Abstract

简介

I 历史问题

II 答案

II.1 轻链（kappa或lambda）

II.1.1 kappa链：V-J重排

II.1.2 Lambda链：V-J重排

II.1.3 等位基因互斥和同种型

II.2 重链

II.2.1 V-D-J重排

II.2.2 同种型转换

II.3 膜型和分泌型免疫球蛋白

III 结论

III.1. 胚系多样性：多基因家族

III.2. DNA重排导致的多样性

III.3. 体细胞超突变导致的多样性

Content

简介

      免疫球蛋白（Ig）由2条相同的轻链（L）和2条相同的重链（H）（例如IgG型）组成；在三维水平上，一条Ig链由一个N端可变域，V区，和一个（L链）或多个（H链）C端恒定域C区组成。

       免疫球蛋白是由B淋巴细胞产生的。它可以在B淋巴细胞膜表面生成，也可以由浆细胞分泌产生。

图1 轻链可变区V-J和重链可变区V-D-J分别对应一个可变结构域。轻链恒定区CL对应一个恒定结构域。

重链恒定区对应4个恒定结构域包括CH1-CH4（IgM和IgE），或者3个恒定结构域（IgD，IgG和IgA），其中CH1和CH2结构域被铰链区分开。

I 历史问题

      发现免疫球蛋白的主要特征后，随之而来有了一些相关疑问：

A

• 抗原具有多样性；为了能够对它们做出反应，免疫球蛋白必须具有相同的多样性（有1011至1012种不同的抗体！），对应于L和H链N端氨基酸多样性（即可变结构域）。
• 是否因为编码免疫球蛋白的基因具有极端多样性？（与胚系理论的模型一致：1个基因= 1条Ig链；在这种情况下，必须牵涉许多基因；它们可能源于祖先基因的重复；但整个人类基因组不足以编码所有的免疫球蛋白！）。
• 是否因为基因突变的积累？（与体细胞突变理论模型一致：在这种情况下，只牵涉到少数基因，但是随后必须发生许多体细胞突变才能产生免疫球蛋白的多样性；然而，这种模型和公认的遗传学原理相反）。
• 是否因为免疫球蛋白基因具有特殊的机制？

B

• 在其分化过程中，B细胞首先在B淋巴细胞表面产生膜型免疫球蛋白，然后再产生由浆细胞分泌的免疫球蛋白。膜型和分泌型免疫球蛋白重链的氨基酸序列仅在C末端不同：这两种情况是否涉及相同的基因？

C

• B细胞首先在其表面表达IgM，然后在分化过程中可能表达另一类Ig（IgG，IgE或IgA）（这种机制称为同种型转换）：这种转换如何发生？我们如何解释，无论产生何种免疫球蛋白同种型，都表达相同的特异性抗原可变域（相同的独特型）？

D

• 即使B细胞的基因组中每个Ig基因有2条染色体（2个等位基因），它也可以合成一种重链和轻链。因此一定会发生等位基因互斥，并产生半合子表型。那么等位基因互斥是如何发生的？

E

• 最后，如果可变区确实发生了突变，为什么恒定区中没有突变？
• 在小鼠和人类中，分子生物学和基因克隆中使用了各种方法来回答这些问题。我们这里仅讨论人类免疫球蛋白。

II 答案

II.1 轻链（kappa或lambda）

II.1.1 Kappa链：V-J重排

• IGK（kappa）基因位于2号染色体2p11。
• 可变区包括多个IGKV基因，V（76个基因，其中31-35个功能基因）；连接区包括5个IGKJ基因的；恒定区包括1个IGKC基因；V，J和C基因在基因组中是不连续的（Ig基因的“胚系”构型）。
• 这些是多基因家族（另请参阅有关基因家族中，Globin基因的部分，“...祖先基因的复制相互继承，每个基因突变导致了一定程度的多样性。这些复制的基因是有功能的...”）。
• 首先，DNA进行了重排：因此1个V和1个J基因可以连接；然后删除中间序列，
• mRNA前体被复制（转录）；包括内含子，
• 然后进行剪接：从信使RNA前体中去除内含子，产生成熟的mRNA，
• 随后是蛋白质合成（称为“翻译”）。
• 注意不要将DNA重排与RNA剪接混淆。

注意：只有免疫球蛋白和T受体基因会进行DNA重排。

图2

• V-J重排发生在重组信号（RS）处，该信号包括由间隔子分隔的七聚序列（7个核苷酸）和非异构序列（9个核苷酸）。

每个IGKV基因的下游（3'位置）有一段RS，包括CACAGTG七聚体，12 bp间隔子和一段ACAAAAACC九聚体。

每个IGKJ基因的上游（5'位置）有一段RS，从5'和3'依次是GGTTTTTGT九聚体，23 bp间隔子和CACTGTG七聚体。

图3

II.1.2 Lambda链：V-J重排

• IGL（λ）基因位于22号染色体22q11；V-J重排机制与IGK基因机制相同：重排发生在IGLV基因的29-33功能基因与J基因之间；需要注意的是，有4-5个功能性IGLC基因，每个基因之前都有一个IGLJ基因。

II.1.3 等位基因互斥和亚型

• 等位基因互斥原因，一方面是重排时间，另一方面是功能性免疫球蛋白的表面表达，其抑制了重排并因此抑制了第二条链的表达。因此，只有一条14号染色体和一条2号（或22号）染色体可以发挥功能（问题D的答案）。

II.2 重链

• IGH（重链）基因位于14号染色体14q32。
• 共有11个IGHC基因，其中9个是有功能的（IGHM，IGHD，IGHG1，IGHG2，IGHG3，IGHG4，IGHA1，IGHA2和IGHE），分别对应于9种重链亚型 µ, δ, ɣ1, ɣ2, ɣ3, ɣ4, α1, α2和ɛ。

II.2.1 V-D-J重排

• DNA重排发生在IGHV基因 （38-46个功能可变的V基因）， IGHD基因 （23个功能多样的D基因）和IGHJ基因（6个具有连接功能的J基因）之间：还有一些RSs序列，位于V基因的下游（3'位置） ，D基因的任意一侧和J基因的上游（5'位置）。在V-D-J重排过程中，首先是D基因和J基因发生重排，然后 V基因和再和D-J之间连接起来。

图4

• 注意：D基因也有2或3个开放阅读框；每个都可以编码2或3个不同的肽序列。 V-D-J连接还有个特征是核苷酸的缺失（通过核酸外切酶）和核苷酸的随机添加（通过TdT，末端脱氧核苷酸转移酶）；因此，V区基因在个体基因组中不编码蛋白，并大大增加了免疫球蛋白重链可变区的V-D-J连接多样性。

II.2.2 同种型转换

• 在前B淋巴细胞中，由于恒定的IGHM基因（C）位于V-D-J重排附近，因此首先要合成一条μ链。该μ链与伪轻链相关，并且该组合构成前B受体。B淋巴细胞合成的第一个完整免疫球蛋白是IgM，其中μ链与轻κ或λ链结合。
• 在其分化过程中，B淋巴细胞可以表达Ig的某些其他同种型或亚同种型。由于DNA重组（同种型转换），这涉及到一个IGHC基因被另一个替换，并切除了缺失环的整个中间部分。该切除发生在转换序列（与RSs相关的角色）上。
• 然后，通用序列按照如下：mRNA前体合成，内含子的剪接，产生成熟的RNA，然后进行蛋白质合成。
• 这解释了为什么1）B淋巴细胞首先可以合成IgM，然后在分化过程中合成IgG（IgG1，IgG2，IgG3或IgG4），IgA（IgA1或IgA2）或IgE，以及2）保留相同的VDJ重排，因此具有相同的抗原识别位点（独特型）（问题C的答案）。

图5

II.3 膜型和分泌型免疫球蛋白

• 重链信使前RNA的可变剪接可以产生膜型重链（B淋巴细胞膜型Ig）或分泌型重链（浆细胞分泌型Ig），它们保留相同的V-D-J重排（独特型）和相同的恒定区域（同种型）（问题B的答案）。

• 注意：在同一B细胞（成熟B细胞离开骨髓并通过循环到达淋巴结）中表达IgM和IgD的机制相同（前体mRNA的选择性剪接）。

III 结论

III.1 胚系多样性：多基因家族

• “胚系”的多样性取决于每个基因座上的基因数量。这些是家族基因，如何在相似序列之间进行选择？根据功能序列。基因间重组可以通过基因的复制或缺失，使基因座长期进化。
• 这些基因经历基因内转换和重组，从而导致个体之间的混合性和多样性（多态性）。
• 在IGHD基因中，存在几个开放阅读框，进一步增加了在相似功能序列之间进行选择的可能性。

III.2 DNA重排导致的多样性

• 组合多样性-理论上来讲可以合成一百万种免疫球蛋白。IGH基因可以合成大约6000条重链，IGK或IGL基因可以合成大约160条轻链，这相当于大约一百万种可能的组合（6 × 10 3 × 160）。

• 除此之外，在重链IGH的重排过程中，获取N区域，并在V-D-J连接处对D基因使用一个或其他的阅读框，以及在IGK或IGL重排过程中，V-J连接的灵活性。这些机制有助于将多样性提高103到104倍（可能会合成10⁹ Ig链）。

III.3 体细胞超突变导致的多样性

      最后，体细胞突变非常多（体细胞超突变），可对Ig的重排V-J和V-D-J基因产生非常有针对性的表征，但其发病机理尚不清楚。 AID（激活诱导的胞苷脱氨酶）可能与突变的发生和转换机制有关。在淋巴结中，B淋巴细胞分化过程中发生体细胞超突变，有助于多样性增加103倍，最终免疫球蛋白多样性有可能会达到1012种（答案A）。

      这些机制使得免疫球蛋白多样性有可能会达到1012种，它们能够对数百万种已知抗原作出反应（问题A的答案）。

      实际上，不同Ig的数量受给定物种中B细胞数量的限制。