抗体,抗体的多样性及其产生机制gaobo

抗体研究简史当前1页，总共103页。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年代学者姓名国家获奖成就1901E.A.Behring德国发现抗毒素，开创免疫血清疗法1908P.Ehrlich德国提出体液免疫理论和抗体生成的侧链学说1960F.M.Burnet澳大利亚提出抗体生成的克隆选择学说1972G.M.Edelman美国阐明抗体的本质R.R.Porter英国阐明抗体的化学结构当前2页，总共103页。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年代学者姓名国家获奖成就1984N.Jerne丹麦提出天然抗体选择学说和免疫网络学说G.Kohler德国建立杂交瘤技术制备单克隆抗体C.Milstein阿根廷单克隆抗体技术及免疫球蛋白基因表达的遗传调控1987Tonegawa日本阐明抗体多样性的遗传基础当前3页，总共103页。EmilvonBehring,1901,antitoxinsGeoregesKohlerandCesarMilstein,1984,monoclonalantibodySusumuTonegama,1987,structureofIggeneGeraldEdelmanandRodneyPorter,1972,structureofantibodyPaulEhrlich,1908,productionofantibodyNobelPrizewinnersBurnet,1960，ClonalselectionJerne,1984,Idiotypenetwork当前4页，总共103页。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当前5页，总共103页。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Ag1Ab1Ag1-Ab1Ag2Ag2Ag2-Ab2与相应抗原特异性结合。主要存在于血清中。当前6页，总共103页。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）当前7页，总共103页。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≠球蛋白当前8页，总共103页。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抗体免疫球蛋白功能概念结构概念当前9页，总共103页。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当前10页，总共103页。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VHCH1CH2CH3CH4VLCLFabHingeregionFcCOO–NH3+免疫球蛋白的结构当前11页，总共103页。RodneyPorter1917-1985NobelPrizein1972GeraldEdelman1929--NobelPrizein1972当前12页，总共103页。FabFabFcPorter主要致力于将抗体中负责与外来抗原结合的部分从抗体中分开，他发现可利用酵素--木瓜蛋白(papain)，将抗体分成三部分。HHLLEdelman将抗体分子假定与其它各种蛋白质一样，由一些polypeptide链所构成，而他认为polypeptide链间最可能以二硫键结合在一起，故他试图将这些键结打断来观察其中的各条polypeptide链，结果他发现这些氨基酸链单独存在时都不具有任何抗体的功用。当前13页，总共103页。重链（Heavychain:H链）①大约500a.a,糖基(+)②类别（Class）:H链：,,,,.(Ig)IgA,IgG,IgMIgD,IgE

轻链（lightchain:L链）①大约214a.a,糖基(-)②型别（type）:,重链和轻链（Heavy&lightchains）VHCH1CH2CH3CH4VLCLFabHingeregionFcCOO–NH3+当前14页，总共103页。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)当前15页，总共103页。

01020304050607080901001101201301401501601701801902002102205040

302010

0CDR1CDR2CDR3

抗体分子的多样性Igl

链的氨基酸序列酸残基的变异率相应位置上氨基对来自不同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。当前16页，总共103页。0102030405060708090100110120130140150160170180190200210220

5040302010

0

CDR1CDR2CDR3

抗体分子的多样性酸残基的变异率相应位置上氨基DiversityandSpecificity当前17页，总共103页。当前18页，总共103页。抗原B细胞表位

抗体CDR表位AbAg当前19页，总共103页。铰链区（Hingeregion）VHCH1CH2CH3CH4VLCLFabHingeregionFcCOO–NH3+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与补体的结合当前20页，总共103页。IgG分子结合抗原前后的构象变化Fab段Fc段C1q结合位点被屏障结合抗原之前CH1CH2暴露的C1q结合位点结合抗原之后当前21页，总共103页。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)。当前22页，总共103页。免疫球蛋白的结构功能区当前23页，总共103页。“Ig-likeDomain(Ig样结构域)”当前24页，总共103页。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）SecretorypieceJoiningchain当前25页，总共103页。

SPIgAdimer分泌片（SecretoryPiece，SP)(1)化学本质：多肽链(70kD)(2)来源：上皮细胞J

chain（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当前26页，总共103页。SecretoryIgA(sIgA)PlasmacellsIgAdimerpIgRSPEpithelialCell当前27页，总共103页。胃蛋白酶木瓜蛋白酶FcpFcF(ab´)2Fab

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。当前28页，总共103页。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当前29页，总共103页。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。当前30页，总共103页。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。VHCH1CH2CH3CH4VLCLFabHingeregionFc当前31页，总共103页。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。VHCH1CVLCLFabHingeregionFc当前32页，总共103页。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。VHCH1CH2CH3CH4VLCLFabHingeregionFc当前33页，总共103页。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VHCH1CH2CH3CH4VLCLFabFcCOO–NH3+免疫球蛋白的功能当前34页，总共103页。当前35页，总共103页。免疫球蛋白的功能a.当前36页，总共103页。b.免疫球蛋白的功能当前37页，总共103页。

FcR

Antibody-DependentCell-mediatedCytotoxicity(抗体依赖的细胞介导的细胞毒作用)TargetcellAbEffectorcellTargetcell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免疫球蛋白的功能当前38页，总共103页。抗体的抗病毒效应NK靶细胞介导ADCC经典途径激活补体C1qr2s2调理吞噬作用免疫球蛋白的功能当前39页，总共103页。IgGIgMIgAIgEIgD各类免疫球蛋白的特点和功能当前40页，总共103页。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

½

=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当前41页，总共103页。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当前42页，总共103页。IgG四个亚类的特点IgG1IgG2IgG3IgG4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+++–++++当前43页，总共103页。

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

IgMJ链

当前44页，总共103页。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)

抗病毒抗外毒素当前45页，总共103页。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.

SCJchainIgAdimer当前46页，总共103页。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当前47页，总共103页。IgD分子的结构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，发挥信号传导作用当前48页，总共103页。当前49页，总共103页。StructureofIgEmoleculeIgE特性1)含量最少2)与肥大细胞和嗜碱性粒细胞表面的FcR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)不能激活补体当前50页，总共103页。IgE①参与过敏反应(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②抗寄生虫感染作用当前51页，总共103页。人抗体分子的特性抗体类别IgGIgAIgMIgDIgE重链类别gamde重链亚类g1,g2,g3,g4a1,a2轻链类别k和

lk和

lk和

lk和

lk和

l分子式g2l2

或g2k2a2l2或(a2l2)5SCJa2k2或(a2k2)5SCJ(m2l2)5J或(m2k2)5Jd2l2

或d2k2e2l2

或e2k2分子量（kDa）150160或400900180190固定补体能力+0++++00血清浓度(mg/100ml)100020012030.05血清半衰期(天)236532穿过胎盘＋0000肥大细胞和嗜碱性细胞脱颗粒？000++++裂解细菌能力+++++??抗病毒能力+++++??当前52页，总共103页。2014-10-13当前53页，总共103页。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当前54页，总共103页。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当前55页，总共103页。当前56页，总共103页。（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当前57页，总共103页。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The

genomecontainsmanylociencodingantibodymolecules.Bcellexpressoneoftheseloci.DifferentBcellsexpressdifferentloci.ThereareasmallnumberofantibodygeneswhichundergomutationastheBcellmatures,thusgivingrisetoBcellsexpressingantibodyofdifferentspecificity.当前58页，总共103页。1971年Kabat基因嵌入模型利根川进：抗体的基因重排理论当前59页，总共103页。免疫球蛋白的基因结构当前60页，总共103页。当前61页，总共103页。当前62页，总共103页。Inheavychains,theV,DandJsegmentsencodethevariabledomainwhiletheCsegmentencodestheconstantdomain.Inlightchains,theVandJsegmentsencodethevariabledomainwhiletheCsegmentencodestheconstantdomain.当前63页，总共103页。抗体基因的重排当前64页，总共103页。DuringBcellmaturation,immunoglobulingenesundergorearrangement.当前65页，总共103页。DuringBcellmaturation,immunoglobulingenesundergorearrangement.当前66页，总共103页。DuringBcellmaturation,immunoglobulingenesundergorearrangement.当前67页，总共103页。DuringBcellmaturation,immunoglobulingenesundergorearrangement.当前68页，总共103页。Thekappaandlambdalociundergosimilarrearrangement.SincetherearenoDsegments,thereisasingleV-->Jrearrangement.Inbothheavyandlightchainrearrangement,anumberofJsegmentsmayremainbetweentheV(D)andCsegments.TheseareincludedintheRNAtranscriptbutaresplicedoutduringRNAprocessing.ThefinallightchainmRNAcontainsoneVJCunit.KubyFigure5-4当前69页，总共103页。KubyFigure5-4当前70页，总共103页。当前71页，总共103页。抗体基因重排的机制当前72页，总共103页。（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121或231个核苷酸，称为RSS。当前73页，总共103页。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)。当前74页，总共103页。KubyFigure5-3当前75页，总共103页。Recombinationsignalsequences-conservedsequencesinregionsjustupstreamordownstreamofgenesegments.Consistofaconservedheptamerandnonamerwitha12or23bpspacer.KubyFigure5-3当前76页，总共103页。Theone-turn/two-turnrule(12/23rule)-recombinationoccursonlybetweenasegmentwitha12bpspacerandasegmentwitha23bpspacer.RecombinationSignalSequencesDirectRecombination当前77页，总共103页。RecombinationActivatingGenes(encodeRAG-1andRAG-2)RAG-1andRAG-2mediaterecognitionofsignalsequencesandrearrangementofDNAsegments.MicedeficientinRAG-1orRAG-2areunabletorearrangeheavyorlightchaingenes.ThesemicehavenomatureBcells.-->BcellswillnotmatureiftheycannotexpressaBCR.（2）重组活化基因RecombinationActivatingGenes当前78页，总共103页。RAG-deficientmicealsolackmatureTcells.-->TheTcellreceptorisalsoencodedbylocicontaininggenesegmentsthatmustberearrangedbeforetheTCRcanbeexpressed.TcellswillnotmatureiftheycannotexpressaTCR.SCID(severecombinedimmunedeficency)micealsohaveadefectthataffectsrearrangementofBCRandTCRloci.TheyalsohavenomatureTorBcells.当前79页，总共103页。Flowcytometryofnormalvs.RAG-1deficientmice:LymphnodecellsFITCanti-CD19(Bcellmarker)andPEanti-CD3(Tcellmarker)NormalmiceRAG-1-deficientmice当前80页，总共103页。HowrecombinationintheVregionsofantibodyhappens?当前81页，总共103页。当前82页，总共103页。当前83页，总共103页。当前84页，总共103页。AGCTTATA当前85页，总共103页。Terminaldeoxynucleotidyltransferase(Tdt)Anenzymethatrandomlyaddsinnucleotidesduringjoiningofheavychain(NOTlightchain)segments.当前86页，总共103页。ReadKubypages113-115:GeneSegmentsAreJoinedbyRecombinases当前87页，总共103页。ProductiveandnonproductiverearrangementsJoiningofsegmentsisnotpreciseandmayresultinlossofthecorrectreadingframe.Thismayleadtointroductionofstopcodons-->nonproductiverearrangements.当前88页，总共103页。RSSRSSRSS:recombinationsignalsequenceRAG:recombinationactivatinggene当前89页，总共103页。P-核苷酸和N-核苷酸的加入片段断端形成发夹结构TCAGDTAATJ内切酶切开发夹结构产生P-核苷酸TCGADATATJTdT酶加入N-核苷酸TCGACTCDGAGCGATATJ通过DNA修复，断端连接，恢复双键结构TCGACTCGCTATAAGCTGAGCGATATDJPNP当前90页，总共103页。Twoallelesareavailableateachlocus(maternalandpaternal).ABcellexpressesonlyoneheavyandlightchainallele.

-ALLELICEXCLUSION当前91页，总共103页。First,onealleleoftheheavychainisrearranged.Iftherearrangementissuccessful,theotherallelewillnotberearranged.Iftherearrangementisnonproductive,theotherallelewillberearranged.Onceaheavychainallelerearrangementisproductive,lightchainrearrangementwillbegin.Ifrearrangementofbothheavychainallelesisnonproductive,theBcellwillnotmaturefurtherbutwilldieofapoptosiswithinthebonemarrow.当前92页，总共103页。Ifaheavychainalleleissuccessfullyrearranged,lightchainrearrangementbegins.Inhumans,thekappalocusisrearrangedfirst.Rearrangementoccursatonealleleatatimeandcontinuesuntilaproductiverearrangementoccurs.Ifbothkappaallelesrearrangenonproductively,rearrangementwillbeginatthelambdalocus.Ifall4alleles(bothkappaallelesandbothlambdaalleles)rearrangement