《細胞和分子免疫學》 一、　Ig重鏈基因的結構和重排

Ig重鏈基因是由V、D、J和C四種不同基因片段所組成。

（一）Ig重鏈可變區(qū)（V區(qū)）基因

重鏈可變區(qū)基因是由V、D、J三種基因片段經(jīng)重排后所形成。

1.重鏈V區(qū)基因的組成　編碼重鏈V區(qū)基因長約1000～2000kb，包括V、D、J三組基因片段。

（1）重鏈V基因片段：小鼠VH基因片段數(shù)目為250～1000個。根據(jù)VH基因片段核酸序列的相似性（>80%同源性），至少可分為11個家族（family).人V基因片段約為100個，至少可分為6個家族，每個家族含有2～60個成員不等。V基因片段由2個編碼區(qū)（codingregions)組成：第一個編碼區(qū)編碼大部分信號序列；第二個編碼區(qū)編碼信號序列羧基端側的4個氨基酸殘基和可變區(qū)約98個氨基酸殘基，包括互補決定區(qū)1和2（complementarity determining region 1和2，CDR1和CDR2）。

（2）重鏈D基因片段：D（diversity)是指多樣性。DH基因片段僅存在于重鏈基因中而不存在于輕鏈基因。D基因片段編碼重鏈V區(qū)大部分CDR3。小鼠DH共有12個片段，位于VH和JH基因片段之間，大部分DH片段較為集中，約占60～80kb，但靠上游的DH可能位于VH區(qū)域內(nèi)，最后一個DH片段與JH基因5'端相距約0.7kb。人類DH片段可能有10～20個左右。

（3）重鏈的J基因片段：J（joining)指連接，是連接V和C基因片段。JH編碼約15～17個氨基酸殘基，包括重鏈V區(qū)CDR3除DH編碼外的其余部分和第4骨架區(qū)。小鼠JH基因片段有4個，與Cμ相距約6.5kb。人有9個JH，其中6個是有功能的JH基因片段。

V、D、J基因片段經(jīng)重組連接在一起，組成2個外顯子，一個外顯子編碼信號序列的大部分，另一個外顯子編碼信號序列的其余部分和重鏈可變區(qū)。

小鼠和人在胚系中Ig基因的結構見圖3-4和圖3-5。

2.重鏈可變區(qū)基因的移位　在重鏈基因重排開始時，二條染色體上都發(fā)生D基因片段移位到J基因片段而發(fā)生D-J基因連接。在此以后，只有其中一條染色體上的V基因片段與D-J基因片段連接。VH基因片段5'端含有啟動子（promoter)，JH和Cμ基因片段之間的內(nèi)含子中含有轉錄增強子（transcriptinalenhancer)。如果一條染色體VH基因與D-J基因重排無效（non-productive），另一條染色體的VH基因片段開始發(fā)生移位，與D-J基因片段連接。

某些與Ig基因片段重排有關的特殊序列稱為識別序列（recognition sequences)，位于V基因片段的3'端與J基因片段的5'端之間以及D基因片段的兩側。V基因片段3'端、J基因片段5'端以及D基因片段的兩側也是DNA重排識別信號所在區(qū)域，這些識別信號包括三部分：（1）高度保守的回文結構的七聚體（palindromic heptamer);(2)較少保守、富含A/T的九聚體(nonamer);（3）七聚體和九聚體之間不保守的間隔序列（spacer sequence)，含有12±1堿基對或23±1堿基對。根據(jù)12/23堿基對間隔規(guī)則（或稱1圈/2圈定律），兩個基因片段的重組僅發(fā)生在兩個基因片段之間：各有一個12個堿基對片段和一個23個堿基對片段的結構（圖3-6）。

圖3-4 小鼠Ig基因結構

注：（1）L：先導序列基因片段　V：可變區(qū)基因片段　D：D基因片段

J：J基因片段　C：恒定區(qū)基因片段　E：轉錄增強子

S：轉換區(qū)　*：假基因

（2）內(nèi)含子區(qū)域所標數(shù)字表示DNA長度（kb)。

（3）每個CH基因用一個方框表示，實際上包括幾個外顯子，如Cμ含有6個外顯子。

（4）λ基因增強子位于Cλ4和Cλ1基因片段的下游。

圖3-5 人Ig基因結構

注：（1）L：先導序列基因片段　V：可變區(qū)基因片段　D：D基因片段

J：J基因片段　C：恒定區(qū)基因片　*：假基因

（2）內(nèi)含子區(qū)域所標數(shù)字表示DNA長度（kb)

（3）每個CH基因用一個方框表示，實際上包括幾個外顯子

參與V/（D）/J基因重組過程的酶稱為V/（D）/J重組酶（recombinase),有關于執(zhí)行識別、切割和重新連接基因片段重組酶的純化和鑒定工作還剛開始。重組酶實際上包括重組過程中多種酶的活性。最近在前B細胞（pre-b cell)中已經(jīng)鑒定出兩種刺激Ig基因重排的基因，稱為重組激活基因1（recombinationactivating gene 1,RAG-1）和重組激活基因2（RAG-2），其確切的作用機理還不太清楚。重組酶作用的特點是：（1）淋巴細胞特異性的，非淋巴樣細胞如成纖維細胞無重組酶活性，這可能解釋了Ig基因的重排僅見于B淋巴細胞。目前一般認為T細胞TCR基因重排中的重組酶與B細胞中重組酶相同或相似。（2）重組酶發(fā)揮其功能僅限于B細胞發(fā)育早期，未成熟B細胞如前B細胞（pre-b cell)細胞系重組酶活性很高，但抗體生成細胞或骨髓瘤細胞無明顯重組酶活性，因此時B細胞已經(jīng)分泌某一特異性抗體，不再發(fā)生重排其它的Ig基因，因此也不會改變原先所產(chǎn)生抗體的特異性。轉換重組酶（switch recom-binase)可能與VDJ重組酶（VDJ recombinase)相似，但缺乏七聚體/九聚體（heptamer/nonamer）識別蛋白。重組酶功能異?？蓪е聶C體不能產(chǎn)生Ig和TCR，很可能與重癥聯(lián)合免疫缺陷(severe combinedimmunodeficiency,SCID)的發(fā)生有關。例如SCID小鼠16號染色體著絲點末端存在一個scid基因，為單基因常染色體遺傳基因。scid基因純合將影響DNA重組酶的識別功能，在TCR或BCR基因片段重排時不能識別正確的位點，使T細胞、B細胞在淋巴干細胞發(fā)育早期即夭折，導致重癥聯(lián)合免疫缺陷。

圖3-6　參與Ig基因重排組酶識別的DNA序列

（二）Ig重鏈恒定區(qū)（C區(qū)）基因

1.重鏈C基因片段　重鏈恒定區(qū)基因由多個外顯子組成，位于J基因片段的下游，至少相隔1.3kb。每1個外顯子編碼1個結構域（domain)，鉸鏈區(qū)（hinge region)是由單獨的外顯子所編碼，但α重鏈的鉸鏈區(qū)是由CH2外顯子的5'端所編碼。大多分泌的Ig重鏈羧基端片段或稱尾端“tail piece”是由最后一個CH外顯子的3'端所編碼，而δ鏈的“tailpiece”是由一個單獨的外顯子所編碼。小鼠CH基因約占2000kb，其外顯子從5'端到3'排列的順序是Cμ-Cδ-Cγ3-Cγ1-Cγ2b-Cγ2a-Cε-Cα。人CH基因外顯子排列的順序是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可能是一個片段經(jīng)過一次復制而得，為研究CH基因的起源和進化提供有用的依據(jù)。

2.免疫球蛋白類型轉換　1964年Nossal等發(fā)現(xiàn)B淋巴細胞存在著類型的轉換。Ig類型轉換（class switch)或稱同種型轉換（isotype switch)是指一個B淋巴細胞克隆在分化過程中VH基因片段保持不變，而發(fā)生CH基因節(jié)段的重排、比較CH基因片段重排后基因編碼的產(chǎn)物，V區(qū)相同而C區(qū)不同，即識別抗原特異性不變，而類或亞類發(fā)生改變。這種類型轉換在無明顯誘因下可自發(fā)產(chǎn)生。

局部微環(huán)境和細胞因子可影響和調節(jié)免疫球蛋白類型的轉換，如在腸道派伊爾氏結的B細胞V基因片段優(yōu)先轉換到Cα1進行重排，因此主要合成和分泌IgA。在體外向經(jīng)LPS刺激的小鼠B細胞中加入IL-4，可促進B細胞產(chǎn)生IgG1和IgE，抑制IgG2b產(chǎn)生；低濃度的IL-4主要誘導產(chǎn)生IgG1，高濃度IL-4主要誘導產(chǎn)生IgE。面IFN-γ則誘導小鼠B細胞合成IgG2a，抑制IgE的產(chǎn)生。TGF-β、IL-5和IL-6對IgA的產(chǎn)生具有促進作用（表3-3）。細胞因子調節(jié)B細胞Ig類別轉換的機理可能是：（1）刺激某些細胞的克隆選擇性的增殖，使分泌某特定類、亞類抗體的克隆細胞增加，如IL-5、IL-6促進IgA。產(chǎn)生除通過同種型轉換進行調節(jié)外，還可選擇性促進IgA定向細胞分化增殖為IgA分泌細胞。（2）通過誘導特定位置上兩個轉換區(qū)的重組，誘導B細胞由分泌IgM向某一同種型Ig轉換。如高濃度IL-4促進LPS誘導小鼠B細胞產(chǎn)生IgE，主要是使Cε轉換區(qū)與重組酶的接近（accessibility),通過同種型轉換促進IgE的產(chǎn)生。

表3-3　細胞因子對LPS誘導的Ig類和

亞類轉換的調節(jié)作用（占總Ig%）