抗体多样性的遗传学原理

抗体多样性的遗传学原理

摘要 日本分子生物学家利根进川凭借抗体多样性遗传机制的发现，获得了1987年诺贝尔生理学或医学奖。他主要运用限制酶酶切和重组DNA技术，通过演示一个DNA分子的突变和重组或重新排列证明了体细胞突变理论。本文将就该成就的取得过程、实验原理和实验经过进行详细阐述。

关键词 利根进川 体细胞突变理论 限制酶酶切 重组DNA

1、问题的产生

二十世纪是生命科学迅猛发展的时代，免疫学是其中一个飞速发展的领域。免疫学研究的基本问题之一是机体识别“自我”和“非我”。生物体受到外源物质感染后，会启动体液免疫而产生某些特殊的蛋白质进行抵御，即抗体。[1]由于可作为抗原刺激机体产生免疫应答的物种成千上万，理论而言可产生相应数量的抗体。但一个物种只有数量有限的编码基因，因此20世纪70年代前，抗体多样性的产生机制一直是免疫学家争论不休的问题。主要分歧为生殖系理论和体细胞突变理论。生殖系理论认为，所有抗体都有专一基因负责，但该理论问题在于生物体内基因数目无法满足众多的抗体；体细胞突变理论认为，抗体基因可以发生突变和重组，该理论可以解释很少基因数能够产生大量微小差异的抗体，但缺乏有力的实验支持。

1971年，日本分子生物学家利根进川加入巴塞尔研究所工作，他相信凭借自己的分子生物学基础并应用当时的新技术——限制酶酶切和重组DNA等能够解决这个难题。[2]

2、抗体多样性产生遗传机制的发现

2.1实验基础

60年代中期抗体结构已被阐明，即一个免疫球蛋白分子包含两个相同的轻链（L

链）和两个相同的重链（H链），链链之间通过二硫键相连，两链各有一个恒定部分一个变异部分。抗体分子氨基酸顺序分析表明，从氨基端起的大约110个氨基酸构成了可变区（V区），功能主要是抗原结合部位，抗体多样性的结构基础存在于此；而其余同源性较高的氨基酸顺序则称为稳定区（C区）。可变区的氨基酸并非全部易变，变化最大的集中区域称之为高变区；而可变区其余部分的氨基酸变

化很小，称之为骨架区。抗体多样性是来源于这些高变区的氨基酸顺序的变化。随之，可变区编码的基因如何编码大量的、结构各异的氨基酸顺序，成为下一步研究的主要方向。[3]

2.2实验原理

利根川进通过演示一个DNA分子的突变和重组或重新排列，证明了“体细胞突变”理论。

实验原理为，首先用限制性酶酶切将目标基因组DNA进行消化，随后用大量琼脂糖凝胶电泳纯化制备含有负责编码可变区与恒定区的基因DNA片段，与mRNA进行杂交。根据杂交带有效计算抗体的基因数目。结果表明抗体基因数目远少于抗体数目，因此否定了生殖系理论。[2,3]

2.2实验过程

利根川进以小鼠胚胎细胞作为研究目标。

首先用核苷酸顺序分析证明，在12天龄的小鼠胚胎细胞中，高变区的顺序已经固定在骨架区的顺序内。接着又用免疫球蛋白轻链的mRNA反转录的cDNA作探针，检查了小鼠胚胎细胞和成熟的抗体分泌细胞（骨髓瘤细胞）轻链的可变区基因。结果发现，完整的可变区基因在胚胎时是两个分开的基因片段, 一个编码可变区1-97个氨基酸（现称为V基因）；另一个编码其它13个左右的氨基酸（现称为J基因）。而在骨髓瘤细胞中这两个基因完全拼接在一起。说明在抗体分泌细胞成熟的过程中，发生了V基因和J基因的重排。在抗体分泌细胞分化成熟的过程中，这种后天发生的V-J基因重排是抗体多样性产生的重要原因。 80年代初，利根川进在研究重链可变区基因时发现，完整的重链可变区基因，除V基因和J基因外，还有一个与其分开的D基因。D基因为可变区的一个高变区编码，在抗体多样性的发生上具有重要意义。在上述工作基础上，利根川进提出在抗体基因形成过程中至少发生两次DNA水平上的基因重排:一次是V-D-J（重链）或V-D-J（轻链）基因的重排，这次重排形成了完整的V区基因；另一次是V-D-J基因与不同的C基因的重排，产生不同类的抗体（IgM，IgG等）。这种基因重排现象在成年动物骨髓中的前B细胞向成熟B细胞分化过程中同样出现。 最后，利根川进对IgM的μ链基因和IgA的α链基因的类别开关的基因重排进行了研究，发现B淋巴细胞分化过程中，基因的表达不仅受DNA顺序重排的制约，

还会受到RNA转录的鉴别应用的制约。[3,4,5]

2.3实验结果

最终实验结果证实，抗体多样性是由于B淋巴细胞中抗体基因片段的染色体重组和突变造成的。根据估算抗体基因通过DNA重组和突变可以产生100亿种不同抗体, 因此很好解释了多样性的问题。[2]

3、诺贝尔奖的获得

利根川进抗体多样性遗传机理的阐明预示着免疫学进入了分子免疫学时期,。

这项发现还改变了人们一个基因编码一种蛋白的传统看法,基因在发育和细胞分化过程中是会发生变化的。1987 年, 利根川进凭借“抗体多样性产生遗传机理的发现”独享了该年度的诺贝尔生理学或医学奖。利根川进名望所归的同时其独享大奖又让科学界感到意外, 因为另外两位科学家——哈佛大学的里德和加州理工学院的胡德也在该领域做出了卓越贡献。此外，利根川进、里德、胡德三人也凭借在抗体多样性机理阐明方面的贡献而分享了1987年拉斯克基础医学奖。[2]

参考文献

[1]百度文库

[2]郭晓强.抗体多样性遗传机制发现者——利根川进.遗传,2012,34(11)：1501-1504

[3]谢蜀生.揭开抗体多样性的奥秘.生理科学进展,1989,20(3):284-285 [4]葛锡锐.产生抗体多样性的分子遗传学机理,China Academic Journal,2014,40(2):155-157

[5]徐亦力.免疫多样性的遗传基础（I）——抗体及其多样性,China Academic Journal,2013,13(5):291-303

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/y0ff.html