北大医学研究生课程-分子免疫学-MHC.ppt

主要组织相容性复合体主要组织相容性复合体 MHC（Major histocompatibility complex） 一.概念 组织相容：不同个体间的组织的相容性 MHC是受遗传控制的，代表个体特异性的主要组织 抗原系统，参与器官移植排斥，免疫应答调控 。 除无颌类以外，所有脊椎动物都拥有MHC 人的MHC通常称为HLA（human leukocyte antigen） MHC的发现 l20世纪4050年代的研究确定，小鼠近交系之间皮肤移 植物的排斥主要由定位在17号染色体上的H-2基因决定 建立两个遗传背景不同的小鼠近交系（如A、B两个品系 ） A与B杂交后代与亲本回交建立小鼠同类系（congenic mice，即除特定基因外遗传背景高度一致的近交系小鼠品系 ），通过后代小鼠能否接受某一亲本的皮肤移植物来确定组 织相容性基因（histocompatibility genes）的染色体位置 发现位于17号染色体的H-2(histocompatibility-2)基 因是主要的控制移植排斥的基因 lH-2基因特点：在移植排斥中起主要作用；本身含多个功 能相近的基因座位，形成一复合体引入“主要组织 相容性复合体”的概念 CONGENIC MOUSE STRAINS Strain AStrain A.B Selected Locus Intra-H2 Recombinant Congenic Mouse Strains Strain A Strain A.B Strain A.B (R1) Strain A.B (R2) KISD Strain B H2 MHC是决定同种移植排斥的主要抗原 H-2b受者小鼠MHC与供者相同而其它遗传背景不同，H-2d 受者小鼠与供者除MHC外其它遗传背景完全相同 H-2b小鼠 H-2b小鼠H-2d小鼠 小鼠 MHC = H-2 人 MHC = HLA Jean Dausset (1916-2009 ) 20世纪50年代发现HLA 系统 Nobel Prize 1980 二. MHC基因及分子 l人MHCHLA（Human leukocyte antigen） 位于6号染色体短臂，共3400 kb 通过大规模基因测序，99年10月28日在 Nature杂志报道了HLA全基因序列 已发现在此区域有约224个基因，多数基 因尚不知功能 2004年增加延伸的（extended）MHC I类 和II类基因区，即xMHC区，约7.6Mb l小鼠MHC H2，位于17号染色体 l狗MHC DLA，兔MHC RLA 人HLA复合体的结构 Class IIClass IIIClass I DP DQ DR C4B C4A B1 C2 HSP TNF B C E A G F RING DP DM LMP2 LMP7 DQ DR B2 A2 B1 A1 A B TAP1 TAP2 B2 A2 B3 B1 A1 B* A Class II Class III Class I 第六对 染色体 Human xMHC Gene Map l传统上分为MHC I，II，III类基因； l近年来倾向于分为以下两类： 经典的MHC I，II类：基因产物的主要生理功能是呈递 抗原，多态性丰富；即通常所说的“MHC基因” 免疫功能相关基因：传统的MHC III类基因，非经典 MHC I，II基因。 lxMHC基因区主要两大基因簇：组蛋白基因 簇和tRNA基因簇 分类： (一)经典MHC I类和II类基因 小鼠H-2： 定位于17号染色体； I类基因：K、D、L； II类基因：Ab、Aa、Eb、Ea。 人HLA基因： 定位于6号染色体； I类基因：B、C、A； II类基因：DP、DQ、DR亚区，每个亚区由两 个或两个以上基因座组成，分别编码分子量 相近的链和链 (二) HLA分子 1、HLA I类分子： 链和2微球蛋白（2-microglobin）组成 的异源二聚体； 链胞外有3个结构域1，2，3， 1，2组成 抗 原肽结合槽； 所有有核细胞表达。 2微球蛋白基因不在MHC基因区，人2微球蛋 白基因的位于15号染色体；小鼠在2号染色体。 MHC与抗原形成复合物 2、HLA II类分子： 分子量相似的链和链组成的异二聚体分子； 1，1形成抗原肽结合槽； B, DC, M等表达。 HLA II类分子的结构 MHC class I MHC class II Cleft geometry Peptide is held in the cleft by non-covalent forces （三）免疫功能相关基因 （一）血清补体成份编码基因：C4B，C4A，BF，C2。 （二）抗原加工提呈相关基因： 1、低分子量多肽基因：LMP2，LMP7； 2、抗原加工相关转运体基因：TAP1，TAP2； 3、TAP相关蛋白基因； 4、HLA-DM，DO基因。 （三）非经典的I类基因：HLA-E(杀伤细胞表面抑制性受体 CD94/NKG2A, CD94/NKG2C的配体)， HLA-G(杀伤细胞免疫球 蛋白样受体KIR的配体)。 （四）炎症相关基因：TNF家族，IkB基因，MICA/B，HSP70 等。 1 2 三、MHC基因的多态性现象 l相关概念 多态性：是指在一随机分配的群体中，染 色体同一基因座位（或多态性标记位点）有两 种以上基因型。 复等位基因：位于一对同源染色体上对应 位置的一对基因称为等位基因。在群体中占据 某同源染色体同一座位的两个以上的、决定同 一性状的基因 l经典的MHC I类和MHC II类基因是基因组中 多态性最丰富的基因 l某些MHC III类基因也具有高度多态性，如 Bf基因已检出20多种变异体 lMHC多态性能防止快速进化的病原微生物针 对宿主的攻击，保护生物群体的生存。 Some MHC Genes are Highly PolymorphicSome MHC Genes are Highly Polymorphic Adapted from http:/www.ebi.ac.uk/imgt/hla/ # Alleles Class IClass II HLA的复等位基因的命名 NomenclatureIndicates HLAthe HLA region and prefix for an HLA gene HLA-DRB1a particular HLA locus i.e. DRB1 HLA-DRB1*13a group of alleles which encode the DR13 antigen HLA-DRB1*13:01a specific HLA allele HLA-DRB1*13:01N a null allele, an allele which is not expressed HLA- DRB1*13:01:02 an allele which differs by a synonymous mutation HLA- DRB1*13:01:01:02 an allele which contains a mutation outside the coding region HLA的复等位基因的命名 HLA-A*24:09N A Null allele, an allele which is not expressed HLA-A*30:14L An allele encoding a protein with significantly reduced or Low cell surface expression HLA- A*24:02:01:02L An allele encoding a protein with significantly reduced or Low cell surface expression, where the mutation is found outside the coding region HLA- B*44:02:01:02S An allele encoding a protein which is expressed as a Secreted molecule only HLA-A*32:11Q An allele which has a mutation that has previously been shown to have a significant effect on cell surface expression, but where this has not been confirmed and its expression remains Questionable HLA的复等位基因的命名（续） .uk/research/hlainformaticsgroup/lists/nomenclature-of-hla-alleles.htm L：an allele which has been shown to have Low cell surface expression when compared to normal levels. S：an allele specifying a protein which is expressed as a soluble Secreted molecule but is not present on the cell surface. C：an allele product which is present in the Cytoplasm but not on the cell surface. A：Aberrant expression where there is some doubt as to whether a protein is expressed. Q：an allele is Questionable given that the mutation seen in the allele has previously been shown to effect normal expression levels # PROTEINS HLA基因的多态性现象与普通多态性 基因的差别 l典型MHC基因的多态性较普通的多态性基因复杂 得多（如与ABO血型抗原基因比较） l不同复等位基因间差异明显 l多态性变异较为集中于HLA分子与抗原肽结合部 位的结构域 12 10 8 6 4 2 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 12CP,TM,C HLADR 分子的多态性 四、MHC基因复合体遗传特征 l单元型（haplotypes）遗传方式 单元型：同一条染色体上紧密相连基因的 组合 HLA单元型：同一条染色体上不同HLA基因 的组合。 HLA基因在体细胞两条染色体上的组合称为 基因型。 某一个体HLA抗原特异性型别称为表型。 l共显性：一对等位基因的两个成员在杂合 体中都表达的遗传现象。 l连锁不平衡 子女与父母有一半HLA相同 子妹间1/4机率完全相同；1/2机率一半HLA相同 1 6 2 35 2 40 10 16 a bc d a c a db c b d 1 6 2 40 1 6 10 16 2 35 2 40 2 35 10 16 MHC的共显性表达 Mouse MHC 连锁不平衡 l连锁：处于同一条染色体上的基因遗传时较多 地联系在一起的现象 l基因频率：是指群体中携带某一等位基因的个 体数目与携带该基因座位各等位基因个体数目 总和的比例。 l假设两个基因座的两个等位基因，其频率分别 是p1和p2，若它们之间的重组是随机的，其联 合的频率，即单元型频率h是p1Xp2，这样的结 果即为连锁平衡。 l如果h比预期的随机重组值高或者低，说明两 个基因座存在连锁不平衡 HLA连锁不平衡举例 单元型频率（） A B D观察值 期望值 A1B89.82.1 A3B75.42.1 B8Dw38.61.4 B7Dw23.91.8 HLA连锁不平衡的可能起因 l紧密连锁基因座的某些等位基因的组合使 携带者具有选择优势，因而可以长期存在 l据推测传染病是维持其多态性和连锁不平 衡的最重要选择力量 五. MHC结合的分子 lMHC I 类抗原结合抗原多肽（8-10个氨基 酸）、TCR、 CD8、杀伤细胞抑制性受体 lMHC II 类抗原结合抗原多肽（13-18个氨 基酸）、TCR、 CD4 抗原肽往往带有两个或两个以上和MHC分子凹槽相结合的特 定部位（锚定位）。该位置上的氨基酸残基被称为锚定残基。 Allelic Variation in MHC Proteins Surrounds Peptide Binding Cleft Janeway et al., Immunobiology, 2001 六、MHC分子表达的调节 lI类分子组成型表达于所有有核细胞表面，II类分 子正常情况下只存在于B细胞、巨噬细胞、树突状 细胞、内皮细胞等少数细胞类型 l转录水平的调节 MHC分子的表观遗传学调控：MHC基因的甲基化状态 在不同的组织中有所差异 转录速度是MHC分子在细胞表面表达的重要决定因 素 各种MHC基因和分子的转录和表达同等地受到调节 ：如不位于MHC区域内的2m和Ii分别与I类的链和II 类的、链协同地被调节 细胞因子可调节I类和II类基因在多种细胞内的基 本转录速度，这是T细胞应答的重要放大机制，如IFN- 可提高MHC分子的表达 CIITA缺陷裸淋巴细胞综合征 l淋巴细胞和胸腺细胞缺乏MHC II类分子表 达，CD4 T细胞很少能发育成熟，即使有 少量发育成熟，也得不到抗原的有效刺激 l患者出现SCID表型 (IFN stimulated response element） （IFN- activation sites） ISGF-3:IFN stimulated gene factor-3 细胞因子可促进MHC基因在多种细胞表达 转录后的调节：泛素介导的MHC分子降解 Identified E3s for MHC molecules. KSHV MIR1 and MIR2 can inhibit surface expression of MHC class I (MHC I) through ubiquitination of the cytoplasmic tail of the MHC I heavy chain, thus presumably inhibiting recognition of the infected cell by viral-specific cytotoxic T cells (CTL). This mechanism is proposed to be one of strategies used by KSHV for immune evasion. The cellular MARCHs, c-MIR/MARCH-VIII and MARCH-I, can downregulate the surface expression of MHC class II (MHC II) through similar mechanisms. Both E3s ubiquitinate the cytoplasmic tail of the MHC II b chain. Forced expression of c-MIR/MARCH-VIII can inhibit T cell-dependent immunity. Ub, ubiquitin; RINGv, RING variant domain. Current Opinion in Immunology 2009, 21:7883 Possible contribution of MARCH-I to immune responses. In the steady state, MARCH-I (shown as E3) is constitutively expressed in APCs and regulates the expression of MHC II through ubiquitination-mediated lysosomal degradation (left panel). Once APCs are activated by infection, MARCH-I expression or its enzymatic activity is downregulated, and pathogen- derived peptides are presented by MHC II stabilized owing to loss of ubiquitination. Current Opinion in Immunology 2009, 21:7883 Differential distribution of MHC molecules Cell activation affects the level of MHC expression The pattern of expression reflects the function of MHC molecules: Class I is involved in anti-viral immune responses Class II involved in activation of other cells of the immune system Tissue MHC class IMHC class II T cells+ +/- B cells+ + Macrophages+ + Other APC+ + Epithelial cells of thymus + + Neutrophils+ - Hepatocytes + - Kidney + - Brain + - Erythrocytes - 七. MHC功能 l介导T细胞的抗原识别 lT细胞在胸腺的分化 l调控NK细胞功能 l免疫应答的遗传控制：不同个体表现出差异性 l移植排斥 l与某些疾病具有关联关系 lMHC I类分子的非免疫功能 lMHC II 类分子的非经典生物学功能 介导T细胞的抗原识别 lMHC I类抗原介导内源性抗原的呈递 lMHC II类抗原介导外源性抗原的呈递 l交叉呈递：可引起交叉启动或交叉耐受 ， 对于某些幼稚CD8+ T细胞的活化、及T细胞 发育的中枢耐受有重要作用 MHC I类抗原介导外源性抗原的呈递 MHC II类抗原介导内源性抗原的呈递 lMHC限制（MHC restriction） Zinkernagel 50(2):35-42. Classical major histocompatibility complex class I molecules in motoneurons: new actors at the neuromuscular junction. J Neurosci. 2009 ;29(43):13503-15. MHC I 类分子的非免疫功能 MHC