免疫识别

免疫识别及其相关细胞分子,沈关心华中科技大学同济医学院免疫学系二0一四年十二月,2,免疫防御,免疫自稳,免疫监视,识别并清除病原物,自身免疫耐受，清除衰老损伤的细胞维持机体免疫系统功能稳态,识别与清除变异细胞,免疫系统的三大功能?,免疫系统机体健康的卫士,免疫识别,识别“自己”与“异己”?模式分子与模式受体抗原表位与特异性识别,3近代和现代免疫学时期（自20世纪中叶至今） * Burnet（1957年）克隆选择学说； * 从器官、细胞和分子水平探讨免疫系统结构与功能。,MacFarlane Burnet（1899-1985）,Top Virologist; Top Epidemiologist Top Immunologist; 1960 Nobel prize winner,Clonal selection theory,Eli Metchnikoff (1845-1916)08,Emil von Behring (1845-1917)01,Robert Koch (1843-1910)05,Paul Ehrilich (1854-1915)08,提出体液免疫理论和抗体生成的侧链学说,发现细胞吞噬作用，提出细胞免疫理论,发现结核杆菌；提出病原菌致病的概念,发现抗毒素并治愈一名白喉患者,免疫与免疫学,免疫（immunity） 是机体识别“自己” （self）和非己（not self），排除“非己”。正常情况下是维持内环境稳定的一种生理性防御功能。免疫识别是诱导和触发机体产生免疫应答反应或者决定免疫系统处于耐受状态的重要免疫过程，是免疫学研究中的一个关键科学问题。,怎样理解“异己”,异种移植物同种异体器官移植物,蛋白质、核酸、糖脂类,各种病原微生物如寄生虫、细菌、病毒等,各种动植物如动物血清、花粉等,抗原（Antigen）,特异性抗体,致敏淋巴细胞,经皮下、静脉或受损的 皮肤、粘膜等进入机体,突变的细胞？其他？,“自 己”,免疫学中所指“自己”即属机体胚系基因（gene in germ-line）编码的产物；或是机体免疫系统发育过程中接触过的物质。机体免疫系统发育过程中尚未接触过的自身物质？属于自己的成分，胚系发育过程中免疫系统没有接触？原属“非己”的外来成分，一旦接触发育中的免疫系统，即有可能被视为“自己”，机体对其不能产生免疫应答？,机体免疫系统通过细胞免疫识别并特异地杀伤突变细胞，使突变细胞在未形成肿瘤之前即被清除，但当机体免疫监视功能不能清除突变细胞时，则可形成肿瘤。,肿瘤免疫监视学说（ Burnet in 1967 ）,免疫学,免疫学是研究免疫系统的结构与功能的学科，涉及到免疫识别、免疫应答与免疫耐受/ 免疫调节等免疫学基本科学规律与机制，以及免疫机制在相关疾病发生发展中的作用、免疫学技术在疾病诊断、治疗与预防中应用。 目前国际免疫学研究主要有三大方面：基础免疫学研究；临床免疫学研究和应用；免疫学技术的研发与应用。,现代免疫学研究的内容,（3 types of cells, 3 types of molecules）,抗原结合细胞和分子,Lymphocytes,Innate Lymphocytes,Adaptive Lymphocyte,NK cells NKT cells gd T cellsB1细胞,T Cells B Cells,固有淋巴样细胞（innate lymphoid cell，ILC）,T细胞亚群的可塑性,Innate lymphocytes and dendritic cell maturation,免疫识别,识别“自己”与“异己”模式分子与模式受体（PAMPs与PRRs）抗原表位与特异性识别（抗原表位/p MHC与BCR/TCR）,天然免疫与特异性免疫的识别特点识别特点 天然免疫 特异性免疫识别抗原种类 通常识别微生物 既可识别微生物分子抗原和靶分子结构 及其产物的组分（PAMP） 也可识别非微生物抗原 亦可识别（DAMP）识别的特异性 泛特异性 高度特异性 识别不同种类的微生物 微生物的不同抗原表位识别受体基因 在胚系中编码 在个体发育过程中重排 （BCR体细胞基因突变） 识别受体分布 非克隆化 克隆化,2011诺贝尔医学奖得主揭示免疫系统奥秘,美国科学家布鲁斯博伊特勒、法国籍科学家朱尔斯霍夫曼，加拿大科学家拉尔夫斯坦曼，表彰他们在固有免疫激活研究方面的贡献。 霍夫曼发现了称为Toll基因参与果蝇胚胎发育，1996年，他与其同事将这一研究结果发表于细胞杂志；1998年，博伊特勒在科学杂志上发表了一种类似Toll基因的突变基因，称为Toll样受体(TLR)，其编码的TLR蛋白在小鼠固有免疫中起重要作用，这些发现揭示，Toll样受体是固有免疫系统的感应器，启动固有免疫反应，也是免疫系统的第一道防线； 斯坦曼等发现DC启动的获得性免疫不仅可以抗御多种病原微生物的感染，而且在当代产生了新的可以抗御癌症的疗法，即癌症的免疫疗法。 斯坦曼本人患癌也采用了由DC研制的治疗性疫苗进行治疗，这类疫苗可以调动人体免疫系统对肿瘤发起攻击。 首位不知自己获奖的先行者,molecular patterns,PAMPs(pathogen-associated molecular patterns)DAMPs(damage-associated molecular patterns)ACAMPs (apoptotic-cell-associated molecular patterns)TCAMPs (tumor-cell-associated molecular patterns)RAMPs(Resolution-associated molecular patterns),pathogen associated molecular patterns，PAMPs,定义：一类或一群特定的微生物病原体（及其产物）共有的某些非特异性、高度保守的分子结构，可被非特异性免疫细胞所识别。包括：脂多糖（LPS）、磷壁酸（LTA）、肽聚糖（PGN）、甘露糖、病原DNA、双链RNA和葡聚糖等。PAMP的特征： - 通常为病原微生物所特有，而宿主细胞不产生； - 为微生物的生存或致病性所必需； - 为宿主天然免疫细胞泛特异性识别的分子基础。,damage-associated molecular patterns, DAMPs,定义：DAMPs是组织或细胞受到损伤、缺氧、应激等因素刺激细胞损伤或激活后释放到细胞间隙或血液循环中的一类物质。主要包括以下几类：细胞内蛋白分子：如HSPs、HMGBl和S100蛋白等；非蛋白嘌呤类分子及其降解产物：ATP、ADP、腺苷和尿酸等；细胞外基质降解产物：如透明质烷片断和硫酸肝素等；无引导序列(leaderless)方式分泌的CK：如IL-1、IL-18等；代谢中间产物：如糖基终末代谢产物、修饰性脂蛋白和游离脂肪酸等也能够与不同PRRs相互作用，激活或抑制炎症反应，因此也可被认为是一类DAMPs分子；随着研究工作的深人，将有更多物质被鉴定为DAMPs分子。,Damage-associated molecular patterns (DAMPs),DAMP分子调节炎症反应的机制,DAMP分子可以通过多种机制激活固有免疫和适应性免疫，激活或抑制炎症反应；DAMP分子可直接促进炎性介质释放，调节炎症反应和组织损伤；HMGBl、S100蛋白和尿酸等DAMP分子可促进炎症反应；HSP60和腺苷等DAMP分子则具有免疫抑制作用，可抑制炎症过程。因此，促炎DAMP分子与抗炎DAMP (RAMPS)分子之间的平衡将决定机体炎症反应状态。DAMP分子可调节固有免疫和适应性免疫发展方向，影响炎症反应发展和转归；DAMP分子可诱导免疫细胞向炎症部位迁移；DAMP分子可增加炎性细胞粘附浸润能力。,DAMP Receptors,Receptor for advanced glycation endproducts (RAGE) is a multiligand receptor of the immunoglobulin superfamily expressed on macrophages, neurons, endothelial cells and a variety of tumor cells. RAGE interacts with various ligands, including AGE (advanced glycation endproducts), HMGB1, S100 proteins and -amyloids . Stimulation of RAGE induces the activation of NF-B and the MAPKs, Erk1/2 and p38. RAGE can both initiate and perpetuate the inflammatory response.Some DAMPs can engage TLRs（TLR2 and TLR4）Mincle, a transmembrane C-type lectin receptor (CLR）Triggering receptor expressed on myeloid cells 1 (TREM-1) is a new member of the immunoglobulin superfamily,DAMPs意义,DAMPs的发现及其作用机制的阐明，有助于阐明多种慢性炎症疾病的病理机制；为疾病的诊断和防治提供新的思路；PAMPs对机体而言是外源性危险因子，而由各种原因导致体内组织细胞损伤所产生的某些物质，如HSP、线粒体、HMGB1、DNA和RNA等，则为内源性危险因子，亦能刺激免疫细胞产生应答，发挥免疫效应。(RAMPS)亦可能诱导免疫耐受佐剂研究,免疫识别,现代“免疫”的概念指机体对“自己”和“异己（非己）”的识别与应答过程中所产生的生物学效应，在正常情况下，是维持机体内环境稳定的一种生理性功能。机体识别“非己”（抗原），对其产生免疫应答并清除之；正常机体对“自己”则不产生免疫应答，即维持耐受。免疫系统生物学功能的本质 * 免疫系统并非仅识别“自己”与“非（异）己”，关键在于是否存在危险因素。1正常机体维持低水平自身免疫应答是调节免疫生理功能的重要机制。2危险因素诱导免疫损伤的机制* 感染/肿瘤等自身成份被修饰* 感染/炎症 提供放大自身免疫应答的辅助信号,模式识别理论(Janeway,1989年),外源性危险信号(PAMP)内源性危险信号（DAMP),33,Resolution-associated molecular patterns (RAMPs) in the acute inflammatory response. The acute inflammatory response is initiated in response to the presence of conserved microbial products pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) or to the presence of endogenous molecules released from stressed and necrotic cells in the extracellular milieu damage-associated molecular patterns (DAMPs). Both PAMPs and DAMPs cause, or are dependent upon, cellular stress. This initiates the over-expression and release of RAMPs which, in extracellular environs, participate in limiting and resolving the acute inflammatory responses via a variety of direct and indirect mechanisms.,定义：一类主要表达于天然免疫细胞表面、非克隆性分布、可识别一种或多种PAMP的识别分子。 PRR的生物学特征： * 较少多样性； * 非克隆性表达:同一类型细胞（如巨噬细胞）表达的PRR具有相同的特异性。 * 介导快速的生物学反应，无需细胞增殖。,模式识别受体(pattern-recognition receptors，PRR),MBL：肝脏合成的急性期反应蛋白，识别并结合G-/G+菌、酵母菌、某些病毒等表面的甘露糖，激活MBL补体途径，发挥调理、致炎作用；甘露糖受体：特异性识别微生物细胞壁糖蛋白和糖脂末端的甘露糖和岩藻糖残基，介导吞噬细胞吞噬；清道夫受体：识别并与细菌细胞壁某些组分结合，有效地清除血循环中的细菌；TLR：在免疫应答的诱导和炎性反应中发挥重要作用；RIG-1 (Retinoic acid 2inducible gene I)样受体RIG-I-like receptor， RLR) 和和MDA5 (Melanoma Differentiation-Associated protein 5):分别识别不同类型的病毒；NLR(nucleotide-binding domain leucine-rich repeat)家族成员NOD1/2样受体：一类细胞内感应分子，识别胞内细菌，有些NOD样受体在激活后，形成巨大的蛋白复合体即炎症小体，激活Caspase1，对IL-1和IL-18等炎症因子的前体形式进行切割，使其成熟并释放到胞外，引起炎症反应；NK细胞识别受体(NKR)，以及其他天然免疫识别受体。PRR分子在 诱导自身免疫或免疫耐受,在关节炎、动脉粥样硬化、肿瘤、系统性红斑狼疮等疾病发生和发展过程中发挥重要作用。分泌型与膜型,重要的PRR,甘露糖受体：特异性识别微生物细胞壁糖蛋白和糖脂末端的甘露糖和岩藻糖残基，介导吞噬细胞吞噬。 清道夫受体：识别并与细菌细胞壁某些组分结合，有效地清除血循环中的细菌。,膜型PRR：内吞型PRR,定义： 为一家族分子，因其胞外段与一种果蝇蛋白Toll同源而得名，在免疫应答的诱导和炎性反应中发挥重要作用，现已发现10余种。至少已经报道了11 种人TLR 和13 种小鼠TLR； 根据不同的亚细胞定位,TLRs 可以分为细胞表面的TLR(主要包括TLR1、TLR2、TLR4、TLR5、TLR6 等)和细胞内的TLR(目前发现的有TLR3、TLR7/ 8、TLR9)两大类。 TLR的生物学特征： * TLR识别的配体均属于保守的PAMP，并向机体提供微生物感染的信号； * 几乎所有TLR均可单独或共同识别多种结构不同的配体，某些TLR（TLR4)则须依赖于辅助蛋白才能识别相应配体。 * TLR与相应配体结合启动胞内信号转导介导多种生物学效应。,（Toll-like receptor, TLR),TLR启动固有免疫应答，控制炎症反应的性质、强度和持续时间；通过上调抗原提呈细胞共刺激分子和MHC 的表达促进DC 的成熟，指导抗原特异的免疫应答，尤其是Th1 型反应的产生；调节适应性免疫应答的强度和类型，成为连接固有免疫和适应性免疫应答的枢纽；TLR 信号过度活化或活化不足会导致机体功能异常和疾病的发生，因此受其他多种信号通路的正或者负调控，从而维持适度的活化水平。,Toll-like receptor, TLR,各种TLR及其相应配体,TLR9识别细菌DNA含有的非甲基化的胞苷-胍（CpG）DNA序列,TLR的生物学功能,激活固有免疫 识别微生物PAMP向机体发出危险信号，启动天然免疫； 激活巨噬细胞分泌炎性介质介导炎性反应。启动适应性免疫应答 激活APC表达MHC、共刺激分子和细胞因子参与T细胞等的激活和增殖；尤其是Th1 型反应的产生。调节适应性免疫应答的强度和类型：连接固有免疫和适应性免疫应答的枢纽免疫应答与免疫耐受 参与病理生理过程，以及与疾病的发生与发展；TLR 信号过度活化或活化不足会导致机体功能异常和疾病的发生，因此受到其它很多信号通路的正相或者负相调控，从而维持适度的活化水平。,固有免疫启动适应性免疫应答,提供T细胞第一活化信号： APC表面PRR（甘露糖受体，清道夫受体）识别PAMP介导APC吞噬、摄取病原体（抗原递呈）提供T细胞第二活化信号：APC表面TLR识别PAMP启动胞内信号转导上调MHC-II类分子和共刺激分子B7的表达诱导细胞因子表达：TLR启动胞内信号转导诱导细胞因子（如IL-12、趋化因子等）表达,Innate lymphocytes and dendritic cell maturation,DC的生物学功能,*强的吞饮作用*受体介导的内吞(FcR/CR/ 甘露糖受体）*吞噬作用*表面捕获(FDC)FcR和C3bR,抗原提呈,免疫调节,* 激活初始T细胞，启动免疫应答*分泌细胞因子，调节免疫细胞分化发育*分泌趋化性细胞因子，趋化T/B细胞*利用未成熟DC诱导免疫耐受,抗原刺激机体免疫应答的过程,免疫识别,识别“自己”与“异己”模式分子与模式受体抗原表位与特异性识别,B和T细胞对抗原的识别,抗原决定基的类型及性质免疫实验抗体的选择,决定抗原特异性的基本结构或化学基团。又称表位(epitope)。 * 是抗原与TCR/BCR及抗体特异性结合的基本单位。,抗原决定基,* 抗原特异性的分子基础；交叉反应,T cell co-receptor molecules,TCR的MHC限制性识别,T细胞共受体参与T细胞的抗原识别,APC向初始T细胞提供活化和分化信号,MHC-抗原肽四聚体是借助亲和素-生物素结合的原理，在体外将MHC分子（MHC-I类分子包括2微球蛋白）及其所提呈的抗原肽组装成的MHC/抗原肽四聚复合物，作为TCR结合的配体，用于检测和分离特异性T细胞,MHC-抗原肽四聚体技术（MHC-peptide tetramer）,HLA-抗原肽四聚体结构示意图,通过生物素-亲和素的作用，将4个 MHC-I/抗原肽单体连接成四聚体，亲和素分子上还结合有荧光标记物质（PE），用于检测或分离,HLA-抗原肽四聚体用于检测或分离特异性T细胞,BCR直接识别抗原的B细胞表位,B细胞识别特异性抗原的信号转导（第一信号）,BCR识别抗原对B细胞激活的作用,信号1,* B细胞特异性结合抗原，向B细胞传递抗原刺激信号；* 通过BCR摄取抗原，并将抗原降解为肽段，形成抗原肽-MHC-II类分子复 合物，供抗原特异性Th细胞识别；,B细胞和Th细胞联合识别同一抗原内不同表位,Th细胞与B细胞间相互作用介导B细胞激活,T细胞与B细胞在淋巴滤泡内外的相互作用,再次应答过程中记忆性B细胞作为抗原提呈细胞激活抗原特异性的Th细胞,Th细胞激活后辅助记忆性B细胞增殖和分化Bidirectional T cell -B cell interaction,DC、M,B细胞,高,低,初次应答 和再次应答的异同,Phase of the humoral immune response,* TI-1抗原激活B细胞 - 高浓度TI-1Ag多克隆激活B细胞 - 低浓度TI-1Ag特异性激活B细胞 * TI-2抗原直接激活成熟的B1细胞 - 其重复决定基与多个BCR结合BCR交联产生IgM,B细胞对TI-Ag的识别与应答,无须Th辅助，无免疫记忆，发生时间早。,B细胞对TI-1抗原的识别和应答,B细胞对TI-2抗原的识别和应答,TI-2抗原具有重复单一表位BCR交联诱生IgM,T细胞的双识别与辅助受体CD4和CD8,* 无需抗原加工与提呈 * 形成TCR V-超抗原-MHC-类分子复合物， *无MHC限制性 SAg的生物学意义毒性作用及诱导炎症反应 自身免疫病免疫抑制,SAg与T细胞结合的特点,NK细胞抑制性受体与活化性受体,MHC-I specific receptors * immunoglobulin-like receptors * C-type lectin-like receptors (CD94/NKG2) * Ly49： Ly49C/I: 抑制性受体; Ly49D/H: 活化性受体;Non MHC-I specific receptors * NKG2D receptors，CD94-NKG2:抑制性受体 * NCRs (Natural cytotoxicity receptors),KAR和KIR的平衡调节NK细胞对靶细胞的杀伤作用,免疫识别,现代“免疫”的概念指机体对“自己”和“异己（非己）”的识别与应答过程中所产生的生物学效应，在正常情况下，是维持机体内环境稳定的一种生理性功能。机体识别“非己”（抗原），对其产生免疫应答并清除之；正常机体对“自己”则不产生免疫应答，即维持耐受。免疫系统生物学功能的本质 * 免疫系统并非仅识别“自己”与“非（异）己”，关键在于是否存在危险因素。1正常机体维持低水平自身免疫应答是调节免疫生理功能的重要机制。2危险因素诱导免疫损伤的机制* 感染/肿瘤等自身成份被修饰* 感染/炎症 提供放大自身免疫应答的辅助信号,Tolerogenic compared with immunogenic clearance of dying and dead cells,免疫正应答和免疫耐受的异同,免疫正应答 免疫耐受抗原刺激 需要 需要潜伏期 有 有抗原特异性 + +免疫记忆 + + 免疫反应 强 无或弱效 应 排斥异己 保护自身,自身和非己的分辨,1自身抗原：机体免疫系统发育过程中遭遇过的物质。 * “非己”外来成分一旦接触未成熟免疫系统被视为“自身” * 向尚未完成免疫系统发育的新生小兔输入同种异型细胞 受者免疫系统将该细胞表面非己抗原视为自身 小兔长大后可接受该同种异型细胞供者移植物而不予排斥,2自身-非己分辨差错和失衡引发疾病,* 将非己视为自身 病毒感染或基因突变 细胞癌变 免疫系统对“非己”清除不力 恶变细胞逃脱免疫监视而成为肿瘤 病原体频繁突变和对抗原遮蔽 免疫系统对非己分辨出错 病原体不能被有效清除。 * 将自己视为非己 机体将自身视为非己而进行攻击（body against itself） 自身免疫病,自身-非己分辩的失衡和疾病的发生,交叉反应（分子模拟（molecular mimicry）,A型溶血性链球菌胞壁成分与人体心肌间质、心瓣膜、 肾基底膜及其它结缔组织具有相似抗原决定簇 风湿性心脏病和急性肾小球肾炎 大肠杆菌O14与结肠黏膜有相似的抗原决定簇 溃疡性结肠炎； 多种微生物的热休克蛋白(HSP)与人HSP或其他组织抗原存在相似决定簇 肾小球肾炎、慢性活动性肝炎、 类风湿性关节炎、SLE和心肌炎等AID,分子模拟（共同抗原或交叉抗原） * A组溶血性链球菌胞壁抗原或胞浆膜抗原 * 大肠杆菌O14,与人体组织起交叉反应的A组链球菌抗原,图 A型溶血性链球菌胞壁成分与人心肌间质抗原发生交叉反应A型溶血性链球菌胞壁与人心肌间质抗原有相似抗原表位机体针对前者产生的抗体可与后者发生交叉反应风湿热,旁路T细胞激活B细胞正常情况下（左）：针对心肌细胞的自身反应性B细胞功能正常，但自身反应性T细胞耐受，形成对心肌细胞的自身耐受。某些情况下（右）：微生物抗原具有与正常心肌细胞相同的B细胞表位和不同的T细胞表位，激活针对该T细胞表位的非自身反应性Th细胞，辅助自身反应B细胞应答，产生自身抗体,图 TLR途径激活自身反应性B细胞感染等因素过量细胞死亡凋亡片段清除不足特异性B细胞通过BCR结合并内化DNA片段（富含CpG序列）被TLR-9识别产生B细胞活化信号激活原先被忽略（ignorant）、针对DNA的自身反应性B细胞自身免疫应答,TLR通过识别内源性配体,PRRs在炎症中的作用；PRRs在抗感染中的作用；PRRs在超敏反应中的作用；PRRs在自身免疫性疾病中的作用；PRRs在移植排斥中的作用；PRRs在介导抗肿瘤免疫与肿瘤发生发展过程的作用,树突状细胞（DC）在疫苗介导的抗肿瘤免疫反应中的关键作用（JOURNAL OF CLINICAL ONCOLOGY， 29（36），2011,DC发现者Ralph M. Steinman教授，同时创建了基于DC的肿瘤疫苗，使自己晚期胰腺癌生存期由平均生存6个月延至6年，该产品已获美国FDA批准上市。,治疗型疫苗开创未来,PRRs介导的肿瘤免疫耐受参与肿瘤转移,瘤细胞与宿主相互作用经历免疫清除、免疫平衡和免疫逃逸过程，称为肿瘤免疫编辑 病原微生物所含PAMP和肿瘤组织释放的DAMP与肿瘤细胞及周围组织细胞和免疫细胞表达的PRRs相互作用，引起抑制性免疫微环境是导致肿瘤免疫耐受的关键； 以肿瘤免疫耐受为药靶，使用小分子化合物或具有免疫刺激活性的生物制剂如McAbs等，可逆转肿瘤抑制性免疫微环境，打破肿瘤免疫耐受，抑制肿瘤细胞的生长和侵袭能力，从而降低肿瘤细胞转移和肿瘤致死率。一、肿瘤免疫耐受形成机制和肿瘤转移二、模式识别受体介导肿瘤免疫耐受形成三、肿瘤免疫耐受是抗肿瘤免疫治疗的重要靶标,模式识别受体介导肿瘤免疫耐受形成,TLR2活化不仅直接刺激T效应细胞活化，也可调节Tregs发育，上调FoxP3表达，增加IL-10产生，诱导Stat3活化，进而介导其他免疫抑制因子产生，导致肿瘤免疫耐受； HSP60作为TLR2的配体，激活肿瘤细胞和免疫细胞TLR2，刺激Stat3磷酸化