1、抗原識別受體多樣性的產生抗原識別受體多樣性的產生和和T T、B B淋巴細胞的發育淋巴細胞的發育抗原識別受體多樣性的產生抗原識別受體多樣性的產生1. TB細胞都用其抗原識別受體識別抗原細胞都用其抗原識別受體識別抗原B細胞：細胞：B cell receptor (BCR) T細胞：細胞：T cell receptor (TCR)淋巴細胞抗原識別特點：淋巴細胞抗原識別特點：2. 一種淋巴細胞僅表達一種抗原受體一種淋巴細胞僅表達一種抗原受體 究竟什么樣的病原微生物能夠突破機體究竟什么樣的病原微生物能夠突破機體的天然免疫屏障并不能預料。為了能夠防御的天然免疫屏障并不能預料。為了能夠防御所有可能的病原微生

2、物的感染，所有可能的病原微生物的感染，特異性免疫特異性免疫應答系統必須能夠識別所有可能的外來抗原應答系統必須能夠識別所有可能的外來抗原物質，物質，因此因此BCRBCR和和TCRTCR必須形成一個巨大的抗必須形成一個巨大的抗原受體庫。原受體庫。問題：問題： 為什么人產生的抗體比他自身攜帶為什么人產生的抗體比他自身攜帶的總的基因數還要多？的總的基因數還要多？ 人可以表達的抗原受體約為人可以表達的抗原受體約為10101212個，個，人的基因總數僅為人的基因總數僅為3 35 5萬個。萬個。內容：內容：一、一、BCRBCR重排的發現及重排的發現及BCRBCR胚系基因結構胚系基因結構二、產生二、產生BCR

3、BCR多樣性的機制多樣性的機制三、三、TCRTCR的基因結構和多樣性的產生的基因結構和多樣性的產生 一、一、 BCRBCR重排的發現及其胚系基因結構重排的發現及其胚系基因結構 BCR BCR或抗體或抗體由可變區和恒定區組成，其多樣性是由可變區和恒定區組成，其多樣性是由可變區決定的。由可變區決定的。 可變區多樣性是怎樣產生的可變區多樣性是怎樣產生的? ?抗體多樣性的兩種假說：抗體多樣性的兩種假說： 體細胞突變假說體細胞突變假說 B B細胞發育過程中發生了突變，導致生成的細胞發育過程中發生了突變，導致生成的BCRBCR或者抗或者抗體變成許多種體變成許多種基因片段重排假說基因片段重排假說 Dreye

4、rDreyer和和BennettBennett于于19651965年年提出，即兩個基因一條多提出，即兩個基因一條多肽鏈理論。他們認為肽鏈理論。他們認為BCRBCR由兩類基因片段組成，一類編由兩類基因片段組成，一類編碼碼BCRBCR的的V V區，一類編碼區，一類編碼BCRBCR的的C C區。區。V V區基因含有多個基區基因含有多個基因片段，只有其中一個片段與因片段，只有其中一個片段與C C區形成抗體。區形成抗體。？TonegawaTonegawa的設想：的設想： XXXXXX 限制性內切酶酶切位點限制性內切酶酶切位點BCRBCR胚系基因胚系基因經過重排的基因經過重排的基因 重排現象的重排現象的實

5、驗證明實驗證明 對小鼠胚系對小鼠胚系DNADNA和骨髓瘤細胞和骨髓瘤細胞V V和和C C基因的基因的DNADNA做序列分析，發現在重排后的做序列分析，發現在重排后的V V區和區和C C區基因不區基因不是直接拼接在一起的，由此發現了是直接拼接在一起的，由此發現了J (joining)J (joining)基因片段和基因片段和D D（diversitydiversity）基因片段。）基因片段。人免疫球蛋白胚系基因圖人免疫球蛋白胚系基因圖 l l輕鏈基因位于輕鏈基因位于2222號染色體上，號染色體上，k k輕鏈基因位于輕鏈基因位于2 2號染色體上，號染色體上，重鏈基因位于重鏈基因位于1414號染色體

6、上。號染色體上。 V V區基因和區基因和C C區基因。區基因。V V、D D、J J基因片段?；蚱?。 信號肽信號肽L(leader)L(leader)將各條肽鏈導入內質網腔后被切去。將各條肽鏈導入內質網腔后被切去。“ForhisdiscoveryofthegeneticprincipleforgenerationofantibodydiversityMassachusetts Institute of Technology (MIT) Cambridge, MA, USAThe Nobel Prize in Physiology or Medicine 1987Susumu Tonegaw

7、a（利根川進（利根川進）b.1939二、產生二、產生BCRBCR多樣性的機制多樣性的機制 (1) (1) 多樣性機制之一：基因片段的重排多樣性機制之一：基因片段的重排每條編碼輕鏈和重鏈可每條編碼輕鏈和重鏈可變區的基因都由數個基變區的基因都由數個基因片段組成。因片段組成。k k鏈：鏈：40（Vk k）x 5（Jk k）= 200個個Vk kl l鏈：鏈：30（Vl l）x 4（Jl l）= 120個個Vl l重重鏈：鏈：65（VH H）x 27（DH H）x 6（JH H）= 11000個個VH H基因片段重排方式基因片段重排方式：12/2312/23規則規則(12/23 rule)(12/23

8、 rule)重組信號序列重組信號序列(recombination signal sequence, RSS):(recombination signal sequence, RSS): 七核苷酸七核苷酸12/2312/23核苷酸的隨機序列九核苷酸核苷酸的隨機序列九核苷酸k k鏈：鏈：40（Vk）x 5（Jk）= 200個個Vkl l鏈：鏈：30（Vl l）x 4（Jl l）= 120個個Vl l重重鏈：鏈：65（VH H）x 27（DH H）x 6（JH H）= 11000個個VH H 理論上將產生理論上將產生11000 x(20011000 x(200120)=3.5x10120)=3.5x

9、106 6個不同個不同抗原特異性的抗體，實際上要少一些。因為并不是抗原特異性的抗體，實際上要少一些。因為并不是所有的所有的V V基因都以同樣頻率使用，并不是所有的輕鏈基因都以同樣頻率使用，并不是所有的輕鏈重鏈配對都能成功。重鏈配對都能成功。（2) 2) 多樣性機制之二：重鏈輕鏈隨機組合多樣性機制之二：重鏈輕鏈隨機組合（3 3）多樣性機制之三：基因片段結合處的變化）多樣性機制之三：基因片段結合處的變化 僅僅通過基因重排和隨機組合，理論上只能僅僅通過基因重排和隨機組合，理論上只能產生產生3.5x103.5x106 6個不同抗原特異性的抗體，實際上個不同抗原特異性的抗體，實際上抗體的數目要遠遠多于這

10、個數字。抗體的數目要遠遠多于這個數字。 為什么為什么CDR3CDR3高變區變化最大呢？高變區變化最大呢？ 抗體多樣性主要由抗體多樣性主要由CDRCDR體現，其中體現，其中CDR3CDR3在三個高變區在三個高變區中的變化最大。中的變化最大。CDR1CDR1和和CDR2CDR2由由V V區基因編碼，區基因編碼，CDR3CDR3在輕鏈在輕鏈中是由中是由V V基因片段和基因片段和J J基因片段的連接處編碼的，在重鏈基因片段的連接處編碼的，在重鏈中是由中是由D D基因編碼的。基因編碼的。 對重排后的基因和胚系基因的核苷酸序列進對重排后的基因和胚系基因的核苷酸序列進行測定，發現行測定，發現V V（D D）

11、J J不是準確地連在一起的，不是準確地連在一起的，在連接時增加和減少數個核苷酸，連接多樣性在連接時增加和減少數個核苷酸，連接多樣性(junction diversity)(junction diversity)。 核苷酸在連接處的增加或者減少常常導致核苷酸在連接處的增加或者減少常常導致DNADNA的讀框受到破壞，產生沒有功能的抗體。的讀框受到破壞，產生沒有功能的抗體。 （4 4）多樣性機制之四：體細胞突變）多樣性機制之四：體細胞突變純系三組純系三組BALB/cBALB/c小鼠免疫小鼠免疫抗原后對特異性抗體可變抗原后對特異性抗體可變區的序列分析區的序列分析 抗體的親和力成熟抗體的親和力成熟(af

12、finity maturation)（5 5）重排和高突變的發育控制）重排和高突變的發育控制 重排：抗體基因片段在重排：抗體基因片段在與抗原無關的情況下裝與抗原無關的情況下裝配起來，這樣的抗體對配起來，這樣的抗體對抗原具有低親和力。抗原具有低親和力。體細胞突變：一旦抗原體細胞突變：一旦抗原被找到了，對該抗原具被找到了，對該抗原具有低親和力的有低親和力的B B細胞就細胞就會發生體細胞突變，形會發生體細胞突變，形成高親和力的成高親和力的B B細胞。細胞。三、三、TCRTCR的基因結構和多樣性的產生的基因結構和多樣性的產生 BCRBCR和和TCRTCR都是識別抗原，那么都是識別抗原，那么TCRTCR

13、的的基因結構和多樣性的產生究竟是否和基因結構和多樣性的產生究竟是否和BCRBCR相似呢？相似呢？（1 1）TCRTCR和和BCRBCR的相似之處的相似之處 TCRTCR結構類似免疫球蛋白，與免疫球蛋白有結構類似免疫球蛋白，與免疫球蛋白有30-35%30-35%同源性。同源性。與與BCRBCR一樣，兩種一樣，兩種TCRTCR都含可變區和恒定區。都含可變區和恒定區。TCRTCR結構與免疫球蛋白結構與免疫球蛋白的的FabFab類似類似 TCRTCR的基因的組成方式與免疫球蛋白基因基本一樣。的基因的組成方式與免疫球蛋白基因基本一樣。a a鏈鏈和和g g鏈鏈基因類似輕鏈，有基因類似輕鏈，有V V和和J

14、J基因片段?；蚱巍 b鏈和鏈和d d鏈鏈基因類似基因類似重鏈，有重鏈，有VDJVDJ基因片段基因片段。 TCRTCR的胚系基因結構的胚系基因結構（ b, gb, g鏈基因在第鏈基因在第7 7號染色體上號染色體上， a, da, d鏈基因鏈基因在第在第1414號染色體上號染色體上）TCRTCR也是通過體細胞重排變為多樣性的也是通過體細胞重排變為多樣性的 TCRTCR的重排的機制與免疫球蛋白一樣，也具有的重排的機制與免疫球蛋白一樣，也具有7 7核核苷酸和苷酸和9 9核苷酸的重組識別信號，并遵守核苷酸的重組識別信號，并遵守12/2312/23堿基堿基規則規則。TCRTCR也存在著等位排斥現象也

15、存在著等位排斥現象（2 2）TCRTCR和和BCRBCR的區別的區別TCRTCR也具有連接多樣性。因為也具有連接多樣性。因為TCRTCR具有更多的具有更多的J J基因片段基因片段和更多的和更多的N N區插入，區插入，TCRTCR在連接處的變化更大。在連接處的變化更大。編碼編碼TCRTCR b b鏈的鏈的D D基因片段有兩處，這樣會增加其有基因片段有兩處，這樣會增加其有效重排的機會效重排的機會編碼編碼a a鏈的鏈的J J基因片段有多個，也會增加有效重排的基因片段有多個，也會增加有效重排的機會機會TCRTCR沒有分泌形式，總是膜蛋白沒有分泌形式，總是膜蛋白 TCR TCR最大的不同于最大的不同于B

16、CRBCR的地方是它不產生體細的地方是它不產生體細胞突變。胞突變。 為什么？為什么？ T T細胞僅是識別細胞結合的抗原。這些抗原局部濃細胞僅是識別細胞結合的抗原。這些抗原局部濃度很高，不需要度很高，不需要T T細胞的親和力通過體細胞突變增加。細胞的親和力通過體細胞突變增加。 成熟的成熟的T T細胞不能識別自身抗原，而體細胞突變后可細胞不能識別自身抗原，而體細胞突變后可能會產生自身反應性。和能會產生自身反應性。和B B細胞不一樣，自身反應的細胞不一樣，自身反應的T T細胞可以直接引起疾病，因此細胞可以直接引起疾病，因此T T細胞不應該通過體細胞細胞不應該通過體細胞突變。突變。 TCRTCR在很多

17、方面與在很多方面與BCRBCR非常相似，也是通過體非常相似，也是通過體細胞重排變為多樣性的，其重排機理與細胞重排變為多樣性的，其重排機理與BCRBCR一樣。一樣。不過不過TCRTCR和和BCRBCR也有許多不同之處。二者最大的不也有許多不同之處。二者最大的不同是同是T T細胞不發生體細胞突變，由此避免了由體細胞不發生體細胞突變，由此避免了由體細胞突變產生自身反應性細胞突變產生自身反應性T T細胞。細胞。T T細胞和細胞和B B細胞的發育細胞的發育內容：內容：一、一、 B B淋巴細胞的發育淋巴細胞的發育二、二、 T T淋巴細胞的發育淋巴細胞的發育 一、一、B B淋巴細胞的發育淋巴細胞的發育B B

18、細胞的生成細胞的生成 B B細胞發育經歷細胞發育經歷4 4個階段個階段 B B細胞的發育過程細胞的發育過程經耐受選擇后移到周圍淋巴器官Nave B細胞B B細胞的早期發育依賴于骨髓基質細胞（表達黏附分細胞的早期發育依賴于骨髓基質細胞（表達黏附分子和子和B B細胞生長因子）細胞生長因子）B B細胞發育過程中輕鏈重鏈的重排過程細胞發育過程中輕鏈重鏈的重排過程在在pre-Bpre-B細胞階段，細胞階段，重鏈、重鏈、IgIga a和和IgIgb b、由由l l5 5和和VpreBVpreB組成的組成的替代輕鏈形成復合替代輕鏈形成復合物物 B B細胞離開骨髓經由血流進入次級淋巴器官。細胞離開骨髓經由血流

19、進入次級淋巴器官。 B B細胞細胞需要在次級淋巴器官的需要在次級淋巴器官的濾泡中生存，可能是由濾泡樹濾泡中生存，可能是由濾泡樹狀細胞提供生存信號的。狀細胞提供生存信號的。 每天小鼠新生成的每天小鼠新生成的B B細胞大約為總細胞大約為總B B細胞庫的細胞庫的5 51010。B B細胞庫的細胞數量是基本恒定的。細胞庫的細胞數量是基本恒定的。B B細胞的選擇細胞的選擇 如果骨髓中不成熟如果骨髓中不成熟B B細胞與骨髓基細胞與骨髓基質細胞表達的自身抗原反應，那么細質細胞表達的自身抗原反應，那么細胞會發生凋亡或者變得沒有反應性。胞會發生凋亡或者變得沒有反應性。 與成熟與成熟B B細胞不同，不成熟的細胞不

20、同，不成熟的B B細胞表面交連后會細胞表面交連后會凋亡或者變得無反應性。凋亡或者變得無反應性。 每天每只小鼠生成35x106個large pre-B細胞，但是僅有1020 x106個B細胞在骨髓中生成，成活的B細胞僅占pre-B細胞的一半。大量的不恰當的基因重排和自身反應B細胞在骨髓中被清除掉了。 如果骨髓中如果骨髓中B B細胞免疫球蛋白基因重排產生的細胞免疫球蛋白基因重排產生的BCRBCR可以識別自身抗原，則這種可以識別自身抗原，則這種BCRBCR基因被刪除，基因被刪除，取而代之的是新的重排，這種現象叫做受體修正取而代之的是新的重排，這種現象叫做受體修正（Receptor editingRe

21、ceptor editing）。）。 受體修正的實驗證明受體修正的實驗證明 B B細胞群體的產生細胞群體的產生B B2 2細胞發育過程總結細胞發育過程總結三、三、T T淋巴細胞的發育淋巴細胞的發育 T T細胞與細胞與B B細胞的發育方式很相近。細胞的發育方式很相近。 T T細胞也來自骨髓干細胞，不過細胞也來自骨髓干細胞，不過T T細胞不是在骨細胞不是在骨髓而是在胸腺中發生基因重排并分化成熟的髓而是在胸腺中發生基因重排并分化成熟的。 ababT T細胞只識別細胞只識別MHCMHC分子結合的抗原肽，分子結合的抗原肽，T T細胞細胞必須是自身抗原耐受的，必須是自身抗原耐受的，這兩項性質是通過陽性這兩

22、項性質是通過陽性和陰性選擇來完成的。和陰性選擇來完成的。 T T細胞在胸腺中的發育細胞在胸腺中的發育 T T細胞前體遷移到胸腺中發育成熟細胞前體遷移到胸腺中發育成熟 胸腺中，不成熟的胸腺中，不成熟的T T細胞（胸腺細胞）經過重排、陽細胞（胸腺細胞）經過重排、陽性選擇和陰性選擇發育成為成熟性選擇和陰性選擇發育成為成熟T T細胞。細胞。胸腺小葉的結構胸腺小葉的結構胸腺皮質含不成熟的胸腺細胞，胸腺髓質含成熟的胸腺細胞。胸腺皮質含不成熟的胸腺細胞，胸腺髓質含成熟的胸腺細胞。上皮細胞組成的胸腺基質為胸腺細胞發育提供了微環境上皮細胞組成的胸腺基質為胸腺細胞發育提供了微環境 T T細胞前體進入胸腺，經過一個星期左右的細胞前體進入胸腺，經過一個星期左右的分化，進入大量快速增殖期。分化，進入大量快速增殖期。 剛成年的小鼠的胸腺有剛成年的小鼠的胸腺有1 12 2 x 10 x 108 8胸腺細胞，胸腺細胞，每天產生每天產生5 5 x 10 x 107 7新胸腺細胞，但是只有新胸腺細胞，但是只有1 12 2 x x 10106 6細胞（大約細胞（大約3 3）離開胸腺成為成熟）離開胸腺成為成熟T T細胞，細胞，約約9898的胸腺