Antibody Molecules, Their Genes and B Cell Development Chapter 7 Antibody Molecules, Their Genes and B Cell Development 抗体分子、基因和 B 细胞发育

获得性免疫系统的 “五项基本原则” 1 Lymphocytes and lymphoid organs 2 One clone，one receptor 3 Clonal selection and expansion 4 Clonal deletion and self-tolerance 5 Antigen processing and presentation（MHC）

Three Representatives Adaptive Immunity Three Representatives MHC Antibodies TCRs Three Topics Diversity Specificity Memory

7-1 Immunoglobulin and Antibody (抗体分子与免疫球蛋白）

Diversity of Ab (抗体分子的多样性) g 白蛋白 球蛋白 （c） （a） （b） 对健康人用疫苗进行主动免疫，免疫前（a）和免疫后10天 （b）分别采血并对血清蛋白进行凝胶电泳分析。免疫前血清中的g 球蛋白条带较宽，免疫之后则相对集中。Bruton 氏病患者血清蛋白中的 g 球蛋白条带缺失（c）。

Diversity - Different Classes and Subclasses IgM Igm IgG Igg IgA Iga IgE Ige IgD Igd Diversity - Different Sequences and Specificity

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 50 40 30 20 10 CDR1 CDR2 CDR3 抗 体 分 子 的 多 样 性 Igl 链 的 氨 基 酸 序 列 酸残基的变异率 相应位置上氨基 对来自不同B细胞克隆的Ig轻链氨基酸序列进行比较，发现V区的变化主要集中在3个分别由6－10个氨基酸残基组成的狭小区域内。这3个区又被称作高可变区或互补决定区（CDR），参与抗原结合部位的组成。

7-2 Basic Structure of Ab Molecules 抗体分子的基本结构

IgG分子由两条H链和两条L链共价结合而成。轻链包括VL和CL两个结构域，重链含有1个VH和3个CH 结构域。VH和VL共同组成抗原结合部位。Ig分子中线对称，具有两个相同的抗原结合部位。

胃蛋白酶 木瓜蛋白酶 Fc pFc F(ab´)2 Fab 抗 体 分 子 的 酶 切 片 段 木瓜蛋白酶作用于IgG分子重链间二硫键的N端侧，将其裂解为Fab段和Fc段。胃蛋白酶则切在该二硫键之C端侧，产生F(ab’)2和pFc段。

Diversity and Specificity 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 50 40 30 20 10 CDR1 CDR2 CDR3 抗 体 分 子 的 多 样 性 酸残基的变异率 相应位置上氨基

抗体分子的抗原结合部位 CDR1 CDR2 NH2 HV4 CDR3 COOH

抗原 B 细 胞 表 位 抗体 CDR 表位 Ab Ag

“Ig-like Domain (Ig样结构域)”

Ig Superfamily Ig分子超家族的成员多数为细胞膜表面分子。图中显示的是Ig分子超家族的一些主要成员及其分子结构。 -S-S- CL --S-S-- V -S--S- 免 疫 球 蛋 白 超 家 族 C2 CD2 LAF-3 CD3 CD4 CD8 VCAM-1 ICAM-1 ICAM-2 Ig 受体 g d e MHC-I MHC-II b2m 免疫球蛋白 （IgM） TCR Iga/b Ig Superfamily Ig分子超家族的成员多数为细胞膜表面分子。图中显示的是Ig分子超家族的一些主要成员及其分子结构。

7-3 五类抗体分子的主要特点 IgM Igm IgG Igg IgA Iga IgE Ige IgD Igd

IgG 分 子 的 四 种 亚 型 IgG1 IgG4 IgG3 IgG2 g1，g2，g3 和 g4 等Igg 链分别参与组成IgG1、IgG2、IgG3和IgG4等分子。IgG3的铰链区最长，IgG2铰链区较短。四种亚类的IgG分子在血清中的浓度不同，所发挥的生物学特性亦不相同。

IgM J 链 IgM 抗 体 结 构 分 泌 型 IgM 膜 型 IgM sIgM Iga Igb Iga Igb

IgE 分 子 的 结 构

IgD 分 子 的 结 构

IgA dimer 分泌链 J 链

Generation of Diversity 7-4 GOD Generation of Diversity Ig and TCR Gene Rearrangement

基 因 的 结 构、 转 录 与 翻 译 外显子1 内含子 RNA转录本 mRNA 蛋白质多肽链 基因1 基因2 基因3 基因4 外显子2 外显子4 外显子3 染色体DNA 完整基因 基 因 的 结 构、 转 录 与 翻 译

基因重排 前 B 细胞 DNA 成熟 B 细胞 DNA 初级转录本 RNA 剪切 mRNA V3 Vn J1 J2 J3 J4 V1 V2 C J5 前 B 细胞 DNA V1 V2 V3 Vn J3 J1 J2 J4 C J5 基因重排 V1 V2 J4 C J5 成熟 B 细胞 DNA 初级转录本 V1 V2 J4 C J5 J5 C RNA 剪切 V2 J4 J4 V2 C mRNA VL CL

1.胚系基因 2.基因重排 3.重排基因 4.RNA转录本 5.mRNA剪切 6.成熟mRNA 7.Igm前体多肽 L VH Cm V1 V2 V3 Vn D1 D2 D3 Dn J1 J2 J3 J4 Cm Cd Cg Ce Ca V1 V2 D2 J3 J4 Cm Cd Cg Ce Ca V1 V2 D2 J3 J4 Cm Cd Cg Ce Ca V2D2J3 J4 Cm Cd V2D2J3 Cm Cd V2D2J3 Cd Cm J4 V2 D2 J3 Cm V2 D2 J3 Cd L VH Cd Ig 重 链 基 因 重 排

Susumu Tonegama Nobel Prize 1987

7-4 Ig基因及其重排 免 疫 球 蛋 白 基 因 结 构 IGH （位于染色体 14q32） IGK （位于染色体 2p12-p11） V V V V V V V V J J J J J K 着丝粒 V V V V V V VPREB1 V V J1 L1 J2 L2 J3 L3 J4 L4 J5 L5 J6 L6 J7 L7 IGLL1 IGLL2 IGLL3 V V D D D D V V D D D D J J J J M D G3 G1 EP1 A1 GP G2 G4 E1 A2 95个 IGHV 23个 IGHD 9个 IGHD 9个 IGHJ 11个 IGHC 900 kb 240Kb 22Kb 35Kb 300Kb 免 疫 球 蛋 白 基 因 结 构 IGH （位于染色体 14q32） IGK （位于染色体 2p12-p11） >1.85M b 0.85M b 多于90个 IGKV 5个 IGKJ IGKC 11个 IGKV orphons IGL （位于染色体 22q11） 60个 IGLV  800K b 14K b 60K b 670Kb 30Kb 150Kb 7个 IGLJ 与 7个 IGLC 交替排列 3个 IGLL 基因座

V、D和J基因片段两端的重组信号序列按图中所示方式组成，以保证V、（D）、J之间的正确重排。 7 核苷酸 CACAGTG ACAAAAACC 12 V 23 GGTTTTTGT J D Ig 基 因 的 重 信 号 序 列 IGK IGL IGH 9 核苷酸 V、D和J基因片段两端的重组信号序列按图中所示方式组成，以保证V、（D）、J之间的正确重排。

Ig 基 因 重 排 序 列 CCAAAAACA GGTTTTTGT D4 D3 D23 J1 C ACTGTG CTGACAC D1 D2 J2 J3 C 5' 3' 剪切 12bp 23bp 一个IGHD（如IGHD2）和一个IGHJ （如IGHJ2）基因片段通过其两侧的23bp-RSS和12bp-RSS被拉拢在一起。它们之间的DNA片段形成环状并被剪除，IGHD2和IGHJ2之间被修复酶连接在一起。

Heavy chain diversity created by variable recombination VH D JH S107 M603 M167 A G A G A T T A C T A C G G T A G T A G C T A C T G G T A C A G A G A T T A C T A C G G T A G T A C C T G G T A C A G A G A T G C G G A C T A C G G T A G T A G C T A C T T T G G G T A C S107 M603 M167 Arg Asp Try Gly Ser Ser Tyr Trp Tyr Arg Asn Tyr Try Gly Ser Thr Trp Tyr Arg Asp Asp Asp Try Gly Asn Ser Tyr Phe Gly Tyr

Light chain diversity created by variable recombination Pro Trp Protein Recombined DNA Germ line DNA Arg

Generation of antibody diversity 1 multiple genes D N A V-region proteins 4 mutation 2 variable recombination 3 nucleotide addition V1 V3 V4 V2 V5 V6 Vn V mutation J1 J2 Jn nucleotides Ig 基因的体细胞高频突变与抗体分子的亲和力成熟

7-5 Class switching 5’ 3’ L VH1 L VHn DH1 DH7 DH13 JH L VH1 L VH201 L VHn DH1 DH DH JH Cµ Cd Cg 3 Cg 1 Cg2b Cg2a Ce Ca Cµ Cd Cg3 Cg 1 Cg 2b Cg2a Ce Ca L VH1 L VH200 L V D J JH Cµ Cd Cg 3 Cg 1 Cg2b Cg 2a Ce Ca L V D J JH Cµ Cd

Maturation of the immune response and class-switching IgM maturation IgG Cm Cd Lost genes Primary transcript V D J cm cd cg3 V D J Cg3 Primary transcript V-D-J cm V-D-J Cg3 mRNA mRNA

1.重排基因 2.DNA再次重排 3.RNA转录本 4.mRNA剪切 5.成熟mRNA 6.Igg 前体多肽 L VH Cg V2 D2J3 J4 Cg V2D2 J3 Cg V2 D2 J3 Cg V1 V2 D2J3 J4 Cg Ce Ca V2 D2J3 J4 Cm Cd Cg V2D2J3 Cg 1.重排基因 2.DNA再次重排 3.RNA转录本 4.mRNA剪切 5.成熟mRNA 6.Igg 前体多肽 V1 V2 D2J3 J4 Cm Cd Cg Ce Ca Ig 分 子 类 别 转 换 的 机 理 A B

抗体分子的类别转换 --- DNA 再次重排 VDJ Sm IGHM Sg IGHG Se IGHE VDJ Sm Se IGHE 再次重排副产物 再次重排 IGH 基因 + IL-4 + CD40 L 重排 IGH 基因 Sg IGHG Sm Se IGHM 类 别 转 换 机 制 VDJ下游的IGHM、IGHD、IGHG等基因片段被剪除后，VDJ基因片段直接与IGHE相连，所产生的基因编码IgE分子重链。

抗体分子的类别转换 --- RNA 替代剪切 IgD mRNA V-D-J d Primary RNA transcript V-D-J m Ploy A Primary RNA transcript V-D-J m d Ploy A IgM mRNA V-D-J m

L VDJ Cm2 Cm3 Cm4 S M1 M2 DNA Poly A Igms mRNA Igmm mRNA 分 泌 型 与 膜 型 IgM 的 产 生 膜 型 分泌型 Ig重链C区基因的3端含有编码疏水性跨膜区的两个外显子（M1、M2）及多腺苷酸化位点（PA）。mRNA转录本的替代剪切产生两种不同的mRNA，带有M1和M2外显子序列者指导膜型Igm的合成，M1和M2序列被剪除者指导分泌型Igm链的合成。

Membrane and secreted IgM secreted (ms) membrane (mm) Membrane and secreted IgM

骨髓基质细胞和IL-7在B细胞发育过程中的作用 B祖细胞在骨髓中经历前B细胞、未成熟B细胞和成熟B细胞等几个阶段。在此过程中膜表面 BCR分子发生一系列的变化，成为不同细胞发育阶段的标志。 表达Pre-BCR的B细胞 表达sIgM的未成熟B细胞 B细胞的中枢免疫耐受 表达sIgD和sIgM的成熟B细胞 Iga/Igb与信号转导 骨髓基质细胞和IL-7在B细胞发育过程中的作用

B 细 胞 发 育 过 程 替代轻链 IgM DHJH IgM IgD VHDHJH VLJL B220 B祖细胞 前B细胞 不成熟B细胞 重链基因 DHJH VHDHJH VHDHJH VHDHJH 轻链基因 Vpre-B + l5 胚系k + l Vpre-B + l5 胚系k + l VLJL VLJL RAG-1/2 + + - - 膜型重链 - m m m+d 轻 链 - 替代轻链 k or l k or l

IGK 重排 成功 失败 第二个IGK 重排 IGL重排 第二个IGL重排 细胞凋亡 Ig轻链基因的重排 前B细胞 Ig m Vpre-B l5 Ig-a/ Ig-b Lyn，Fyn，Blk，Btk，Syk 信号转导 Pre-BCR 前B细胞首先开始表达Igm 链，在k或者l轻链基因发生重排并表达之前，Igm 链与替代轻链 l5（14.1）和Vpre-B以及Iga/b共同组成Pre-BCR表达于细胞的表面。Iga/b执行信号转导功能。

基质细胞和 IL-7 在 B 细胞发育过程中的作用 sIgM 前B细胞 骨髓基质细胞 VLA-4 VCAM-1 C-kit SCF B祖细胞 IL-7受体 IL-7 基质细胞和 IL-7 在 B 细胞发育过程中的作用 B祖细胞通过VLA-4和VCAM-1的结合粘附于骨髓基质细胞之表面，在SCF的诱导下开始表达IL-7R。骨髓基质细胞通过其所分泌的IL-7刺激B祖细胞继续分化成熟。

Immature B cells Pro-B cells Pre-B cells Mature B cells 成熟B细胞 祖B细胞 D G A 成熟B细胞 祖B细胞 前B细胞 （胞浆出现 IgM重链） 不成熟B细胞 Immature B cells Pro-B cells Pre-B cells Mature B cells