醫(yī)學(xué)免疫學(xué)/免疫球蛋白基因的結(jié)構(gòu)和抗體多樣性
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Ig分子是由三個(gè)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(gè)分隔的DNA片段（基因片段）經(jīng)重排而形成的。1965年Dreyer和Bennet首先提出假說，認(rèn)為Ig的V區(qū)和C區(qū)是由分隔存在的基因所編碼，在淋巴細(xì)胞發(fā)育過程中這兩個(gè)基因發(fā)生易位而重排在一起。1976年日本學(xué)者利根川進(jìn)應(yīng)用DNA重組技術(shù)證實(shí)了這一假說。利根川進(jìn)由此獲得1987年醫(yī)學(xué)和生理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)。
表2-5 免疫球蛋白基因定位
| 編碼多肽鏈 | 基因符號(hào)（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(jié)構(gòu)和重排
（一）重鍵V區(qū)基因
H鏈V區(qū)是由V、D、J三種基因片段經(jīng)重排后組成。
1．H鏈V區(qū)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(hào)序列和V區(qū)靠N端98個(gè)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(gè)片段，人的DH片段的數(shù)目還不完全清楚，可能有10～20個(gè)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(gè)，人有9個(gè)JH片段，其中6個(gè)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(gè)骨架區(qū)。
2．H鏈V區(qū)基因的移位 首先發(fā)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(qū)基因的易位和連接是通過七聚體-間隔序列-九聚體識(shí)別信號(hào)和重組酶而完成的。
（二）重鏈C區(qū)基因
1．C基因片段小鼠H鏈區(qū)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(qū)基因的順序?yàn)镃μ-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(jié)構(gòu)
圖2-14 人Ig基因結(jié)構(gòu)
2．Ig類別轉(zhuǎn)換（class switch） 是指一個(gè)B細(xì)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(chǎn)物，其V區(qū)相同，而C區(qū)不同，即識(shí)別抗原的特異性相同，而Ig的類或亞類發(fā)生改變。Ig可能是通過缺失模式（deletion model）和RNA剪接（splicing）兩種機(jī)制來實(shí)現(xiàn)類別的轉(zhuǎn)換。
（三）膜表面Ig重鏈基因
膜表面Ig（Sm Ig）是B細(xì)胞識(shí)別抗原的受體。(Sm Ig)和分泌性Ig的H鏈結(jié)構(gòu)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(qū)。因此SmIgH鏈的轉(zhuǎn)錄本（transcript）要比分泌性IgH鏈轉(zhuǎn)錄本多1～2個(gè)外顯子。編碼H鏈的羧基端部分，其氨基酸殘基的的數(shù)目視H鏈不同而有差異，如在小鼠或人SmIgμ鏈的這一部分長(zhǎng)約41個(gè)氨基酸殘基，而小鼠SmIgε鏈此區(qū)域卻有72個(gè)氨基酸殘基。這個(gè)區(qū)域包括三個(gè)部分：①一個(gè)酸性間隔子，與H鏈最后一個(gè)CH功能區(qū)相同，位于胞膜外側(cè)；②含26個(gè)氨基酸殘基的疏水區(qū)，為穿膜部分；③胞漿內(nèi)部分，3～28個(gè)氨基酸殘基不等。
二、Ig輕鏈基因的結(jié)構(gòu)和重排
在IgH鏈基因重排后，L鏈可變區(qū)基因片段隨之發(fā)生重排。在L鏈中，κ鏈基因先發(fā)生重排，如果κ基因重排無效，隨即發(fā)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(gè)氨基酸殘基），Jκ或Jλ基因片段編碼CDR3的其余部分和第四個(gè)骨架區(qū)（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(jié)構(gòu)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(gè)（其中4個(gè)功能），Cκ只有1個(gè)。人Vκ基因片段約有100個(gè)，Jκ有5個(gè)。Cκ也只有1個(gè)。Vκ與Cκ之間以隨機(jī)方式發(fā)生重排。
（二）λ鏈基因的結(jié)構(gòu)和重排
κ鏈基因也是由Vλ、Jλ和Tλ基因片段經(jīng)重排后組成。小鼠Vλ基因片段有3個(gè)：Vλ1、VλX；4個(gè)Jλ和4個(gè)Cλ基因片段，分為（Jλ2Cλ2，Jλ4Cλ和Jλ3Cλ3，Jλ1Cλ1）兩組。它們的基因重排比較復(fù)雜。人Vλ約有100個(gè)，至少有6個(gè)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(xué)基礎(chǔ)
機(jī)體對(duì)外界環(huán)境中種類眾多抗原刺激可產(chǎn)生相應(yīng)的特異性抗體，推算出抗體的多樣性在107以上?？贵w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(shù)量相當(dāng)多，這是生物在長(zhǎng)期進(jìn)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(jī)配對(duì)所推算的多樣性數(shù)目。
表2-6 小鼠Ig多樣性（舉例）
| 多肽鏈 | 基因片段數(shù) | V區(qū)基因重組方式 | 經(jīng)重排的隨機(jī)配對(duì)后* 推算的多樣性數(shù)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(shù)目不包括VDJ連接多樣性、N區(qū)插入和體細(xì)胞突變所增加的多樣性數(shù)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(diǎn)有一定的變異范圍，例如VL基因片段3'端5個(gè)核苷酸CCTCC和JL基因片段5'端4個(gè)核苷酸GTGG連接時(shí)，總共9個(gè)核苷酸中只有6個(gè)核苷酸編碼L鏈第95、96位氨基酸，因此可產(chǎn)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(shí)都可有連接多樣性的存在。
3．體細(xì)胞突變（somaticmutation）體細(xì)胞在發(fā)育過程中可發(fā)生基因突變。以長(zhǎng)期體外培養(yǎng)的B細(xì)胞前體為例，每個(gè)細(xì)胞每個(gè)堿基對(duì)的突變率約為1～43×10-5，這種點(diǎn)突變主要發(fā)生在V基因。體細(xì)胞突變擴(kuò)展了原有胚系眾多基因片段重排的多樣性。
4．N區(qū)的插入在IgH鏈基因片段重排過程中，有時(shí)可通過無模板指導(dǎo)的機(jī)制（nontempletdirected mechanism）,在重組后D基因片段的兩側(cè)即VH-DH或DH-JH連接處額外插入稱為N區(qū)的幾個(gè)核苷酸。N區(qū)不是由胚系基因所編碼。在N區(qū)插入前，先通過外切酶切除VH-DH或DH-JH連接處幾個(gè)堿基對(duì)，然后通過末端脫氧核苷酸轉(zhuǎn)移酶（terminal deoxynucleotidyl transferase,TdT）連接上N區(qū)。由于額外插入了N區(qū)，可發(fā)生移碼突變（fuame shift mutation）,使插入部位以及下游的密碼子發(fā)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(jī)配對(duì) 如表2-6所示，小鼠H鏈和κ鏈隨機(jī)配對(duì)后推算其多樣性可達(dá)4.8×107，如果再加上H鏈與λ鏈的隨機(jī)配對(duì)其多樣性應(yīng)更多了。
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