APC及抗原提呈

抗原提呈细胞及抗原提呈(APC & Ag presentation),陈玮琳浙江大学免疫学研究所,抗原提呈细胞(antigen presenting cell, APC)是指能摄取、加工处理抗原，并将抗原提呈给抗原特异性淋巴细胞的一类免疫细胞。在机体免疫应答中发挥重要作用，也称辅佐细胞（accessory cell）。,抗原提呈细胞与抗原提呈,抗原提呈（antigen presentation）指APC细胞将抗原加工处理、降解为抗原肽片段并与胞内MHC分子结合，以抗原肽/MHC分子复合物的形式表达于APC表面递呈给T细胞识别的过程。,抗原提呈细胞与抗原提呈,专职APC(professional APC)：能组成性表达MHC-类分子和T细胞活化的共刺激分子，抗原提呈能力强，包括巨噬细胞(M)、树突状细胞(dendritic cell, DC)和B细胞等。非专职性APC(non-professional APC)：诱导性表达MHC-类分子，抗原提呈能力弱，包括内皮细胞、成纤维细胞、上皮细胞等。靶细胞（target cell）：表达MHC类分子的细胞,一、抗原提呈细胞,树突状细胞（dendritic cells, DC）是迄今为止所知的体内抗原提呈功能最强的APC，因其成熟时伸出树突状或伪足样突起而得名。DC具有以下特点：能有效活化初始型（naive）T细胞，也是体内惟一能活化naive T细胞的APC；高水平表达MHC类分子及与抗原摄取和转运相关的特殊膜受体；能有效摄取和处理抗原，然后迁移至T细胞区；具高效抗原提呈作用，少量抗原和少量DC即可激活T细胞。,一、抗原提呈细胞：树突状细胞,树突状细胞的来源,组织中未成熟DC- 强吞噬和吞饮作用- 处理抗原能力强 - 低水平的MHC- 缺乏共刺激分子 - 递呈抗原能力弱淋巴组织中成熟DC- 不再有吞噬能力- 表达共刺激分子 (B7-1, B7-2)- 高表达MHC和黏附分子- 抗原递呈能力强,DC的分化、发育、成熟及迁移:前体目前从人胎肝、脐血、骨髓、成人外周血以及小鼠的骨髓和外周血中均分离出髓系前体。其功能在于产生各种髓系DC未成熟期未成熟DC主要存在于多种实体器官及非淋巴组织的上皮（此处的DC即为LC）能表达一些膜受体如FCR、人甘露糖受体或鼠DEC205分子未成熟DC能通过吞饮和吞噬作用摄取抗原,但刺激nave T细胞的能力弱。,一、抗原提呈细胞：树突状细胞,DC的分化、发育、成熟及迁移:迁移期主要存在于输入淋巴管、外周血、肝脏血液及淋巴组织经过淋巴和血液循环，从输入淋巴管进入淋巴结。从外周血进入脾脏或从肝窦进入腹腔淋巴结，从而启动T细胞产生免疫反应成熟期成熟期DC主要存在于淋巴结、脾脏及Peyers结。受趋化因子的作用归巢至T细胞区。,一、抗原提呈细胞：树突状细胞,Menu,F,B,树突状细胞的分化、发育和迁移,未成熟DC与成熟DC功能的比较,DC的分布与类型Langerhans cell: 表皮和上皮interstitial DC: 心肺肾肝胃间质peripheral blood DCveiled cell：输入淋巴管和淋巴液thymic DC (TDC)：胸腺髓质interdigitating DC (IDC)：外周淋巴组织胸腺依赖区follicular DC (FDC)：滤泡,一、抗原提呈细胞：树突状细胞,几类主要APC的分布及其主要特性,DC的生物学功能摄取、处理与提呈抗原 DC通过以下三条途径捕获抗原： （1）受体介导的内吞作用 （2）巨吞饮作用 （3）吞噬作用,一、抗原提呈细胞：树突状细胞,DC的生物学功能参与免疫激活和免疫耐受 1）DC是体内惟一能激活初始T细胞的APC，它既能提供初始T细胞活化的抗原刺激信号，也能提供协同刺激信号。 2）DC是胸腺内对分化发育中T细胞进行阴性选择的重要细胞，通过排除自身反应性克隆，直接参与中枢免疫耐受的诱导。 3）未成熟DC诱导外周耐受的机制尚不完全清楚，可能为：清除自身反应性T细胞；诱导调节性T细胞/抑制性T细胞产生。,一、抗原提呈细胞：树突状细胞,DC的生物学功能参与免疫调节 1）研究发现，CD4+Th0细胞分化受DC控制，DC1通过分泌IL-12促使Th0向Th1细胞分化，并介导细胞免疫应答；DC2通过分泌IL-4而促进Th0向Th2细胞分化，并介导体液免疫应答。 2）DC可分泌多种细胞因子，参与免疫功能的调节，例如：人DC分泌IL-1、IL-1、IL-8、IFN-、TNF-和GM-CSF等；,一、抗原提呈细胞：树突状细胞,DC的生物学功能参与T、B细胞的分化发育 1）DC作为重要的胸腺间质细胞，对T细胞在胸腺中的选择过程起重要作用。 2）位于外周淋巴器官B细胞依赖区的FDC可参与B细胞发育、分化、激活及记忆性B细胞形成和维持，其主要功能为：促进生发中心淋巴细胞对抗原产生特异性反应；参与B细胞膜表面高亲和力Ig表达和V基因重排；高表达FcR、CR等受体，有利于持续附着一定量抗原，通过长时间刺激记忆性B细胞，使其保持免疫记忆。,一、抗原提呈细胞：树突状细胞,单核-吞噬细胞系统（mononuclear phagocyte system, MPS）包括骨髓前单核细胞（pre-monocyte）、外周血单核细胞（monocyte, Mo）和各种组织巨噬细胞（macrophage, M）。Mo和M并非单纯的吞噬细胞，其具有广泛生物学功能，如抗感染、抗肿瘤、参与免疫应答和免疫调节等。单核吞噬细胞具有黏附玻璃及塑料表面的特性，故又称黏附细胞（adherent cell），淋巴细胞则无此性能，可利用该特点分离获取单核-巨噬细胞。,一、抗原提呈细胞：单核巨噬细胞,骨 髓,血 液,组 织,多能干细胞,髓样干细胞,单核母细胞,前单核细胞,单核细胞,单核细胞,巨噬细胞 结缔组织：组织细胞 肺：肺泡巨噬细胞 肝：枯否细胞 脾与淋巴结：游走与固定巨噬细胞 浆膜腔：胸、腹腔巨噬细胞 神经组织：小胶质细胞 骨：破骨细胞 关节：滑膜A型细胞,单核吞噬细胞系统细胞的分化和分布,表面标志 MHC-I/II类抗原、粘附分子（LFA-1, ICAM-1)、共刺激分子(B7,CD40)、FcR、补体受体(CR1/3/4)、LPS受体(CD14)、CKR等分泌功能： -产生溶酶体酶、髓过氧化物酶、活性氧等 -分泌细胞因子、补体、凝血因子等 -产生前列腺素、白三烯、ACTH、内啡肽等,一、抗原提呈细胞：单核巨噬细胞,MPS的主要生物学功能吞噬和杀伤功能： 吞噬颗粒抗原、受体（FcR和C3bR)介导的内吞、吞饮； 氧依赖和非依赖机制杀伤和消化病原体； 直接杀伤或ADCC作用激发抗肿瘤免疫。,一、抗原提呈细胞：单核巨噬细胞,吞 噬 作 用,MPS的主要生物学功能抗原处理与提呈 通过吞噬(phagocytosis)、胞饮(pinocytosis)及受体介导的胞吞作用（receptor-mediated endocytosis）等三种方式摄取抗原。进入胞内的抗原经吞噬体内蛋白水解酶的降解、加工和处理，产生许多小分子多肽片段，这些具有抗原决定簇的多肽片段与M本身的MHC类分子结合，形成抗原肽-MHC类分子复合物，并表达于M细胞表面以利于具有相应抗原受体的CD4+T细胞识别并结合。,一、抗原提呈细胞：单核巨噬细胞,抗原提呈作用,MPS的主要生物学功能免疫调节作用 巨噬细胞可对免疫应答发挥正、负调节作用。巨噬细胞促进免疫应答的机制是：摄取、加工处理、提呈抗原并启动免疫应答；分泌多种具有免疫增强作用的细胞因子（如IL-1、IL-12、TNF-等），促进免疫细胞活化、增殖、分化和产生免疫效应分子。 巨噬细胞抑制免疫应答的机制为：过度活化的巨噬细胞可转变为抑制性巨噬细胞，分泌前列腺素、TGF-、活化氧分子等免疫抑制性物质，抑制免疫细胞活化、增殖或直接杀伤靶细胞。,一、抗原提呈细胞：单核巨噬细胞,一、抗原提呈细胞：B淋巴细胞,可通过BCR途径和非特异性胞饮摄取抗原,三种APC细胞特征比较,某些细胞在通常情况下并不表达MHC类分子，亦无抗原提呈能力，但在炎症过程中或接受某些活性分子（如IFN-）刺激后，则可表达MHC类分子，并能处理和提呈抗原。这些细胞被称为兼职APC，包括血管内皮细胞、各种上皮细胞和间质细胞、皮肤的成纤维细胞及活化的T细胞等。,一、抗原提呈细胞：兼职APC,抗 原 处 理（antigen processing)APC细胞将胞浆内自身产生或摄入胞内的抗原消化降解成一定大小的抗原肽片段，以适合与胞内MHC分子结合。,二、抗原提呈,外源性抗原(exogenous antigen)： 来源于APC外的抗原，通过溶酶体途径由MHCII类分子递呈给CD4+T细胞。内源性抗原(endogenous antigen)： 细胞内合成的抗原，通过胞质溶胶途径由MHCI类分子递呈给CD8+T细胞。,二、抗原提呈,Pathogens in Cytosol/Vesicles,外源性抗原被APC摄取、加工、处理为抗原肽，与MHC-II类分子形成抗原肽/MHC-II类分子复合物，表达于APC表面，供CD4+T细胞识别的过程。,二、抗原提呈： MHC-II类分子途径,MHC-II类分子途径,外源性抗原 新合成的MHC-II类分子 （内质网中） 吞噬小体 li占据抗原结合槽 溶酶体 蛋白酶 MIIC 吞噬溶酶体 li CLIP 蛋白酶作用 DM降解成1318AA小肽 + CLIP脱落,暴露抗原结合槽 抗原肽/MHC II类分子复合物 转运至APC表面,供CD4+T细胞识别,吞噬、内吞、吞饮,Y,Pinocytosis,Phagocytosis,Membrane Igreceptor mediateduptake,Uptake of exogenous antigens,Complement receptormediated phagocytosis,Fc receptor mediated phagocytosis,opsonization,Proteases produce 24 amino acid long peptides from antigensDrugs that raise the pH of endosomes inhibit antigen processing,Exogenous pathway,Protein antigensIn endosome,Cathepsin B, D and L proteases are activated by the decrease in pH,Need to prevent newly synthesised, unfolded self proteins from binding to immature MHC,Invariant chain stabilises MHC class II by non- covalently binding to the immature MHC class II molecule and forming a nonomeric complex,In the endoplasmic reticulum,MHC class II maturation and invariant chain,参与II类分子的组装和折叠； 封闭II类分子的肽结合槽 阻止II类分子与胞浆中内源性抗原结合 引导组装后的MHC-II类分子转运至小室,Ii 的作用,CLIP：class II-associated invariant chain peptide,Class II associated invariant chain peptide (CLIP),(inv)3 complexesdirected towardsendosomes byinvariant chain,Cathepsin L degrades Invariant chainCLIP blocks groove in MHC molecule,MHC Class IIcontaining vesiclesfuse with antigencontaining vesicles,Removal of CLIP,?,How can the peptide stably bind to a floppy binding site?,Competition between large number of peptides,HLA-DM catalyses the removal of CLIP,MIIC compartment,HLA-DMReplaces CLIP with a peptide antigen using a catalytic mechanism (i.e. efficient at sub-stoichiometric levels)Discovered using mutant cell lines that failed to present antigenHLA-DO may also play a role in peptide exchange,MIIC compartment sorts peptide-MHC complexes for surface expression orlysosomal degradation,Surface expression of MHC class II-peptide complexes,MHC-II Goes from Golgi (G) to MHC-II Compartment (MIIC) Where Peptide Loading Occurs,Menu,F,B,内源性抗原被胞质溶胶中蛋白酶体降解为小分子抗原肽后，与 MHC-I类分子结合，形成抗原肽/ MHC-I类分子复合物，供CD8+T细胞识别的过程。如病毒抗原、肿瘤抗原，组织抗原等主要经此途径递呈。,二、抗原提呈： MHC-I类分子途径,内源性抗原递呈途径,内源性抗原（如病毒抗原、肿瘤抗原) 胞质被蛋白酶体酶解 抗原肽（含8-13个AA） 经TAP转运至内质网 形成抗原肽/MHC-I类分子复合物 转运至APC表面 递呈给CD8+T细胞识别,Degradation in the proteasome,The components of the proteasome include MECL-1, LMP2, LMP7These components are induced by IFN- and replace constitutive components to confer proteolytic properties.LMP2 & 7 encoded in the MHCProteasome cleaves proteins after hydrophobic and basic amino acids and releases peptides into the cytoplasm,Cytoplasmic cellular proteins, including non-self proteinsare degraded continuously by a multicatalytic protease of 28 subunits,Proteasome, the Cytosolic Meat Grinder That Chops Up Proteins,ENDOPLASMIC RETICULUM,CYTOSOL,Peptide antigens produced in the cytoplasm are physically separated from newly formed MHC class I,Transporters associated withantigen processing (TAP1 & 2),Transporter has preference for 8 amino acid peptideswith hydrophobic C termini.,Calnexin bindsto nascentclass I chainuntil 2-M binds,B2-M binds and stabilises floppy MHC,Tapasin, calreticulin, TAP 1 & 2 form a complex with the floppy MHC,Cytoplasmic peptides are loaded onto the MHC molecule and the structure becomes compact,Maturation and loading of MHC class I,内源性抗原递呈的MHC-I类分子途径,Fate of MHC class I,Menu,F,B,一般情况下，内源性和外源性抗原分别通过I类分子和II类分子途径进行加工提呈，但也有例外，即在某些情况下，内源性抗原可进入自吞小泡（autophagosome），后者与内体/溶酶体融合，通过外源性抗原提呈途径进行加工、处理；而某些被吞噬的外源性抗原也可由MHC类分子加工、提呈，此类抗原通常是胞内寄生的细菌或原虫产生的蛋白质，它们可从吞噬溶酶体中逃逸，经过与内源性蛋白抗原相同的途径被处理，这种情况被称为交叉提呈。,二、抗原提呈： 交叉提呈途径,二、抗原提呈： 交叉提呈途径,交叉提呈的机制 下列情况下，外源性抗原可通过MHC类分子途径被提呈：病原微生物抗原直接进入宿主APC胞质中，如病毒和李斯特单孢杆菌可通过正常的胞质溶胶途径被提呈；在内体中，抗原肽直接与预先形成的MHC类分子或与细胞表面内吞的MHC类分子结合；外源性抗原从内体转向胞质溶胶中，或直接从胞外流向胞质，然后循经典的MHC类分子途径被提呈。,二、抗原提呈： 交叉提呈途径,交叉提呈的意义 （1）交叉提呈与自身耐受自身抗原的交叉提呈在维持外周耐受中发挥重要作用。次要组织相容性抗原在胸腺中的交叉提呈可导致CTL耐受，此过程称交叉耐受。最近，在某些胸腺外器官（如胰腺和肾）中也发现交叉耐受现象：胰腺和肾的抗原可由骨髓来源DC交叉提呈给引流淋巴结中淋巴细胞，引起静