Molecular Genetics of Immunoglobulins Molecular structure of IgG Biosynthesis of IgG in B cell Light chain domains Hypervariable regions Theories for Ig diversity Expression of Ig gene Ig diversity Inaccuracy of V-J joining Affinity maturation Class switch Phage display 本節 從抗體的分子構造開始，焦集在負責專一性辨認的抗原結合區 Fab；Fab 上有數個超變異區，其胺基酸序列的變異性很大，因此能夠組合成各種不同的專一性結合區，以辨識抗原分子。這種超變異區的多樣性，是根基於幾種分子機制，以造成基因的細微表現差異所達致的。抗體與抗原間的結合力，會跟著抗原的不斷刺激而增強，稱謂親和力成熟。另外，抗體上的另一個 Fc 部份，與結合區的專一性無關，但會隨著免疫過程而改變，以便形成各種不同種類的抗體分子。

Fab Fc 抗體分子構造 輕鏈 抗原 結合區 V-C V-C-C-C 重鏈 重鏈 V-C V-C-C-C 抗原 結合區 輕鏈 說明文字 Roitt et al (2001) Immunology. p.67

V J C 抗體輕鏈 V-J-C 抗體分子由數個 domains 所組成 超變異區 (HV) 有兩個 domains 3 1 2 說明文字 Alberts et al (1994) Molecular Biology of the Cell. p.1219

抗體的超變異區 重鏈與輕鏈各有 三處 超變異區 (HV) 輕 鏈 重 鏈 說明文字 Roitt et al (1985) Immunology. 9.3

抗體多樣性的形成理論 後 先 如何生成 這麼多種抗體? (1) 印模說 (2) 選擇說 (3) 混合說 說明文字 Roitt et al (1985) Immunology. 9.1

抗體分子的合成路徑 說明文字 Ballanti (1985) Immunology III. p.156

抗體基因的表現 (輕鏈基因及表現) DNA RNA Protein 40 個 V 基因 選一 5 個 J 基因 選一 V-J 基因連結 抗體基因的表現 (輕鏈基因及表現) DNA V gene J gene C gene 40 個 V 基因 選一 V2 - - - V3 V1 V40 V28 J2 J3 J4 J5 J1 C 基因 重組 5 個 J 基因 選一 V-J 基因連結 V1 V2 V28 - - - - V3 C J2 J3 J4 RNA 轉錄成 mRNA C J2 J3 J4 V28 J-C 基因連結 Hinge 成熟 mRNA CH1 J1 V8 CH2 CH3 C J2 V28 Protein 蛋白質轉譯 重鏈與輕鏈分別合成 說明文字 輕重鏈組合 多糖類修飾 Adapted from Mathews et al (1999) Biochemistry. P.955

1 3 2 4 How? 抗體多樣性的形成原因 變異區基因片段的不同組合 - - - - 基因接合點的不精確 免疫體細胞超突變 超變異區 Hypervariable region (HV) - - - - C J2 J3 J4 V1 V2 V28 V28 3 基因接合點的不精確 免疫體細胞超突變 2 How? 說明文字 4 各種輕重鏈的不同組合

= 2,600,000 x k 40 5 = 200 l 116 51 27 6 = 8262 抗體超變異區基因的可能組合 (L+H) V2 - - - V3 V1 V40 J2 J3 J4 J5 J1 C k 40 5 = 200 l 116 重鏈 H m d g e a V2 - - - V3 V1 V51 - - - D27 D1 - - - J6 J1 C 51 27 6 = 8262 說明文字 = 2,600,000 x Adapted from Stryer (1995) Biochemistry. p374

V-J 基因的不精確重組連結 V V J J V V V J V V V J Arg Pro Pro Trp J J J J 超變異區 Hypervariable region 3 (HV3) V V C V C J G 2 V 3 V 4 V 1 同質區 1 2 3 4 C T C C T G J Arg Pro Pro Trp C G J G 重組 C G G J 說明文字 J J 造成更複雜的多樣性 Adapted from Mathews et al (1999) Biochemistry. P. 956

Affinity Maturation 低抗原濃度可以在刺激增強 IgG 的親和力 Ag Ag 10-11 10 -9 10 -7 Primary response Secondary response 10-11 10 -9 10 -7 10 -5 10 -4 IgG 抗 體 親 和 力 (M/L) IgG Low dose Ag High dose Ag IgM 說明文字 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Days 低抗原濃度可以在刺激增強 IgG 的親和力 Adapted from Roitt et al (2001) Immunology. p.141

Antigen-presenting cell TH 巨噬細胞 Macrophage 抗原呈現細胞 Antigen-presenting cell 入侵 B 親和力 成熟 体細胞突變 Somatic mutation 抗原 Antigen Affinity maturation 再度入侵 細胞分裂 抗原突變 B B B B B B 經体細胞突變 B 細胞衍生出 一系列細胞株 產生各種抗体 可增強親和力 Y 抗原偽裝 說明文字 Best fitting

Affinity Maturation 低濃度的抗原只能挑出親和力最強的 IgG 10-11 10 -10 10 -9 10 -8 10 -7 高親和力 Low dose Ag High dose Ag B B B B Adapted from Roitt et al (1985) Immunology. 8.5 說明文字 低濃度的抗原只能挑出親和力最強的 IgG

Affinity Maturation (Somatic Mutation) VH 超變異區 Hypervariable region (HV) HV1 HV2 HV3 T15 germ line 1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 HPCM1 HPCM2 HPCM3 HPCM4 HPCM6 IgM HPCG 8 HPCG11 HPCG12 HPCG13 HPCG14 IgG 突變點 說明文字 IgG 親和力的增強是因為超變化區基因的突變 Adapted from Roitt et al (1985) Immunology. 9.7

Class Switch B 細胞先表現 IgM 再轉換成 IgG Ag Ag B B 100,000 10,000 1,000 100 Primary response Secondary response 抗 體 效 價 IgG IgM 說明文字 0 7 14 21 28 35 42 Days B 細胞先表現 IgM 再轉換成 IgG Adapted from Roitt et al (2001) Immunology. p.141

Class Switch - 抗體基因 (C) 由 Cm 轉換成 Cg DNA Cm V Cd Cg Ce Ca Cm Cd Recombination V Cg Ce Ca RNA Cm V V Cg Cm V V Cg Matured VH + CH mRNA 說明文字 Protein Heavy chain IgM IgG

不連續基因的發現 Cm V Cd Cg Ce Ca V Cg DNA mRNA DNA mRNA 說明文字 Roitt et al (1985) Immunology. 9.4

Phage display 噬菌體表現 B VH VL E. Coli VL Ck Cm VH VL VH VL VH mRNA cDNA 以點突變方式 擴大 cDNA 庫 VL Fv VH M13 phagemid E. Coli 說明文字 Chain shuffling 重新組合輕重鏈 增加抗體多樣性