免疫球蛋白基因的结构和多样性

第二节　免疫球蛋白基因的结构和多样性

表3-2　免疫球蛋白基因定位

编码多肽链 基因符号

（人） 基因定位（染色体） 人 小鼠

κ轻链 IGK 2p11 6

λ轻链 IGL 22q11 16

H重链 IGH 14q32.3 12

免疫球蛋白（Ig）的分子由IGK、IGL和IGH基因编码。IGK、IGL和IGH基因定位于不同的染色体（表3-2）。编码一条Ig多肽链的基因是由胚系中数个分隔开的DNA片段（基因片段）经重排而形成。1965年Dreyer和Bennet首先提出假说，认为Ig的V区和C区由分隔存在的基因所编码，在淋巴细胞发育过程中这两个基因发生易位而重排在一起。1976年Hozumi和Tonegawa应用DNA重组技术证实了这一假说。

一、 Ig重链基因的结构和重排

Ig重链基因是由V、D、J和C四种不同基因片段所组成。

（一）Ig重链可变区（V区）基因

重链可变区基因是由V、D、J三种基因片段经重排后所形成。

1.重链V区基因的组成　编码重链V区基因长约1000～2000kb，包括V、D、J三组基因片段。

　　（1）重链V基因片段：小鼠V _H 基因片段数目为250～1000个。根据V _H 基因片段核酸序列的相似性（>80%同源性），至少可分为11个家族（family).人V基因片段约为100个，至少可分为6个家族，每个家族含有2～60个成员不等。V基因片段由2个编码区（coding regions)组成：第一个编码区编码大部分信号序列；第二个编码区编码信号序列羧基端侧的4个氨基酸残基和可变区约98个氨基酸残基，包括互补决定区1和2（complementarity determining region 1和2，CDR1和CDR2）。

　　（2）重链D基因片段：D（diversity)是指多样性。D _H 基因片段仅存在于重链基因中而不存在于轻链基因。D基因片段编码重链V区大部分CDR3。小鼠D _H 共有12个片段，位于V _H 和J _H 基因片段之间，大部分D _H 片段较为集中，约占60～80kb，但靠上游的D _H 可能位于V _H 区域内，最后一个D _H 片段与J _H 基因5'端相距约0.7kb。人类D _H 片段可能有10～20个左右。

　　（3）重链的J基因片段：J（joining)指连接，是连接V和C基因片段。J _H 编码约15～17个氨基酸残基，包括重链V区CDR3除D _H 编码外的其余部分和第4骨架区。小鼠J _H 基因片段有4个，与Cμ相距约6.5kb。人有9个J _H， 其中6个是有功能的J _H 基因片段。

V、D、J基因片段经重组连接在一起，组成2个外显子，一个外显子编码信号序列的大部分，另一个外显子编码信号序列的其余部分和重链可变区。

小鼠和人在胚系中Ig基因的结构见图3-4和图3-5。

　　2.重链可变区基因的移位　在重链基因重排开始时，二条染色体上都发生D基因片段移位到J基因片段而发生D-J基因连接。在此以后，只有其中一条染色体上的V基因片段与D-J基因片段连接。V _H 基因片段5'端含有启动子（promoter)，J _H 和C _μ 基因片段之间的内含子中含有转录增强子（transcriptinal enhancer)。如果一条染色体V _H 基因与D-J基因重排无效（non-productive），另一条染色体的V _H 基因片段开始发生移位，与D-J基因片段连接。

某些与Ig基因片段重排有关的特殊序列称为识别序列（recognition sequences)，位于V基因片段的3'端与J基因片段的5'端之间以及D基因片段的两侧。V基因片段3'端、J基因片段5'端以及D基因片段的两侧也是DNA重排识别信号所在区域，这些识别信号包括三部分：（1）高度保守的回文结构的七聚体（palindromic heptamer);(2)较少保守、富含A/T的九聚体(nonamer);（3）七聚体和九聚体之间不保守的间隔序列（spacer sequence)，含有12±1碱基对或23±1碱基对。根据12/23碱基对间隔规则（或称1圈/2圈定律），两个基因片段的重组仅发生在两个基因片段之间：各有一个12个碱基对片段和一个23个碱基对片段的结构（图3-6）。

图3-4 小鼠Ig基因结构

　　注：（1）L：先导序列基因片段　　V：可变区基因片段　　D：D基因片段
　　J：J基因片段 　　　　　　C：恒定区基因片段　　E：转录增强子
　　　　　S：转换区　　　　　　　　：假基因
　　　（2）内含子区域所标数字表示DNA长度（kb)。
　　　（3）每个C _H 基因用一个方框表示，实际上包括几个外显子，如C _μ 含有6个外显子。
　　　（4）λ基因增强子位于Cλ4和Cλ1基因片段的下游。

图3-5 人Ig基因结构

　　注：（1）L：先导序列基因片段　V：可变区基因片段　D：D基因片段
　　J：J基因片段 　　　　C：恒定区基因片　：假基因
　　（2）内含子区域所标数字表示DNA长度（kb)
　　（3）每个C _H 基因用一个方框表示，实际上包括几个外显子

参与V/（D）/J基因重组过程的酶称为V/（D）/J重组酶（recombinase),有关于执行识别、切割和重新连接基因片段重组酶的纯化和鉴定工作还刚开始。重组酶实际上包括重组过程中多种酶的活性。最近在前B细胞（pre-b cell)中已经鉴定出两种刺激Ig基因重排的基因，称为重组激活基因1（recombination activating gene 1,RAG-1）和重组激活基因2（RAG-2），其确切的作用机理还不太清楚。重组酶作用的特点是：（1）淋巴细胞特异性的，非淋巴样细胞如成纤维细胞无重组酶活性，这可能解释了Ig基因的重排仅见于B淋巴细胞。目前一般认为T细胞TCR基因重排中的重组酶与B细胞中重组酶相同或相似。（2）重组酶发挥其功能仅限于B细胞发育早期，未成熟B细胞如前B细胞（pre-b cell)细胞系重组酶活性很高，但抗体生成细胞或骨髓瘤细胞无明显重组酶活性，因此时B细胞已经分泌某一特异性抗体，不再发生重排其它的Ig基因，因此也不会改变原先所产生抗体的特异性。转换重组酶（switch recom-binase)可能与VDJ重组酶（VDJ recombinase)相似，但缺乏七聚体/九聚体（heptamer/nonamer）识别蛋白。重组酶功能异常可导致机体不能产生Ig和TCR，很可能与重症联合免疫缺陷(severe combined immunodeficiency,SCID)的发生有关。例如SCID小鼠16号染色体着丝点末端存在一个scid基因，为单基因常染色体遗传基因。scid基因纯合将影响DNA重组酶的识别功能，在TCR或BCR基因片段重排时不能识别正确的位点，使T细胞、B细胞在淋巴干细胞发育早期即夭折，导致重症联合免疫缺陷。

图3-6　参与Ig基因重排组酶识别的DNA序列

（二）Ig重链恒定区（C区）基因

　　1.重链C基因片段　重链恒定区基因由多个外显子组成，位于J基因片段的下游，至少相隔1.3kb。每1个外显子编码1个结构域（domain)，铰链区（hinge region)是由单独的外显子所编码，但α重链的铰链区是由C _H 2外显子的5'端所编码。大多分泌的Ig重链羧基端片段或称尾端“tail piece”是由最后一个C _H 外显子的3'端所编码，而δ链的“tail piece”是由一个单独的外显子所编码。小鼠C _H 基因约占2000kb，其外显子从5'端到3'排列的顺序是Cμ-Cδ-Cγ3-Cγ1-Cγ2b-Cγ2a-Cε-Cα。人C _H 基因外显子排列的顺序是Cμ-Cδ-Cγ3-Cγ1-Cε2（pseudo基因）Cα1-Cγ2-Cγ4-Cε1-Cα2。其中基因片段Cγ3-Cγ1-Cε2-Cα1和基因片段Cγ2-Cγ4-Cε1-Cα2可能是一个片段经过一次复制而得，为研究C _H 基因的起源和进化提供有用的依据。

　　2.免疫球蛋白类型转换　1964年Nossal等发现B淋巴细胞存在着类型的转换。Ig类型转换（class switch)或称同种型转换（isotype switch)是指一个B淋巴细胞克隆在分化过程中V _H 基因片段保持不变，而发生