抗原识别受体的基因重排以及受体多样性的产生

抗原识别受体的基因重排以及受体多样性的产生

T、B细胞都用其抗原识别受体识别抗原

B细胞：Bcellreceptor(BCR) T细胞：Tcellreceptor(TCR)淋巴细胞抗原识别特点：

究竟什么样的病原微生物能够突破机体的天然免疫屏障并不能预料。为了能够防御所有可能的病原微生物的感染，特异性免疫应答系统必须形成一个巨大的抗原受体库，以便能够识别所有可能的外来抗原物质。问题：

为什么人产生的抗体比他自身携带的总的基因数还要多？

人可以表达的抗原受体约为1012个，人的基因总数仅为3－5万个。内容：一、BCR重排的发现二、产生BCR多样性的机制三、TCR的基因结构和多样性的产生

一、BCR重排的发现BCR或抗体由可变区和恒定区组成，其多样性主要是由可变区决定的

可变区多样性是怎样产生的?抗体多样性的两种假说：体细胞突变假说

B细胞发育过程中发生了突变，导致生成的BCR或者抗体变成许多种基因片段重排假说

Dreyer和Bennett于1965年提出，即两个基因一条多肽链理论。他们认为BCR由两类基因片段组成，一类编码BCR的V区，一类编码BCR的C区。V区基因含有多个基因片段，只有其中一个片段与C区形成抗体。？Tonegawa的设想：

XXXXXX限制性内切酶酶切位点BCR胚系基因经过重排的基因

重排现象的实验证明

对小鼠胚系DNA和骨髓瘤细胞V和C基因的DNA做序列分析，发现在重排后的V区和C区基因不是直接拼接在一起的，由此发现了J(joining)基因片段和D（diversity）基因片段。“Forhisdiscoveryofthegeneticprincipleforgenerationofantibodydiversity"MassachusettsInstituteofTechnology(MIT)

Cambridge,MA,USATheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1987SusumuTonegawa（利根川进）b.1939二、产生BCR多样性的机制

人免疫球蛋白胚系基因图l轻链基因位于22号染色体上，k轻链基因位于2号染色体上，重链基因位于14号染色体上。V区基因和C区基因。V、D、J基因片段。信号肽L(leader)将各条肽链导入内质网腔后被切去。多样性机制之一：基因片段的重排每条编码轻链和重链可变区的基因都由数个基因片段组成。k链：40（Vk）x5（Jk）=200个Vkl链：30（Vl）x4（Jl）=120个Vl重链：40（VH）x25（DH）x6（JH）=6000个VH重组信号序列：12/23规则(12/23rule)重组信号序列(recombinationsignalsequence,RSS):

七核苷酸－12/23核苷酸的随机序列－九核苷酸转录方向相同的VJ是主要形式，环出的片段形成signaljoint，保留在染色体上的片段形成codingjoint.V区基因的重组由几种V(D)J重组酶协调完成，负责剪切和连接工作。

RAG1/RAG2：重组活化基因

Ku70/Ku80：DNA修复因子

DNA-PK：DNA依赖蛋白激酶KArtemis：核酸酶

TdT：末端脱氧核糖核酸转移酶

DNAligaseIV：DNA连接酶IVXRCC4：DNA修复蛋白k链：40（Vk）x5（Jk）=200个Vkl链：30（Vl）x4（Jl）=120个Vl重链：40（VH）x25（DH）x6（JH）=6000个VH

理论上将产生6000x(200＋120)=1.9x106个不同抗原特异性的抗体，实际上要少一些。因为并不是所有的V基因都以同样频率使用，并不是所有的轻链重链配对都能成功。多样性机制之二：重链轻链随机组合多样性机制之三：基因片段结合处的变化

基因重排和轻重链随机组合理论上仅能产生1.9x106个不同抗原特异性的抗体，远远低于实际抗体数。基因片段在结合处的变化大大增加了多样性。

多样性机制之四：体细胞高突变（SomaticHypermutation,SHM)对抗体可变区的序列分析

抗体的亲和力成熟(affinitymaturation)小鼠和人类的SHM的频率是10-5至10-3，比其他基因的自发突变高1百万倍。SHM在抗体的可变区发生需要AID(Activation-inducedcytidinedeaminase，活化诱导激活的胞嘧啶核苷脱氨酶)cytosineuracilAID为什么能够发生高频突变？SHM的发生1.单链DNA上的胞苷在AID的作用下转变为尿苷，dC:dG形成dU:dG错配2.uracil-N-glycosylase（UNG)除去dU3.APE1（脱嘌呤/脱嘧啶核酸内切酶1）使DNA的一条链形成缺口4.Mismatchrepair(MMR)蛋白识别G-U错配碱基或G-缺失碱基5.经Error-proneDNApolymerases修复，导致突变（在胞嘧啶位置或相邻位置）多样性机制之五：

类别转换（isotypeswitch）

B细胞恒定区的基因在B细胞成熟后仍然改变。所有的B细胞最开始都表达IgM，之后表达的抗体可以是IgG，IgA和IgE，这种变化叫做类别转换。轻链不产生类别转换。

免疫球蛋白C区基因:

200kb长。每个C区基因又分成几个外显子，每个外显子表达一个恒定区功能域。类别转换也需要AID参加类别转换与V区基因重排不一样。第二，类别转换仅仅引起抗体的类别而不是特异性变化；第三，类别转换在B细胞受到抗原激活之后产生，而不是在B细胞发育过程中产生；第四，类别转换不是随机的，而是由T细胞调节的。第一，所有类别转换的产物都是具有功能的；CSR和SHM都在B细胞的生发中心发生2008.8基因重排体细胞突变类别转换细胞状态未成熟细胞成熟细胞成熟细胞发生地点骨髓生发中心生发中心抗体部位可变区可变区恒定区人免疫球蛋白多样性的产生抗体多样性的发育控制

1.骨髓中形成初级抗体库抗体基因片段在与抗原无关的情况下装配起来，这样的抗体对抗原具有低亲和力。2.外周形成次级抗体库在抗原的驱使下产生的变化，对该抗原具有低亲和力的B细胞就会发生体细胞突变，形成高亲和力的B细胞。问题：

为什么免疫系统要用两种机制改变体细胞使抗体增加多样性？

微生物和它们的分泌物是免疫系统的主要防御对象。因为微生物生长速度比脊椎动物快许多倍，因此微生物产生突变体的速度可以很快，如果免疫球蛋白仅是由胚系基因编码的，那么脊椎动物就无法对付抗原飞速的变化，体细胞多样性使得机体不受限制地产生抗体。三、TCR的基因结构和多样性的产生

BCR和TCR都是识别抗原，那么TCR的基因结构和多样性的产生究竟是否和BCR相似呢？（1）TCR和BCR的相似之处

TCR结构类似免疫球蛋白，与免疫球蛋白有30-35%同源性。与BCR一样，两种TCR都含可变区和恒定区。TCR结构与免疫球蛋白的Fab类似

TCR的基因的组成方式与免疫球蛋白基因基本一样。a链和g链基因类似轻链，有V和J基因片段。b链和d链基因类似重链，有VDJ基因片段。

TCR的胚系基因结构（

b,g链基因在第7号染色体上，a,d链基因在第14号染色体上）TCR也是通过体细胞重排变为多样性的

TCR的重排的机制与免疫球蛋白一样，也具有7核苷酸和9核苷酸的重组识别信号，并遵守12/23碱基规则。（2）TCR和BCR的区别TCR也具有连接多样性，且变化更大。编码TCR

b链的D基因片段分在两处，这样会增加其有效重排的机会编码a链的J基因片段比抗体多，也会增加有效重排的机会TCR没有分泌形式，总是膜蛋白，而抗体分膜型Ig和分泌型Ig

TCR最大的不同于BCR的地方是它不产生体细胞突变。

为什么？

T细胞仅是识别细胞结合的抗原。这些抗原局部浓度很高，不需要T细胞的亲和力通过体细胞突变增加。

成熟的T细胞不能识别自身抗原，而体细胞突变后可能会产生自身反应性。和B细胞不一样，自身反应的T细胞可以直接引起疾病，因此T细胞不应该通过体细胞突变。TCR和BCR多样性的异同重点：产生BCR和TCR多样性的机制和区别抗原提呈

antigenpresentation抗原提呈是T细胞需要的

T细胞识别抗原的方式有别于BCR及其抗体（识别线性抗原肽、MHC限制性）

一些细胞能够识别摄取抗原，加工处理抗原蛋白质，使其降解成小肽，并由细胞的MHC分子将肽运送到细胞表面供T细胞识别，这样的过程称为抗原提呈。内容：一、抗原的处理和提呈过程二、抗原提呈细胞一、抗原的处理和提呈过程1、外源性抗原和内源性抗原

胞浆内的抗原称为内源性抗原，通过吞噬小体进入细胞的抗原为外源性抗原2、两类MHC分子结合的肽来源不同

MHCI类分子结合来源于胞浆蛋白的肽

MHCII类分子结合膜结构小泡中的肽

I类和II类分子提呈的肽分别由CD8＋或CD4＋

T细胞识别3、MHCI类分子提呈肽的过程

蛋白质要想变成可以被MHCI类分子结合的肽，首先胞浆内的蛋白要被降解成肽片段。

怎样降解？NobelPrizeinChemistryfor2004“forthediscoveryofubiquitin-mediatedproteindegradation"AaronCiechanoverAvramHershkoIrwinRose细胞用泛素(ubiquitin)/蛋白酶体(proteasome)系统降解蛋白质泛素是76个氨基酸组成的多肽，负责给要降解的蛋白加上标签。泛素加标签的步骤：1、泛素末端羧基通过硫酯键与泛素活化酶（E1)结合。

2、泛素-E1然后与泛素交连酶（E2)上的巯基结合转移到E2上形成泛素-E2。3、泛素-E2然后在泛素蛋白连接酶（E3）的作用下与要降解的蛋白的赖氨酸e氨基结合，形成泛素-蛋白。4、更多的泛素加到泛素-蛋白上形成蛋白降解标签蛋白酶体负责将蛋白降解成肽片段蛋白酶体的核心为20S的复合物，含两组多肽。在圆桶形的两头，有两个a环，每个环含7个不同的多肽。在圆桶形的中间，有两个b环，每个环含7个不同的多肽。蛋白酶体6个活性部位位于3个b亚基上（b1,b2,b5）

在蛋白酶体圆桶的最外端有两个19S蛋白帽。每个19S帽由20个亚单位组成。

19S的帽和20S的蛋白酶体核心组合成26S的蛋白酶体。19S的蛋白帽的功能是识别带有多个泛素的蛋白，使它们去折叠，移去泛素，使线性化的蛋白进入蛋白酶体核心。Theubiquitin-proteasomepathwayIFNg诱导组成性表达的蛋白酶体成免疫蛋白酶体（immunoproteosome）b1￫b1i(LMP2)b5￫b5i(LMP7)b2￫b2i(MECL-1)PA28aPA28b

免疫蛋白酶体更能将蛋白降解成抗原肽免疫蛋白酶体将蛋白降解成正确的C末端肽，它们再被一些酶降解成可提呈的肽

降解了的肽是怎样进入内质网中的呢？

TAP（transportersassociatedwithantigenprocessing）将胞浆内的肽转运到内质网中肽装载复合物(peptide-loadingcomplex)Nat.Immunol.5:678(2004)MHCI类分子提呈肽的详细过程Defectiveribosomalproduct(DRiP)4、MHCII类分子提呈肽的过程由MHCII类分子提呈的抗原是被吞噬溶酶体和MHCII类小体（MHCclassIIcompartment,MIIC)中的蛋白酶降解成肽的。MHCII类分子提呈抗原的简要过程MHCII类分子也进入内质网。不变链（invariantchain,Ii）可以防止MHCII类分子在内质网中与肽结合，并将MHCII类分子从内质网引入MIIC。三个MHCII类分子和三条Ii形成一个九聚体MHCII类分子提呈肽的详细过程不变链降解后留下一段与MHC分子结合的小肽CLIP(CLassII-associatedInvariantchainPeptide)HLA－DM和HLA－DO使MHCII类分子与CLIP解离并与肽片段结合5.抗原的交叉呈递现象（1）MHCI类分子交叉呈递外源性抗原肽

感染了病毒的细胞由CD8＋T细胞杀死。

如果仅是外周组织细胞感染了病毒，而APC没有被感染，那么CD8＋

T细胞怎样活化成为效应细胞呢？

感染了病毒的细胞通过吞噬的途径被APC捕获，但是却可以活化CD8＋

T细胞。How？T细胞在成为效应细胞之前，都必须先由APC活化（priming）。为什么外源性抗原要交叉呈递给CD8+T细胞？

外源性抗原怎样进入胞浆的呢？

内质网中错误折叠的蛋白质在Sec61孔状复合物参与下可以被返回胞浆降解。Nat.Immunol.5:678(2004)

早期吞噬小体为高pH，不适宜蛋白降解，抗原在此阶段逃逸至胞浆，再被交叉呈递。晚期吞噬小体pH低，适宜蛋白降解，提供MHCclassII呈递。CurrOpinImmunol.2010;22:109-17.（2）MHCII类分子交叉呈递内源性抗原肽

How？

针对直接进入胞浆的微生物或者吞噬小体破损进入胞浆的微生物。肿瘤产生一些异常分子。胸腺中T细胞的成熟和耐受。为什么内源性抗原要交叉呈递给CD4+T细胞？Around20–30%oftheMHCclassIIpresentedligandsarederivedfromcytosolicandnuclearantigens

Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2005,102,7922–7927

chaperone-mediatedautophagymicroautophagymacroautophagy

三种自噬现象：CurrOpinImmunol.2010;22:89–93.JImmunol.2009，182:3335–3341.自噬引起的MHCII类分子提呈各种抗原提呈的结果二、抗原提呈细胞（antigenpresentingcell,APC）1、MHC分子在细胞中的表达抗原提呈细胞必须能够表达MHC分子MHC分子在不同细胞中的表达2、抗原提呈细胞的概念广义的抗原提呈细胞狭义的抗原提呈细胞（专职，非专职）三种专职的抗原提呈细胞树突状细胞、巨噬细胞、B细胞抗原提呈细胞应该能够（1）识别摄取并加工处理抗原（2）通过MHC分子将抗原在细胞表面提呈（3）表达粘附分子使T细胞和APC紧密接触（4）表达协同刺激分子，给T细胞第二信号T细胞和APC相接触的区域形成免疫突触（immunologicalsynapse）

c-SMAC,central-supramolecularactivationcomplexp-SMAC,peripheral-SMAC组成免疫突触的分子3、树突状细胞对抗原的提呈（dendriticcell,DC)J.Exp.Med.137:1142,1973RalphSteinmanNobelPrizeinPhysiologyorMedicinefor2011“Forhisdiscoveryofthedendriticcellanditsroleinadaptiveimmunity”.(1943-2011)DC细胞的来源DC细胞来源很杂，有多个亚群，缺乏涵盖所有DC的特征表面抗原标志。绝大多数较深入研究的DC为髓系起源Science327:656-61.2010MDP:macrophage-DCprogenitorCDP：common-DCprogenitor

PDC：plasmacytoidDCscDC:classicalDCslpDC:laminapropria

DCsTip-DC:TNF-iNOS-producingDCBlood2009;113:3418-3427不同DC的组织分布比例：周围组织中的DC是不成熟的，表