免疫球蛋白基因的結構和抗體多樣性

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第四節　免疫球蛋白基因的結構和抗體多樣性

　　Ig分子是由三個不連鎖的Igκ、Igλ和IgH基因所編碼。Igκ、Igλ和IgH基因定位于不同的染色體上（表2-5）。編碼一條Ig多肽鏈的基因是由在胚系中多個分隔的DNA片段（基因片段）經重排而形成的。1965年Dreyer和Bennet首先提出假說，認為Ig的V區和C區是由分隔存在的基因所編碼，在淋巴細胞發育過程中這兩個基因發生易位而重排在一起。1976年日本學者利根川進應用DNA重組技術證實了這一假說。利根川進由此獲得1987年醫學和生理學 諾貝爾獎 。

表2-5 免疫球蛋白基因定位

編碼多肽鏈 基因符號（人）

基因染色體定位

人

小鼠 κ輕鏈

Igκ

2

6 λ輕鏈

Igλ

22

16 重鏈

IgH

14

12

一、Ig重鏈基因的結構和重排

（一）重鍵V區基因

H鏈V區是由V、D、J三種基因片段經重排后組成。

　　1．H鏈V區 基因組 成

（1）V基因片段：小鼠VH基因段約為250～1000，人的VH基因片段約為100。V基因片段編碼VH的信號序列和V區靠N端98個氨基酸殘基，包括CDR1和CDR2。

（2）D基因片段：D是指多樣性（diversity）。D基因片段僅存在于H鏈，不存在于L鏈。小鼠DH共有12個片段，人的DH片段的數目還不完全清楚，可能有10～20個左右。D片段編碼H鏈CDR3中大部分氨基酸殘基。

（3）J基因片段：J是連接（joining）的意思。JH連接V基因片段和C基因片段。小鼠JH有4個，人有9個JH片段，其中6個是有功能的。J基因片段編碼CDR3的其余部分氨基酸殘基和第4個骨架區。

2．H鏈V區基因的移位 首先發生D與J基因片段的連接形成D-J，然后V基因片段與D-J基因片段連接。H鏈V區基因的易位和連接是通過七聚體-間隔序列-九聚體識別信號和重組酶而完成的。

（二）重鏈C區基因

1．C基因片段小鼠H鏈區基因片從5’端到3’排列的順序是Cμ-Cδ-Cγ3-Cγ1-Cγ2b-Cε-Cα2，人H鏈C區基因的順序為Cμ-Cδ-Cγ3-Cγ1-Cε2（pseudo基因）- Cα2- Cγ2-Cγ- Cε- Cα2（圖2-13，14）。

圖2-13小鼠Ig基因結構

圖2-14 人Ig基因結構

2．Ig類別轉換（class switch） 是指一個B細胞克隆在分化過程中，V基因不變，而CH基因片段不同重排，比較CH基因片段重排后基因編碼的產物，其V區相同，而C區不同，即識別抗原的特異性相同，而Ig的類或亞類發生改變。Ig可能是通過缺失模式（deletion model）和RNA剪接（splicing）兩種機制來實現類別的轉換。

（三）膜表面Ig重鏈基因

膜表面Ig（Sm Ig）是B細胞識別抗原的受體。(Sm Ig)和分泌性Ig的H鏈結構相類似，所不同的是smIgH名字的羧基端多含一段穿膜的疏水性氨基酸殘基和胞漿區。因此SmIgH鏈的轉錄本（transcript）要比分泌性IgH鏈轉錄本多1～2個外顯子。編碼H鏈的羧基端部分，其氨基酸殘基的的數目視H鏈不同而有差異，如在小鼠或人SmIgμ鏈的這一部分長約41個氨基酸殘基，而小鼠SmIgε鏈此區域卻有72個氨基酸殘基。這個區域包括三個部分：①一個酸性間隔子，與H鏈最后一個CH功能區相同，位于胞膜外側；②含26個氨基酸殘基的疏水區，為穿膜部分；③胞漿內部分，3～28個氨基酸殘基不等。

二、Ig輕鏈基因的結構和重排

在IgH鏈基因重排后，L鏈可變區基因片段隨之發生重排。在L鏈中，κ鏈基因先發生重排，如果κ基因重排無效，隨即發生λ基因的重排。L鏈匠CDR1、CDR2和大部分CDR3由Vκ或Vλ基因片段所編碼（Vκ編碼95個氨基酸殘基），Jκ或Jλ基因片段編碼CDR3的其余部分和第四個骨架區（Jλ編碼從96位到108位氨基酸）。L鏈無D基因片段。

（一）κ鏈基因的結構和重排

κ鏈基因是V基因片段（Vκ）、J基因片段（Jκ）和C基因片段（Cκ）重排后組成。小鼠Vκ基因片段約有250，Jκ有5個（其中4個功能），Cκ只有1個。人Vκ基因片段約有100個，Jκ有5個。Cκ也只有1個。Vκ與Cκ之間以隨機方式發生重排。

（二）λ鏈基因的結構和重排

κ鏈基因也是由Vλ、Jλ和Tλ基因片段經重排后組成。小鼠Vλ基因片段有3個：Vλ1、VλX；4個Jλ和4個Cλ基因片段，分為（Jλ2Cλ2，Jλ4Cλ和Jλ3Cλ3，Jλ1Cλ1）兩組。它們的基因重排比較復雜。人Vλ約有100個，至少有6個Cλ與各自的J基因片段相連，人λ鏈確切的重排情況還不清楚。

三、抗體多樣性的遺傳學基礎

機體對外界環境中種類眾多抗原刺激可產生相應的特異性抗體，推算出抗體的多樣性在107以上。抗體多樣性主要由基因控制。

1．胚系（germ line）中眾多的V、D、J基因片段 在胚系上，尚未重排的Ig基因片段數量相當多，這是生物在長期進化中形成的。表2-6例舉了小鼠H鏈和L鏈重排的多樣性以及H鏈和κ鏈相互隨機配對所推算的多樣性數目。

表2-6 小鼠Ig多樣性（舉例）

多肽鏈 基因片段數 V區基因重組方式 經重排的隨機配對后*

推算的多樣性數目 V J H鏈 1000 12 4 V-D-J 4．8×104 4．8×107 κ鏈 250 - 4 V-J 1．0×103

*多樣性數目不包括VDJ連接多樣性、N區插入和體細胞突變所增加的多樣性數目

2．VDJ連接的多樣性在L鏈基因重排過程中V-J連接位點有一定的變異范圍，例如VL基因片段3'端5個核苷酸CCTCC和JL基因片段5'端4個核苷酸GTGG連接時，總共9個核苷酸中只有6個核苷酸編碼L鏈第95、96位氨基酸，因此可產生8種不同的連接方式。在H鏈基因重排過程中K-J以及V-D-J連接時都可有連接多樣性的存在。

3．體細胞突變（somatic mutation）體細胞在發育過程中可發生基因突變。以長期體外培養的B細胞前體為例，每個細胞每個堿基對的突變率約為1～43×10-5，這種點突變主要發生在V基因。體細胞突變擴展了原有胚系眾多基因片段重排的多樣性。

4．N區的插入在IgH鏈基因片段重排過程中，有時可通過無模板指導的機制（nontemplet directed mechanism）,在重組后D基因片段的兩側即VH-DH或DH-JH連接處額外插入稱為N區的幾個核苷酸。N區不是由胚系基因所編碼。在N區插入前，先通過外切酶切除VH-DH或DH-JH連接處幾個堿基對，然后通過末端脫氧核苷酸轉移酶（terminal deoxynucleotidyl transferase,TdT）連接上N區。由于額外插入了N區，可發生移碼突變（fuame shift mutation）,使插入部位以及下游的密碼子發生改變，從而編碼不同的氨基酸，大大地增加了抗體的多樣性。

5．L鏈H鏈相互隨機配對 如表2-6所示，小鼠H鏈和κ鏈隨機配對后推算其多樣性可達4.8×107，如果再加上H鏈與λ鏈的隨機配對其多樣性應更多了。