免疫球蛋白基因超家族.doc

免疫球蛋白基因超家族
(Immunoglobulin Gene Superfamily,IgSF)
一、 概 述

图1221Ig基因超家族主要成员结构示意图
：免疫受体酪氨酸激活基序(ITAM)

自从免疫球蛋白(Ig)的分子结构及其基因特征被阐明后，陆续又发现了许多与Ig结构相类似、遗传基因有同源性的蛋白质，主要以膜蛋白的形式存在于细胞表面，它有识别传递信号的作用，就将这类蛋白统称为免疫球蛋白基因超家族(IgSF)。IgSF的成员主要分布在血液细胞表面，包括淋巴细胞、单核细胞、巨噬细胞、各种粒细胞、红细胞及血小板等。至于各种上皮细胞、血管内皮细胞及神经细胞表面则表达特有的IgSF，其中的MHC-Ⅰ类分子则存在于所有有核细胞表面。绝大多数IgSF成员为膜蛋白，由胞外区、跨膜区和胞内区三部分组成。胞外区肽段有识别功能，接受外界给细胞的刺激信号；跨膜区肽段可将IgSF分子锚在细胞膜类脂双层中；胞内区肽段主要传递胞外区输入的信号，引起细胞内代谢改变，发挥细胞各自的功能。
研究发现，Ig的肽链都是由具有典型折叠(fold)的免疫球蛋白结构域(Ig domain)组成(图1-22-1)。结构域中肽链反复折叠多股(strands),形成两个β片层(sheet)，两片层之间由二硫键连接而稳定(图1222)，V区结构域的双层折叠为一层5股，另一层4股，C区为4股和3股。V区结构域肽链的3个回折处为3个高变区，这3处氨基酸的变化形成与抗原特异结合的互补决定区CDR1、CDR2和CDR3(参见第五章免疫球蛋白)。

图1222Ig结构域肽链折叠示意图

至于机体内许多细胞表面的蛋白分子结构与Ig一样，也同样具有1个或几个免疫球蛋白样结构域，氨基酸组成也具有一定的同源性，就将这些膜表面蛋白分子统归属为免疫球蛋白基因超家族(immunoglobulin gene superfamily,IgSF)。IgSF有许多成员，除Ig已在第五章介绍外，本章主要讨论T细胞受体(TCR)、B细胞受体(BCR)、MHC-Ⅰ类分子和Ⅱ类分子、CD4、CD8及Ig的Fc受体(FcR)等(图1221)。

二、 T细胞抗原受体
(一) TCR结构 T细胞抗原受体(T cell recptor,TCR)是T细胞表面识别APC递呈的MHC
分子结合有抗原肽的糖蛋白分子。TCR是由不同基因编码的两条肽链，经二硫键连结的二聚体，按两条肽链不同，分为TCR γδ与TCR αβ两类；每个T细胞只表达一类TCR，密度约20.000，TCR与CD3密切结合成复合体(图1221)。
TCR γ、δ主要表达于发育早期的双阴性(CD4-、CD8-)T细胞表面,该细胞主要发现于胸腺等发育早期的上皮细胞中，在外周血中很少，仅占T细胞总数的5％左右。TCR α、β主要表达于分化成熟的CD4+、CD8- Th细胞和CD4-、CD8+ Tc细胞。外周血中约95％的T细胞是TCR αβ T细胞。
TCR γ链分子量36～55kD, δ链40～60kD,每条链的胞外区各有一个Ig样的V区、C区结构域，γ链的穿膜区含有一个带正电的赖氨酸(Lys)，δ链有一个赖氨酸和另一个带正电的精氨酸(Arg),它们与CD3 γ链、δ链、ε链穿膜区带负电的天冬氨酸(Asp)和谷氨酸(Glu)非共价结合，形成TCR-CD3复合体。TCR γδ的配体主要是MHC-Ⅰ类分子结合的抗原肽，以及分枝杆菌等感染因子的热休克蛋白。TCR γδ T细胞的生理学作用尚未清楚，可能在胸腺淋巴结等上皮屏障中对病原体(抗原)起监视作用。此外，TCR γδ对TCR αβ的表达起调节作用。TCR α链是分子量40～60kD的酸性糖蛋白，β链是40～50kD的中性或碱性糖蛋白，两条链的胞外区也各有一个与Ig相似的V结构域和C结构域。Vα、Vβ结构域中各有3个高变区即CDR1、CDR2和CDR3,组成抗原识别部位，特异识别MHC-Ⅰ类分子、Ⅱ类分子连结的抗原肽。Vβ还多一个高变区CDR4,是TCR识别超抗原的部位。α链的跨膜区含有1个赖氨酸(Lys)和精氨酸(Arg), β链的跨膜区含有1个赖氨酸(Lys)，它们与CD3 γ链跨膜区中带负电的谷氨酸(Glu)，δ、ε链跨膜区中带负电的天冬氨酸(Asp)非共价结合，形成TCR-CD3 复合体(图1221),TCR αβ识别抗原，CD3则起传导抗原信息的作用。

[HJ0]表1221TCR肽链基因定位
[HJ*8]基因染色体
[BHD,WK6,WK6W]小鼠人
γ137
[BHDW]δ1414
[BHDW]α1414
[BHDW]β67
图1223TCR胚系基因结构
L:前导序列，Sil:沉默子，enh:增强子

(二) TCR基因 编码TCR γ、δ，α、β链的基因位于T细胞不同染色体上(表1221)。TCR的基因表达与Ig基因一样，也遵循“二个基因一条肽链”的规则，即V基因和C基因编码表达一条TCR肽链。未分化成熟的前T细胞中都含有γ、δ、α、β的胚系基因(germ line gene),每种胚系基因都由许多分隔状态的带有编码前导肽(L)的可变区基因(V)、联接恒定区基因(C)的连接基因(J),β链的胚系基因还含有多样性基因(D)等组成 (图1223)。胚系基因无转录和表达功能，转录前必须经过基因重排(gene rearrangement)，形成含有VJC或VDJC基因的完整DNA才能转录mRNA，翻译TCR的一条肽链(图1224)。

图1224TCR β链基因重排与表达

T细胞在分化成熟过程中，胚系基因的δ链、γ链基因首先重排表达，α链、β链基因的重排表达被抑制。稍后，α链、β链基因重排表达，δ链、γ链基因重排表达停止。这样保证分化成熟过程中每一个T细胞只表达一类TCR。TCR胚系基因的重排过程如图1224中β链的重排过程所示：首先D.J.C基因重排；接着V.D.J.C基因重排，形成一条完整的有转录功能的β链DNA；转录初始mRNA；加工剪切成为成熟的mRNA，翻译β链蛋白，经加工折叠、糖基化，穿出并锚于细胞膜上。
(三) TCR的多样性 TCRV区识别抗原的结构与IgV区一样具有多样性。TCR V区多样性的形成综合于表1222，其机制有多个方面：① TCR α、β，γ、δ胚系基因都含许多V、J基因片段，β基因还有D基因片段②在基因重排过程中，Vα的VJ基因，Vβ的VDJ都可进行随机重排；③在V、D、J片段进行VJ、VDJ重排时，在V-J、V-D-J连接处可发生一定的偏移(变异)，导致核苷酸序列的改变，V区氨基酸组成的变化；④在基因重排过程中，在Vα的VJ连接处，Vβ的VDJ的D片段两侧，为防止形成终止密码(UAA、UGA、UAG、TAG)，在末端脱氧核苷酸转移酶作用下，可随机插入富含乌嘌呤(G)和胞嘧啶(C)的N一区核苷酸片段，使CDR3的氨基酸改变；⑤Vα与Vβ、或Vγ与Vδ的随机组合等。因上述多个方面的机制，一个机体内T细胞TCR的多样性可达1015～1018,各特异识别受MHC限制的蛋白质抗原。TCR识别的抗原主要是蛋白质抗原，并严格受MHC限制，蛋白质抗原必须在递呈细胞内降解成线性肽段并与MHC分子结合，通过APC与T细胞间密切形成“抗原肽-MHC-TCR三元体”而识别，并引起免疫应答。
[HJ0]
表1222TCR多样性产生
[HJ*8]多样性机制TCR α、β
[BHD,WK26mm,WK25mmW]α链β链[]TCR γ、δ
[BHD,WK26mm,WK26mmW]γ链δ链
1胚系V基因片段
[BHDW][KG*2]V7525710
[BHDW][KG*2]D0202
[BHDW][KG*2]J501222
[BHDW]2VJ、VDJ随机重排75×50375[]25×2×12=600[]7×2=14[]10×2×2=40
[BHDW]3VJ、VDJ连接偏移++++
[BHDW]4N区核苷酸片段插入VJVD、DJVJVD、DD、DJ
[BHDW]5VαVβ、VγVδ组合++++
6总的多样性≈10１５≈１０１８

(四) TCR复合体中的CD3分子 CD3分子是由γ、δ、ε、3个ζ和η共7条肽链组成(图1221)。分子量：γ链25～28kD,δ链20kD,ε链20kD，每条ζ链16kD,η链21kD。γ、ε链的胞外区各有一个二硫键连接的环状结构域。γ链穿膜区含有一个带负电的谷氨酸(Glu) δ、ε链的穿膜区含有一个带负电的天冬氨酸(Asp),与 TCR α链、β链穿膜区带正电的赖氨酸(Lys)和精氨酸(Arg)非共价结合，使TCR与CD3分子联结成复合体。ζ链和η的胞外区的氨基酸很少，肽链很短，由二硫键将ζξ和ξη连结。7条肽链的胞浆内区都含有1～3个保守的共同序列，TCRCD3复合体当识别结合抗原后，CD3分子的这些共同序列即发生磷酸化和去磷酸化的序列反应，使抗原信号传导，T细胞活化，这些共同序列称为免疫受体酪氨酸激活基序(immuno-receptor tyrosine based activation motif,ITAM)(图1221)。
三、 B细胞抗原受体
B细胞抗原受体(B cell recepter,BCR)是B细胞识别抗原的一种膜表面免疫球蛋白(SmIg)。B细胞的分化、成熟与活化的顺序是从骨髓干细胞、淋巴干细胞、前B细胞、末成熟B细胞，最后成熟为B细胞，当受抗原作用后，由活化的B细胞、记忆细胞和浆细胞在各个时期发生基因重排，则表达不同类别的SmIg。
前B细胞分化早期，Ig胚系基因的μ链V区基因首先重排，表达的μ链仅在于胞质中，但开始诱导轻链V区基因重排。末成熟B细胞，Ig轻链κ或λ的V区范围进行基因重排，表达SmIgM，此时期的SmIgM能识别结合抗原,但不引起免疫应答，反而对抗原处于“敏感”状态，一旦受到抗原作用，细胞发生凋亡，导致克隆流产(clonal abortion)。成熟B细胞，μ链以外的其它重链基因也进行重排，同时表达SmIgM和SmIgD，每个B细胞表达SmIg的密度可达104～105。经抗原作用活化的B细胞和记忆B细胞，只表达一种SmIg,如SmIgM、SmIgG、SmIgA、SmIgE或SmIgD。但以SmIg和IgD为主。
本章主要讨论成熟B细胞的BCR及其复合体中的Igα与Igβ。
(一) 成熟B细胞的BCR 成熟B细胞表达的IgM和IgD都是单体Ig分子，每条重链、轻链各由220个左右和430个左右的氨基酸残基构成。胞外的VH和VL各有一个Ig结构域，每个结构域各有3个超变区，即CDR1、CDR2和CDR3,它们共同组成和决定SmIgM、SmIgD识别抗原的特异结构。由于B细胞胚系Ig基因组成，表达等多态性产生的多种机制，SmIgM、SmIgD具有数量巨大的多样性(见第五章免疫球蛋白)，可特异识别无数种类的抗原。BCR识别抗原表位(epitope)与TCR识别抗原表位不同，BCR可识别蛋白质、多糖、脂类抗原表位，不依赖MHC的限制，且可直接识别抗原，形成抗原-BCR二元体，BCR也可直接结合可溶性抗原。
SmIgM与SmIgD的重链跨膜区约有20多个氨基酸，具有高度保守序列，除含有疏水性的氨基酸，还含有极性氨基酸Thr.Ser),与Igα、Igβ非共价稳定结合。SmIg的胞内区肽链短,SmIgM只有3个氨基酸，SmIgA有14个，SmIgG和SmIgE各有28个。
(二) BCR复合物中的Igα和Igβ Igα(CD79a)和Igβ(CD79b)是由两条不同基因编码表达的肽链，以二硫键连接的跨膜蛋白(图1221)。两条肽链的分子量分别为33kD和37kD,胞浆内区各有61和48个氨基酸，各含一个免疫受体酪氨酸激活基序(ITAM)结构。ITAM是Igα/Igβ传导由BCR识别接受的抗原信号，活化B细胞的重要结构。Igα/Igβ表达缺陷的B细胞，则不能表达SmIg,表明Igα/Igβ与BCR的紧密关系。
四、 MHC-Ⅰ类分子
MHC-Ⅰ类分子是由重链(α链)和轻链(β链)非共价结合的异二聚体(图1221)，广泛分布于有核细胞膜表面。α链是由主要组织相容性复合体(major histocompatibility complex.MHC)的Ⅰ类基因，如小鼠的H-2K和H-2D基因，人类的HLA-A、B、C基因编码的；β链是由另一个基因编码的β2微球蛋白(β2-m),α链与β链需同时表达于细膜膜上(相关内容参见第十六章MHC参与的抗原递呈及第二十一章主要组织相容性复合体)。
图1225MHC-Ⅰ类分子结构

MHC-Ⅰ类分子α链分子量45kD左右，其胞外区有3个结构域(α1、α2、α3),每个结构域约含90个氨基酸。α1和α2结构域与Ig的V区结构域相似，每个结构域的肽链折叠成一个α螺旋，4条β片层，两个结构域共同构成抗原结合槽，槽壁由2个α螺旋组成，槽底由8条β片层构成(图１225)。槽内最适结合9个氨基酸残基的抗原肽。α3结构域与Ig的C区结构域同源，是与Tc细胞的CD8结合的部位。α链的穿膜区由20多个氨基酸残基组成，胞内区由30～40个氨基酸残基组成，含有几个磷酸化的位置。
MHC-Ⅰ类分子β链(β2-m)的分子量12kD左右，其氨基酸序列高度保守，不同种之间变化极小。β2-m的作用主要是稳定MHC-Ⅰ类分子，并使其有效表达于细胞膜上。
编码MHC-Ⅰ类分子α链基因具有高度多态性，表达的α链及α1、α2结构域组成的结构使MHC-Ⅰ类分子也具有高度多态性。MHC-Ⅰ类分子是细胞表面引起同种异体组织移植排斥反应的抗原。也是Tc细胞杀伤带内源性抗原靶细胞的限制分子。
MHC-Ⅰ类分子的α链和β链(β2-m)在粗面内质网合成后，转运到滑面内质网腔(ER)，在钙联素(calnexin)蛋白、钙网蛋白(calreticulin)等伴随蛋白帮助下， α链正确折叠，与β2-m装配成Ⅰ类分子。接着又在抗原加工相关转运蛋白(transporter associated with Ag processing,TAP)作用下，MHC-Ⅰ类分子的α链与β2-m进一步折叠，并与由TAP蛋白转运进ER的内源性抗原肽结合(荷肽)。荷肽后的MHCⅠ类分子结构很稳定，从ER转运到高尔基体，糖化后，通过胞吐空泡(exocytic vesicles)转运到细胞膜，空泡膜与细胞膜融合，MHC-Ⅰ类分子一抗原肽呈现于靶细胞表面，供Tc细胞膜上的TCR识别，形成MHCI-抗原肽-TCR三元体结构，激活Tc对靶细胞的杀伤活性。
五、 MHC-Ⅱ类分子
MHC-Ⅱ类分子是由α链和β链组成的异二聚体(图1221),Ⅱ类分子是抗原递呈细胞(APC)中MHC的Ⅱ类基因，即免疫相关(Ia)基因编码表达的。小鼠的MHC-Ⅱ类分子又称H-20-Ⅱ类分子，人类的MHC-Ⅱ类分子又称HLA-Ⅱ类分子(相关内容参见第十六章MHC参与的抗原递呈及第二十一章主要组织相容性复合体)。
图1226MHC-Ⅱ类分子结构
MHC-Ⅱ类分子的α与β链以非共价键连接，分子量分别为32～34kD、26～29kD。α、β链的胞外区各有2个结构域(α1和α2,β1和β2)。 α1和β2结构域中的肽链各折叠成一条α螺旋，4条β片层。两个结构域相互构成抗原肽结合槽(图1226)。MHC-Ⅱ类分子的抗原肽结合槽与Ⅰ类分子的相似，但比后者结合的抗原肽可以较长，13～18个氨基酸(后者结合的为9个氨基酸)，其中有一段为9肽核心序列(core binding squence),且MHC-Ⅱ类分子抗原槽中的氨基酸残基与抗原肽的氨基酸以氢键结合的部位较多。MHC-Ⅱ类分子α2与β2结构域则构成与Th细胞的CD4结合的受体。抗原递呈细胞染色体中MHC-Ⅱ类基因编码的α链、β链在内质网中合成后，经糖基化，在钙联素(calnexin)蛋白帮助下配对、折叠，组成二聚体。接着在Ia相关不变链(Ia-associated invariant chain,简称Ii)蛋白引导下，MHC-Ⅱ类分子从内质网转运到内体。在内体/溶酶体中，外源性蛋白抗原被降解产生的抗原肽，在非经典的MHC-Ⅱ类分子DM蛋白作用下，抗原肽结合于MHC-Ⅱ类分子抗原槽中(荷肽)，荷肽的Ⅱ类分子由胞吐空泡(exocytic vesicles)转运到细胞膜内侧，经胞吐空泡膜与细胞膜融合，Ⅱ类分子抗原肽呈现于APC膜上，供CD4+ Th细胞膜上的TCR特异识别，形成Ⅱ类分子-抗原肽-TCR三元体结构，引起Th细胞的激活。
编码MHC-Ⅱ类分子的基因具有高度多态性，编码的Ⅱ类分子同样也具有多态性(参见第十六章MHC参与的抗原递呈及第二十一章主要组织相容性复合体)。
六、 CD4与CD8分子
CD4是单链跨膜的糖蛋白，表达于Th1及Th2细胞，某些B细胞及人与大鼠的单核细胞膜上，也可表达于未成熟的T细胞(CD4+、CD8+)。CD4分子量为50kD,胞膜外区有4个IgSF结构域，两个V结构域，两个C结构域(图1221)。胞内区有3个丝氨酸残基(Ser 408、415和431)可能磷酸化，CD4是Th细胞TCR识别受MHC-Ⅱ类分子限制抗原肽的辅助分子，因为Th的TCR与MHC-Ⅱ类分子-抗原肽的亲和力低，不能保证Th细胞的激活，CD4分子通过胞外区远端的结构域与MHC-Ⅱ类分子β2结构域部位结合，有助于提高Th细胞TCR与MHC-Ⅱ类分子-抗原肽结合的稳定性，保证Th细胞活化。
CD8是由α链和β链以二硫键连接的异源二聚体，表达于细胞毒性T细胞(CTL)膜上，也可以表达于未成熟的T细胞(CD4+、CD8+)。α、β链的分子量分别为36kD、32kD,胞外区各有一个Ig的V区样结构域(图1221)。CD8分子是Tc细胞(CTL)识别靶细胞MHC-Ⅰ类分子-内源性抗原肽，引起激活的辅助受体。CD8分子通过α链V区样结构域与MHC-Ⅰ类分子重链的αз结构域结合，也可提高CTL的TCR识别MHC-Ⅰ类分子/内源性抗原肽的稳定性。CD8分子α链的胞内区也参与抗原刺激信号的传导。
七、 免疫球蛋白Fc受体
许多细胞表达不同类型或亚类的免疫球蛋白Fc受体(Fc recepter.FcR)于细胞膜上，与相应Ig分子Fc片段结合，相互作用,发挥细胞和Ig的有关功能。FcR有IgG、IgA和IgE的FcR (FcγR、FcαR和 FcεR) 。FcγR 分为FcγRⅠ、 FcγRⅡ 和FcγRⅢ三种亚类，FcεR分为FcεRⅠ和FcεRⅡ两种亚类，在所有FcR各种亚类中，除FcεRⅡ(CD23)不属IgSF成员外，其余都是IgSF的成员。
(一) FcγRⅠ(CD64) FcγRⅠ主要表达于单核细胞、MΦ和树状突细胞,分子量约72kD,胞膜外区有3个C2结构域(图1221)，是IgG的Fc高亲和力受体，与IgG1、IgG3结合力强，与IgG4结合力弱，与IgG2不结合。FcγRⅠ促进吞噬细胞的吞噬作用，促进IL1、IL-6、TNF-2等分泌，FcγRⅠ也可介导ADCC。FcγRⅠ胞内段也参与信号传导。
(二) FcγRⅡ(CD32) FcγRⅡ广泛表达于单核细胞、MΦ、郎罕细胞、粒细胞、B细胞，胎盘内皮细胞和血小板，分子量约40kD，胞膜外区有2个C2样结构域(图1221)。FcγRⅡ与IgG的亲和力低，只能与聚合的IgG结合。吞噬细胞的FcγRⅡ与IgG结合后,促进氧化爆发(oxiditive burst)，增强吞噬作用。GM-CSF可促进FcγRⅡ表达，增强中性粒细胞、嗜酸性粒细胞功能。
FcγRⅡ可表达A、B1、B2、B3和C等几种异型。B1和B2异型称为FcγRⅡ-B1、FcγRⅡ-B2,这两种异型的胞内区带有免疫受体酪氨酸抑制基序(ITIM),具有抑制Ig介导的信号传导，分别阻遏未致敏B细胞、肥大细胞、MΦ、中性粒细胞的活化作用。
(三) FcRγⅢ(CD16) FcγRⅢ分FcγRⅢA，FcγRⅢB两种型式，FcγRⅢA是跨膜型蛋白，胞膜外区有2个C2样结构域(图1221)。主要表达于NK细胞、MΦ和肥大细胞，与IgG的Fc片段亲和力低，主要结合人IgG1、IgG3。跨膜区与FcεRⅠγ链或CD3ξ链以非其价键相连，在肥大细胞上还与FcεRⅠβ链相连。FcγRⅢA可介导NK细胞的ADCC和促进吞噬细胞的吞噬
FcγRⅢB由GPI连接于细胞膜的脂质双层中(图1221)。FcγRⅢB主要表达于中性粒细胞膜上，也可释放于血液中，呈可溶性FcγRⅢ。胞膜外区也有2个C2样结构域，具有促进IgG介导的吞噬作用。
(四) FcαR(CD89) FcαR有α1、α2和α3等异型，其中α1是跨膜型蛋白，胞外区有2个IgSF的C2样结构域(图1221)，表达于中性粒细胞和MΦ,是IgA Fc的中亲和力受体，可与血清型或分泌型IgA1、IgA2的Fc片段结合，介导吞噬细胞的吞噬作用，超氧产生，分泌炎性介质及发挥ADCC。
(五) FcεRⅠ FcεRⅠ尚无CD编号，是由1条α链、1条β链和2条γ链的二聚体共同组成的聚合体(αβγ2)。α链胞膜外区有2个IgSF的C2样结构域(图1221)，β链和γ链胞质区含有免疫受体酪氨酸激活基序(ITAM)。FcεRⅠ大量表达于肥大细胞、嗜碱性粒细胞，是IgE的Fc片段的高亲和力受体。FcεRⅠ以α链第1个C2样结构域与IgE重链第三个恒定区Cε3结合。IgE产生后，即与肥大细胞、碱性粒细胞膜上的FcεRⅠ结合，当多价变应原与细胞膜上的IgE特异结合后，使FcεRⅠ发生交联，β链放大信号，γ链介导信号传导，引起细胞脱颗粒，释放组胺、白三烯等多种生物活性介质。介导Ⅰ型超敏反应。血小板及嗜酸性粒细胞也可表达FcεRⅠ，其作用可介导对蠕虫等寄生虫的免疫应答。

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