抗原识别受体多样性的产生

1、抗原识别受体多样性的产生抗原识别受体多样性的产生和和T T、B B淋巴细胞的发育淋巴细胞的发育抗原识别受体多样性的产生抗原识别受体多样性的产生1. TB细胞都用其抗原识别受体识别抗原细胞都用其抗原识别受体识别抗原B细胞：细胞：B cell receptor (BCR) T细胞：细胞：T cell receptor (TCR)淋巴细胞抗原识别特点：淋巴细胞抗原识别特点：2. 一种淋巴细胞仅表达一种抗原受体一种淋巴细胞仅表达一种抗原受体 究竟什么样的病原微生物能够突破机体究竟什么样的病原微生物能够突破机体的天然免疫屏障并不能预料。为了能够防御的天然免疫屏障并不能预料。为了能够防御所有可能的病原微生

2、物的感染，所有可能的病原微生物的感染，特异性免疫特异性免疫应答系统必须能够识别所有可能的外来抗原应答系统必须能够识别所有可能的外来抗原物质，物质，因此因此BCRBCR和和TCRTCR必须形成一个巨大的抗必须形成一个巨大的抗原受体库。原受体库。问题：问题： 为什么人产生的抗体比他自身携带为什么人产生的抗体比他自身携带的总的基因数还要多？的总的基因数还要多？ 人可以表达的抗原受体约为人可以表达的抗原受体约为10101212个，个，人的基因总数仅为人的基因总数仅为3 35 5万个。万个。内容：内容：一、一、BCRBCR重排的发现及重排的发现及BCRBCR胚系基因结构胚系基因结构二、产生二、产生BCR

3、BCR多样性的机制多样性的机制三、三、TCRTCR的基因结构和多样性的产生的基因结构和多样性的产生 一、一、 BCRBCR重排的发现及其胚系基因结构重排的发现及其胚系基因结构 BCR BCR或抗体或抗体由可变区和恒定区组成，其多样性是由可变区和恒定区组成，其多样性是由可变区决定的。由可变区决定的。 可变区多样性是怎样产生的可变区多样性是怎样产生的? ?抗体多样性的两种假说：抗体多样性的两种假说： 体细胞突变假说体细胞突变假说 B B细胞发育过程中发生了突变，导致生成的细胞发育过程中发生了突变，导致生成的BCRBCR或者抗或者抗体变成许多种体变成许多种基因片段重排假说基因片段重排假说 Dreye

4、rDreyer和和BennettBennett于于19651965年年提出，即两个基因一条多提出，即两个基因一条多肽链理论。他们认为肽链理论。他们认为BCRBCR由两类基因片段组成，一类编由两类基因片段组成，一类编码码BCRBCR的的V V区，一类编码区，一类编码BCRBCR的的C C区。区。V V区基因含有多个基区基因含有多个基因片段，只有其中一个片段与因片段，只有其中一个片段与C C区形成抗体。区形成抗体。？TonegawaTonegawa的设想：的设想： XXXXXX 限制性内切酶酶切位点限制性内切酶酶切位点BCRBCR胚系基因胚系基因经过重排的基因经过重排的基因 重排现象的重排现象的实

5、验证明实验证明 对小鼠胚系对小鼠胚系DNADNA和骨髓瘤细胞和骨髓瘤细胞V V和和C C基因的基因的DNADNA做序列分析，发现在重排后的做序列分析，发现在重排后的V V区和区和C C区基因不区基因不是直接拼接在一起的，由此发现了是直接拼接在一起的，由此发现了J (joining)J (joining)基因片段和基因片段和D D（diversitydiversity）基因片段。）基因片段。人免疫球蛋白胚系基因图人免疫球蛋白胚系基因图 l l轻链基因位于轻链基因位于2222号染色体上，号染色体上，k k轻链基因位于轻链基因位于2 2号染色体上，号染色体上，重链基因位于重链基因位于1414号染色体

6、上。号染色体上。 V V区基因和区基因和C C区基因。区基因。V V、D D、J J基因片段。基因片段。 信号肽信号肽L(leader)L(leader)将各条肽链导入内质网腔后被切去。将各条肽链导入内质网腔后被切去。“ForhisdiscoveryofthegeneticprincipleforgenerationofantibodydiversityMassachusetts Institute of Technology (MIT) Cambridge, MA, USAThe Nobel Prize in Physiology or Medicine 1987Susumu Tonegaw

7、a（利根川进（利根川进）b.1939二、产生二、产生BCRBCR多样性的机制多样性的机制 (1) (1) 多样性机制之一：基因片段的重排多样性机制之一：基因片段的重排每条编码轻链和重链可每条编码轻链和重链可变区的基因都由数个基变区的基因都由数个基因片段组成。因片段组成。k k链：链：40（Vk k）x 5（Jk k）= 200个个Vk kl l链：链：30（Vl l）x 4（Jl l）= 120个个Vl l重重链：链：65（VH H）x 27（DH H）x 6（JH H）= 11000个个VH H基因片段重排方式基因片段重排方式：12/2312/23规则规则(12/23 rule)(12/23

8、 rule)重组信号序列重组信号序列(recombination signal sequence, RSS):(recombination signal sequence, RSS): 七核苷酸七核苷酸12/2312/23核苷酸的随机序列九核苷酸核苷酸的随机序列九核苷酸k k链：链：40（Vk）x 5（Jk）= 200个个Vkl l链：链：30（Vl l）x 4（Jl l）= 120个个Vl l重重链：链：65（VH H）x 27（DH H）x 6（JH H）= 11000个个VH H 理论上将产生理论上将产生11000 x(20011000 x(200120)=3.5x10120)=3.5x

9、106 6个不同个不同抗原特异性的抗体，实际上要少一些。因为并不是抗原特异性的抗体，实际上要少一些。因为并不是所有的所有的V V基因都以同样频率使用，并不是所有的轻链基因都以同样频率使用，并不是所有的轻链重链配对都能成功。重链配对都能成功。（2) 2) 多样性机制之二：重链轻链随机组合多样性机制之二：重链轻链随机组合（3 3）多样性机制之三：基因片段结合处的变化）多样性机制之三：基因片段结合处的变化 仅仅通过基因重排和随机组合，理论上只能仅仅通过基因重排和随机组合，理论上只能产生产生3.5x103.5x106 6个不同抗原特异性的抗体，实际上个不同抗原特异性的抗体，实际上抗体的数目要远远多于这

10、个数字。抗体的数目要远远多于这个数字。 为什么为什么CDR3CDR3高变区变化最大呢？高变区变化最大呢？ 抗体多样性主要由抗体多样性主要由CDRCDR体现，其中体现，其中CDR3CDR3在三个高变区在三个高变区中的变化最大。中的变化最大。CDR1CDR1和和CDR2CDR2由由V V区基因编码，区基因编码，CDR3CDR3在轻链在轻链中是由中是由V V基因片段和基因片段和J J基因片段的连接处编码的，在重链基因片段的连接处编码的，在重链中是由中是由D D基因编码的。基因编码的。 对重排后的基因和胚系基因的核苷酸序列进对重排后的基因和胚系基因的核苷酸序列进行测定，发现行测定，发现V V（D D）

11、J J不是准确地连在一起的，不是准确地连在一起的，在连接时增加和减少数个核苷酸，连接多样性在连接时增加和减少数个核苷酸，连接多样性(junction diversity)(junction diversity)。 核苷酸在连接处的增加或者减少常常导致核苷酸在连接处的增加或者减少常常导致DNADNA的读框受到破坏，产生没有功能的抗体。的读框受到破坏，产生没有功能的抗体。 （4 4）多样性机制之四：体细胞突变）多样性机制之四：体细胞突变纯系三组纯系三组BALB/cBALB/c小鼠免疫小鼠免疫抗原后对特异性抗体可变抗原后对特异性抗体可变区的序列分析区的序列分析 抗体的亲和力成熟抗体的亲和力成熟(af

12、finity maturation)（5 5）重排和高突变的发育控制）重排和高突变的发育控制 重排：抗体基因片段在重排：抗体基因片段在与抗原无关的情况下装与抗原无关的情况下装配起来，这样的抗体对配起来，这样的抗体对抗原具有低亲和力。抗原具有低亲和力。体细胞突变：一旦抗原体细胞突变：一旦抗原被找到了，对该抗原具被找到了，对该抗原具有低亲和力的有低亲和力的B B细胞就细胞就会发生体细胞突变，形会发生体细胞突变，形成高亲和力的成高亲和力的B B细胞。细胞。三、三、TCRTCR的基因结构和多样性的产生的基因结构和多样性的产生 BCRBCR和和TCRTCR都是识别抗原，那么都是识别抗原，那么TCRTCR

13、的的基因结构和多样性的产生究竟是否和基因结构和多样性的产生究竟是否和BCRBCR相似呢？相似呢？（1 1）TCRTCR和和BCRBCR的相似之处的相似之处 TCRTCR结构类似免疫球蛋白，与免疫球蛋白有结构类似免疫球蛋白，与免疫球蛋白有30-35%30-35%同源性。同源性。与与BCRBCR一样，两种一样，两种TCRTCR都含可变区和恒定区。都含可变区和恒定区。TCRTCR结构与免疫球蛋白结构与免疫球蛋白的的FabFab类似类似 TCRTCR的基因的组成方式与免疫球蛋白基因基本一样。的基因的组成方式与免疫球蛋白基因基本一样。a a链链和和g g链链基因类似轻链，有基因类似轻链，有V V和和J

14、J基因片段。基因片段。b b链和链和d d链链基因类似基因类似重链，有重链，有VDJVDJ基因片段基因片段。 TCRTCR的胚系基因结构的胚系基因结构（ b, gb, g链基因在第链基因在第7 7号染色体上号染色体上， a, da, d链基因链基因在第在第1414号染色体上号染色体上）TCRTCR也是通过体细胞重排变为多样性的也是通过体细胞重排变为多样性的 TCRTCR的重排的机制与免疫球蛋白一样，也具有的重排的机制与免疫球蛋白一样，也具有7 7核核苷酸和苷酸和9 9核苷酸的重组识别信号，并遵守核苷酸的重组识别信号，并遵守12/2312/23碱基碱基规则规则。TCRTCR也存在着等位排斥现象也

15、存在着等位排斥现象（2 2）TCRTCR和和BCRBCR的区别的区别TCRTCR也具有连接多样性。因为也具有连接多样性。因为TCRTCR具有更多的具有更多的J J基因片段基因片段和更多的和更多的N N区插入，区插入，TCRTCR在连接处的变化更大。在连接处的变化更大。编码编码TCRTCR b b链的链的D D基因片段有两处，这样会增加其有基因片段有两处，这样会增加其有效重排的机会效重排的机会编码编码a a链的链的J J基因片段有多个，也会增加有效重排的基因片段有多个，也会增加有效重排的机会机会TCRTCR没有分泌形式，总是膜蛋白没有分泌形式，总是膜蛋白 TCR TCR最大的不同于最大的不同于B

16、CRBCR的地方是它不产生体细的地方是它不产生体细胞突变。胞突变。 为什么？为什么？ T T细胞仅是识别细胞结合的抗原。这些抗原局部浓细胞仅是识别细胞结合的抗原。这些抗原局部浓度很高，不需要度很高，不需要T T细胞的亲和力通过体细胞突变增加。细胞的亲和力通过体细胞突变增加。 成熟的成熟的T T细胞不能识别自身抗原，而体细胞突变后可细胞不能识别自身抗原，而体细胞突变后可能会产生自身反应性。和能会产生自身反应性。和B B细胞不一样，自身反应的细胞不一样，自身反应的T T细胞可以直接引起疾病，因此细胞可以直接引起疾病，因此T T细胞不应该通过体细胞细胞不应该通过体细胞突变。突变。 TCRTCR在很多

17、方面与在很多方面与BCRBCR非常相似，也是通过体非常相似，也是通过体细胞重排变为多样性的，其重排机理与细胞重排变为多样性的，其重排机理与BCRBCR一样。一样。不过不过TCRTCR和和BCRBCR也有许多不同之处。二者最大的不也有许多不同之处。二者最大的不同是同是T T细胞不发生体细胞突变，由此避免了由体细胞不发生体细胞突变，由此避免了由体细胞突变产生自身反应性细胞突变产生自身反应性T T细胞。细胞。T T细胞和细胞和B B细胞的发育细胞的发育内容：内容：一、一、 B B淋巴细胞的发育淋巴细胞的发育二、二、 T T淋巴细胞的发育淋巴细胞的发育 一、一、B B淋巴细胞的发育淋巴细胞的发育B B

18、细胞的生成细胞的生成 B B细胞发育经历细胞发育经历4 4个阶段个阶段 B B细胞的发育过程细胞的发育过程经耐受选择后移到周围淋巴器官Nave B细胞B B细胞的早期发育依赖于骨髓基质细胞（表达黏附分细胞的早期发育依赖于骨髓基质细胞（表达黏附分子和子和B B细胞生长因子）细胞生长因子）B B细胞发育过程中轻链重链的重排过程细胞发育过程中轻链重链的重排过程在在pre-Bpre-B细胞阶段，细胞阶段，重链、重链、IgIga a和和IgIgb b、由由l l5 5和和VpreBVpreB组成的组成的替代轻链形成复合替代轻链形成复合物物 B B细胞离开骨髓经由血流进入次级淋巴器官。细胞离开骨髓经由血流

19、进入次级淋巴器官。 B B细胞细胞需要在次级淋巴器官的需要在次级淋巴器官的滤泡中生存，可能是由滤泡树滤泡中生存，可能是由滤泡树状细胞提供生存信号的。状细胞提供生存信号的。 每天小鼠新生成的每天小鼠新生成的B B细胞大约为总细胞大约为总B B细胞库的细胞库的5 51010。B B细胞库的细胞数量是基本恒定的。细胞库的细胞数量是基本恒定的。B B细胞的选择细胞的选择 如果骨髓中不成熟如果骨髓中不成熟B B细胞与骨髓基细胞与骨髓基质细胞表达的自身抗原反应，那么细质细胞表达的自身抗原反应，那么细胞会发生凋亡或者变得没有反应性。胞会发生凋亡或者变得没有反应性。 与成熟与成熟B B细胞不同，不成熟的细胞不

20、同，不成熟的B B细胞表面交连后会细胞表面交连后会凋亡或者变得无反应性。凋亡或者变得无反应性。 每天每只小鼠生成35x106个large pre-B细胞，但是仅有1020 x106个B细胞在骨髓中生成，成活的B细胞仅占pre-B细胞的一半。大量的不恰当的基因重排和自身反应B细胞在骨髓中被清除掉了。 如果骨髓中如果骨髓中B B细胞免疫球蛋白基因重排产生的细胞免疫球蛋白基因重排产生的BCRBCR可以识别自身抗原，则这种可以识别自身抗原，则这种BCRBCR基因被删除，基因被删除，取而代之的是新的重排，这种现象叫做受体修正取而代之的是新的重排，这种现象叫做受体修正（Receptor editingRe

21、ceptor editing）。）。 受体修正的实验证明受体修正的实验证明 B B细胞群体的产生细胞群体的产生B B2 2细胞发育过程总结细胞发育过程总结三、三、T T淋巴细胞的发育淋巴细胞的发育 T T细胞与细胞与B B细胞的发育方式很相近。细胞的发育方式很相近。 T T细胞也来自骨髓干细胞，不过细胞也来自骨髓干细胞，不过T T细胞不是在骨细胞不是在骨髓而是在胸腺中发生基因重排并分化成熟的髓而是在胸腺中发生基因重排并分化成熟的。 ababT T细胞只识别细胞只识别MHCMHC分子结合的抗原肽，分子结合的抗原肽，T T细胞细胞必须是自身抗原耐受的，必须是自身抗原耐受的，这两项性质是通过阳性这两

22、项性质是通过阳性和阴性选择来完成的。和阴性选择来完成的。 T T细胞在胸腺中的发育细胞在胸腺中的发育 T T细胞前体迁移到胸腺中发育成熟细胞前体迁移到胸腺中发育成熟 胸腺中，不成熟的胸腺中，不成熟的T T细胞（胸腺细胞）经过重排、阳细胞（胸腺细胞）经过重排、阳性选择和阴性选择发育成为成熟性选择和阴性选择发育成为成熟T T细胞。细胞。胸腺小叶的结构胸腺小叶的结构胸腺皮质含不成熟的胸腺细胞，胸腺髓质含成熟的胸腺细胞。胸腺皮质含不成熟的胸腺细胞，胸腺髓质含成熟的胸腺细胞。上皮细胞组成的胸腺基质为胸腺细胞发育提供了微环境上皮细胞组成的胸腺基质为胸腺细胞发育提供了微环境 T T细胞前体进入胸腺，经过一个星期左右的细胞前体进入胸腺，经过一个星期左右的分化，进入大量快速增殖期。分化，进入大量快速增殖期。 刚成年的小鼠的胸腺有刚成年的小鼠的胸腺有1 12 2 x 10 x 108 8胸腺细胞，胸腺细胞，每天产生每天产生5 5 x 10 x 107 7新胸腺细胞，但是只有新胸腺细胞，但是只有1 12 2 x x 10106 6细胞（大约细胞（大约3 3）离开胸腺成为成熟）离开胸腺成为成熟T T细胞，细胞，约约9898的胸腺