抗原识别受体多样性的产生和

T 、 B 淋巴细胞的发育 

抗原识别受体多样性的产生 

1. TB 细胞都用其抗原识别受体识别抗原B 细胞： B cell receptor (BCR)

T 细胞： T cell receptor (TCR)

淋巴细胞抗原识别特点：

2. 一种淋巴细胞仅表达一种抗原受体

究竟什么样的病原微生物能够突破机体的天然免疫屏障并不能预料。为了能够防御所有可能的病原微生物的感染，特异性免疫应答系统必须能够识别所有可能的外来抗原物质，因此 BCR 和 TCR 必须形成一个巨大的抗原受体库。

问题：    为什么人产生的抗体比他自身携带的总的基因数还要多？

     人可以表达的抗原受体约为 1012 个，人的基因总数仅为 3 － 5 万个。

内容：

一、 BCR 重排的发现及 BCR 胚系基因结构

二、产生 BCR 多样性的机制

三、 TCR 的基因结构和多样性的产生 

一、 BCR 重排的发现及其胚系基因结构

BCR 或抗体由可变区和恒定区组成，其多样性是由可变区决定的。

可变区多样性是怎样产生的 ?

抗体多样性的两种假说： 体细胞突变假说 B 细胞发育过程中发生了突变，导致生成的 BCR 或者抗体变成许多种

基因片段重排假说 Dreyer 和 Bennett 于 1965 年提出，即两个基因一条多肽链理论。他们认为 BCR 由两类基因片段组成，一类编码 BCR 的 V 区，一类编码 BCR 的 C 区。 V 区基因含有多个基因片段，只有其中一个片段与 C 区形成抗体。

？

Tonegawa 的设想：

X X X

X X

X  限制性内切酶酶切位点

BCR 胚系基因经过重排的基因

重排现象的实验证明

对小鼠胚系 DNA 和骨髓瘤细胞 V 和 C 基因的 DNA 做序列分析，发现在重排后的 V 区和 C区基因不是直接拼接在一起的，由此发现了 J (joining) 基因片段和 D （ diversity ）基因片段。

人免疫球蛋白胚系基因图

轻链基因位于 22 号染色体上，轻链基因位于 2 号染色体上，重链基因位于 14 号染色体上。V 区基因和 C 区基因。 V 、 D 、 J 基因片段。信号肽 L(leader) 将各条肽链导入内质网腔后被切去。

“For his discovery of the genetic principle for generation of antibody diversity"

Massachusetts Institute of Technology (MIT) Cambridge, MA, USA

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1987

Susumu Tonegawa （利根川进）

b.1939

二、产生 BCR 多样性的机制

(1) 多样性机制之一：基因片段的重排

每条编码轻链和重链可变区的基因都由数个基因片段组成。

链： 40 （ V ） x 5 （ J ） = 200 个 V

链： 30 （ V ） x 4 （ J ） = 120 个 V

重链： 65 （ V ） x 27 （ D ） x 6 （ J ） = 11000 个V

基因片段重排方式：

12/23 规则 (12/23 rule)

重组信号序列 (recombination signal sequence, RSS):

七核苷酸－ 12/23核苷酸的随机序列－九核苷酸

链： 40 （ Vk ） x 5 （ Jk ） = 200 个 Vk

链： 30 （ V ） x 4 （ J ） = 120 个 V

重链： 65 （ V ） x 27 （ D ） x 6 （ J ） = 11000

个 V

理论上将产生 11000x(200＋ 120)=3.5x106 个不同抗原特异性的抗体，实际上要少一些。因为并不是所有的 V 基因都以同样频率使用，并不是所有的轻链重链配对都能成功。

（ 2) 多样性机制之二：重链轻链随机组合

（ 3 ）多样性机制之三：基因片段结合处的变化

仅仅通过基因重排和随机组合，理论上只能产生 3.5x106 个不同抗原特异性的抗体，实际上抗体的数目要远远多于这个数字。

为什么 CDR3高变区变化最大呢？

抗体多样性主要由 CDR 体现，其中 CDR3 在三个高变区中的变化最大。 CDR1 和 CDR2 由 V 区基因编码， CDR3 在轻链中是由 V 基因片段和 J 基因片段的连接处编码的，在重链中是由 D 基因编码的。

对重排后的基因和胚系基因的核苷酸序列进行测定，发现 V （ D ） J 不是准确地连在一起的，在连接时增加和减少数个核苷酸，连接多样性 (junction diversity) 。

核苷酸在连接处的增加或者减少常常导致 DNA 的读框受到破坏，产生没有功能的抗体。

（ 4 ）多样性机制之四：体细胞突变

纯系三组 BALB/c 小鼠免疫抗原后对特异性抗体可变区的序列分析

抗体的亲和力成熟(affinity maturation)

（ 5 ）重排和高突变的发育控制

重排：抗体基因片段在与抗原无关的情况下装配起来，这样的抗体对抗原具有低亲和力。

体细胞突变：一旦抗原被找到了，对该抗原具有低亲和力的 B 细胞就会发生体细胞突变，形成高亲和力的 B 细胞。

三、 TCR 的基因结构和多样性的产生

BCR 和 TCR 都是识别抗原，那么 TCR 的基因结构和多样性的产生究竟是否和 BCR相似呢？

（ 1 ） TCR 和 BCR 的相似之处

TCR 结构类似免疫球蛋白，与免疫球蛋白有 30-35%同源性。与 BCR 一样，两种 TCR 都含可变区和恒定区。

TCR 结构与免疫球蛋白的 Fab 类似

TCR 的基因的组成方式与免疫球蛋白基因基本一样。链和链基因类似轻链，有 V 和 J 基因片段。链和链基因类似重链，有 VDJ 基因片段。

 TCR 的胚系基因结构（ 链基因在第 7号染色体上， 链基因在第 14 号染色体上）

TCR也是通过体细胞重排变为多样性的

  TCR 的重排的机制与免疫球蛋白一样，也具有 7核苷酸和 9核苷酸的重组识别信号，并遵守 12/23碱基规则。

TCR也存在着等位排斥现象

（ 2 ） TCR 和 BCR 的区别

TCR也具有连接多样性。因为 TCR具有更多的 J 基因片段和更多的 N 区插入， TCR 在连接处的变化更大。

编码 TCR 链的 D 基因片段有两处，这样会增加其有效重排的机会

编码链的 J 基因片段有多个，也会增加有效重排的机会

TCR没有分泌形式，总是膜蛋白

TCR最大的不同于 BCR 的地方是它不产生体细胞突变。

为什么？

T 细胞仅是识别细胞结合的抗原。这些抗原局部浓度很高，不需要 T 细胞的亲和力通过体细胞突变增加。

成熟的 T 细胞不能识别自身抗原，而体细胞突变后可能会产生自身反应性。和 B 细胞不一样，自身反应的 T 细胞可以直接引起疾病，因此 T 细胞不应该通过体细胞突变。

TCR 在很多方面与 BCR非常相似，也是通过体细胞重排变为多样性的，其重排机理与 BCR一样。不过 TCR 和 BCR也有许多不同之处。二者最大的不同是 T 细胞不发生体细胞突变，由此避免了由体细胞突变产生自身反应性 T 细胞。

T 细胞和 B 细胞的发育

内容：

一、 B 淋巴细胞的发育

二、 T 淋巴细胞的发育 

一、 B 淋巴细胞的发育

B 细胞的生成 

B 细胞发育经历 4 个阶段

B 细胞的发育过程

经耐受选择后移到周围淋巴器官

Naïve B细胞

B 细胞的早期发育依赖于骨髓基质细胞（表达黏附分子和 B 细胞生长因子）

B 细胞发育过程中轻链重链的重排过程

在 pre-B 细胞阶段，重链、 Ig 和 Ig 重由 5 和 VpreB 组成的替代轻链形成复合物

B 细胞离开骨髓经由血流进入次级淋巴器官。 B 细胞需要在次级淋巴器官的滤泡中生存，可能是由滤泡树状细胞提供生存信号的。

每天小鼠新生成的 B 细胞大约为总 B 细胞库的 5 －10％。 B 细胞库的细胞数量是基本恒定的。

B 细胞的选择

如果骨髓中不成熟 B 细胞与骨髓基质细胞表达的自身抗原反应，那么细胞会发生凋亡或者变得没有反应性。

    与成熟 B 细胞不同，不成熟的 B 细胞表面交连后会凋亡或者变得无反应性。

    每天每只小鼠生成 35x106 个 large pre-B 细胞，但是仅有 10 － 20x106 个 B 细胞在骨髓中生成，成活的 B 细胞仅占 pre-B 细胞的一半。大量的不恰当的基因重排和自身反应B细胞在骨髓中被清除掉了。   

如果骨髓中 B 细胞免疫球蛋白基因重排产生的BCR 可以识别自身抗原，则这种 BCR 基因被删除，取而代之的是新的重排，这种现象叫做受体修正（ Receptor editing ）。

受体修正的实验证明 

B 细胞群体的产生

B － 2 细胞发育过程总结

三、 T 淋巴细胞的发育

T 细胞与 B 细胞的发育方式很相近。

T 细胞也来自骨髓干细胞，不过 T 细胞不是在骨髓而是在胸腺中发生基因重排并分化成熟的。

T 细 胞 只 识 别 MHC 分子结合的 抗 原肽， T 细胞必须是自身抗原耐受的，这两项性质是通过阳性和阴性选择来完成的。

T 细胞在胸腺中的发育 

T 细胞前体迁移到胸腺中发育成熟

  胸腺中，不成熟的 T 细胞（胸腺细胞）经过重排、阳性选择和阴性选择发育成为成熟 T 细胞。

胸腺小叶的结构

胸腺皮质含不成熟的胸腺细胞，胸腺髓质含成熟的胸腺细胞。

上皮细胞组成的胸腺基质为胸腺细胞发育提供了微环境

T 细胞前体进入胸腺，经过一个星期左右的分化，进入大量快速增殖期。

刚成年的小鼠的胸腺有 1 － 2 x 108 胸腺细胞，每天产生 5 x 107 新胸腺细胞，但是只有1 － 2 x 106 细胞（大约 3％）离开胸腺成为成熟 T 细胞，约 98 ％的胸腺细胞在胸腺中凋亡了。

胸腺细胞不同分化阶段的标志

缺乏成熟 T 细胞的表面分子，TCR 还未重排 

少量 T 细胞，大量前 T 细胞

在阳性选择过程中死亡 

经过阴性选择 

不同发育阶段的胸腺细胞处于胸腺的不同部位

重重重重重重重重重重重重重重重

T 细胞的阳性选择和阴性选择

胸腺细胞经过阳性选择和阴性选择才能成熟

阳性选择失败的细胞仅停留在双阳性阶段， 3 － 4 天之后在胸腺中死亡。

成熟的 T 细胞在外周遭遇 APC递呈的相应抗原时，细胞活化。

发育中的胸腺细胞遭遇由胸腺基质细胞或骨髓细胞递呈的抗原时，胸腺细胞凋亡。这种选择称之为阴性选择。

为什么 TCR 与自身肽 / 自身 MHC复合物的识别会导致两个结果，即阳性选择使胸腺细胞进一步成熟而阴性选择使细胞死亡？

决定胸腺细胞的阳性和阴性选择的亲合力假说（ avidity hypothesis ）

重点：

• B 细胞和 T 细胞受体重排的异同

• B 细胞和 T 细胞发育过程的异同