免疫学第三章抗体

1、第三章 抗体(antibody),掌握免疫球蛋白、抗体的概念、结构、分类和功能。 熟悉免疫球蛋白的抗原性，各类免疫球蛋白的生物学活性和抗体的制备。,3.1 抗体的发现及其特征3.1.1 抗体的发现,第一种抗体的发现: 1890年德国学者Behring和日本学者北里： 白喉杆菌（G）外毒素 动物 血清中发现中和外毒素的组分抗毒素。 含有抗体的血清免疫血清(抗血清),免疫,抗原和抗体的概念的建立： 又发现了杀菌素、溶菌素、凝集素、沉淀素等因子； 将血清中这种具有特异性反应的组分称为抗体（antibody，Ab）； 能刺激机体产生抗体的物质称为抗原（antigen，Ag）。,312 抗体的理化性质,

2、1.抗体是球蛋白 20世纪40年代，Tiselius和Kabat用肺炎球菌多糖免疫家兔，获得免疫血清。加入相应抗原吸收除去抗体，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。 证明抗体活性存在于丙种球蛋白内。,抗体由异质性球蛋白组成 对不同免疫血清的电泳分析，超速离心分析和分子量测定，发现大部分抗体活性存在于球蛋白内； 小部分抗体活性可存在于球蛋白内，分别被命名为7S 球蛋白分子（2A，16万）、19S2巨球蛋白分子（2M，90万）。,2.免疫球蛋白,血清中现已发现有五类免疫球蛋白分子 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（Ig）。 球蛋白IgG，2M

3、IgM，而2AIgA。又相继发现IgE和IgD。,抗体与免疫球蛋白的区别：,抗体着重于生物学活性，即能与相应抗原特异性结合的具有免疫功能的球蛋白，如抗布鲁氏菌抗体、抗抗体、抗核抗体。 免疫球蛋白着重于化学特征，指具有抗体活性或化学结构上与抗体结构相似的球蛋白 抗体是免疫球蛋白，但免疫球蛋白不一定都是抗体（多发性骨髓瘤患者体内所产生的免疫球蛋白并不都有抗体活性）。,抗体主要存在血液中和其他体液（组织液）和外分泌液中分泌型Ig（sIg）； 免疫球蛋白也可作为抗原受体，存在于B细胞膜上膜型Ig（mIg）,32 免疫球蛋白的分子结构与功能,321 免疫球蛋白的基本结构,酶解免疫球蛋白对血清IgG研究：

4、 R. Porter 木瓜蛋白酶 2Fab片断、 1Fc片断。 A.Nisonoff 胃蛋白酶 1F(ab)2片断（具 有双价活性）、Fc小片断。 G.Edelman 2-巯基乙醇 2H链、2L链,Ig分子基本结构：由左右对称的四个肽链组成（二条轻链和二条重链）轻链与重链之间由二硫键连接成Ig单体，分为N端，C端。（一）轻链和重链 1轻链（light chain，L链） 结构：214AA，不含碳水化合物，24KD，有两个由链内二硫键组成的环肽； 分型：根据恒定区抗原性（构型差异）分：与2型，一种抗体分子只有一种L链， 还可分亚型（小鼠3，人4）,2重链（heavy chain，H链）结构：45

5、0-550AA，55-75KD，含糖数量不同，4-5个链内二硫键； 分类：根据恒定区抗原性，分5类：、链，还可分亚类。 不同的H链与L链（或）组成完整5类Ig：IgM，IgG，IgA，IgD和IgE 。,（二）可变区和恒定区,1可变区（Variable region，V区）AA差异大。 L链N端 1/2处（VL）108-111AA， H链N端1/5-1/4处（VH）118AA。 V区各有一个肽环，包括65-75AA。,V区可分为 骨架区（FR）：AA组成和排列 顺序不易变化的区域 高变区（HVR）：AA组成和排列 顺序更易变化的区域 VL的HVR在24-34，50-56，89-97氨基酸位置。

6、 VH的HVR在31-35，50-56，95-102氨基酸位置。分别称为VL和VH的HVR1，HVR2，HVR3。,三个HVR共同组成Ig的抗原结合部位互补性决定区（CDR），VL和VH的HVR1，HVR2，HVR3分别称为CDR1，CDR2，CDR3，CDR3具有更高的高变程度。 抗体的独特性决定簇也在该区。,高 变 区,2恒定区（constant region，C区）L链C端1/2处，105AA， H链C端3/4-4/5处，331-431AA。 在同一种属动物中是比较恒定的。 恒定区参与免疫应答的启动与效应。,（三）功能区（domain）,链内二硫键折叠成球形区。 约由110AA重复组成。

7、AA顺序具有高度的同源性（各类Ig相应功能区中，1/3AA序列相同）。 1 L链功能区：2个，（VL，CL各一个） 2 H链功能区： IgG，IgA，IgD，4个（V区1，C区3）； IgM，IgE，5个（V区1，C区4）,3.功能区的结构,功能区均具有相似的二级和三级结构： 二级结构：两个反向平行的片层和环状结构组成，每一片层由35股多肽链折叠形成，多肽链由环状区连接。 三级结构：两个反向平行的片层通过疏水作用及二硫键的作用形成一个免疫球蛋白的结构域（ 桶状）。 四级结构： （Ig折叠）4条肽链（H2L2）通过非共价键连接,4 功能区的作用：（1） VL和VH是抗原结合部位（ VL和VH 3

8、个高变区共同组成）。（2） CH13和CL具有同种异型的遗传标记。（3） IgG 的CH2、IgM的CH3有补体C1q的结合点，活化补体活化的经典途径。（4） IgG 的CH3结合单核细胞、巨噬细胞、中性粒细胞、B细胞、NK细胞的Fc段受体（FcR），IgE的CH2和CH3区与肥大细胞和嗜碱性粒细胞的IgEFc受体（FcR）结合。,5 铰链区（hinge region）: CH1和CH2之间的非独立功能区。富含脯氨酸，易伸展弯曲，易被木瓜蛋白酶、胃蛋白酶水解（分别在近N端、近C端切断）。（1） 当VL，VH与抗原结合时，发生扭曲，使抗体分子上两个抗原结合点与不同距离的两个抗原决定簇发生互补。（

9、2）引起CH2和CH3构型变化，显示出活化补体、结合组织细胞等活性。 IgM和IgE的H链无铰链区，依靠CH2/CH2发挥铰链区的作用。,（四）J链和分泌成分,1 J链（joining chain）：由浆细胞合成的多肽链，存在于IgA（二聚体），IgM（5聚体）中，以二硫键共价结合到Ig重链上，在Ig组成和体内转运中具有作用。 2 分泌成分（secretory component，SC）：IgA上的一个辅助成分（多肽链），粘膜上皮细胞产生，对抵抗外分泌液中的蛋白水解酶的降解、介导IgA的转运起重要作用。,3.2.2 免疫球蛋白的分子功能,（一）特异性结合抗原Ig最显著的生物学特点。 结合特性由

10、V区（HVR）的空间构型决定：L链和H链超变区组成抗原结合点，与抗原表位互补，借助静电力，氢键以及范德华力等相结合，结合可逆，受pH、温度和电解质浓度的影响。,（二）活化补体 1 IgM，IgG1，IgG2和IgG3可通过经典途径活化补体。 2 凝聚的IgA，IgG4，IgE的Fc段等可以通过替代途径活化补体。,（三）结合Fc受体 不同细胞表面有不同Ig的Fc受体（FcR，FcR，FcR），Ig与抗原结合后，由于构型改变，促使Fc同相应的细胞结合。 IgE抗体Fc段含较多的半胱氨酸和甲硫氨酸，使其可在游离情况下与细胞受体结合，称为亲细胞抗体（cytophilic antibody）。,1介导I

11、型变态反应（肥大细胞、嗜碱性粒细胞FcR ） IgE诱导的细胞脱颗粒，释放组胺，合成由细胞质来源的介质（白三烯，前列腺素，血小板活化因子）引起的I型变态反应。,2调理吞噬作用（opsonization） 指抗体，补体等调理素（opsonin），促进吞噬细胞吞噬细菌等颗粒性抗原。 IgG、IgA、IgE抗体的Fc段与中性粒细胞、巨噬细胞FcR结合直接调理作用（不通过补体）。 IgM通过C3b间接调理作用。,3 发挥抗体依赖的细胞介导细胞毒作用（antibody dependent cell-mediated cytotoxicity, ADCC）： 表达Fc受体的细胞（NK细胞、巨噬细胞）通过识

12、别抗体的Fc段直接杀伤被抗体包被的靶细胞。（IgG、IgA、IgE）,（四）通过胎盘和粘膜IgG是唯一可通过胎盘从母体转移给胎儿的Ig。通过自然被动免疫，对新生儿的抗感染有重要作用。 分泌型IgA可通过呼吸道和消化道的粘膜，是粘膜局部免疫的最主要因素。 （五）参与免疫调节 抗体对体液免疫有正、负调节作用，抗独特性抗体参与独特性网络调节。,3.2.3 免疫球蛋白分子的抗原性 （异质性）,抗体是结构复杂的糖蛋白，具有抗原性。 抗体的异质性 即免疫球蛋白的不均一性 免疫球蛋白的类别：类、亚类、型、亚型 免疫球蛋白的抗原性：同种型、同种异型、独特型（根据抗原存在的部位及其诱导产生的免疫应答反应的差异）

13、,（一）同种型（isotype） 指同一种属内所有个体共有的Ig抗原特异性的标记，在异种体内可诱导产生相应的抗体。 抗原性主要位于CH和CL上，包括Ig的类、亚类、型和亚型。 种属标志，不能作为遗传标志。,1免疫球蛋白的类和亚类（Classes and subclasses） （1） 类（5类）（ 、链）存在于H链的恒定区（CH）。 （2） 亚类：同一类Ig中，存在于H链的恒定区AA组成的较小差异、铰链区氨基酸组成和二硫键数目的差异。 人类IgG有IgG1、 IgG2、 IgG3、 IgG4； IgA有IgA1、 IgA2； IgM有IgM1、 IgM2。,2免疫球蛋白的型和亚型（types

14、and subtypes） （1） 型：决定Ig型的抗原性差异存在于L链的恒定区（CL）（或型） 。 （2） 亚型：按轻链恒定区个别氨基酸的差异又可分为1，2，3，4，四个亚型。,（二）同种异型（allotype） 指同一种属不同个体间的Ig分子抗原性的不同，由H链和L链的C区决定，在同种异体间免疫可诱导免疫反应。可以作为遗传标记。 1 链上的同种异型（IgG的CH 区、25种）。 2 2链上的同种异型（IgA的CH 区，2种）。 3. 型轻链上的同种异型（CL区，3种）。,（三）独特型（idiotype） 每一种特异性Ig和TCR、BCRV区上的抗原特异性。 独特型的抗原决定簇称为独特位（i

15、diotope），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（antiidiotypic antibody）。 独特型和抗独特型抗体可形成复杂的免疫网络，在免疫调节中占重要地位。 VL和VH高变区AA序列和构型不同所致，独特型的抗原决定簇的数目可达107 种。,3.2.4 免疫球蛋白分子的超家族,许多细胞膜表面和某些蛋白分子，多肽链折叠方式与Ig折叠相似，在DNA水平上和AA序列上与IgV区或C区有较高的同源性。可能从同一祖先基因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(Immunogloblin supe

16、r-family, IGSF)。,种类众多：近百种： TCR、BCR和信号传导分子； MHC及相关分子； Ig受体； 某些细胞因子受体； 部分白细胞分化抗原（CD）。,免疫球蛋白折叠（Ig fold） ： IGSF均含有17个Ig样功能区； 每个Ig样功能区： 100（70110）个AA 二级结构是由35股反平行折叠各自形成两个反平行片层的平面，有一个二硫键，垂直连接两个片层； 构成球形结构。,IGSF的功能是以识别为基础，故称为识别球蛋白超家族。 IGSF很可能起源于原始的具有粘附功能的基因，通过复制和突变衍生形成了识别抗原、细胞因子受体、IgFc段受体、细胞间粘附分子以及病毒受体等不同的功

17、能区。,3.3 各类免疫球蛋白的生物学活性,出生后3个月开始合成 多为单体，半衰期约为23天，占血清免疫球蛋白总量的75%80% IgG1、G2和G3的CH2通过经典途径激活补体 再次体液免疫应答的主要Ig；,一、IgG,唯一通过胎盘（IgG1、G2和G4）新生儿抗感染。 通过Fc段与吞噬细胞表面FcR结合（IgG1、G3）调理作用； 与K细胞结合ADCC作用； IgG1、G2和G4的Fc段与葡萄球菌A蛋白结合（可用SPA纯化IgG抗体，也可用结合于SPA的已知抗体用于免疫诊断）。 参与II、III型超敏反应（抗甲状腺球蛋白、抗核抗体引起）,五聚体，分子量最大巨球蛋白，主要在血液中起作用（不能

18、通过血管壁）。 结合抗原、激活补体能力、调理作用比IgG强（经典途径），无ADCC作用。 天然血型抗体，血型不符，发生溶血反应。 个体发育最早产生的抗体，胚胎晚期已能合成，新生儿脐带血中若IgM水平升高宫内感染,二、IgM,抗原刺激后出现最早的抗体，检测IgM水平可用于传染病的早期诊断。 不能通过胎盘。 BCR的主要成分，未成熟的B细胞只能表达mIgM，记忆性的B细胞mIgM逐渐消失。 杀菌、溶菌、溶血、促吞噬，也可参与II、III型超敏反应。,分血清型和分泌型两种： 血清型主要为单体，由肠系膜淋巴组织中的浆细胞产生。 凝聚的IgA可激活补体旁路途径。 分泌型IgA（SIgA）是二聚体，由呼吸

19、道、消化道、泌尿生殖道等处的固有层中浆细胞产生。存在于初乳、唾液、泪液，以及呼吸道、消化道和泌尿生殖道黏膜表面的分泌液中。 黏膜局部抗感染的主要抗体。,三、IgA,出生后46个月才产生，新生儿可从初乳中获得sIgA，否则易发生呼吸道、胃肠道感染。,B细胞的重要表面标志 B细胞的分化中首先出现SmIgM，后出现SmIgD，标志B细胞成熟，活化的B细胞或记忆性B细胞的SmIgD逐渐消失 。 可在个体发育的任何时间产生。 易被蛋白酶水解，故半衰期只有3天。 抗原受体,四、IgD,单体 由鼻咽部、扁桃体、支气管、胃肠道黏膜固有层中的浆细胞产生。 血清中含量极低（0.05mg/L） 亲细胞抗体（在游离状

20、态下就可与细胞结合）。 CH2和CH3可与肥大细胞、嗜碱性粒细胞上的高亲和力Fc受体结合，引起I型超敏反应,五、IgE,抗寄生虫作用通过ADCC作用和吸引嗜酸性粒细胞向局部游走。,3.4 免疫球蛋白基因的结构和抗体多样性,1965年，Dreyer和Bennett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（三个基因库）。,3.4.1 Ig重链基因的结构和重排,一

21、、Ig重链基因的结构和重排 人类H链基因库（胚系基因）： L（先导序列基因） V（易变区基因） D（抗体多样性基因） J（连接基因） C（恒定区基因）。 外显子之间通过内含子隔开，通过不同重排和重组信号完成基因片段的重排和内含子的剪除，形成不同的抗体。,胚系基因结构,（一）重链V区基因,前导序列：每个V基因片断的5端有1个L编码先导肽，引导H链穿越内质网膜，随后被切除； 由V，D，J三种基因片段经两次重排组成: 首先发生D与J连接形成D-J（各选1个基因），再与V连接（选1个基因），形成功能性的VDJ重组片段（见图3-13）。,重排信号序列（RSS）： 七聚体和九聚体，中间有“12”、“23”

22、所代表的非保守序列（间隔序列），这种七聚体-间隔序列-九聚体识别信号，即为RSS。 （见图3-15） 12/23规则：通过七聚体七聚体、九聚体九聚体配对， “12”和“23”之间的片段并被切除后，实现基因片段的重排和拼接（见图3-15） 。 连接酶进行连接时，两种基因的识别序列有不同程度的丢失和移位，增加了多样性。,N区的插入（通过不需膜板的末端脱氧核苷酸转移酶将核苷酸加到DNA断端）： 识别序列在被切开后连接前通过酶（外切酶、聚合酶）发生核苷酸随机添加，N区的长短和组成也是随机的。 只发生在H链V、D和D、J之间。,（二）重链C区基因,由多个外显子构成，每个外显子编码一个功能区（不同种类和亚

23、类的C区)。 人H链C区基因的顺序为C-C-C3-C1-C2（Pseudo基因）-C1- C-C2-C4-C1-C2（11个）。 活化后的B细胞除基因外，其他各段都有一段不编码的特殊序列，称为转换区（控制类别转换），是重组酶识别的位点。,重排过程： C与C基因片段与VDJ重组DNA片段紧密相连，共同转录，产生大分子的无翻译功能的初始转录本； 经加工剪接除去JH与C间多余的片段，形成有翻译功能的mRNA； 剪接时，保留C基因，则幼稚B细胞产生链； 保留C基因，则幼稚B细胞产生链； 同时翻译，在分化成熟的B细胞同时产生两 种重链。,Ig类别转换（class switch，又称同种型转换） 指一个B

24、细胞克隆在分化过程中， 保持已重排的V-D-J 功能性基因不变，与CH基因片断发生不同重排，产生不同类别的Ig的过程 转换后，V区相同，C区不同，即识别抗原的特异性相同，而Ig的类或亚类发生改变（B细胞受Ag刺激后先合成IgM,转变为合成IgG、IgA或IgE)（见图3-18，P56)。,重链基因须先经VDJ重排，再经类别转换，才能形成有功能的表达基因。 类别转换的影响因素： Th细胞：CD40L与CD40结合后，分泌多种细胞因子（IL-4促进IgM转换为IgE、TGF-可促进IgM转化为IgA、IFN-刺激产生IgG2）。 类别转换是抗体产生中的普遍现象：同一B细胞克隆先产生IgM，当其高峰

25、下降时，产生特异性的IgG，但识别抗原的特异性相同。,C,C,C,C,C,C,C,（三）膜表面Ig重链基因,膜表面Ig（SmIg）是B细胞识别抗原的受体。 CH基因片段中，有编码膜结合型C端的跨膜和胞内部分。对RNA前体的不同位点进行剪切和加尾，形成不同的成熟mRNA。 成熟B细胞只形成膜结合型抗体，而浆细胞则产生分泌型的抗体。（解释图319）,3.4.2 Ig轻链基因的结构和重排,在H链基因重排后，L链可变区基因片段随之发生重排。链基因先发生重排，如果基因重排无效，随即发生基因的重排。 L链的CDR1，CDR2和大部分CDR3由V或V基因所编码，J或J基因片段编码CDR3的其余部分和第四个骨

26、架区。 L链无D基因片段。,（一）链基因的结构和重排,链基因是V基因片断（V）、J基因片断（J）和C基因片断（C）重排后组成。 小鼠：V约有250个，J5个，C1个。 人：V约有100个，J5个，C1个。,V与C之间以随机方式发生重排(见图3-12）： 由始祖B细胞向前B细胞分化过程中，胞内重组酶活性增高，发生重排； V选1， J选1，与C形成具有转录功能的DNA片断，经转录形成无翻译功能的初级RNA转录本； 经加工剪接，去除J与C之间多余的基因片断，形成有翻译功能的mRNA. L为前导序列，引导肽链进入内质网，进入后被切除，形成链。,（二）链基因的结构和重排,链基因也是由V、J和C基因片断重

27、排后组成。 人V约有100个，至少有6个C基因片断，每C与各自的J基因片断相连（与链基因相分隔不同）。,343 抗体多样性的遗传基础,抗体的多样性在1000万以上。抗体多样性主要由基因控制: （1）胚系中众多的V、D、J、C基因片断，其重组是抗体多样性的主要来源； （2）VDJ连接的多样性（V、D、J连接时识别序列的丢失或移位而造成连接点附近的AA的变化）；,（3）体细胞高频突变（B细胞分化过程中的基因突变，只发生在IgG、IgA，不发生在IgM，其突变频率高，比其他基因高106）； （4）N区的插入 （5）L链H链相互随机配对。,小鼠Ig多样性（举例）,*多样性数目不包括VDJ连接多样性，N区插入和体细胞突变所增加的多样性数目。,Ig等位基因的排斥现象,同种异型排斥：一个成熟的B细胞只能表达一型轻链，其它类型的轻链都处在阻遏状态。 等位基因排斥现象：对于一个特定的B细胞，其两个同源染色体上编码重链或轻链的两个等位基因，仅