分子生物学 第十章基因与发育

基因簇只有 8 个基因。这些 CH 基因虽然都
有表达活性，但在同一细胞中只有一个基 因表达。
VH、DH和JH基因的重排。重链基因要经
过两次重排才得以完成，第一次重排发生
于 DH 和 JH 之间，第二次重排发生于 VH 和
DHJH 之间，形成有转录功能的 HDHJH 基 因。 第二次重排过程中，同样会产生不精确性， 进一步造成免疫球蛋白的多样性。
leukocytoantigen ， HLA ）体系，是到目前为 止免疫体系中最复杂，最具多态性的体系。
HLA 基 因 簇 位 于 第 6 号 染 色 体 ， 全 长 约
3.0×106bp，足以编码150多个相对分子质量
在 4.0×104 左右的蛋白质，现已克隆了 30 多 个基因和假基因。
HLA共分为4型： I型分子包括HLA-A、HLA-B和HLA-C，广泛 存在于各种组织中；
淋巴细胞中产生免疫球蛋白的基因位于两条 同源染色体上，而免疫球蛋白基因的表达只 发生在其中一条上，这种因为一条染色体上
的基因表达而抑制另一条染色体上相同基因
表 达 的 现 象 称 为 等 位 基 因 排 斥 （ allelic
exclusion）。
同型排斥（ isotypic exclusion ）： B 淋巴细胞 的轻链表达时，只生成一种链（ κ 链或是 λ 链），不可能同时表达κ链和λ链。 等位排斥和同型排斥保证了 B 淋巴细胞无性 系只表达一种特异性抗体。
1.免疫球蛋白轻链基因结构（ 1 ） κ 基因。位于人类第 2 号染色体上，其 可变区和恒定区分别由不连续的 V基因和 C基因编码。
V与J基因以多拷贝形式存在，其中V基因
簇含有约300个拷贝。
人类和小鼠的J基因簇都包含5个J基因。
人和小鼠的C基因都是单拷贝，它编码了κ链 C 区的 106 个氨基酸序列（第 109-214 位氨基
第十章 基因与发育
一、免疫系统发育及免疫球蛋白基因表达
二、果蝇的发育与调控
三、高等植物花发育的基因调控
一、免疫体系发育及免疫球蛋白基因表达
（一）抗原和抗体的基本知识 （二）免疫途径 （三）B-细胞发育积分化 （四）T-细胞发育和分化 （五）免疫球蛋白的组成和表达
（六）主要组织相容复合体的表达调控
（一）抗原和抗体的基本知识

抗原加工和递呈的敏感性 如不可溶的大分子通常是比可溶性小分子免疫原性更强 （不可溶的大分子易于吞噬和加工）；不能被降解递呈的大 分子物质免疫原性很低。
（二）免疫途径
先天性免疫系统（非特异性） 获得性免疫系统（特异性）
免疫系统的细胞通过一个被称为“分子识别” 的过程鉴别“外来物质”．一旦检测到有外 来物质存在，它们就用产生特异性抗体或类 似方法将其消灭．
分化。
诱导T淋巴细胞在胸腺内分化、成熟的主要 因素有：
胸腺基质细胞分泌多种细胞因子及胸腺激素，通 过其细胞表面的黏附分子直接与胸腺细胞发生相 互作用，诱导后者分化； 胸腺中的“抚育细胞”参与调控T细胞的成熟和分 化；
2．Notch信号与T细胞分化
在免疫系统发育过程中，Notch信号途径使淋巴干 细胞向T细胞前体分化，表达功能性 TCRαβ 而非 TCRγδ ，并使 CD4 ＋ CD8 ＋ T 细胞向 CD4－CD8＋T细胞表型分化。 该信号决定了骨髓中的淋巴样干细胞向B系 或T系方向的分化
white blood cells）所介导。 体液免疫由B淋巴(细胞)介导；细胞免疫体
系由T淋巴(Ｔ细胞)介导。
生物体内存在的两条主要免疫 途径：体液免疫和细胞水平免 疫图示.
（三）B-淋巴细胞的发育和分化
哺乳动物B细胞产生于骨髓中。成熟B细胞主要存 在于淋巴结皮质浅层的淋巴小结及脾脏的红髓与
白髓淋巴小结内。
科学上将未发生重排的种系构型等位基因称 为 Ig°，发生重排并进行功能表达的等位基 因称为Ig+，发生无效重排的无活性等位基因
称为Ig-。
细胞中有可能存在下述几种情况：
①等位基因之一发生有效重排，产生活性基
因，并产生等位排斥，使另一基因的重排和 表达受到抑制，这个细胞构型为Ig°/Ig+；
②等位基因之一发生无效重排，另一个染 色体上的基因仍处于种系构型，则该细胞 构型为Ig°/Ig-这样的细胞构型不会抑制另
人重链基因位于14号染色体，由V、D、J和C四 种不同基因片段组成。 编码重链V区基因长约1000－2000kb，包括V、 D、J三组基因片段。每个V基因片段上游有L基
因片段，编码20－30个疏水性氨基酸的信号肽。
图10-7 人类Ig基因结构示意图
Ig基因重排与DNA的多样性
一个生物为什么能产生百万种以上（ 106~108）的 Ig分子呢？ 其根本原因是V区和C区不同片段在DNA分子水平 上发生了各种排列组合，被称为种系重组的重排。
免疫系统的抗原结合分子


抗体 (免疫球蛋 白，Ig) T细胞受体 (TCR) 主要组织相 容性复合体 (MHC)
导致免疫原性的抗原特性

外源性：机体对“我/非我” (self/nonself)的识别导致免疫反 应 分子大小 MW>5000-10000

化学组成与复杂性
如异聚物比同聚物免疫原性更强
抗原/免疫原(antigen /immunogen,在同一动物
机体内是同意词)，能够诱导机体免疫反应并
与相应抗体或T细胞受体发生特异反应的物质。
一种物质能否作为抗原，既取决于机体，也取 决于抗原本身
抗原性与免疫原性

免疫原性(immunogenicity),抗原诱导体液和/或细胞
介导的免疫反应的能力。
免疫系统是动物的主要防御系统，包括淋巴 细胞（lymphocyte，分B淋巴细胞和T淋巴细 胞）及组织相容性抗原两部分。巨噬细胞 （macrophage）也参与免疫反应。
T-淋巴细胞产生于胸腺（thymus），它的主要功能 是产生 T 淋巴细胞受体，识别产生抗体的 B 淋巴细 胞，以帮助巨噬细胞发挥功能。 B淋巴细胞由骨髓产生，主要功能是制造用于对付 外来抗原的抗体，它专一地识别相应的抗原。
B细胞的功能
成熟B细胞表面是否表达CD5，分为B-1 （CD5+）和B-2 （CD5-）两个亚群 B-1参与非特异性免疫（先天免疫） B-2参与特异性免疫，既通常意义上的B细胞 B细胞是产生抗体的主要细胞，还可分泌多种细胞 因子，参与机体的免疫调节。
（四）T淋巴细胞发育及分化
T淋巴细胞(T lymphocyte)，简称T细胞，来源于骨 髓淋巴干细胞，其主要功能是产生T淋巴细胞受体。
T细胞不仅直接执行细胞免疫功能，而且还可以通 过产生多种细胞因子或表达黏附分子等手段，与 其他免疫细胞发生直接或间接的相互作用，从而 发挥广泛的免疫调节功能。
1. T细胞的分化与发育 研究小鼠胸腺细胞的发育过程表明，在胚 胎发育到 11-12 天时，淋巴干细胞进入胸腺，
并在胸腺微环境的影响下迅速发生增殖和
酸）。
2）λ基因
小鼠有两个Vλ基因：Vλ1和Vλ2。 人 类 Vλ 基 因 有 30 个拷贝 ，可分为 Vλ1-10 十个亚群 ， Vλ1-5是主要亚群，比较保守。
小鼠Cλ 基因簇有4个拷贝，而人类Cλ 基因有6个以上
的拷贝。基因表达过程中，每个Vλ 基因都和Cλ 基因
成对排列。
2.免疫球蛋白重链基因结构
V区(数百个拷贝) D片段(~20拷贝) JH片段 （4拷贝）
3 体细胞突变引起的多样性
体细胞突变是免疫系统以有限的遗传 信息生成海量抗体分子以应付外来抗
原的一种极为精密的“微调”。
免疫球蛋白基因表达
等位排斥与同型排斥
等位排斥：发生 V-J 和 V-D-J 重排时，只出现 一种重组类型，产生一种轻链和一种重链分 子。
细胞毒 T 细胞通过表面 TCR 识别呈递于 MHC 分 子表面的异己外源肽段，并直接杀伤呈递这类
MHC的细胞。
辅助T细胞通过TCR识别II型MHC呈递的外源肽 段。 MHC与TCR、Ig相互配合，构成了生物体内复 杂多变的免疫反应和应答。
2．MHC的分类
人 MHC 又 称 白 细 胞 抗 原 （ human
一个等位基因的重排；
③第一次无效重排后，细胞内又发生另一 次有效重排，生成Ig+/Ig-，阻止了进一步 重排的发生。
(六）主要组织相容复合体的表达调控
1. 主要组织相容性复合体概述
引起移植排斥的细胞表面抗原称为组织相 容 性 复 合 体 （ major histocompatibility complex ， MHC ） , 在移植排斥中起决定作 用，是机体特异性免疫反应中心。
重链和轻链都由N端的可变区（variable,V)和 C端的恒定区（constant,C)
根据抗体的重链结构特征将其分为5类 （表9-1），再根据抗原的不同和结构的
变化又可分出若干亚类。每种类型都有一
个特征性的恒定区。
免疫球蛋白基因结构
免疫球蛋白分子由 Igk、 Igl和 Igh基因编码，位于不 同的染色体上。 1965年，Dreyer和Bennet认为，Ig的V区和C区由分 隔存在的基因所编码，这些基因片段在淋巴细胞分 化和发育过程中发生易位重排，形成有转录活性的 免疫球蛋白基因。
图10-5 Notch信号对淋巴细胞分化与发育的调控作用
3．T细胞表面受体
T细胞受体(T cell receptor，
TCR)是T淋巴细胞表面识别自身
MHC-抗原肽复合物的受体，含 有α 、β 、γ 和δ 四种多肽，属 于免疫球蛋白基因超家族的成员。 它与CD3在细胞表面组成TCR-
CD3复合物，并传递抗原刺激信
组织相容性抗原（histocompatibility antigen），保证机体 识别自身细胞和异源细胞，参与淋巴细胞及其他许多细胞 间的反应。
生物体内存在两条不同的免疫途径：
体液免疫
细胞免疫
两类获得性免疫反应都由在血液和淋巴组织
之间循环的淋巴细胞（nucleated leukocytes,
2.重链基因的重排与连接
重链基因虽然只有一个位点，但结构十分复杂。 如小鼠重链基因就Biblioteka Baidu含了大约上百个 VH 片段、 10 多个 D 片段和 4 个 J 片段以及下游 17kb 处的 CH 片段。 V基因和 D及 J 片段组合能产生4000 个不同的 V区， 每个V区都能和CH基因相组合。
人类的 CH 基因簇含有 10 个基因，小鼠 CH

抗原性(antigenicity),与免疫反应最终产物(如抗体和
/或T细胞表面受体)特异结合的能力。

有免疫原性也有抗原性，但是反之并非这样。
抗体(Antibody)




抗体，是与特定抗原 发生特异性结合的蛋 白质(免疫球蛋白,Ig) B细胞表面抗体识别 免疫原，启动记忆B 细胞和浆细胞的增殖 和分化 浆细胞分泌具有抗原 特异性的可溶性抗体 分子 可溶性抗体分子与亲 本B细胞表面受体具 有相同的抗原识别性
号。
（五） 免疫球蛋白的组成与表达
免疫球蛋白（immunoglobulin, Ig)被称作抗体 抗体的基本结构是一个四聚体的免疫球蛋白分
子，由4条（两对）多肽链组成，包括两条相同
的轻链（L-chain）和两条相同的重链（H-
chain）。轻链约2.3×104，重链则介于
5.3×104~7.0×104之间。
单一种系状态的Ig基因是不能表达的，只有经过重
排才有可能得到表达。
1.轻链基因的重排与连接
V 和 J 重排是通过 V 基因 3’ 端和 J 基因 5’ 端之间的侧翼序列 （又称识别序列）实现的。它具有一段由7个碱基组成的反 向回文序列 —CACAGTG，在V 3’端紧接着回文序列的是
11个碱基的间隔序列，而后是9个富含A、C的碱基。
在抗原刺激下可分化为浆细胞，合成和分泌免疫 球蛋白来识别相应的外来抗原，执行机体的体液 免疫功能。
成熟B细胞与抗原结合，分化为浆细胞或抗体分 泌细胞，合成各种免疫球蛋白。其中一部分可 转变为小淋巴细胞，又称记忆B细胞，停止增值 和分化。一旦再次接触抗原，又继续增殖和分 化
B细胞膜表面分子标记 膜表面球蛋白是 B 细胞的重要标志，是 B 细 胞特异性识别抗原的受体。 未成熟B细胞表达IgM，成熟B细胞同时表达 IgM 、 D 、 G 、 A 和 E 。细胞表面 Ig 的可变区 都由VH和VL基因编码。 记忆B细胞表面不存在IgD，抗原刺激后B细 胞表面IgD也消失。