《过程分子生物学(3 2012)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《过程分子生物学(3 2012)（98页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、过程分子生物学5 2 3 4 1 6 基因的表达与调控基因的表达与调控基因的表达与调控基因的表达与调控细胞通讯的分子机制细胞通讯的分子机制免疫多样性的分子识别免疫多样性的分子识别胚胎发育的基因表达谱胚胎发育的基因表达谱肿瘤发生的分子机制肿瘤发生的分子机制基因组学与系统生物学基因组学与系统生物学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哺乳动物的免疫识别及应答系统哺乳动物的免疫识别及应答系统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多样性的分子机制抗体类型开关的切换抗体类型开关的切换T T 淋巴细胞受体的结构与功能淋巴细胞受体的结构与功能大型组织相容性蛋白
2、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获得性免疫系统的功能与机制抗体编码区的顺序组织抗体编码区的顺序组织3A3A 哺乳动物的免疫识别及应答系统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生物体免疫系统的本质功能是区分“自我自我”与与“非自我非自我”。对于。对于单细胞生物单细胞生物而言，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。但对于而胞外物质都是非
3、自身的。但对于多细胞生物多细胞生物来说，区分自我与非自来说，区分自我与非自我就要依靠我就要依靠分子识别系统分子识别系统。人体由。人体由三百多种三百多种不同形态和性质的细胞构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：由更精确的免疫系统实现下列三种功能： 3A3A 哺乳动物的免疫识别及应答系统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一种机制去识别识别自身的细胞和分子自身的细胞和分子
4、非自身细胞或物质的识别功能非自身细胞或物质的识别功能 一种机制去一种机制去识别识别非自身的入侵者非自身的入侵者 抵御消灭入侵者的功能抵御消灭入侵者的功能 一种机制去一种机制去抵御消灭抵御消灭入侵者，并修复由其所造成的机体损伤入侵者，并修复由其所造成的机体损伤3A3A 哺乳动物的免疫识别及应答系统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先天性免疫两大免疫系统两大免疫系统获得性免疫获得性免疫巨噬细胞巨噬细胞树突细胞树突细胞警察系统警察系统两大安全系统两大安全系统军事系统军事系统T T 淋巴细胞淋巴细胞B B 淋巴细胞淋巴细胞两两种种方方式式细细胞胞分分子子干扰素干扰素白介素白介素补
5、体补体抗体抗体细胞水平上免疫功能细胞水平上免疫功能的发挥主要的发挥主要依靠先天性免疫系统中的巨噬细依靠先天性免疫系统中的巨噬细胞和树突细胞，以及获得性免疫胞和树突细胞，以及获得性免疫系统中的系统中的TT淋巴细胞和淋巴细胞和BB淋巴细胞淋巴细胞分子水平上免疫功能分子水平上免疫功能的发挥主要的发挥主要依靠溶解在机体循环系统中的分依靠溶解在机体循环系统中的分子，如细胞因子、补体和免疫球子，如细胞因子、补体和免疫球蛋白，因此又称为蛋白，因此又称为体液免疫系统体液免疫系统3A3A 哺乳动物的免疫识别及应答系统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，同时也哺乳动物的免疫系统
6、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。涉及到许多分子生物学的重大理论问题。免疫识别免疫识别抗体对抗原的特异性分子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上述特异性的分子识别通常只涉及到蛋白质分子中的5-5-1515个氨基个氨基酸残基，或核酸分子中有限长度的序列。抗体与抗原、受体与配体、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大型组织相容性复合物对抗原的特异性分子识别对抗原的特异性分子识别T T细胞受体对抗原细胞受体对抗原/ /大型组织相容性大型组织相容性复合物的特异性分子
7、识别复合物的特异性分子识别酶与底物是生物体内酶与底物是生物体内蛋白质之间分子识别蛋白质之间分子识别的三大模型。的三大模型。谱识别受体谱识别受体对微生物相关分子谱的特异性分子识别对微生物相关分子谱的特异性分子识别 微生物微生物crRNAcrRNA对外源核酸对外源核酸的特异性分子识别的特异性分子识别细胞通讯细胞通讯 B B淋巴细胞合成抗体需要自身细胞和辅助淋巴细胞合成抗体需要自身细胞和辅助T T细胞提供信号；毒素细胞提供信号；毒素T T细胞在与抗原细胞在与抗原- -大型组织相容性大型组织相容性复合物结合后，将信号转导入细胞内，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
8、和树突细胞上的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谱识别受体体识别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，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。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。免疫多样性免疫多样性 免疫多样性，包括抗体、免疫多样性，包括抗体、T T细胞受体、细胞受体、大型组织相容性复合物大型组织相容性复合物多样多样性的发生机制，是免疫分子生
9、物学的基本内容，也是生命科学的重要性的发生机制，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理论命题。 一个哺乳类动物的机体可以产生多达一个哺乳类动物的机体可以产生多达10101 13 31 13 3-10-101 14 41 14 4种不同的抗体，它们种不同的抗体，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分子在机体内均有对应的抗体和T T细胞受体，甚至就连自然界内尚未出细胞受体，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。那现的抗原分子
10、（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，何以能为基因，何以能为数十万亿数十万亿种海量的抗体蛋白编码呢？种海量的抗体蛋白编码呢？表观遗传（表观遗传（epigeneticepigenetic） 前缀前缀“epiepi”在希腊语中意为在希腊语中意为“之上之上”，因此，因此“epigeneticepigenetic”一词一词表述的是能影响生物体遗传性状的任何高于表述的是能影响生物体遗传性状的任何高于DNADNA序列本身改变的变化，序列本身改变的变化，即即表观遗传表观遗传
11、。这些表观机制包括：。这些表观机制包括：DNADNA甲基化甲基化、组蛋白翻译后修饰组蛋白翻译后修饰、非编码非编码RNARNA（ncRNAncRNA）转录转录、染色质重整染色质重整、染色质核定位染色质核定位、DNADNA鼓泡鼓泡等。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。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，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
12、的所有表观调控机制。在此过程中动用了迄今为止发现的所有表观调控机制。 3B3B 获得性免疫系统的功能与机制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脊椎动物的获得性免疫系统主要由B B淋巴细胞淋巴细胞和和T T淋巴细胞淋巴细胞组成，组成，它们分别合成种类繁多的它们分别合成种类繁多的B B细胞受体（细胞受体（BCRBCR）、抗体（）、抗体（IgIg，又称免疫球，又称免疫球蛋白）、以及蛋白）、以及T T细胞受体（细胞受体（TCRTCR），用于对外来抗原片段或分子的特异），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
13、。在哺乳动物性识别，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，中，B B细胞成熟于细胞成熟于骨髓骨髓中，而中，而T T细胞则成熟于细胞则成熟于胸腺胸腺中。中。B B细胞上的细胞上的BCRBCR激活体液免疫，激活体液免疫，T T细胞上细胞上TCRTCR的触发细胞介导的应答途径。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扩增放大，并对之形成长期性甚至永久性的放大，并对之形成长期性甚至永久性的记忆记忆。体液免疫系统体液免疫系统获得性免疫的体液免疫系统由获得性免疫的体液免疫系统由B B淋巴淋巴细
14、胞细胞合成和分泌的合成和分泌的抗体抗体所介导。一旦所介导。一旦抗体与抗原特异性结合（抗体与抗原特异性结合（免疫识别免疫识别）便通过下列两种途径消灭抗原：便通过下列两种途径消灭抗原：诱导巨噬细胞的吞噬作用；诱导巨噬细胞的吞噬作用；激活补体系统的降解作用。激活补体系统的降解作用。B B淋巴细胞合成抗体需要淋巴细胞合成抗体需要辅助辅助T T淋巴淋巴细胞细胞（T THH）通过细胞通讯提供指令。）通过细胞通讯提供指令。细胞介导的免疫系统细胞介导的免疫系统获得性免疫的获得性免疫的细胞介导免疫细胞介导免疫是是由由细胞毒素型细胞毒素型T T淋巴细胞淋巴细胞（CTLCTL又称又称杀手杀手T T淋巴细胞淋巴细胞）
15、实现的。）实现的。外来抗原尤其是细菌或病毒侵外来抗原尤其是细菌或病毒侵染机体靶细胞后，靶细胞表面染机体靶细胞后，靶细胞表面靶细胞靶细胞毒素毒素TT细胞细胞抗原片段抗原片段MHCMHCTCRTCR TT细胞受体细胞受体上的上的大型组织相容性复合物大型组织相容性复合物（MHCMHC）将细菌或病毒的抗原片段展现在将细菌或病毒的抗原片段展现在细胞外表面，这时毒素细胞外表面，这时毒素T T淋巴细胞表面的淋巴细胞表面的T T细胞受体就能专一性与抗原细胞受体就能专一性与抗原片段或片段或抗原片段抗原片段- -MHCMHC复合物复合物结合，进而消灭被侵染的靶细胞及入侵者结合，进而消灭被侵染的靶细胞及入侵者细胞介
16、导的免疫系统细胞介导的免疫系统哺乳动物的每个个体都有其特哺乳动物的每个个体都有其特异性的异性的MHCMHC蛋白谱蛋白谱，因而从一，因而从一个个体向另一个体的组织移植个个体向另一个体的组织移植是困难的，因为供体与受体之是困难的，因为供体与受体之间的间的MHCMHC蛋白谱不同。机体免蛋白谱不同。机体免靶细胞靶细胞杀手杀手TT细胞细胞抗原片段抗原片段MHCMHCTCRTCR TT细胞受体细胞受体疫系统不会进攻自身的性质称为疫系统不会进攻自身的性质称为“免疫耐受性免疫耐受性”，而抗体、，而抗体、T T细胞受体细胞受体及及MHCMHC是多样的（免疫多样性），这就为机体定义识别自身提供了分是多样的（免疫多
17、样性），这就为机体定义识别自身提供了分子基础。子基础。3B3B 获得性免疫系统的功能与机制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，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中获得的，这种能力产生的机制遵循“克隆选择理论克隆选择理论”。克隆选择理论克隆选择理论未成熟的未成熟的淋巴细胞库淋巴细胞库
18、中含有大中含有大量的量的B B细胞和细胞和T T细胞。每一个细胞。每一个B B细细胞只表达一种特异性胞只表达一种特异性BCRBCR和和IgIg；同样，每一个同样，每一个T T细胞也只含有一细胞也只含有一种特异性的种特异性的TCRTCR。一旦遭遇抗。一旦遭遇抗原，特异性的原，特异性的BCRBCR和和TCRTCR则则分分别识别结合之，并启动由两者别识别结合之，并启动由两者分别介导的分别介导的信号转导途径信号转导途径，其，其效应是大量（效应是大量（101066）针对同种抗）针对同种抗原的原的B B细胞和细胞和T T细胞成熟，并产细胞成熟，并产生更多的抗体，即生更多的抗体，即克隆选择克隆选择。每个细胞
19、每个细胞每个细胞每个细胞的表面上的表面上的表面上的表面上分布着大分布着大分布着大分布着大约约约约1212万个万个万个万个BCRBCR分分分分子子子子3B3B 获得性免疫系统的功能与机制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组成获得性免疫系统的淋巴细胞属于外周细胞外周细胞，它们由成年骨髓，它们由成年骨髓中的未成熟中的未成熟干细胞干细胞发育而成，或直接通过血液（发育而成，或直接通过血液（B B细胞）或通过胸腺细胞）或通过胸腺（T T细胞）迁移至细胞）迁移至外周淋巴组织外周淋巴组织如脾脏、淋巴结、派氏淋巴小结、扁如脾脏、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
20、动物个体的每个哺乳动物个体的B B淋巴细胞库中至少由淋巴细胞库中至少由10101212 种种特异性特异性BCRBCR构构成，成，T T淋巴细胞库的含量相对少一些，而每一种特异性的淋巴细胞库的含量相对少一些，而每一种特异性的B B细胞或细胞或T T细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。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桃体等处，然后在血液和胸腺之间流动循环流动循环。3C3C 抗体编码区的顺序组织抗体编码区的顺序组织 高等哺乳类动物的免疫球蛋白（高等哺乳类动物的免疫球蛋白（IgIg）由两条重链由两条重链（HH，35K
21、D35KD）和两条轻链（和两条轻链（L L，17KD17KD）通过通过四对二硫键四对二硫键连接而成。连接而成。 a 抗体分子的基本结构 重链有五种类别：重链有五种类别：m m m m，d d d d，g g g g，e e e e，a a a a，分别构成：分别构成：IgMIgM、IgDIgD、IgGIgG IgAIgA、IgEIgE，它们通常具有不同的生物学功能。它们通常具有不同的生物学功能。 轻链有两种类别：轻链有两种类别：k k k k，l ll l。 人类的抗体中，人类的抗体中，60%60%是是k k链；链；40%40%为为l ll l链。链。 抗体的分子结构抗体的分子结构NNNNCC
22、CCV VLLJ JCCLLV VLLJ JCCLLV VHHDJDJCCH1H1CCH2H2CCH3H3CCH2H2CCH3H3铰链区（铰链区（HingeHinge）效应功能区（五类抗体的功能类别决定区）效应功能区（五类抗体的功能类别决定区）抗原结合区抗原结合区3C3C 抗体编码区的顺序组织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：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轻链 l l l l 家族家族轻链轻链 k k k k 家族家族重链重链HH家族家族300300个不同的个不同的V V基因和基因和4 4个不同的个不同的JCJC基因基因 76
23、76个不同的个不同的V V基因、基因、5 5个不同的个不同的J J基因、基因、1 1个个CC基因基因 5151个不同的个不同的V V基因、基因、3030个不同的个不同的DD片段片段、6 6个不同个不同的的J J基因、基因、9 9个不同的个不同的CC基因，包括基因，包括 m m m m、d d d d、g g g g、a a a a、e e e e 五种类型的编码基因。五种类型的编码基因。3C3C 抗体编码区的顺序组织抗体编码区的顺序组织 在在这这里里，基基因因的的概概念念是是编编码码免免疫疫球球蛋蛋白白多多肽肽链链的的一一个个特特定定区区域域的的DNADNA序序列列。在在非非抗抗体体合合成成细
24、细胞胞中中，V V基基因因和和CC基基因因不不在在同同一一条条染染色色体上。体上。 b 抗体分子的编码基因 三三个个家家族族的的划划分分是是因因为为每每个个家家族族的的各各个个基基因因均均有有自自己己的的顺顺序序组组织织模模式式及及表表达达模模式式，家家族族不不同同，基基因因的的顺顺序序组组织织及及表表达达调调控控模模式式也也不同。不同。 3C3C 抗体编码区的顺序组织抗体编码区的顺序组织 高高等等哺哺乳乳类类动动物物免免疫疫球球蛋蛋白白基基因因的的排排列列顺顺序序在在胚胚胎胎细细胞胞和和B B淋淋巴巴细细胞胞中中是是不不同同的的，胚胚胎胎细细胞胞中中的的相相应应基基因因并并不不能表达。胚胎细
25、胞中免疫球蛋白的基因顺序组织如下：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人类人类 l l l l 基因家族在胚胎细胞第基因家族在胚胎细胞第2222号染色体上的顺序组织号染色体上的顺序组织1000 kb1000 kb300300个个V Vl ll l基因基因间隔区间隔区4 4个个J Jl ll l CCl ll l基因基因信号肽编码区信号肽编码区可变区编码区可变区编码区J J 区编码区区编码区不变区编码区不变区编码区（-19 -4-19 -4）（-3 97-3 97）（98 11098 110） （111 111 CC）人类人类 k k k k 基因家族在胚
26、胎细胞第基因家族在胚胎细胞第2 2号染色体上的顺序组织号染色体上的顺序组织7676个个V Vkk基因基因间隔区间隔区5 5个个J Jkk和和1 1个个CCkk基因基因信号肽编码区信号肽编码区可变区编码区可变区编码区J J 区编码区区编码区不变区编码区不变区编码区5 5个个J Jkk片段分布在片段分布在500-700 500-700 bpbp的区域内，内含子结构长的区域内，内含子结构长为为2-3 2-3 kbkb增强子增强子人类人类 H H 重链重链基因家族在胚胎细胞第基因家族在胚胎细胞第1414号染色体上的顺序组织号染色体上的顺序组织300 kb300 kb5151个个VVHH信号肽编码区信号
27、肽编码区可变区编码区可变区编码区 人人的的免免疫疫球球蛋蛋白白HH重重链链基基因因家家族族不不像像轻轻链链家家族族那那样样分分隔隔成成分分离离的的两两部部分分，而而是是所所有有基基因因全全部部组组成成一一个个巨巨大大的的基基因因簇簇结结构构。其其中中，DD区区由由2-132-13个氨基酸组成。个氨基酸组成。 3030个个DD66个个JJm d gm d g3 3 gg11ye ye aa1 1 yg yg gg2 2 gg4 4 e ae a22CCH1H1铰链区铰链区CCH2H2CCH3H33D3D 抗体多样性的分子机制抗体多样性的分子机制 人体的人体的B B淋巴细胞可同时产生至少淋巴细胞可
28、同时产生至少数十万亿数十万亿种不同的抗体，每种抗种不同的抗体，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2-32-3万个，万个，这显然是传统理论难以解释的问题。这显然是传统理论难以解释的问题。 19651965年年，DreyerDreyer和和BenettBenett提出了基因重排假说，以解释抗体多样性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的分子
29、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，机体通过因编码，机体通过体内基因重排体内基因重排或重组方式实现抗体分子的多样性。可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，组的，直到十年后，DNADNA体外重组实验成功后，这个假说才被承认。体外重组实验成功后，这个假说才被承认。3D3D 抗体多样性的分子机制抗体多样性的分子机制 19761976年，年，Susumu Tonegawa Susumu Tonegawa 设计了一个著名实验，证明抗体基因
30、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胞和骨髓干细胞中分别制备染色体DNADNA，用用BamHIBamHI消化后凝胶电泳分离消化后凝胶电泳分离然后用然后用 I I125 125 标记的抗体标记的抗体mRNAmRNA（包含包含V V和和C C两部分）杂交两种来源的两部分）杂交两种来源的DNADNA片段，结果发现在胚胎细胞片段，结果发现在胚胎细胞DNADNA样品中有两条不同大小的样品中有两条不同大小的BamHIBamHI片片段呈阳性；而在骨髓干细胞段呈
31、阳性；而在骨髓干细胞DNADNA样品中只有一条带呈杂交阳性。这表明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，而来的。为此，Tonegawa Tonegawa 获得了获得了19871987年的诺贝尔生理学或医学奖。年的诺贝尔生理学或医学奖。3D3D 抗体多样性的分子机制抗体多样性的分子机制 后来，当抗体基因逐一被克隆后，后来，当抗体基因逐一被克隆
32、后，DNADNA顺序组织的分析结果证实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（尤其是是V V基因和基因和C C基因）是分离的，它们不能表达任何有功能的抗体蛋白。基因）是分离的，它们不能表达任何有功能的抗体蛋白。而在而在B B淋巴细胞中，各抗体基因元件重组在一起，轻链为淋巴细胞中，各抗体基因元件重组在一起，轻链为V-JCV-JC，重链重链为为V-DJ-CV-DJ-C，它们作为一个转录单位，转录出它们作为一个转录单位，转录出mRNAmRNA前体，经剪切后，前体，经剪切后，翻译出抗体蛋白。那么，抗体基因
33、的重排是怎样进行的呢？翻译出抗体蛋白。那么，抗体基因的重排是怎样进行的呢？3D3D 抗体多样性的分子机制抗体多样性的分子机制小鼠的小鼠的k k k 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：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抗体基因的随机组合抗体基因的随机组合 小鼠小鼠k k k k轻链基因的重排与表达轻链基因的重排与表达小鼠小鼠k k k k轻链基因定位于第轻链基因定位于第6 6号染色体上。号染色体上。V Vk k基因和基因和J Jk k片段的选择是随机的片段的选择是随机的抗体基因的随机组合抗体基因的随机组合 小鼠小鼠k k k
34、k轻链基因的重排与表达轻链基因的重排与表达基因重排后，位于基因重排后，位于CCk k上游的增强子激活最邻近的启动子，并转录出上游的增强子激活最邻近的启动子，并转录出mRNAmRNA前体，而前体，而V Vk k1 1、V Vk k2 2的启动子不能被激活。增强子是组织特异性的，仅在的启动子不能被激活。增强子是组织特异性的，仅在B B淋巴细胞中有活性淋巴细胞中有活性抗体基因的随机组合抗体基因的随机组合 小鼠小鼠H H重链基因的重排与表达重链基因的重排与表达小鼠的小鼠的HH重链重链基因定位在第基因定位在第1212号染色体上。号染色体上。HH重链含有重链含有DD片段片段，它直接与重链的，它直接与重链的
35、多样性多样性（DiversityDiversity）有关。重排分两个阶段：即有关。重排分两个阶段：即DD与与J J重排，重排，V V与与DJ-CDJ-C重排。重排。 抗体基因的重排规则抗体基因的重排规则 重排位点的序列特征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：（轻链：V VLL与与JCJCLL之间；重链：之间；重链：D D与与JCJCHH之间和之间和V VHH与与D D之间）均存在特异性的重排位点。之间）均存在特异性的重排位点。在此位点上，在此位点上，特异性回文结
36、构特异性回文结构形成断裂和结合的形成断裂和结合的重排信号序列重排信号序列（RSSRSS）。七聚体七聚体九聚体九聚体九聚体九聚体七聚体七聚体VVkkJCJCkkVVllJCJCll23 23 bpbp12 12 bpbp12 12 bpbp23 23 bpbpCACAGTGCACAGTGACAAAAACCACAAAAACCCACAGTGCACAGTGGGTTTTTGTGGTTTTTGT抗体基因的重排规则抗体基因的重排规则 重排位点的序列特征重排位点的序列特征每个每个V 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
37、构。在本身不是回文结构。在k k轻链基因中，每个轻链基因中，每个J J片段之前均有这种片段之前均有这种9-23-79-23-7结结构。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：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：VVHHJCJCHH23 23 bpbp12 12 bpbp12 12 bpbp23 23 bpbpDD抗体基因的重排规则抗体基因的重排规则 抗体基因分子的重排规则抗体基因分子的重排规则 12/2312/23定律定律一个带有一种间隔区一个带有一种间隔区的保守序列只能与一的保守序列只能与一个带有另一种间隔区个带有另一种间隔区的保守序列结合，也的保守序列结合，
38、也就是说，含有就是说，含有1212bpbp间隔区间隔区的保守列序只的保守列序只能与含有能与含有2323bpbp间 隔间 隔区区的保守列序相结合的保守列序相结合VVJCJC12 12 bpbp23 23 bpbp信号端信号端信号端信号端编码端编码端编码端编码端VVJCJC基因或片段的断裂位基因或片段的断裂位点及连接位点均发生在点及连接位点均发生在七聚体七聚体保守序列的保守序列的两个外侧两个外侧，即信号端与编码端的交界处，即信号端与编码端的交界处断裂断裂连接连接基因重排的不精确性基因重排的不精确性直接导致在断裂连接位点上直接导致在断裂连接位点上的的碱基插入碱基插入或或缺失缺失。整个基因重排过程包括
39、整个基因重排过程包括断裂断裂和和结合结合两个反应。结合反应两个反应。结合反应会导致碱基的插入或缺失，会导致碱基的插入或缺失，这种变化发生在这种变化发生在V-JV-J结合区结合区（轻链）；在重链中发生在（轻链）；在重链中发生在V-DV-D和和D-JD-J结合区。在插入突结合区。在插入突变中，变中，P P核苷酸核苷酸来源于基因来源于基因序列的补齐过程；而序列的补齐过程；而N N核苷核苷酸酸则来源于随机掺入过程。则来源于随机掺入过程。 基因重排的不精确性基因重排的不精确性经过重排反应后，原来的抗经过重排反应后，原来的抗体编码序列体编码序列TACCGTACCG变成了变成了TATAT TTGGTGGGG
40、GGCCGCCG，增加了增加了6 6对碱基，即对碱基，即2 2个密码子。而个密码子。而这些位点恰恰位于抗体分子这些位点恰恰位于抗体分子特异性的超变区内，因而产特异性的超变区内，因而产生了抗体的多样性。当然，生了抗体的多样性。当然，这种碱基的缺失或插入也会这种碱基的缺失或插入也会导致阅读框架发生错误，因导致阅读框架发生错误，因而大约有三分之二的基因重而大约有三分之二的基因重排是无功能的。排是无功能的。基因重排的不精确性基因重排的不精确性若干种参与若干种参与V V（D D）J J重排的重排的蛋白因子已被鉴定，它们含蛋白因子已被鉴定，它们含有典型的有典型的七聚体结合位点七聚体结合位点、九聚体结合位点
41、九聚体结合位点、核酸内切核酸内切酶活性中心酶活性中心等特征结构。其等特征结构。其中一个重要的蛋白因子由基中一个重要的蛋白因子由基因因RagRag编码，编码，ragrag突变型的小突变型的小鼠不能产生功能性抗体。事鼠不能产生功能性抗体。事实上，实上，RAG1RAG1和和RAG2RAG2负责负责DNADNA的断裂和重连接，而的断裂和重连接，而TdTTdT负责负责NN核苷酸核苷酸随机掺入。随机掺入。RagRag：重排激活基因：重排激活基因：重排激活基因：重排激活基因3D3D 抗体多样性的分子机制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：在抗体分子的形成过程中至少有
42、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抗体基因装配元件的多样性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：对人体免疫球蛋白轻链的装配元件而言： V Vl l = = 300300，J JllCCl l = = 4 4，装配的装配的（VJCVJC）ll的总数为的总数为1,1,200200种种 V Vk k = = 7676，J JkkCCk k = = 5 5，装配的装配的（VJCVJC）kk的总数为的总数为380380种种 对人体免疫球蛋白重链的装配元件而言：对人体免疫球蛋白重链的装配元件而言： V VH H = = 5151，J JH H = = 6 6，D
43、D = = 3030，CCH H = = 9 9，装配的，装配的（VDJCVDJC）HH的总数为的总数为8.3108.31044 因而，由于抗体基因元件装配产生的抗体总数为：因而，由于抗体基因元件装配产生的抗体总数为： （1,1,200 200 + + 380380）x x 8.3 x 108.3 x 1044 = = 1.31 x 101.31 x 1088 抗体基因重排过程中碱基插入或缺失的多样性抗体基因重排过程中碱基插入或缺失的多样性 任何任何V-JCV-JC、V-D-JCV-D-JC、D-JCD-JC重排过程均可产生数量极为可观的碱基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
44、改变中至少有三分之二是无功能的，但剩下的三分序列改变，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：列，因而其有效突变的总数大约为： （1,1,200 200 + + 380380）x x 8.3 x 108.3 x 1044 x 5 = x 5 = 6.55 x 106.55 x 1088 V V基因和假基因之间同源交换的多样性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。鸡的免疫球蛋白这种多样性首先在鸟类动物
45、体内发现。鸡的免疫球蛋白l l轻链基因只有轻链基因只有3 3个：个：J Jl l、CCll、VVll。但在但在VVll的上游有的上游有2525个个yyVVll假基因假基因，VVll甚至是没有活性的，它必须与甚至是没有活性的，它必须与yyVVll发生同发生同源交换后，才能合成具有活性的源交换后，才能合成具有活性的ll轻链。每个轻链。每个yyVVll基因中均有基因中均有4-64-6个片段（个片段（10-12010-120 bpbp不等）可与不等）可与VVll发生同源交换，而且这种同源交换可发生一次、二次发生同源交换，而且这种同源交换可发生一次、二次甚至六次，因甚至六次，因而由此产生的而由此产生的l
46、l轻链也可达轻链也可达2.5102.51088之多！之多！ 25 25 yyVVllV Vl lJ Jl lCCl lVV基因片段之间的同源交换基因片段之间的同源交换体细胞超突变产生多样性体细胞超突变产生多样性体细胞超突变体细胞超突变（SHMSHM）发生在成）发生在成熟的熟的B B淋巴细胞内，具体部位在轻淋巴细胞内，具体部位在轻重链可变区基因的上游区域，由重链可变区基因的上游区域，由抗抗原刺激诱导原刺激诱导产生，突变频率为产生，突变频率为1010-33/ /碱基对碱基对/ /细胞代数细胞代数，比自发突变，比自发突变频率频率高高101066倍倍，而且这种细胞超突，而且这种细胞超突变发生于变发生于
47、初级免疫应答初级免疫应答、B B细胞记细胞记忆忆、以及、以及次级免疫应答次级免疫应答的所有过程的所有过程中，其结果是不断地创造出对抗原中，其结果是不断地创造出对抗原具有更强亲和力的具有更强亲和力的浆细胞浆细胞及其抗体及其抗体CCPCCPCSRCSRSHMSHM浆细胞浆细胞SHMSHM浆细胞浆细胞记忆型细胞记忆型细胞CSRCSRCCPCCP/CSRCSR/SHMSHMCCPCCP：细胞克隆扩增细胞克隆扩增细胞克隆扩增细胞克隆扩增CSRCSR：类型开关重组类型开关重组类型开关重组类型开关重组SHMSHM：体细胞超突变体细胞超突变体细胞超突变体细胞超突变体细胞超突变产生多样性体细胞超突变产生多样性
48、研究结果表明，大多数表达的研究结果表明，大多数表达的V-JV-J和和V-D-JV-D-J序列中含有大约序列中含有大约3-153-15个个不等的碱基取代，而且这些突变往往倾向于不等的碱基取代，而且这些突变往往倾向于低甲基化低甲基化的热点序列，如的热点序列，如5 5-RGYW-3-RGYW-3（R R= =A/GA/G，Y=C/TY=C/T，W=A/TW=A/T），主要碱基取代类型为），主要碱基取代类型为CNCN 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10105 5 数量数量级的抗体种类（级的抗体种类（以平均每条以平均每条V-JV-J和
49、和V-D-JV-D-J序列中含有序列中含有9 9个取代碱基计算，个取代碱基计算，共有共有4 499 = 2.6 = 2.6 x x 10 105 5 种种突变可能，有义突变率为突变可能，有义突变率为20 / 6420 / 64，则，则 8.19 x 108.19 x 1044） 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，人类成熟的排结束后的体细胞超级突变，人类成熟的B B细胞（浆细胞）库中理论上细胞（浆细胞）库中理论上可产生高达可产生高达10101313 种不同的抗体（种不同的抗体（6.55 x 1
50、06.55 x 1088 x x 8.19 x8.19 x 101044 = = 5 5 x 10x 101313 ）。）。3D3D 抗体多样性的分子机制抗体多样性的分子机制 生产性生产性免疫球蛋白基因的免疫球蛋白基因的重排重排是指能产生出是指能产生出活性抗体活性抗体的基因重排事的基因重排事件。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，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
51、它便会抑制另一条同源染色体上等位基因的重排过程，这就是所谓的等等位排斥现象位排斥现象。 c 生产性基因重排触发等位基因的排斥 因此，每个因此，每个B B淋巴细胞只表达一种类型的轻链和一种类型的重链，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。产生一种免疫球蛋白分子。 3D3D 抗体多样性的分子机制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：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直接与独立的DD基因发生重排；而且远端基因发生重排；而且远端V VHH与近端与近端V VHH具有同等机会重排。具有同等机会重排。重排次序精确性
52、重排次序精确性：D-JD-JHH重排在前，重排在前，V VHH-DJ-DJHH重排在后，重排在后，V VHH不能直不能直重排世系特异性重排世系特异性：虽然在虽然在B B细胞和细胞和T T细胞中均存在细胞中均存在RAGRAG重排机重排机但抗体基因只在但抗体基因只在B B细胞中发生重排细胞中发生重排；同样，；同样，TCRTCR受体基因只在受体基因只在T T细胞重排细胞重排等位基因排斥性等位基因排斥性：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
53、一个位点上的重排是非生产性的。一个位点上的重排是非生产性的。3D3D 抗体多样性的分子机制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，早在上世纪八十年代中期，Alt Alt 等人就提出了用来解释抗体基因重排等人就提出了用来解释抗体基因重排特异性的特异性的“易感性假说易感性假说”，即在淋巴细胞及其祖先每一特定的分化阶段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中，只有某些基因位点的某些部分对RAGRAG重组机器是重组机器是“易感易感”的，因而的，因而抗体基因重排的特异性实际上可归结为对抗体基因重排的特异性实际上可归结为对DNADNA区域对区
54、域对RAGRAG重组机器的重组机器的“易感性易感性”。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。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，包括正在不断赋予其分子层面上的内涵，包括复制定时复制定时、核定位改变核定位改变、染染色质鼓泡色质鼓泡、组蛋白修饰组蛋白修饰、核小体定位核小体定位、DNADNA甲基化甲基化等表观调控机制等表观调控机制。染色质在核组织中的重定位提升重排的易感性染色质在核组织中的重定位提升重排的易感性（a a）两个）两个IghIgh位点起初定位在核位点起初定位在核的周边；（的周边；（b b）它们借助于）它们借助于DJCDJC末
55、端向核的真染色质中心移动，末端向核的真染色质中心移动，双双与双双与RagRag复合物相连，并经历复合物相连，并经历D D与与J J重排以及邻近于重排型重排以及邻近于重排型DJDJ基因片段的基因片段的V V区鼓泡，以便进行区鼓泡，以便进行V V与与DJDJ的重排；（的重排；（c c）生产性）生产性VDJVDJ重排了的等位基因解构与表重排了的等位基因解构与表达；（达；（d d）第二个等位基因解构）第二个等位基因解构并被招募至近着丝粒区的异染色并被招募至近着丝粒区的异染色质上（深灰色不规则形状）。质上（深灰色不规则形状）。CTCFCTCFCTCFCTCF结合位点结合位点结合位点结合位点Pax5Pax
56、5Pax5Pax5YY1YY1YY1YY1E EE Ezh2zh2zh2zh2ikarosikarosikarosikaros染色质组蛋白的表观修饰提升重排的易感性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抗体基因位点的次序性重排密切关。在关。在DJDJHH重排之前，整个重排之前，整个D-CD-CHH区域的组蛋白被乙酰化；在尚未区域的组蛋白被乙酰化；在尚未经历
57、经历DJDJHH重排的祖先重排的祖先B B细胞中，细胞中，V VHH基因位点结合的是非乙酰化的组基因位点结合的是非乙酰化的组蛋白；而准备进行蛋白；而准备进行V VHH-DJ-DJHH重排的重排的区域内，显示出区域内，显示出V VHH位点组蛋白乙位点组蛋白乙酰化水平的提升。酰化水平的提升。DNADNA的甲基化指导等位排斥与体细胞超突变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在抗体基因位点所在的两条同源染色体DNADNA上，甲基化修饰的密度显著不同。其上，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
58、突变。这为抗体基因重中，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排的等位排斥以及体细胞超突变在生产性重排的染色体DNADNA上特异性发生提供了一种上特异性发生提供了一种控制机制。控制机制。3E3E 抗体类型开关的切换抗体类型开关的切换 人体免疫系统能产生人体免疫系统能产生五种不同类型五种不同类型的抗体的抗体( (免疫球蛋白免疫球蛋白) )，每一类，每一类抗体具有不同的重链类型，由抗体具有不同的重链类型，由C CHH区域的氨基酸排列顺序决定。一个区域的氨基酸排列顺序决定。一个B B淋巴细胞在任何一个时刻一般只能产生一种
59、类型的抗体，但在整个细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换的因素称为“ “类型开关类型开关” ”，而抗体的轻链在整个细胞周期中却是恒，而抗体的轻链在整个细胞周期中却是恒定定不变的。不变的。3E3E 抗体类型开关的切换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抗体类型IgMIgMIgDIgDIgGIgGIgAIgAIgEIgECCH H 链性质链性质分子结构分子结构血液中比例血液中比例生理功能生理功能m m m md d d
60、 dg g g ga a a ae e e e( (m m22L L22) )55J Jd d22L L22g g22L L22e e22L L22( (a a22L L22) )22J J5%5%1%1%80%80%14%14%1% 19 genes 19 genesMHCMHC基因结构的相似性基因结构的相似性除了除了IIIIII型型MHCMHC外，所有的外，所有的MHCMHC基因结构都具有很大的相似性。蛋白分子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
61、个功能域，包括：显子编码蛋白分子上的一个功能域，包括：信号肽区信号肽区膜外区膜外区 转膜区转膜区 胞质区胞质区 非翻译区非翻译区 Class IClass IClass II Class II aaClass II Class II bbb b 微球蛋白微球蛋白外显子外显子3G3G 大型组织相容性复合物的结构与功能大型组织相容性复合物的结构与功能B B淋巴细胞和巨噬细胞的淋巴细胞和巨噬细胞的作用就象侦察兵，猎取入作用就象侦察兵，猎取入侵者。当侵者。当靶细胞靶细胞与外来抗与外来抗原遭遇后，便将抗原片段原遭遇后，便将抗原片段通过其通过其 I I 型型MHCMHC展示给展示给毒毒素素T T淋巴细胞淋
62、巴细胞，后者再通过，后者再通过信号转导途径，激活能在信号转导途径，激活能在受感染的靶细胞膜上钻孔受感染的靶细胞膜上钻孔并进入靶细胞的酶系编码并进入靶细胞的酶系编码基因，进而降解入侵抗原基因，进而降解入侵抗原d MHC介导的免疫细胞间的通讯网络受感染的细胞受感染的细胞毒素毒素TT细胞细胞3G3G 大型组织相容性复合物的结构与功能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当巨噬细胞与外来抗原遭遇后，便通过其原遭遇后，便通过其II II型型MHCMHC将抗原暴露将抗原暴露给辅助给辅助T T淋巴细胞，淋巴细胞，后者识别后者识别MHC-MHC-抗原抗原复合物。辅助复合物。辅助T T淋巴淋巴细胞就
63、象指挥者，通细胞就象指挥者，通过分泌淋巴细胞因子过分泌淋巴细胞因子d MHC介导的免疫细胞间的通讯网络而发布命令。而发布命令。巨噬细胞巨噬细胞辅助辅助TT细胞细胞抗原展示细胞抗原展示细胞TCRTCR介导的信号转导网络介导的信号转导网络T-T-细胞细胞淋巴细胞因子淋巴细胞因子3G3G 大型组织相容性复合物的结构与功能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：淋巴细胞因子的功能有三：d MHC介导的免疫细胞间的通讯网络命令命令B B淋巴细胞分化成浆细胞，合成和分泌抗体，消灭入侵者；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
64、；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； 作用于辅助作用于辅助T T淋巴细胞本身，使其发出更多的指令，放大信号，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。扩增免疫细胞的数目。 另外，另外，B B淋巴细胞也拥有自己的信号传递途径。淋巴细胞也拥有自己的信号传递途径。 3H3H 先天性免疫系统的功能与机制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 先天性免疫系统先天性免疫系统为机体提供了抵御为机体提供了抵御微生物病原体微生物病原体侵袭的第一道防侵袭的第一道防线，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。线，存在于几乎所有的多细胞
65、生物中，但表现形式和效应机制不同。先天性免疫具有针对先天性免疫具有针对微生物病原体微生物病原体中某些固有的中某些固有的分子谱分子谱（MAMPsMAMPs）的）的识别作用识别作用，这些分子谱是微生物病原体上相对保守的模件，但不存在，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自我与非自我与非自我。脊椎动物的先天性免疫系统主要由脊椎动物的先天性免疫系统主要由巨噬细胞巨噬细胞（MMf f）、）、树突树突细胞细胞（DCsDCs）、）、嗜中性粒细胞嗜中性粒细胞构成，负责识别构成，负责
66、识别MAMPsMAMPs不同成员的正是不同成员的正是这些细胞表面上和细胞内的特异性的这些细胞表面上和细胞内的特异性的谱识别受体谱识别受体（PRRsPRRs）。）。微生物病原体中相对保守的分子谱（微生物病原体中相对保守的分子谱（MAMPsMAMPs） GENESGENES X 2010 X 2010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微生物病原体相关性分子谱（MAMPsMAMPs）。）。
67、微生物种属微生物种属分子谱物质分子谱物质细胞学定位细胞学定位谱识别受体谱识别受体细菌细菌三酰基脂肽三酰基脂肽细胞壁细胞壁TLR1/TLR2TLR1/TLR2生鞭毛细菌生鞭毛细菌鞭毛蛋白鞭毛蛋白鞭毛鞭毛TLR5TLR5革兰氏阳性菌革兰氏阳性菌肽聚糖肽聚糖细胞壁细胞壁TLR2/TLR6TLR2/TLR6革兰氏阴性菌革兰氏阴性菌脂多糖脂多糖细胞壁细胞壁TLR4TLR4细菌细菌/病毒病毒单链单链RNARNA细胞质细胞质TLR7/TLR8TLR7/TLR8病毒病毒双链双链RNARNATLR3/RIG1TLR3/RIG1真菌真菌bb-多聚糖多聚糖细胞壁细胞壁Dectin1Dectin1含含DNADNA微生
68、物微生物非甲基化非甲基化CpG DNACpG DNA细胞质细胞质TLR9TLR9先天性免疫细胞上或细胞内的谱识别受体先天性免疫细胞上或细胞内的谱识别受体（PRRsPRRs）微生物病原体被多重不同的微生物病原体被多重不同的PRRsPRRs所识别，定位于巨噬细胞和树突细胞表面或内部的所识别，定位于巨噬细胞和树突细胞表面或内部的PRRsPRRs分为三大类：分为三大类： Akiko IwasakiAkiko Iwasaki，et alet al. . ScienceScience，327327，20102010受体类型受体类型谱识别受体谱识别受体分泌型受体分泌型受体效应功能效应功能胶原凝集素胶原凝集素
69、纤维胶凝蛋白纤维胶凝蛋白穿透素穿透素转膜型受体转膜型受体Toll Toll 样受体家族样受体家族 TLRTLRCC型凝集素家族型凝集素家族成员成员胞质型受体胞质型受体RIG1RIG1样受体样受体 RLRRLRNOD NOD 样受体样受体 NLRNLR与微生物细胞表面结合，激活补体系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。嗜中性粒细胞吞噬病原微生物。识别微生物病原体的识别微生物病原体的MAMPsMAMPs，并通过，并通过信号转导途径激活信号转导途径激活获得性免疫系统获得性免疫系统。RLRRLR识别病毒识别病毒RN
70、ARNA，NLRNLR识别细菌肽识别细菌肽聚糖降解产物，并诱导其进一步降解聚糖降解产物，并诱导其进一步降解。先天性免疫的基本特征先天性免疫的基本特征 先天性免疫细胞的先天性免疫细胞的谱识别受体谱识别受体无需基因重排而直接表达；无需基因重排而直接表达；为为谱识别受体谱识别受体所识别的所识别的微生物病原体分子谱微生物病原体分子谱呈现种属内的统呈现种属内的统一性和进化学的保守性；一性和进化学的保守性；先天性免疫系统只是抵御病原体先天性免疫系统只是抵御病原体第一波第一波的侵袭，但不能应付的侵袭，但不能应付感染的后续阶段，也没有记忆功能；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
71、先天性免疫应答能在一定程度和范围内激活激活获得性免疫系统获得性免疫系统 3H3H 先天性免疫系统的功能与机制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先天性免疫对微生物病原体的识别作用识别作用既可发生在既可发生在细胞外细胞外也可发也可发生于生于细胞内细胞内，完全取决于免疫识别发生的场所是，完全取决于免疫识别发生的场所是感染细胞感染细胞还是还是非感染非感染细胞细胞。细胞外细胞外的先天性免疫识别主要由的先天性免疫识别主要由巨噬细胞和树突细胞巨噬细胞和树突细胞的的TLRTLR等等转膜受体介导，一般为转膜受体介导，一般为非感染细胞非感染细胞；相反，；相反，细胞内
72、细胞内的先天性免疫识别的先天性免疫识别由细胞内的受体介导，如由细胞内的受体介导，如NLRNLR和和RLRRLR，这些受体的激活一般需要细胞，这些受体的激活一般需要细胞被感染，因此这些被感染，因此这些PRRsPRRs被广泛表达。虽然上述两种类型的识别均能在被广泛表达。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。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。微生物病原体的细胞外识别机制微生物病原体的细胞外识别机制 Akiko IwasakiAkiko Iwasaki，ScienceScience，327327，20102010先天性免疫先天
73、性免疫系统的系统的树突树突细胞细胞表面受表面受体体TLRTLR特异特异性识别病原性识别病原体上的分子体上的分子谱谱PAMPPAMP或或MAMPMAMP，由，由此激活此激活TLRTLR信号转导途信号转导途径径，这一途径最终作用于相关基因，表达出激活，这一途径最终作用于相关基因，表达出激活T T淋巴淋巴细胞的细胞因子和共刺激分子。细胞的细胞因子和共刺激分子。吞噬小体吞噬小体信号转导信号转导协同指导协同指导微生物病原体的细胞内识别机制微生物病原体的细胞内识别机制 Akiko IwasakiAkiko Iwasaki，ScienceScience，327327，20102010如果如果树突细胞树突细胞
74、被被病毒感染，则依病毒感染，则依靠靠RIG1RIG1样 受 体样 受 体实施实施细胞内识别细胞内识别病毒核酸分子，病毒核酸分子，激 活激 活RIG1RIG1信 号信 号转导途转导途径径，这一，这一途径最终作用于途径最终作用于相关基因，表达相关基因，表达出激活出激活T T淋巴淋巴细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MHCMHC展示展示微生物病原体的细胞外与细胞内复合识别机制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机体内大多数细胞具有MHCMHC依赖的依赖的抗原分子展示功能，但有
75、些无展示活性的细胞抗原分子展示功能，但有些无展示活性的细胞 non non APCAPC 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-APCnon-APC3H3H 先天性免疫系统的功能与机制先天性免疫系统的功能与机制c Toll 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在脊椎动物先天性免疫中扮演 重 要 角 色 的演 重 要 角 色 的TollToll样 受 体样 受 体TLRTLR与规定果蝇腹部发育途与规定果蝇腹部发育途径的径的TollToll受体高度同源，而受体高度同源，而且
76、也与果蝇响应真菌和革兰且也与果蝇响应真菌和革兰氏阳性菌感染并诱导产生抗氏阳性菌感染并诱导产生抗菌肽的信号转导途径高度相菌肽的信号转导途径高度相似，这表明似，这表明TollToll的普遍意义。的普遍意义。SpaSpaTollTollTubTubPelPelCacCac/DorDorDorDorMAMPMAMPTLRTLRMyD88MyD88TRIFTRIFNFNFk kB BNFNFkkBBI Ik kB B果果蝇蝇腹腹部部发发育育途途径径人人类类免免疫疫识识别别途途径径3H3H 先天性免疫系统的功能与机制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进化历程（亿年前
77、）（亿年前）101088664 42200动物动物植物植物哺乳动物哺乳动物昆虫昆虫单子叶单子叶双子叶双子叶人人鼠鼠Pamela C.RonaldPamela C.RonaldBruce BeutlerBruce BeutlerScienceScience，330330，60076007，20102010。哺乳动物：小鼠哺乳动物：小鼠昆虫：果蝇昆虫：果蝇单子叶：水稻单子叶：水稻双子叶：拟南芥双子叶：拟南芥受体受体脚手架蛋白脚手架蛋白转录因子转录因子3 I3 I 微生物识别自我与非自我的分子机制微生物识别自我与非自我的分子机制 所有的免疫系统都必须在能所有的免疫系统都必须在能区分自我与非自我区分自
78、我与非自我的前提下抵御外来的前提下抵御外来入侵者。微生物也能采取多种不同的机制（如限制入侵者。微生物也能采取多种不同的机制（如限制- -修饰机制）抵御噬修饰机制）抵御噬菌体和质粒的侵袭。近年来的研究显示，大约菌体和质粒的侵袭。近年来的研究显示，大约40%40%的细菌和的细菌和90%90%的古的古细菌还能借助于其基因组上细菌还能借助于其基因组上成簇排列、规则间隔的短小回文重复序列成簇排列、规则间隔的短小回文重复序列（ClusteredClustered，Regularly InterspacedRegularly Interspaced，Short Palindromic RepeatShort
79、 Palindromic Repeat，CRISPRCRISPR）位点抵御噬菌体和质粒核酸分子的入侵，而且自身的基因组）位点抵御噬菌体和质粒核酸分子的入侵，而且自身的基因组DNADNA可有效地可有效地躲避躲避这一免疫作用。这一免疫作用。3 I3 I 微生物识别自我与非自我的分子机制微生物识别自我与非自我的分子机制a 细菌和古细菌CRISPR/Cas基因位点的结构 在古细菌和真细菌的基因组中，在古细菌和真细菌的基因组中，CRISPRCRISPR属于一个属于一个DNADNA重复序列的重复序列的大家族，于本世纪初相继被发现。典型的大家族，于本世纪初相继被发现。典型的CRISPRCRISPR位点由若干
80、离散排列位点由若干离散排列的的回文重复序列回文重复序列构成，两个相邻回文重复序列被称为构成，两个相邻回文重复序列被称为间隔区间隔区（大部分（大部分对应于捕获的病毒和质粒序列）的可变序列隔开。而且，在对应于捕获的病毒和质粒序列）的可变序列隔开。而且，在CRISPRCRISPR位位点邻近区域还含有成簇排列的点邻近区域还含有成簇排列的CRISPRCRISPR相关位点（相关位点（cascas）基因，它们编）基因，它们编码一个庞大的异源蛋白家族，携带核酸酶、解旋酶、聚合酶、多聚核码一个庞大的异源蛋白家族，携带核酸酶、解旋酶、聚合酶、多聚核苷酸结合蛋白等典型的功能域，与苷酸结合蛋白等典型的功能域，与CRI
81、SPRCRISPR介导的免疫效应紧密相关介导的免疫效应紧密相关 。嗜热链球菌基因组中嗜热链球菌基因组中的四个的四个CRISPRCRISPR位点位点灰色方框为灰色方框为cascas基 因基 因黑色方框为黑色方框为CRISPRCRISPR位点，其中的白色方位点，其中的白色方框为框为间隔区间隔区，黑色菱，黑色菱形 为形 为回 文 重 复 序 列回 文 重 复 序 列。L1-L4L1-L4为启动子元件为启动子元件CRISPR2-4CRISPR2-4分别与表分别与表皮葡萄球菌、变异链皮葡萄球菌、变异链球菌、大肠杆菌的相球菌、大肠杆菌的相应位点高度同源。应位点高度同源。Horvath Horvath et
82、 alet al，ScienceScience，327327，201020103 I3 I 微生物识别自我与非自我的分子机制微生物识别自我与非自我的分子机制b CRISPR/Cas位点抵御入侵核酸的分子机制 CRISPRCRISPR位点中的位点中的回文重复序列回文重复序列和和间隔区间隔区的长度分别为的长度分别为23-47bp23-47bp和和21-72bp21-72bp不等。一般而言，在一个给定的不等。一般而言，在一个给定的CRISPRCRISPR位点内，重复序列呈位点内，重复序列呈高度保守，但横跨微生物种属中的重复序列却有很多类型。重复序列高度保守，但横跨微生物种属中的重复序列却有很多类型。
83、重复序列- -间隔区的数目最多可达间隔区的数目最多可达375375个（绿曲挠菌属），但大多数位点通常含有个（绿曲挠菌属），但大多数位点通常含有少于少于5050个拷贝，个拷贝， CRISPRCRISPR位点中的位点中的间隔区序列间隔区序列高度可变，并与噬菌体和质粒序列高高度可变，并与噬菌体和质粒序列高度同源。度同源。CRISPRCRISPR位点可转录出位点可转录出crRNAcrRNA，后者介导对外来核酸的降解。，后者介导对外来核酸的降解。细菌细菌CRISPRCRISPR位点介导抵御位点介导抵御外来入侵核酸的过程可分为外来入侵核酸的过程可分为两个阶段：在两个阶段：在免疫化阶段免疫化阶段中，中，入侵
84、的病毒或质粒入侵的病毒或质粒DNADNA被被CasCas复合物加工成碎片，并复合物加工成碎片，并整合整合入入CRISPRCRISPR位点间隔区位点间隔区内，形成内，形成免疫记忆免疫记忆；在；在免疫免疫阶段阶段中，中，CRISPRCRISPR位点位点转录转录成成pre-crRNApre-crRNA，后者经，后者经CasCas复合物加工，形成复合物加工，形成crRNAcrRNA，其 间 隔 区 序 列 能 与 入 侵其 间 隔 区 序 列 能 与 入 侵D N AD N A的 反 义 链 相 应 序的 反 义 链 相 应 序列列互补互补并并摧毁摧毁之。之。Horvath Horvath et al
85、et al，ScienceScience，327327，201020103 I3 I 微生物识别自我与非自我的分子机制微生物识别自我与非自我的分子机制c CRISPR/Cas区分自我与非自我的分子机制 如前所述，细菌依靠其如前所述，细菌依靠其CRISPRCRISPR位点转录物位点转录物crRNAcrRNA中的中的间隔区间隔区序列，序列，特异性识别并互补外源入侵特异性识别并互补外源入侵DNADNA反义链上的相应区域，由此介导类似反义链上的相应区域，由此介导类似于细菌于细菌反义反义RNARNA针对靶序列的降解摧毁效应。那么，宿主针对靶序列的降解摧毁效应。那么，宿主CRISPRCRISPR位位点 内
86、 的点 内 的DNADNA序 列 是 如 何 规 避 自 身序 列 是 如 何 规 避 自 身crRNAcrRNA可 能 存 在 的 识 别 和 互可 能 存 在 的 识 别 和 互补效应的呢？补效应的呢？MarraffiniMarraffini和和SontheimerSontheimer设计精妙的实验为我们解开了设计精妙的实验为我们解开了表表皮葡萄球菌皮葡萄球菌（Staphylococcus epidermidisStaphylococcus epidermidis）区分自我与非自我的奥秘）区分自我与非自我的奥秘3 I3 I 微生物识别自我与非自我的分子机制微生物识别自我与非自我的分子机制c
87、 CRISPR/Cas区分自我与非自我的分子机制crRNAcrRNA5533spacerspacerupstream upstream repeatrepeatdownstreamdownstreamrepeatrepeat5533spacerspacer55335533crRNAcrRNAupstream upstream repeatrepeatdownstreamdownstreamrepeatrepeat3TATAAATCT3TATAAATCTC CT TTGC5TGC5 AGAAGA ACG3ACG35ACG 5ACG A AC C识别并降解：识别并降解：靶靶DNADNA反义链反义链5TGGACGAGA5TGGACGAGAA AC CACG3ACG33ACCTGCTCT3ACCTGCTCTT TG GTGC5TGC5识别并规避：识别并规避：自身自身DNADNA反义链反义链NatureNature，463463，20102010 用于科普，若有不用于科普，若有不当之处，请指正，感当之处，请指正，感谢您的下载。谢您的下载。
