4-免疫原和免疫球蛋白

1、免疫原和免疫球蛋白Immunogen and Immunoglobulins免疫原免疫原的基本特性影响免疫原特性的因素其他重要的免疫细胞激活剂免疫球蛋白的结构及装配免疫球蛋白的异质性及功能免疫球蛋白的人工制备免疫原免疫原的概念免疫原（immunogen）指能够启动、激发和诱导免疫应答（包括固有免疫和适应性免疫）的物质，由固有分子模式（innate molecular pattern, IMP）和抗原（antigen, Ag）组成。抗原是指经由T、B细胞表面的抗原受体（TCR、BCR）识别，能激活T、B细胞产生特异性免疫应答，并与应答产物（特异性抗体和淋巴细胞）起反应的物质。免疫原的分类 固有免

2、疫识别由PAMP和DAMP等构成的固有分子模式（IMP）；适应性免疫识别的免疫原是抗原。免疫原(immunogen)固有分子模式(innate molecular pattern, IMP)抗原(antigen, Ag)启动和诱导固有免疫应答启动和诱导适应性免疫应答 免疫原命名 免疫原功能免疫原：固有分子模式与抗原 固有分子模式涵盖PAMP、DAMP及其它已发现或有待确认的各种模式成份。病原相关分子模式 损伤相关分子模式激活NK细胞的固有分子模式IMP的分类脂蛋白肽聚糖磷脂 磷壁酸 表面蛋白 脂磷壁酸 脂多糖 (LPS) 表面蛋白 G+菌 G-菌细胞膜外膜 G+和G-细菌胞壁中的多种PAMP

3、肽聚糖（peptidoglycan, PGN），磷壁酸（teichoic acid, TA）, 脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）, 脂磷壁酸（lipoteichoic acid, LTA）受损组织和坏死细胞等释放的多种DAMP及其受体硫酸乙酰肝素透明质酸钠RNADNA尿酸结晶 HMGB1 ATP HSP IL-1 TLR4 CD44 TLR4TLR3 TLR9 NLRP3 TLR2/4 P2Y11/ TLR4 IL-1R TLR4, SRB, CRP RAGE P2X7R 受损组织 坏死细胞 S100A8 饱和 S100A9 脂肪酸OxLDL OxCE活化细胞及其它 N

4、LRP3：带PYD结构域的NOD样受体蛋白3； HMGB1：高速泳动族框蛋白1；RAGE：高度糖基化终末产物受体； P2Y11/P2X7R：嘌呤源受体； HSP：热休克蛋白；OXLDL: 氧化低密度脂蛋白；OxCE: 氧化胆固醇酯；CRP: C反应蛋白；S100A8/A9：S100家族蛋白;SRB : B型清道夫受体，即CD36。 PAMP 核酸: CpG, dsRNA 脂类: lipid A 蛋白: PGN DAMP 核酸：ATP 脂类：OxLDL 蛋白：HSP, HMGB1 TLR NLR RLR CRP RAGE 血凝素 免疫原 IMP PRR 激活基因病原体受损细胞及胞外基质 TNF

5、IL-6 IL-1 IL-18 IFN-固有分子模式 PAMP 和 DAMP 经由 PRR 介导炎症效应激活NK细胞活化性受体的固有分子模式（本图为第三章图3-10的一部分，可参阅原图）MICA/B,ULBP3,HAB7-H6,HAIgG FcHLA-EHLA-A, HLA-C NKG2D DAP10 NKp44 DAP12NKp30CD3-FcRNKp46CD3-FcRCD16CD3-FcRCD94/NKG2C/EDAP12KIR2DS4DAP12MICA/B： MHC I类链相关分子A和B；ULBP：U16结合蛋白； HA：血细胞凝集素；KIR：杀伤细胞免疫球蛋白样受体ITAMYxxM抗原

6、的分类根据诱生抗体时是否需要Th细胞参与分类T细胞依赖性抗原（T dependent antigen, TD-Ag）T细胞非依赖性抗原（T independent antigen, TI-Ag）根据抗原与机体的亲缘关系分类异嗜性抗原（heterophilic antigen）异种抗原（xenogenic antigen）同种异型抗原（allogenic antigen）自身抗原（autoantigen） 独特型抗原（idiotypic antigen）根据抗原进入抗原提呈细胞的方式分类内源性抗原 (endogenous antigen) 外源性抗原 (exogenous antigen) 其他

7、分类抗原表位 免疫细胞仅识别抗原大分子上的一个特定的部分，称为表位(epitope)或抗原决定簇(antigenic determinant)。抗原表位概念抗原表位分类半抗原-载体共同抗原表位与交叉反应免疫原的基本特性 Ab、BCR和TCR对抗原表位的识别A. TCR对抗原T细胞表位的识别。TCR识别的表位是经过APC降解的序列表位。T细胞表位通常位于蛋白抗原内部，蛋白抗原经APC细胞摄取和降解后，抗原表位肽与自身MHC分子结合，并被提呈于APC表面，T细胞的TCR识别T细胞表位肽的同时，必须同时识别MHC分子。 B. Ab（BCR）对抗原B细胞表位的识别。BCR或者抗体识别的表位有两种类型：

8、序列表位和构象表位。BCR和抗体直接识别天然状态的B细胞表位。Ab (BCR) 1Ab (BCR) 2构象表位序列表位天然抗原T 表位APCMHC T 细胞APC TCR MHC T表位天然抗原BATCR仅识别APC加工后经由MHC分子提呈的抗原肽，后者包含T细胞表位 T细胞表位与B细胞表位的特性 T细胞表位 B细胞表位识别表位受体 TCR BCR MHC分子的参与 必需 无需表位性质 蛋白质 多肽、多糖、脂多糖类和有机化合物表位大小 8-10个氨基酸残基5-15个氨基酸残基或单糖、核苷酸 12-18个氨基酸残基表位类型 线性表位 线性表位或构象表位表位位置 抗原分子任意部位 抗原分子表面A

9、hapten-carrier conjugate contains multiple copies of the hapten-a small nonimmunogenic organic compound such as dinitrophenol (DNP)-chemically linked to a large protein carrier such as bovine serum albumin (BSA). Immunization with DNP alone elicits no anti-DNP antibodies, but immunization with DNPBS

10、A elicits three types of antibodies. Of these, anti-DNP antibody is predominant, indicating that in this case the hapten is the immunodominant epitope in a hapten-carrier conjugate, as it often is in such conjugates. 不同抗原之间存在的相同或相似抗原表位称为共同抗原表位(common epitope)。一种抗原诱生的抗体对另一种具有相同或相似决定基的抗原的反应，称为交叉反应（cro

11、ss reaction）。 影响免疫原特性的因素一、决定免疫原免疫原性的因素决定IMP免疫原性的因素（核酸类IMP的免疫原性的结构基础与核酸长度与化学修饰相关）2. 决定Ag免疫原性的因素抗原分子的理化性质机体的生物学特征抗原进入机体的方式和途径等二、决定免疫原反应原性的因素异物性化学性质分子质量大小结构的复杂性分子构象易接近性物理状态易接近性抗原分子的理化性质Reactivity of antisera with various haptens结构的复杂性宿主的遗传因素(应答格局差异)年龄、性别与健康状态 机体的生物学特性抗原进入机体的方式和途径等 MHCII类分子 抗原肽 TCR链APCT

12、hSAgII 类分子 TCR 链APCTh 超抗原激活T细胞机制示意图传统的蛋白质抗原在MHC抗原沟槽内被提交，与T细胞的TCR的抗原结合槽结合，从而激活特异性T细胞克隆（上图）；超抗原通过与TCR的V链外侧结合，交联TCR与MHC II类分子，从而活化众多的T细胞克隆，而不论TCR的抗原特异性如何（下图）。其他重要的免疫细胞激活剂一、超抗原 某些抗原物质，只需要极低浓度（110 ng/ml）即可非特异性激活220之多的T细胞克隆，产生极强的免疫应答，这类抗原称之为超抗原（superantigen, SAg）。二、佐剂 预先或与抗原同时注入体内可增强机体对抗原的免疫应答或改变免疫应答类型的非特

13、异性免疫增强性物质，称为佐剂（adjuvant）。佐剂作用的主要机制：改变抗原物理性状，帮助抗原缓释，延长抗原在体内潴 留时间，如脂质体和矿物油等；刺激单核-巨噬细胞系统，增强其对抗原的加工和提呈；刺激淋巴细胞增殖分化，增强和放大免疫应答。TLR的天然配体和激动剂参见表4-4Postulated mode of action of some commonly used adjuvants人小鼠T细胞B细胞T细胞B细胞ConA（刀豆蛋白A）+PHA（植物血凝素）+PWM（商陆丝裂原）+LPS（脂多糖）+SPA (葡萄球菌蛋白A)+作用于人和小鼠T、B淋巴细胞的丝裂原三、丝裂原 丝裂原（mitog

14、en）亦称有丝分裂原，因可致细胞发生有丝分裂而得名。T、B淋巴细胞表面表达多种丝裂原受体，可对相应丝裂原刺激产生强烈增殖反应，被广泛应用于体外免疫细胞活性的确证。一、免疫球蛋白的结构二、免疫球蛋白的装配及分泌免疫球蛋白的结构及装配 免疫球蛋白（immunoglobulin, Ig）即抗体（antibody, Ab），是B细胞被B细胞抗原表位特异性刺激后增殖分化为浆细胞所产生的效应免疫分子，介导体液免疫。免疫球蛋白可分为分泌型 (secreted Ig, SIg) 和膜型(membrane Ig, mIg)，前者主要存在于血液及组织液中，发挥抗感染功能；后者是B细胞表面的抗原受体（BCR, mI

15、gM）。 一、免疫球蛋白的结构1.基本结构（重链、轻链及其结构域 可变区、恒定区和绞链区）2.其它成分3.Ig的水解片段重链、轻链及其结构域 Schematic diagram of complementary-determining region of antibody binding to antigenic epitope Structure of a complex between a peptide derived from HIV protease and an Fab fragment from an anti-protease antibody (left) and compa

16、rison of the Fab structure before and after peptide binding (right). In the right panel, the red line shows the structure of the Fab fragment before it binds the peptide and the blue line shows its structure when bound. There are significant conformational changes in the CDRs of the Fab on binding t

17、he antigen. These are especially pronounced in the light chain CDR1 (L1) the heavy chain CDR3 (H3). CH2 CH3 CDR1 CDR2 CDR3 CDR1 CDR2 CDR3 铰链区 VL SS-SS-FR1 FR2 FR3 FR4 可变区（V区）恒定区（C区）Variable region; Constant region高变区：Hypervariable region(HVR); 互补决定区：Complement determining region(CDR)绞链区J链分泌片其它成分木瓜蛋白

18、酶水解片段 木瓜蛋白酶（papain）水解IgG得到三个片段：两个相同的部分即抗原结合片段（fragment antigen binding , Fab）一个结晶片段（fragment crystalizable, Fc）。胃蛋白酶水解片段 胃蛋白酶（pepsin）水解IgG产生一个具有双价抗体活性的F(ab)2段和若干小分子多肽片段（pFc）。Ig的水解片段 Synthesis, assembly, and secretion of the immunoglobulin molecule. The heavy and light chains are synthesized on separ

19、ate polyribosome (polysomes). The assembly of the chains to form the disulfide-linked immunoglobulin molecule occurs as the chains pass through the cisternae of the rough endoplasmic reticulum (RER) into the Golgi apparatus and then into secretory vesicles. The main figure depicts assembly of a secr

20、eted antibody. The inset depicts a membrane-bound antibody, which contains the carboxyl-terminal transmembrane segment. This form becomes anchored in the membrane of secretory vesicles and then is inserted into the cell membrane when the vesicles fuse with the membrane.二、免疫球蛋白的装配及分泌 Expression of me

21、mbrane forms of and heavy chains by alternative RNA processing. (a) Structure of rearranged heavy-chain gene showing C and C exons and poly-A sites. (b) Structure of m transcript and m mRNA resulting from polyadenylation at site 2 and splicing. (c) Structure of m transcript and m mRNA resulting from

22、 polyadenylation at site 4 and splicing. Both processing pathways can proceed in any given B cell.上图IgA二聚体J 链粘膜表皮细胞分泌IgA的浆细胞粘膜腔分泌片IgA二聚体pIgR固有层 IgA二聚体的胞吞转运固有层浆细胞产生IgA和J链，二者聚合成二聚体而分泌至浆细胞胞外的粘膜表皮细胞固有层，该处与表皮细胞分泌的多聚Ig受体（pIgR）即分泌片相结合，在pIgR的引导下，通过表皮细胞的内吞和转运，使IgA二聚体得以穿越上皮细胞而分泌至粘膜腔，称为胞吞转运（transcytosis）。在粘膜腔中

23、IgA二聚体与分泌片介离，行使效应功能。免疫球蛋白的异质性及功能一、免疫球蛋白的类型（类及亚类、型和亚型）二、免疫球蛋白的血清型三、免疫球蛋白的功能和特性四、各类免疫球蛋白的生物学特性免疫球蛋白的类型 在同种属的所有个体内，根据免疫球蛋白重链C区的氨基酸组成和抗原特异性不同，将免疫球蛋白的重链分为5种：、，与此对应的Ig分为IgG、IgA、IgM、IgD、IgE 5类（class）。在同一类Ig中，根据其重链抗原性和二硫键的数目和位置的不同，又可分为亚类（subclass）。IgG有IgG1IgG4四个亚类；IgA有IgA1和IgA2两个亚类；IgM有IgM1和IgM2两个亚类；IgD和IgE

24、尚未发现亚类。Chain composition of the five immunoglobulin classes in humans正常人血清免疫球蛋白:约2:1，而小鼠为20:1。亚型: 链190AA为亮氨酸时称OZ(+);为精氨酸时称OZ(+) 在同种属的所有个体内，根据Ig轻链C区的氨基酸组成和抗原特异性的不同，可将Ig的轻链分为2型（type）：和，与此对应的Ig也分为和两型。在同一型Ig中，根据其轻链C区N端氨基酸排列的差异，可分为亚型（subtype）。M1, M2 免疫球蛋白分子上有三种不同的抗原决定簇，即同种型、同种异型和独特型抗原决定簇。 同种型（isotype）是指同

25、一种属所有个体的Ig分子共有的抗原特异性标志。 同种异型（allotype）指同一种属不同个体间的Ig分子所具有的不同抗原特异性标志，为遗传性标志。 独特型（idiotype）指同一个体不同B细胞克隆产生的Ig分子所特有的抗原特异性标志，其表位又称为独特位 (Idiotope)，主要存在于V区，为遗传性标志。免疫球蛋白的血清型 同种型差异 同种异型差异 独特型差异抗体的血清型示意图Ig有3种血清型：同种型，指同一种属所有个体Ig分子共有的抗原特异性标志，其表位存在于Ig C区；同种异型，指同一种属不同个体间Ig分子所具有的不同抗原特异性标志，其表位主要存在于Ig C区，少部分存在于V区；独特型

26、，指每个Ig分子所特有的抗原特异性标志，其表位存在于V区的CDR区域。免疫球蛋白的功能和特性识别和结合抗原激活补体调理作用抗体依赖细胞介导的细胞毒作用介导超敏反应免疫调节作用抗体的四项主要功能免疫球蛋白（抗体）具有多种生物学功能，首先，其可变区特异性结合与病原体或毒素表面与介导感染或者毒力相关的表位结合，使病原体或毒素失去感染和毒力，称为中和作用。其次，抗体与相应抗原表位结合，可激活补体经典激活途径，从而形成攻膜复合物溶裂解病原体。第三，抗体与相应病原体结合后，其恒定区Fc段通过结合 Fc受体（FcR）与具有FcR表达该受体的吞噬细胞结合，此为调理作用，增强吞噬细胞对病原体的吞噬杀伤作用。如调

27、理的免疫细胞是NK细胞，则可增强NK细胞的ADCC作用。毒素受体毒素抗体细胞 中和作用 调理作用 激活补体杀伤作用 参与ADCCFcRAb吞噬细胞吞噬溶酶体激活补体系统 抗体攻膜复合物表面抗原IgG表面抗原 FcRIII杀伤靶细胞 NK 各类免疫球蛋白的生物学特性参见表4-7免疫球蛋白的人工制备一、多克隆抗体二、单克隆抗体三、基因工程抗体四、嵌合抗体和改型抗体五、抗体片段及其衍生形式 The conventional polyclonal antiserum produced in response to a complex antigen contains a mixture of mono

28、clonal antibodies, each specific for one of the four epitopes shown on the antigen (inset). In contrast, a monoclonal antibody, which is derived from a single plasma cell, is specific for one epitope on a complex antigen. The outline of the basic method for obtaining a monoclonal antibody is illustr

29、ated here.多克隆抗体上为 A 抗原（含3 个不同表位）免疫小鼠后的脾细胞，产生针对不同表位的抗体；下为不产生抗体和 HGPRT酶的骨髓瘤细胞。两种细胞混合后，以PEG进行融合。 在加有HAT的培养基中，融合细胞生长，其余未融合的细胞死亡。稀释至每孔单个细胞后，检测上清中抗体的特异性，选择能分泌抗表位1 抗体的杂交瘤。通过腹腔注射，对选择出的杂交瘤细胞作克隆扩增，获取针对表位1的单抗。单克隆抗体制备流程单克隆抗体 To make antibodies with fully human protein sequences is to use transgenic strains of m

30、ice in which mouse antibody gene expression is suppressed and effectively replaced with human antibody gene expression. In these transgenic mice, the mouse genes for creating antibodies have been inactivated and replaced by human antibody genes. the HuMAb-Mouse transgenic strains contain key gene se

31、quences from unrearranged human antibody genes that code for both the heavy and light chains of human antibodies. Because genes determine what proteins are made, the transgenic mice make human antibody proteins.基因工程抗体 Chimeric and hybrid monoclonal antibodies engineered by recombinant DNA technology. (a)