第6章：抗体多样性2021-04-17

抗体多样性

导读

人体似乎能够产生无限量的抗体(免疫球蛋白[Ig])分子-也许宇宙中的每个抗原至少有一个！计算表明，人类抗体库中可能有多达10^11种不同的抗体分子可用，这些抗体具有不同特异性。本章描述了B细胞中产生抗体多样性的各种机制。在T细胞中也存在类似的机制产生T细胞受体(TCR)多样性，但迄今为止尚未在其他基因中检测到这些机制。这些不同机制统称为多样性的产生。上图概述了组装完整免疫球蛋白分子（Ig）的各个步骤，本章描述在B细胞中组装Ig的途径。

免疫球蛋白基因

如第四章所述，Ig有两种多肽链，重链和轻链。每个链都有一个变量(V)和常数(C)区域。Ig多肽链由基因片段编码(Fig. 6.1)，这些基因片段在B细胞发育过程中被重新排列(Fig. 6.2) ，从而组装成编码轻链或重链的功能基因 (Fig. 6.3)。这些基因片段除了V和C基因片段外，还包括前导基因片段(Leader，L)、连接基因片段(Joining，J)和多样性基因片段(Diversity，D)。基因片段以集合或组的形式存在，这些集合或组是由基因片段不同版本的序列构成。例如，五个不同的 Jk基因片段构成了 Jk集合。Fig6.1展示了人轻链和重链基因片段的结构，并列举了Igs的不同基因片段。
在B细胞的发育过程中(第14章)，Ig基因片段被重新排列彼此相连形成具有连续性的功能基因(见Fig6.3)。重排的过程被称为体细胞重组，即使没有抗原也会发生，从而产生潜在的抗体(抗原受体)分子。一旦完成轻链和重链基因的组装，就能够合成Ig轻链和重链，并将多肽链组装成Ig分子。这种分子要么在B细胞表面表达，要么由称为浆细胞的分化B细胞分泌(见Fig6.6和第14章)。
抗体链的V区构成抗原结合位点，C区提供特殊效应功能，如与细胞受体或补体蛋白结合。抗体多样性是通过重组不同的基因片段，构建不同的V区产生的。这大大减少了原本编码大量不同抗体分子的基因数量，也减少了抗体分子基因的基因组数量。

Fig 6.1 免疫球蛋白基因座的基因组结构

Fig 6.2 免疫球蛋白可变区由基因片段重组而成

Fig 6.3 轻(A)和重(B)免疫球蛋白(Ig)链合成的主要步骤

Fig 6.3 轻(A)和重(B)免疫球蛋白(Ig)链合成的主要步骤

利用体细胞重组组装可变区

在最初的基因重排发生之后(见Fig6.2)，整个基因，包括外显子(编码序列)和内含子(非编码序列)被转录成一个初级RNA转录本(见Fig6.3)。然后进行RNA剪接，RNA处理酶去除内含子序列从而产生信使RNA(mRNA)，可翻译成蛋白质。然后蛋白水解酶去除前导(L)肽序列(见Fig6.3)。
轻链基因的V区由V、J片段组成，重链基因的V区由V、D和J三个片段组成(见Fig6.2)。为了转录一个完整的V区，V区基因片段(V和J或V、D和J)必须被“切割”，然后由负责DNA重组的酶连接在一起。例如，来自J段序列集合的一个J段与来自V段序列集合的一个V段组合以形成VL区域。类似地，一个V段、一个D段和一个J段被重新排列形成VH区域。首先将D和J片段连接起来，然后将V基因片段与D、J片段连接起来，创建一个完整的VH外显子(见Fig6.2)。因为有多个V、D和J基因片段(见Fig6.1)，可以创建许多不同、完整的可变区。例如，V1与J2结合的VL区，V6与J2结合形成的VL区具有不同的抗原特异性。
淋巴细胞中参与体细胞重组的酶复合物称为V(D)J重组酶。这些酶负责重排过程中细胞DNA的切割和重新连接。其中有两种酶是重组激活基因RAG1和RAG2的产物，负责参与Ig基因体细胞重组的第一步切割。RAG-1和RAG-2酶仅存在于淋巴细胞中，这些酶的缺陷会导致淋巴细胞发育受阻(见Box7.1)。
因此，B细胞联合2号染色体(κ轻链)或22号染色体(λ轻链)与14号染色体(重链)产生Ig。每个细胞都有2个基因分别继承于双亲；每个基因的一个拷贝需要被沉默：如果同时处理来自母系和父系基因的可变片段，B细胞可以产生两种不同的抗体特异性。双亲或母体基因沉默的过程被称为等位基因排斥。

Fig 6.4 κ轻链合成详情

基因的组织与合成

人类轻链

如第四章所述，两种类型的轻链是kappa(κ)和lambda(λ)。引发κ轻链合成的过程如Fig6.4中所示，并在下面描述。合成λ轻链的过程基本相同。
在人类生殖系中的2号染色体的κ位点上发现了大约35个不同的 Vk 基因，每个 Vk 基因编码N端(κ可变区的95个氨基酸残基)。Vk区(即3‘)下游有5个Jk外显子。每个Jk片段编码κ可变区的第96到第108个氨基酸。在长内含子之后，κ位点终止于编码κ轻链恒定区的一个Ck外显子。
为了合成κ轻链，处于B淋巴细胞早期的细胞(第14章)选择一个Vk外显子(如Vk3)，经过V(D)J重组酶的重排后，将其连接到一个J片段(如Jk2)。在本例中，将大约从V3的3‘端到J2的5’端中间的通过DNA循环将其切割出来，最终降解。然后重排的DNA转录产生一个初级RNA转录本(见Fig6.4)。该初级RNA转录本通过RNA剪接后形成成熟的mRNA，如Vk3、Jk2和Ck外显子一起产生成熟的mRNA。剪接去除了所有的中间序列(如J3、J4和J5)，从而允许RNA翻译成细胞内质网中的κ多肽链。λ链基因的过程与此相似，只是在人类22号染色体上发现了λ存在大约30Vλ和4个Jλ基因，每个Jλ基因都与不同的Cλ基因相关(见Fig6.1)，因此，在人类中可能存在四种不同的λ轻链亚型。

人类重链

在人类基因组14号染色体上的重链位点上，大约有50个VH，25个DH和6个JH基因片段存在(见Fig6.1)。多样性(D)片段和J片段一样，编码重链第三高变区(hv3)的氨基酸。术语“高变区”用于Ig和TCR多样性的讨论(第7章)。
重链合成的机制(Fig6.5)与κ轻链的合成机制非常相似，不同的是VH外显子的组装需要三个片段而不是两个，并且重链位点中存在多个CH外显子。
首先连接D和J片段，然后将V片段连接到组合的DJ片段形成完整的VH外显子。在重链RNA转录本的加工过程中，C区外显子被剪接到VH外显子上。
如Fig6.5所示，存在多个不同的CH区域。任意给定的VH区都可以通过类转换的DNA重排过程与任何CH区一起表达。不同的CH区具有不同的生物(效应)功能。这允许更多的多样性，因为相同的抗原特异性(V区)可以与赋予不同效应器属性的CH区相关联，例如，穿过胎盘的能力或与不同细胞类型上的不同组分结晶型(Fc)受体结合的能力(见Fig4.7)。

Fig 6.5 重链合成细节。

抗体多样性的产生

为了产生抗原受体多样性，B细胞采用如下所述的遗传机制：
1.V、D和J基因片段有多个拷贝，例如大约有35个Vk基因片段。这就是所谓的种系多样性。
2.VJ和VDJ基因片段以多种组合重组，称为组合多样性，例如，35个Vk和5个Jk片段可以形成175条(35×5)不同可变区的人κ轻链。
3.基因片段之间形成连接。例如，V基因片段与重排的DJ基因片段的连接涉及DNA切割，随后是核苷酸的加减，以创建一个连接点(Table6.1)。这些事件的结果是，不同B细胞中连接点处可产生不同的编码序列，例如，通过酶末端脱氧核苷酸转移酶(TDT)随机添加核苷酸。不同序列会产生更大的抗体多样性，即连接多样性。如Fig6.6所示，假定结合位点上的氨基酸序列可以从-Ala-Arg-Asn-变为-Ala-Arg-Ile-，这是主要化学结构变化，只需在VH与 DH JH片段的连接过程中删除一个核苷酸即可。
4.轻链和重链可以有多种组合。原则上，任何重链都可以与任何轻链结合。因为这两条链都是抗原结合位点，所以这种随机排列的轻链和重链会产生不同的抗体特异性。例如，200个不同的轻链与2000个不同的重链随机结合，可能会产生420(4×105)个不同抗体。
5.抗原刺激后可发生体细胞高突变。在组装了功能性抗体基因，B细胞对抗原产生反应后，另一种机制，称为体细胞高突变，在V区产生额外的多样性。这个机制的作用是以非常高的比率将点突变引入重链和轻链的V区。一些突变产生的抗体分子比“原始”抗体更适合抗原。这些新抗体以更高的亲和力结合抗原，表达它们的B细胞被优先选择成熟为浆细胞(第14章)。这种现象有时被称为个体中抗体分子群体的亲和成熟(affinity maturation)。
当B细胞对持续感染有反应时，用酶联免疫吸附试验(ELISA)测定的抗体数量逐渐增加。在一定程度上随着时间的推移，产生更多的B细胞，进而分泌更多抗体。另外，由于发生了体细胞突变，产生的抗体的质量得到了提高，亲和力更高。感染被清除后，部分B细胞就会作为记忆B细胞存活下来。这些细胞来源于B细胞，由于亲和成熟，B细胞分泌了最佳的免疫球蛋白。

Fig 6.6细胞表面(跨膜)和分泌形式的免疫球蛋白(Ig)。pAs.分泌型的聚腺苷酸化位点; pAm.膜结合型的聚腺苷酸化位点

免疫球蛋白类别

类别转换

如第四章所述，人免疫球蛋白有五类，分别是IgM、IgD、IgG、IgE和IgA。这些Igs中的每一个都有CH基因(见Fig6.5)，相同的VH外显子可以重新排列，以便在免疫反应过程中的不同时间与不同的CH外显子相关联。例如，在对抗原的免疫反应早期，B细胞总是表达IgM，随后，在对同一抗原的反应，组装的V区可在IgG抗体中表达。这种变化涉及特定区域之间的DNA重组，称为切换区。使用不同的恒定区域可创建额外的多样性，因为不同的效应器功能与不同的C区域相关联。
类别转换使B细胞能够根据特定情况定制抗体。例如，IgM是一种相当有用的抗体，用于治疗血液中的感染，但其高分子量阻止了它扩散到组织中。因此，B细胞在对组织感染(如脓肿)作出反应时，会发生类别转换，产生IgG。另一方面，免疫系统进化出IgA以应对粘膜表面(如肠道)的感染。B细胞会因肠道感染从IgM转变为IgA细胞，本章中的box描述了这些知识如何帮助诊断感染。

膜结合型和分泌型免疫球蛋白

B细胞能产生膜结合或分泌形式的Igs。膜结合型Ig在重链的末端有大约30个额外的氨基酸残基。这些残基中包括一段大约长度为25的疏水氨基酸，它们将Ig锚定在细胞膜上，在那里它可以作为受体发挥作用(见第11章)。这两种不同的形式在不同的CH外显子中编码，并且不同的RNA加工方式 (见Fig6.6)用于产生分泌型或膜结合型Igs。同样，这种RNA选择性加工以及多聚腺苷酸位点选择的调节机制还不完全清楚。可能与抗原结合和/或与T细胞相互作用产生的信号有关(第16章)。

BOX 6.1 使用抗体诊断急性乙型肝炎感染

一位29岁的女性患者，有4周轻度发烧、体重减轻和黄疸病史。并且有与多个伴侣发生无保护措施性行为的历史，有一些自制纹身。除了明显的肝功能异常外，病毒学诊断结果可以帮助判断她黄疸的表现是否由急性乙型肝炎病毒感染引起。血液检查显示甲型肝炎和丙型肝炎病毒的抗体呈阴性，说明这些感染不太可能是她黄疸的原因。她的乙肝表面抗原(HBsAg)抗体呈阳性，但这可能与接种疫苗相关，但她不确定自己是否接种过疫苗。在这种情况下，另外两种情况可以排除这种可能性：
1、HBsAg阳性。抗原，不是抗体，只有在乙肝感染后才能检测到，而不是在接种疫苗后。她的病毒DNA也呈阳性，只有在感染后才能出现。
2.有抗乙肝核心抗原抗体(抗HBc)。疫苗中不存在乙肝核心抗原(Fig6.7A)，因此接种疫苗不会产生针对它的抗体。而乙肝病毒中存在血红蛋白，在感染后会产生针对它的抗体。可能诊断是我们病人黄疸的原因是乙型肝炎感染，慢性乙型肝炎感染者往往肝功能正常。这些人的免疫球蛋白G(IgG)抗HBc检测呈阳性。但该患者有IgM抗HBc，表明感染发生在过去的几周内(Fig6.7B，C和Table6.2)。所以诊断为急性乙型肝炎感染的可能性很大。
病人在没有任何特殊治疗的情况下逐渐感觉好多了。她的HBsAg和病毒DNA测试呈阴性，表明她的身体正在控制感染。她的抗HBc种类从IgM转到了IgG，时间才能证明她是否会成为慢性携带者，以及她未来是否会出现更多与乙型肝炎感染相关的问题(见第23章)。

Fig 6.7 A.乙型肝炎病毒的结构。B.可用于乙型肝炎病毒感染不同阶段的检测。HBC，乙肝核心(抗原)；HBsAg，乙肝病毒表面抗原