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过程分子生物学523416基因的表达与调控细胞通讯的分子机制免疫多样性的分子识别胚胎发育的基因表达谱肿瘤发生的分子机制基因组学与系统生物学免疫多样性的分子识别EBCDAF哺乳动物的免疫识别及应答系统抗体多样性的分子机制抗体类型开关的切换T淋巴细胞受体的结构与功能大型组织相容性蛋白的结构与功能先天性免疫系统的功能与机制GHI微生物识别自我与非自我的分子机制获得性免疫系统的功能与机制抗体编码区的顺序组织3A哺乳动物的免疫识别及应答系统生物体免疫系统的本质功能是区分“自我”与“非自我”。对于单细胞生物而言，区分自身与环境并不困难，胞内物质就是自身的，而胞外物质都是非自身的。但对于多细胞生物来说，区分自我与非自我就要依靠分子识别系统。人体由三百多种不同形态和性质的细胞构成，这些细胞的结构、功能、作用方式均有其特殊性，因此人体需要a免疫系统的功能由更精确的免疫系统实现下列三种功能：3A哺乳动物的免疫识别及应答系统自身细胞或物质的识别功能a免疫系统的功能一种机制去识别自身的细胞和分子非自身细胞或物质的识别功能一种机制去识别非自身的入侵者抵御消灭入侵者的功能一种机制去抵御消灭入侵者，并修复由其所造成的机体损伤3A哺乳动物的免疫识别及应答系统b免疫系统的组成先天性免疫两大免疫系统获得性免疫巨噬细胞树突细胞警察系统两大安全系统军事系统T淋巴细胞B淋巴细胞两种方式细胞分子干扰素白介素补体抗体细胞水平上免疫功能的发挥主要依靠先天性免疫系统中的巨噬细胞和树突细胞，以及获得性免疫系统中的T淋巴细胞和B淋巴细胞分子水平上免疫功能的发挥主要依靠溶解在机体循环系统中的分子，如细胞因子、补体和免疫球蛋白，因此又称为体液免疫系统3A哺乳动物的免疫识别及应答系统哺乳动物的免疫系统不但具有重要的生理功能，同时也c免疫系统的特征涉及到许多分子生物学的重大理论问题。免疫识别抗体对抗原的特异性分子识别上述特异性的分子识别通常只涉及到蛋白质分子中的5-15个氨基酸残基，或核酸分子中有限长度的序列。抗体与抗原、受体与配体、大型组织相容性复合物对抗原的特异性分子识别T细胞受体对抗原/大型组织相容性复合物的特异性分子识别酶与底物是生物体内蛋白质之间分子识别的三大模型。谱识别受体对微生物相关分子谱的特异性分子识别微生物crRNA对外源核酸的特异性分子识别细胞通讯B淋巴细胞合成抗体需要自身细胞和辅助T细胞提供信号；毒素T细胞在与抗原-大型组织相容性复合物结合后，将信号转导入细胞内，激活一系列参与免疫应答的组分；巨噬细胞和树突细胞上的谱识别受体识别微生物相关分子谱后，通过特定的信号转导途径产生分泌细胞因子，并激活获得性免疫系统，这些都是细胞通讯的基本原理，但这些信号转导途径又与生命其它过程中的信号转导途径有所不同。免疫多样性免疫多样性，包括抗体、T细胞受体、大型组织相容性复合物多样性的发生机制，是免疫分子生物学的基本内容，也是生命科学的重要理论命题。一个哺乳类动物的机体可以产生多达1013-1014种不同的抗体，它们对应着同等数量的抗原。自然界中存在着的所有细菌、病毒、生物大分子在机体内均有对应的抗体和T细胞受体，甚至就连自然界内尚未出现的抗原分子（如病毒的分子），机体内也已存在着相应的抗体。那么机体是怎样产生数量如此庞大的抗体呢？人体内总共只有两万多个基因，何以能为数十万亿种海量的抗体蛋白编码呢？表观遗传（epigenetic）前缀“epi”在希腊语中意为“之上”，因此“epigenetic”一词表述的是能影响生物体遗传性状的任何高于DNA序列本身改变的变化，即表观遗传。这些表观机制包括：DNA甲基化、组蛋白翻译后修饰、非编码RNA（ncRNA）转录、染色质重整、染色质核定位、DNA鼓泡等。表观遗传学已成为当今生命科学中最活跃的研究领域之一。现在查明，表观遗传机制在调控抗原受体或抗体编码基因的时空特异性表达以及等位基因排斥等分子免疫学过程中扮演着重要角色，在此过程中动用了迄今为止发现的所有表观调控机制。3B获得性免疫系统的功能与机制a获得性免疫系统的基本组成与特征脊椎动物的获得性免疫系统主要由B淋巴细胞和T淋巴细胞组成，它们分别合成种类繁多的B细胞受体（BCR）、抗体（Ig，又称免疫球蛋白）、以及T细胞受体（TCR），用于对外来抗原片段或分子的特异性识别，进而刺激并协助其它免疫细胞和因子消灭抗原。在哺乳动物中，B细胞成熟于骨髓中，而T细胞则成熟于胸腺中。B细胞上的BCR激活体液免疫，T细胞上TCR的触发细胞介导的应答途径。获得性免疫系统的主要特征是能对特定抗原的识别效应进行扩增放大，并对之形成长期性甚至永久性的记忆。体液免疫系统获得性免疫的体液免疫系统由B淋巴细胞合成和分泌的抗体所介导。一旦抗体与抗原特异性结合（免疫识别）便通过下列两种途径消灭抗原：诱导巨噬细胞的吞噬作用；激活补体系统的降解作用。B淋巴细胞合成抗体需要辅助T淋巴细胞（TH）通过细胞通讯提供指令。细胞介导的免疫系统获得性免疫的细胞介导免疫是由细胞毒素型T淋巴细胞（CTL又称杀手T淋巴细胞）实现的。外来抗原尤其是细菌或病毒侵染机体靶细胞后，靶细胞表面靶细胞毒素T细胞抗原片段MHCTCRT细胞受体上的大型组织相容性复合物（MHC）将细菌或病毒的抗原片段展现在细胞外表面，这时毒素T淋巴细胞表面的T细胞受体就能专一性与抗原片段或抗原片段-MHC复合物结合，进而消灭被侵染的靶细胞及入侵者细胞介导的免疫系统哺乳动物的每个个体都有其特异性的MHC蛋白谱，因而从一个个体向另一个体的组织移植是困难的，因为供体与受体之间的MHC蛋白谱不同。机体免靶细胞杀手T细胞抗原片段MHCTCRT细胞受体疫系统不会进攻自身的性质称为“免疫耐受性”，而抗体、T细胞受体及MHC是多样的（免疫多样性），这就为机体定义识别自身提供了分子基础。3B获得性免疫系统的功能与机制机体在接触到抗原后，便会产生对该抗原新一轮入侵的免疫作用，而在此之前，机体缺乏对抗原的这种特异性杀伤作用。换句话说，机体对抗原的杀伤能力是在免疫应答过程b获得性免疫系统的形成中获得的，这种能力产生的机制遵循“克隆选择理论”。克隆选择理论未成熟的淋巴细胞库中含有大量的B细胞和T细胞。每一个B细胞只表达一种特异性BCR和Ig；同样，每一个T细胞也只含有一种特异性的TCR。一旦遭遇抗原，特异性的BCR和TCR则分别识别结合之，并启动由两者分别介导的信号转导途径，其效应是大量（106）针对同种抗原的B细胞和T细胞成熟，并产生更多的抗体，即克隆选择。每个细胞的表面上分布着大约12万个BCR分子3B获得性免疫系统的功能与机制组成获得性免疫系统的淋巴细胞属于外周细胞，它们由成年骨髓中的未成熟干细胞发育而成，或直接通过血液（B细胞）或通过胸腺（T细胞）迁移至外周淋巴组织如脾脏、淋巴结、派氏淋巴小结、扁c获得性免疫系统的分布每个哺乳动物个体的B淋巴细胞库中至少由1012种特异性BCR构成，T淋巴细胞库的含量相对少一些，而每一种特异性的B细胞或T细胞只有少数几个相同的细胞组成，因为它们从未遭遇过相应的抗原。桃体等处，然后在血液和胸腺之间流动循环。3C抗体编码区的顺序组织高等哺乳类动物的免疫球蛋白（Ig）由两条重链（H，35KD）和两条轻链（L，17KD）通过四对二硫键连接而成。a抗体分子的基本结构重链有五种类别：m，d，g，e，a，分别构成：IgM、IgD、IgGIgA、IgE，它们通常具有不同的生物学功能。轻链有两种类别：k，l。人类的抗体中，60%是k链；40%为l链。抗体的分子结构NNCCVLJCLVLJCLVHDJCH1CH2CH3CH2CH3铰链区（Hinge）效应功能区（五类抗体的功能类别决定区）抗原结合区3C抗体编码区的顺序组织人体免疫球蛋白的编码基因包括下列三大家族：b抗体分子的编码基因轻链l家族轻链k家族重链H家族300个不同的V基因和4个不同的JC基因76个不同的V基因、5个不同的J基因、1个C基因51个不同的V基因、30个不同的D片段、6个不同的J基因、9个不同的C基因，包括m、d、g、a、e五种类型的编码基因。3C抗体编码区的顺序组织在这里，基因的概念是编码免疫球蛋白多肽链的一个特定区域的DNA序列。在非抗体合成细胞中，V基因和C基因不在同一条染色体上。b抗体分子的编码基因三个家族的划分是因为每个家族的各个基因均有自己的顺序组织模式及表达模式，家族不同，基因的顺序组织及表达调控模式也不同。3C抗体编码区的顺序组织高等哺乳类动物免疫球蛋白基因的排列顺序在胚胎细胞和B淋巴细胞中是不同的，胚胎细胞中的相应基因并不能表达。胚胎细胞中免疫球蛋白的基因顺序组织如下：c抗体基因家族的顺序组织人类l基因家族在胚胎细胞第22号染色体上的顺序组织1000kb300个Vl基因间隔区4个JlCl基因信号肽编码区可变区编码区J区编码区不变区编码区（-19~-4）（-3~97）（98~110）（111~C）人类k基因家族在胚胎细胞第2号染色体上的顺序组织76个Vk基因间隔区5个Jk和1个Ck基因信号肽编码区可变区编码区J区编码区不变区编码区5个Jk片段分布在500-700bp的区域内，内含子结构长为2-3kb增强子人类H重链基因家族在胚胎细胞第14号染色体上的顺序组织300kb51个VH信号肽编码区可变区编码区人的免疫球蛋白H重链基因家族不像轻链家族那样分隔成分离的两部分，而是所有基因全部组成一个巨大的基因簇结构。其中，D区由2-13个氨基酸组成。30个D6个Jmdg3g1yea1ygg2g4ea2CH1铰链区CH2CH33D抗体多样性的分子机制人体的B淋巴细胞可同时产生至少数十万亿种不同的抗体，每种抗体分子的氨基酸序列均不同。根据传统理论，人体至少应有数十万亿个抗体基因为其编码，但事实上人类染色体中的基因总数只有2-3万个，这显然是传统理论难以解释的问题。1965年，Dreyer和Benett提出了基因重排假说，以解释抗体多样性的分子机制：抗体的不变区是由单基因编码的，而可变区则由数千个基因编码，机体通过体内基因重排或重组方式实现抗体分子的多样性。可是当时这个假说并没有为他人所接受，因为那时人们相信基因是不会重组的，直到十年后，DNA体外重组实验成功后，这个假说才被承认。3D抗体多样性的分子机制1976年，SusumuTonegawa设计了一个著名实验，证明抗体基因在骨髓干细胞（淋巴细胞的前身）中发生了重排。实验如下：从胚胎细胞和骨髓干细胞中分别制备染色体DNA，用BamHI消化后凝胶电泳分离然后用I125标记的抗体mRNA（包含V和C两部分）杂交两种来源的DNA片段，结果发现在胚胎细胞DNA样品中有两条不同大小的BamHI片段呈阳性；而在骨髓干细胞DNA样品中只有一条带呈杂交阳性。这表明在骨髓干细胞中的抗体基因顺序组织不同于胚胎细胞，也就是说，骨髓干细胞中的抗体基因发生了改变，因为骨髓干细胞也是从胚胎细胞分化而来的。为此，Tonegawa获得了1987年的诺贝尔生理学或医学奖。3D抗体多样性的分子机制后来，当抗体基因逐一被克隆后，DNA顺序组织的分析结果证实了在胚胎细胞和其它非抗体生成体细胞中，构成抗体的各基因（尤其是V基因和C基因）是分离的，它们不能表达任何有功能的抗体蛋白。而在B淋巴细胞中，各抗体基因元件重组在一起，轻链为V-JC，重链为V-DJ-C，它们作为一个转录单位，转录出mRNA前体，经剪切后，翻译出抗体蛋白。那么，抗体基因的重排是怎样进行的呢？3D抗体多样性的分子机制小鼠的k轻链基因和重链基因随机重排研究得最为详细，以此为例：a体细胞抗体基因重排的分子机制抗体基因的随机组合小鼠k轻链基因的重排与表达小鼠k轻链基因定位于第6号染色体上。Vk基因和Jk片段的选择是随机的抗体基因的随机组合小鼠k轻链基因的重排与表达基因重排后，位于Ck上游的增强子激活最邻近的启动子，并转录出mRNA前体，而Vk1、Vk2的启动子不能被激活。增强子是组织特异性的，仅在B淋巴细胞中有活性抗体基因的随机组合小鼠H重链基因的重排与表达小鼠的H重链基因定位在第12号染色体上。H重链含有D片段，它直接与重链的多样性（