動物遺傳學免疫遺傳學基礎

1、趙志輝,第八章 免疫遺傳學基礎,,吉林大學畜牧獸醫(yī)學院,第八章 免疫遺傳學基礎Chapter 8 Immunogenetics,第一節(jié) 免疫學的基本概念第二節(jié) 抗體第三節(jié) 主要組織相容性復合體第四節(jié) T細胞抗原識別和活化第五節(jié) 補體系統(tǒng)本章要點,第一節(jié)免疫學的基本概念,免疫（immune)是從拉丁文immunis而來,詞原意為免除課稅或服役；免疫性或免疫力(immunity): 機體受到抗原物質刺激

2、而產(chǎn)生特異性免疫應答的過程。免疫的現(xiàn)代概念: 機體對異體、異種獲自身異常物質的防御、穩(wěn)定和監(jiān)視等一系列的生理反應。,,免疫功能的分類及其表現(xiàn) (Page204） 包括免疫防御、自我穩(wěn)定和免疫監(jiān)視（正常反應和異常反應）。,一、天然免疫和獲得性免疫,天然免疫：機體依賴自身天然存在的屏障結構來防御有害物質或病原微生物，這些結構包括皮膚、黏膜、血液和淋巴組織中的巨噬細胞、自然殺傷細胞及各種細胞因子等天然免疫為種系所

3、共有，不會因多次接觸而增強,獲得性免疫：指非遺傳所致，個體通過與外源性物質接觸而被誘導和激活的特異性的免疫能力。獲得性免疫是進化的結果，惟脊椎動物所特有。,二、獲得性免疫的類型,主動免疫： 機體在免疫應答過程中發(fā)揮主動作用時的免疫。被動免疫： 對未接觸過抗原的個體輸入經(jīng)特殊免疫個體的細胞或血清，這些個體就能獲得一定的特殊免疫能力。體液免疫： 以B cells產(chǎn)生抗體來達到保護目的的免疫機制。屬后天的免疫

4、機制。細胞免疫： 凡是由免疫細胞發(fā)揮效應以清除異物的作用即稱為細胞免疫。由T細胞介導。,三、免疫應答的分期,識別期 是指淋巴細胞上特異抗原受體與抗原的結合過程。激活期 是指識別特異性抗原后淋巴細胞的反應過程 抗原提呈過程效應期 是指淋巴細胞被抗原激活后清除抗原的過程,四、免疫系統(tǒng)的組成,中樞免疫器官 （胸腺、骨髓、法式囊）外周淋巴器官 （淋巴結、脾臟、闌尾、扁桃體等）免疫細胞

5、 1. T淋巴細胞 2. B淋巴細胞 3.其他免疫細胞 4.免疫活性介質,五、抗原,抗原：凡是能夠刺激機體的免疫系統(tǒng)產(chǎn)生抗體或效應細胞，并且能夠和相應的抗體或效應細胞發(fā)生特異性結合反應的物質，就叫做抗原。 抗原的特性：1.免疫原性；2.免疫反應性抗原決定簇：抗原物質表面具有的某些特定的化學基團，抗原依此與相應的抗體或效應T細胞發(fā)生特異性結合，即抗原決定簇。半抗原：只具有反應原性而沒有免疫

6、原性的物質叫做半抗原。如青霉素、嗎啡等。完全抗原：兼?zhèn)溥@兩種性能的物質叫做完全抗原。如病原體、異種動物血清等。,第二節(jié)抗體,一、抗體的基本結構,,抗體（Antibody, Ab) ①概念： 能與相應抗原特異結合、產(chǎn)生各種免疫效應的一類糖蛋白，1964年WHO統(tǒng)一命名為免疫球蛋白（immunoglobulin, Ig） ②結構：由二硫鍵相連的四條對稱的多肽鏈構成的單體。形成一“Y”字形結構。,1969年，Edelman等

7、首次完成了抗體分子（IgG1）一級結構的測定,1.重鏈（heavy chain，H鏈） 420～446個氨基酸殘基，分子量約50 000～70 000kD。 根據(jù)Ig重鏈抗原性的差異，Ig可分為五類（class)IgG、IgM、IgA、IgD、IgE， 相應H鏈為γ、μ、α、δ、ε鏈。,（一）重鏈與輕鏈,2. 輕鏈（light chain，L鏈） 輕鏈為重鏈的1/2，約由230個氨基酸殘基組成，分子量約為23

8、000kD 根據(jù)抗原性的不同，將L鏈分為κ、λ兩型（Type) 正常人血清Ig的κ:λ=2 :1 天然的Ig單體結構中，兩條重鏈同類，兩條輕鏈同型。,IgG, IgD, IgE為單體分子,（二）可變區(qū)和恒定區(qū),1.可變區(qū)（variable region，V區(qū)） 指Ig重鏈近N端1/4（γαδ）或1/5（με），輕鏈N端1/2 ，氨基酸的組成及序列變化較大，而得名。 ⑴ 高變區(qū)（hypervaria

9、ble region，HVR） V區(qū)中氨基酸組成的變化僅集中在3個區(qū)域，占氨基酸總量的15％～20％。 因其在空間結構上可與抗原決定簇形成精密的互補，故又稱互補決定區(qū)（complementarity determing region，CDR1、2、3）,,,Figure 1: The basic structure of a humanIgG molecule. The arrow indicates the cleava

10、ge site of the Ig molecule into two Fab fragments and one Fc fragment by the enzyme papain.,⑵骨架區(qū)（framework region，F(xiàn)R） Ig分子V區(qū)中高變區(qū)之外的部位，其氨基酸組成及排列相對保守。 包括4個氨基酸片斷，占V區(qū)氨基酸總量的80％～85％。 作用：對CDR起支架作用，穩(wěn)定CDR的空間構型，以利Ig

11、CDR與抗原表位精細的特異性結合。,2.恒定區(qū)（constant region，C區(qū)） 近C端的1/2 L鏈及3/4 （γαδ） 或4/5 （με）H鏈。 氨基酸組成和排列比較恒定。,可變區(qū)和恒定區(qū),約由110個氨基酸組成。由鏈內(nèi)二硫鍵連接并經(jīng)β-片層折疊形成的具有特定功能的球形結構域，稱為Ig的功能區(qū)或結構域。 （一）功能區(qū)的名稱 L鏈：VL、CL H鏈: VH、CH1-CH3（IgG、IgA、IgD）

12、 VH、CH1-CH4（IgM、IgE）,二、免疫球蛋白的功能區(qū)（結構域）,（二）功能區(qū)的功能 1.VL、VH 特異性識別和結合抗原 2.CH、CL 具有同種異型遺傳標記 3.IgG的CH2和IgM的CH3 具有補體C1q的結合點；與IgG通過胎盤有關。 4.CH3/CH4 具有多種細胞Fc受體結合的功能，不同的Ig在結合不同的細胞時可產(chǎn)生不同的免疫效應。,（三）絞鏈區(qū)（hing

13、e region）特性： 位于CH1～CH2之間。富含脯氨酸，易伸展彎曲，而且易被木瓜蛋白酶、胃蛋白酶等水解。 作用： 1.彎曲利于V區(qū)與不同距離的抗原表位結合。2.使Ig分子發(fā)生“T” “Y”的構型改變，暴露補體結合位點。,“T” “Y”,,三、免疫球蛋白的水解片段,（一）木瓜蛋白酶的水解作用,二個相同的單價抗原結合片段 （fragment of antigen-binding，F(xiàn)ab段）

14、,一個可結晶片段（crystalizable fragment，F(xiàn)c段）,木瓜蛋白酶,水解,IgG,Fab段保留了特異性結合抗原的功能。Fc段保留了重鏈的抗原性和Ig相應功能區(qū)的生物學活性。,免 疫 球 蛋 白 基 因,κ鏈：Vκ(約100個)、 Jκ(5個)、 Cκ(1個) λ鏈：Vλ(約30個)、 Jλ-Cλ(4個)

15、 H鏈：V基因(約95個) D基因(27個) J基因(6個) C基因(9個),免疫球蛋白基因組結構,,,,,Figure10. The organization of the immunoglobulin heavy chain locus in vertebrates.,,,Figure11 Physical map of the IgH locus

16、 of the duck showing its genomic organization. The sequenced has a length of ~48 kb and starts 5' of the D segment and ends 3' of the short terminal exon of the gene. The coding exons are shown as black boxes. Tr

17、anscriptional orientation is shown by the arrows above the genes.,Figure13. The physical mapping of bovine IGHC gene locus,,,Figure12. Comparison of the IGHC locus in the hominoid line. The existence of the ψγgene has be

18、en proved only in human. Gene duplication including the γ-γ-ε-αgenes occurred in the common ancestor of hominoids and subsequent deletion of the Cεgene(in orangutan, including one of the Cαgenes) occurred independently i

19、n each hominoid species,,,Figure14. The physical map of the rabbit IgH cluster.,,u– 4 kb – d – 39 kb – g1 – 27 kb – g2 – 13 kb – e – 14 kb – a,免疫球蛋白的基因重排,自然界的抗原種類極多，每種抗原還有不同的抗原決定簇，因此具有多種特異性的免疫球蛋白分子的種類也必定是極其眾多的，可以有幾百萬種 。

20、可是，脊椎動物基因組內(nèi)所有的基因總共不過幾萬個左右 。決不可能有那么多的免疫球蛋白基因去編碼每一種特定的免疫球蛋白分子。研究證明，這是通過基因重排來實現(xiàn)免疫球蛋白的多樣性 。,1．輕鏈基因的重排 κ鏈可通過Vκ區(qū)基因的缺失、倒位而與相隔一定距離的一個Jκ基因相連接。κ鏈的V區(qū)基因可隨機地同任何一個Jκ基因連接。重排后的VκJκ再與Cκ連接生成完整的κ鏈DNA，其中的內(nèi)含子在轉錄后剪接形成mRNA。 由于Vκ和Jκ的

21、連接不夠精確，將造成更多的排列組合，可能使多樣性增加10倍。,Vλ和Jλ基因的連接不是隨機的，而是嚴格地按照： Lλ1 Vλ1 Jλ1 Cλ1， Lλ1 Vλ1Jλ3， Cλ3 ， Lλ2 Vλ2 Jλ2 Cλ2的組合進行連接的，所以入輕鏈的組合數(shù)遠低于κ鏈。,,2. 重鏈基因的重排  重鏈基因是通過兩次重排形成的第一次基因重排是D基因與JH基因的重排連接，得到DJH基因片段；第二次基因重排是

22、VH基因與DJH基因片段的重排和連接，得到VHDJH片段。,抗體的多樣性,轉換重組 classical switch recombination，CSR） 體細胞超突變（somatic hypermutation，SHM） 基因轉換（gene conversion）,,體細胞超突變、基因轉換（gene conversion）以及轉換重組是構成免疫球蛋白多樣性的基礎。體細胞超突變和基因轉換發(fā)生在抗體產(chǎn)生時VDJ重組過程中，不同物

23、種所采用的兩種方式也有差異，如在雞、牛、豬等物種中明顯偏愛基因轉換；在人和小鼠中則與之相反，其VDJ區(qū)多樣性的產(chǎn)生主要依靠體細胞超突變,轉換重組,1.轉換區(qū)（Switch region） 當B細胞從產(chǎn)生μ重鏈向其他類型轉換時，位于VH區(qū)和需要轉換的CH之間的區(qū)域通過位點特異性重組過程缺失。參與轉換重組的DNA區(qū)域稱為“Switch（S） region”，它位于每一個恒區(qū)基因的上游內(nèi)含子序列中。從結構上來說，Sμ區(qū)均由隨機重

24、復序列構成，而在γ、ε、α基因上游具有一些與Sμ同源性較高的重復序列。,,,第三節(jié)主要組織相容性復合體,導致排斥反應能夠對此抗原進行快而強的排斥反應的免疫,相關概念,組織相容性抗原（histicompatibility antigen): 代表個體特異性的引起抑制排斥反應的同種異型抗原，叫～，也稱移植抗原。主要組織相容性抗原系統(tǒng)（major histocompatibility antigen): 在眾多的組織相容性抗原

25、系統(tǒng)中，能引起強烈而迅速排斥反應的抗原系統(tǒng)，稱為～，也叫主要組織相容性系統(tǒng)（major histocompatibility system,MHS)。主要組織相容性抗原復合體（major histocompatibility complex,MHC): 編碼MHS的基因在同一染色體上呈一組緊密連鎖的基因群，將這一連鎖群統(tǒng)稱為～。,基本特點,MHS廣泛分布于人或動物所有有核細胞的表面，化學成分是脂蛋白或糖蛋白；MHS不僅參與移

26、植排斥反應，而且在機體免疫應答過程中具有重要的調(diào)節(jié)作用；MHS在不同物種動物中的名稱不同，其中小鼠的MHS稱為H-2系統(tǒng)，人的MHS稱為人類白細胞抗原（human leucocyte antigen,HLA)。MHC位于同一染色體上，具有控制同種移植排斥反應、免疫應答和免疫調(diào)節(jié)等功能。MHC在不同物種中處于的染色體位置不同，其中小鼠的MHC又稱H-2復合體，位于17號染色體上，而人類的HLA則位于第6號染色體上。,HLA復合體及其

27、編碼的產(chǎn)物,HLA位于6號染色體的短臂上，其分布范圍大約3600~4000 kb，含有至少10個基因位點；據(jù)其基因和編碼產(chǎn)物的結構和功能的不同，將HLA復合體又分為三個區(qū)域，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類基因區(qū)。Ⅰ類基因區(qū)包含A、B、C、E、F、G、H等位點；編碼化學結構相似但抗原特異性不同的HLA-A、B、C肽鏈，作為HLA-Ⅰ類分子的重鏈，與15號染色體上β2微球蛋白基因編碼產(chǎn)物，通過共價鍵結合后，成為HLA-Ⅰ類抗原。Ⅱ類基因區(qū)包含HLA-

28、DP、DQ、DR和DN、DO、DM等亞區(qū)，每個亞區(qū)中又包含多個基因位點。每個亞區(qū)中的每個位點可以編碼不同的產(chǎn)物，這些產(chǎn)物兩兩之間呈非共價鍵結合后共同組成HLA-Ⅱ類抗原。Ⅲ類基因區(qū)內(nèi)含眾多編碼血清補體成分和其它血清蛋白的基因，參與免疫應答的不同階段。,,,,,MHC分子,Ⅰ類分子Ⅱ類分子,兩條分開的肽鏈,兩條結合肽鏈,引起移植排斥反應： HLA抗原本身就是激發(fā)機體對移植物產(chǎn)生強烈和快速排斥反應的主要相容性抗原系統(tǒng)?？乖蔬f

29、作用： 外來抗原被抗原呈遞細胞攝取和處理后，必須與MHC- Ⅰ 、Ⅱ類分子的肽結合區(qū)結合形成抗原肽－MHC分子復合體，該復合體經(jīng)轉運表達于抗原呈遞細胞的表面，才能被相應的淋巴細胞識別，從而啟動免疫應答反應。,HLA-Ⅰ、Ⅱ類抗原的主要功能,抗原特異性淋巴細胞不能識別游離或溶解狀態(tài)的抗原，只識別MHC分子非共價結合的抗原。當抗原與MHC分子結合形成復合物并呈遞到T細胞表面時，T細胞才能與帶有MHC-抗原復合物的細胞相互作用，并被激

30、活?？乖cⅠ類還是Ⅱ類分子結合，決定為激活的T細胞種類，也因此出現(xiàn)不同性質的免疫應答,MHC的意義,T細胞介導的免疫應答：胞內(nèi)微生物（與MHC協(xié)同）抗感染過程對同種或異種的異體排斥反應（超敏反應）自身免疫疾病抗腫瘤免疫免疫應答過程中的正負反饋作用,第四節(jié)T細胞抗原識別和活化,T細胞表明分化抗原,在T細胞表面出現(xiàn)的不同種類的分子，與T細胞分化發(fā)育的不同階段有關，通稱為分化抗原（differentiation antig

31、en),并以分化群的編號命名（cluster of differentiation, CD)。功能確定的CD1－45組和暫定CD46－78主要功能：細胞間相互作用，信號轉導等,T細胞受體（TCR）,同時識別抗原和MHC復合物并引起胞內(nèi)反應。類型 根據(jù)細胞是否在表面同時表達CD分子將受體分為兩大類(alphabetaTCR、gammadeltaTCR）,第五節(jié)補體系統(tǒng),補體的發(fā)現(xiàn) Bordet（1895）發(fā)現(xiàn)如將新鮮免

32、疫血清加熱到60℃，30min則喪失溶菌能力。由于抗體耐溫，這種溶菌能力并非是抗體活性改變，顯然血清中還存在輔助或補充抗體溶菌但不耐熱的物質，這些物質后來稱為補體。為表彰Bordet的研究成果而授予他1919年諾貝爾獎。,補體的概念 補體：是存在于人和脊椎動物血清與組織液中一組經(jīng)活化后具有酶活性的蛋白質,補體的由三部分組成：補體的固有成分：參與經(jīng)典激活途徑的成分（C1、C4、C2）；甘露聚糖結合凝集素激活途徑的MBL；絲氨酸蛋白酶

33、；參與旁路激活途徑的成分（P、D、B因子）；共同：C3、C5~C9。參與調(diào)節(jié)的成分（C1抑制物、I因子、H因子、C4結合蛋白等）補體受體：CR1~5、C3aR、C2aR、C4aR,補體的組成,補體的激活,在生理情況下，大多數(shù)血清補體成分以酶前體的形式存在。補體的激活過程是一系列擴大的連鎖反應。經(jīng)典途徑：活化的補體成分聚集于抗原細胞表面并形成管道，從而介導細胞溶解；旁路途徑（替代途徑）：補體與抗原細胞表面直接結合而被活化。。,本章