过程分子生物学()

过程分子生物学5

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基因的表达与调控细胞通讯的分子机制免疫多样性的分子识别胚胎发育的基因表达谱肿瘤发生的分子机制基因组学与系统生物学当前第1页\共有97页\编于星期五\13点免疫多样性的分子识别E

B

C

D

A

F

哺乳动物的免疫识别及应答系统抗体多样性的分子机制抗体类型开关的切换T淋巴细胞受体的结构与功能大型组织相容性蛋白的结构与功能先天性免疫系统的功能与机制G

H

I

微生物识别自我与非自我的分子机制获得性免疫系统的功能与机制抗体编码区的顺序组织当前第2页\共有97页\编于星期五\13点3A

哺乳动物的免疫识别及应答系统生物体免疫系统的本质功能是区分“自我”与“非自我”。对于单细胞生物而言，区分自身与环境并不困难，胞内物质就是自身的，而胞外物质都是非自身的。但对于多细胞生物来说，区分自我与非自我就要依靠分子识别系统。人体由三百多种不同形态和性质的细胞构成，这些细胞的结构、功能、作用方式均有其特殊性，因此人体需要a免疫系统的功能由更精确的免疫系统实现下列三种功能：

当前第3页\共有97页\编于星期五\13点3A

哺乳动物的免疫识别及应答系统自身细胞或物质的识别功能

a免疫系统的功能一种机制去识别自身的细胞和分子非自身细胞或物质的识别功能一种机制去识别非自身的入侵者抵御消灭入侵者的功能一种机制去抵御消灭入侵者，并修复由其所造成的机体损伤当前第4页\共有97页\编于星期五\13点3A

哺乳动物的免疫识别及应答系统b免疫系统的组成先天性免疫两大免疫系统获得性免疫巨噬细胞树突细胞警察系统两大安全系统军事系统T淋巴细胞B淋巴细胞两种方式细胞分子干扰素白介素补体抗体细胞水平上免疫功能的发挥主要依靠先天性免疫系统中的巨噬细胞和树突细胞，以及获得性免疫系统中的T淋巴细胞和B淋巴细胞分子水平上免疫功能的发挥主要依靠溶解在机体循环系统中的分子，如细胞因子、补体和免疫球蛋白，因此又称为体液免疫系统当前第5页\共有97页\编于星期五\13点3A

哺乳动物的免疫识别及应答系统哺乳动物的免疫系统不但具有重要的生理功能，同时也c免疫系统的特征涉及到许多分子生物学的重大理论问题。当前第6页\共有97页\编于星期五\13点免疫识别抗体对抗原的特异性分子识别上述特异性的分子识别通常只涉及到蛋白质分子中的5-15个氨基酸残基，或核酸分子中有限长度的序列。抗体与抗原、受体与配体、大型组织相容性复合物对抗原的特异性分子识别T细胞受体对抗原/大型组织相容性复合物的特异性分子识别酶与底物是生物体内蛋白质之间分子识别的三大模型。谱识别受体对微生物相关分子谱的特异性分子识别微生物crRNA对外源核酸的特异性分子识别当前第7页\共有97页\编于星期五\13点细胞通讯B淋巴细胞合成抗体需要自身细胞和辅助T细胞提供信号；毒素T细胞在与抗原-大型组织相容性复合物结合后，将信号转导入细胞内，激活一系列参与免疫应答的组分；巨噬细胞和树突细胞上的谱识别受体识别微生物相关分子谱后，通过特定的信号转导途径产生分泌细胞因子，并激活获得性免疫系统，这些都是细胞通讯的基本原理，但这些信号转导途径又与生命其它过程中的信号转导途径有所不同。当前第8页\共有97页\编于星期五\13点免疫多样性免疫多样性，包括抗体、T细胞受体、大型组织相容性复合物多样性的发生机制，是免疫分子生物学的基本内容，也是生命科学的重要理论命题。一个哺乳类动物的机体可以产生多达1013-1014种不同的抗体，它们对应着同等数量的抗原。自然界中存在着的所有细菌、病毒、生物大分子在机体内均有对应的抗体和T细胞受体，甚至就连自然界内尚未出现的抗原分子（如病毒的分子），机体内也已存在着相应的抗体。那么机体是怎样产生数量如此庞大的抗体呢？人体内总共只有两万多个基因，何以能为数十万亿种海量的抗体蛋白编码呢？当前第9页\共有97页\编于星期五\13点表观遗传（epigenetic）前缀“epi”在希腊语中意为“之上”，因此“epigenetic”一词表述的是能影响生物体遗传性状的任何高于DNA序列本身改变的变化，即表观遗传。这些表观机制包括：DNA甲基化、组蛋白翻译后修饰、非编码RNA（ncRNA）转录、染色质重整、染色质核定位、DNA鼓泡等。表观遗传学已成为当今生命科学中最活跃的研究领域之一。

现在查明，表观遗传机制在调控抗原受体或抗体编码基因的时空特异性表达以及等位基因排斥等分子免疫学过程中扮演着重要角色，在此过程中动用了迄今为止发现的所有表观调控机制。

当前第10页\共有97页\编于星期五\13点3B

获得性免疫系统的功能与机制a获得性免疫系统的基本组成与特征脊椎动物的获得性免疫系统主要由B淋巴细胞和T淋巴细胞组成，它们分别合成种类繁多的B细胞受体（BCR）、抗体（Ig，又称免疫球蛋白）、以及T细胞受体（TCR），用于对外来抗原片段或分子的特异性识别，进而刺激并协助其它免疫细胞和因子消灭抗原。在哺乳动物中，B细胞成熟于骨髓中，而T细胞则成熟于胸腺中。B细胞上的BCR激活体液免疫，T细胞上TCR的触发细胞介导的应答途径。获得性免疫系统的主要特征是能对特定抗原的识别效应进行扩增放大，并对之形成长期性甚至永久性的记忆。当前第11页\共有97页\编于星期五\13点体液免疫系统获得性免疫的体液免疫系统由B淋巴细胞合成和分泌的抗体所介导。一旦抗体与抗原特异性结合（免疫识别）便通过下列两种途径消灭抗原：诱导巨噬细胞的吞噬作用；激活补体系统的降解作用。B淋巴细胞合成抗体需要辅助T淋巴细胞（TH）通过细胞通讯提供指令。当前第12页\共有97页\编于星期五\13点细胞介导的免疫系统获得性免疫的细胞介导免疫是由细胞毒素型T淋巴细胞（CTL又称杀手T淋巴细胞）实现的。外来抗原尤其是细菌或病毒侵染机体靶细胞后，靶细胞表面靶细胞毒素T细胞抗原片段MHCTCRT细胞受体上的大型组织相容性复合物（MHC）将细菌或病毒的抗原片段展现在细胞外表面，这时毒素T淋巴细胞表面的T细胞受体就能专一性与抗原片段或抗原片段-MHC复合物结合，进而消灭被侵染的靶细胞及入侵者当前第13页\共有97页\编于星期五\13点细胞介导的免疫系统哺乳动物的每个个体都有其特异性的MHC蛋白谱，因而从一个个体向另一个体的组织移植是困难的，因为供体与受体之间的MHC蛋白谱不同。机体免靶细胞杀手T细胞抗原片段MHCTCRT细胞受体疫系统不会进攻自身的性质称为“免疫耐受性”，而抗体、T细胞受体及MHC是多样的（免疫多样性），这就为机体定义识别自身提供了分子基础。当前第14页\共有97页\编于星期五\13点3B

获得性免疫系统的功能与机制机体在接触到抗原后，便会产生对该抗原新一轮入侵的免疫作用，而在此之前，机体缺乏对抗原的这种特异性杀伤作用。换句话说，机体对抗原的杀伤能力是在免疫应答过程b获得性免疫系统的形成中获得的，这种能力产生的机制遵循“克隆选择理论”。当前第15页\共有97页\编于星期五\13点克隆选择理论未成熟的淋巴细胞库中含有大量的B细胞和T细胞。每一个B细胞只表达一种特异性BCR和Ig；同样，每一个T细胞也只含有一种特异性的TCR。一旦遭遇抗原，特异性的BCR和TCR则分别识别结合之，并启动由两者分别介导的信号转导途径，其效应是大量（106）针对同种抗原的B细胞和T细胞成熟，并产生更多的抗体，即克隆选择。每个细胞的表面上分布着大约12万个BCR分子当前第16页\共有97页\编于星期五\13点3B

获得性免疫系统的功能与机制组成获得性免疫系统的淋巴细胞属于外周细胞，它们由成年骨髓中的未成熟干细胞发育而成，或直接通过血液（B细胞）或通过胸腺（T细胞）迁移至外周淋巴组织如脾脏、淋巴结、派氏淋巴小结、扁c获得性免疫系统的分布每个哺乳动物个体的B淋巴细胞库中至少由1012

种特异性BCR构成，T淋巴细胞库的含量相对少一些，而每一种特异性的B细胞或T细胞只有少数几个相同的细胞组成，因为它们从未遭遇过相应的抗原。桃体等处，然后在血液和胸腺之间流动循环。当前第17页\共有97页\编于星期五\13点3C

抗体编码区的顺序组织高等哺乳类动物的免疫球蛋白（Ig）由两条重链（H，35KD）和两条轻链（L，17KD）通过四对二硫键连接而成。

a抗体分子的基本结构重链有五种类别：m，d，g，e，a，分别构成：IgM、IgD、IgG

IgA、IgE，它们通常具有不同的生物学功能。轻链有两种类别：k，l。人类的抗体中，60%是k链；40%为l链。当前第18页\共有97页\编于星期五\13点抗体的分子结构NNCCVLJCLVLJCLVHDJCH1CH2CH3CH2CH3铰链区（Hinge）效应功能区（五类抗体的功能类别决定区）抗原结合区当前第19页\共有97页\编于星期五\13点3C

抗体编码区的顺序组织人体免疫球蛋白的编码基因包括下列三大家族：

b抗体分子的编码基因轻链l家族轻链k

家族重链H家族300个不同的V基因和4个不同的JC基因

76个不同的V基因、5个不同的J基因、1个C基因

51个不同的V基因、30个不同的D片段、6个不同的J基因、9个不同的C基因，包括m、d、g、a、e五种类型的编码基因。当前第20页\共有97页\编于星期五\13点3C

抗体编码区的顺序组织在这里，基因的概念是编码免疫球蛋白多肽链的一个特定区域的DNA序列。在非抗体合成细胞中，V基因和C基因不在同一条染色体上。

b抗体分子的编码基因三个家族的划分是因为每个家族的各个基因均有自己的顺序组织模式及表达模式，家族不同，基因的顺序组织及表达调控模式也不同。

当前第21页\共有97页\编于星期五\13点3C

抗体编码区的顺序组织高等哺乳类动物免疫球蛋白基因的排列顺序在胚胎细胞和B淋巴细胞中是不同的，胚胎细胞中的相应基因并不能表达。胚胎细胞中免疫球蛋白的基因顺序组织如下：c抗体基因家族的顺序组织当前第22页\共有97页\编于星期五\13点人类l

基因家族在胚胎细胞第22号染色体上的顺序组织1000kb300个Vl基因间隔区4个Jl

Cl基因信号肽编码区可变区编码区J区编码区不变区编码区（-19~-4）（-3~97）（98~110）（111~C）当前第23页\共有97页\编于星期五\13点人类k

基因家族在胚胎细胞第2号染色体上的顺序组织76个Vk基因间隔区5个Jk和1个Ck基因信号肽编码区可变区编码区J区编码区不变区编码区5个Jk片段分布在500-700bp的区域内，内含子结构长为2-3kb增强子当前第24页\共有97页\编于星期五\13点人类H重链基因家族在胚胎细胞第14号染色体上的顺序组织300kb51个VH信号肽编码区可变区编码区人的免疫球蛋白H重链基因家族不像轻链家族那样分隔成分离的两部分，而是所有基因全部组成一个巨大的基因簇结构。其中，D区由2-13个氨基酸组成。

30个D6个Jmdg3g1yea1ygg2g4ea2CH1铰链区CH2CH3当前第25页\共有97页\编于星期五\13点3D

抗体多样性的分子机制人体的B淋巴细胞可同时产生至少数十万亿种不同的抗体，每种抗体分子的氨基酸序列均不同。根据传统理论，人体至少应有数十万亿个抗体基因为其编码，但事实上人类染色体中的基因总数只有2-3万个，这显然是传统理论难以解释的问题。

1965年，Dreyer和Benett提出了基因重排假说，以解释抗体多样性的分子机制：抗体的不变区是由单基因编码的，而可变区则由数千个基因编码，机体通过体内基因重排或重组方式实现抗体分子的多样性。可是当时这个假说并没有为他人所接受，因为那时人们相信基因是不会重组的，直到十年后，DNA体外重组实验成功后，这个假说才被承认。当前第26页\共有97页\编于星期五\13点3D

抗体多样性的分子机制

1976年，SusumuTonegawa设计了一个著名实验，证明抗体基因在骨髓干细胞（淋巴细胞的前身）中发生了重排。实验如下：从胚胎细胞和骨髓干细胞中分别制备染色体DNA，用BamHI消化后凝胶电泳分离然后用I125标记的抗体mRNA（包含V和C两部分）杂交两种来源的DNA片段，结果发现在胚胎细胞DNA样品中有两条不同大小的BamHI片段呈阳性；而在骨髓干细胞DNA样品中只有一条带呈杂交阳性。这表明在骨髓干细胞中的抗体基因顺序组织不同于胚胎细胞，也就是说，骨髓干细胞中的抗体基因发生了改变，因为骨髓干细胞也是从胚胎细胞分化而来的。为此，Tonegawa获得了1987年的诺贝尔生理学或医学奖。当前第27页\共有97页\编于星期五\13点3D

抗体多样性的分子机制后来，当抗体基因逐一被克隆后，DNA顺序组织的分析结果证实了在胚胎细胞和其它非抗体生成体细胞中，构成抗体的各基因（尤其是V基因和C基因）是分离的，它们不能表达任何有功能的抗体蛋白。而在B淋巴细胞中，各抗体基因元件重组在一起，轻链为V-JC，重链为V-DJ-C，它们作为一个转录单位，转录出mRNA前体，经剪切后，翻译出抗体蛋白。那么，抗体基因的重排是怎样进行的呢？当前第28页\共有97页\编于星期五\13点3D

抗体多样性的分子机制小鼠的k轻链基因和重链基因随机重排研究得最为详细，以此为例：a体细胞抗体基因重排的分子机制当前第29页\共有97页\编于星期五\13点抗体基因的随机组合小鼠k轻链基因的重排与表达小鼠k轻链基因定位于第6号染色体上。Vk基因和Jk片段的选择是随机的当前第30页\共有97页\编于星期五\13点抗体基因的随机组合小鼠k轻链基因的重排与表达基因重排后，位于Ck上游的增强子激活最邻近的启动子，并转录出mRNA前体，而Vk1、Vk2的启动子不能被激活。增强子是组织特异性的，仅在B淋巴细胞中有活性当前第31页\共有97页\编于星期五\13点抗体基因的随机组合小鼠H重链基因的重排与表达小鼠的H重链基因定位在第12号染色体上。H重链含有D片段，它直接与重链的多样性（Diversity）有关。重排分两个阶段：即D与J重排，V与DJ-C重排。当前第32页\共有97页\编于星期五\13点抗体基因的重排规则重排位点的序列特征抗体轻链和重链基因的重排机制是相同的。在胚胎细胞中，抗体基因在重排位点上（轻链：VL与JCL之间；重链：D与JCH之间和VH与D之间）均存在特异性的重排位点。在此位点上，特异性回文结构形成断裂和结合的重排信号序列（RSS）。七聚体九聚体九聚体七聚体VkJCkVlJCl23bp12bp12bp23bpCACAGTGACAAAAACCCACAGTGGGTTTTTGT当前第33页\共有97页\编于星期五\13点抗体基因的重排规则重排位点的序列特征每个V编码基因之后均有这种结构。七聚体本身就是回文结构；九聚体本身不是回文结构。在k轻链基因中，每个J片段之前均有这种9-23-7结构。小鼠重链编码基因簇中的重排位点也呈现相似的特征序列：VHJCH23bp12bp12bp23bpD当前第34页\共有97页\编于星期五\13点抗体基因的重排规则抗体基因分子的重排规则─12/23定律一个带有一种间隔区的保守序列只能与一个带有另一种间隔区的保守序列结合，也就是说，含有12bp间隔区的保守列序只能与含有23bp间隔区的保守列序相结合VJC12bp23bp信号端信号端编码端编码端VJC基因或片段的断裂位点及连接位点均发生在七聚体保守序列的两个外侧，即信号端与编码端的交界处断裂连接当前第35页\共有97页\编于星期五\13点基因重排的不精确性直接导致在断裂连接位点上的碱基插入或缺失。整个基因重排过程包括断裂和结合两个反应。结合反应会导致碱基的插入或缺失，这种变化发生在V-J结合区（轻链）；在重链中发生在V-D和D-J结合区。在插入突变中，P核苷酸来源于基因序列的补齐过程；而N核苷酸则来源于随机掺入过程。当前第36页\共有97页\编于星期五\13点基因重排的不精确性经过重排反应后，原来的抗体编码序列TACCG变成了TATTGGGGCCG，增加了6对碱基，即2个密码子。而这些位点恰恰位于抗体分子特异性的超变区内，因而产生了抗体的多样性。当然，这种碱基的缺失或插入也会导致阅读框架发生错误，因而大约有三分之二的基因重排是无功能的。当前第37页\共有97页\编于星期五\13点基因重排的不精确性若干种参与V（D）J重排的蛋白因子已被鉴定，它们含有典型的七聚体结合位点、九聚体结合位点、核酸内切酶活性中心等特征结构。其中一个重要的蛋白因子由基因Rag编码，rag突变型的小鼠不能产生功能性抗体。事实上，RAG1和RAG2负责DNA的断裂和重连接，而TdT负责N核苷酸随机掺入。Rag：重排激活基因当前第38页\共有97页\编于星期五\13点3D

抗体多样性的分子机制在抗体分子的形成过程中至少有四个环节为其提供了序列多样性：

b抗体分子多样性的来源当前第39页\共有97页\编于星期五\13点抗体基因装配元件的多样性对人体免疫球蛋白轻链的装配元件而言：

Vl=300，JlCl=4，装配的（VJC）l的总数为1,200种

Vk=76，JkCk=5，装配的（VJC）k的总数为380种

对人体免疫球蛋白重链的装配元件而言：

VH=51，JH=6，D

=30，CH=9，装配的（VDJC）H的总数为8.3×104

因而，由于抗体基因元件装配产生的抗体总数为：

（1,200+380）x

8.3x104=1.31x108

当前第40页\共有97页\编于星期五\13点抗体基因重排过程中碱基插入或缺失的多样性任何V-JC、V-D-JC、D-JC重排过程均可产生数量极为可观的碱基序列改变，虽然这些改变中至少有三分之二是无功能的，但剩下的三分之一也是无法计算的。保守估计，每种重排至少能产生五种有功能的序列，因而其有效突变的总数大约为：（1,200+380）x

8.3x104x5=6.55x108

当前第41页\共有97页\编于星期五\13点V基因和假基因之间同源交换的多样性这种多样性首先在鸟类动物体内发现。鸡的免疫球蛋白l轻链基因只有3个：Jl、Cl、Vl。但在Vl的上游有25个yVl假基因，Vl甚至是没有活性的，它必须与yVl发生同源交换后，才能合成具有活性的l轻链。每个yVl基因中均有4-6个片段（10-120

bp不等）可与Vl发生同源交换，而且这种同源交换可发生一次、二次……甚至六次，因而由此产生的l轻链也可达2.5×108之多！25yVlVlJlClV基因片段之间的同源交换当前第42页\共有97页\编于星期五\13点体细胞超突变产生多样性体细胞超突变（SHM）发生在成熟的B淋巴细胞内，具体部位在轻重链可变区基因的上游区域，由抗原刺激诱导产生，突变频率为10-3/碱基对/细胞代数，比自发突变频率高106倍，而且这种细胞超突变发生于初级免疫应答、B细胞记忆、以及次级免疫应答的所有过程中，其结果是不断地创造出对抗原具有更强亲和力的浆细胞及其抗体CCPCSRSHM浆细胞SHM浆细胞记忆型细胞CSRCCP/CSR/SHMCCP：细胞克隆扩增CSR：类型开关重组SHM：体细胞超突变当前第43页\共有97页\编于星期五\13点体细胞超突变产生多样性研究结果表明，大多数表达的V-J和V-D-J序列中含有大约3-15个不等的碱基取代，而且这些突变往往倾向于低甲基化的热点序列，如5‘-RGYW-3’（R=A/G，Y=C/T，W=A/T），主要碱基取代类型为C→N上述体细胞超级突变在抗体基因重排完成之后仍可创造出105数量级的抗体种类（以平均每条V-J和V-D-J序列中含有9个取代碱基计算，共有49=2.6x105种突变可能，有义突变率为20/64，则8.19x104）综合抗体基因重排、重排过程中发生的碱基插入或缺失、以及重排结束后的体细胞超级突变，人类成熟的B细胞（浆细胞）库中理论上可产生高达1013

种不同的抗体（6.55x108

x

8.19x

104=5x1013

）。当前第44页\共有97页\编于星期五\13点3D

抗体多样性的分子机制

生产性免疫球蛋白基因的重排是指能产生出活性抗体的基因重排事件。同源染色体两条单体的抗体等位基因理论上可同时发生基因重排，但一旦一条同源染色体上的基因重排是生产性的，或者是成功的，那么它便会抑制另一条同源染色体上等位基因的重排过程，这就是所谓的等位排斥现象。c生产性基因重排触发等位基因的排斥因此，每个B淋巴细胞只表达一种类型的轻链和一种类型的重链，产生一种免疫球蛋白分子。当前第45页\共有97页\编于星期五\13点3D

抗体多样性的分子机制

纵观抗体基因的重排事件存在下列特征：d抗体基因重排的表观调控直接与独立的D基因发生重排；而且远端VH与近端VH具有同等机会重排。重排次序精确性：D-JH重排在前，VH-DJH重排在后，VH不能直重排世系特异性：虽然在B细胞和T细胞中均存在RAG重排机但抗体基因只在B细胞中发生重排；同样，TCR受体基因只在T细胞重排等位基因排斥性：抗体生产性的基因重排只发生在同源染色体上两个等位位点中的一个位点上，另一个位点的重排受到抑制，除非第一个位点上的重排是非生产性的。当前第46页\共有97页\编于星期五\13点3D

抗体多样性的分子机制d抗体基因重排的表观调控早在上世纪八十年代中期，Alt等人就提出了用来解释抗体基因重排特异性的“易感性假说”，即在淋巴细胞及其祖先每一特定的分化阶段中，只有某些基因位点的某些部分对RAG重组机器是“易感”的，因而抗体基因重排的特异性实际上可归结为对DNA区域对RAG重组机器的“易感性”。这在当时显然只是个概念，但近年来表观遗传学的研究进展正在不断赋予其分子层面上的内涵，包括复制定时、核定位改变、染色质鼓泡、组蛋白修饰、核小体定位、DNA甲基化等表观调控机制。当前第47页\共有97页\编于星期五\13点染色质在核组织中的重定位提升重排的易感性（a）两个Igh位点起初定位在核的周边；（b）它们借助于DJC末端向核的真染色质中心移动，双双与Rag复合物相连，并经历D与J重排以及邻近于重排型DJ基因片段的V区鼓泡，以便进行V与DJ的重排；（c）生产性VDJ重排了的等位基因解构与表达；（d）第二个等位基因解构并被招募至近着丝粒区的异染色质上（深灰色不规则形状）。CTCF结合位点Pax5YY1Ezh2ikaros当前第48页\共有97页\编于星期五\13点染色质组蛋白的表观修饰提升重排的易感性组蛋白脱乙酰化酶

核小体核小体组蛋白乙酰化酶RAG1/2重排机器

Ac

Ac

Ac

Ac

最新的研究证实，染色质组蛋白上临时的有限度的表观标记也与抗体基因位点的次序性重排密切关。在DJH重排之前，整个D-CH区域的组蛋白被乙酰化；在尚未经历DJH重排的祖先B细胞中，VH基因位点结合的是非乙酰化的组蛋白；而准备进行VH-DJH重排的区域内，显示出VH位点组蛋白乙酰化水平的提升。当前第49页\共有97页\编于星期五\13点DNA的甲基化指导等位排斥与体细胞超突变同源染色单体A同源染色单体a在抗体基因位点所在的两条同源染色体DNA上，甲基化修饰的密度显著不同。其中，甲基化程度较低的等位位点更倾向于发生重排和体细胞超突变。这为抗体基因重排的等位排斥以及体细胞超突变在生产性重排的染色体DNA上特异性发生提供了一种控制机制。当前第50页\共有97页\编于星期五\13点3E

抗体类型开关的切换人体免疫系统能产生五种不同类型的抗体(免疫球蛋白)，每一类抗体具有不同的重链类型，由CH区域的氨基酸排列顺序决定。一个B淋巴细胞在任何一个时刻一般只能产生一种类型的抗体，但在整个细胞周期中，免疫球蛋白的类型可能会发生改变。这种控制抗体类型转换的因素称为“类型开关”，而抗体的轻链在整个细胞周期中却是恒定不变的。当前第51页\共有97页\编于星期五\13点3E

抗体类型开关的切换a各类型免疫球蛋白的组成与功能抗体类型IgMIgDIgGIgAIgECH链性质分子结构血液中比例生理功能mdgae(m2L2)5Jd2L2g2L2e2L2(a2L2)2J5%1%80%14%<1%巡视非血体液介导过敏反应激活补体功能建立免疫耐受激活补体功能当前第52页\共有97页\编于星期五\13点3E

抗体类型开关的切换免疫球蛋白类型的转换实质上就是CH基因的转换。V-D-J组合元件与新的CH类型基因发生第三次基因重排，这就是“类型开关”的启动机理。第三次基因重排发生在CH基因的上游，每个CH基因的上游均含有自己的开关区域，即S区，位于CH基因上游大约2kb处，长度1-10kb不等。S区内均含有一组短小的同源序列，重排位点虽然不是位b类型开关的启动机制点专一性的，但都位于这组同源序列的附近。当前第53页\共有97页\编于星期五\13点第三次重排的过程VDJmdg3g1g2bg2aea1a2SSSSSSSSVDJg1g2bg2aea1a2SSSSSSVDJa1a2SSSmSg1重排Smg1

Sa1重排IgMIgG1IgA1当前第54页\共有97页\编于星期五\13点3E

抗体类型开关的切换免疫球蛋白IgM的合成周期可分为两个阶段：cRNA剪切对类型开关的影响第一阶段：当骨髓干细胞分化成前B淋巴细胞时，IgM被合成并定位在细胞的表面，即BCR，其结构式为L2mm2，其中m代表膜蛋白；

第二阶段：当前B淋巴细胞进一步分化成浆细胞时，IgM被合成为五聚体形式（L2ms2）5J，其中J是一种结合肽，与J片段无关，它与各ms链形成二硫键，S代表分泌。

当前第55页\共有97页\编于星期五\13点3E

抗体类型开关的切换cRNA剪切对类型开关的影响

mm与ms仅在重链的C末端不同，mm末端是疏水性的，而ms末端是亲水性的，这使得IgM具有不同的生物功能。由mm转换成ms并不是靠基因重排机制实现，而是在转录产物的剪切过程中形成的。

任何一个B淋巴细胞只产生一种免疫球蛋白，这个规律的一个例外是：在成熟的B淋巴细胞中，IgM和IgD两种抗体同时合成，但它们的可变区是相同的，这可能是由于RNA剪切过程发生故障造成的，因为m和d两个编码区是连在一起的。当前第56页\共有97页\编于星期五\13点RNA剪切多样性对lgM类型开关的影响机制基因型Cm六个外显子核RNA膜结合阶段mRNAAAAAAAAAL2mm2核RNA分泌阶段mRNAAAAAAAAAL2ms2(L2ms2)5JVDJm1m2m3m4m1m2当前第57页\共有97页\编于星期五\13点HSCLMPPCLPPre-pro-BPro-BPre-BIPre-BIIIBMBPB胚胎组织骨髓组织外周组织基因重排蛋白表达表观修饰mHmHmHmHHLLLPreBCRBCRBCRAbVH-DJH2D-JHVk-DJkSLVl-DJlVH-DJHVL-DJLVH-DJHVL-DJL免疫编辑受体选择HSC：造血干细胞LMPP：淋巴引发型多能祖先细胞CLP：公共淋巴祖先细胞Pro-B：祖先B细胞IB：未成熟B细胞MB：成熟B细胞PB：浆细胞SL：替代性轻链SLd终结于类型开关的B淋巴细胞世系演变当前第58页\共有97页\编于星期五\13点3FT淋巴细胞受体的结构与功能

T淋巴细胞是高等哺乳动物第二免疫系统(细胞免疫)的主要功能单位，它也能与外来的抗原特异性结合，但这种结合依赖于T淋巴细胞表面受体(TCR)。当前第59页\共有97页\编于星期五\13点3FT淋巴细胞受体的结构与功能TCR与BCR/Ig的同源性来自于T淋巴细胞和B淋巴细胞的亲缘关系，两者都是从同一种前体细胞分化而成的。

aTCR与BCR/Ig的同源性当前第60页\共有97页\编于星期五\13点TCR与BCR/Ig蛋白结构的同源性

TCR有两种：ab型受体与gd型受体，其中gd受体小于5%，ab受体大于95%。gd受体仅在T细胞早期发育阶段合成，而ab受体则在细胞

发育晚期合成。

abgd四种多肽链均由可变区V、不变区C、铰链区J组成，其中b链和d链还含有多样区D，a与b、g与d也都由二硫键相连。与免疫球蛋白相同，TCR也能够识别不可预期的抗原结构，因此TCR与BCR/Ig同属抗原球蛋白超家族。

ab型的TCR是一种80kD的糖蛋白，其中a链与b链各40kD。

当前第61页\共有97页\编于星期五\13点TCR与BCR/Ig基因结构的同源性TCR各链的基因顺序组织与免疫球蛋白基因相似：TCR各亚基基因的装配也经历V-JC或V-D-JC的重排过程，其重排位点同样使用七聚体-九聚体的信号序列。

TCRa链基因相似于免疫球蛋白的k轻链基因TCRb链基因相似于免疫球蛋白的H重链基因TCRg链基因相似于免疫球蛋白的l轻链基因TCR与BCR/Ig基因重排机制的同源性当前第62页\共有97页\编于星期五\13点3FT淋巴细胞受体的结构与功能TCR编码基因存在于三个分离的基因簇中。

bTCR基因的顺序组织虽然TCR各亚基的V基因数目比免疫球蛋白的V基因要少，但TCR受体的多样性却比免疫球蛋白还多，因为TCR的J和D片段可与V基因发生异源重排，如VaJdCa、VdJaCd等，在TCR的b基因簇内有时还会发生Db-Dd重排。当前第63页\共有97页\编于星期五\13点TCR的ad基因簇结构人的TCRad基因簇定位在第14号染色体上：42Va+Vd1000kbDdJdCd61JaCa当前第64页\共有97页\编于星期五\13点TCR的b基因簇结构人的TCRb基因簇定位在第7号染色体的一端：46Vb600kbDb6JbCb1Vb7JbCb2Db当前第65页\共有97页\编于星期五\13点TCR的g基因簇结构人的TCRg基因簇定位在第7号染色体的另一端：14Vg150kbJg1Cg1Jg2Cg2当前第66页\共有97页\编于星期五\13点3FT淋巴细胞受体的结构与功能cTCR的结合蛋白复合物在T细胞中，TCR与CD3蛋白复合物连为一体。当TCR与抗原结合后，CD3复合物中的x亚基就会将信号传递至T淋巴细胞内，激活胞内一系列的酶系，并分泌至T淋巴细胞外，杀灭被外来细菌或病毒侵染的靶细胞，这是免疫细胞信号转导的一种方式。

当前第67页\共有97页\编于星期五\13点3G

大型组织相容性复合物的结构与功能大型组织相容性蛋白（MHC）大都是糖蛋白，每种高等生物具有不同的MHC，甚至每个生物个体都具有不同于他人的自身MHC，也就是说人与人之间的MHC基因都不同，这与TCR和BCR/Ig基因家族有着本质的区别。因此，MHC的多样性可能比TCR和BCR/Ig还要大a大型组织相容性蛋白的多样性特征这种MHC的多样性是生物体自我识别的分子基础。当前第68页\共有97页\编于星期五\13点MHC多样性的分子机制MHC多样性的分子机制是编码基因内的同源交换，因为在MHC基因簇中存在着大量的假基因，它们为基因的同源交换提供了丰富多彩的交换元件。除此之外，MHC与TCR和BCR/Ig在分子水平上具有同源性，三者至少有100个氨基酸残基是同源保守的，这暗示它们在进化中均来自于一个共同的祖先。当前第69页\共有97页\编于星期五\13点3G

大型组织相容性复合物的结构与功能根据MHC分子的结构、功能、定位，可将MHC分成三大类亚家族：b大型组织相容性蛋白家族的功能当前第70页\共有97页\编于星期五\13点I型MHC属于传统的移植抗原，它们位于生物个体所有细胞的表面，能与抗原碎片结合，并为毒素型T淋巴细胞表面受体(TCR)所识别。I型MHC为二聚体，由一个自身链和一个b2微球蛋白链构成。b2微球蛋白用于I-MHC的细胞膜运输与定位。当前第71页\共有97页\编于星期五\13点II型MHC定位于B淋巴细胞、T淋巴细胞、巨噬细胞的膜表面，功能是负责免疫系统各类细胞之间的通讯。II型MHC为二聚体，由a、b两条链组成，在结构上与I型MHC相似。III型MHC定位于血清内，补体蛋白，其功能是裂解细胞和抗原本身，属于体液免疫系统。III型MHC也呈二聚体结构。当前第72页\共有97页\编于星期五\13点3G

大型组织相容性复合物的结构与功能人类三种类型MHC的编码基因均定位在一个约4,000kb的染色体区域内，只有b2微球蛋白基因定位于另一条染色体上。c大型组织相容性蛋白基因的顺序组织DPDQDRC4C2TNFabHLA-BHLA-CHLA-AHLA-DClassIIClassIIIClassI>19genes当前第73页\共有97页\编于星期五\13点MHC基因结构的相似性除了III型MHC外，所有的MHC基因结构都具有很大的相似性。蛋白分子上的各功能区域往往是由基因上的一个外显子编码，也就是说，一个外显子编码蛋白分子上的一个功能域，包括：信号肽区膜外区转膜区胞质区非翻译区ClassIClassIIaClassIIbb微球蛋白外显子当前第74页\共有97页\编于星期五\13点3G

大型组织相容性复合物的结构与功能B淋巴细胞和巨噬细胞的作用就象侦察兵，猎取入侵者。当靶细胞与外来抗原遭遇后，便将抗原片段通过其I型MHC展示给毒素T淋巴细胞，后者再通过信号转导途径，激活能在受感染的靶细胞膜上钻孔并进入靶细胞的酶系编码基因，进而降解入侵抗原dMHC介导的免疫细胞间的通讯网络受感染的细胞毒素T细胞当前第75页\共有97页\编于星期五\13点3G

大型组织相容性复合物的结构与功能当巨噬细胞与外来抗原遭遇后，便通过其II型MHC将抗原暴露给辅助T淋巴细胞，后者识别MHC-抗原复合物。辅助T淋巴细胞就象指挥者，通过分泌淋巴细胞因子dMHC介导的免疫细胞间的通讯网络而发布命令。巨噬细胞辅助T细胞当前第76页\共有97页\编于星期五\13点抗原展示细胞TCR介导的信号转导网络T-细胞淋巴细胞因子当前第77页\共有97页\编于星期五\13点3G

大型组织相容性复合物的结构与功能淋巴细胞因子的功能有三：dMHC介导的免疫细胞间的通讯网络命令B淋巴细胞分化成浆细胞，合成和分泌抗体，消灭入侵者；进攻巨噬细胞、血小板及其它细胞，参与整理战场和医治创伤；

作用于辅助T淋巴细胞本身，使其发出更多的指令，放大信号，扩增免疫细胞的数目。

另外，B淋巴细胞也拥有自己的信号传递途径。

当前第78页\共有97页\编于星期五\13点3H

先天性免疫系统的功能与机制a先天性免疫系统的基本组成与特征

先天性免疫系统为机体提供了抵御微生物病原体侵袭的第一道防线，存在于几乎所有的多细胞生物中，但表现形式和效应机制不同。先天性免疫具有针对微生物病原体中某些固有的分子谱（MAMPs）的识别作用，这些分子谱是微生物病原体上相对保守的模件，但不存在于多细胞的真核生物中，因此先天性免疫系统能迅速高效地辨认自我与非自我。脊椎动物的先天性免疫系统主要由巨噬细胞（Mf）、树突细胞（DCs）、嗜中性粒细胞构成，负责识别MAMPs不同成员的正是这些细胞表面上和细胞内的特异性的谱识别受体（PRRs）。当前第79页\共有97页\编于星期五\13点微生物病原体中相对保守的分子谱（MAMPs）GENESX2010微生物病原体细胞表面和细胞内的某些分子具有种属保守性，能为宿主生物的先天性免疫系统特异性识别，这些分子的集合称为微生物病原体相关性分子谱（MAMPs）。微生物种属分子谱物质细胞学定位谱识别受体细菌三酰基脂肽细胞壁TLR1/TLR2生鞭毛细菌鞭毛蛋白鞭毛TLR5革兰氏阳性菌肽聚糖细胞壁TLR2/TLR6革兰氏阴性菌脂多糖细胞壁TLR4细菌/病毒单链RNA细胞质TLR7/TLR8病毒双链RNATLR3/RIG1真菌b-多聚糖细胞壁Dectin1含DNA微生物非甲基化CpGDNA细胞质TLR9当前第80页\共有97页\编于星期五\13点先天性免疫细胞上或细胞内的谱识别受体（PRRs）微生物病原体被多重不同的PRRs所识别，定位于巨噬细胞和树突细胞表面或内部的PRRs分为三大类：AkikoIwasaki，etal.Science，327，2010受体类型谱识别受体分泌型受体效应功能胶原凝集素纤维胶凝蛋白穿透素转膜型受体Toll样受体家族TLRC型凝集素家族成员胞质型受体RIG1样受体RLRNOD样受体NLR与微生物细胞表面结合，激活补体系统的凝集素途径，并调节巨噬细胞和嗜中性粒细胞吞噬病原微生物。识别微生物病原体的MAMPs，并通过信号转导途径激活获得性免疫系统。RLR识别病毒RNA，NLR识别细菌肽聚糖降解产物，并诱导其进一步降解。当前第81页\共有97页\编于星期五\13点先天性免疫的基本特征

先天性免疫细胞的谱识别受体无需基因重排而直接表达；为谱识别受体所识别的微生物病原体分子谱呈现种属内的统一性和进化学的保守性；先天性免疫系统只是抵御病原体第一波的侵袭，但不能应付感染的后续阶段，也没有记忆功能；先天性免疫应答能在一定程度和范围内激活获得性免疫系统

当前第82页\共有97页\编于星期五\13点3H

先天性免疫系统的功能与机制b先天性免疫识别的主流机制先天性免疫对微生物病原体的识别作用既可发生在细胞外也可发生于细胞内，完全取决于免疫识别发生的场所是感染细胞还是非感染细胞。细胞外的先天性免疫识别主要由巨噬细胞和树突细胞的TLR等转膜受体介导，一般为非感染细胞；相反，细胞内的先天性免疫识别由细胞内的受体介导，如NLR和RLR，这些受体的激活一般需要细胞被感染，因此这些PRRs被广泛表达。虽然上述两种类型的识别均能在激活后诱导抗微生物效应，但它们采取不同的机制触发先天性免疫。当前第83页\共有97页\编于星期五\13点微生物病原体的细胞外识别机制AkikoIwasaki，Science，327，2010先天性免疫系统的树突细胞表面受体TLR特异性识别病原体上的分子谱PAMP或MAMP，由此激活TLR信号转导途径，这一途径最终作用于相关基因，表达出激活T淋巴细胞的细胞因子和共刺激分子。吞噬小体信号转导协同指导当前第84页\共有97页\编于星期五\13点微生物病原体的细胞内识别机制AkikoIwasaki，Science，327，2010如果树突细胞被病毒感染，则依靠RIG1样受体实施细胞内识别病毒核酸分子，激活RIG1信号转导途径，这一途径最终作用于相关基因，表达出激活T淋巴细胞的细胞因子和共刺激分子；同时病毒蛋白经内质网或自吞噬小体加工后交MHC展示当前第85页\共有97页\编于星期五\13点微生物病原体的细胞外与细胞内复合识别机制机体内大多数细胞具有MHC依赖的抗原分子展示功能，但有些无展示活性的细胞nonAPC

可通过细胞外与细胞内复合识别机制识别病原体，并产生相应的先天性免疫应答non-APC当前第86页\共有97页\编于星期五\13点3H

先天性免疫系统的功能与机制cToll样受体信号转导途径的普遍意义在脊椎动物先天性免疫中扮演重要角色的Toll样受体TLR与规定果蝇腹部发育途径的Toll受体高度同源，而且也与果蝇响应真菌和革兰氏阳性菌感染并诱导产生抗菌肽的信号转导途径高度相似，这表明Toll的普遍意义。SpaTollTubPelCac/DorDorMAMPTLRMyD88TRIFNFkBNFkBIkB果蝇腹部发育途径人类免疫识别途径当前第87页\共有97页\编于星期五\13点3H

先天性免疫系统的功能与机制d动植物识别微生物分子谱的进化学保守性进化历程（亿年前）1086420动物植物哺乳动物昆虫单子叶双子叶人鼠当前第88页\共有97页\编于星期五\13点PamelaC.RonaldBruceBeutlerScience，330，60