97第二章 免疫分子 1 2 Ig和补体系统

第五章免疫分子第一节免疫球蛋白(Immunoglobulin,Ig)免疫球蛋白(immunoglobulin,Ig)包括成熟B细胞的膜表面Ig(SmIg)和某个B细胞克隆受抗原刺激、激活、分化、转化为浆细胞后分泌的Ig。由于Ig具有与相应抗原发生特异结合的功能，故称为抗体(antibody,Ab)。在人体内约有1×１07个B细胞克隆，各个B细胞克隆的SmIg分子的VL、VH结构都不一样，能识别差异极其微小的各种抗原决定簇，产生相应的Ig分子。分泌于血清中的Ig分子结构极不均一，与抗原结合的特异性千差万别，Ig自身表现的抗原性(血清型)也多种多样。关于Ig产生的遗传控制及多样性的起源，遗传学家们一直在进行研究，并存在分歧，提出的学说主要有胚系学说、体细胞突变学说和基因重排学说。随着分子生物学技术的发展，基因重排学说不断被实验证实和完善，受到普遍赞同。一、免疫球蛋白分子的基本结构Ig分子的基本结构为，两条相同的轻链(lightchain,L链)在两条相同的重链(heavychain,H链)外侧，L链和H链之间，H链与H链之间，由二硫键连接成一个“Y”字型。每条L链由210～230氨基酸组成，分子量约23ku，每条H链由420～446个氨基酸组成，分子量50～70ku。所有Ig的L链和H链从氨基端起的100多个氨基酸的组成和顺序多变，称为可变区(variableregion,V区)，L链的V区(VL)由108个氨基酸组成，H链的V区(VH)由107～130个氨基酸组成，VL和VH共同组成与相应抗原决定簇结合的部位。在VL和VH中氨基酸组成的变化仅集中3个区域(占氨基酸总量的15%~20%),称为超变区(hypervariableregion,HV)。超变区是Ig与抗原结定簇结合的互补决定区(complementarity-determiningregion,CDR)。VL的3个超变区Lhv1、Lhv2、Lhv3或称CDR1、CDR2、CDR3，分别为N末端起的第24～34、50～56和89～97位氨基酸。VH有3个超变区：Hhv1、Hhv2、Hhv3，分别是N末端起的第31～35、50～65和95～102位氨基酸。VH和VL中除超变区以外，其余4个氨基酸片段(占VL、VH氨基酸总量80%~85%)变化较小，称为框架区(frame-workregions,FR)。FR仅对CDR起支架作用。L链其余的1/2段的氨基酸组成和排列比较恒定，称为L链恒定区(CL)。CL仅发现两种，按它们表现的抗原性将L链区分为κ和λ两种型(type)，每一个Ig分子的两条L链均是同一个型，即同是κ型或同是λ型。H链其余3/4段的氨基酸组成和排列也较恒定，称为H链恒定区(CH)。CH有五种，据它们的抗原性将H链分为五类(class)，μ、δ、γ、α和ε。它们分别组成的Ig相应称为IgM、IgD、IgG、IgA和IgE。依每类Ig重链恒定区内个别氨基酸的差异及H链间二硫键位置不同，各类Ig又分亚类(subclass)，例如人的IgG分为IgG１、IgG２、IgG３和IgG４，IgM分为IgM１和IgM２，IgA分为IgA１和IgA２；马的IgG分为IgGa、IgGb、IgGc、IgG(B)和IgG(G)；牛的IgG分为IgG１和IgG２；猪的IgG分为IgG１、IgG２、IgG３和IgG４等。L链和H链内，大约每110个氨基酸残基片段内由两个半胱氨酸组成一个链内二硫键，形成一个环，环内的肽链以典型的Ig折叠(immunoglobulinfold)形成球状结构域(domain)。具有Ig球状结构域的尚有MHC-Ⅰ、MHC-Ⅱ类分子、TCR、Thy-1抗原、粘附分子(ICAM)等，它们归于一个Ig基因超家族(详见第22章)。L链内有两个结构域，VL和CL；IgG、IgA和IgD的重链内均有VH、CH1、CH2和CH3四个结构域；IgM和IgE的重链则多一个CH４结构域。每个结构域的免疫功能不同，但约有1/3的氨基酸排列顺序相同。IgG、IgA、IgD的CH1和CH2之间有一个约含30个氨基酸可弯曲的铰链区(hingeregion)，有利于Ig两臂伸展，与抗原分子上不同位置的表位结合。二、免疫球蛋白的多样性及血清型(一)Ig的多样性据测定，成年人体内的B淋巴细胞，约有1×１07种克隆，每种克隆约有1×１05个B细胞。各种克隆B细胞SmIg分子的VL-VH结构不同，能识别结合各种抗原决定簇，引起分化增殖成浆细胞，合成分泌各种特异性Ig分子。每种特异Ig分子的组成和结构都有差异，这就是所谓的Ig多样性。(二)Ig的血清型Ig分子不但具有抗体活性，同时自身也是很好的抗原，因各种动物和个体的遗传因素不同，B细胞在遗传性上具有差异，它们产生的Ig分子在抗原性上也就各不相同，这种差异必然与各种Ig分子的氨基酸残基组成和排列顺序有关，这种受遗传基因控制产生的抗原性差异，称为Ig的遗传标志(geneticmarker)。根据遗传标志的不同，可将Ig分子的抗原性分为三种不同类型的变异体(血清型)，即同种型、同种异型和独特型，具体见表1.5.1，它们可以用血清学方法来测定及分类，故称为免疫球蛋白血清型。1．同种型(isotype)即同种动物所有个体B细胞产生的免疫球蛋白的类、亚类，型、亚型都相同，不同种动物之间则不同。因此，人与各种哺乳类动物的免疫球蛋白，在动物间可互为免疫原。(1)类(class)：根据CH抗原性的不同，将重链分为γ、α、μ、δ、ε五类，其相应的免疫球蛋白分别为IgG、IgA、IgM、IgD、IgE。(2)亚类(subclass)：根据CH中二硫键的位置和数目等微细结构的差异，将免疫球蛋白再分为亚类，如IgG可分为IgG１、２、３、４四个亚类，IgA和IgM分别分为IgA１、２及IgM(3)型(type)：根据CL的抗原性不同，轻链可分为κ(约占65%)和λ(约占35%)两型。(4)亚型(subtype)：根据λ型的CL区中氨基酸的差异，将λ链分为Cλ1、Cλ2、Cλ3、Cλ4，或OZ(+)即λ链190位为亮氨酸，OZ(-)190位为精氨酸，Kern(+)154位为甘氨酸，Kern(-)154位为丝氨酸等四个亚型。κ型尚未发现有亚型。表1.5.1免疫球蛋白血清型同种型变异部位举例CHIgG、IgM、IgA、IgD、IgECHIgG1～4，IgA1～2，IgM1～2型CLκ、λ亚型CL(λ)OZ(+)、OZ(-)、Kern(+)、Kern(-)群VVHVVλVHVHⅠ～ⅣVL(κ)VKⅠ～ⅣVL(λ)VλⅠ～Ⅵ同种异体型CH(γ１～γ3)Gm1、Gm2……Gm30CH(α２)Am1，Am2CL(κ)κm1，2，3独特型VH/VL极多(5)群(group)：根据重链和轻链可变区同源性的差异程度不同，分为VH群、Vκ群和V(6)亚群(subgroup)：根据群内成员的可变区氨基酸的组成和排列顺序的不同，可进一步将重链可变区分为VHⅠ、VHⅡ、VHⅢ、VHⅣ等亚群。将κ型轻链可变区分为VκⅠ、VκⅡ、VκⅢ、VκⅣ等亚群。将λ型轻链可变区分为VλⅠ、VλⅡ、VλⅢ、VλⅣ、VλⅤ、VλⅥ等亚群。2.同种异体型(allotype)即同种动物不同个体的B细胞产生的免疫球蛋白分子，存在抗原特异性的差异。这是由于CH或CL上一个(或几个)氨基酸改变而造成的抗原性差异，将这些起决定作用的氨基酸称为异型标志，目前已证明人有Gm、Am、κm三组异型标志，分别为IgG、IgA和κ型轻链的遗传标志，人类的Gm共有约30种Gm因子、Am2种、κm3种,具体见表1.5.2。3.独特型(idiotype)是指同一动物个体内，不同B细胞克隆产生的免疫球蛋白，VH和VL区内的抗原决定簇不同，表现为抗原特异性的差异。它反映了抗体分子可变区的抗原决定簇的独特性。因为在同一个体内，有千万个B细胞克隆(免疫活性细胞)，每个B细胞克隆产生的Ig分子V区均有不同的抗原特异性，由此，将Ig区分的型别称为独特型。独特型抗原决定簇是由Ig的可变区(VH和VL)结构决定的，其氨基酸排列顺序的差异主要在超变区，即主要在Ig分子与抗原决定簇结合的部位。因为不同的B细胞系(克隆)产生的免疫球蛋白均具有特异的抗原结合部位，而且是均质的，所以一个B细胞克隆就只合成一个独特型抗体。机体内有千万个克隆的B细胞，就会有千万种不同的独特型抗体分子产生。独特型的出现，在更精确的水平上反映了每个抗体形成细胞遗传性的微细差别。除血清中的免疫球蛋白分子外，T、B淋巴细胞表面的抗原受体也具有独特型抗原特异性。独特型抗原决定簇不仅在不同种间、同种异体间可刺激机体产生抗独特型抗体(anti-idiotypeAb)，而且在自身体内也可诱导产生抗独特型抗体。这样，就形成了独特型与抗独特型的网络系统，由此构成机体内免疫细胞间相互制约的关系，在机体免疫应答调节中起着重要作用(见第十八章)。表1.5.2人免疫球蛋白的同种异型遗传标志肽链类型功能区同种异型氨基酸的位置和种类*重链轻链Gmγ１CH1Gm(4)214精Gm(17)赖γ１CH3Gm(1)356358门冬亮Gm(－1)谷蛋γ2CH2Gm(23)，Gm(－23)NDγ3CH2Gm(5)，Gm(－5)NDGm(15)Gm(16)NDGm(21)296酪Gm(－21)苯丙γ3CH3Gm(6)Gm(11)436苯丙Gm(－11)酪Gm(13)Gm(14)γ4CH2Gm(4a)309亮Gm(4b)空白Amα2CH3Am(1)411428458苯丙门冬缬缬Am(2)苏谷异亮丙κmκCLκκm(1)153191缬亮κm(1,2)丙亮κm(3)丙缬*氨基酸名称“氨酸”二字略，例：“精”即指“精氨酸”；ND：未检测三、免疫球蛋白分子的功能(一)重链和轻链的可变区与抗原特异结合Ig分子的VH和VL与抗原的特异结合，主要以它们的3个高变区，即互补决定区CDR1、CDR2和CDR3，与抗原表位(epitope)互补结合。各CDR位于VH、VL肽链折叠的回折处，VH、VL的顶部，构成袋型、沟槽型或平面型的空间构型。HCDR3、LCDR3位于空间构型中较为中心的位置，其全部氨基酸残基可能都与抗原接触。CDR1、CDR2仅有部分接触。Ig分子与抗原表位互补部位的氨基酸之间形成非极性的氢键、相互作用的静电力、范德华力和疏水力等。由于Ig与抗原的结合是非极性的，结合后可以解离，处于可逆状态。Ig分子与单价抗原的结合力称为亲和力(affinity)，Ig分子与抗原结合与解离的强度，在一定条件下取决于Ig分子与抗原结合的亲和力。在温度、pH、离子强度等恒定条件下，某一种Ig分子与其抗原的结合与解离达到平衡时，抗原-抗体复合物的浓度［Ag-Ab］，与游离抗体的浓度［Ab］和游离抗原表位的浓度［Ag］之比是一个常数，即亲和常数(affinityconstant,Ka)。Ka=［Ag-Ab］/［Ab］·［Ag］=K+K-K+为结合反应速度常数，K-为解离反应速度常数。［Ag-Ab］、［Ag］和［Ab］以摩尔浓度(mol/L)表示，则Ka的单位为摩尔浓度的倒数(L/mol或m-1)。通常，Ka在107-1012m-1的称为高亲和力抗体，低于107m-1IgM、IgG等抗体分子具有2个以上与抗原表位结合的部位，Ig分子与多价抗原结合的亲和力总和称为亲合力(avidity)。Ig分子的亲合力并不是亲和力的简单相加，而是呈几何级数上升，因此，一个低亲和力的IgM分子，或多个低亲和力的IgG分子，对天然多价抗原的结合可以是相当紧密的。(二)CH的功能1.与细胞膜上的Fc受体(FcR)结合IgG的Fc段可与MΦ、中性粒细胞、嗜酸性粒细胞等的FcγRⅠ(CD64)结合，有利于细胞吞噬被抗体IgG结合的病原体，即是起调理吞噬作用。此外，对MΦ等细胞也有刺激作用。IgG1的Fc段与NK细胞上的FcγRⅢ(CD16)结合)，则诱发NK细胞的ADCC效应。IgE的Fc段与肥大细胞或嗜碱性粒细胞上的FcεRⅠ结合，再次接触抗原，发生交联时，可诱导细胞腺体粘膜