免疫学MHC

,主要组织相容性抗原及基因复合体Major Histocompatibility Antigens and Their Gene Complex,葛青,P84-97,淋巴细胞通过识别非自我或改变了的自我而被激活，行使清除病原体或肿瘤细胞的功能,20世纪40年代，Snell发现小鼠近交系之间皮肤移植物的排斥主要由定位在第17染色体上的H-2基因决定20世纪60年代，Benacerraf和McDevitt发现MHC控制对蛋白抗原的免疫20世纪70 年代，Zinkernagel和Doherty发现T细胞的MHC限制性1987年，Wiley解析了MHC的结构,概述,概述,主要组织相容性基因复合体 (major histocompatibility complex, MHC)： 在组织不相容引起的移植排斥中起主要作用 本身含多个功能相近的基因座位，结构上为基因复合体，编码的主要组织相容性抗原又称MHC分子小鼠：H-2基因复合体 (H-2 complex)。人：HLA基因或HLA基因复合体 (HLA complex)，其编码产物称为HLA (human leukocyte antigen)分子或HLA抗原。,MHC分子的基本结构和表达,MHC I类和II类分子均由1条a链和1条b链非共价结合而成按功能可分为3个功能单位 抗原肽结合单位：分别由I类分子的a1和a2以及II类分子的a1和b1组成，接纳抗原，也是TCR识别的部位 Ig样结构域：包括I类分子的a3和b2m以及II类分子的a2和b2，维持MHC分子结构稳定，分别与T细胞的CD4和CD8分子结合 跨膜单位：由连接肽、穿膜区和胞浆区组成，将MHC分子锚固于膜表面并具有一定的信号转导功能I类和II类分子细胞分布不同，MHC分子的水平可受不同因素影响而变化,HLA I类分子结构,链和2微球蛋白组成； 链胞外有3个结构域1、a2、a3， 1和a2组成抗原肽结合槽； 表达于所有有核细胞表面，例外的仅有神经细胞、胰岛外分泌细胞、心肌细胞和精细胞等； 识别和提呈内源性抗原肽，与辅助性受体CD8结合，对CTL的识别起限制作用。,HLA I类分子结构,HLA II类分子结构,HLA II类分子结构,分子量相似的链和链组成； 1，1形成抗原肽结合槽； 表达于树突细胞、巨噬细胞、胸腺上皮细胞和活化B细胞表面； 识别和提呈外源性抗原肽，与辅助性受体CD4结合，对Th的识别起限制作用。,MHC基因结构与特点,特点：多基因性，多态性(polymorphism)多基因性：复合体由多个紧密相邻的基因座位组成，编码产物具有相同或相似的功能。分类：MHC I，II，III类基因； 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，直接参与调控适应性免疫应答；免疫功能相关基因：传统的MHC III类基因，参与调控固有免疫应答，无或有限的多态性。,小鼠H-2基因复合体：位于17号染色体，长约1500 kb I类基因：K, D, L基因座 Ib类基因：T, Q, M II类基因：Ab Aa Eb Ea基因座 (I-A, I-E),小鼠MHC I类和II类基因,人HLA基因复合体：位于6号染色体短臂6p21.31，全长5000 kb，约有107个基因座I区基因：MHC Ia基因：HLA-A、B、C基因座（多态性明显）MHC Ib基因：HLA-E、F、G基因座（多态性有限）MIC-A和MIC-B（MHC I类相关基因家族）：有多态性，不与b2m和抗原结合，是NK细胞激活性受体NKG2D的配体，也可为gd T细胞识别I区外的类MHC分子：CD1家族和FcRn,HLA基因,又称MHC Ib，即b型I类基因，人包括HLA-E，HLA-F，HLA-G；鼠包括M3和Qa家族基因。与经典I类基因相比，多态性低，肽结合区不同。HLA-E 分子:表达于各种细胞，羊膜、滋养层细胞高表达存在膜型和分泌型结合从经典MHC I类分子的leader序列降解得到的多肽NK细胞的C型凝集素受体家族CD94/NKG2A的配体，该受体胞内含ITIM，生理条件下保持NK细胞处于抑制状态。在某些条件下也可活化部分CD8+ T细胞。与病毒逃避免疫监视和母胎耐受形成有关,非经典I类基因,HLA-G 分子: 主要分布于母胎界面绒毛外滋养层细胞，羊膜内皮细胞及胎盘中胎儿血管壁内皮细胞，免疫豁免组织如胸腺、角膜、胰岛、红系及上皮样祖细胞。环境因素可诱导其它细胞表达。结合的受体杀伤细胞免疫球蛋白样受体（KIR）：白细胞相关免疫球蛋白样受体-1/2 (LILRB1, LILRB2)，杀伤细胞抑制性受体(KIR2DL4)。 免疫调节作用：抑制CD4+ T细胞增殖，诱导CD8+ T细胞凋亡，抑制NK的杀伤功能，抑制抗原提呈细胞的成熟和活化，诱导调节性T细胞和耐受性DC，存在天然HLA-G+调节性T细胞。在母胎耐受和器官移植中发挥作用，但参与抑制抗肿瘤免疫。,非经典I类基因,MHC I类样分子-CD1家族,人：位于1号染色体，CD1a-e小鼠：位于3号染色体，CD1d不具多态性CD1a-c多表达于树突细胞和胸腺细胞，CD1d表达谱广泛，B细胞和小肠上皮细胞表达高水平的CD1d。,CD1分子在内质网中合成，通过CD1分子的再循环过程提呈外源性和内源性脂类和糖脂类抗原如分枝杆菌胞壁糖脂成分等（抗原的疏水区埋在CD1的抗原结合槽，亲水基团暴露在外，为TCR识别），需要b2微球蛋白参与，但不依赖于TAP或HLA-DM分子。 能够识别CD1分子及其所呈递脂类抗原的细胞包括ab-T, gd-T和NKT细胞。 CD1a-c主要将脂类抗原提呈给特定的T细胞介导适应性免疫应答；CD1d则主要将脂类抗原提呈给NKT细胞，参与固有免疫应答。,MHC I类样分子-CD1家族,MHC II类基因：HLA-DP、DQ、DR基因家族，各含A和B两类基因座，分别编码a链和b链，形成DPa-DPb, DQa-DQb, DRa-DRb三种异二聚体抗原加工提呈相关基因： 蛋白酶体亚单位基因：PSMB8 (LMP2)和PSMB9 (LMP7)，编码产物参与内源性抗原的酶解； TAP1和TAP2，编码转肽蛋白，转运内源性抗原肽 TAP相关蛋白基因：编码tapasin，参与I类分子在内质网中的装配和内源性抗原的加工提呈； HLA-DM：DMA和DMB基因座，编码的异二聚体辅助MHC II类分子在细胞内的装配； HLA-DO：DOA和DOB，产物负向调控DM的功能。,HLA II区基因,免疫功能相关基因,血清补体成份编码基因 (HLA III类基因区)：编码C4B，C4A，C2，B因子。,肿瘤坏死因子基因家族：TNF、LTA、LTB三个基因座，其产物参与炎症、抗病毒、抗肿瘤。 转录调节基因或类转录因子基因家族：其中类I-kB基因，参与调节NF-kB活性。热休克蛋白基因家族：包括HSP70, 产物参与炎症和应激反应。,炎症相关基因,等位基因：在群体中以不同亚型 (allele)存在的基因。多态性：在一随机分配的群体中，一个基因座位上存在多个等位基因。复等位或多态性 (polymorphic)基因：在群体中有多个亚型存在的基因，如ABO和Rh血型抗原基因和MHC基因。同种异型抗原 (alloantigen)：多态性基因编码的抗原MHC基因的多态性特点：典型MHC基因的复等位基因数量众多各复等位基因在人群中以相近的频率出现各复等位基因之间的差异明显，平均10-20个碱基对之间，使得其产物在构成抗原结合槽的氨基酸残基的组成和序列上不同，决定了其呈递抗原肽的多样性,MHC基因的多态性 (polymorphism),MHC基因的多态性,HLA基因结构通过基因突变、重组及转换发生变异；通过自然选择，新出现基因的编码产物在提呈病原体的关键性多肽方面有优势的话，将易于传递给后代；各种新等位基因在群体中得到积累，形成多态性。MHC参与构成种群基因结构的异质性：MHC结构和抗原呈递能力具有很强的个体差异，这一多态性使得人群对病原体的的反应性和易感性不同，防止快速进化的病原微生物针对宿主种群的攻击，保护生物群体的生存，赋予人群强大的生命力。,HLA多态性的产生和意义,共显性 (co-dominance): 同源染色体对应座位上的两个等位基因在杂合体中皆能表达的遗传现象,MHC基因复合体的遗传规律-共显性,基因频率(gene frequency)：群体中携带某一亚型复等位基因的个体在群体中的百分比连锁不平衡(linkage disequilibrium)：分属两个或两个以上基因座的等位基因，同时出现在一条染色体上的实际机率高于随机出现的频率，可显示人种和地理族的群体基因结构特点,MHC基因复合体的遗传规律-连锁不平衡,单体型 (haplotype): 同一条染色体上所携带MHC基因的总和。 基因型：HLA基因在体细胞两条染色体上的组合。表型：某一个体HLA抗原特异性型别。,MHC基因复合体的遗传特征-单体型,单倍型遗传方式, 子女与父母一条染色体（一半HLA）相同，同胞间一条相同几率50%，两条完全相同几率为25%,HLA基因复合体是一组紧密连锁的基因群;HLA单体型作为一个完整的遗传单位由亲代传给子代,基于血清学和遗传学的分类：星号(*)前为基因座，用大写斜体字母表示；星号后为复等位基因及其亚型。例如: HLA-DRB1*1102：代表II类基因DRB1基因座第1102号复等位基因，1102是DRB1座位第11主型（复等位基因）第2号亚型HLA-A*0103是I类基因A基因座第1复等位基因第3号亚型,命名原则,HLA超级型：基于组成多肽结合口袋的关键氨基酸的多态性，将具有相同或相似多肽结合口袋氨基酸的HLA归为一类,MHC分子的抗原肽结合单位,抗原肽结合槽MHC I类分子：两端封闭，容纳的抗原肽为8-10个氨基酸残基MHC II类分子：两端开放，容纳的抗原肽为13-17个氨基酸残基MHC分子的多态性集中在肽槽处，决定了呈递抗原肽的多样性,X射线晶体衍射的分析模拟,锚定位：抗原肽上与MHC分子凹槽相结合的特定部位锚定残基 (anchor residue)：锚定位上的氨基酸残基，保证抗原肽与MHC分子稳定结合共同模体/共同基序 (consensus motif)：特定MHC分子接纳的抗原肽中的共同锚定残基，决定不同亚型MHC分子所结合的抗原肽的独特特征。H-2Kb : x-x-x-x-Y/F-x-x-L-x; H-2Kd : x-Y-x-x-x-x-x-x-V/I/L。,锚定位的数量较多；锚定残基的种类变化较大。,抗原多肽与MHC分子的作用特点,MHC分子在细胞内的转运和细胞膜表面的稳定表达依赖于所结合的抗原肽特定MHC分子通过共同基序选择性结合抗原肽，具有一定特异性一种MHC分子识别一群带有特定共同基序的抗原肽，二者间的相互作用具有包容性（flexibility）: 共同基序中的x为任意氨基酸； 锚定残基不单一； 不同MHC所接纳的抗原肽可以拥有相同的共用基序。一种MHC分子可以结合几百至几千种抗原肽，活化多个抗原特异性T 细胞克隆人造短肽疫苗,MHC分子与抗原肽相互作用的包容性,MHC的生物学功能,抗原提呈分子参与T细胞发育和适应性免疫应答 T细胞的TCR对抗原肽和MHC分子具双重识别，T细胞在抗原识别和发挥效应功能中具MHC限制性 MHC分子可提呈自身抗原和MHC分子，参与自身免疫，对非己MHC抗原的应答和T细胞在胸腺中的选择和分化,MHC的生物学功能,作为调节分子参与固有免疫应答 经典的III类基因为补体成分编码，参与炎症反应，对病原体的杀伤和免疫性疾病的发生 炎症相关基因参与启动和调控炎症反应，在应激反应中发挥作用 非经典I类基因和MICA基因产物可作为配体分子，以不同的亲和力结合激活性和抑制性受体，调节NK细胞和部分杀伤细胞的活性,3. MHC是疾病易感性个体差异的主要决定者；4. 参与构成种群基因结构的异质性。,基因突变、重组及转换可导致MHC基因发生变异；新出现基因的编码产物在提呈病原体的关键性多肽方面有优势的话，将易于传递；MHC结构和抗原呈递能力具有很强的个体差异，这使得人群对病原体的的反应性和易感性不同，赋予人群强大的生命力。,MHC的生物学功能,抗原呈递与T细胞识别,TCR对抗原肽和MHC具有双重识别，形成T细胞在抗原识别和发挥效应功能中的MHC限制性。,T细胞表位,参与T细胞的发育和选择,阳性选择(positive selection)： 在胸腺皮质中，DP T细胞与胸腺上皮细胞表面的MHC-抗原肽复合物以适当亲和力结合，获得自身MHC限制性，得以发育为SP T细胞的过程。 阴性选择(negative selection)： 在胸腺皮髓质交界处及髓质区，SP T细胞与髓质上皮细胞，树突细胞和巨噬细胞表面的MHC-自身抗原肽复合物发生高亲和力结合而被删除，获得中枢免疫耐受的过程。,HLA与临床医学,1. HLA与器官移植：供受体间HLA等位基因的匹配程度越强，器官移植的成活率越高。 2. HLA异常表达和临床疾病：肿瘤：HLA I类分子表达降低；自身免疫病：HLA II类分子异常高表达。3. HLA和疾病关联：群体分子流行病学显示，某些疾病的发生与HLA抗原表达相关，HLA作为一种疾病发生的遗传标志可用于疾病的辅助诊断、预测、分类及预后判断。如HLA-B27与强直性性脊柱炎；DR4类风湿性关节炎；DR3、DR4与IDDM。 4. HLA与亲子鉴定：HLA是终生不变是一种遗传标志。,和HLA强相关的自身免疫病,血清学分型技术(Serological tissue typing)：微量细胞毒实验（HLA I类，II类的DR、DQ）。,MHC的检测方法,混合淋巴细胞培养(Mixed lymphocyte reaction, MLR)：HLA-DP,细胞学分型技术,RFLP (restriction fragment length polymorphism)： 限制性片段长度多态性； PCR/SSO (sequence specific oligonucleotide)：序列特异的寡核苷酸， PCR+oligo probe hybridization； PCR/SSP (sequence specific primer)： 序列特异引物，特异、简便； PCR-SSCP (single-strand conformation polymorphrism)：单链构象多态性。,DNA分型技术,抗原呈递细胞 (antigen-presenting cell, APC): 能够摄取和在胞内加工处理抗原并将抗原信息提呈给T淋巴细胞的一类细胞。 专职性抗原提呈细胞(professional APC)：组成性表达MHC II类分子和T细胞活化所需的共刺激分子及粘附分子，具有显著的抗原摄取、加工、处理与提呈功能的细胞，包括树突状细胞，巨噬细胞和B淋巴细胞。 非专职性APC：炎症过程中或IFN-g细胞因子的作用下，表达MHC II类分子和共刺激分子及粘附分子，并具有一定的抗原处理和提呈能力。如内皮细胞、成纤维细胞、上皮及间皮细胞、嗜酸性粒细胞。表达MHC I类分子的有核细胞（靶细胞）属特殊的非专职性APC。,抗原呈递细胞,树突细胞 (Dendritic cell, DC),因其成熟时伸出许多树突样或伪足样突起而得名。命名多与分化途径和组织分布有关：朗格汉斯细胞，间质性树突细胞，并指状树突细胞，滤泡树突细胞分类：经典DC (cDC) 和浆细胞样DC (pDC),DC的功能,功能最强的抗原呈递细胞，适应性T细胞免疫应答的始动者，也参与固有免疫应答，是连接固有免疫和适应性免疫的“桥梁”1. 抗原提呈与免疫激活作用，唯一能直接激活初始T细胞的专职性APC；2. 免疫调节作用（细胞因子和趋化因子）；3. 免疫耐受的维持与诱导（非成熟DC和调节性DC）。,来源于骨髓，在血中为单核细胞，游走到组织分化为巨噬细胞。蹄状核，胞浆内富含溶酶体，高尔基体和线粒体，变形运动和吞噬能力强。表达多种与抗原摄取有关的表面分子，如FcR, 补体受体，甘露糖受体，清道夫受体，Toll样受体。IFN-g作用上调表达MHC I和II类分子以及共刺激分子。具有吞噬作用、ADCC、抗原提呈功能（对活化T和效应T提呈抗原），在免疫防御中起重要作用，并参与炎症反应、创伤修复和免疫调节过程。（Kupffer cells, 小神经胶质细胞）,单核-巨噬细胞(monocyte-macrophage，Mo-M),B淋巴细胞,在体液免疫应答中发挥关键作用； 作为专职APC，多通过非特异性胞饮作用摄取抗原；在抗原浓度较低时，通过高亲和力的抗原识别受体BCR浓集抗原并内吞。刺激后表达共刺激分子。,专职性抗原呈递细胞的比较,抗原的处理和呈递,抗原加工或处理 (antigen processing): 将胞质内自身产生的（内源性）或摄取入胞内的（外源性）抗原降解并加工成一定大小的多肽，然后以抗原肽-MHC复合物的形式表达与APC表面。抗原呈递 (antigen presentation): 抗原提呈细胞表面的抗原肽-MHC复合物与T细胞表面的TCR结合为TCR-抗原肽-MHC三元体，从而活化T细胞的过程。抗原加工和呈递的途径：内源性和外源性蛋白质抗原呈递途径，非经典的抗原提呈途径，和脂类抗原的CD1分子提呈途径,内源性蛋白质分子在胞浆内被处理并通过MHC I类分子呈递于细胞表面的途径。内源性蛋白包括细胞自身的功能和结构蛋白，以及胞内合成的微生物尤其是病毒蛋白。,内源性抗原呈递途径Endogenous antigen presentation pathway,蛋白酶体亚单位降解内源性抗原；TAP转运抗原肽至内质网；与MHC I类分子装配成稳定的复合物；经高尔基体转运至细胞膜，被CD8+ T细胞识别。,抗原提呈相关多肽转运体transporters associated with antigen processing (TAP),多肽与TAP胞质区结合，诱导ATP水解并转运，C端为疏水性氨基酸的多肽与TAP更有效结合，8-16个氨基酸长度的多肽被TAP转运的效率最高TAP基因突变或缺失：裸淋巴细胞症（原发性免疫缺陷）,多肽装载复合物Peptide Loading Complex (PLC),在MHC I复合物装配过程中起双重作用： 将经蛋白酶体降解后的多肽跨膜转运到内质网腔内 帮助MHC I装载合适的多肽组成：MHC I重链和b2m异二聚体CRT（钙网蛋白）：促进MHC I复合物转载和运输ERp57：维持PLC组