徐建蕊第九章基因与发育

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1、第九章第九章 基因与发育基因与发育目录目录n 免疫体系发育与免疫球蛋白基因表达n 果蝇的胚胎发育n 高等植物花发育的基因调控 第一节第一节 免疫体系发育及免疫球蛋白基因表达免疫体系发育及免疫球蛋白基因表达一、脊椎动物免疫系统及其组成二、B淋巴细胞及其发育和分化三、T淋巴细胞发育及分化四、第三群淋巴细胞五、单核吞噬细胞六、免疫球蛋白的结构七、免疫球蛋白基因结构及其表达八、Ig基因重排与DNA的多样性九、主要组织相容复合体的表达调控免疫（免疫（Immune）的定义）的定义免疫系统是由免疫组织和器官、免疫细胞及免疫活性分子等组成。免疫细胞对病原体或肿瘤细胞的适当应答，使之清除。免疫应答过高或过低，均

2、为异常。免免 疫疫 的的 功功 能能是免疫系统在识别和清除“非己”抗原的过程中所产生的各种生物学作用的总称。主要包括：（Immunological defence)：是机体排斥外来抗原性异物的一种免疫保护功能。正常时可产生抗感染免疫的作用，防御功能过强会产生超敏反应，过弱则产生免疫缺陷（后两种情况均属异常反应）。免免 疫疫 器器 官官n免疫器官、免疫细胞和免疫分子构成机体的免疫系统。该系统具有识别和排除抗原性异物、维持机体内环境稳定和生理平衡的功能，是执行体液和细胞免疫的物质基础。免疫器官中枢免疫器官外周免疫器官骨髓：胸腺：淋巴结：脾：粘膜相关淋巴组织：所有血细胞产生和除T细胞外的所有血细胞发

3、育成熟的场所T细胞发育成熟的场所过滤淋巴液，具有免疫活性的T、B细胞移居和接受抗原刺激后发生免疫应答的重要场所最大的淋巴器官，具造血、贮血和过滤作用，也是成熟T、B细胞移居和抗原刺激后发生免疫应答的重要场所。一、脊椎动物免疫系统及其组成一、脊椎动物免疫系统及其组成胸腺的结构免免 疫疫 细细 胞胞n指所有参加免疫应答或与免疫应答有关的细胞及其前体细胞。包括造血干细胞、淋巴细胞、单核吞噬细胞及其它抗原呈递细胞、粒细胞、红细胞和肥大细胞等。免免疫疫细细胞胞造血干细胞淋巴细胞淋巴细胞*单核吞噬细胞单核吞噬细胞*其它免疫细胞T细胞*B细胞*第三群淋巴细胞表面标志*功能*表面标志*表面标志*T细胞亚群*表

4、面抗原*表面受体*CD4+T细胞*CD8+T细胞*表面抗原*表面受体*NK细胞*LAK细胞*造造 血血 干干 细细 胞胞（Hemopoietic stem cell,HSC)nHSC是存在于造血组织中的一群原始造血细胞。nHSC具有自我分化和增殖的特点，是各种血细胞的共同祖先，也称多能干细胞（Pluripotent stem cell,PSC)，其表面标志为CD34+/CD38-。n分化的不对称性：部分细胞保持PSC特点不分化，部分细胞分化成表面标志为CD34+/CD38+的定向干细胞。n定向干细胞在一定环境和造血因子的作用下，增殖分化为成熟的子代细胞。淋巴细胞（淋巴细胞（Lymphocyte

5、）n淋巴细胞来源于淋巴样干细胞，是一个复杂不均一的细胞群体，分为许多形态相似而功能不同的亚群。n包括T、B和第三群淋巴细胞三种，后者又包括NK、K和LAK细胞等。n淋巴细胞在机体免疫应答中起核心作用。二、二、B淋巴细胞淋巴细胞及其分化和发育及其分化和发育始祖B细胞前B细胞不成熟B细胞成熟B细胞来于骨髓淋巴样干细胞，无smIg表达，CD19+无smIg表达，但胞浆中出现链，同时有MHC-II表达，CD19+、20+膜表面出现单体IgM，开始表达CD21，CD19、20、MHC-II类分子表达量增多表达smIgM、smIgD、IgGFc-R、C3bR、丝裂原受体及CD19、20、21等无免疫应答功

6、能smIgM同自身抗原结合可产生抑制信号，导致自身反应性B细胞处于无功能抑制状态，产生自身耐受具有接受抗原的刺激并发生增殖分化的能力，是抗体产生的源泉细胞；其中部分可成为记忆性B细胞1、B细胞的表面标志细胞的表面标志1)表表 面面 抗抗 原原 B细胞可高效表达HLA-I/II类抗原，其中II类抗原对B细胞的活化意义重大。主要包括：CD19/CD20CD21CD40CD79CD80分布前B、不成熟、成熟B细胞成熟B细胞成熟B细胞成熟B细胞成熟B细胞功能调节B细胞发育、活化、分化是C3d/EB病毒的受体共刺激分子受体，配体为T细胞表面的CD40L两条链形成的异二聚体，介导BCR的信号传递共刺激分子

7、受体，配体是T细胞表面的CD28分子2)表表 面面 受受 体体 是镶嵌于B细胞膜中的免疫球蛋白分子，又称膜表面免疫球蛋白（smIg），可以同游离或与MHC抗原肽复合物中的抗原结合。与抗原结合后产生的信号，通过与之呈非共价键结合的Ig/Ig异二聚体分子进行传递，从而使B细胞活化。也叫Fc受体，可与IgG结合的抗原结合，有利于B细胞对抗原的捕获和结合，对B细胞的活化、增殖与分化产生调节作用。FcR可表达于多种细胞表面并发挥多种功能，如吞噬细胞表面：调理作用；NK细胞：ADCC作用3）B 细胞的功能细胞的功能 B-1细胞出现在个体发育过程中的早期，主要在胚胎的干组织、视网膜中发育，少部分在胚胎出生前

8、的骨髓中发育。在成年人（或动物）骨髓中细胞谱系中不存在B-1亚群，仅有B-2亚群。产生抗体的主要细胞，也是专职的抗原递呈细胞，可有效摄取、加工和递呈可溶性抗原；分泌多种细胞因子参与机体的免疫调节；活化后可合成各种类型的Ig，参与体液免疫。三、三、T 淋淋 巴巴 细细 胞胞nT淋巴细胞是来自胚肝或骨髓的始祖T细胞，在胸腺内微环境作用下分化发育成熟的淋巴细胞，又称胸腺依赖的淋巴细胞（thymus dependent lymphocyte），简称T细胞。nT细胞的分化发育、表面标志和T细胞亚群1、T细胞在胸腺内的分化和发育细胞在胸腺内的分化和发育n主要包括早期发育、阳性选择和阴性选择三个阶段：n早期

9、T细胞发育：表型为TCR-、CD2-、CD3-、的始祖T细胞（双阴性细胞），在胸腺皮质区微环境作用下，成为表型是TCR+、CD2+、CD3+、CD4-、CD8-的始祖T细胞，后者进一步增殖分化后成为TCR+、CD2+、CD3+、的前T细胞（双阳性细胞）。n阳性选择阶段（发生在深皮质区）：双阳性细胞表面的CD4和CD8分子与胸腺皮质上皮细胞表面的MHC-II类或MHC-I类分子发生有效结合时，该细胞就被选择而继续发育分化为具有TCR的CD4+或CD8+的单阳性细胞，而未能结合的双阳性细胞，则发生凋亡而被清除。n阴性选择阶段（发生在皮髓交界处）：单阳性细胞与胸腺皮髓交界处的巨噬细胞和树突状细胞表达

10、的MHC-II类或MHC-I类分子自身抗原肽复合物发生有效结合时，该细胞就发生自身耐受而停止发育，表现为对该种自身抗原的反应性T细胞克隆清除，或虽然克隆存在但功能丧失的T细胞（T细胞克隆无能）。2、T细胞的表面标志细胞的表面标志 淋巴细胞在光学显微镜下观察，是不能进行区分的，只能借助相应的特异性抗体或配体分子，通过鉴别细胞表面的分子来区分。通常用抗体鉴定的细胞表面分子，简称为表面抗原；用配体分子鉴定的表面分子称为表面受体。需要明确的是，细胞表面的分子名称，只是人们借助不通的手段鉴定后而起的名字，同一分子有时被称作表面抗原，有时又被称为表面受体，皆因鉴定的手段不同而不同。1)T细胞的表面抗原细胞

11、的表面抗原 静息的外周T细胞只表达HLA-I类抗原，某些活 化的T细胞可同时表达HLA-I/II类抗原。这类抗原对T细胞的活化和产生免疫效应作用重要。也叫分化群抗原（CD抗原、CD分子），是包括WBC、淋巴细胞、血管内皮细胞等多种细胞在分化发育的不同阶段，在细胞表面所表达的蛋白质分子，常借助不同的单克隆抗体来进行鉴定。CD抗原的检测对于研究各种免疫细胞的分化和亚群的确定有重要意义。目前由国际委员会统一命名n几种主要的CD抗原：A.CD3分子：存在于外周成熟和部分未成熟的T细胞表面，与TCR呈非共价键结合成TCR-CD3分子复合物，参与TCR的信号传递。B.CD4和CD8分子：外周T细胞表面只表

12、达其中的一种并籍此进行分类，它们分别是MHC-II/I类分子的受体，与之结合后可加强和稳定TCR与APC或其它靶细胞表面非己抗原MHC分子复合物的结合，并有助于激活信号的传递。C.CD2分子：也叫E受体、LFA-2、共刺激分子受体等，存在于外周T细胞和胸腺细胞的表面，是一种黏附分子，可与APC或靶细胞表面的配体分子LFA-3(CD58)结合，可促进和加强T细胞与APC的结合和相互作用，并由此产生协同刺激信号，诱导T细胞活化。D.CD11分子：也叫LFA-1,可同APC表面的ICAM-1分子结合，产生的共刺激信号参与T细胞的活化。E.CD28分子：是T细胞表面的又一种重要的共刺激分子受体，配体是

13、APC表面的B7(CD80)分子，参与T细胞活化。2)T细胞的表面受体细胞的表面受体 是T细胞表面能特异性识别和结合抗原的结构，简称TCR。由、（95%)或、（5%)两条亚基通过非共价键结合形成异二聚体，存在于T细胞表面。其跨膜区近胞浆部分通过非共价键，再与CD3分子形成三聚体。功能上，TCR负责识别APC或靶细胞表面的抗原肽MHC分子复合物，所产生的信号由CD3分子进行传递，这是T细胞活化的第一信号。TCR不能直接识别和结合游离的可溶性抗原，只能识别APC加工处理后表达于APC表面的与MHC分子结合的抗原分子，从而有别于B细胞对抗原的识别。是人类T细胞表面特有的标志，借助该受体同绵羊红细胞结

14、合形成的玫瑰花样花环（E花环）可判定外周T细胞的数量，间接反应机体的免疫机能（正常6080%）。主要指能非特异性刺激多克隆T、B细胞增殖分化的物质，包括PHA、Con-A、PWM、LPS、SPA等。其中能刺激T细胞增殖的丝裂原有PHA、Con-A和PWM（也可刺激B细胞增殖）等。借助丝裂原刺激淋巴细胞增殖的特性建立的淋转实验，可间接反应T细胞的免疫机能（正常60%80%)。白细胞介素（interleukins)是免疫细胞和非免疫细胞产生的一类能够介导白细胞和其它细胞间相互作用的细胞因子。外周T细胞在活化、增殖、发育的不同阶段可表达一系列不同的白介素受体（如IL-1R、IL-2R、IL-4R、I

15、L-6R等），它们同相应配体结合后可促进或诱导T细胞的活化、增殖、分化和成熟3)T细胞亚群细胞亚群 尽管从形态学上不能对淋巴细胞进行区分，但借助细胞的表面标志分子可以发现淋巴细胞是一个不均一的群体，其中的任何一个群体（T、B细胞）又可进一步被区分成不同的亚群。就T细胞而言可分为：细胞表面表达CD4+分子，识别的抗原受MHC-II类分子限制，又包括TH1和TH2两类细胞。：抗原激活后，可以释放IL-2、IFN-和TNF-等因子，引起炎症反应或迟发行超敏反应，又称炎性T细胞。：抗原激活后，释放IL-4、5、6、10等细胞因子，诱导B细胞增殖分化成能合成抗体的浆细胞，引起体液免疫反应。表表2 人人T

16、H1和和TH2细胞的比较细胞的比较人T淋巴细胞攻击母细胞瘤细胞 细胞表面表达CD8+分子，识别的抗原受MHC-I类分子限制，又包括Tc和Ts两类细胞。：抗原致敏后增殖分化形成的一类免疫效应细胞，可特异性的杀死带有致敏抗原的肿瘤或病毒感染的细胞。：也叫抑制性T细胞，通过释放抑制性细胞因子（如IL-4、IL-10等）和IFN-，从而抑制体液和细胞免疫的发生和发展，对免疫应答的调节具有重要的意义。表表3 人类人类T细胞亚群及其功能细胞亚群及其功能T 细 胞B 细 胞分 布（）胸腺1000胸导管955外周血708020脾35505065淋巴结7525肠集合淋巴结3060表面标记抗原受体TCR-CD3B

17、CR-Ig/IgIgG Fc受体-/+C3b受体-+CD2(SRBCR）+-CD4TH-CD8TC/TS-MHC分子静息T细胞表达I类分子，活化T细胞表达II类分子表达MHC-I/II类分子对丝裂原的反应PHA、Con-A+-SPA、LPS-+PWM+药物敏感性皮质类固醇+环磷酰胺+四、四、第第 三三 群群 淋淋 巴巴 细细 胞胞是一类无典型T、B细胞表面标志和特征的淋巴细胞，包括自然杀伤细胞（NK）和淋巴因子激活的杀伤细胞。1、NK细胞：骨髓 ：外周血和淋巴组织 ：胞浆中含丰富的嗜天青颗粒，又称大颗粒细胞 ：CD16、CD56 ：非特异性杀伤某些肿瘤细胞和病毒感染细胞，在早期抗病毒感染、清除

18、突变细胞的免疫监视和免疫调节过程中发挥作用。其杀伤作用无需抗原致敏，不受MHC限制。2、LAK细胞：在IL-2的作用下，体外培养的淋巴细胞才能发挥强烈的杀伤功能，也叫淋巴因子激活的杀伤细胞。作用特点：能杀伤Tc、NK不敏感的肿瘤细胞三种杀伤细胞作用特点的比较三种杀伤细胞作用特点的比较IL-2依赖性抗体（IgG）依赖性MHC限制性作用特异性抗原预先致敏细胞毒作用特点Tc细胞NK细胞LAK细胞+五、五、单单 核核 吞吞 噬噬 细细 胞胞n包括骨髓中的前单核细胞、外周血中的单核细胞和组织内的巨噬细胞，具有重要的抗感染、抗肿瘤和免疫调节的作用。：1、表面抗原：高表达MHC-I/II类分子 2、表面受体

19、：1)IgG Fc受体，包括高亲和力的FcRI、中亲和力 的FcRII和低亲和力的FcRIII。作用：参与调理和ADCC。2)补体受体（CRI），为C3b受体，与吞噬和免疫黏附作用有关。扫描电镜显示，在感染早期，扫描电镜显示，在感染早期，M 伸出长长的伪足去捕获细菌伸出长长的伪足去捕获细菌（二）生物学功能：（二）生物学功能：1、吞噬杀伤作用：、吞噬杀伤作用：直接直接吞噬、调理吞噬作用吞噬、调理吞噬作用肺部巨噬细胞吞噬大肠肺部巨噬细胞吞噬大肠杆菌杆菌M 吞噬处理入侵细菌及提呈抗原的机制吞噬处理入侵细菌及提呈抗原的机制2、抗原提呈作用：、抗原提呈作用：即外来的抗原性异物通过巨噬细胞的捕获、加工和处

20、理后，与胞内合成的MHC-1/II类分子形成抗原肽MHC分子复合物，并被呈递到细胞膜表面，被TCR识别的作用。具有此作用的细胞叫抗原呈递细胞（antigen presenting cell,APC)。此外，巨噬细胞表面还表达多种共刺激分子，如B7、ICAM-1、LFA-1,3等分别与T细胞上的CD28、LFA-1(CD11)、LFA-2(CD2)等相互作用，为T细胞的活化提供第二信号。主要抗原呈递细胞的比较APC主要特征分布分布简称简称C3bRFcRMHC分子吞噬B细胞朗罕氏细胞并指状细胞树突状细胞巨噬细胞BCLCIDCDCM外周血、淋巴结、脾表皮组织某些上皮层淋巴组织、胸腺依赖区淋巴滤泡全身

21、细胞和组织+-+-3、抗肿瘤作用：M被某些细胞因子如IFN-激活后能有效杀伤肿瘤等靶细胞，其吞噬杀菌能力也显著提高。4、分泌生物活性介质，产生免疫应答和其它免疫效应：如IL-1,12、IFN、TNF、PGE等;以及某些补体成份和凝血因子、组织修复因子等。六、免疫球蛋白的结构六、免疫球蛋白的结构l免疫球蛋白（Immunoglobulin,Ig）：是指具有抗体活性，或化学结构与抗体相似的球蛋白。主要存在于血液和其它分泌液中，也可以SmIg的形式存在于B细胞表面。l抗体（antibody.Ab)：是机体免疫细胞被抗原激活后，由分化成熟的终末B细胞，即浆细胞所合成与分泌的一类能与相应抗原特异性结合的具

22、有免疫功能的球蛋白。Ab是重要的免疫分子，主要存在于血液、体液和粘膜分泌液中，介导体液免疫效应。lAb=Ig,IgAb；Ab是功能描述，Ig是化学结构描述；一、基本结构基本结构 1、Ig是由两条相同的重链（H）和两条相同的轻链（L），借其中形成的二硫键而彼此连接在一起的四肽链结构分子。2、重链分、五类，对应的抗体分别为IgG、IgA、IgM、IgD和IgE；轻链分、两型，每个Ig的L链完全相同。3、可变区：H链N端的1/4和L链N端的1/2区域内，氨基酸的种类、排列顺序与构型的变化很大，故称。4、超变区：可变区（V区）中部分区域的氨基酸组成、排列顺序和构型更易变化，其中VH有4个，VL有3个。

23、5、骨架区：可变区中除去超 变区部分的氨基酸变化相对较小，又称为。6、恒定区：H链C端的3/4和L链C端的1/2区域内，氨基酸的种类、排列顺序与构型相对恒定，故称。抗体的分类抗体的分类1、IgGn浆细胞合成，单体形式存在于血清和其它体液中，婴儿出生后三个月开始合成；n含量最高，占血清Ig总量的3/4，达616g/L；n半衰期最长，达23天；n是主要的抗感染抗体；n是唯一能穿过胎盘的抗体。2、IgMn由5个单体借一个J链和若干二硫键连接形成的5聚体，分子量最大，又称巨球蛋白；n主要分布于血液中，占血清总Ig的1/10；n是个体发育中出现最早的抗体，胎儿晚期合成；n感染后最早出现，半衰期短，一旦出

24、现提示有近期感染；n胎儿有无宫内感染的重要观察指标；n杀菌、溶菌、调理吞噬、激活补体的能力最强。3、IgAn包括血清型和分泌型两种，前者由肠系膜淋巴组织中的浆细胞产生，多数以单体形式存在，含量25g/L，占血清总Ig的10%15%；n分泌型IgA由两个单体、一个J链和一个分泌片组成，主要分布于各种粘膜表面和唾液、泪液、初乳中，参与机体的粘膜局部抗感染反应；n婴儿出生后46个月开始合成，但能从母乳中获得；n血清型IgA具有中和毒素、调理吞噬的作用。4、IgDn以单体形式存在于血清中，含量低，仅占血清总Ig的1%；n分子结构类似于IgG，但不能通过胎盘，也不能激活补体；n表达在B细胞膜上的smIg

25、D是成熟B细胞的重要标志，参与B细胞的活化、增殖和分化；n血清中的IgD功能不清。5、IgEn是种系进化过程中最晚出现、含量最少的Ig；n由粘膜固有层中的浆细胞合成分泌；n血清IgE为单体，结构上重链区比IgG多一个CH4功能域；n特异性IgE通过Fc段的CH3/CH4功能域同位于肥大和嗜碱性粒细胞表面的FcR结合，参与超敏反应的发生；n可通过ADCC效应特异性杀伤寄生虫。七、七、免疫球蛋白的基因结构及其表达免疫球蛋白的基因结构及其表达 B细胞中有H、和 链3个编码Ig基因的连锁群，分别位于不同的染色体上，每个基因库中又有许多彼此连锁的(V、C）基因，以及若干连接（J）基因和多样性（D）基因，

26、这些基因经过重排后进行表达，不同的基因重排和表达，决定了Ig的多样性和能针对多种进行反应的特异性。小鼠轻链基因库的组成小鼠轻链基因库的组成小鼠重链基因库的组成轻链基因的重排、轻链基因的重排、RNA处理和蛋白处理和蛋白质表达的过程质表达的过程重链基因的重排、重链基因的重排、RNA处理和蛋白处理和蛋白质表达的过程质表达的过程八、八、Ig基因重排与基因重排与DNA的多样性的多样性 大多数科学家认为：V区和C区不同片段在DNA分子水平上的各种排列组合是形成Ig分子多态的根本原因，这种假设被称为重组种系理论。也就是说，单一种系状态的Ig基因是不能表达的，只有经过重排，造成种系多样性、连接反映多样性以及体

27、细胞突变等才有可能得到表达。轻链基因的重排与连接轻链基因的重排与连接 V基因和J基因的组合是通过V基因3端和J基因5端之间的侧翼序列来实施的。这种侧翼序列又称识别序列，是V与J组合重排所不可缺少的。它在结构上的特点是有一段由7个碱基组成的反向回文序列CACAGTG。在V3端紧接着回文序列的是11个碱基的间隔序列，而后是9个富含A、C的碱基。J5端也包含有与上述7碱基及9碱基区相配对的序列，其间隔序列由23个碱基组成，不能与V3端11个碱基配对，因而形成单链突起（茎环结构）。这种特殊的结构和识别序列有着密切的关系，V、J结合后，上述茎环结构被切除，形成连续的V、J片段。重链基因的重排与连接重链基

28、因的重排与连接重链基因虽然只有一个位点，但结构十分复杂。V基因和D及J片段组合能产生4000个不同的V区，每个V区都和C基因相组合。人类的C基因簇含有10个基因。小鼠C基因簇含有8个基因。九、主要组织相容复合体的表达调控九、主要组织相容复合体的表达调控概述：引起移植排斥的细胞表面抗原称为组织相容性符合体（major histocompatibility complex，MHC）。按其诱导排斥的急缓强弱而有主要和次要之分，其中MHC在移植排斥中其决定作用。一般认为，MHC不仅控制这种内移植排斥反应，而且与机体免疫应答、免疫调节及某些病理状态的产生密切相关，处于机体特异免疫反应得中心地位。一方面，

29、细胞毒T细胞通过其表面的TCR对呈递于MHC分子表面的异己外源肽段进行识别，并直接杀伤呈递这类MHC的细胞；另一方面，辅助T细胞也通过其外表面TCR识别型MHC蛋白中的外源肽段，辅助B细胞产生抗体。所以，MHC与TCR、Ig相互配合，构成了生物体内复杂多变的免疫反应和应答。型和型MHC主要性能比较型型蛋白质的结构在细胞内分布抗原蛋白来源多态性区域链+2微球蛋白细胞毒T细胞细胞质蛋白1+2链+链辅助T细胞内吞膜蛋白和细胞外蛋白1+1MHC多的组织特异性表达是受发育调控的抗原呈递是MHC分子的重要功能。果蝇的个体小、生命周期短、繁殖容易，每只雌虫两周就可以产生约300个后代。此外，果蝇的巨大多线染

30、色体特性使它最适合于进行遗传分析和基因定位，是基因与发育研究领域最好的模式生物之一。果蝇发育的时间周期取决于温度，在25下约914天为一个周期，其中第一天为胚胎发育期；幼虫经历3个阶段，到第四天蜕皮分化后蛹化；在蛹中经过5天的变态，在发育为成虫。另外，还应加上受精所需的12天，共约两周左右。成年果蝇存活约9天。果蝇发育的许多特性反映出这非同一般的快速生命周期在进化过程的演变。花分生组织决定基因（flower meristem identity gene）促进从花序分生组织产生花分生组织并进一步分化产生花器官原基，但产生何种花器官则由同源域基因所控制。花分生组织决定基因可以在一定程度上激活同源域基因花器官发育的“ABC”模型