過程分子生物學(xué)(3 2012)PPT精選文檔

1、過程分子生物學(xué)523416基因的表達(dá)與調(diào)控基因的表達(dá)與調(diào)控細(xì)胞通訊的分子機(jī)制免疫多樣性的分子識(shí)別胚胎發(fā)育的基因表達(dá)譜腫瘤發(fā)生的分子機(jī)制基因組學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)免疫多樣性的分子識(shí)別EBCDAF哺乳動(dòng)物的免疫識(shí)別及應(yīng)答系統(tǒng)哺乳動(dòng)物的免疫識(shí)別及應(yīng)答系統(tǒng)抗體多樣性的分子機(jī)制抗體類型開關(guān)的切換T 淋巴細(xì)胞受體的結(jié)構(gòu)與功能大型組織相容性蛋白的結(jié)構(gòu)與功能先天性免疫系統(tǒng)的功能與機(jī)制GHI微生物識(shí)別自我與非自我的分子機(jī)制獲得性免疫系統(tǒng)的功能與機(jī)制抗體編碼區(qū)的順序組織3A 哺乳動(dòng)物的免疫識(shí)別及應(yīng)答系統(tǒng) 生物體免疫系統(tǒng)的本質(zhì)功能是區(qū)分“自我”與“非自我”。對(duì)于單細(xì)胞生物而言，區(qū)分自身與環(huán)境并不困難，胞內(nèi)物質(zhì)就是自身的，

2、而胞外物質(zhì)都是非自身的。但對(duì)于多細(xì)胞生物來說，區(qū)分自我與非自我就要依靠分子識(shí)別系統(tǒng)。人體由三百多種不同形態(tài)和性質(zhì)的細(xì)胞構(gòu)成，這些細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、功能、作用方式均有其特殊性，因此人體需要a 免疫系統(tǒng)的功能由更精確的免疫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)下列三種功能： 3A 哺乳動(dòng)物的免疫識(shí)別及應(yīng)答系統(tǒng)自身細(xì)胞或物質(zhì)的識(shí)別功能 a 免疫系統(tǒng)的功能一種機(jī)制去識(shí)別自身的細(xì)胞和分子非自身細(xì)胞或物質(zhì)的識(shí)別功能 一種機(jī)制去識(shí)別非自身的入侵者 抵御消滅入侵者的功能 一種機(jī)制去抵御消滅入侵者，并修復(fù)由其所造成的機(jī)體損傷3A 哺乳動(dòng)物的免疫識(shí)別及應(yīng)答系統(tǒng)b 免疫系統(tǒng)的組成先天性免疫兩大免疫系統(tǒng)獲得性免疫巨噬細(xì)胞樹突細(xì)胞警察系統(tǒng)兩大安全系統(tǒng)軍事

3、系統(tǒng)T 淋巴細(xì)胞B 淋巴細(xì)胞兩種方式細(xì)胞分子干擾素白介素補(bǔ)體抗體細(xì)胞水平上免疫功能的發(fā)揮主要依靠先天性免疫系統(tǒng)中的巨噬細(xì)胞和樹突細(xì)胞，以及獲得性免疫系統(tǒng)中的T淋巴細(xì)胞和B淋巴細(xì)胞分子水平上免疫功能的發(fā)揮主要依靠溶解在機(jī)體循環(huán)系統(tǒng)中的分子，如細(xì)胞因子、補(bǔ)體和免疫球蛋白，因此又稱為體液免疫系統(tǒng)3A 哺乳動(dòng)物的免疫識(shí)別及應(yīng)答系統(tǒng) 哺 乳 動(dòng) 物 的 免 疫 系 統(tǒng) 不 但 具 有 重 要 的 生 理 功 能 ， 同 時(shí) 也c 免疫系統(tǒng)的特征涉及到許多分子生物學(xué)的重大理論問題。免疫識(shí)別抗體對(duì)抗原的特異性分子識(shí)別 上述特異性的分子識(shí)別通常只涉及到蛋白質(zhì)分子中的5-15個(gè)氨基酸殘基，或核酸分子中有限長(zhǎng)度的

4、序列。抗體與抗原、受體與配體、大型組織相容性復(fù)合物對(duì)抗原的特異性分子識(shí)別T細(xì)胞受體對(duì)抗原/大型組織相容性復(fù)合物的特異性分子識(shí)別酶與底物是生物體內(nèi)蛋白質(zhì)之間分子識(shí)別的三大模型。譜識(shí)別受體對(duì)微生物相關(guān)分子譜的特異性分子識(shí)別 微生物crRNA對(duì)外源核酸的特異性分子識(shí)別細(xì)胞通訊 B淋巴細(xì)胞合成抗體需要自身細(xì)胞和輔助T細(xì)胞提供信號(hào)；毒素T細(xì)胞在與抗原-大型組織相容性復(fù)合物結(jié)合后，將信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi)，激活一系列參與免疫應(yīng)答的組分；巨噬細(xì)胞和樹突細(xì)胞上的譜識(shí)別受體識(shí)別微生物相關(guān)分子譜后，通過特定的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑產(chǎn)生分泌細(xì)胞因子，并激活獲得性免疫系統(tǒng)，這些都是細(xì)胞通訊的基本原理，但這些信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑又與生命其它過

5、程中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑有所不同。免疫多樣性 免疫多樣性，包括抗體、T細(xì)胞受體、大型組織相容性復(fù)合物多樣性的發(fā)生機(jī)制，是免疫分子生物學(xué)的基本內(nèi)容，也是生命科學(xué)的重要理論命題。 一個(gè)哺乳類動(dòng)物的機(jī)體可以產(chǎn)生多達(dá)101313-101414種不同的抗體，它們對(duì)應(yīng)著同等數(shù)量的抗原。自然界中存在著的所有細(xì)菌、病毒、生物大分子在機(jī)體內(nèi)均有對(duì)應(yīng)的抗體和T細(xì)胞受體，甚至就連自然界內(nèi)尚未出現(xiàn)的抗原分子（如病毒的分子），機(jī)體內(nèi)也已存在著相應(yīng)的抗體。那么機(jī)體是怎樣產(chǎn)生數(shù)量如此龐大的抗體呢？人體內(nèi)總共只有兩萬多個(gè)基因，何以能為數(shù)十萬億種海量的抗體蛋白編碼呢？表觀遺傳（epigenetic） 前綴“epi”在希臘語中意為“之

6、上”，因此“epigenetic”一詞表述的是能影響生物體遺傳性狀的任何高于DNA序列本身改變的變化，即表觀遺傳。這些表觀機(jī)制包括：DNA甲基化、組蛋白翻譯后修飾、非編碼R N A （ n c R N A ） 轉(zhuǎn) 錄 、 染 色 質(zhì) 重 整 、 染 色 質(zhì) 核 定 位 、 D N A 鼓 泡等。表觀遺傳學(xué)已成為當(dāng)今生命科學(xué)中最活躍的研究領(lǐng)域之一。 現(xiàn)在查明，表觀遺傳機(jī)制在調(diào)控抗原受體或抗體編碼基因的時(shí)空特異性表達(dá)以及等位基因排斥等分子免疫學(xué)過程中扮演著重要角色，在此過程中動(dòng)用了迄今為止發(fā)現(xiàn)的所有表觀調(diào)控機(jī)制。 3B 獲得性免疫系統(tǒng)的功能與機(jī)制a 獲得性免疫系統(tǒng)的基本組成與特征 脊椎動(dòng)物的獲得性

7、免疫系統(tǒng)主要由B淋巴細(xì)胞和T淋巴細(xì)胞組成，它們分別合成種類繁多的B細(xì)胞受體（BCR）、抗體（Ig，又稱免疫球蛋白）、以及T細(xì)胞受體（TCR），用于對(duì)外來抗原片段或分子的特異性識(shí)別，進(jìn)而刺激并協(xié)助其它免疫細(xì)胞和因子消滅抗原。在哺乳動(dòng)物中，B細(xì)胞成熟于骨髓中，而T細(xì)胞則成熟于胸腺中。B細(xì)胞上的BCR激活體液免疫，T細(xì)胞上TCR的觸發(fā)細(xì)胞介導(dǎo)的應(yīng)答途徑。 獲 得 性 免 疫 系 統(tǒng) 的 主 要 特 征 是 能 對(duì) 特 定 抗 原 的 識(shí) 別 效 應(yīng) 進(jìn) 行 擴(kuò) 增放大，并對(duì)之形成長(zhǎng)期性甚至永久性的記憶。體液免疫系統(tǒng)獲得性免疫的體液免疫系統(tǒng)由B淋巴細(xì)胞合成和分泌的抗體所介導(dǎo)。一旦抗體與抗原特異性結(jié)合（

8、免疫識(shí)別）便通過下列兩種途徑消滅抗原：誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞的吞噬作用；激活補(bǔ)體系統(tǒng)的降解作用。B淋巴細(xì)胞合成抗體需要輔助T淋巴細(xì)胞（TH）通過細(xì)胞通訊提供指令。細(xì)胞介導(dǎo)的免疫系統(tǒng)獲得性免疫的細(xì)胞介導(dǎo)免疫是由細(xì)胞毒素型T淋巴細(xì)胞（CTL又稱殺手T淋巴細(xì)胞）實(shí)現(xiàn)的。外來抗原尤其是細(xì)菌或病毒侵染機(jī)體靶細(xì)胞后，靶細(xì)胞表面靶細(xì)胞毒素T細(xì)胞抗原片段MHCTCRT細(xì)胞受體上的大型組織相容性復(fù)合物（MHC）將細(xì)菌或病毒的抗原片段展現(xiàn)在細(xì)胞外表面，這時(shí)毒素T淋巴細(xì)胞表面的T細(xì)胞受體就能專一性與抗原片段或抗原片段-MHC復(fù)合物結(jié)合，進(jìn)而消滅被侵染的靶細(xì)胞及入侵者細(xì)胞介導(dǎo)的免疫系統(tǒng)哺乳動(dòng)物的每個(gè)個(gè)體都有其特異性的MHC蛋白

9、譜，因而從一個(gè)個(gè)體向另一個(gè)體的組織移植是困難的，因?yàn)楣w與受體之間的MHC蛋白譜不同。機(jī)體免靶細(xì)胞殺手T細(xì)胞抗原片段MHCTCRT細(xì)胞受體疫系統(tǒng)不會(huì)進(jìn)攻自身的性質(zhì)稱為“免疫耐受性”，而抗體、T細(xì)胞受體及MHC是多樣的（免疫多樣性），這就為機(jī)體定義識(shí)別自身提供了分子基礎(chǔ)。3B 獲得性免疫系統(tǒng)的功能與機(jī)制 機(jī)體在接觸到抗原后，便會(huì)產(chǎn)生對(duì)該抗原新一輪入侵的免疫作用，而在此之前，機(jī)體缺乏對(duì)抗原的這種特異性殺傷作用。換句話說，機(jī)體對(duì)抗原的殺傷能力是在免疫應(yīng)答過程b 獲得性免疫系統(tǒng)的形成中獲得的，這種能力產(chǎn)生的機(jī)制遵循“克隆選擇理論”。克隆選擇理論未成熟的淋巴細(xì)胞庫(kù)中含有大量的B細(xì)胞和T細(xì)胞。每一個(gè)B細(xì)胞

10、只表達(dá)一種特異性BCR和Ig；同樣，每一個(gè)T細(xì)胞也只含有一種特異性的TCR。一旦遭遇抗原，特異性的BCR和TCR則分別識(shí)別結(jié)合之，并啟動(dòng)由兩者分別介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，其效應(yīng)是大量（106）針對(duì)同種抗原的B細(xì)胞和T細(xì)胞成熟，并產(chǎn)生更多的抗體，即克隆選擇。每個(gè)細(xì)胞的表面每個(gè)細(xì)胞的表面上分布著大上分布著大約約12萬個(gè)萬個(gè)BCR分分子子3B 獲得性免疫系統(tǒng)的功能與機(jī)制 組成獲得性免疫系統(tǒng)的淋巴細(xì)胞屬于外周細(xì)胞，它們由成年骨髓中的未成熟干細(xì)胞發(fā)育而成，或直接通過血液（B細(xì)胞）或通過胸腺（T細(xì)胞）遷移至外周淋巴組織如脾臟、淋巴結(jié)、派氏淋巴小結(jié)、扁c 獲得性免疫系統(tǒng)的分布 每個(gè)哺乳動(dòng)物個(gè)體的B淋巴細(xì)胞庫(kù)中至

11、少由1012 種特異性BCR構(gòu)成，T淋巴細(xì)胞庫(kù)的含量相對(duì)少一些，而每一種特異性的B細(xì)胞或T細(xì)胞只有少數(shù)幾個(gè)相同的細(xì)胞組成，因?yàn)樗鼈儚奈丛庥鲞^相應(yīng)的抗原。桃體等處，然后在血液和胸腺之間流動(dòng)循環(huán)。3C 抗體編碼區(qū)的順序組織 高等哺乳類動(dòng)物的免疫球蛋白（Ig）由兩條重鏈（H，35KD）和兩條輕鏈（L，17KD）通過四對(duì)二硫鍵連接而成。 a 抗體分子的基本結(jié)構(gòu) 重鏈有五種類別：m m，d d，g g，e e，a a，分別構(gòu)成：IgM、IgD、IgG IgA、IgE，它們通常具有不同的生物學(xué)功能。 輕鏈有兩種類別：k k，l l。 人類的抗體中，60%是k鏈；40%為l l鏈。 抗體的分子結(jié)構(gòu)NNCCV

12、LJCLVLJCLVHDJCH1CH2CH3CH2CH3鉸鏈區(qū)（Hinge）效應(yīng)功能區(qū)（五類抗體的功能類別決定區(qū)）抗原結(jié)合區(qū)3C 抗體編碼區(qū)的順序組織人體免疫球蛋白的編碼基因包括下列三大家族： b 抗體分子的編碼基因輕鏈 l l 家族輕鏈 k k 家族重鏈H家族300個(gè)不同的V基因和4個(gè)不同的JC基因 76個(gè)不同的V基因、5個(gè)不同的J基因、1個(gè)C基因 51個(gè)不同的V基因、30個(gè)不同的D片段、6個(gè)不同的J基因、9個(gè)不同的C基因，包括 m m、d d、g g、a a、e e 五種類型的編碼基因。3C 抗體編碼區(qū)的順序組織 在這里，基因的概念是編碼免疫球蛋白多肽鏈的一個(gè)特定區(qū)域的DNA序列。在非抗體

13、合成細(xì)胞中，V基因和C基因不在同一條染色體上。 b 抗體分子的編碼基因 三個(gè)家族的劃分是因?yàn)槊總€(gè)家族的各個(gè)基因均有自己的順序組織模式及表達(dá)模式，家族不同，基因的順序組織及表達(dá)調(diào)控模式也不同。 3C 抗體編碼區(qū)的順序組織 高等哺乳類動(dòng)物免疫球蛋白基因的排列順序在胚胎細(xì)胞和B淋巴細(xì)胞中是不同的，胚胎細(xì)胞中的相應(yīng)基因并不能表達(dá)。胚胎細(xì)胞中免疫球蛋白的基因順序組織如下： c 抗體基因家族的順序組織人類 l l 基因家族在胚胎細(xì)胞第22號(hào)染色體上的順序組織1000 kb300個(gè)Vl l基因間隔區(qū)4個(gè)Jl l Cl l基因信號(hào)肽編碼區(qū)可變區(qū)編碼區(qū)J 區(qū)編碼區(qū)不變區(qū)編碼區(qū)（-19 -4）（-3 97）（98

14、 110）（111 C）人類 k k 基因家族在胚胎細(xì)胞第2號(hào)染色體上的順序組織76個(gè)Vk基因間隔區(qū)5個(gè)Jk和1個(gè)Ck基因信號(hào)肽編碼區(qū)可變區(qū)編碼區(qū)J 區(qū)編碼區(qū)不變區(qū)編碼區(qū)5個(gè)Jk片段分布在500-700 bp的區(qū)域內(nèi)，內(nèi)含子結(jié)構(gòu)長(zhǎng)為2-3 kb增強(qiáng)子人類 H 重鏈基因家族在胚胎細(xì)胞第14號(hào)染色體上的順序組織300 kb51個(gè)VH信號(hào)肽編碼區(qū)可變區(qū)編碼區(qū) 人的免疫球蛋白H重鏈基因家族不像輕鏈家族那樣分隔成分離的兩部分，而是所有基因全部組成一個(gè)巨大的基因簇結(jié)構(gòu)。其中，D區(qū)由2-13個(gè)氨基酸組成。 30個(gè)D6個(gè)Jm d g3 g1ye a1 yg g2 g4 e a2CH1鉸鏈區(qū)CH2CH33D 抗

15、體多樣性的分子機(jī)制 人體的B淋巴細(xì)胞可同時(shí)產(chǎn)生至少數(shù)十萬億種不同的抗體，每種抗體分子的氨基酸序列均不同。根據(jù)傳統(tǒng)理論，人體至少應(yīng)有數(shù)十萬億個(gè)抗體基因?yàn)槠渚幋a，但事實(shí)上人類染色體中的基因總數(shù)只有2-3萬個(gè)，這顯然是傳統(tǒng)理論難以解釋的問題。 1965年，Dreyer和Benett提出了基因重排假說，以解釋抗體多樣性的分子機(jī)制：抗體的不變區(qū)是由單基因編碼的，而可變區(qū)則由數(shù)千個(gè)基因編碼，機(jī)體通過體內(nèi)基因重排或重組方式實(shí)現(xiàn)抗體分子的多樣性?？墒钱?dāng)時(shí)這 個(gè) 假 說 并 沒 有 為 他 人 所 接 受 ， 因 為 那 時(shí) 人 們 相 信 基 因 是 不 會(huì) 重組的，直到十年后，DNA體外重組實(shí)驗(yàn)成功后，這個(gè)

16、假說才被承認(rèn)。3D 抗體多樣性的分子機(jī)制 1976年，Susumu Tonegawa 設(shè)計(jì)了一個(gè)著名實(shí)驗(yàn)，證明抗體基因在骨髓干細(xì)胞（淋巴細(xì)胞的前身）中發(fā)生了重排。實(shí)驗(yàn)如下：從胚胎細(xì)胞和骨髓干細(xì)胞中分別制備染色體DNA，用BamHI消化后凝膠電泳分離然后用 I125 標(biāo)記的抗體mRNA（包含V和C兩部分）雜交兩種來源的DNA片段，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在胚胎細(xì)胞DNA樣品中有兩條不同大小的BamHI片段呈陽性；而在骨髓干細(xì)胞DNA樣品中只有一條帶呈雜交陽性。這表明在骨髓干細(xì)胞中的抗體基因順序組織不同于胚胎細(xì)胞，也就是說，骨髓干細(xì)胞中的抗體基因發(fā)生了改變，因?yàn)楣撬韪杉?xì)胞也是從胚胎細(xì)胞分化而來的。為此，Toneg

17、awa 獲得了1987年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。3D 抗體多樣性的分子機(jī)制 后來，當(dāng)抗體基因逐一被克隆后，DNA順序組織的分析結(jié)果證實(shí)了在胚胎細(xì)胞和其它非抗體生成體細(xì)胞中，構(gòu)成抗體的各基因（尤其是V基因和C基因）是分離的，它們不能表達(dá)任何有功能的抗體蛋白。而在B淋巴細(xì)胞中，各抗體基因元件重組在一起，輕鏈為V-JC，重鏈為V-DJ-C，它們作為一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，轉(zhuǎn)錄出mRNA前體，經(jīng)剪切后，翻譯出抗體蛋白。那么，抗體基因的重排是怎樣進(jìn)行的呢？3D 抗體多樣性的分子機(jī)制小鼠的k k輕鏈基因和重鏈基因隨機(jī)重排研究得最為詳細(xì)，以此為例：a 體細(xì)胞抗體基因重排的分子機(jī)制抗體基因的隨機(jī)組合 小鼠k k輕鏈基因

18、的重排與表達(dá)小鼠k k輕鏈基因定位于第6號(hào)染色體上。Vk基因和Jk片段的選擇是隨機(jī)的抗體基因的隨機(jī)組合 小鼠k k輕鏈基因的重排與表達(dá)基因重排后，位于Ck上游的增強(qiáng)子激活最鄰近的啟動(dòng)子，并轉(zhuǎn)錄出mRNA前體，而Vk1、Vk2的啟動(dòng)子不能被激活。增強(qiáng)子是組織特異性的，僅在B淋巴細(xì)胞中有活性抗體基因的隨機(jī)組合 小鼠H重鏈基因的重排與表達(dá)小鼠的H重鏈基因定位在第12號(hào)染色體上。H重鏈含有D片段，它直接與重鏈的多樣性（Diversity）有關(guān)。重排分兩個(gè)階段：即D與J重排，V與DJ-C重排。 抗體基因的重排規(guī)則 重排位點(diǎn)的序列特征抗體輕鏈和重鏈基因的重排機(jī)制是相同的。在胚胎細(xì)胞中，抗體基因在重排位點(diǎn)上

19、（輕鏈：VL與JCL之間；重鏈：D與JCH之間和VH與D之間）均存在特異性的重排位點(diǎn)。在此位點(diǎn)上，特異性回文結(jié)構(gòu)形成斷裂和結(jié)合的重排信號(hào)序列（RSS）。七聚體九聚體九聚體七聚體VkJCkVlJCl23 bp12 bp12 bp23 bpCACAGTGACAAAAACCCACAGTGGGTTTTTGT抗體基因的重排規(guī)則 重排位點(diǎn)的序列特征每個(gè)V編碼基因之后均有這種結(jié)構(gòu)。七聚體本身就是回文結(jié)構(gòu)；九聚體本身不是回文結(jié)構(gòu)。在k輕鏈基因中，每個(gè)J片段之前均有這種9-23-7結(jié)構(gòu)。小鼠重鏈編碼基因簇中的重排位點(diǎn)也呈現(xiàn)相似的特征序列：VHJCH23 bp12 bp12 bp23 bpD抗體基因的重排規(guī)則 抗

20、體基因分子的重排規(guī)則12/23定律一個(gè)帶有一種間隔區(qū)的保守序列只能與一個(gè)帶有另一種間隔區(qū)的保守序列結(jié)合，也就是說，含有12bp間隔區(qū)的保守列序只能與含有23bp間隔區(qū)的保守列序相結(jié)合VJC12 bp23 bp信號(hào)端信號(hào)端編碼端編碼端VJC基因或片段的斷裂位點(diǎn)及連接位點(diǎn)均發(fā)生在七聚體保守序列的兩個(gè)外側(cè)，即信號(hào)端與編碼端的交界處斷裂連接基因重排的不精確性直 接 導(dǎo) 致 在 斷 裂 連 接 位 點(diǎn) 上的堿基插入或缺失。整個(gè)基因重排過程包括斷裂和結(jié)合兩個(gè)反應(yīng)。結(jié)合反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致堿基的插入或缺失，這種變化發(fā)生在V-J結(jié)合區(qū)（輕鏈）；在重鏈中發(fā)生在V-D和D-J結(jié)合區(qū)。在插入突變中，P核苷酸來源于基因序列的補(bǔ)

21、齊過程；而N核苷 酸 則 來 源 于 隨 機(jī) 摻 入 過 程 。 基因重排的不精確性經(jīng)過重排反應(yīng)后，原來的抗體編碼序列TACCG變成了TATTGGGGCCG，增加了6對(duì)堿基，即2個(gè)密碼子。而這些位點(diǎn)恰恰位于抗體分子特異性的超變區(qū)內(nèi)，因而產(chǎn)生了抗體的多樣性。當(dāng)然，這種堿基的缺失或插入也會(huì)導(dǎo)致閱讀框架發(fā)生錯(cuò)誤，因而大約有三分之二的基因重排是無功能的。基因重排的不精確性若干種參與V（D）J重排的蛋白因子已被鑒定，它們含有典型的七聚體結(jié)合位點(diǎn)、九聚體結(jié)合位點(diǎn)、核酸內(nèi)切酶活性中心等特征結(jié)構(gòu)。其中一個(gè)重要的蛋白因子由基因Rag編碼，rag突變型的小鼠不能產(chǎn)生功能性抗體。事實(shí)上，RAG1和RAG2負(fù)責(zé)DNA

22、的斷裂和重連接，而TdT負(fù)責(zé)N核苷酸隨機(jī)摻入。Rag：重排激活基因：重排激活基因3D 抗體多樣性的分子機(jī)制在抗體分子的形成過程中至少有四個(gè)環(huán)節(jié)為其提供了序列多樣性： b 抗體分子多樣性的來源抗體基因裝配元件的多樣性對(duì)人體免疫球蛋白輕鏈的裝配元件而言： Vl = 300，JlCl = 4，裝配的（VJC）l的總數(shù)為1,200種 Vk = 76，JkCk = 5，裝配的（VJC）k的總數(shù)為380種 對(duì)人體免疫球蛋白重鏈的裝配元件而言： VH = 51，JH = 6，D = 30，CH = 9，裝配的（VDJC）H的總數(shù)為8.3104 因而，由于抗體基因元件裝配產(chǎn)生的抗體總數(shù)為： （1,200 +

23、380）x 8.3 x 104 = 1.31 x 108 抗體基因重排過程中堿基插入或缺失的多樣性 任何V-JC、V-D-JC、D-JC重排過程均可產(chǎn)生數(shù)量極為可觀的堿基序列改變，雖然這些改變中至少有三分之二是無功能的，但剩下的三分之一也是無法計(jì)算的。保守估計(jì)，每種重排至少能產(chǎn)生五種有功能的序列，因而其有效突變的總數(shù)大約為： （1,200 + 380）x 8.3 x 104 x 5 = 6.55 x 108 V基因和假基因之間同源交換的多樣性 這種多樣性首先在鳥類動(dòng)物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)。雞的免疫球蛋白l輕鏈基因只有3個(gè)：Jl、Cl、Vl。但在Vl的上游有25個(gè)yVl假基因，Vl甚至是沒有活性的，它必須與

24、yVl發(fā)生同源交換后，才能合成具有活性的l輕鏈。每個(gè)yVl基因中均有4-6個(gè)片段（10-120 bp不等）可與Vl發(fā)生同源交換，而且這種同源交換可發(fā)生一次、二次甚至六次，因而由此產(chǎn)生的l輕鏈也可達(dá)2.5108之多！ 25 yVlVlJlClV基因片段之間的同源交換體細(xì)胞超突變產(chǎn)生多樣性體細(xì)胞超突變（SHM）發(fā)生在成熟的B淋巴細(xì)胞內(nèi)，具體部位在輕重鏈可變區(qū)基因的上游區(qū)域，由抗原刺激誘導(dǎo)產(chǎn)生，突變頻率為10-3/堿基對(duì)/細(xì)胞代數(shù)，比自發(fā)突變頻率高106倍，而且這種細(xì)胞超突變發(fā)生于初級(jí)免疫應(yīng)答、B細(xì)胞記憶、以及次級(jí)免疫應(yīng)答的所有過程中，其結(jié)果是不斷地創(chuàng)造出對(duì)抗原具有更強(qiáng)親和力的漿細(xì)胞及其抗體CCPC

25、SRSHM漿細(xì)胞SHM漿細(xì)胞記憶型細(xì)胞CSRCCP/CSR/SHMCCP：細(xì)胞克隆擴(kuò)增細(xì)胞克隆擴(kuò)增CSR：類型開關(guān)重組類型開關(guān)重組SHM：體細(xì)胞超突變體細(xì)胞超突變體細(xì)胞超突變產(chǎn)生多樣性 研究結(jié)果表明，大多數(shù)表達(dá)的V-J和V-D-J序列中含有大約3-15個(gè)不等的堿基取代，而且這些突變往往傾向于低甲基化的熱點(diǎn)序列，如5-RGYW-3（R=A/G，Y=C/T，W=A/T），主要堿基取代類型為CN 上述體細(xì)胞超級(jí)突變?cè)诳贵w基因重排完成之后仍可創(chuàng)造出105 數(shù)量級(jí)的抗體種類（以平均每條V-J和V-D-J序列中含有9個(gè)取代堿基計(jì)算，共有49 = 2.6 x 105 種突變可能，有義突變率為20 / 64，

26、則 8.19 x 104） 綜合抗體基因重排、重排過程中發(fā)生的堿基插入或缺失、以及重排結(jié)束后的體細(xì)胞超級(jí)突變，人類成熟的B細(xì)胞（漿細(xì)胞）庫(kù)中理論上可產(chǎn)生高達(dá)1013 種不同的抗體（6.55 x 108 x 8.19 x 104 = 5 x 1013 ）。3D 抗體多樣性的分子機(jī)制 生產(chǎn)性免疫球蛋白基因的重排是指能產(chǎn)生出活性抗體的基因重排事件。同源染色體兩條單體的抗體等位基因理論上可同時(shí)發(fā)生基因重排，但一旦一條同源染色體上的基因重排是生產(chǎn)性的，或者是成功的，那么它便會(huì)抑制另一條同源染色體上等位基因的重排過程，這就是所謂的等位排斥現(xiàn)象。 c 生產(chǎn)性基因重排觸發(fā)等位基因的排斥 因此，每個(gè)B淋巴細(xì)胞只

27、表達(dá)一種類型的輕鏈和一種類型的重鏈，產(chǎn)生一種免疫球蛋白分子。 3D 抗體多樣性的分子機(jī)制 縱觀抗體基因的重排事件存在下列特征： d 抗體基因重排的表觀調(diào)控直接與獨(dú)立的D基因發(fā)生重排；而且遠(yuǎn)端VH與近端VH具有同等機(jī)會(huì)重排。重 排 次 序 精 確 性 ： D - JH重 排 在 前 ， VH- D JH重 排 在 后 ， VH不 能 直重 排 世 系 特 異 性 ： 雖 然 在 B 細(xì) 胞 和 T 細(xì) 胞 中 均 存 在 R A G 重 排 機(jī)但抗體基因只在B細(xì)胞中發(fā)生重排；同樣，TCR受體基因只在T細(xì)胞重排等 位 基 因 排 斥 性 ： 抗 體 生 產(chǎn) 性 的 基 因 重 排 只 發(fā) 生 在

28、同 源 染 色 體上 兩 個(gè) 等 位 位 點(diǎn) 中 的 一 個(gè) 位 點(diǎn) 上 ， 另 一 個(gè) 位 點(diǎn) 的 重 排 受 到 抑 制 ， 除 非 第一個(gè)位點(diǎn)上的重排是非生產(chǎn)性的。3D 抗體多樣性的分子機(jī)制d 抗體基因重排的表觀調(diào)控 早在上世紀(jì)八十年代中期，Alt 等人就提出了用來解釋抗體基因重排特異性的“易感性假說”，即在淋巴細(xì)胞及其祖先每一特定的分化階段中，只有某些基因位點(diǎn)的某些部分對(duì)RAG重組機(jī)器是“易感”的，因而抗體基因重排的特異性實(shí)際上可歸結(jié)為對(duì)DNA區(qū)域?qū)AG重組機(jī)器的“易感性”。這在當(dāng)時(shí)顯然只是個(gè)概念，但近年來表觀遺傳學(xué)的研究進(jìn)展正在不斷賦予其分子層面上的內(nèi)涵，包括復(fù)制定時(shí)、核定位改變、

29、染色質(zhì)鼓泡、組蛋白修飾、核小體定位、DNA甲基化等表觀調(diào)控機(jī)制。染色質(zhì)在核組織中的重定位提升重排的易感性（a）兩個(gè)Igh位點(diǎn)起初定位在核的周邊；（b）它們借助于DJC末端向核的真染色質(zhì)中心移動(dòng)，雙雙與Rag復(fù)合物相連，并經(jīng)歷D與J重排以及鄰近于重排型DJ基因片段的V區(qū)鼓泡，以便進(jìn)行V與DJ的重排；（c）生產(chǎn)性VDJ重排了的等位基因解構(gòu)與表達(dá)；（d）第二個(gè)等位基因解構(gòu)并被招募至近著絲粒區(qū)的異染色質(zhì)上（深灰色不規(guī)則形狀）。CTCFCTCF結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合位點(diǎn)Pax5Pax5YY1YY1E Ezh2zh2ikarosikaros染色質(zhì)組蛋白的表觀修飾提升重排的易感性組蛋白脫乙?；?核小體核小體組蛋白乙

30、?；窻AG1/2重排機(jī)器 Ac Ac Ac Ac 最新的研究證實(shí)，染色質(zhì)組蛋白上臨時(shí)的有限度的表觀標(biāo)記也與抗體基因位點(diǎn)的次序性重排密切關(guān)。在DJH重排之前，整個(gè)D-CH區(qū)域的組蛋白被乙?；辉谏形唇?jīng)歷DJH重排的祖先B細(xì)胞中，VH基因位點(diǎn)結(jié)合的是非乙?；慕M蛋白；而準(zhǔn)備進(jìn)行VH-DJH重排 的 區(qū) 域 內(nèi) ， 顯 示 出 VH位 點(diǎn) 組 蛋 白 乙?；降奶嵘?。DNA的甲基化指導(dǎo)等位排斥與體細(xì)胞超突變同源染色單體 A同源染色單體 a 在抗體基因位點(diǎn)所在的兩條同源染色體DNA上，甲基化修飾的密度顯著不同。其中，甲基化程度較低的等位位點(diǎn)更傾向于發(fā)生重排和體細(xì)胞超突變。這為抗體基因重排的等位排斥

31、以及體細(xì)胞超突變?cè)谏a(chǎn)性重排的染色體DNA上特異性發(fā)生提供了一種控制機(jī)制。3E 抗體類型開關(guān)的切換 人體免疫系統(tǒng)能產(chǎn)生五種不同類型的抗體(免疫球蛋白)，每一類抗體具有不同的重鏈類型，由CH區(qū)域的氨基酸排列順序決定。一個(gè)B淋巴細(xì)胞在任何一個(gè)時(shí)刻一般只能產(chǎn)生一種類型的抗體，但在整個(gè)細(xì)胞周期中，免疫球蛋白的類型可能會(huì)發(fā)生改變。這種控制抗體類型轉(zhuǎn)換的因素稱為“類型開關(guān)”，而抗體的輕鏈在整個(gè)細(xì)胞周期中卻是恒定不變的。3E 抗體類型開關(guān)的切換a 各類型免疫球蛋白的組成與功能抗體類型IgMIgDIgGIgAIgECH 鏈性質(zhì)分子結(jié)構(gòu)血液中比例生理功能m md dg ga ae e(m2L2)5Jd2L2g2

32、L2e2L2(a2L2)2J5%1%80%14% 19 genesMHC基因結(jié)構(gòu)的相似性除了III型MHC外，所有的MHC基因結(jié)構(gòu)都具有很大的相似性。蛋白分子上的各功能區(qū)域往往是由基因上的一個(gè)外顯子編碼，也就是說，一個(gè)外顯子編碼蛋白分子上的一個(gè)功能域，包括：信號(hào)肽區(qū)膜外區(qū) 轉(zhuǎn)膜區(qū) 胞質(zhì)區(qū) 非翻譯區(qū) Class IClass II aClass II bb 微球蛋白外顯子3G 大型組織相容性復(fù)合物的結(jié)構(gòu)與功能B淋巴細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的作用就象偵察兵，獵取入侵者。當(dāng)靶細(xì)胞與外來抗原遭遇后，便將抗原片段通過其 I 型MHC展示給毒素T淋巴細(xì)胞，后者再通過信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，激活能在受感染的靶細(xì)胞膜上鉆孔并進(jìn)入

33、靶細(xì)胞的酶系編碼基因，進(jìn)而降解入侵抗原d MHC介導(dǎo)的免疫細(xì)胞間的通訊網(wǎng)絡(luò)受感染的細(xì)胞毒素T細(xì)胞3G 大型組織相容性復(fù)合物的結(jié)構(gòu)與功能當(dāng)巨噬細(xì)胞與外來抗原遭遇后，便通過其II型MHC將抗原暴露給輔助T淋巴細(xì)胞，后者識(shí)別MHC-抗原復(fù)合物。輔助T淋巴細(xì)胞就象指揮者，通過分泌淋巴細(xì)胞因子d MHC介導(dǎo)的免疫細(xì)胞間的通訊網(wǎng)絡(luò)而發(fā)布命令。巨噬細(xì)胞輔助T細(xì)胞抗原展示細(xì)胞TCR介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)T-細(xì)胞淋巴細(xì)胞因子3G 大型組織相容性復(fù)合物的結(jié)構(gòu)與功能淋巴細(xì)胞因子的功能有三：d MHC介導(dǎo)的免疫細(xì)胞間的通訊網(wǎng)絡(luò)命令B淋巴細(xì)胞分化成漿細(xì)胞，合成和分泌抗體，消滅入侵者；進(jìn)攻巨噬細(xì)胞、血小板及其它細(xì)胞，參與整理

34、戰(zhàn)場(chǎng)和醫(yī)治創(chuàng)傷； 作用于輔助T淋巴細(xì)胞本身，使其發(fā)出更多的指令，放大信號(hào)，擴(kuò)增免疫細(xì)胞的數(shù)目。 另外，B淋巴細(xì)胞也擁有自己的信號(hào)傳遞途徑。 3H 先天性免疫系統(tǒng)的功能與機(jī)制a 先天性免疫系統(tǒng)的基本組成與特征 先天性免疫系統(tǒng)為機(jī)體提供了抵御微生物病原體侵襲的第一道防線，存在于幾乎所有的多細(xì)胞生物中，但表現(xiàn)形式和效應(yīng)機(jī)制不同。先天性免疫具有針對(duì)微生物病原體中某些固有的分子譜（MAMPs）的識(shí)別作用，這些分子譜是微生物病原體上相對(duì)保守的模件，但不存在于多細(xì)胞的真核生物中，因此先天性免疫系統(tǒng)能迅速高效地辨認(rèn)自我與非自我。脊椎動(dòng)物的先天性免疫系統(tǒng)主要由巨噬細(xì)胞（Mf）、樹突細(xì)胞（DCs）、嗜中性粒細(xì)胞構(gòu)

35、成，負(fù)責(zé)識(shí)別MAMPs不同成員的正是這些細(xì)胞表面上和細(xì)胞內(nèi)的特異性的譜識(shí)別受體（PRRs）。微生物病原體中相對(duì)保守的分子譜（MAMPs） GENES X 2010微生物病原體細(xì)胞表面和細(xì)胞內(nèi)的某些分子具有種屬保守性，能為宿主生物的先天性免疫系統(tǒng)特異性識(shí)別，這些分子的集合稱為微生物病原體相關(guān)性分子譜（MAMPs）。微生物種屬分子譜物質(zhì)細(xì)胞學(xué)定位譜識(shí)別受體細(xì)菌三酰基脂肽細(xì)胞壁TLR1/TLR2生鞭毛細(xì)菌鞭毛蛋白鞭毛TLR5革蘭氏陽性菌肽聚糖細(xì)胞壁TLR2/TLR6革蘭氏陰性菌脂多糖細(xì)胞壁TLR4細(xì)菌/病毒單鏈RNA細(xì)胞質(zhì)TLR7/TLR8病毒雙鏈RNATLR3/RIG1真菌b-多聚糖細(xì)胞壁Dect

36、in1含DNA微生物非甲基化CpG DNA細(xì)胞質(zhì)TLR9先天性免疫細(xì)胞上或細(xì)胞內(nèi)的譜識(shí)別受體（PRRs）微生物病原體被多重不同的PRRs所識(shí)別，定位于巨噬細(xì)胞和樹突細(xì)胞表面或內(nèi)部的PRRs分為三大類： Akiko Iwasaki，et al. Science，327，2010受體類型譜識(shí)別受體分泌型受體效應(yīng)功能膠原凝集素纖維膠凝蛋白穿透素轉(zhuǎn)膜型受體Toll 樣受體家族 TLRC型凝集素家族成員胞質(zhì)型受體RIG1樣受體 RLRNOD 樣受體 NLR與微生物細(xì)胞表面結(jié)合，激活補(bǔ)體系統(tǒng)的凝集素途徑，并調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞和嗜中性粒細(xì)胞吞噬病原微生物。識(shí)別微生物病原體的MAMPs，并通過信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑激活獲得性

37、免疫系統(tǒng)。RLR識(shí)別病毒RNA，NLR識(shí)別細(xì)菌肽聚糖降解產(chǎn)物，并誘導(dǎo)其進(jìn)一步降解。先天性免疫的基本特征 先天性免疫細(xì)胞的譜識(shí)別受體無需基因重排而直接表達(dá)；為譜識(shí)別受體所識(shí)別的微生物病原體分子譜呈現(xiàn)種屬內(nèi)的統(tǒng)一性和進(jìn)化學(xué)的保守性；先天性免疫系統(tǒng)只是抵御病原體第一波的侵襲，但不能應(yīng)付感染的后續(xù)階段，也沒有記憶功能；先天性免疫應(yīng)答能在一定程度和范圍內(nèi)激活獲得性免疫系統(tǒng) 3H 先天性免疫系統(tǒng)的功能與機(jī)制b 先天性免疫識(shí)別的主流機(jī)制 先天性免疫對(duì)微生物病原體的識(shí)別作用既可發(fā)生在細(xì)胞外也可發(fā)生于細(xì)胞內(nèi)，完全取決于免疫識(shí)別發(fā)生的場(chǎng)所是感染細(xì)胞還是非感染細(xì)胞。細(xì)胞外的先天性免疫識(shí)別主要由巨噬細(xì)胞和樹突細(xì)胞的T

38、LR等轉(zhuǎn)膜受體介導(dǎo)，一般為非感染細(xì)胞；相反，細(xì)胞內(nèi)的先天性免疫識(shí)別由細(xì)胞內(nèi)的受體介導(dǎo)，如NLR和RLR，這些受體的激活一般需要細(xì)胞被感染，因此這些PRRs被廣泛表達(dá)。雖然上述兩種類型的識(shí)別均能在激活后誘導(dǎo)抗微生物效應(yīng)，但它們采取不同的機(jī)制觸發(fā)先天性免疫。微生物病原體的細(xì)胞外識(shí)別機(jī)制 Akiko Iwasaki，Science，327，2010先天性免疫系統(tǒng)的樹突細(xì)胞表面受體TLR特異性識(shí)別病原體上的分子譜PAMP或MAMP，由此激活TLR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，這一途徑最終作用于相關(guān)基因，表達(dá)出激活T淋巴細(xì)胞的細(xì)胞因子和共刺激分子。吞噬小體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)協(xié)同指導(dǎo)微生物病原體的細(xì)胞內(nèi)識(shí)別機(jī)制 Akiko Iwa

39、saki，Science，327，2010如果樹突細(xì)胞被病毒感染，則依靠RIG1樣受體實(shí)施細(xì)胞內(nèi)識(shí)別病毒核酸分子，激活RIG1信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，這一途徑最終作用于相關(guān)基因，表達(dá)出激活T淋巴細(xì)胞的細(xì)胞因子和共刺激分子；同時(shí)病毒蛋白經(jīng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或自吞噬小體加工后交MHC展示微生物病原體的細(xì)胞外與細(xì)胞內(nèi)復(fù)合識(shí)別機(jī)制機(jī)體內(nèi)大多數(shù)細(xì)胞具有MHC依賴的抗原分子展示功能，但有些無展示活性的細(xì)胞 non APC 可通過細(xì)胞外與細(xì)胞內(nèi)復(fù)合識(shí)別機(jī)制識(shí)別病原體，并產(chǎn)生相應(yīng)的先天性免疫應(yīng)答non-APC3H 先天性免疫系統(tǒng)的功能與機(jī)制c Toll 樣受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的普遍意義在脊椎動(dòng)物先天性免疫中扮演重要角色的Toll樣受體

40、TLR與規(guī)定果蠅腹部發(fā)育途徑的Toll受體高度同源，而且也與果蠅響應(yīng)真菌和革蘭氏陽性菌感染并誘導(dǎo)產(chǎn)生抗菌肽的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑高度相似，這表明Toll的普遍意義。SpaTollTubPelCac/DorDorMAMPTLRMyD88TRIFNFkBNFkBIkB果蠅腹部發(fā)育途徑人類免疫識(shí)別途徑3H 先天性免疫系統(tǒng)的功能與機(jī)制d 動(dòng)植物識(shí)別微生物分子譜的進(jìn)化學(xué)保守性進(jìn)化歷程（億年前）1086420動(dòng)物植物哺乳動(dòng)物昆蟲單子葉雙子葉人鼠Pamela C.RonaldBruce BeutlerScience，330，6007，2010。哺乳動(dòng)物：小鼠昆蟲：果蠅單子葉：水稻雙子葉：擬南芥受體腳手架蛋白轉(zhuǎn)錄因子3 I 微生物識(shí)別自我與非自我的分子機(jī)制 所有的免疫系統(tǒng)都必須在能區(qū)分自我與非自我的前提下抵御外來入侵者。微生物也能采取多種不同的機(jī)制（如限制-修飾機(jī)制）抵御噬菌體和質(zhì)粒的侵襲。近年來的研究顯示，大約40%的細(xì)菌和90%的古細(xì)菌還能借助于其基因組上成簇排列、規(guī)則間隔的短小回文重復(fù)序列（Clustered，Regularly Interspaced，Short Palindromic Repeat，CRISPR）位點(diǎn)抵御噬菌體和質(zhì)粒核酸分子的入侵，而且自身的基因組DNA可有效地躲避這一免疫作用。3 I 微生物識(shí)別自我與非自我的分子機(jī)制a 細(xì)菌和古細(xì)菌CRISPR/Cas基因位點(diǎn)