动物遗传学免疫遗传学基础.pptx

赵志辉第八章第八章 免疫遗传学基础免疫遗传学基础吉林大学畜牧兽医学院第八章第八章 免疫遗传学基础免疫遗传学基础Chapter 8 Immunogenetics第一节第一节 免疫学的基本概念免疫学的基本概念第二节第二节 抗体抗体第三节第三节 主要组织相容性复合体主要组织相容性复合体第四节第四节 T T细胞抗原识别和活化细胞抗原识别和活化第五第五节节 补体系统补体系统本章要点本章要点第一节免疫学的基本概念n免疫（immune)是从拉丁文immunis而来,词原意为免除课税或服役；n免疫性或免疫力(immunity):机体受到抗原物质刺激而产生特异性免疫应机体受到抗原物质刺激而产生特异性免疫应答的过程答的过程。n免疫的现代概念:机体对异体、异种获自身异常物质的防御、稳定和监视等一系列的生理反应。n免疫功能的分类及其表现(Page204）包括免疫防御、自我稳定和免疫监视（正常反应和异常反应）。一、天然免疫和获得性免疫一、天然免疫和获得性免疫n天然免疫：天然免疫：机体依赖自机体依赖自机体依赖自机体依赖自身天然存在的屏障结构来身天然存在的屏障结构来身天然存在的屏障结构来身天然存在的屏障结构来防御有害物质或病原微生防御有害物质或病原微生防御有害物质或病原微生防御有害物质或病原微生物，这些结构包括皮肤、物，这些结构包括皮肤、物，这些结构包括皮肤、物，这些结构包括皮肤、黏膜、血液和淋巴组织中黏膜、血液和淋巴组织中黏膜、血液和淋巴组织中黏膜、血液和淋巴组织中的巨噬细胞、自然杀伤细的巨噬细胞、自然杀伤细的巨噬细胞、自然杀伤细的巨噬细胞、自然杀伤细胞及各种细胞因子等胞及各种细胞因子等胞及各种细胞因子等胞及各种细胞因子等n天然免疫为种系所共有，天然免疫为种系所共有，不会因多次接触而增强不会因多次接触而增强n获得性免疫获得性免疫：指非遗传指非遗传指非遗传指非遗传所致，个体通过与外源性所致，个体通过与外源性所致，个体通过与外源性所致，个体通过与外源性物质接触而被诱导和激活物质接触而被诱导和激活物质接触而被诱导和激活物质接触而被诱导和激活的特异性的免疫能力。的特异性的免疫能力。的特异性的免疫能力。的特异性的免疫能力。n获得性免疫是进化的结果，获得性免疫是进化的结果，惟脊椎动物所特有。惟脊椎动物所特有。二、获得性免疫的类型二、获得性免疫的类型n主动免疫：主动免疫：机体在免疫应答过程中发挥主动作用时的免疫。机体在免疫应答过程中发挥主动作用时的免疫。n被动免疫：被动免疫：对未接触过抗原的个体输入经特殊免疫个体的细胞或血清，对未接触过抗原的个体输入经特殊免疫个体的细胞或血清，这些个体就能获得一定的特殊免疫能力。这些个体就能获得一定的特殊免疫能力。n体液免疫：体液免疫：以以以以B cellsB cellsB cellsB cells产生抗体来达到保护目的的免疫机制。属后天的产生抗体来达到保护目的的免疫机制。属后天的产生抗体来达到保护目的的免疫机制。属后天的产生抗体来达到保护目的的免疫机制。属后天的免疫机制。免疫机制。免疫机制。免疫机制。n细胞免疫：细胞免疫：凡是由免疫细胞发挥效应以清除异物的作用即称为细胞免凡是由免疫细胞发挥效应以清除异物的作用即称为细胞免疫。由疫。由T T细胞介导。细胞介导。三、免疫应答的分期n识别期 是指淋巴细胞上特异抗原受体与抗原的结合过程。n激活期 是指识别特异性抗原后淋巴细胞的反应过程 抗原提呈过程n效应期 是指淋巴细胞被抗原激活后清除抗原的过程四、免疫系统的组成n中枢免疫器官中枢免疫器官 （胸腺、骨髓、法式囊）（胸腺、骨髓、法式囊）n外周淋巴器官外周淋巴器官 （淋巴结、脾脏、阑尾、扁桃体等）（淋巴结、脾脏、阑尾、扁桃体等）n免疫细胞免疫细胞 1.T1.T淋巴淋巴细胞细胞 2.B2.B淋巴细胞淋巴细胞 3.3.其他免疫细胞其他免疫细胞 4.4.免疫活性介质免疫活性介质五、抗原 抗原抗原：凡是能够刺激机体的免疫系统产生抗体或效应细胞，并且能够和相应的抗体或效应细胞发生特异性结合反应的物质，就叫做抗原抗原。抗原的特性抗原的特性：1.免疫原性；2.免疫反应性n抗原决定簇抗原决定簇：抗原物质表面具有的某些特定的化学基团，抗原依此抗原物质表面具有的某些特定的化学基团，抗原依此与相应的抗体或效应与相应的抗体或效应T T细胞发生特异性结合，即细胞发生特异性结合，即抗原决定簇抗原决定簇抗原决定簇抗原决定簇。n半抗原半抗原：只具有反应原性而没有免疫原性的物质叫做半抗原半抗原。如青霉素、吗啡等。n完全抗原完全抗原：兼备这两种性能的物质叫做完全抗原完全抗原。如病原体、异种动物血清等。第二节抗体第二节抗体一、抗体的基本结构一、抗体的基本结构 抗体（抗体（Antibody,Ab)Antibody,Ab)概念：概念：能与相应抗原特异结合、产生各种免疫效应的一类糖蛋白，能与相应抗原特异结合、产生各种免疫效应的一类糖蛋白，1964年年WHO统一命名为免疫球蛋白统一命名为免疫球蛋白（immunoglobulin,immunoglobulin,IgIg）结构：结构：由二硫键相连的四条对称的多肽链构成的单体。形成一由二硫键相连的四条对称的多肽链构成的单体。形成一“Y Y”字形结构字形结构。1969年，年，Edelman等首次完成了抗体分子（等首次完成了抗体分子（IgG1）一级结构的测定）一级结构的测定n1.1.重链（重链（heavy chainheavy chain，H H链）链）420420446446个个氨氨基基酸酸残残基基，分分子子量量约约50 50 00000070 000kD70 000kD。根根据据IgIg重重链链抗抗原原性性的的差差异异，IgIg可可分分为为五五类类（class)IgGclass)IgG、IgMIgM、IgAIgA、IgDIgD、IgEIgE，相应相应H H链为链为、链。链。（一）重链与轻链（一）重链与轻链n2.2.轻链（轻链（light chain，L链）轻链为重链的轻链为重链的1/2，约由，约由230个氨基酸残基组成，分个氨基酸残基组成，分子量约为子量约为23 000kD 根据抗原性的不同，将根据抗原性的不同，将L链分为分为、两型（两型（Type)正常人血清正常人血清Ig的的:=2:1 天然的天然的Ig单体结构中，两条重链单体结构中，两条重链同类同类，两条轻链，两条轻链同型同型。IgG,IgD,IgE为单体分子为单体分子（二）可变区和恒定区（二）可变区和恒定区1.1.可变区（可变区（variable regionvariable region，V V区）区）指指IgIg重重链链近近N N端端1/41/4（）或或1/51/5（），轻轻链链N N端端1/21/2，氨氨基基酸酸的组成及序列变化较大，而得名。的组成及序列变化较大，而得名。高变区（高变区（hypervariable regionhypervariable region，HVRHVR）V V区区中中氨氨基基酸酸组组成成的的变变化化仅仅集集中中在在3 3个个区区域域，占占氨氨基基酸酸总总量量的的15152020。因因其其在在空空间间结结构构上上可可与与抗抗原原决决定定簇簇形形成成精精密密的的互互补补，故故又又称称互互补补决决定定区区（complementarity determing regioncomplementarity determing region，CDR1CDR1、2 2、3 3）Figure 1:ThebasicstructureofahumanIgGmolecule.ThearrowindicatesthecleavagesiteoftheIgmoleculeintotwoFabfragmentsandoneFcfragmentbytheenzymepapain.骨架区（骨架区（framework regionframework region，FRFR）IgIg分分子子V V区区中中高高变变区区之之外外的的部部位位，其其氨氨基基酸酸组组成成及及排排列列相相对保守。对保守。包括包括4 4个氨基酸片断，占个氨基酸片断，占V V区氨基酸总量的区氨基酸总量的80808585。作作用用：对对CDRCDR起起支支架架作作用用，稳稳定定CDRCDR的的空空间间构构型型，以以利利IgCDRIgCDR与抗原表位精细的特异性结合。与抗原表位精细的特异性结合。n2.2.恒定区（恒定区（constant regionconstant region，C C区）区）近近C C端的端的1/2 L1/2 L链及链及3/4 3/4（）或或4/5 4/5（）H H链链。氨基酸组成和排列比较恒定。氨基酸组成和排列比较恒定。可变区和恒定区n约约由由110110个个氨氨基基酸酸组组成成。由由链链内内二二硫硫键键连连接接并并经经-片片层层折折叠叠形形成成的的具具有有特特定定功功能能的的球球形形结结构构域域，称为称为IgIg的功能区或结构域。的功能区或结构域。（一）功能区的名称 L L链：链：VLVL、CLCL H H链链:VH:VH、CH1-CH3CH1-CH3（IgGIgG、IgAIgA、IgDIgD）VHVH、CH1-CH4CH1-CH4（IgMIgM、IgEIgE）二、免疫球蛋白的功能区（结构域）二、免疫球蛋白的功能区（结构域）（二）功能区的功能 1.VL、VH 特异性识别和结合抗原特异性识别和结合抗原 2.CH、CL 具有同种异型遗传标记具有同种异型遗传标记 3.IgG的的CH2和和IgM的的CH3 具具有有补补体体C1q的的结结合合点点；与与IgG通通过过胎胎盘有关。盘有关。4.CH3/CH4 具有多种细胞具有多种细胞Fc受体结合的功能，不同的受体结合的功能，不同的Ig在结合在结合不同的细胞时可产生不同的免疫效应。不同的细胞时可产生不同的免疫效应。（三）绞链区（三）绞链区（hinge regionhinge region）特性：特性：位于位于CH1CH1CH2CH2之间。富含脯氨酸，易伸展弯曲，之间。富含脯氨酸，易伸展弯曲，而且易被木瓜蛋白酶、胃蛋白酶等水解。而且易被木瓜蛋白酶、胃蛋白酶等水解。作用：作用：1.1.弯曲利于弯曲利于V V区与不同距离的抗原表位结合区与不同距离的抗原表位结合。2.2.使使IgIg分子发生分子发生“T T”“Y Y”的构型改变，暴露补的构型改变，暴露补体结合位点。体结合位点。“T”“Y”三、免疫球蛋白的水解片段三、免疫球蛋白的水解片段（一）木瓜蛋白酶的水解作用（一）木瓜蛋白酶的水解作用 二个相同的单价抗原结合片段二个相同的单价抗原结合片段（fragment of antigen-binding，Fab段）段）一个可结晶片段一个可结晶片段（crystalizable fragment，Fc段段）木瓜蛋木瓜蛋白酶白酶水解水解IgGFabFab段保留了特异性结合抗原的功能。段保留了特异性结合抗原的功能。FcFc段保留了重链的段保留了重链的抗原性和抗原性和IgIg相应功能区的生物学活性。相应功能区的生物学活性。免免 疫疫 球球 蛋蛋 白白 基基 因因链：链：V(V(约约100100个个)、J(5J(5个个)、C(1C(1个个)链：链：V(V(约约3030个个)、J-C(4J-C(4个个)H H链：链：V V基因基因(约约9595个个)D D基因基因(27(27个个)J J基因基因(6(6个个)C C基因基因(9(9个个)免疫球蛋白基因组结构Figure10.The organization of the immunoglobulin heavy chain locus in vertebrates.Figure11 Physical map of the IgH locus of the duck showing its genomic organization.Thesequencedhasalengthof48kbandstarts5oftheDsegmentandends3oftheshortterminalexonofthegene.Thecodingexonsareshownasblack boxes.Transcriptionalorientationisshownbythearrowsabovethegenes.Figure13.The physical mapping of bovine IGHC gene locusFigure12.Comparison of the IGHC locus in the hominoid line.Theexistenceofthegenehasbeenprovedonlyinhuman.Geneduplicationincludingthe-genesoccurredinthecommonancestorofhominoidsandsubsequentdeletionoftheCgene(inorangutan,includingoneoftheCgenes)occurredindependentlyineachhominoidspeciesFigure14.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免疫球蛋白的基因重排n自然界的抗原种类极多，每种抗原还有不同的抗原决定自然界的抗原种类极多，每种抗原还有不同的抗原决定簇，因此具有多种特异性的免疫球蛋白分子的种类也必簇，因此具有多种特异性的免疫球蛋白分子的种类也必定是极其众多的，可以有几百万种定是极其众多的，可以有几百万种 。n可是，脊椎动物基因组内所有的基因总共不过几万个左可是，脊椎动物基因组内所有的基因总共不过几万个左右右。决不可能有那么多的免疫球蛋白基因去编码每一种决不可能有那么多的免疫球蛋白基因去编码每一种特定的免疫球蛋白分子特定的免疫球蛋白分子。n研究证明，这是通过基因重排来实现免疫球蛋白的多样研究证明，这是通过基因重排来实现免疫球蛋白的多样性性 。1 1轻链基因的重排轻链基因的重排 链可通过链可通过VV区基因的缺失、倒位而与相隔一定距离的区基因的缺失、倒位而与相隔一定距离的一个一个JJ基因相连接。基因相连接。链的链的V V区基因可区基因可随机地随机地同任何一同任何一个个JJ基因连接。重排后的基因连接。重排后的VJVJ再与再与CC连接生成完整连接生成完整的的链链DNADNA，其中的内含子在转录后剪接形成，其中的内含子在转录后剪接形成mRNAmRNA。由于由于VV和和JJ的连接不够精确，将造成更多的排列组合，的连接不够精确，将造成更多的排列组合，可能使多样性增加可能使多样性增加1010倍。倍。V和和J基因的连接基因的连接不是随机的不是随机的，而是严格地按，而是严格地按照：照：L1 V1 J1 C1，L1 V1J3，C3，L2 V2 J2 C2的组合进行连接的，所以入轻链的组合数远低于的组合进行连接的，所以入轻链的组合数远低于链。链。n2.重链基因的重排重链基因的重排 n 重链基因是通过重链基因是通过两次重排两次重排形成的形成的n第一次基因重排是第一次基因重排是D基因与基因与JH基因的重排连接，得到基因的重排连接，得到DJH基因片段；基因片段；n第二次基因重排是第二次基因重排是VH基因与基因与DJH基因片段的重排和连接，基因片段的重排和连接，得到得到VHDJH片段。片段。抗体的多样性n转换重组 classical switch recombination，CSR）n体细胞超突变（somatic hypermutation，SHM）n基因转换（gene conversion）n体细胞超突变、基因转换（gene conversion）以及转换重组是构成免疫球蛋白多样性的基础。体细胞超突变和基因转换发生在抗体产生时VDJ重组过程中，不同物种所采用的两种方式也有差异，如在鸡、牛、猪等物种中明显偏爱基因转换；在人和小鼠中则与之相反，其VDJ区多样性的产生主要依靠体细胞超突变 转换重组n1.转换区（转换区（Switch region）当B细胞从产生重链向其他类型转换时，位于VH区和需要转换的CH之间的区域通过位点特异性重组过程缺失。参与转换重组的DNA区域称为“Switch（S）region”，它位于每一个恒区基因的上游内含子序列中。从结构上来说，S区均由随机重复序列构成，而在、基因上游具有一些与S同源性较高的重复序列。第三节主要组织相容性复合体第三节主要组织相容性复合体n导致排斥反应n能够对此抗原进行快而强的排斥反应的免疫相关概念组织相容性抗原（histicompatibility antigen):代表个体特异性的引起抑制排斥反应的同种异型抗原，叫，也称移植抗原。主要组织相容性抗原系统（major histocompatibility antigen):在众多的组织相容性抗原系统中，能引起强烈而迅速排斥反应的抗原系统，称为，也叫主要组织相容性系统（major histocompatibility system,MHS)。主要组织相容性抗原复合体（major histocompatibility complex,MHC):编码MHS的基因在同一染色体上呈一组紧密连锁的基因群，将这一连锁群统称为。基本特点MHS广泛分布于人或动物所有有核细胞的表面，化学成分是脂蛋白或糖蛋白；MHS不仅参与移植排斥反应，而且在机体免疫应答过程中具有重要的调节作用；MHS在不同物种动物中的名称不同，其中小鼠的MHS称为H-2系统，人的MHS称为人类白细胞抗原（human leucocyte antigen,HLA)。MHC位于同一染色体上，具有控制同种移植排斥反应、免疫应答和免疫调节等功能。MHC在不同物种中处于的染色体位置不同，其中小鼠的MHC又称H-2复合体，位于17号染色体上，而人类的HLA则位于第6号染色体上。HLA复合体及其编码的产物HLA位于6号染色体的短臂上，其分布范围大约36004000 kb，含有至少10个基因位点；据其基因和编码产物的结构和功能的不同，将HLA复合体又分为三个区域，即、类基因区。类基因区包含A、B、C、E、F、G、H等位点；编码化学结构相似但抗原特异性不同的HLA-A、B、C肽链，作为HLA-类分子的重链，与15号染色体上2微球蛋白基因编码产物，通过共价键结合后，成为HLA-类抗原。类基因区包含HLA-DP、DQ、DR和DN、DO、DM等亚区，每个亚区中又包含多个基因位点。每个亚区中的每个位点可以编码不同的产物，这些产物两两之间呈非共价键结合后共同组成HLA-类抗原。类基因区内含众多编码血清补体成分和其它血清蛋白的基因，参与免疫应答的不同阶段。MHC分子分子n类分子n类分子两条分开的肽链 两条结合肽链引起移植排斥反应：引起移植排斥反应：HLA抗原本身就是激发机体对移植物产生强烈和快速排斥反应的主要相容性抗原系统。抗原呈递作用：抗原呈递作用：外来抗原被抗原呈递细胞摄取和处理后，必须与MHC-、类分子的肽结合区结合形成抗原肽MHC分子复合体，该复合体经转运表达于抗原呈递细胞的表面，才能被相应的淋巴细胞识别，从而启动免疫应答反应。HLA-、类抗原的主要功能 抗原特异性淋巴细胞不能识别游离或溶解状态的抗原，只识别MHC分子非共价结合的抗原。当抗原与MHC分子结合形成复合物并呈递到T细胞表面时，T细胞才能与带有MHC-抗原复合物的细胞相互作用，并被激活。抗原与类还是类分子结合，决定为激活的T细胞种类，也因此出现不同性质的免疫应答MHC的意义T细胞介导的免疫应答：n胞内微生物（与MHC协同）抗感染过程n对同种或异种的异体排斥反应（超敏反应）n自身免疫疾病n抗肿瘤免疫n免疫应答过程中的正负反馈作用第四节T细胞抗原识别和活化T细胞表明分化抗原n在T细胞表面出现的不同种类的分子，与T细胞分化发育的不同阶段有关，通称为分化抗原（differentiation antigen),并以分化群的编号命名（cluster of differentiation,CD)。n功能确定的CD145组和暂定CD4678n主要功能：细胞间相互作用，信号转导等T细胞受体（TCR）n同时识别抗原和MHC复合物并引起胞内反应。n类型 根据细胞是否在表面同时表达CD分子将受体分为两大类(alphabetaTCR、gammadeltaTCR）第五节补体系统第五节补体系统 补体的发现补体的发现Bordet（1895）发现如将新鲜免疫血清加热到60，30min则丧失溶菌能力。由于抗体耐温，这种溶菌能力并非是抗体活性改变，显然血清中还存在辅助或补充抗体溶菌但不耐热的物质，这些物质后来称为补体。为表彰Bordet的研究成果而授予他1919年诺贝尔奖。补体的概念补体的概念 补体补体：是存在于人和脊椎动物血清与组织液中一组经活化后具有酶活性的蛋白质补体的由三部分组成：补体的固有成分：参与经典激活途径的成分（C1、C4、C2）；甘露聚糖结合凝集素激活途径的MBL；丝氨酸蛋白酶；参与旁路激活途径的成分（P、D、B因子）；共同：C3、C5C9。参与调节的成分（C1抑制物、I因子、H因子、C4结合蛋白等）补体受体：CR15、C3aR、C2aR、C4aR补体的组成补体的激活补体的激活在生理情况下，大多数血清补体成分以酶前体的形式存在。补体的激活过程是一系列扩大的连锁反应。经典途径经典途径：活化的补体成分聚集于抗原细胞表面并形成管道，从而介导细胞溶解；旁路途径旁路途径（替代途径）：补体与抗原细胞表面直接结合而被活化。本章要点本章要点n一一.基本概念基本概念n二二.免疫的分类免疫的分类n三三.抗体结构抗体结构n四四.Ig基因及重排基因及重排n五五.MHC分子分子n六六.补体系统补体系统