体细胞的重排和基因表达调控

本节讨论的问题是位于基因组中不同部位的DNA片段，怎样通过DNA水平上的重组成为不同的结构基因。这样的研究将大大增进我们对基因的认识。我们将以免疫球蛋白基因表达的调控为例，来介绍这方面的研究进展。

每种免疫球蛋白分子都由轻链和重链两种肽链组成。每条轻链又分为N端可变区（V）和C端恒定区。V区主要用于识别抗原，C区和抵御抗原的免疫效应有关。决定免疫球蛋白分子结构的有三类不连锁的基因族，其中两类（λ和κ）决定轻链（L），一类决定重链（H）。

L链由三个不连锁的基因段编码，称为可变段（VL）、连接段（JL）和恒定段（CL）。哺乳动物的单倍体基因组有数以百计的VL段，5～6个JL段，10～12个CL段。在分化过程中，一个B淋巴细胞基因组中的某个VL段，可从原来的位置经过缺失重排（deletion rearrangement）与同一染色体远端的JL和CL区域相连。DNA分子的这一重排使VL、JL和CL三段拼接在一起，转录出连续的mRNA前体，经剪接和加工修饰后可产生编码特异性抗体分子的L链的mRNA分子。不同的VL、JL和CL之间的DNA重排，使机体的免疫系统拥有产生种类非常繁多的抗原特异性免疫球蛋白的巨大潜能。这就是L链产生中的V-J跃迁（V-J joining）（图4-20）。

H链由4个基因段编码：可变段（VH）、歧异段（D）、连接段（JH）和恒定段（CH）。H链的可变区是经V-D-J跃迁（V-D-J joining）而成的V-D-J DNA区段编码的。Hc段共有8个基因，其顺序依次为：Cμ、Cδ、Cγ3、Cγ1、Cγ2b、Cγ2a、Ca和Cε。V-D-J区经跃迁重排和不同的CH基因相连，构成了编码各种免疫球蛋白分子中H链的基因。与8个Hc对应的8种免疫球蛋白分别是IgM、IgD、IgG3、IgG 1、IgG2b、IgG2a、IgA和IgE。L链产生中的V-J跃迁和V-D-J跃迁的比较如图4-21。

在细胞分化的过程中，分泌具有针对某一特异性抗原的抗体分泌细胞会合成并分泌出不同类型的抗体。这些抗体具有相同的抗原特异性（antigen specificity），但生物学作用并不相同。这些抗体分子的L链和H链的VH区是一样的，只是CH区不一样，因而一个B淋巴细胞和由它衍生而来的细胞克隆，能通过遗传转型（class switching）产生一系列针对同一抗原特异性的抗体。遗传转型是免疫系统细胞分化过程中的又一类DNA水平上的结构重排。

图4-19　抗体结构示意

图4-20　Vκ-Jκ跃迁的分子模型示意

图4-21　轻链形成中的V-J跃迁重排（a）和重链形成中的V-D-J跃迁重排（b）

归纳起来，在L链编码区形成中的V-J跃迁和H链编码区形成中的V-D-J跃迁，决定了特定淋巴细胞的抗体免疫识别特性，随后的遗传转型决定了所分泌的抗体的类型。这里我们将讨论一下V-J跃迁和V-D-J跃迁中发生的分子事件。

在未分化的细胞中（如性腺中的原始性细胞）编码κ链（L链一种）的Jκ和Cκ段是紧密连锁的，但Vκ则位于同一染色体的远端。在已分化的B淋巴细胞中，大约100个或更多的Vκ基因中的一个（由抗原决定Vκ基因段的选择）和4个Jκ基因段中的一个经缺失重排跃迁在一起，这样就形成了连续的能编码107个氨基酸的Vκ区编码段。其中Vκ段编码1～95位氨基酸，Jκ段编码96～107位氨基酸。Jκ和Cκ之间的间隔序列在原始转录物的剪接加工中被切除，最后得到连续的编码抗体分子L链的mRNA。

在亚分子水平上，Vκ和Jκ（以及另一种L链λ的Vλ和Jλ）间的缺失重排的关键与两组很短的保守序列（conserved sequences）直接有关。其中一组位于Vκ基因段的3′端，另一组位于Jκ基因段的5′端。各组都包括两小段保守序列，一段长7个碱基对，另一段长9个碱基对，介于两段间的非保守序列虽然组分各异，但长度是比较恒定的，对Vκ来讲总是长11或12个碱基对，对Jκ来讲总是21～24个碱基对（在λ链基因中，对Vλ来讲是22～23个碱基对，对Jλ来讲是12个碱基对），这个间距相当于DNA分子中1～2个完整的螺旋。有人设想在淋巴细胞中可能有两种“跃迁蛋白”，它们能识别长度相当于1～2个螺旋的间隔序列段，并与之形成复合物，催化缺失重排反应，组成连续的Vκ或Vλ区段。图4-22是已分化的B淋巴细胞中Vκ-Jκ跃迁的可能模式。

图4-22　已分化的B淋巴细胞中VκJκ跃迁的可能模式

重链可变区编码基因段的形成，涉及更为复杂的VH-D-JH跃迁，研究表明在VH和D，以及D和JH之间也有类似图4-22所示的重排关键序列，暗示轻链中的V-J跃迁和重链中的V-D-J跃迁很可能由同一套跃迁蛋白来完成的。

对于重链编码基因来讲，在形成V-D-J区后还要经遗传转型和适当的CH区相接才能形成完整的重链基因。在分泌免疫球蛋白的B淋巴细胞及其衍生的细胞克隆，以及作为分化终点浆细胞的发育过程中，它产生和分泌的免疫球蛋白的类型是有一定时序的，一般先分泌IgM，随后转型至其他类型，如IgA或IgG等。在未经免疫分化的细胞的基因组中，JH段是和Cμ基因相邻的，一旦VH-D-JH跃迁完成，就能转录出Hμ的mRNA前体，经剪接加工即可编码IgM的重链。然而，随着分化所分泌的免疫球蛋白由IgM向IgG转型，这时亲代B细胞的V-D-J区必须和Ca基因作遗传转型以产生Ha的mRNA前体。遗传转型只改变抗体分子的类型，而不改变抗体的特异性可变区的结构。染色体上CH基因的次序是从5′端的Cμ开始逐步向Cδ、Cγ3，Cγ1、Cγ2b、Cγ2a、Ca和Cε展开的，所以遗传转型从发育时序来讲是单向的，总是随着分化时序从DNA分子的5′端向3′端转型。图4-23是产生具有相同的抗原特异性的不同抗体的遗传“转型”示意图。尽管不同的转型位点的结构不相同，但都有和转型剪接有关的保守序列，以便进行正确有效的结构重排。

图4-23　产生具有相同抗原特异性的不同抗体的遗传“转型”示意

值得注意的是免疫细胞基因片段之间有规律、受调控的跃迁剪接将会显著地增加整个基因组的信息量。它不仅增加了可变区的歧异性，而且在保留抗原特异性信息的基础上，使细胞能随着分化而改变其作为免疫效应器的功能。

与免疫细胞的发育和分化有关的DNA结构重排似乎很复杂，然而这个过程很可能只是由一组特异的跃迁蛋白通过识别高度保守的关键序列来调节和控制的，而跃迁蛋白又可能与某种抗原的刺激造成的诱导和阻遏调控有关。从这个意义上讲，免疫细胞可能成为研究真核生物发育和分化过程，及其与机体内微环境相互作用的细胞模型。

在免疫细胞的分化中，除了DNA水平上的重排外，还有RNA水平上的剪接调控。如上所述，分化中的B细胞最先合成的免疫球蛋白是IgM。但是，并非所有的IgM都透过细胞质膜分泌出去，而是有一部分IgMμ链的C端区仍和细胞膜相贴，成为整合于细胞质膜的膜蛋白。分泌型IgM的μ链称为μs，结合于膜的IgM的μ链称为μM。同一个B细胞及其克隆能合成两种不同的IgM。μs和μM的氨基酸序列从Cμ1到Cμ4都是一样的，所不同的是μs的C端有20个亲水氨基酸，使IgM分泌型易于进入体液。而μM的C端有39个疏水氨基酸，这些疏水氨基酸序列能插入疏水的双层细胞质膜。所以编码μs和μM的mRNA是不同的。现已分离到这两种mRNA，编码μM的mRNA长2 700个碱基，编码μs的mRNA长2 400个碱基。基因组DNA和这两种mRNA的比较研究证实，这两种mRNA有一个共同的前体RNA，经过不同的剪接加工形成不同的mRNA，进而导致两种μ链的合成。这是“一个基因，两种蛋白”的又一实例，它又一次告诉我们，RNA的剪接加工是一个可调控的过程，它可以使一个基因产生两个某些功能相关而氨基酸排列各异的蛋白质，使一个基因能编码生物学功能不尽一致的两种蛋白质。