Molecular Genetics of Immunoglobulins

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1 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。

2 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

3 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

4 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

5 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

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

7 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

8 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

9 = 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

10 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

11 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 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

12 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

13 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

14 Affinity Maturation (Somatic Mutation)
VH 超變異區 Hypervariable region (HV) HV1 HV2 HV3 T15 germ line 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

15 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 Days B 細胞先表現 IgM 再轉換成 IgG Adapted from Roitt et al (2001) Immunology. p.141

16 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

17 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

18 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