免疫遗传学

第十二章 免疫遗传学 （immunogenetics）,免疫遗传学是医学遗传学的分支学科，是免疫学与遗传学相互渗透发展起来的一门学科。主要研究抗原、抗体及它们之间相互作用的遗传本质,基因重排产生免疫的多样性,免疫应答过程中的遗传调控和抗原、抗体、抗原受体、补体等各种免疫活性物质的基因调控以及免疫缺陷病等的遗传学问题。,1901年，奥地利医生Landesteiner在研究抗红细胞抗体时发现了ABO血型，以后他又与别人合作发现了MN、P、Rh血型系统。迄今已发现人体红细胞约有20多种血型系统 。它们在遗传上是各自独立的，分别由不同的基因控制，多为AD遗传且多呈共显性遗传，其中与临床关系最为密切的是ABO血型系统和Rh血型系统。,第一节 红细胞抗原遗传与血型不相容,人体主要的红细胞血型系统发现年份 血型系统位点 基因命名 染色体定位 ABO ABO 9q34.1-34.2 1927 MNS GYPA,GYPB,GYPE 4q28-31 Rh RHD,RHCE 1q36.3-p34 Kell KEL 7q331962 Xg XG Xp22.32,一、AB0血型系统 (ABO blood group system) ABO血型系统包括A、B、O、AB四种血型。A型指红细胞具有A抗原。B型指红细胞具有B抗原。O型指红细胞具有H物质。 ABO血型系统定位于9q34。其抗原合成受控于A、B、i三个复等位基因。A和B为共显性,i为隐性基因,由此构成6种基因型和4种表现型。IA基因控制A抗原合成,B基因控制B抗原生成。,ABO血型的遗传,红细胞膜上ABH抗原的生物合成,孟买血型（Bombay phenotype）： 在印度孟买市发现一例特殊血型，该个体红细胞上和唾液中既无A和B抗原，又无H抗原，为O型，在血清中具有抗A、抗B和抗H抗体，这种血型,基因型为hh，不能产生H物质，即使有IA和（或）IB基因也不能形成A和（或）B抗原，所以称为孟买血型。,ABO系统血型物质的合成途径,ABO血型既见于红细胞中,又广泛存在于人体的多种细胞和组织内。 ABO血型与某些疾病有一定关联,是指某些血型的人群中患某些疾病的概率比期望理论值要高。例如胃癌患者中A型较多,十二指肠溃疡患者中O型较多。目前发现的ABO血型与疾病的关联,尽管统计学上有意义,但是无显著的临床意义。,二、Rh血型系统,Rh血型的发现,与ABO血型系统不同,Rh抗原没有天然抗体。但Rh阴性的人接受Rh阳性的血液后,可通过体液免疫产生抗体。当第二次再输入Rh阳性血液时,即可发生输入的红细胞被凝集现象。 控制Rh抗原的基因定位于lp36.2-p34。研究表明,Rh基因座位由二个相关的结构基因RHD和RHCE组成。RHD和RHCE基因都有10个外显子组成,长度为75kb。,三、血型不相容 临床上溶血性输血反应和新生儿溶血症的原因是由于两个个体红细胞血型不相容或称不配合引起的。 胎母血型不相容是指母亲缺少胎儿带有的血型抗原,胎儿的血型抗原是来自父源染色体的遗传,如ABO血型不相容,有可能产生新生儿溶血症,严重者可使婴儿致死。90%以上是由于母亲为O型,胎儿为A或B型。,Rh血型新生儿溶血症是由于胎儿Rh阳性,母亲为Rh阴性引起。,两种新生儿溶血症比较：,第二节 主要组织相容性复合体,主要组织相容性复合体（major histocompatibility complex，MHC） 是指脊椎动物某一染色体上编码主要组织相容性抗原、控制细胞间相互识别、调节免疫应答的一组紧密连锁基因群。,人类白细胞抗原复合体（HLA complex ） （human leukocyte antigen complex ） HLA复合体或称HLA系统，即人的MHC, 是人类基因组中最复杂、多态性最高的遗传体系，其主要功能为参与自我识别、调节免疫反应和对异体移植的排斥作用。,一、HLA系统的结构与组成,HLA系统位于人类第6染色体短臂（6p21.31），全长3600kb，包含128个功能基因和96个假基因，等位基因总数超过500多个。HLA复合体代表一组密切连锁的基因群,所有基因均为共显性。HLA复合体分为三个区域 。 1999年10月，HLA的全基因组DNA序列被测定公布。,HLA系统的基因座位(1997)HLA 类区域 HLA类区域 HLA类区域HLA-A HLA-DRA C2HLA-B HLA-DRB1 HLA-DRB9 BfHLA-C HLA-DQA1HLA-DRA2 C4AHLA-E HLA-DQB1HLA-DQB3 C4BHLA-F HLA-DPA1HLA-DPA2 TNFHLA-G HLA-DPB1HLA-DPB2 LTAHLA-H HLA-TAP1HLA-TAP2 LTB HLA-J HLA-DMB HLA-LMP2 HSPHLA-K HLA-DNA HLA-LMP7HLA-L HLA-DOB,HLA-A、HLA-B、HLA-C经典基因 HLA-E、HLA-G、HLA-F非经典基因 I类分子存在于几乎所有的有核细胞表面。 HLA-DR、HLA-DQ和HLA-DP； HLA-DOB； HLA-DNA等基因 类分子主要存在于抗原呈递细胞如B细胞和巨噬细胞，树突状细胞和活化T细胞也表达类分子。,I类：,类：,二类抗原的比较,类基因位于类基因和I类基因之间 主要是与补体有关的C4A、C4B、Bf、C2等基因以及21-羟化酶（CYP21）基因、肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）基因、热休克蛋白（heat shock protein，HSP70）基因和转录物基因B144、BAT1-T9、G1、G4、G6、G7、G8等。,二、HLA与疾病的关联,很多自身免疫性疾病的发生都与遗传有关。迄今已发现70多种疾病与HLA基因多态性相关联，其中大多数的自身免疫性疾病与HLAII类基因关联。1. 携带HLA-DR4的人罹患类风湿关节炎的风险比正常 人高6倍。2.I型糖尿病（胰岛素依赖性糖尿病）携带HLA-DR3和-DR4基因的白人发病率是正常人的20倍。,HLA与疾病的关联 疾病 HLA抗原 相对风险比强直性脊柱炎 B27 87.4 Reiter病 B27 37.0急性前葡萄膜炎 B27 10.4亚急性甲状腺炎 B35 13.7寻常牛皮癣 Cw6 13.3疱疹样皮炎 DR3 15.4乳糜尿 DR3 10.8特发性膜性肾病 DR3 12.0,肺出血伴肾小球肾炎 DB2 15.9天疱疮(犹太人) DR4 14.4胰岛素依赖性糖尿病(白人) DR3 3.3 DR4 6.4 DR2 0.2胰岛素依赖性糖尿病(中国人) DR3 3.50 DR9 9.26 DR2 0.18类风湿性关节炎 DR4 9,三、HLA配型与器官移植 导致组织不相容性最有意义的是ABO血型抗原和HLA抗原。主要组织相容性抗原不合是引起排斥反应的主要抗原。,通过组织配型(tissue matching),可以尽可能降低供者与受者间组织不相容性。组织配型的原则是使供者与受者的ABO血型抗原和HLA抗原相同,或者供者没有受者所缺的抗原,此时受者的免疫系统并无“非己”抗原所识别,构成了组织相容性移植物即可存活。,HLA配型： 在同一条染色体上HLA诸座位等位基因的组成称为单体型(haplotype)。由于各位点紧密连锁,所以在遗传时,单体型总是作为一个“单位”传给下一代。,进行HLA配型时应使供者和受者有尽可能多的HLA抗原相同。子女总是得到一条父亲的单体型和一条母亲的单体型。所以父子(女),或母子(女)之间必有一条相同的单体型,即HLA半相同。同胞之间可分为HLA相同、HLA半相同和HLA不相同三种情况。 在肾移植中，HLA各基因座配合的重要性依次为： HLA-DR、HLA-B、HLA-A。,亲属活体肾移植 同卵双生同胞间移植 HLA相同的同胞 次选HLA半相同的同胞或亲代。 对于移植尸体器官应选择有尽可能多的相同抗原的供者。骨髓移植 不仅受者免疫系统会识别骨髓移植物为“非己”，骨髓移植物也会识别受者细胞为“非己”，只有供者、受者间HLA完全相同的情况下才容易获得成功。,第三节 抗体的基因结构及其基因重排,抗体（antibody，Ab）是一种糖蛋白，存在于血清蛋白的球蛋白组分中，又称免疫球蛋白（immunoglobulin，Ig）。,一、免疫球蛋白的结构及其多样性,1.定义: Ig是指具有抗体活性或化学结构上与抗体相似的糖蛋白分子,是B淋巴细胞的产物，主要分布在血清中。2.分类： 5类：即IgG、IgA、 IgM、IgD 及IgE。 人血清中以IgG含量最多，IgA次之， IgM较少，IgD与IgE仅微量。,3.基本结构,基本单位4条肽链2条重链（H链），分子量大，440 aa2条轻链（L链），分子量小，214 aa,L链,H链,（1）重链（heavy chain，H） 多肽链的N端重链的1/4可变区（V区），其余的3/4恒定区（C区）。 根据H链C区氨基酸序列的不同，将H链分为5种： 、 、 、 、 。 IgA、 IgD、 IgE、 Ig G、 Ig M。 不同的H链C区约有40%同源性。在5种Ig分子中，IgA以二聚体形式、IgM以五聚体形式存在。,（2）轻链 按照L链C区氨基酸序列的不同，分为链和链两种，轻链的1/2故成为可变区（V区），轻链的其余1/2，称为恒定区（C区）。,4.特点： Ig具有高度特异性，不同的免疫原可以诱导不同B细胞克隆产生不同的抗体。 正因为它具有高度的特异性，因而表现高度多样性。 据估计，一个个体具有可产生超过1亿种抗体的潜能。,二、Ig基因的结构及其多样性的发生,(一) Ig基因的定位 链基因分布在2p，链基因分布在22q，重链基因则位于14q。(二) Ig基因结构和多样性 1轻链基因的结构 链、链基因均包括:V（variable）、J（joining）、C（constent）三类基因片段。,V区基因： V区基因片段大约有150个编码基因。上游都有一个L（leader）基因编码22个氨基酸的前导序列（信号肽）。V基因编码链的V区蛋白约96个氨基酸。,L1 V1 L2 V2 Ln Vn J1 J2 J3 J4 J5 C,链的基因结构(2p12),J基因片段： 在V基因片段的下游相距23kb，J基因片段由5个基因组成，其中J3是无效基因。J基因间相距较近，每个J基因约由500700bp组成，编码13个氨基酸的肽段。这些氨基酸也属于V区肽段的一部分，称为连接肽段。C区基因： J区的下游相距2.5kb处， 只有1个C基因，编码链C区肽段。,链的基因结构(22q11),链中L/V基因有100种，但J/C只有6种。重排的组合数远低于链。,2重链基因的结构在胚胎细胞中分隔为L、V 、D、J、C五类基因节段。,L V (300种) D(30种) J(6种) C(9种）,V基因节段可达300种,D基因节段30种,J基因节段6种,C基因节段9种。 D基因节段位于V、J基因节段之间,为多变区(diversity, D)。 C基因节段的各外显子为各个功能区绞链区的肽段编码。,3.抗体多样性的发生机制,基因重排产生抗体的多样性 B细胞胚系DNA上有许多组成Ig分子的基因，这些基因在受到不同抗原刺激后发生重排，随机重排翻译成大量的具有不同特异性的Ig。 L链和H链组合起来能够产生4.01010 种不同的Ig分子。,重链基因家族V/D/J重排: 分为两个阶段,首先D-JH基因节段重组;然后VH与DJH基因节段重组。由于V/D/J重排和V/D、D/J接头处的灵活性,约计能够产生5.0106(300306910)种重链活性基因。,轻链基因重排： 首先进行V与J连接，VJ再与C区基因连接联结时V和J不同节段的组合,加上V/J接头处的灵活性,可产生至少7500(150510)(假定V/J接头处的灵活性提供10种组合)种不同的轻链活性基因。,等位排斥 (allelic exclusion) 等位排斥是指在同一个细胞内一对同源染色体上的两个等位基因中,只有一个基因发生重排,其等位基因则不能表达。包括同型排斥和等位排斥。,DNA重组产生的类转换 （class switching） 抗原刺激后，B细胞在分泌IgM和（或）IgD的同时，发生重链VDJ基因与CH 基因的转换性重排，即VDJ从与C基因连接转换到与C或C、C基因连接，从而使B细胞能够产生具有同样抗原特异性但恒定区不同的其他类型的抗体，此过程即类转换。,体细胞突变 体细胞在发育过程中可发生基因突变，这种突变主要发生在V基因。体细胞突变扩展了原有胚系基因片段的多样性。其他增加Ig多样性的机制 V区、J区结构的变异性以及V/J连接出现核苷酸缺失数的变异性,均是Ig多样性的来源。V、C基因间重组产生的缺失与重排也可产生抗体的多样性。,三、遗传性抗体缺乏症,在B细胞分化成熟的全过程中如发生缺陷即可导致抗体形成缺乏。实际上，遗传性抗体缺乏是一种原发性免疫缺陷病。大部分原发性免疫缺陷病与遗传有关，如婴儿无丙种球蛋白血症和先天性低丙种球蛋白血症。,（一）遗传性无丙种球蛋白血症,1952年，Bruton报道了第一例无丙种球蛋白血症（agammaglobulinemia）。该病的特征是血循环中缺乏B细胞和球蛋白，较常见于男性新生儿，患儿出生6个月后开始出现症状，如反复感染，包括肺炎、支气管炎、脑膜炎、败血症等。,本病表现为X连锁隐性遗传，致病基因位于Xq21.3-q22。该基因所编码的蛋白为酪氨酸蛋白激酶。本病的发生是由于B细胞成熟受阻，体内Ig水平极低。由于出生时新生儿体内存留有母亲的Ig，所以暂时不表现病症。随着年龄增长，母亲的Ig日益减少而本身又不能有效地合成新的Ig，所以到6个月时开始出现病症。该病可以通过定期注射无丙种球蛋白进行治疗。,T淋巴细胞在免疫应答中起着关键的作用。 T淋巴细胞表面有一种识别分子,可以像抗体一样进行识别,为区别于抗体, 把它称为T细胞受体(T cell receptor, TCR)。,第四节 T细胞受体的遗传,TCR与抗体的主要差别是,抗体是以细胞表面分子或者可溶性分泌分子两种形式产生,而TCR仅存在于细胞表面。内源性或外源性抗原肽和MHC结合形成MHC-肽复合物，被TCR所识别，从而启动免疫反应。 TCR具有高度多样性，根据推算，一个个体带有不同TCR分子的T细胞数可达10151018。,一、T细胞和TCR的结构及其类型 TCR是T细胞的一种表面标志。TCR与CD3呈复合物的形式存在于抗原特异性T细胞表面。 TCR的多肽链是异质性的,根据抗原结构和编码基因不同,已经发现有、4种多肽链,根据其组成不同分为两种类型: TCR（型，占95%，广泛分布） TCR（型，占5%，局限分布）。,结构：,组成TCR分子的、四条肽链可分为胞外段、穿膜段（TM）、和细胞质（CY）三部分。肽链羧基端在细胞质内，氨基端在细胞外。,胞外段根据氨基酸顺序变化、大小分为可变区（V）、及恒定区（C）。 链可变区又分为3个超变区也称互补决定区（complementarity determing regions，CDR）即CDR1、 CDR2 、CDR3。 CDR3：变异性最大，结合外来抗原肽，决定TCR的抗原特异性。 CDR1、CDR2：识别和结合MHC分子，参与细胞识别中的MHC限制性。,二、TCR的基因结构、重排与表达1、人的TCR基因结构和基因定位,链基因：V、J、C基因组成， 链基因：由V、D、J、C基因组成,链基因：由V、J、D、C基因组成，位于7q32-q35 链基因: 由V、J、C基因组成，位于7p15,（14q11-q12）,链基因有50 100个基因节段,60 100个J基因节段; 链基因有14个V基因节