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免疫球蛋白的遗传控制

Ig分子在B细胞至浆细胞内合成是由细胞内编码Ig的基因控制。人类B细胞有3个Ig基因库,即重链(H)基因库及轻链κ、λ基因库。编码Ig多肽链的基因是由各个分隔开的DNA片段经剪接重排而形成。

基因定位及基因库

人的编码H、κ、λ链的基因分别位于第14、2、22号染色体上。

一、H链基因库

人类H链基因库中编码蛋白的基因片段包括:先导序列基因(leader sequence, L)、可变区基因(VH)、多样性基因(diversity,DH)、连接基因(joining,JH)及恒定区基因(CH)片段的外显子,在各外显子间都有无编码功能的长短不等的碱基序列插入。

  1. L基因:每个VH基因片段的5'端都有两个L基因。L1基因5'端上游有启动子,L1与VH基因5'端之间有93个碱基插入序列,L1基因编码先导肽N末端大部分氨基;L2基因与VH基因5'端直接相连,编码先导肽C末端的4个氨基酸。
  2. VH基因片段编码VH功能区N端的95 或96个氨基酸。包括2个互补决定簇(CDR1、CDR2)及3个骨架区(FR1、FR2、FR3)。VH片段由DNA同源(homology)的7个家族组成。VH基因片段中仅一部分具有功能,可进行重排。
  3. DH基因片段位于JH基因群的5'端,其特点是序列和长度多变,可编码5~9个氨基酸,约有30个功能性DH片段。重组时DH与JH先重排,再进行VH-DH-JH重排。VH-DH连接处、DH片段及DH-JH连接处编码的肽段,组成VH功能区的CDR3。
  4. JH基因片段有9个JH片段,其中6个是功能性JH基因,3个假基因。JH片段编码CDR3的3'端及FR4骨架区。
  5. CH基因片段位于JH基因3'端,JH与CH间约有1300个碱基相隔。人类CH基因群由9段基因组成,从5'端起为μ、δ、γ3、γ1、α1、γ2、γ4、ε及α2。除δ基因外,其他8段基因的5'端都有一段无编码功能的特殊碱基序列,称为转换区(switch region,S区)。S区是重组酶识别的部位,在Ig合成的类别转换中起重要作用。

二、κ链基因库

约有85个VK基因片段,其中50个VK片段具有功能。有5个JK基因片段及一个恒定区基因CK。VK与JK基因重组后编码K链VK功能区,其中编码第26~32、48~55位氨基酸的碱基序列多变,为CDR1及CDR2区,VK与JK基因连接处编码CDR3。

三、λ链基因库

约有50~100个Vλ基因片段,有7个Cλ基因片段,每个前面接着一个Jλ片段,其中有4个基因组有转录功能。Vλ与Jλ重组后编码成Vλ功能区包括CDR1、CDR2及CDR3。

免疫球蛋白基因重排

Ig基因重组发生在胎肝及骨髓中未成熟B细胞(G0~G1过渡期)内,B细胞系统的发育是由于Ig重、轻链基因进行连续有序重排的结果。在一个B细胞内,首先是重链基因重排即DH与JH重排,然后VH与DH-JH重排,重链基因重排后才能进行轻链基因重排,先由κ基因重排,若重排失败,则由λ基因重排替补,故Ig的κ型轻链多于λ型,而且每个Ig分子上只能有κ或λ单一型的轻链。

 重排信号序列与七碱基序列、无名区相间隔的序列示意

重排信号序列与七碱基序列、无名区相间隔的序列示意

注:RSS—重排信号序列;SPACER—间隔区;9—九个碱基序列(无名区);7—七个碱基序列;12—12个碱基序列(间隔区);23—23个碱基序列(间隔区);V、D、J—分别为V、D、J片段;引自Frixos P and John F.1999,581

一、V(D)J重排

直接相邻于V、D及J片段是7个氨基酸组成的保守序列(haptamer;七碱基序列),它们附着于V片段3'端、J片段5'端及D片段两端(图6-20)。接着七碱基序列的是12或23非保守碱基对,即间隔区(spacer),再接着是9个碱基对的保守序列,即九碱基序列(nonamer)。此段非编码序列即重组信号序列(recombination signal sequence,RSS),RSS是需要重组的唯一序列,而编码序列只在满足12/23规则时也可被其他DNA置换。

V(D)J重排是重组酶的催化作用所致。目前已鉴定出两个重组激活剂基因(recombination activator genes)——RAG1及RAG2,定位于染色体11q13上。在前B及前T细胞内已发现有RAG-1及RAG-2基因转录。在重组过程的起始需要RSS及RAG-1、RAG-2两种蛋白质。

V(D)J重组过程包括:①RSS的识别;②在编码序列——七碱基序列边缘处的切割;③将两个切片复合物连接;④碱基的去除和增添;⑤终端和连接物的修复。

二、重链C区基因重排

CH基因由多个外显子组成,位于J基因片段下游。一个CH基因可与若干不同的VH基因在DNA水平上重排,并在mRNA水平上剪接而连接成编码一条肽链的基因。

三、V基因的功能及临床意义

对于V基因所有组分及Ig基因重组的研究结果已广泛用于临床医学。V基因的总数决定其功能的有效性,然而,并非所有基因等同地表达,即表达有所偏重。这种偏重表达影响到V,D及J所有片段。例如:JH4片段(6个JH片段之一)理论上与其他5个片段有同等表达机遇,在B细胞中应检出17%,然而在胎肝B细胞克隆中为32%,前B细胞急性淋巴细胞白血病(ALL)为42%。这种偏重表达现象与某些疾病相关。例如:VH4-21(VH4家庭的一个成员)发现于伴有冷凝集素病的个体中,ALL克隆中某些VH片段也优先表达。此外,在儿童N-核苷酸添加频率也有异,3岁以内儿童为12. 5%,而ALL儿童为89%,胎儿B细胞中N-核苷酸添加频率更低。另外,在慢性淋巴细胞白血病(CLL)及非霍奇金淋巴瘤(NHL)中,V基因的应用有限,但在滤泡性淋巴瘤中,V基因不仅发生体细胞突变,而且在疾病过程中继续突变,这种现象支持是恶性克隆对一种抗原的反应所致。多发性骨髓瘤也发生体细胞突变。最后,V(D)J重组缺陷也见于一些人类疾病。

例如:RAG-1及RAG-2重组激活剂基因功能的丢失引起严重免疫缺陷症。在一些常染色体隐性疾病中,由于对DNA损伤剂超敏而引起染色体断裂及重排,使白血病等恶性病的发生率增加,现已将其划入DNA修复病,包括:运动失调性毛细血管扩张症、先天性再生障碍性贫血、着色性皮肤干燥症及Bloom综合征等。应该用人工基质对这类患者的V(D)J进行重组,发现双股DNA断裂的修复涉及许多酶的复杂机制,现已分离出一种V(D)J连接蛋白〔V(D)JP〕,它有结合RSS中九碱基序列区的特性。总之,V(D)J重排大致分为两阶段:①DNA断裂及发夹在编码终端形成;②DNA断端被连接,此过程类似X-射线引起断裂的修复机制。

免疫球蛋白的类型转换

Ig类型转换(class switch)又称同种型转换(isotype switch)或S/S转换,即B细胞受抗原刺激后先合成IgM,在多种因素影响下可转为合成IgG、IgA或IgE。这是由于B细胞分化过程中CH基因片段发生了重排。重排后的基因产物其V区不变,即识别抗原的特异性不变,只是重链C区由Cμ转换为Cγ,即只是Ig类型和亚类改变。类型转换在无明显诱因下即可产生。重链基因的转换发生在编码序列的5'端,在一段内部重复序列上,称为S序列或S区。一个Ig重链基因先经V(D)J重排,再经S/S转换,才成为有功能的基因。人类CH基因家族包括至少9种与人类同种型Ig相对应的基因,其转换顺序为μ、δ、γ3、γ1、γ2、γ4、ε、α1及α2。

最近发现,Th细胞表面的CD40L与B细胞表面CD40结合,可启动和促进类型转换。人类T细胞CD40L基因突变时,重链类型转换受阻,导致X性联高IgM综合征,患者血清中IgM量增高,缺乏IgG、IgA、IgE。此外,还发现T细胞分泌的多种因子可调节Ig类型转换,如:IL-4可促进IgM转换为IgE;TGFβ可促进IgG转换为IgA;而IFNγ能抑制IL-4对IgE转换的作用。总之,研究Ig基因重排,可确定淋巴增殖性疾病的克隆性质和来源。

抗体多样性机制

血清中的抗体由多克隆B细胞产生,是多种抗体混合物,包括不同的Ig类、亚类、型、亚型和千变万化的抗体特异性。造成抗体多样性有内外原因。外因是自然界中千变万化的抗原分子及其表位;内因是胚系Ig基因库有数以百计的V基因及基因重排。大致有如下几种机制:

  1. 组合的多样性:VL及VH基因分别由2及3个基因片段组成,可重排造成结构的多样性。
  2. 不同的轻链和不同的重链结合产生更多样性抗体。
  3. 可变区结合点的多样性,即D、J结合点的多样性及结合点插入的多样性。此外,D、J片段与内含子断开的精确点发生轻度变异,DJ与V片段融合的精确点变异等都出现抗体多样性。换言之,V、D和J片段可在它的DNA序列的不同点上相连接。
  4. 体细胞突变,改变了编码V区的氨基酸序列,致抗体多样性。姐妹染色体单体互换造成抗体多样性等。

一个简单例子可阐明抗体多样性。如果有100 个VK片段、4个JK片段及2种连接方式,则可能有100×4×2= 800个VK基因。同样,若有200个VH基因片段、20个D片段、4个JH片段及2种不同的连接方式,则可以有200×20×4(2×2)= 64000个VH基因。如果任何一个VK可与一个VH相结合,则产生的多样性抗体可能为800×64000= 5. 1×107个。解释抗体多样性的遗传机制的基本原则是全部遗传信息都可随机表达。这可能是生物在遗传与进化过程中,适应外环境所获得的保护性反应的结果。

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