抗体,抗体的多样性及其产生机制PPT课件.ppt

抗体 抗体的多样性及其产生机制 高波2014 10 09gaobo 1 抗体研究简史 2 20世纪有关抗体研究获得诺贝尔医学生理学奖的免疫学家 3 20世纪有关抗体研究获得诺贝尔医学生理学奖的免疫学家 4 EmilvonBehring 1901 antitoxins GeoregesKohlerandCesarMilstein 1984 monoclonalantibody SusumuTonegama 1987 structureofIggene GeraldEdelmanandRodneyPorter 1972 structureofantibody PaulEhrlich 1908 productionofantibody NobelPrizewinners Burnet 1960 Clonalselection Jerne 1984 Idiotypenetwork 5 抗体 生物体最奇妙的分子 无限的多样性 diversity 功能与结构的双重性可变区 抗原结合 特异性specificity 恒定区 生物学效应功能分泌型和膜型表达 6 B细胞接受抗原刺激后增殖分化成浆细胞产生的糖蛋白 基本概念 主要存在于血清中 7 EmilvonBehring 1845 1917 抗毒素 1888 凝集素 1896 GruberandDurham 沉淀素 1897 kraus 抗体 antibody 是介导体液免疫的重要效应分子 是B细胞接受抗原刺激后增殖分化为浆细胞所产生的糖蛋白 抗体一词的由来 19世纪末 8 1937年Tiselius和Kabat用电泳方法证实抗体的活性存在于泳动最慢的血清组分 称为 球蛋白 抗体与 球蛋白关系 抗体 球蛋白 9 1968和1972年WHO和国际免疫学会分别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 抗体与免疫球蛋白关系 10 一 基本概念B细胞接受抗原刺激后增殖分化成浆细胞产生的糖蛋白与相应抗原特异性结合主要存在于血清中又称免疫球蛋白 Immunoglobulin 分泌型sIg 膜型mIg 11 1 四肽链通过链间二硫键组成H2L2重链 五类 isotype a g m d e 轻链 两型 k l 一 基本结构 免疫球蛋白的结构 12 RodneyPorter1917 1985NobelPrizein1972 GeraldEdelman1929 NobelPrizein1972 13 14 重链 Heavychain H链 大约500a a 糖基 类别 Class H链 Ig IgA IgG IgMIgD IgE轻链 lightchain L链 大约214a a 糖基 型别 type 重链和轻链 Heavy lightchains 15 可变区 Variableregion VH VL Fv 结合抗原VH和VL 高变区HVR 抗原结合部位 互补决定区CDR骨架区FR1 4 1971 Kabat 恒定区 Constantregion CH CL 绞链区 Hingeregion Thebasicstructureofimmunoglobulins 三个功能区 Domain 16 0102030405060708090100110120130140150160170180190200210220 50403020100 CDR1 CDR2 CDR3 抗体分子的多样性 Igl链的氨基酸序列 对来自不同B细胞克隆的Ig轻链氨基酸序列进行比较 发现V区的变化主要集中在3个分别由6 10个氨基酸残基组成的狭小区域内 这3个区又被称作高可变区或互补决定区 CDR 参与抗原结合部位的组成 17 0102030405060708090100110120130140150160170180190200210220 50403020100 CDR1 CDR2 CDR3 抗体分子的多样性 DiversityandSpecificity 18 19 抗原 B细胞表位 抗体CDR 表位 20 铰链区 Hingeregion 特点 1 极富弹性2 富含脯氨酸功能 1 有利于Ab与Ag的结合2 有利于Ab与补体的结合 21 IgG分子结合抗原前后的构象变化 22 结构域 1 Ig分子中由链内二硫键构成的致密立体球体 V C H 2 b sheet b barrel immunoglobulinfold 3 CDRs Hypervariableregions FRs Frameworkregions 23 免疫球蛋白的结构功能区 24 Ig likeDomain Ig样结构域 25 二 免疫球蛋白的其他成分 1 化学本质 浆细胞分泌的多肽链 JCHAIN IgAdimer 2 存在 IgM 五聚体 sIgA 双体 IgM 连接链 joiningchain J链 Secretorypiece Joiningchain 26 IgAdimer 分泌片 SecretoryPiece SP 1 化学本质 多肽链 70kD 2 来源 上皮细胞 Jchain 3 作用 a 帮助IgA穿越黏膜b 保护sIgA抵抗蛋白酶的水解作用 27 SecretoryIgA sIgA Plasmacells IgAdimer pIgR SP EpithelialCell 28 胃蛋白酶 木瓜蛋白酶 Fc pFc F ab 2 Fab 三 免疫球蛋白的水解片段 木瓜蛋白酶作用于IgG分子重链间二硫键的N端侧 将其裂解为Fab段和Fc段 胃蛋白酶则切在该二硫键之C端侧 产生F ab 2和pFc段 29 类 Class 重链C区抗原性IgG IgA IgM IgD IgE亚类 Subclass 重链抗原性 二硫键数目位置IgG1 4型 Type 轻链C区抗原性k l亚型 Subtype 轻链C区aa差异排列l1 4 免疫球蛋白的异质性 免疫球蛋白的类型 30 血清型 免疫球蛋白既可结合抗原 又可作为抗原 激发机体的免疫应答 因而也是一类抗原物质 由于免疫球蛋白的遗传基础不同 不同的免疫球蛋白的抗原性也有差异 利用血清学方法测定和分析免疫球蛋白抗原性予以分类 称为免疫球蛋白的血清型 31 1 同种型 isotype 同一种属所有个体免疫球蛋白分子共同的抗原特异性标志 由C区决定 32 2 同种异型 allotype 同一种属不同个体间免疫球蛋白分子所具有的不同的抗原特异性标志 由 链 链 链 链C区决定 33 3 独特型 idiotype Id 每个免疫球蛋白分子所特有的抗原特异性标志 由超变区特殊的氨基酸序列及其构型决定 34 1 与相应抗原特异性结合 Fv2 激活补体 3 结合FcR 促吞噬 opsonization 介导过敏介导细胞毒 ADCC 免疫调理4 穿过胎盘和粘膜5 调节免疫功能 免疫球蛋白的功能 35 36 免疫球蛋白的功能 a 37 b 免疫球蛋白的功能 38 Fc R Antibody DependentCell mediatedCytotoxicity 抗体依赖的细胞介导的细胞毒作用 Targetcell Ab Effectorcell Targetcell 表达Fc受体的组织细胞 NK M 中性粒细胞 通过识别抗体的Fc段直接杀伤被抗体包被的的靶细胞 ADCC 免疫球蛋白的功能 39 抗体的抗病毒效应 介导ADCC 经典途径激活补体 调理吞噬作用 免疫球蛋白的功能 40 IgG IgM IgA IgE IgD 各类免疫球蛋白的特点和功能 41 出生后3个月开始合成 3 5岁接近成人含量最多占血清总Ig的75 产生比较晚 是再次应答的主要抗体半衰期最长 t 23天 分布最广 血管外的主要抗体唯一能通过胎盘的Ig激活补体 IgG1 3 经典 IgG4 替代 结合细胞 巨噬细胞 单核细胞 调理作用NK细胞 巨噬细胞 介导ADCC结合SPA 协同凝集实验 特性 IgG 42 IgG 功能 抗感染的主要抗体介导II III型超敏反应介导自身免疫 调理介导ADCC固定补体中和病毒和毒素 抗菌抗病毒抗外毒素 43 IgG四个亚类的特点 IgG1 IgG2 IgG3 IgG4 血清含量 占IgG的百分比 702064血清半衰期 天 2323723通过胎盘 固定补体 结合Fc受体 44 特性血清中含量第三出现最早的Ig分布局限 主要在血管内d 通过经典途径激活补体e 分子量最大f 凝集细菌e 结合细胞 巨噬细胞 单核细胞 调理NK细胞 巨噬细胞 介导ADCC IgM J链 45 IgM 抗感染的先锋抗体介导II III型超敏反应介导自身免疫天然血型抗体 调理作用 最强 激活补体中和病毒和外毒素凝集微生物介导ADCC 功能 抗菌作用最强 500 1000 IgG 抗病毒抗外毒素 46 IgA 特点 血清中含量第二 血清型IgA serumIgA 主要以分泌型存在 外分泌液中 secretoryIgA sIgA sIgA通过初乳被动转移给新生儿 唾液 眼泪 乳汁 鼻黏膜 支气管分泌液 生殖道分泌物 前列腺液 小肠黏膜分泌液 SC Jchain IgAdimer 47 sIgA 功能 粘膜局部抗感染的主要抗体 阻止病原体粘附于粘膜细胞中和病毒和外毒素 伤寒沙门氏杆菌 奈瑟氏淋球菌脊髓灰质炎病毒 流感病毒 抗菌作用抗病毒作用抗外毒素作用 48 IgD分子 在膜表面的表达是B细胞成熟的主要标志 膜型IgD作为BCR的组成部分 发挥信号传导作用 49 50 StructureofIgEmolecule IgE 特性 1 含量最少 2 与肥大细胞和嗜碱性粒细胞表面的Fc R受体结合 亲细胞性抗体 不与Ag结合 即可与肥大细胞和嗜碱性粒细胞表面的FcR牢固结合 3 不能激活补体 51 IgE 参与过敏反应 I型超敏反应 结合肥大细胞和嗜碱性粒细胞导致各种生物活性的介质的释放 嗜酸性粒细胞有IgE的FcR 嗜酸性粒细胞通过此受体结合包被在蠕虫上的IgE的Fc段 最终杀死寄生虫 抗寄生虫感染 作用 52 人抗体分子的特性 抗体类别 IgG IgA IgM IgD IgE 重链类别 g a m d e 重链亚类 g1 g2 g3 g4 a1 a2 轻链类别 k 和 l k 和 l k 和 l k 和 l k 和 l 分子式 g 2 l 2 或 g 2 k 2 a 2 l 2 或 a 2 l 2 5 SCJ a 2 k 2 或 a 2 k 2 5 SCJ m 2 l 2 5 J 或 m 2 k 2 5 J d 2 l 2 或 d 2 k 2 e 2 l 2 或 e 2 k 2 分子量 kDa 150 160 或 400 900 180 190 固定补体能力 0 0 0 血清浓度 mg 100ml 1000 200 120 3 0 05 血清半衰期 天 23 6 5 3 2 穿过胎盘 0 0 0 0 肥大细胞和嗜碱 性细胞脱颗粒 0 0 0 裂解细菌能力 抗病毒能力 53 2014 10 13 54 抗体的多样性及其产生机制 抗体的多样性抗体的多样性产生的机制抗体的类别转换 55 1897年PaulEhrlich提出侧链学说1930年Haurowitz提出直接模板学说1941年Pauling提出间接模板学说1955年NielsJerne提出自然选择学说1958年FMBurnet提出克隆选择学说 抗体生成理论的发展史 56 57 一 抗体的多样性 抗体 免疫球蛋白的基因结构抗体基因的重排抗体基因的重排机制 58 抗体的多样性早期假说一 生殖细胞学说 抗体的多样性早期假说二 体细胞突变学说 Thegenomecontainsmanylociencodingantibodymolecules Bcellexpressoneoftheseloci DifferentBcellsexpressdifferentloci ThereareasmallnumberofantibodygeneswhichundergomutationastheBcellmatures thusgivingrisetoBcellsexpressingantibodyofdifferentspecificity 59 1971年Kabat基因嵌入模型 利根川进 抗体的基因重排理论 60 免疫球蛋白的基因结构 61 62 63 Inheavychains theV DandJsegmentsencodethevariabledomainwhiletheCsegmentencodestheconstantdomain Inlightchains theVandJsegmentsencodethevariabledomainwhiletheCsegmentencodestheconstantdomain 64 抗体基因的重排 65 DuringBcellmaturation immunoglobulingenesundergorearrangement 66 DuringBcellmaturation immunoglobulingenesundergorearrangement 67 DuringBcellmaturation immunoglobulingenesundergorearrangement 68 DuringBcellmaturation immunoglobulingenesundergorearrangement 69 Thekappaandlambdalociundergosimilarrearrangement SincetherearenoDsegments thereisasingleV Jrearrangement Inbothheavyandlightchainrearrangement anumberofJsegmentsmayremainbetweentheV D andCsegments TheseareincludedintheRNAtranscriptbutaresplicedoutduringRNAprocessing ThefinallightchainmRNAcontainsoneVJCunit KubyFigure5 4 70 KubyFigure5 4 71 72 抗体基因重排的机制 73 1 重组信号序列 recombinationsignalsequence RSS 在VH和VL基因3 端 J基因5 端和D基因两端有高度保守的核苷酸序列 包括一个7核苷酸组成的七聚体 heptamer 和一个9核苷酸组成的九聚体 nonamer 两者间隔12 1或23 1个核苷酸 称为RSS 74 只有间隔12个碱基对和间隔23个碱基对的RSS之间发生重组 而间隔长度相等的RSS之间不发生重组 这就是12 23碱基对规律 12 23basepairrule 也叫做1 2圈规律 1 2turnrule 75 KubyFigure5 3 76 Recombinationsignalsequences conservedsequencesinregionsjustupstreamordownstreamofgenesegments Consistofaconservedheptamerandnonamerwitha12or23bpspacer KubyFigure5 3 77 Theone turn two turnrule 12 23rule recombinationoccursonlybetweenasegmentwitha12bpspacerandasegmentwitha23bpspacer RecombinationSignalSequencesDirectRecombination 78 RecombinationActivatingGenes encodeRAG 1andRAG 2 RAG 1andRAG 2mediaterecognitionofsignalsequencesandrearrangementofDNAsegments MicedeficientinRAG 1orRAG 2areunabletorearrangeheavyorlightchaingenes ThesemicehavenomatureBcells BcellswillnotmatureiftheycannotexpressaBCR 2 重组活化基因RecombinationActivatingGenes 79 RAG deficientmicealsolackmatureTcells TheTcellreceptorisalsoencodedbylocicontaininggenesegmentsthatmustberearrangedbeforetheTCRcanbeexpressed TcellswillnotmatureiftheycannotexpressaTCR SCID severecombinedimmunedeficency micealsohaveadefectthataffectsrearrangementofBCRandTCRloci TheyalsohavenomatureTorBcells 80 Flowcytometryofnormalvs RAG 1deficientmice LymphnodecellsFITCanti CD19 Bcellmarker andPEanti CD3 Tcellmarker Normalmice RAG 1 deficientmice 81 HowrecombinationintheVregionsofantibodyhappens 82 83 84 85 86 Terminaldeoxynucleotidyltransferase Tdt Anenzymethatrandomlyaddsinnucleotidesduringjoiningofheavychain NOTlightchain segments 87 ReadKubypages113 115 GeneSegmentsAreJoinedbyRecombinases 88 ProductiveandnonproductiverearrangementsJoiningofsegmentsisnotpreciseandmayresultinlossofthecorrectreadingframe Thismayleadtointroductionofstopcodons nonproductiverearrangements 89 RSS RSS RSS recombinationsignalsequenceRAG recombinationactivatinggene 90 P 核苷酸和N 核苷酸的加入 91 Twoallelesareavailableateachlocus maternalandpaternal ABcellexpressesonlyoneheavyandlightchainallele ALLELICEXCLUSION 92 First onealleleoftheheavychainisrearranged Iftherearrangementissuccessful theotherallelewillnotberearranged Iftherearrangementisnonproductive theotherallelewillberearranged Onceaheavychainallelerearrangementisproductive lightchainrearrangementwillbegin Ifrearrangementofbothheavychainallelesisnonproductive theBcellwillnotmaturefurtherbutwilldieofapoptosiswithinthebonemarrow 93 Ifaheavychainalleleissuccessfullyrearranged lightchainrearrangementbegins Inhumans thekappalocusisrearrangedfirst Rearrangementoccursatonealleleatatimeandcontinuesuntilaproductiverearrangementoccurs Ifbothkappaallelesrearrangenonproductively rearrangementwillbeginatthelambdalocus Ifall4alleles bothkappaallelesandbothlambdaalleles rearrangementsarenonproductive theBcellwillnotmaturebutwillinsteaddieofapoptosiswithinthebonemarrow Ifeitherbothheavychainalleles orallfourlightchainalle