ppt课件-免疫球蛋白

第三章免疫球蛋白 本章教学内容 第一节抗体的发现 特性及概念第二节免疫球蛋白的分子结构与功能第三节免疫球蛋白分子的抗原性第四节免疫球蛋白的生物学活性第五节各类免疫球蛋白的特性及功能第六节免疫球蛋白基因的结构和抗体多样性第七节抗体的制备 本章教学目的 1 掌握抗体和免疫球蛋白 Ig 的概念 2 掌握Ig的结构及功能区 功能 3 理解免疫球蛋白超家族的概念 4 掌握免疫球蛋白的生物学活性 5 熟悉五类Ig的生物学活性 6 了解免疫球蛋白的基因结构及抗体多样性7 掌握单克隆抗体的概念 熟悉其特点及其应用 本章教学重点及难点 重点 1 Ig的结构及功能区 2 免疫球蛋白的生物学活性以及五类Ig的特点 3 单克隆抗体的概念 特点及其应用难点 1 免疫球蛋白分子的抗原性2 免疫球蛋白的基因结构及抗体多样性3 单克隆抗体的制备过程 第一节抗体的发现 特性及概念 一 抗体的发现二 抗体的理化性质三 免疫球蛋白和抗体的概念 第一节抗体的发现及特征 一 抗体的发现 在免疫学发展的早期人们应用细菌或其外毒素给动物注射 经一定时期后用体外实验证明在其血清中存在一种能特异中和外毒素的组分称之为抗毒素 其后将血清中这种具有特异性反应的组分称为抗体 antibody Ab 而将能刺激机体产生抗体的物质称为抗原 antigen Ag 由此建立了抗原和抗体的概念 1890年德国学者Behring和日本学者北里用白喉杆菌外毒素免疫动物 在其血清中发现一种能中和这种外毒素的组分称为抗毒素 这是在血清中发现的第一种抗体 这种含有抗体的血清称之为免疫血清 二 抗体的理化性质 1 抗体是球蛋白20世纪40年代初期 Tiselius和Kabat用肺炎球菌多糖免疫家兔 证实了抗体活性与血清丙种球蛋白组分相关 肺炎球菌多糖免疫家兔后可获得高效价免疫血清 然后加入相应抗原吸收以除去抗体 将除去抗体的血清进行电泳图谱分析 发现丙种球蛋白 G 组分明显减少 从而证明了抗体活性是存在于丙种球蛋白内 其后 经对不同免疫血清的电泳分析 超速离心分析和分子量测定等方法 发现大部分抗体活性存在于 球蛋白内 但有小部分抗体活性可存在于 球蛋白内 从早期对抗体性质的研究证明抗体不由均质性球蛋白组成 而是由异质性球蛋白组成 2 免疫球蛋白为了准确描述抗体球蛋白的性质 在60年代初提出将具有抗体活性的球蛋白称为免疫球蛋白分子 immunoglobulin Ig 球蛋白则改称为IgG 2M称为IgM 而 2A称为IgA 其后又相继发现两类Ig分子 分别称为IgE和IgD 故在血清中现已发现有五类免疫球蛋白分子 它们的结构与功能是各不相同的 1968年和1972年世界卫生组织和国际免疫学会联合会的专门委员会先后决定 将具有抗体活性或化学结构与抗体相似的球蛋白统称为免疫球蛋白 三 免疫球蛋白和抗体的概念 概念 抗体 Ab 机体免疫系统受抗原刺激后由浆细胞分泌合成的一类能与相应抗原特异性结合的具有免疫功能的球蛋白 免疫球蛋白 Ig 具有抗体活性或化学结构与抗体相似的球蛋白统称为免疫球蛋白 包括分泌型和膜型 二者关系 Ab Ig Ig Ab Ab是功能描述 Ig是化学结构描述 抗体主要存在血液中 但也见于其他体液和外分泌液中 第二节免疫球蛋白的分子结构与功能 一 免疫球蛋白的基本结构二 免疫球蛋白的功能区三 免疫球蛋白的其它成份四 免疫球蛋白的酶解片段五 免疫球蛋白分子超家族 第二节免疫球蛋白的分子结构与功能 一 基本结构1 Ig是由两条相同的重链 heavychain H链 和两条相同的轻链 lightchain L链 借链间二硫键而彼此连接在一起的四肽链结构分子 分为氨基端 N端 羧基端 C端 2 重链450 550个氨基酸残基组成 分子量55 75KD 人Ig重链恒定区氨基酸组成和排序不同 分 五类 对应的抗体分别为IgG IgA IgM IgD和IgE 3 轻链由214个氨基酸残基组成 通常不含碳水化合物 分子量约24 据轻链恒定区氨基酸组成和排序不同 分 两型 每个Ig的L链完全相同 4 可变区 variableregion V区 此区氨基酸的种类 排列顺序与构型的变化很大 故称 轻链可变区 variableregionoflightchain VL 链 端1 2处 108 111个残基 重链可变区 variableregionofheavychain HL 链 端 1 5 1 4处 VH 118个氨基酸残基 区有一个肽环 65 75个氨基酸残基 可变区包括 超变区 hypervariableregion HVR 高变区骨架区 frameworkregion FR 对HVR起支撑作用VL的HVR在28 35 49 56 91 98氨基酸位置 VH的HVR在29 31 49 58 95 102氨基酸位置 分别称为VL和VH的HVR1 HVR2 HVR3这六个位点氨基酸的组成及长度决定抗体的特异性 5 超变区 超变区为抗体和抗原的结合位置 又称为决定簇互补区 complementarity determiningregion CDR VL和VH的HVR1 HVR2 HVR3又分别称为CDR1 CDR2 CDR3 其中CDR3具有更高的高变程度 6 骨架区 FR 可变区中除去超变区部分的氨基酸变化相对较小 称为 7 恒定区 constantregion C区 氨基酸的种类 排列顺序与构型相对恒定 故称 在同一种属动物中 同一类别Ig分子的C区比较恒定 链 端 CL 1 2处 105个氨基酸 链 端 CH 3 4 4 5处 331 431个氨基酸 二 免疫球蛋白的功能区 链内二硫键折叠成球形区称为功能区 domain 约由110个氨基酸组成 具不同生物学功能 1 链功能区 2个 VL CL各一个 2 链功能区 IgG IgA IgD 4个 V区1个 C区3个 IgM IgE 5个 V区1个 C区4个 3 功能区的作用 VL和VH是抗原结合的部位 其中CDR3尤其关键 CL和CH上具有Ig遗传标记 CH2 IgG CH3 IgM 补体 C1q 结合位点 启动补体活化经典途径 IgGCH3 Fc R结合部位 单核细胞 巨噬细胞 中性粒细胞 细胞 细胞 5 IgECH4 Fc R结合部位 肥大细胞和碱性粒细胞 IgG IgA和IgD的CH2 CH3结构域与IgM IgE的CH3 CH4结构域相对应 4 铰链区 hingeregion 位于CH1和CH2之间 含有大量脯氨酸和半胱氨酸 极富弹性和伸展性 特点 1 当VL VH与抗原结合时 此区发生扭曲 使抗体分子上两个抗原结合点更好地与两个抗原决定簇发生互补 2 因CH2和CH3构型变化 使补体结合位点及 受体结合位点暴露 显示出活化补体 结合组织细胞等生物学活性 3 易被木瓜蛋白酶 胃蛋白酶水解 4 IgM和IgE无铰链区 抗原结合部位 具遗传标记 具有补体结合位点 具有结合 R的功能 三 免疫球蛋白的其它成份 1 链 joiningchain 富含半胱氨酸的多肽链 存在于IgA IgM中 以二硫键的形式共价结合到Ig的H链上 可稳定Ig多聚体的成份 2 分泌成分 secretorycomponent SC 是分泌型IgA上的一个辅助成分 为一种含糖肽链 对抵抗外分泌液中的蛋白水解酶的降解具有重要作用 功能 使二聚体结构更稳定 封闭了 铰链区的第三位蛋白酶敏感位点 使二聚体的 在富含蛋白酶的粘液中生存时间更长 由粘膜上皮细胞合成和分泌的一条多肽链 是上皮细胞膜上的多聚Ig受体的胞外区部分 为分泌型IgA secretoryIgA sIgA 产生所必需 3 单体 双体和五聚体单体 由一对 链和 链组成的基本结构双体 分泌型的由 链连接的两个单体 IgA五聚体 是由 链和二硫键连接的五个单体 IgM 四 免疫球蛋白的酶解片段 1 木瓜蛋白酶 papain 水解片段1 裂解部位 铰链区 链间二硫键 近 端处 2 裂解片段 2个Fab fragmentofantigenbinding 抗原结合片段 54KD 具单价抗体活性 只与一个相应的抗原决定簇特异性结合 1个Fc fragmentcrystalizable 可结晶片段 含有一个CH2 为补体结合位点 1个CH3 为FcR结合位点 具结合组织细胞的功能 2 胃蛋白酶 pepsin 水解片段 1 裂解部位 铰链区 链间二硫键 近 端处 2 裂解片段 F ab 2 保留重链铰链区及二硫键 为双体 具双价抗体活性 能与两个相应的抗原决定簇结合 无Fc片段 与抗原结合可发生凝集反应 五 免疫球蛋白分子的超家族 许多细胞膜表面和机体的某些蛋白分子 其多肽链折叠方式与Ig折叠相似 在DNA水平上和氨基酸序列上与IgV区或C区有较高的同源性 它们可能从同一原始祖先基因 primodialancestralgene 经复制突变衍生而来 编码这些多肽链的基因被称为免疫球蛋白基因超家族 基因表达产物称为免疫球蛋白超家族 Immunogloblinsuper family IGSF 主要包括 淋巴细胞受体 BCR TCR NK细胞受体 MHC抗原及相关分子 FcR 细胞因子受体 多种黏附分子及分化抗原等 第三节免疫球蛋白的抗原性 血清学特异性 一 同种型二 同种异型三 独特型 第三节免疫球蛋白的抗原性 血清学特异性 将Ig作为抗原在异种 同种异体或自身体内进行免疫 均能诱导机体发生免疫应答 产生相应的抗体 这些抗体可用血清学方法进行检测 因此称为Ig的血清型 Ig分子上有三类不同的抗原表位 分别为同种型 同种异型和独特型抗原表位 一 同种型 isotype 种属标志指同一种属所有正常个体Ig分子所共有的抗原特异性标志 同种型主要包括类 亚类 型和亚型 1 免疫球蛋白的类和亚类 Classesandsubclasses 1 类 决定Ig不同类的抗原性差异存在于H链的恒定区 CH 如人的有IgG A M D E五类 组成的重链分别为 2 亚类 同一类Ig中 存在于铰链区氨基酸组成和二硫键数目的差异 IgG1 4 IgA1 2 IgM1 2 2 免疫球蛋白的型和亚型1 型 决定Ig型的抗原性差异存在于L链的恒定区 CL 可分为 两型 2 亚型 按 轻链恒定区 C2 个别氨基酸的差异又可分为 1 2 3 4四个亚型 即 同一物种动物的所有个体的Ig的类 亚类 型及亚型相同 但区别于另一物种 如人 小鼠 家兔等动物间Ig为异种 Ig可以互为免疫原 二 同种异型 allotype 个体型标志 同一种属中不同个体间的Ig分子抗原性的不同 在同种异体间免疫可诱导免疫反应 重链或轻链恒定区 CH或CL 内一个或数个 1 4个 氨基酸 即遗传标志 不同而表现的抗原性差异 同种异型可以为同一物种的某些个体所共有 但绝不会为同一物种的所有个体所共有 三 独特型 idiotype 指不同B细胞克隆产生的抗体分子CDR区的氨基酸序列和构型不同 显示出的不同的免疫原性 是每个Ig特有的抗原特异性标志 独特型是细胞克隆的标志 超变区 抗原结合部位 独特型抗原决定簇是同一物质在不同情况下的不同名字 独特型的抗原决定簇称为独特位 idiotope 可在异种 同种异体以及自身体内诱导产生相应的抗体 称为抗独特型抗体 antiidiotypicantibody 独特型和抗独特型抗体可形成复杂的免疫网络 在机体免疫调节中占有重要地位 第四节免疫球蛋白的生物学活性 1 特异性结合抗原2 激活补体3 结合Fc受体4 穿过胎盘5 免疫调节 第四节免疫球蛋白的生物学活性 1 特异性结合抗原 由V区 尤其是CDR的空间构型决定 与Ag的结合具有高度特异性 必需是超变区与抗原的空间构象完全吻合 V区与抗原结合后 借助于C区 可介导体内的多种生理和病理效应 中和病毒 毒素 介导炎症反应 体外可产生凝集 沉淀现象用于检测等 二者的结合主要依靠静电引力 氢键 范德华力等 需要合适的温度 pH 离子强度以及完整的抗体 这种结合是可逆的 2 激活补体IgG1 3和IgM 与抗原特异性结合后 其构型发生改变 暴露IgG的CH2和IgM的CH3功能域的补体结合位点 通过经典途径激活补体 聚合IgA IgE和IgG4 旁路途径3 结合Fc受体主要通过IgG IgE的CH3 CH4功能域与位于不同细胞上的Fc R Fc R结合 介导不同的生物学效应 1 调理吞噬作用 与单核 巨噬细胞和中性粒细胞上的Fc R结合 2 抗体依赖性细胞介导的细胞毒作用 Abdependentcell mediatedcytotoxicity ADCC IgG的Fab段与靶细胞 病毒感染细胞或肿瘤细胞 上的抗原决定簇结合后 其Fc段与NK细胞 中心粒细胞等具杀伤活性的细胞上的Fc R结合 触发杀伤作用 3 介导I型超敏反应 IgE与肥大细胞和嗜碱性粒细胞上的Fc R结合 IgG 抗原 颗粒性 Fc R 单核 巨噬细胞和中性粒细胞 促吞噬细胞吞噬 IgG 抗原 靶细胞 Fc R NK细胞和中性粒细胞等 杀伤靶细胞 4 穿过胎盘和粘膜IgG 唯一能通过胎盘的Ig 是婴儿获得天然被动免疫的主要原因 主要借助胎盘滋养层细胞表面的Fc R进行的 分泌型IgA sIgA呼吸道 消化道粘膜粘膜局部免疫5 免疫调节 通过 第五节各类免疫球蛋白的特性及功能 1 IgG2 IgM3 IgA4 IgD5 IgE 第五节各类免疫球蛋白的特性及功能 1 IgG浆细胞合成 单体形式存在于血清和其它体液中 婴儿出生后三个月开始合成 含量最高 占血清Ig总量的3 4 达6 16g L IgG1 2 4半衰期最长 达23天 是主要的抗感染抗体 是再次应答的主要抗体 是唯一能穿过胎盘的抗体 IgG1 3 4 激活补体 ADCC 调理吞噬作用 IgG1 3 2 IgM由5个单体借一个J链和若干二硫键连接形成的5聚体 分子量最大 又称巨球蛋白 主要分布于血液中 占血清总Ig的1 10 是个体发育中出现最早的抗体 胎儿晚期合成 感染后最早出现 半衰期短 一旦出现提示有近期感染 胎儿有无宫内感染的重要观察指标 杀菌 溶菌 调理吞噬 激活补体的能力最强 3 IgA包括血清型和分泌型两种 前者由肠系膜淋巴组织中的浆细胞产生 多数以单体形式存在 含量2 5g L 占血清总10 15 分泌型IgA由两个单体 一个J链和一个分泌片组成 主要分布于各种粘膜表面和唾液 泪液 初乳中 参与机体的粘膜局部抗感染反应 婴儿出生后4 6个月开始合成 但能从母乳中获得 血清型IgA具有中和毒素 调理吞噬的作用 4 IgD以单体形式存在于血清中 含量低 仅占血清总Ig的0 2 分子结构类似于IgG 但不能通过胎盘 也不能激活补体 表达在B细胞膜上的smIgD是成熟B细胞的重要标志 参与B细胞的活化 增殖和分化 血清中的IgD功能不清 5 IgE是种系进化过程中最晚出现 含量最少的Ig 由粘膜下淋巴组织中的浆细胞合成分泌 血清IgE为单体 结构上重链区比IgG多一个CH4功能域 亲细胞抗体 特异性IgE通过Fc段的CH3 CH4功能域同位于肥大和嗜碱性粒细胞表面的Fc R结合 参与I型超敏反应的发生 可通过ADCC效应特异性杀伤寄生虫 第六节免疫球蛋白基因的结构和抗体多样性 一 免疫球蛋白的基因结构二 免疫球蛋白基因的重排和表达三 抗体多样性 第六节免疫球蛋白基因的结构和抗体多样性 1965年 Dreyer和Bennet首先提出Ig的V区和C区是由分隔存在的基因所编码 在淋巴细胞发育过程中 这两个基因发生易位而重排在一起 1976年日本学者利根川进应用DNA重组技术证实了这一假说 1987年获得诺贝尔医学和生理学奖 Ig分子是由三个不连锁的Ig Ig 和IgH基因所编码的 分别位于不同的染色体上 每种链上由不同的基因簇或不同的基因片段组成 如重链上有 和 基因片段 每种基因片段又由许多不同的编码基因组成 免疫球蛋白基因在染色体上的定位 一 免疫球蛋白的基因结构 1 轻链基因结构 链和 链有不同的基因结构 1 链的基因结构 胚系DNA的 链基因由V J 和C 和三类基因片段组成 每个V区基因上游都有一个 基因 编码22个氨基酸的链先导序列 即信号肽 小鼠 轻链基因库的组成 350 基因片段 编码 链的 区蛋白 约96个氨基酸 基因片段 连接基因 在 基因片段下游 由5个基因组成 每个 基因编码13个氨基酸的肽段 这些肽段属于 区肽段的一部分 称为连接片段 基因片段 位于 区下游 只有一个 基因 编码 链 区肽段 2 链的基因结构 胚系DNA的 链由V J 和C 和三类基因组成 每个 基因的上游也有先导序列 但是 链基因在DNA上的排列与 链基因有很大差别 小鼠 轻链基因库的组成 小鼠 基因片段 包括 和 2两个基因 编码 链 区1 97位氨基酸 基因在 基因上游 基因片段 有四个基因 编码 区98 110位氨基酸 基因片段 有四个基因 编码全部 区 即111 214位氨基酸 基因和 基因成簇排列 各有1 2 的内含子 人 与小鼠类似 100多个 基因 6个 基因 6个 基因 2 重链基因结构 与轻链相似 但更为复杂 编码可变区的基因片段除 和 基因片段外 还有 基因片段 H基因片段 编码 区1 94位氨基酸 每个V基因上游都有一个先导序列 H基因片段 编码98 113位的12 17个氨基酸 基因片段 编码95 97位的3 7个氨基酸 位于 H和 H之间 编码的氨基酸位于CDR3 与抗体的多样性 diversity 有关 故称 基因 H基因片段 位于 基因下游 编码不同种类和亚类的重链 区 小鼠重链基因库的组成 300 1000 二 免疫球蛋白基因的重排与表达 1 轻链基因重排与表达免疫球蛋白基因是在 细胞发育到小前 细胞 smallpre Bcell 时 才开始发生重排 rearrangement 使分布在胚系上不同区域的 和 基因片段中的基因排列组合在一起 成为一个成熟的Ig基因 进而转录为成熟的轻链 1 链基因重排与表达 基因可通过V 区基因片段缺失 倒位的方式与一个相隔一定距离的 基因相连接 链的 区基因片段可以随机与J 区任何一个基因片段发生连接 重排后的 片段再与 连接形成完整的 链 其中还有少数内含子 转录后通过拼接除去 经加工修饰 在 前体的5 和3 端分别加上帽结构和poly 尾 成为成熟的 链mRNA mRNA从细胞核转移到细胞质中 翻译为 肽链 轻链基因的重排 RNA处理和蛋白质表达的过程 2 链基因重排与表达 的组合不是随机的 它是严格按照L 1V 1J 1C 1 1 1 3 3及 2 2 2 2的组合进行连接的 与 基因上的识别序列与链也不完全一致 所以 轻链只有3种同种型的 链 在人体中可能有6种同种型 2 重链基因的重排与表达重链基因是通过两次重排形成的 第一次基因重排 基因片段与 H基因片段的重排连接 得到 H基因片段 第二次基因重排 H基因片段与 H片段重排和连接 得到 H H的连接片段 经过两次重排的 仍有一内含子 经过转录以后得到初转录 再修饰成为成熟的 链mRNA 翻译出 链蛋白 重链基因的重排 RNA处理和蛋白质表达的过程 三 抗体多样性 机体对外界环境中种类众多抗原刺激可产生相应的特异性抗体 推算抗体的多样性在108 1010以上 抗体多样性主要由基因控制 可能原因 1 胚系中众多的V D J基因片段 2 胚胎细胞的 或 重排 至少形成107种不同V区结构的免疫球蛋白 3 基因重组的连接变异性 即VDJ连接的多样性 1 轻链基因的一次 重组连接和重链基因的 和 两次重组连接 由于 基因上带有识别序列 连接时会发生错位而造成连接点附近的氨基酸的变化 这些变异均位于CDR3 2 连接重组 在 连接可能发生