Immunoglobulin Structure and Function
免疫球蛋白 结构与功能
北京大学医学部免疫学系
抗体的发现
•von Behring and Kitasato in 1890’s 血清能过继转移对破伤风的抗性 •寻找活性成分 抗毒素Antitoxin, 沉淀素precipitin, 凝集素agglutinin •Elvin Kabat in 1930s 所有活性均与血清g球蛋白 (g-globulin) 组分相关
抗体存在于血清g球蛋白 (g-globulin) 组分中
Immunoglobulin ：一类神奇的分子
•High specificity 高度特异性 •Unlimited diversity 无限多样性
•Bifunctionality 双功能性
antigen-binding抗原结合能力 effector function效应功能
高变区（Hypervariable region）
可变区结构解析
FR1
FR2
FR3
FR4
CDR1
CDR2
CDR3
高变区，又称互补决定区（complimentarity determining regions ，
CDRs），其间的序列相对保守，称为骨架区（framework regions ，FRs).
ADCC作用
NK细胞或其它白细胞通过Fc受体与抗体包被的细胞结合，活化 后释放胞浆中的杀伤性颗粒成分或分泌细胞因子，最终导致抗体 包被细胞，如肿瘤细胞、病毒感染细胞被杀伤。
IgG Fc受体(FcRs)
FcRs for IgG FcgRI: high affinity, phagocytes FcgRII: low affinity, widely expressed, moderating B cell activation FcgRIII: macrophage or granulocyte
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IgM功能特性
• 初次免疫应答和胎儿时期产生的主要Ig ——提示新近感染或宫内感染 • 强大的补体活化能力 • 强大的促凝集作用 • 膜结合型IgM是B细胞抗原识别受体
膜型和分泌型IgM
Secreted IgM Membrane-bound IgM
J chain
Iga Igb
The membrane-bound form differs from the secreted form in C terminus. The former contains a hydrophilic spacer, a hydrophibic transmembrane sequence, and a short cytoplasmic tail.
CDR与抗原直接结合
CDRs from VL and VH in direct contact with antigens
抗体与抗原的结合
•氢键 •静电吸引 1/d2 •Van der Walls 1/d7 •疏水性
抗体亲和性（affinity）
单一抗原结合位点和某一抗原表位之间结合的能力
K1: forward (association) rate constant, rapidity K-1: reverse (dissociation) rate constant, tightness Ka: equilibrium constant, equal to k1/k-1, affinity
Low-affinity ka=104-5L/mol High-affnity ka=1011L/mol
抗体亲合力（avidity）
多价抗体和多价抗原结合的能力
抗原表位（epitope）
抗原中与抗体直接结合的部分，称作抗原表位
•线性表位（linear epitope）: 由一段连续的氨基酸序列构成的 表位。 •构象表位（conformational epitope）: 由一些不连续的肽段， 通过空间构象聚集在一起形成的表位。蛋白变性将导致这类表 位的丧失。
IgE Fc受体(FceRs)
FcRs for IgE FceRI: tetramer, very high affinity, mast cells and basophils 介导 I 型超敏反应 FceRII: low affinity, lymphocytes
其它Fc受体
FcRs for other Igs FcaR; FcmRII; FcdR
多克隆抗体 Polyclonal antibody
优点： 作用全面、制备快捷 缺点： 特异性低、量产困难
单克隆抗体 monoclonal antibodies
优点： 均一、特异、易于量产
缺点： 鼠原抗体应用于人体可诱导产生人抗鼠抗体 Human anti-mouse antibody， HAMA
谢谢
补体活化后效应
•形成膜攻击复合物导致细胞裂解
•调理吞噬:
Ag-Ab-C3b complex C3b receptor phagocytosis
•诱导炎症反应:
活化补体片断C3a and C5a能招募并活化免疫细胞
IgG功能特性
• • • • 血清和胞外液中含量最高的 穿越胎盘屏障 (but not IgG2) 活化补体 (but not IgG4) 结合Fc受体(but not IgG2) • Phagocytes - opsonization • NK cells - ADCC
Ig结构示意图
Ig化学降解和酶解片段
胰蛋白酶消化产物
Fab
(Fragment, antigen binding) Light chain+N terminal half of heavy chain Antigen binding
Fc
(Fragment, crystallizable) C terminal half of heavy chain Effector functions
同一物种所有个体Ig分子共有的抗原表位。Ig分子的类、亚类、 型、亚型即是由此决定的。可用作各类Ig的定量分析。
同种异型（allotype）
同一物种内部一部分个体Ig分子共有的抗原表位，包括2 种 IgA2 、3种k轻链、25种IgG，可用作骨髓移植供体细胞跟踪。
独特型（allotype）
每一个Ig分子所独有的抗原表位。可用作淋巴瘤治疗靶点。
IgM, IgD, IgG (IgG1-4), IgE, IgA (IgA1,2)
Ig分子中包含多个类似结构域
110 aa, similar folding
Ig结构域的“b桶状”结构
Each sheet contains 3 or 4 b strands Adjacent strands held together by hydrogen bonds Two sheets stabilized by hydrophobic interactions and a disulfide bond
Ig恒定区
Type：kappa (k), lambda (l) Subtype：l subtypes: l1-4
Ig轻链的型与亚型
Ig重链的类与亚类
Class：mu (m), delta (d), gamma (g), epsilon (e), alpha (a) subclass: g1-4, a1,2 Ig类别
ADCC抗体依赖的细胞 介导的细胞毒作用 lysis
Opsonization
活化补体
inflammation
调理作用
抗体结合抗原后，通过其Fc段结合吞噬细胞表 面的Fc受体，进而促进对抗原的吞噬。
Ab-coating
Binding to FcR
activation
phagocytosis
killing
Ig超家族（Superfamility）
IgSF
Two b-pleated sheets arranged opposite to each other
Ig三级结构
抗体多样性的产生
免疫球蛋白V区编码基因重排
小鼠免疫球蛋白基因结构
IgL位点V-J重排
IgH位点的V(D)J重排
Ig可变区序列变异情况
交叉反应性（crossreactivity）
有一种抗原诱导的抗体有时能与另一种抗原反应，主 要是因为二者可能共享一些相近甚至相同的表位。
抗体类别转换
• Class switching – 1o - IgM
Ab Titer
Total Ab IgM Ab IgG Ab
– 2o - IgG, IgA or IgE
IgA功能特性
•血清中水平仅次于IgG •外分泌液中主要Ig类型，在黏膜局部免疫中尤为 重要 •存在于初乳中
IgD功能特性
• 膜结合型IgD构成B细胞受体 • 血清IgD功能不明
IgE功能特性
•血清含量最低的Ig •介导 I 型超敏反应 •参与抗寄生虫免疫
免疫球蛋白的血清型
同种型（isotype）
Poly Ig receptor 介导IgA和IgM分泌
Neonatal Fc receptor (FcRn) 介导IgG穿过胎盘
活化补体
IgG分子仅有一个C1q结合位点，C1q必须与两个相邻 的（30-40nm）IgG同时结合才能形成稳定复合物。
补体介导的红细胞裂解仅需要一个IgM分子,而需要多达上千个IgG分子
•Membrane-bound vs secreted forms 膜型和分泌型
何谓免疫球蛋白或抗体
免疫球蛋白是体液免疫的一种介导分子，或是作为 抗原受体表达于B细胞表面，或是由抗原活化后产生 的浆细胞分泌至胞外，执行诸如中和抗原、固定补 体、调理吞噬一类的效应功能。