BCRTCR的编码基因

1、第十一章第十一章 BCR/TCRBCR/TCR编码基因及多样性的产生编码基因及多样性的产生nB细胞和T细胞的抗原识别受体分别是BCR和TCR。nT和B 淋巴细胞在表达抗原识别受体上具有“一个细胞（克隆），只表达一种受体”的特点，人体内T和B细胞克隆的总数在1012 以上，至少可以表达1012 种独具识别特异性的TCR和BCR，此即淋巴细胞抗原识别受体的多样性。nBCR即mIg，由四条多肽链组成；TCR由两条多肽链组成 链或 链。BCR和TCR都有可变区和恒定区组成，不同克隆T、B细胞的BCR恒定区可以相同，但可变区是不同的第一节 BCR、TCR基因结构一、胚系BCR基因结构nIg的基因由3组不

2、连锁的基因群控制，即 轻链基因群、 轻链基因群和重链基因群。n各基因群中含有许多基因节段（segment）。n在未分化的胚系B细胞和其他有核体细胞的染色体中，编码Ig分子可变区和恒定区各个部分的基因节段是相互分离的。n在B细胞发育过程中，一部分基因节段互相接近、重新排列，形成功能性的Ig基因单位，这一过程称为基因重排（gene rearrangement）。n编码人Ig基因在染色体上的分布：H链（14q32.3）、链（2p12）、链（22q11）。其在染色体上的总长度为80万至200万个bp（碱基对），是普通基因长度的50倍以上。n根据WHO命名委员会关于Ig分子多肽链及其编码基因写法规则，抗

3、体分子重、轻链分别写为IgH、Ig 和Ig，相应的编码基因簇分别以大写斜体IGH、IGK和IGL代表。IGH中的V、D、J、和C基因片断分别写为IGHV、IGHD、IGHJ和IGHC。IGK和IGL基因簇中的V、J、C基因片断分别写为IGKV（或IGLV）、IGKJ（或IGLJ）、IGKC（或IGLC）。（一）胚系B细胞中Ig重链基因的结构n胚系B细胞中重链基因结构：（1）可变区由V（variable）基因、D（diversity）基因和J（joining）基因3个基因编码；（2）编码重链恒定区各亚类的C基因在可变区的下游呈簇状串联排列；（3）每个亚类（链除外）的重链恒定区基因节段上游都有一个

4、转换区，基因节段中编码Ig各功能区的外显子之间有内含子分隔，在功能区外显子下游有控制免疫球蛋白分泌或膜结合的元件。n人IGH基因总长约1.3Mb，包括95个V、23个D、6个J和11个C基因节段。 n1Ig重链可变区（V）基因（1）VH基因： VH基因节段编码重链可变区的疏水前导肽和N端的96 101个氨基酸，其中包括CDR1和CDR2。人的VH基因节段至少有95个，只有50个是功能基因，其余为假基因。（2）DH和JH 基因：CDR3由DH和JH基因共同编码。DH基因位于VH和JH 基因之间。重排后的DH基因在序列和长度上变化很大，约编码1 15个氨基酸。人的DH节段数目为23个。JH 基因在

5、DH基因的下游，位于CH基因上游。人的JH 基因有9个节段，其中3个是假基因。JH 基因节段编码重链V区的其余氨基酸部分。n2Ig重链恒定区（C）基因（1）C区基因片段 编码重链各亚类的CH基因在JH基因的下游成簇状依次排列。人的CH基因有11个。CH基因节段在染色体上的排列与其编码的免疫球蛋白在体内成熟的顺序相似；C 基因和C 基因离JH基因最近，其次是各亚类C 基因，最后是C基因和C 基因。Ig的重链恒定区分为2 4个功能区和铰链区，在每个CH基因节段中同样含有分别编码各功能区的外显子。除C 以外，其他CH基因节段前都有一个转换区。转换区与免疫应答过程中的类型转换有关。（2）控制膜结合型或

6、分泌型Ig的基因（二）胚系B细胞中Ig轻链基因的结构n完整的轻链由3个基因编码：V（variable）基因和J（joining）基因编码可变区，C（constant）基因编码恒定区。n1链基因人的IGK基因簇总长2Mb，包括70个V（约半数为假基因,5个J 基因和一个C 基因。V 基因编码Ig轻链V区110个氨基酸的主要部分（1 96）。每一个V 基因节段的5 都有一个编码前导肽的前导序列（leader）。J 基因位于V 基因的下游，也串联排列。V基因和J 基因中间有内含子（intron）分隔。J 基因编码轻链V区的其余部分。只有1个C基因，位于J基因的下游。编码 链恒定区。n2链基因IGL基

7、因总长约880kb，包括60个V（约20个为假基因）、7个J基因节段和7个C（4个功能基因）基因节段。 此外，IGL基因群中还包括2个VpreB和3个IGLL基因节段，分别在B细胞发育早期编码PreBCR组成成分VpreB和IGLL（相当于小鼠的5）。二、胚系TCR基因结构nT细胞抗原识别受体(T cell receptor, TCR)的 、 四条肽链均由多个基因编码组成,在胚胎期以生发系(germline)形式存在于染色体上。随T 细胞的祖细胞（pro-T）在胸腺在的发育，TCR、 的各个基因节段先后发生重排，TCR功能性的基因完全重排，则转录为 mRNA，进而转译为多肽链，分别构成TCR

8、及TCR 两肽链，再与CD3复合分子组装，表达于T细胞膜上，与此同时，T细胞亦发育为免疫功能细胞。（一）TCR 链基因结构n 链基因的结构与Ig重链的结构相似，也是由V（variable）、D（diversity）和J（joining）基因编码可变区，由C基因编码恒定区。nV 基因位于D 和J 基因的上游。各V基因节段（segment）随机排列。人的V基因约有50 100个节段，分为30个亚家族，各亚家族含有1 9个成员。其中V30基因节段位于C2基因节段的下游，也可以通过反转录和插入机理形成功能性的V区。n人有2个D 基因片段，12 14bp长，分别位于J1和J2的上游，J1和J2各含有7个

9、J 节段，C1和C2分别位于J1和J2的下游。两个C节段高度同源。nC基因节段有4个外显子：第一个外显子编码Ig样的C功能区和小部分TCR胞外区与穿膜区之间的连接氨基酸；第二个外显子编码连接氨基酸的中间部分；第三个外显子编码连接氨基酸的其余部分和全部穿膜区；第四个外显子编码56个胞质内尾肽和3非翻译区。两个C节段的选用率相等，产生的蛋白质结构也相同。nTCR基因群位于人的染色体7q32。（二）TCR链基因的结构nTCR 链基因有三组：V、J 和C。各组基因中的节段成簇状串联排列在染色体上。n人胚系V 基因的节段数约在50 100个之间。J 基因含有至少50个节段。C 基因只有一个节段，此节段分

10、为四个外显子：第一个外显子编码类似于Ig的C功能区。第二个外显子编码TCR胞外区与穿膜区之间的连接氨基酸部分；第三个外显子编码全部穿膜区和胞浆内尾肽。第四个外显子的产物是3非翻译区。C 基因中也没有与分泌相关的片段。nTCR 基因群位于人的染色体14q11区带。（三）TCR 链基因的结构nTCR的链也是由三组基因编码：V、J 和C。n人的功能性V 基因节段已发现了8个。n人的C 只有2个节段。在C1上游有3个J1节段，在C2上游有2个J2节段。nTCR 基因群位于人染色体7p15。（四）TCR 链基因的结构n 基因位于V 基因节段的3端，在V 基因簇与J 基因簇之间。人的V 基因节段有3个；D

11、 基因节段和J 基因节段各有3个和（或）2个。nTCR 基因群位于人的染色体14q11。第二节 淋巴细胞分化成熟过程中BCR/TCR基因的重排一、B细胞分化过程中的基因重排（一）可变区基因的重排nV区基因重排的顺序：在V区基因重排时，先分两个阶段构建重链可变区基因，即选择一个DH节段与一个JH节段连接在一起，然后选择一个VH节段与DH-JH相连。一旦VH-DH-JH重排成功并且得到功能性表达，其产物就会抑制另一条染色体上等位基因的重排，此现象称为等位基因排除（allelic exclusion）。同时，基因产物触发VL基因重排。 基因优于 基因。一个V 节段与一个J 连接成为功能性V-J基因后

12、，其产物就会发生等位基因排除，同时也会抑制 基因重排，称为同型排除。n如果一条染色体上重排的VH或VL基因不能获得功能性表达，即重排不成功，称为无产物重排，细胞就会启动另一条染色体上等位基因重排。如果两条染色体上VH基因都是无产物重排，或者 基因和 基因都是无产物重排，细胞即死亡。n在VDJ节段重排时，对各JH节段的选择基本上是随机的。但是，对VH或DH节段的选择并不随机，一些VH节段和一些DH节段会被优先选用。这种优先选用特定节段可能与某些疾病有关，其生理或病理学意义尚待进一步研究。（二）V（D）J重排的调控nVDJ基因重排的启动需要重组活化基因（recombination activati

13、ng genes, RAG）的表达。此基因的产物RAG-1和RAG-2介导VDJ重排的起始步骤。两种蛋白主要表达于未成熟的pro-B和pre-B细胞核内。 n在未成熟的淋巴细胞中，RAG-1的表达与活性在整个细胞增殖周期中很稳定；而RAG-2的表达与活性有周期性，在G1期表达增多，半寿期延长，活性稳定，在G1向S期过渡时RAG-2被迅速降解，至M期甚至不能检出。n当RAG-1及RAG-2同时存在发挥协同作用时，方能启动V（D）J重排，故V（D）J重排仅发生于G1期。增加内源性RAG1和RAG2基因转录时，VDJ重排的频率也伴随增加。n在RAG1或RAG2基因缺损的纯合子小鼠，T细胞和B细胞的功

14、能缺如，也不发生VDJ重排。一旦VH基因重排成功并转录表达，RAG的表达就被抑制。n其他与启动VDJ重排有关的基因产物还有LyF-1/lkaros、LEF-1、OCT-1和OCT-2，其中OCT-2是B细胞特有的。（三）基因节段间连接的1223bp规律 n核苷酸序列分析发现，在BCR基因的VDJ基因节段的侧面都有重排信号序列。n在基因节段侧面存在的这种特殊的、相互关联的侧翼序列（flanking sequence）或称共有序列，能触发VDJ节段的重排并决定节段间的连接，又称重组信号片段（recombination signal segment, RSS）。n每个侧翼序列含有一个7核苷酸的回文序

15、列（palindromic sequence）和一个9核苷酸的保守序列，两者之间有一段固定数目（121和231）的随机核苷酸序列分隔。nRSS的重要特点是，分隔7核苷酸和9核苷酸的随机核苷酸序列数目是固定的12 bp或23 bp。这个数目代表DNA双螺旋的一个或两个完整螺旋，说明围绕每个待连接基因节段的侧翼序列在空间上和方位上也是精确互补的，很可能因此决定或控制了重排的发生。nRSS位于V基因的下游，J基因的上游，D基因的两侧。n一个侧面有12 bp分隔序列的基因节段只能与一个侧面有23 bp 分隔序列的基因节段重组或连接，反之亦然。这一现象称为1223 bp 规律。二、TCR基因重排nTCR

16、基因重排在胸腺中完成。T细胞中TCR基因的重排顺序与B细胞中Ig基因重排顺序相似。在前T细胞中，TCR的链或链VDJ基因节段的D和J首先连接在一起，然后在胸腺细胞中再与V连接，形成VDJ基因。VDJ基因或VJ基因（ 链和 链）重排完成后，再与C基因节段连接成为功能性基因。TCR基因重排的次序在胸腺中受到严格的控制。（一）基因重排的顺序n在V区基因重排时，先选择一个DH节段与一个JH节段连接在一起，然后选择一个VH节段与DH-JH相连。一旦VH-DH-JH重排成功并且得到功能性表达，其产物就会抑制另一条染色体上等位基因的重排，此现象称为等位基因排除。同时，基因产物触发VL基因重排。n一条染色体上

17、重排的VH或VL基因不能获得功能性表达，即重排不成功，称为无产物重排，细胞就会启动另一条染色体上等位基因重排。如果两条染色体上VH基因都是无产物重排，细胞即死亡。n首先是D-J重排，剪切去除两基因节段间的DNA片段，使D-J连接，第二步是D-J与V间的重排，使V-D-J连接，重排后的DNA构成编码V区基因，以其为模板，产生初级转录RNA,进而与编码C区基因的转录RNA拼接（splicing），构成mRNA。nTCR 基因重排与IgL基因重排相似，重排使V-J 连接，进而产生初级转录RNA，再与C区基因转录拼接形成TCR mRNA。nTCR 基因重排与TCR 因重排相似。nTCR 基因重排与TC

18、R 基因重排相似。nTCR 及 基因重排均在胸腺内不成熟细胞阶段，但成熟T细胞只表达一种TCR，即TCR（占90%以上），或TCR，同一T细胞表面不会表达两类TCR，其原因与沉默子（silencer）相关，当TCR 基因重排后， Silencer灭活，则TCR 基因重排，产生 型TCR；若 Silencer仍活化，则抑制TCR 重排，发生TCR 基因重排，产生 型TCR。n一个克隆的T细胞只表达一种抗原特异性TCR，乃是由等位基因排斥所致，TCR重排后，抑制其它TCR 基因节段发生重排，从而保证克隆化T细胞对特异抗原应答的专一性。（二）TCR基因重排启动TCR基因重排nTCR基因重排发生在胸腺

19、内的CD44-CD25+CD3-CD4-CD8-的早期T细胞阶段，当细胞发育至CD44-CD25-CD3+CD4-CD8-阶段，发生TCR基因重排，当细胞发育至CD4+CD8+阶段时，则表达TCR链。n故TCR 基因重排发生在TCR基因重排之后。若将TCR 基因灭活，则无TCR 基因重排。将p56lck基因灭活，亦无TCR 基因重排，推测是TCR链与配基结合后，信号经CD3分子传导活化， p56lck逐步活化TCR 基因重排。（三）TCR基因重排的控制n在小鼠T细胞发育过程中， 链基因和 链基因首先重排。小鼠胚胎第14天，这两种基因就有较高的转录；第15天时，即可在小鼠T细胞表面检出。在胚胎发

20、生时 链基因和 链基因的重排稍迟： 链基因较早重排，胚胎第14天可检出D-J重排，第15天可见完整的V-D-J基因，而到第16天才能检出链基因的重排。第三节 BCR/TCR多样性产生的机制一、BCR （一）组合连接造成多样性n在胚系中，VH、VL、DH、JH、JL基因节段众多的数目，使B细胞可以从中各选择一个基因节段组合并连接成各种不同的功能性基因。其编码的可变区可以识别107种抗原特异性。（二）VDJ连接的多样性n在DH-JH、VH-DHJH和VL-JL连接时，由于接合过程的不精确性，大大增加了多样性。从107增加到1011。1密码子错位 接合可以发生在连接部位的任何密码子之间。因此，同一对

21、基因节段连接时，由于接合的核苷酸密码子不同，可以导致氨基酸序列中单个氨基酸残基的改变。2框架移位突变 不精确的连接可引起框架移位（frame-shift）突变。这种突变在接合完成后改变了DNA的阅读框，使接合点以后的氨基酸种类完全改变。 n 核苷酸 氨基酸A V J 95 96 97 CCXCCC TGGACG P W T CCXCCC TGGACG P T CCXCCC TGGACG P P TB CAGCCG GATCAG CAG CGA TCA GC CAGCCT TGGACG GAG CCT AGT TTC TGG ACGn3N-序列插入 有时，在连接的过程中插入了一个并不属于待连接基

22、因节段的外来核苷酸序列（N-序列）。N序列的长度不等（约1 20个核苷酸），可以在V、D或J重排的任何位点插入，多见于CDR3区。N序列的插入增加了可变区的长度。多余的核酸能有效地改变免疫球蛋白结合抗原的特异性，但其发生率相对较低。N序列插入与V、D和J基因模板无关，而与末端脱氧核苷转换酶（TdT）的作用有关。（三）体细胞突变n体细胞突变（somatic mutation）可以产生免疫球蛋白的多样性。插入性突变和缺失性突变可以发生在B细胞发育的任何阶段和免疫球蛋白的任何部位。这种替换是单个核苷酸发生突变所致。体细胞突变多发生在免疫球蛋白的CDR区域，与抗体的亲和力成熟有关。Ig其他部位的突变往

23、往引起蛋白结构的非许可性改变，因而导致克隆流产；CDR区域的体细胞突变则可以提高抗体的亲和力。（四）不同的轻重链的组合n由于BCR结合抗原的部位是由重链和轻链的V区共同完成的，所以不同的轻重链组合就会产生不同的抗原结合结构。二、TCR与BCR基本相似n（一）没有体细胞高频突变（二）N区插入多于BCR（三）TCRV区基因发生有效重排机会较多TCR基因在某一位点的反复基因重排次数，较B细胞的Ig重排次数要多，从而增加其基因重排的成功率，如在TCR基因重排时，若V-D-J不能与C重排，则尚可进行再次V-D-J 重排而与C产生功能重排，使细胞得以挽救存活，在TCR基因重排时亦然。 三、抗原受体互补决定区（CDR）的分布及其意义nBCR和TCR都是通过抗原结合部位识别抗原的，其识别和结合抗原的部位称CDR。每条肽链都有3个CDR，即CDR1、CDR2和CDR3（一）BCRV基因编码CD