【5.1】免疫球蛋白抗体(Antibody,Ab)

一、抗体与免疫球蛋白的区别

  • 抗体(Antibody,Ab):由浆细胞响应抗原产生的球蛋白并特异性结合特定的Ag。Ab通常根据它们与免疫Ag的特异性结合来定义
  • 免疫球蛋白(Immunoglobulins ,Ig):Igs是球蛋白,其在化学结构中起到Ab或类似于Ab的作用。

并非所有Ig都具有Ab的功能,例如:多发性骨髓瘤患者的Ig水平非常高,但不是Ab

分泌Ig(Secreted Ig ,sIg)介导的体液免疫 膜Ig(Membrane Ig ,mIg):BCR B细胞受体

抗体(antibody,Ab)是B淋巴细胞接受抗原刺激后增殖分化为浆细胞,由浆细胞合成、分泌能与相应抗原特异性结合的免疫球蛋白(immunoglobulin,lg)。

抗体主要存在于血清中,也存在于各种体液中。

二、Ig的基本结构及多样性

Ig分子的基本结构是由两条相同的重链和两条相同的轻链通过二硫键连接而成的四肽链结构,称为Ig的单体。

2.1 重链(heavy chain, H链)

  • Ig的重链由450~550个氨基酸残基组成,分子量约为50~75KD。
  • 根据重链免疫原性不同,可将重链分为 μ ,γ, α ,δ,ε 五类(class),与轻链结合为 IgM, IgG, IgA, IgD和IgE。某些又可亚类。γ分为四个亚类(γ 1-4),α 分为2个亚类(α 1-2)
  • 重链的大小和组成不同; α和γ含有约450个氨基酸,而μ和ε含有约550个氨基酸。
  • 每条重链具有两个区域,恒定区和可变区。恒定区在相同同种型的所有抗体中是相同的,但在不同同种型的抗体中不同。重链γ,α和δ具有由三个串联Ig结构域和铰链区组成的恒定区,用于增加柔性,重链μ和ε具有由四个免疫球蛋白结构域组成的恒定区。重链的可变区根据产生它的B细胞而不同,但对于由单个B细胞或B细胞克隆产生的所有抗体是相同的。每条重链的可变区长约110个氨基酸,由单个Ig结构域组成。

2.2 轻链(light chain, L链)

  • Ig的轻链约含214个氨基酸,约为重链的1/2,分子量约为25 KD。
  • 在哺乳动物中,轻链免疫原性的不同,分为κ、λ两型。
  • 同一个体可存在分别带有为κ和λ链的Ig分子,同一天然Ig分子中不可能同时有κ和λ链,两条轻链的型号必然相同。
  • 轻链具有两个连续的域:一个恒定域和一个可变域。其他类型的轻链,例如iota(ι)链,存在于较低的脊椎动物中,如Chondrichthyes和Teleostei。

人体中的轻链

人类有两种类型的轻链:

  • kappa(κ)链,由染色体2上的免疫球蛋白κ基因座(IGK)编码
  • lambda(λ)链,由22号染色体上的免疫球蛋白λ基因座(IGL)编码

抗体由B淋巴细胞产生,每个B淋巴细胞仅表达一类轻链。 一旦设定,轻链类在B淋巴细胞的寿命期间保持固定。 在健康个体中,总血清与λ的比率在血清中大约为2:1(测量完整的完整抗体)或如果测量游离轻链则为1:1.5,具有指示肿瘤的高度不同比率。

根据一种新的多克隆游离轻链试验,kappa与λ的确切正常比例范围为0.26至1.65。κ和λ链都可以按比例增加,保持正常比例。 这通常表示除血细胞恶液质之外的其他事物,例如肾病。

其他动物中

四足动物中的免疫球蛋白轻链基因可分为三个不同的组:κ(κ),λ(λ)和西格玛(σ)。 κ,λ和σ同种型的分歧先于四足动物的辐射。两栖谱系进化后和爬行动物谱系出现之前,σ同种型丢失了。

其他类型的轻链可以在低等脊椎动物中找到,例如Chondrichthyes和Teleostei的Ig-Light-Iota链。

骆驼科动物在哺乳动物中是独一无二的,因为它们还具有完整功能的抗体,其具有两条重链,但缺少通常与每条重链配对的轻链。

作为其适应性免疫系统的一部分,鲨鱼还具有称为IgNAR(免疫球蛋白新抗原受体)的功能性重链同源二聚体抗体样分子。据信IgNAR从未有过相关的轻链,这与骆驼科动物中仅有重链抗体可能通过进化失去其轻链伴侣的理解相反。[6] [7]

2.3 可变区 Fv (Variable region )

氨基酸排列顺序在不同抗体分子间变化较大称为可变区(variable region ,V区)

可变区Ig 近氨基酸轻链的1/2和重链的1/4(γ, α ,δ)或(μ 、ε )。

Fv : 为VL和VH

2.4 高变区(hypervariable region,HVR )

CDR (complementarity-determining region): 因为这些序列形成与结合抗原的三维结构互补的表面,所以HVR也称为CDR

FR: 排除CDR区域的VL 或VH

2.5 F(ab) and Fc regions (Constant region )

抗体的Y形可以分为三个部分:两个F(ab)区和Fc区。

  • F(ab)区含有与同源抗原结合的可变结构域。
  • Ig分子近C端,轻链的1/2和重链的3/4(或4/5)区域中氨基酸的数量、种类、排列,排列顺序及含糖量均较为恒定,称为恒定区(constant region,C区)。Fc片段为淋巴细胞表面上的内源性Fc受体提供结合位点,并且也是第二抗体结合的位点。此外,染料和酶可以与抗体Fc部分上的抗体共价连接,用于实验可视化。
  • 重链的轻链的恒定区分别称为CH和CL。Ig的C区与抗体的生物学功能相关。

这三个区域可以通过蛋白水解酶胃蛋白酶切割成两个F(ab)和一个Fc片段。抗体片段在某些免疫化学技术中具有明显的优势。片段化IgG抗体有时是有用的,因为F(ab)片段(1)不会沉淀抗原,并且(2)由于缺乏Fc区而不会在活体研究中被免疫细胞结合。通常,由于它们较小的尺寸和缺乏交联(由于Fc区的丧失),F(ab)片段被放射性标记用于功能研究。 Fc片段通常在免疫组织化学染色中用作Fc受体阻断剂。

2.6 铰链区 (Hinge Region)

  • 在CH1和CH2之间,即重链的链间二硫键连接处附近,有一个可转动的铰链区(hinge region)。
  • 含较多的脯氨酸(proline )残基,富于柔性,可赋予较大的自由活动度。该区由于是一段较伸展的肽链,对蛋白酶敏感,易被木瓜蛋白酶、胃蛋白酶水解。
  • IgM和IgE没有铰链区

2.7 Domains of immunoglobulin

Ig分子的3D图像显示它不是如图所示的笔直。 它被折叠成球状区域,每个区域包含链内二硫键。 这些区域称为域(domains)。

  • Light Chain Domains:
    • VL and CL
  • Heavy Chain Domains
    • VH, CH1, CH2, CH3 (IgA, IgD,IgG )
    • CH4 in IgE and IgM

  • VH和VL: 抗原结合部位
  • CH1-3和CL: Ig 遗传标志
  • CH2(IgG)、 CH3(IgM): 补体结合部位
  • CH2-CH3(IgG):结合并通过胎盘
  • CH3(IgG) CH4 (IgE):FcR结合部位

2.8 Joining chain

J链是一种小酸性蛋白质,由分泌聚合物Ig(即IgM和sIgA)的所有浆细胞合成。

将momomer结合到聚合物上

2.9 Secretory piece (分泌物)

  • 分泌成分(Secretory component ,SC)是单个糖肽,MW为70KD。
  • 由粘膜上皮细胞产生
  • 功能:保护sIgA,抵抗额外分泌液中的蛋白水解。

2.10 水解片段

在一定调节下,可通过蛋白酶将Ig笑话成不同的片段,从而研究Ig的结构和功能,最常用的蛋白酶是木瓜蛋白酶和胃蛋白酶。

  • Fab(fragment of antigen binding)
  • Fc (fragment crystalizable)

比如白喉抗毒素, 破伤风抗毒素 胃蛋白酶消化后提纯,去掉FC 段而降低发生超敏反应

三、 Heterogeneity of immunoglobulins

Ig结同种型(Isotype )、异型( Allotype )、Idiotype

抗体作为Y形单元的一个或多个拷贝存在,由四条多肽链组成。 每个Y含有两个相同的重链拷贝和两个相同的轻链拷贝,它们的序列和长度不同。 Y形的顶部含有可变区,其与抗原上的表位紧密结合并特异性结合。

3.1 Isotype

同种型(Isotypes )是一类Ig H的抗原特征(例如,链μ与γ不同)。一个物种的同种型可以诱导另一个物种的免疫反应。

在哺乳动物中,基于Y单元的数量和重链的类型,抗体被分为五种同种型:IgG,IgM,IgA,IgD和IgE。

同种型的生物学特性,功能位置和处理不同抗原的能力不同:

Isotype Heavy chain Light chain MW (kDa) Structure Function
IgA1
IgA2
α1
α2
λ or κ 150–600 单体 - 四聚体 大多数产生Ig。 存在于粘膜区域,例如肠道,呼吸道和泌尿生殖道,并且防止它们被病原体定植。 耐消化,分泌在牛奶中。
IgD δ λ or κ 150 单体 功能不清楚。 与B细胞发育中的IgM一起使用; 主要是B细胞结合
IgE ε λ or κ 190 单体 与过敏原结合并触发肥大细胞释放组胺,并参与过敏。 还可以防止寄生虫。
IgG1 IgG2a IgG2b IgG3 IgG4 γ1, γ2, γ3, γ4 λ or κ 150 单体 血清中的主要Ig。 提供基于对入侵病原体的免疫力的多数抗体。 中等补充修复剂。 IgG3可以穿过胎盘。
IgM μ λ or κ 900 五聚体 第一反应抗体。 表达在B细胞表面和具有非常高亲合力的分泌形式。 在有足够的IgG之前消除B细胞介导的免疫早期的病原体。

3.2 Allotype

这是指物种内个体之间的遗传变异。

CH和CL上的一个或数个氨基酸残基的差异—遗传标志

3.3 独特型 Idiotype

V结构域的变异,特别是CDR中的变异,产生独特型(idiotype)。

四、Functions of immunoglobulins

4.1 Functions of V regions

识别和结合抗原:

  • HVR(CDR)
  • 中和毒素(例如白喉,破伤风);
  • 固定微生物;
  • 中和病毒活性

Antibody:

  • monomer(IgG,IgE)—2价
  • dimer(sIgA) — 4价
  • Petamer(IgM) — 5价

Neutralization 中和

三、抗体种类

The structure and size of selected protein binder scaffolds. The structures of different protein binder scaffolds are shown; variable regions are marked in brown. (A) Conventional human immunoglobulin (IgG) antibody, consisting of two heavy (blue) and two light (orange) chains connected by disulphide bridges (S-S). Both chains consist of several constant domains (CL and CH1-CH3) and the variable domains (VL and VH). The variable domains contain the complementarity-determining regions (CDRs), which are the three hypervariable domains that determine antibody-binding specificity. (B) The single-chain variable fragment (scFv) is a synthetic fusion of the VH and VL domains via a linker. © Camelid heavy-chain antibodies (HcABs) are made up of only two heavy chains, each of which consists of two constant (CH2 and CH3) domains and a single variable (VHH) domain. (D) Structure of an anti-GFP nanobody (vhhGFP4, PDB ID:3OGO; Kubala et al., 2010). The positions of the three CDRs are highlighted. (E) Structure of the AR_3a DARPin (PDB ID:2BKK; Kohl et al., 2005). DARPins typically consist of constant N- and C-capping repeats motives (N-/C-cap), encapsulating two or three variable ankyrin repeats (three are shown here). (F) Structure of the monobody ySMB-1 (PDB ID: 3QHT; Gilbreth et al., 2011). (G) Anticalin US7 structure (PDB ID: 4MVI; Rauth et al., 2016). (H) Structure of the ZHER2 affibody (PDB ID: 2KZJ; Eigenbrot et al., 2010).

四、基因结构

Ig基因及其重排

Ig的V区位于重链(H链)和轻链(L链)的N端。编码H链V区的基因包含V、D、J三组基因片段;编码L链V区的基因包含V、J两组基因片段。

  1. H链的V基因编码H链V区的CDR1及CDR2互补决定区、D基因编码大部分CDR3互补决定区、J基因编码剩余部分CDR3以及V区和C区的连接结构;
  2. L链的V基因编码H链V区的CDR1、CDR2和大部分CDR3互补决定区、J基因编码剩余部分CDR3以及V区和C区的连接结构。 由以上信息可以看出,Ig V区是由V、(D)、J基因片段共同翻译出来的,V、(D)、J基因片段重排共同改变了Ig可变区的结构,从而影响BCR的多样性。

  • Ig基因群:V , D ,J ,C
  • IGH : IGHV, IGHD, IGHJ, IGHC
  • IGK/IGL: IGKV/IGLV, IGKJ/IGLJ, IGKC/IGLC

参考资料

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