主要组织相容性复合体-课件

第五章主要组织相容性复合体第一节概述异体移植物（如肾、皮肤等）能否在接受者体内存活，行使正常生理功能，是临床医学的重大研究课题，也是人们极为关心的问题。免疫学研究的发展阐明了移植物的排斥，是机体免疫系统的正常功能——排斥异物所造成的。在输血发应的研究中，发现了在红细胞表面携带有不同的血型物质，由于受、供者之间血型物质的差异，引起了血球凝集，出现了输血反应。通过众多的免疫学家，特别是Corer、Saell、Dausset、Benacerraf等学者的杰出研究，终于发现了主要组织相容性复合体编码的蛋白质——组织相容性抗原是移植排斥产生的主要决定因素。具有相同的组织相容性抗原的个体之间，可以相互接受彼此的组织器官，而不相同的个体之间就会出现强烈的排斥，造成移植物坏死、脱落。组织相容性（histocompatibility）是指在不同个体之间进行组织器官移植时，受体和供体双方相互接受的程度。若移植物能被受体“容忍”或“相容”，则不被排斥而在受体体内存活，移植成功；反之，若不能容忍或不相容，则出现移植物被排斥或移植物抗宿主反应，器官的移植亦告失败。导致移植物排斥反应的抗原称为移植抗原（transplantationantigen）或称组织相容性抗原（histocompatbilityantigen）。在哺乳动物中具有复杂的组织相容性抗原，统称组织相容性抗原系统。其中能引起快而强的排斥反应的抗原系统称为主要组织相容性系统（majorhistocompatibilitysystem,MHS），编码MHS的基因群称为主要组织相容性复合体（majorhistocompatibilitycomplex,MHC

）.而引起慢而弱的排斥反应的抗原系统称为次要组织相容性系统（minorhistocompatibilitysystem,mHS），编码mHS的基因群自然群次要组织相容性复合体（minorhistocompatibilitycomplex,mHC）MHC是移植排斥反应的主要决定性因素，但在机体免疫系统的生理性免疫应答上也有着重要作用。BarujBenacerrat、HughMcDevitt等人在60年代证明，不同近交系的豚鼠或小鼠用简单的多肽免疫后，能否产生抗体是具有自体支配的特性的，即决定于MHC。到了70年代后期，才揭示了MHC基因在免疫应答中的重要作用。1、抗原特异性T淋巴细胞不识别游离状态或溶解状态的抗原，只识别和MHC产物非共价结合的抗原的某一部分。2、MHC分子是结合在自身机体的抗原呈递细胞的膜上，而不是以分泌形式存在。3、MHC基因有两种不同类型的产物，称为Ⅰ和Ⅱ类MHC分子。4、当抗原某部分与MHC结合形成复合物并呈递到该细胞的表面时，T细胞才与带有MHC-抗原复合物的细胞相互作用，并被激活。5、在每个个体中，成熟T细胞的膜上抗原受体和自身MHC分子复合物是特异的，MHC分子是T细胞所识别配基的组成部分。6、抗原和Ⅰ类还是Ⅱ类MHC分子结合，决定了被激活的T细胞种类，也因此出现不同性质的免疫应答。7、MHC基因种类很多，就是说有很多等位基因，这些等位基因所表达的MHC分子对不同蛋白质抗原决定簇的结合能力不同，MHC基因正是通过这种途径控制对蛋白质抗原的免疫应的。8、任何机体内成熟的T细胞只识别外来抗原，而对自身蛋白无反应。这些都决定于MHC是否与蛋白质抗原结合，也因此选择出只对外来抗原产生应的T细胞。组织相容性抗原(histocompatibilityantigen)：通过移植鉴定与组织相容性有关的抗原。主要组织相容性抗原系统(majorhistocompatibilityantigensystem,MHS)：能引起较强移植排斥反应的抗原。主要组织相容性复合体(majorhistocompatibilitycomplex,MHC)：编码主要组织相容性抗原系统的紧密连锁的基因群。

◆MHC分子为T细胞分化发育所必需

◆MHC分子为免疫应答的启动和调节所必需20世纪40年代已确定，小鼠近交系之间皮肤移植物的排斥由分布在不同染色体上的多个基因决定。各种哺乳动物都拥有主要组织相容性复合体（majorhistocompatibilitycomplex,MHC)，人的MHC统称为HLA。MHC在启动特异性免疫应答中起重要作用。人类白细胞抗原(humanleukocyteantigen,HLA)：人类主要组织相容性抗原。由于对HLA的认识来自对人类白细胞抗原的研究，所以HLA常被用作人类白细胞抗原的同义词1、在对移植肾或输血发生排斥反应的患体内，会产生对器官或所输血液中的白细胞上抗原特异的抗体。这类抗体最初被认为是受体的自身抗体。2、Dausset等人作了更为深入的研究，发现他们从接受过7次输血的患者血清中所获的这种抗体，能凝集大约60%的随机人群的白细胞，但不能凝集自身的白细胞，从而证实这种抗体不是自身固有的，而是受献血者白细胞表面刺激诱发产生的。他们称之为同种异型抗体（alloantibody）3、这一发现说明了供体与受体之间白细胞表面的抗原特异性是不同的，这种差异造成了受全对供体移植物（如肾、皮肤、血液等）的排斥4、不久，Dausset等人发现了第一个人体白细胞上的异型抗原，它是一种广泛存在于人类的组织相容抗原，即现在名称为HLA-A2的蛋白质。通过混合细胞反应（MLR）了解到，不同的MHC分子分别由两类T细胞识别。CD4+T细胞（大多为分泌细胞分裂素的辅助性T细胞）识别Ⅱ类MHC分子，即人的HLΑ-DR、HLΑ-DP、HLΑ-DQ；小鼠的I-A、I-E。CD8+T细胞（大多为杀伤性T细胞）识别I类MHC分子，即HLA-A、HLA-B、HLA-C和HLA-2K、H-2K、H-2L。

第二节HLA分子结构与功能

MHC分子的生化研究是比较成功的，特别是DonWiley、JackStrominger等人制备和检测了人类的I类MHC两种分子（HLA-A2和HLΑ-ΑW68）的晶体结构。这对解决I类和Ⅱ类MHC分子在结构上有什么特点，MHC分子怎样与外源多肽结合，MHC分子的基因多型性怎样决定其结合多肽的特异性等问题有极大的价值。一.HLA-Ⅰ类分子的分布、结构和功能

1.分布：有核细胞(含血小板和网织红细胞)表面。

存在形式：膜结合：不同的组织细胞表达Ⅰ类分子量不同，如：淋巴细胞(最多)，肾、肝脏及心脏

(其次)，神经组织(很少)。可溶性：存在于血清、初乳和尿液等体液中。

2.结构：二条多肽链(非共价键连接的糖蛋白,Ig超家族成员)：

◆链（重链）：

340个氨基酸残基，分子量44kDa，MHC-Ⅰ类基因编码，具有高度多态性。

◆2-微球蛋白（2m）：分子量12kDa，由15号染色体基因编码。根据许多I类分子的氨基酸序列及HLA-A2和HLA-AW68的晶体结构分析，可把I类分子分为4个区：胞氨基端的结合多肽区；胞外免疫球蛋白类似区；跨膜区和胞质区。A．多肽结合区

I类MHC分子与蛋白抗原的结合部位约由180个氨基酸残基组成，这些氨基酸位于α链的N端。整个结合区由两个同源片段α1、α2组成，α1和α2都由90个氨基酸残基组成。在人类I类MHC的α1和α2连接外，有一个寡糖结合位点，小鼠在靠近α2的羟基端有两个寡糖结合位点。

α2片段含有一个二硫键，形成一个由63个氨基酸组成的环。

I类MHC分子的晶体结构只有一种构象：即α1和α2相互作用形成一个8条反平行的β折叠片层构成的平台，支撑着两个平行α螺旋，其中有4条反平行β片层和一个α螺旋是由α1的氨基酸折叠形成的。β片层组成抗原结合沟槽的底，2个α螺旋是沟槽的壁，沟槽状结构两端呈闭端。沟槽的大小是2.5nm（长）×1.0nm（宽）×1.1nm（深），可结合约10个氨基酸残基组成，并折叠成一个α螺旋或呈伸展松散构象的蛋白质。

这个部位被认为是外源多肽结合和呈递的位点。由于裂缝很小，所以不能结合完整的球蛋白，这一点与抗体分子不同。蛋白质抗原必须经过加工成小片段才能与MHC结合，并继而被T细胞识别。

B．类似免疫球蛋白的区域重链的α3片段起始于α2的羟基端，终止于插入的质膜部分，约由90个氨基酸残基组成。在I类MHC分子中，这个区域的氨基酸组成和序列具有高度的保守性。这一区域的氨基酸序列分析证明与免疫球蛋白分子的恒定区是同源的，α3片段含有一个与免疫球蛋白类似的二硫键连成的链内环。T细胞所表达的CD8分子与I类MHC分子和抗原的多肽结合的特异性密切相关，通过MHC分子突变证实，α3区含有CD8的结合位点。

I类MHC分子的β链由一个非MHC基因编码，它在所有研究过的MHCI类分子中都相同（在小鼠中有两个相同的等位基因），它的电泳迁移率、相对分子质量、溶解性（球状蛋白）都与一种从尿中分离出来的β2微球蛋白相同，因此认为它和β2微球蛋白是同一种蛋白。I类MHC分子的β链通常也就称为β2微球蛋白。β2m和α3片段相同，β2m与免疫球蛋白恒定区结构相似，也含有一个由—S—S—键连成的环。HLA-A2的晶体结构进一步证实α3和β2m都折叠成免疫球蛋白类似的结构域，所以I类MHC分子也属于免疫球蛋白超基因家族。β2m和α1、α2、α3的相互作用对于稳定I类MHC分子的构象是关键因素，去掉β2m，则重链的构象改变。此外，这种低相对分子质量的蛋白质可能与淋巴细胞转化有关。C．跨膜区

α链从α3片段延伸出一个短的连接区，随后是一个约25个疏水氨基酸组成的片段。这个区域形成一个α螺旋，穿过质膜的双脂层疏水区，使MHC的I类分子锚定在膜上。和所有已知的跨膜蛋白相同，其疏水序列的羟基末端几个碱性氨基酸，与脂双层内面磷脂基相同。

I类MHC分子的疏水片段不影响分子膜外部分的构象。它也不影响分子的溶解性D．胞质区

I类MHC分子的α链的最靠羟基端30个氨基酸残基存在于胞质中，其序列在全部不同的I类MHC分子中并不保守。但某些特性却是共同的，例如，所有I类α链都含有形成磷酸化的共有的氨基酸序列，所有已知的I类MHC分子的羟基端都要在第三个保守区进行磷酸化。另外，所有I类重链的羟基端都含有一个谷氨酸残基作为谷氨酸转氨酶的底物。这些结构特性重要作用还不清楚，但可能与调节I类MHC分子与其他膜蛋白或细胞骨架成分之间相互作用有关。去掉I类MHC分子的羟基端部位，可抑制I类分子的内在化，这说明羟基端区对胞内运输的作用。

二.HLA-Ⅱ类分子的分布、结构和功能

1.分布：（1）APC---B细胞、单核/巨噬细胞、树突状细胞；

（2）激活的T细胞，精子和血管内皮细胞。

2.结构：

所有Ⅱ类MHC分子都是由两条非共价结合的多肽链组成。两条链的总体结构通常是相似的。α链（相对分子质量32000~34000）略重于β链（相对分子质量29000~32000）；两条链均带有寡糖，α链糖基化程度较高；链的2/3以上在胞外空间。Ⅱ类MHC分子的两条链是由不同基因编码的，也都是多型性的，只有少数例外

两条异质多肽链(非共价键连接的糖蛋白，Ig超家族成员)：

链：1和2功能区

链：1和2功能区

1和1---抗原肽结合部位，决定Ⅱ类分子的多态性；

2---CD4分子结合部位。尚未获得Ⅱ类MHC分子的X衍射的三给结构晶全图像。由于它在许多氨基酸序列和核苷酸序列上与I类MHC分子的相似性以及功能上的相似性，特别是近来的光谱研究证实两类结构的相似性，故根据已知的I类结构而得出Ⅱ类MHC分子折叠方式的模型。与I类分子一样，也可把Ⅱ类MHC分子分为：多肽结合区、免疫球蛋白类似区、跨膜区和胞质内区。A．多肽结合区

α链和β链的胞外部分又可再分成两个90个氨基酸残基的片段，分别称为α1、α2和β1、β2。多肽结合区是由两条链的α1、β1相互作用共同组成的。按照Ⅱ类分子的结构模型α1、β1折叠成一个由8个β片层组成的平台，支持两上α螺旋。α1和β1分别具有4个β片层和一个α螺旋。Ⅱ类的α1与I类α1相同，没有二硫键连成的环；而α2与I类的α2相同。Ⅱ类分子分别由α螺旋和β片层组成原多肽沟槽的壁和底，沟槽结构两端呈现开端结构。与I类MHC分子一样，沟槽是抗原多肽的结合位点，也是各ⅡMHC分子多型性集中的部位，录然同样在对抗原多样性和亲和力方面明显的低于抗体和T细胞受体。B．免疫球蛋白类似区

α2和β2片段都有链内二硫键，从它们的氨基酸序列来看，都属于免疫球蛋白超基因家族。在天然Ⅱ类MHC分子中，这两个片段折叠成类似于免疫球蛋白结构域。

Ⅱ类MHC分子的免疫球蛋白类似区是T细胞表面CD4分子特异结合的部位。只有在很强的变性条件下才能分开α链和β链，这种非共价相互结合可能有其生物学意义。另外一个基因座（DR）上的α链只与同一基因座的β链配对，很少有与其他基因座（如DP、DQ）上的β链配对的对象。C．跨膜区和胞质内区

α2和β2的羟基端伸出一个短的连接区，接着是25个左右的疏水性氨基酸残基，这很可能是跨膜区。两条链的跨膜区的羟基端，有几个碱性氨基酸，随后是一个亲水的短的胞质尾巴。对于Ⅱ类MHC分子的胞内部分知道的比I类少。很可能Ⅱ类MHC分子的跨膜及胞质序列通过其他胞内蛋白质决定胞内分配和运输。两类MHC分子在胞内的运输方式不同，这种差异在MHC呈递抗原时可结合来自不同细胞空间的外源蛋白质。另外，Ⅱ类MHC分子也可能作为信号传递分子，胞内区在跨膜信息传递中起作用。

第三节MHC的基因构成一.小鼠H-2复合体定位：第17号染色体构成：K、I、S、D/L等位基因

根据编码分子不同分成三类：Ⅰ类基因：

K、D、L位点---编码Ⅰ类分子的α链Ⅱ类基因：

I位点I-A亚区---编码Ⅱ类分子Aα和Aβ链

I-E亚区---编码Ⅱ类分子Eα和Eβ链III类基因：

S区（I区与D区之间）---编码C4、C2、B因子及

TNF等

Ir基因（免疫应答基因，immuneresponsegene）：位于Ⅰ区

Ia抗原（I区相关抗原，Iregionassociatedantigen）：

Ir基因编码产物二.人类HLA复合体

定位：第6号染色体短臂（6p21,3）分成三类基因区：

Ⅰ类基因：经典：B、C、A位点非典型：E、F、G位点等

Ⅱ类基因：经典：DP、DQ、DR位点非典型：DN、DM、DO位点等

Ⅲ类基因：C4、C2、B因子、TNF、HSP70等

三、I类和II类MHC基因的组成第四节主要组织相容性抗原分子的表达一、MHC分子的合成组装MHC分子合成后便插入到内质网膜上。信号肽只作为把多肽引导到内质网上的物质，翻译过程中便被切除。在翻译过程中或刚刚转译完时，加入寡糖基。最后这一成熟的糖蛋白通过泡囊运输转移到质膜上。1、I类MHC分子的组装

I类MHC形成完整的分子需要在细胞内存在一种多肽。这种多肽（约有10氨基酸残基）与MHC分子α链的裂缝结合，并促使α链和β2M相互作用形成一个正确折叠的、完整的I类MHC三聚体分子。这类多肽是由细胞内感染的微生物细胞降解的蛋白质肽段。

α链、β2M和肽链组成的复合物被呈递到细胞膜上，以激活相应的T细胞。2、II类MHC分子的组装

Ⅱ类MHC分子中的α链和β链必须同时合成，随后在内质网中以非共价键方式连接在一起。只有α和β链的非共价作用才能结合在细胞膜上。

MHCⅡ分子也在内质网内组装，形成异二聚体。在内质网内它须与一辅助分子结合，形成一个9链结构，即由3个αβ二聚体和1个三聚体的辅助分子组成的复合物。然后在辅助分子的作用下识别结合外源抗原多肽，呈递到细胞表面，以激活相应的T淋巴细胞。二、MHC分子的表达调控1、I类和Ⅱ类MHC的表达都受分化的调节，是具有细胞或组织物异性的。在细胞分化过程中，I类分子几乎存在于所有核细胞上，而Ⅱ类分子只存在于B细胞、巨噬细胞、树突状细胞（dendriticcell）、内皮细胞（endothelial）以及一些其他类型的细胞。在受到免疫原的刺激时，也能引起MHC的表达。2、β2M和γ链基因与MHC基因叶然存在于不同的染色体上，但其产物的转录和表达同时受到调控。如在许多细胞中，β2M和I类的α链，γ链和Ⅱ类的α、β链同时受到调控，其表达及表达量都是一致。3、细胞因子（cytokines）在许多类型的细胞中都可调节I类或Ⅱ类基因的转录。例如：γ干扰素可明显提高I类MHC分子的表达水平。此外α、β干扰素、肿瘤坏死因子（TNF）及淋巴毒素（LT）都可增加I类MHC的表达。这些细胞因子的调节作用是在基因转录水平上的，第五节I、II类MHC分子的生理功能一、免疫调节功能病原微生物的侵袭、感染几乎伴随着动物机体的整个过程。对此，它们必须建立一个精细、强大的防御体系来阻止微生物的侵害。机体免疫系统的重要特点和基本措施之一，就是建立起一个精细的识别系统，它既能预知存在的抗原，又表现出与抗原结合的高度特异性。无论是T效应淋巴细胞，还是B淋巴细胞分泌的抗体，对胞外空间存在的微生物抗原都能识别、与之结合并将其清除。但对静止的（即非激活型的）TB细胞来说，并不能识别这些游离的抗原。此外，对于寻些在细胞内寄生的病原微生物就更难于识别和清除了。

免疫系统并不因此而束手无策，对此便产生了表达在T细胞表面的高度抗原特异性的T细胞抗原受体（Tcellreceptor,TCR）和体细胞呈递抗原的分子—MHC系统。MHC分子所具有的重要生理功能就是对机体免疫应答的调节作用。

TCR不能识别完整的抗原分子，只能识别由MHC分子呈递的源于微生物蛋白质的分解片段

外来抗原蛋白质被分解成的小片段，由MHC分子结合后运送到细胞表面，并且呈递给T细胞，激活相应的T细胞和继发的对B细胞的激活。

T细胞在对这些外来的并被呈递的抗原识别的同时，还要识别MHC分子，说明TCR对抗原的识别还依赖于呈递的MHC分子，即MHC分子具有限制识别的免疫现象，这就是MHC具有精细调节免疫应答的重要生理功能。

在T细胞各亚类中，细胞毒性T细胞（CD8+）只识别Ⅰ类MHC分子呈递的内源性抗原；辅助性T细胞（CD4+）识别的是Ⅱ类MHC分子呈递的外源性抗原。胞内酶解的肽段可以来自胞内，也可以来自胞外，因此按理说它们既可以与Ⅰ类MHC分子结合，也可与Ⅱ类MHC分子结合。但内源性肽段结合I类MHC分子，激活CD8+T细胞，外源性肽段结合Ⅱ类MHC分子，激活CD4+T细胞是确定无疑的，对此有人认为抗原肽段与MHC分子的特定结合很可能是由于抗原在细胞内处于不同的区域和不同的运输方式造成的。1、I类MHC分子的抗原呈递

Ⅰ类MHC分子广泛分布于有核细胞的膜上，以淋巴细胞上的密度最大、最为完全。此外还分布于血清、尿液和初乳等体液中。

Ⅰ类MHC分子呈递的抗原是细胞内源性多肽，它们往往来自于胞浆或核蛋白，如细胞自身蛋白、病毒蛋白、细胞内寄生的细菌蛋白等，均是细胞内合成的蛋白质产物。它们在胞浆中受蛋白酶（LMP）的水解作用裂解成小的片段或多肽前体。

当细胞被病毒感染以后，胞浆内的蛋白酶（LMP）将其分解为多肽在内质网内与Ⅰ类MHC分子结合成三聚体，并送到细胞膜上。带有CD8+T的细胞毒性T细胞（Tc）的受体与之结合而被激活。激活后，Tc细胞释放细胞因子，如淋巴毒素（lymphotoxin，LT），可直接杀死被感染的自身细胞。在此细胞内寄生的病毒也因此被消灭。机体因此获得了保护。

机体内除有被感染的细胞外，还可能有操作的、衰老的突变的细胞，它们也都是通过上述过程得以清除，使机体始终处于自我稳定的状态。有人估计，DNA复制错误的几率约在10-5～10-7之间，但复制产生的错误对机体造成的危害并非想像的那样严重，这可能是由于体内各种细胞都存在Ⅰ类MHC分子，它们不失时机地向T淋巴细胞提供信息，使这些复制错误的细胞以及操作衰老等不正常细胞的形式得以及时的清除。这种免疫监视功能有效地保护了机体正常的生理功能，也大大地降低了癌症的发生率2、II类MHC分子的抗原呈递

Ⅱ类MHC抗原选择性地分布于具有免疫功能的细胞（B细胞、单核细胞、巨噬细胞、树突状细胞、激活的T细胞等）以及精子、血管内皮细胞、皮肤的朗罕细胞等细胞膜上。根据Ⅱ类MHC分子呈递的抗原多肽的分析，呈递的抗原不仅仅是外源性的，也有内源性的。Ⅱ类MHC分子也是在内质网内由α、β和辅助分子γ链组成完整三聚体，进入内质体或溶酶体腔室内后，其中的蛋白酶水解γ链，抗原多肽与Ⅱ类MHC分子的结合，形成稳定的MHC-多肽复合体，再运送至细胞表面，CD4+的TH细胞膜上有II类MHC分子的受体，当过路的TH细胞遇上这个提呈的B细胞时，便与之结合。这种结合包括对抗原肽段和Ⅱ类MHC分子两方面的特异性，缺一不可。TH细胞在这种结合的前提下，再受其他因素的影响（如细胞因子的作用）而被激少。激活的TH细胞可以产生和分泌各种细胞因子，如白细胞介素等，使B细胞分化增殖和成熟，在TH的辅助下，最终形成分泌针对这种抗原的抗体的成熟B细胞二HLA在医学上的意义

1.器官移植移植成败的关键是供受者间主要组织相容性抗原的相容程度。一精一卵的孪生同胞间，由于HLA抗原完全相同，故相互移植后，移植器官可以长期存活。

2.HLA与疾病的关系不同物种对不同疾病的抵抗能力是不同的，这是受遗传控制的。MHC基因所表达的Ⅰ、Ⅱ类抗原对免疫应答起调节作用，所以物种之间遗传的差异表现在MHC基因差异时，就可能反映在对各种疾病的免疫应答能力即免疫力上。在群体调查研究中，发现某些疾病的发生率与一些特殊型别的HLA有关。同时还了解到，HLA与细菌性、病毒性感染之间有一定的关系，这可能反映出HLA与针对这些抗原的免疫应答之间的关系。

例如对于风疹病毒，当人接种风疹疫苗后，通过对