过程分子生物学(3)

过程分子生物学523416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免疫多样性的分子识别E B CDAF 人体的免疫识别及应答系统免疫球蛋白基因的顺序组织抗体多样性的分子机制免疫球蛋白类型开关的启动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3A 人体的免疫识别及应答系统a 免疫系统的功能对于单细胞生物而言，区分自身和环境是不困难的，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，区分自身与非自身就要依靠分子识别系统。

人体由三百多种不同型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，因此人体需要由免疫系统实现下列三种功能：3A 人体的免疫识别及应答系统a 免疫系统的功能自身细胞或物质的识别功能一种机制去识别自身的细胞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3A 人体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后天性免疫巨噬细胞杀手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体液免疫系统体液免疫系统由抗体分泌所介导，依赖于B淋巴细胞。

B淋巴细胞合成抗体（免疫球蛋白），抗体与抗原特异性结合（免疫识别），然后通过下列两种途径消灭抗原：巨噬细胞的吞噬作用抗原－抗体复合物为巨噬细胞吞噬和降解补体系统的降解作用体液免疫系统补体的性质补体是一种能与抗体功能互补的成分，由20种左右的蛋白酶组成。

它们识别抗体－抗原复合物并降解之，同时也能促进巨噬细胞及其吞噬物的降解。

此外，B淋巴细胞合成抗体需要T淋巴细胞提供信号（细胞通讯），这种T淋巴细胞称辅助T淋巴细胞。

细胞介导的免疫是由含有细胞毒素的T淋巴细胞实现的，这类T细胞称为杀手T淋巴细胞。

外来抗原，尤其是细菌或病毒侵染机体靶细胞后，靶细胞表面靶细胞杀手T 细胞抗原片段MHC TCR T 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，这时杀手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MHC TCR T 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、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。

3A 人体的免疫识别及应答系统c 免疫系统的形成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”。

克隆选择理论未成熟的淋巴细胞池中含有B细胞和T细胞，每一个B细胞和T细胞只含有一种特异性抗体和受体。

在初级免疫应答之后，大量的B细胞和T细胞成熟，它们具有对某一抗原的特异性抗体和受体。

3A 人体的免疫识别及应答系统d 免疫系统的特征哺乳动物的免疫系统不但具有重要的生理功能，同时也涉及到许多分子生物学的重大理论问题。

免疫识别抗体与抗原的特异性分子识别MHC 与抗原的特异性分子识别T细胞受体与抗原－MHC 复合物的特异性分子识别上述特异性识别通常只涉及到抗原蛋白分子中的5-6个氨基酸残基。

抗体与抗原、受体与配体、酶与底物是生物体内蛋白质之间分子识别的三大模型。

细胞通讯B淋巴细胞合成抗体需要辅助T细胞提供信号；杀手T细胞在与抗原－MHC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。

这些都是细胞通讯的基本原理，但这种信号转导又与细胞因子和生长因子的信号转导通路有所不同。

免疫多样性免疫多样性，包括抗体、T细胞受体、MHC的多样性发生机制，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数百万甚至数亿种不同的抗体，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），机体内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？人体内总共只有几万个基因，如何能为数亿种抗体蛋白编码呢？3B 免疫球蛋白基因的顺序组织a 抗体分子的基本结构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。

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。

抗体的分子结构N N C C V L J C L V L J C L V H DJ C H1C H2C H3C H2C H3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 家族重链家族少于300个不同的V基因和大于6个不同的C 基因少于300个不同的V基因以及唯一的1个C 基因大约300个不同的V基因以及9个不同的C 基因包括m、d、g、a、e基因b 抗体分子的编码基因在这里，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。

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。

3B 免疫球蛋白基因的顺序组织c 抗体基因家族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：l 基因家族在胚胎细胞中的顺序组织1000 kb 少于300个V l 基因间隔区大于6个J l C l 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 ）k 基因家族在胚胎细胞中的顺序组织少于300个V k 基因间隔区5个J k和1个C k 基因增强子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J k片段分布在500 -700 bp的区域内，内含子结构长为2 -3 kbH 重链基因家族在胚胎细胞中的顺序组织300 kb300个V H 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。

20个D 6个J m d g 3 g 1ye a 1 yg g 2 g 4 e a 2C H1铰链区C H2C H3人体的B淋巴细胞可同时产生至少数百万种不同的抗体，每种抗体分子的氨基酸序列均不同。

根据传统理论，人体至少应有几百万个免疫球蛋白基因为其编码，但事实上人体染色体中的基因总数只有2-3万个这显然是一个理论上的难题。

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。

1976年，Susumu Tonegawa设计了一个著名的实验，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。

实验设计如下：从胚胎细胞和骨髓干细胞中分别制备全染色体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片段中有两条不同大小的BamHI片段呈阳性；而在骨髓干细胞DNA片段中，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。

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？a 体细胞抗体基因重排的分子机制小鼠的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：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。

V k基因和J k片段的选择是随机的基因重排后，位于C k上游的增强子激活最邻近的启动子，并转录出mRNA前体，而V k1、V k2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。

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：V L 与JC L 之间；重链：D 与JC H 之间和V H 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信号序列。

七聚体九聚体九聚体七聚体V kJC k V l JC l 23 bp 12 bp 12 bp 23 bp CACAGTG ACAAAAACC CACAGTG GGTTTTTGT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：D23 bp12 bp12 bp23 bpV H JC H抗体基因的重排规则抗体基因分子的重排规则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V JC 12 bp 23 bp 信号端信号端编码端编码端V JC 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直接导致在断裂连接位点上的碱基插入或整个基因重排过程包括断裂和结合两个反应。