因3端带有23bp间隔序列的RSS，而J基因5端带有12bp间隔序列的RSS，结果只能V基因与基因J相连(图3-5(b)。图3-5 重组信号序列的组成与定位（a）重组信号序列的组成“七聚体间隔序列九聚体”结构（b）重组信号序列的Ig胚系DNA上的定位3C区基因重排的机制抗体的类别转换及其机制 在B细胞发生过程中，膜上最先表达的是IgM，以后共表达IgM和IgD。在抗原激活B细胞后，膜上表达和分泌的Ig类型会转换成IgG、IgA、IgE等其他类别或亚类。这种现象称为类别转换或同种型转换。这种现象只与H链C区有关。在编码C基因的5端的内含子中，除了Cd基因外，都有一段重复序列称为转换区。不同的C基因其转换区的重复序列不同，但都含有GAGCT和GGGGT序列。在类别转换时，例如，从Cm转换为Cg1时，Sm和Sg1发生重组，位于其间的Cm、Cd基因形成环状物后被切除，从Cg转换成Ce时，Cg1到Ce基因形成环状物被切除(图3-6)。在B细胞中可发生多次类别转换，直至表达另一种Ig类别。图3-6 免疫球蛋白类别转换示意图在B细胞发育过程中的Ig的类别转换，并不发生DNA水平的重组，而是发生在转录水平或（/和）转录后加工水平上。一种方式是只转录到m外显子，产生m重链；另一种方式是转录终止在d外显子，产生的转录物包括m和d。在RNA加工时切去m外显子部分，因而只表达d链。（三）抗体多样性的形成机制自然界中千变万化的抗原分子及其表位的存在是推动抗体多样性形成的直接的外部原因。抗体多样性产生的内在机制有以下几种。1组合引起的多样性 产生抗体多样性的组合主要有两种，即V区基因片段的组合和轻、重链之间的组合。由于胚系Ig基因库中有数以百计的V基因，以及众多的D基因、J基因和C基因。在基因重排过程中，这些基因间存在极端多样的可能组合。以人类H链V区基因为例，如果有功能的VH基因片段为51个，DH基因片段27个，JH基因片段6个，则可能的排列组合是：51 276=8262种，表明有8262种H链V区基因。人的k轻链约有40个功能性Vk基因片段，5个Jk基因片段，这样就有200种不同的k轻链V区基因。对l轻链而言，约有30个Vl基因片段和4个Jl基因片段，组合成120种不同的l轻链基因。加起来L链V区基因就有320种。轻、重链之间的组合为8262320=2 643 840，约为2.6106种不同特异性的抗体基因。实际上由组合引起的抗体的基因数略小于计算值，因为并不是所有的基因片段具有相同的使用概率，亦非所有VH均可与VL匹配。2连接引起的多样性 在重排过程中，Ig重链与轻链中V、D、J基因片段的连接位点可有一定的变异范围，有插入或缺失核苷酸的情况发生，从而造成新的顺序，增加了编码产物的多样性，也称为连接引起的多样性。在基因重排过程中，限制酶和末端转移酶的作用及随后的DNA修补，均可使DNA碱基的顺序和数量发生改变，产生不同的抗体。3体细胞高频突变引起的多样性 体细胞高频突变是在已重排的V区基因中发生，而不是在胚系基因中发生。体细胞高频突变往往发生在抗原刺激后，而且只在次级淋巴器官的生发中心，主要是点突变。体细胞高频突变的频率约每代每个碱基为103，比自发突变频率高10万倍。轻、重链V区基因加起来约600bp，根据上述突变频率，细胞每分裂一两次，就会引入1个突变。突变后有些抗体分子的亲和力会高于原先的抗体分子，因此，在抗原刺激后发生体细胞高频突变，引起抗体亲和力提高，也称为抗体亲和力成熟现象。第三节 主要组织相容性复合体所有哺乳动物都有主要组织相容性基因复合体(MHC)，它是一个紧密连锁的基因簇，其产物在细胞识别和区分自我与非自我的过程中具有重要作用。MHC参与体液和细胞介导的免疫反应。虽然抗体可以与抗原单独发生反应，但大多数T细胞仅当与MHC分子结合后才能识别抗原。并且MHC分子为抗原递呈结构，个体表达的一组特异的MHC分子还影响着该个体的TH和TC细胞所能与之反应的抗原组分。因此，MHC部分地决定了个体对病原微生物的反应，因而对疾病的易感性和主动免疫具有重要意义。一、概述研究不同品系动物间对移植物的排斥反应时发现，一个品系的小鼠能否接受另一个品系小鼠的移植物，即组织相容性，取决于供体与受体小鼠是否具有共同的MHC单倍型。MHC基因群很大，有100多个基因座位，但在对组织移植的排斥反应中起决定作用的只是其中有限基因编码的分子，分别称之为I类和II类的MHC分子，因为它们能提呈抗原。此外，MHC还包括III类和IV类(至少对鸡)分子，参与与免疫反应相关的其他功能。虽然所有哺乳动物都具有该基因群，但具体结构和表现不同，也分别具有不同的名称。它们分别称之为H2(小鼠)、HLA(人)、B(鸡)、SLA(猪)、BoLA(牛)。猪MHC基因在染色体上的分布见图57。人、猿、犬和豚鼠的三类MHC基因在染色体上的分布与猪相似，排列顺序为：II类III类I类。小鼠和大鼠的I类基因分布在两侧，MHC基因排列顺序为：I类II类III类I类。牛的排列顺序为：II-II-III-I，其中II和II分隔很远。人MHC基因定位于6号染色体，小鼠、猪和牛分别定位于17号， 7号和 23号染色体上。鸡的MHC分子首先是由一种血型被识别的，随之被命名为B复合体。鸡MHC由两部分组成：B区域和Rfp-Y区域。它们均被定位于16号染色体上，但相互之间是不连锁的。鸡MHC B区域包括三个主要基因群：BF、BL和BG，它们分别编码细胞表面的I类、II类和IV类糖蛋白。BF、BL编码的糖蛋白与哺乳动物中对应染色体上的糖蛋白在结构、功能和组织分布及存在的T淋巴细胞抗原等相似，而BG抗原不但在血红细胞中表达，而且发现在特定的间质细胞和肠上皮细胞中也有其表达产物。IIIIIIIIIIIIIIIaIIIIIbIB-F/B-LB-GB-L人、豚鼠、犬、猪、猿小鼠、大鼠牛鸡图3-7人和各种动物MHC的I类、II类和III类分子基因群排列比较MHC有许多I类和II类基因，其产物均具有类似的分子结构。MHC的其他 基因则差异很大，例如编码补体系统(C4、C2和B因子)的基因，编码细胞因子(如TNF)的基因，还有一些编码酶、热休克蛋白和与抗原加工相关的分子的基因。所有这些基因相互间在功能和结构上都没有任何相似性或同源性，其产物被统称为III类基因产物。 二 MHC I类分子的结构（一）MHC I类分子的组成MHC的I类分子是一个异二聚体。它是由MHC编码的可糖基化的重链分子(45ku)以非共价键的形式与另一个称为b2微球蛋白(12ku)（2m）的多肽结合形成。由于2m分子在细胞表面的数量远远大于类抗原分子的数目，故2m可能以作为HLA类抗原一部分和游离分子两种形式存在。重链由3个细胞外的功能区(分别称之为a1、a2、a3)、一个跨膜区和一个细胞浆内的尾区构成。图3-8显示了MHC I类分子的细胞外结构。细胞外的每个功能区分别由90个氨基酸组成，在胃蛋白酶作用下可从细胞膜上裂解下来。其中a2和a3分别有一个链内的二硫键形成了由63和86个氨基酸组成的环状结构。a3功能区在结构上与免疫球蛋白分子的恒定区的功能区相似，它含有一个可以与细胞毒T细胞表面的CD8相作用的位点。I类分子重链的细胞外部分可被糖基化，糖基化的程度则随动物的种属及个体单倍型而异。该I类分子上最主要的疏水区是由25个氨基酸组成的，它很可能以a螺旋的形式穿过细胞的类酯双层膜。细胞浆内的功能区由3040个氨基酸组成，可以被磷基化。图3-8 人的MHC I类、II类分子细胞外功能区模式图（二）b2微球蛋白的作用b2微球蛋白具有与免疫球蛋白恒定区相类似的结构。除了与MHC I类分子相结合外，该分子还可以和一些其他 I类样分子相结合，如人的1号染色体上的CDl基因产物、大鼠的Fc受体(与新生大鼠肠道细胞吸收初乳中的IgG相关)。这些分子在结构上都与MHC I类分子相似。在各种细胞表面表达所有的I类分子时，都必须有b2微球蛋白。（三） I类分子的a1和a2功能区可形成抗原结合槽a1和a2片段是I类分子与抗原结合的部位，也是I类分子被T细胞识别的部位。I类分子的a1和a2功能区可构成一个由8个反向平行的8折叠支撑着两个反向平行的a螺旋组成的结构。在a2功能区中的二硫键可将N-端的b片段连接到a2功能区的a螺旋片段上。由此形成了很长的槽口将a1和a2功能区的a螺旋分隔开来。研究发现，这个槽口是对已经加工的抗原的结合位点。a1和a2功能区有10个氨基酸变化位点正位于该多肽结合槽口的底部或侧面。这些氨基酸的变化可显著改变该槽口的形状，进而决定着哪一个多肽将被提呈给某特异受体T细胞。三、MHC II类分子的结构MHC II类基因(在人和猪分别是DP、DQ和DR，在小鼠为A和E)产物是一个由a链和b链组成的异二聚体。a链和b链的分子结构非常相似，且胞外部分均由两个功能区(a1、a2及b1、b2)组成，再连接大约30个氨基酸组成的跨膜区及1015个氨基酸组成的细胞浆功能区。a1和b1是II类分子与抗原结合以及被T细胞特异识别的部位。II类分子的a2和b2功能区与I类分子的a3功能区及b2-微球蛋白链相似，具有免疫球蛋白恒定区的结构特点。在b2功能区带有一个CD4结合位点，因此在抗原提呈细胞上的类分子可以与细胞上的CD4分子相互作用，这类似于I类分子与CD8分子的相互作用。在抗原提呈过程中，CD4和CD8分子都是非常重要的参与成分，它们参与能激活T细胞的磷酸激酶的活化。四、MHC分子与抗原多肽的相互作用MHC的I类和类分子在结构上很相似，它们之间最主要的差别在于类分子的抗原结合槽口比I类分子更开放，槽口结合的多肽长于I类分子。由于MHC分子上的抗原结合槽口的立体结构部分取决于组成槽口的氨基酸的性质，因此不同单倍型MHC分子上抗原结合槽口的形状也互不相同。一个多肽能否结合到一个特定的MHC分子上，取决于多肽的侧链及其与MHC分子抗原结合槽口的互补性。抗原多肽是通过特定的氨基酸锚定在MHC分子的结合位点上的。有一些多肽氨基酸侧链可能伸出该槽口，因而又可以被细胞受体分子TCR结合。MHC分子既可以结合来自于人的抗原或病毒颗粒的外源性多肽，也可结合细胞内或被吞饮入细胞的自身的分子。对不同的I类分子来说，其所能结合的一群多肽都在特定位点有一个较保守的基序。I类分子的抗原结合槽口两端是闭合的，而所结合的多肽则是一个由9个氨基酸组成的直链(不是a螺旋)。该多肽的N和C端都包裹在I类分子的抗原结合槽口内。与MHC I类分子不同，MHC类分子上的抗原结合槽口的两端不是闭合的，被结合到类分子的多肽分子可伸出槽口的两端。能结合于I类分子的多肽，多来自细胞内合成的蛋白质，在裂解后再被转移至内质网。通常，经这种细胞内抗原加工途径产生的多肽，其大小恰恰适于与I类分子的抗原结合槽口所结合。相反，与MHC类分子相结合的多肽多来自被细胞吞饮入细胞后再裂解的蛋白质，产生的多肽大小不一，在结合到MHC类分子上后可能会再被修剪。五、T细胞受体与MHC分子及抗原的相互作用（一）MHC分子、抗原多肽和T细胞受体复合物在小鼠MHC I类分子、内源性细胞多肽和a、bT细胞受体分子(TCR)形成的复合物中，T细胞受体是沿着MHC I类分子上多肽结合槽口以2030的角度结合上去的，这意味着，这个TCR分子的a链和b链第一和第二个互补决定区(CDR)定位在被提呈多肽的N端和C端，而每条链上位于TCR结合点中央的第三个CDR则是结合到抗原多肽的MHC分子槽口突出来的中央氨基酸上。在每个CDR上氨基酸都有其特定定位并与MHC分子上的相应氨基酸相互作用。TCR这种分子结构有助于T细胞识别已结合到特定MHC分子上的抗原多肽。（二）TCR分子的集聚和T细胞的激活 每个T细胞能表达约105个受体，而每个抗原提呈细胞（APC）也能表达类似数量的MHC分子。事实上，只要少量多肽MHCTCR相互作用就足以达到最小的有效信号激活T细胞，并且这种相互作用可以仅在一段时间内发生，而不必让所有许多个TCR分子同时参与这种相互作用。（三）抗原多肽既能诱发又能颉颃T-细胞的激活TCR对结合在MHC分子上抗原多肽的亲和力比抗体对一个抗原表位的亲和力低得多，而抗原MHC复合物对TCR的亲和力对于T细胞的激活来说是非常重要的。这些能够激活T细胞的多肽称之为活性多肽，改变其12个氨基酸组成，就能颉颃原始多肽对T-细胞激活作用。通常，这种颉颃性多肽对TCR的亲和力要明显低于原始的活性多肽，但有时一个经修饰的多肽又可能在TCRMHC多肽复合体中产生更高的亲和力，表现出比自然的活性多肽更有效地激活T细胞的能力。六、MHC的基因组结构如前所述，MHC基因组结构随动物种属的不同而相异，它所包含的3类基因在基因组上的排列以及MHC的I类和类基因位点数量亦不相同。即使在同一种动物的不同单倍型间，也表现出一定的差异。（一）I类基因HLA的I类基因区含有3个重要的基因位点，分别称之为HLAA、HLAB和HLAC，并分别编码经典的MHC I类分子的a链。整个I类基因区DNA横跨1800kb，118个基因。在I类基因区还发现有HLAE、HLAF、HLAG和HLAH基因，也分别编码MHC I类蛋白质分子，这群位点称之为Ib类基因，其多态性较少。HLA-E和HLA-G基因产物能结合抗原多肽，并参与NK细胞对抗原的识别。小鼠的MHC(H-2)基因组中也有3个I类基因位点，H-2K、H-2D和H-2L。小鼠的Ib类分子分别由MHC的Qa、Tla和M区编码，但其功能尚不清楚。I类基因外显子2、3、4分别编码a1、a2和a3的功能区。这些基因的一般编码功能见图3-9。图3-9 不同MHC基因结构（二）类基因人的类基因HLA-D区至少编码6个a链及10个b链基因。该区有3个亚区：DR、DQ和DP亚区，编码了大多数类的产物。其中DR亚区含有一个单一的a基因座(DRA)和9个b基因座(DRBl9)，其中DRB2为假基因。DQ亚区有5个基因座：DQA1、 DQB1、 DQA2、 DQB2和 DQB3，其中DQA2、 DQB2和 DQB3为假基因。DP亚区有4个基因座：DPA1、DPB1、DPA2和DPB2，其中DPA1和DPB1各表达一个a链基因和一个b链基因，DPA2和DPB2为假基因。DR、DQ和DP编码的a链在细胞内总与同一亚区编码的b链相结合。此外，还有DN、DM和DO区也分别可编码a链及其b链。人的类基因区还包含有其他一些基因，但其基因产物并不表现于细胞表面。II类抗原基因包括a基因和b基因，分别编码a链和b链。所有的a基因（DRA、DQA、DPA、DMA等）都含有5个外显子，所有b基因（DRB、DQB、DPB、DMB等）都有6个外显子。这些外显子分别编码a和b链相应的结构域（图3-10）图3-10MHC I类 和II类基因、mRNA转录本及蛋白分子间对应关系示意图第四节 免疫遗传学与动物育种动物在长期种系发育和进化过程中与病原微生物不断斗争逐渐形成一系列防御机制，且出生后接触病原微生物被诱导或激活淋巴细胞发挥免疫功能。机体通过免疫系统功能的实现，达到抵御微生物侵害、清除异已和免疫监视的目的，以维持机体健康。因此，动物的免疫功能直接维系着动物的抗病力，亦为动物发挥其生产力的前提条件。红细胞血型抗原是一类糖蛋白。血型基因产物是一些专一性的糖基转移酶，分别催化血型抗原前体特定部位糖基化反应，从而形成相应的特异性抗原；主要组织相容性抗原在细胞识别和区分自我与非自我的过程中具有重要作用。在淋巴细胞分化过程中，抗体基因片段的重排和组合，产生了抗体的多样性，是动物对变化无穷的各种抗原发生特异性免疫反应的基础；免疫应答基因（Ir）控制着个体对抗原发生免疫应答的程度。免疫遗传学是亲子鉴定、输血、器官移植和新生儿溶血症等人类和动物医学临床实践的重要理论基础，对于阐明免疫系统的演化、畜种起源、品种形成、亲缘关系及分类、品种改良、抗病育种也有重要意义。一、动物免疫遗传标记免疫遗传学标记是以动物的免疫学特性为标记，包括红细胞抗原和白细胞抗原。动物存在不同的血液型，且多态性丰富。动物红细胞表面有很多可以区分复杂血液型的抗原血型特异抗原，它们是划分血液型的基本因子。各基本因子都受基因的支配，有的基因能同时支配两种以上的因子，这种由一种基因所支配的所有因子称为型群。红细胞所具有的抗原及型群不受环境的影响，按照简单的孟德尔遗传规律稳定遗传给后代。主要组织相容性复合体是白细胞表面抗原多态性中最复杂、最具遗传多态性的体系。MHC具有独特的遗传结构，连锁基因呈单倍型遗传，多态性复杂。MHC基因具有重要的生物学功能，它不仅编码组织相容性抗原，控制移植排斥反应，还能控制调节免疫应答和支配免疫细胞各亚群的协同作用。免疫遗传标记数量丰富，受环境影响小，检测手段简便，是一种较好的遗传标记。免疫球蛋白不仅具有抗体活性，而且对异种动物也具有很好的抗原性，即注射到异种动物体内可产生抗免疫球蛋白抗体。由于各种动物及其个体的遗传因素不同，决定B细胞在遗传性上具有不同程度的差异，反应在编码免疫球蛋分子氨基酸组成和排列顺序上的不同，因而抗原性也就不同。这种受遗传基因控制产生的免疫球蛋白抗原性差异，称为免疫球蛋白的遗传标志。根据遗传标志的不同，可将免疫球蛋白分子的抗原性分为3种不同类型的表位（决定簇），即同种型、同种异型和独特型。同种异型是稳定的遗传标志，亦可用于亲子鉴定。（一）动物的血型遗传标记 血型主要是指以细胞膜抗原结构的差异为特征的红细胞抗原型。主要家畜的血型系统如下：(1)牛的血型：目前已发现牛的血型系统有12个，总共有80多个抗原因子。 (2)猪的血型：目前已知红细胞抗原有16个血型系统，70多种抗原因子。 (3)绵羊的血型：红细胞血型分为9个系统，20多种抗原因子，100多个表现型。 (4)山羊的血型：目前已知山羊有6个血型系统，20种以上的抗原因子。 (5)鸡的血型：已知鸡存在14个血型系统，即14个基因位点，100多个等位基因。其中B系统中的因子较多，有30个以上的等位基因。（二）动物MHC基因多态性MHC基因的高度多态性是MHC系统的一个重要遗传特征，但这种多态性在整个MHC结构中并不均匀分布。例如，相对于经典的I类和类分子，Ib类分子的多态性较低。MHC编码的分子多态性最初是通过制备特异性抗体做血清学反应识别出来的。随后的基因和蛋白分子序列的研究发现，即使在血清学上具有相同特异性的个体，其基因序列上亦不尽相同。MHC分子结构上的多态性又集中在分子的一个特定区域。在I类分子中，氨基酸序列的多变性集中于a1和a2功能区的2个区域，而a3功能区则相当保守。在II类分子中，氨基酸变异的程度决定于II类基因某些亚区及其多肽链。例如，DRb和DQb链变异较大，而DPb链的多态性较小。DQa链是多变的，而DRa链几乎是不变的，仅仅只有两个等位基因。在分别具有两个不同单倍型MHC的非近亲繁殖群体的个体中，还可产生杂合类分子，即每条链分别来自两个不同的单倍体。在I类和II类抗原分子中易变的氨基酸大多分布在抗原多肽结合处。因此，在这些分子中的氨基酸变异几乎仅仅局限于参加结合抗原多肽的槽口基底部及相应a螺旋的伸出处。因此，I类和II类分子的多态性主要影响这些分子对不同抗原多肽的提呈。1牛的MHC 牛的MHC又称BoLA(即牛白细胞抗原)复合体，已鉴定出的32个结构基因均位于第23号体染色体上。血清学研究表明，牛的MHC I类分子可表现50个以上不同的抗原分子