第八章 主要组织相容性复合物

第八章主要组织相容性复合物授课要点：1.MHC基本概念，人类HLA结构、遗传特征；2.MHC的功能。20世纪初发现了在同一种属不同个体间进行正常组织或肿瘤移植会发生排斥反应。后来证明同种异体间的排斥现象本质上是一种免疫反应，这是由细胞表面同种异型抗原所诱导。这种代表个体特异性的同种抗原称为组织相容性抗原或移植抗原。机体参与排斥反应的抗原系统多达20个以上，其中凡能引起强而迅速排斥反应的抗原称为主要组织相容性抗原，而引起较弱排斥反应的抗原称为次要组织相容性抗原。主要组织相容性抗原包括多个系列，组成复杂的抗原系统。在哺乳动物中编码主要组织相容性抗原的基因位于同一染色体上，是一组紧密连锁的基因群，称为主要组织相容性复合物(体)。所有脊椎动物均已检出MHC(不同种属动物的MHC及其编码的抗原系统有不同的命名，但其组成、结构、分布和功能相似)，而器官移植本身却非自然现象，这说明了MHC编码产物必然有其重要的生物学功能。现已证明MHC分子具有重要的免疫生物学意义：一是MHC分子直接参与APC对内源性或外源性抗原的处理和加工；另一是在TCR特异性识别APC所提呈抗原过程中，须同时识别与抗原肽结合成复合物的MHC分子才能产生T-细胞激活所需信号。所以，现代免疫学理论认为MHC产物是参与抗原提呈和T-细胞激活的关键分子，在免疫应答的启动和免疫调节中发挥重要作用。第一节MHC抗原系统(人类HLA)1.HLA的分子结构人类主要组织相容性抗原称为人白细胞抗原(humanleucocyteAntigen,HLA).1.1HLA-1类分子.所有的HLA-I类分子均含两条多肽链：一条是由HLA基因编码的α链或重链(约44KD)；另一条是由第15号染色体上非HLA基因编码的β链或轻链(约12KD)，即微球蛋白。HLA-I类分子的重链可分为三个区，即胞外区、跨膜区和胞浆区。1.1.1胞外区.该区域由三个结构域组成，从N-端起依次分别称为α1、α2和α3，分别由HLA-I类基因的外显子2,3和4所编码；每个结构域含90个氨基酸残基。α1和α2结构域构成HLA-I类分子的肽结合槽，是HLA-I类分子与抗原肽结合的部位以及I类分子被T-细胞TCR识别的部位。肽结合槽由2个α螺旋和一个β折叠片层结构民，长约2.5nm，宽1.0nm，深1.1nm；其大小形状适合于已处理的内源性抗原片段，约可容纳8-10个氨基酸残基。Ⅰ类分子的多态性(即不同HLA分子的结构差异)主要位于该区域，并因此决定不同HLA-I类分子所能结合并提呈的抗原肽存在差异。α3结构域的序列高度保守，其与Ig的C区具有同源性。Ⅰ类分子与T-细胞表面CD8分子的结合部位就在α3片段；每个HLA-I类分子仅包含一个肽结合，且每次只能结合一个抗原肽。HLA-I类分子的β链(β2m)并不插入细胞膜，其与α3结构域结合，以非共价键与重链胞外部分相互作用，这对维持I类分子天然构型的稳定性及其分子表达具有重要意义。1.1.2跨膜区.该区由25个疏水氨基酸残基组成，它们形成α螺旋穿过膜脂双层，使HLA-I分子固定在细胞膜上。1.1.3胞浆区.HLA-I类分子α链的羟基末端含约30个氨基酸残基，位于胞质中。虽然其总序列在不同HLA-I类分子中并非保守，但其一些特异性(性质)却高度保守；如所有I类分子α链均含有氨基酸残基构成的环腺苷(cAMP)依赖性蛋白激酶和丝氨酸激酶的磷酸化作用位点。所有已知的I类分子羟基末端含有一个谷氨酰胺残基，这是谷氨酰胺转移酶的适合底物。这些结构特征的功能意义仍不清楚，但羟基末端成分的缺失会抑制HLA-I类分子的内化。1.2HLA-II类分子.HLA-II类分子是由α链(35KD)和β链(28KD)组成的异二聚体，两条多肽链的基本结构相似；α链由于其广泛的糖基化而略长于β链。两条链由不同的HLA基因所编码，均具有多态性。通过对HLA分子的氨基酸序列和其基因核苷酸序列分析以及晶体衍射分析证实，HLA-I类和II类分子的基本结构相似，特别是肽结合裂隙。II类分子也可分为胞外区、跨膜区和胞浆区。1.2.1胞外区.α，β链胞外区可再分为两个各含90个氨基酸残基的结构域α1，α2和β1，β2，分别由HLA-II类基因外显子2和3编码。其中α1和β1构成肽结合槽，与HLA-I类分子相似；但II类分子的肽结合槽的显著特征是其两端更为开放，可容纳13个或更多氨基酸残基。II类分子的多态性主要集中于α1和β1，II类基因的多态性决定于其肽结合槽的生化特点，也决定了HLA-II类分子与抗原肽结合以及被T-细胞识别的选择性和亲和力。α2和β2属于Ig超家族成员，在抗原提呈过程中，Th细胞表面的CD4分子与II类分子的部位就在Ig样非多态区域。1.2.2跨膜区和胞内区.跨膜区含有25个氨基酸残基，所形成的二肽链盘绕成螺旋样，并借助一个短的疏水区与胞外部分连接而将整个多肽链固定于细胞膜上。II类分子的羟基端游离于胞质中，含有10-15个氨基酸残基，其参与跨膜信号的传递。2.肽与MHC分子结合的结构特性2.1抗原肽-MHC(pMHC)的特征2.1.1MHC与抗原肽的共同序列相结合。与MHC结合成复合物的抗原肽往往带有两个或两个以上的专司与MHC肽结合槽相结合的氨基酸残基，称为锚定残基。在MHC肽结合槽中有袋状的容纳锚定残基的位置。不同的MHC分子氨基酸结构差异主要就体现该袋状空间的大小、形状和电荷的不同。与同一型别MHC分子结合的不同抗原肽，其锚定残基往往相同或相似，也就是说这些抗原肽有着一个特征性的共同基序(其他残基组成任意性较大)，如与小鼠I类分子H-2Kd相结合的抗原肽(9肽)的共同基序为：xY*xxxxxxV/L*(式中Y*和V/L*为锚定残基，Y-酪氨酸，V-缬氨酸，L-亮氨酸；x为较大任意性氨基酸残基)。2.1.2MHC与抗原肽结合的相对选择性.与不同型别MHC结合的抗原肽共同基序是不同的。不同型别MHC分子选择性与某些抗原肽结合，且处于抗原肽C-端的氨基酸无例外地成为锚定残基；如与H-2Kd相结合的抗原肽共同基序为N-xYxxxxxxV/L-C(9肽)与H-2Kb相结合的抗原肽共同基序为N-xxxxY/FxxL-C(8肽)2.1.3MHC分子与抗原肽结合的包容性.此处包容性的含意是：MHC分子与抗原肽的结合无严格的专一性，而是一种MHC分子可结合带有特定共同基序的一群肽段。这种包容性体现在不同层次(非随意性)：①组成共同基序的“x”氨基酸并非完全“任意”随机，其变异具有一定的功能意义；②特定MHC分子所“选择”的锚定残基并非专一，以至相当数量的肽段可“符合”特定共同基序条件；③不同MHC分子所接纳的抗原肽可拥有相似的共同基序。如在HLA-I类分子中已鉴定出A2、A3、B7、B44四个家族，称为HLA超型。同一家族成员(为不同基因编码)可结合拥有相似共同基序的抗原肽。不同型别MHC分子的结构差异主要集中于肽结合槽，从而决定特定型别MHC选择性与其一类抗原肽结合；另外，任何个体可能感染的病原体种类繁多，不同病原体的抗原表位各异，但通常均能被T-细胞识别；这表示MHC与抗原肽的结合具有包容性，而有别于一般受体与配体结合所具有的严格选择性。2.2pMHC的生物学意义.抗原肽通过锚定残基与MHC分子结合，这种结合具有(相对)选择性，与特定型别MHC分子结合的抗原肽，其锚定残基的组成称为序列基序(sequencemotif)。对特定个体而言，其所携带的MHC型别由遗传所决定，且终生不变。在有机婚配群体中，由于HLA基因的高度多态性，特定个体HLA-I类等位基因一般为杂合子，故该个体所有有核细胞表面均同时表达6种经典HLA-I类分子，每一分子均可提呈一系列含共同基序的抗原肽，从而保证任一个体均能对自然界绝大多数种类抗原产生免疫应答。反之，若某一蛋白质缺乏适合的序列基序，以至不能与个体所携带的MHC分子结合，则该个体将不能对此蛋白质产生应答。对序列基序的认识有助于确定某种蛋白质能否被特定型别MHC分子所结合和提呈，从而可为设计多肽疫苗提供重要线索。而且通过对序列基序的认识，有助于阐明为何不同个体(即MHC分子型别不同)对同一抗原的免疫应答格局各异，这可能是MHC以其多态性参与和调控免疫应答的一种主要机制。第二节MHC(人类HLA复合体)1.HLA复合体定位及结构HLA复合体位于人第六号染色体短臂(6p21.31)，DNA片段长约4分摩或3600kb，占人基因组的1/3000。HLA复合体结构非常复杂，表现为多基因性和多态性。迄今，HLA复合体内已鉴定出了224个基因座；其中能表达产物的功能性基因为128个。这些基因按产物的功能被分为三群，即经典HLA基因、免疫功能相关基因以及免疫无关基因。习惯上按HLA复合体在染色体上的排列分为3个区：I类基因区位于HLA复合体远离着丝点一端；Ⅱ类基因区位于HLA复合体近着丝点一端；Ⅲ类基因区位于二者之间。三个区各含数十个基因座位，分别称为HLA-1、HLA-II和HLA-Ⅲ类基因。1.1经典HLA基因.经典HLA基因是指其编码产物直接参与抗原提呈并决定个体组织相容性。1.1.1经典HLA-I类基因.8个MHC-I基因,即HLA-A、-B、-C、-E、-F、-G、MIC-A和MIC-B,散布于一些非免疫相关基因之间。HLA-A、B和C是经典的I类MHC基因,又称MHC-Ia基因。它们具有明显的多态性,而且表达于几乎所有有核细胞的表面。HLA-E、-G和-F属于非典型MHC基因,又称MHC-Ib基因。经典的HLA-A、B、C基因位点均为复等位基因,分别编码化学结构相似但抗原性不同的HLA-A、B、C肽链,即HLA-Ⅰ类抗原（分子）的重链-α链。1.1.2经典HLA-Ⅱ类.位于Ⅱ类基因区的HLA-DR、HLA-DP、HLA-DQ属于经典Ⅱ类基因；其编码产物均为双肽链(αβ)分子。某些HLA-Ⅱ类基因可以有2个或2个以上β链功能基因；但一般仅有1个α链功能基因。3个经典Ⅱ类基因亚区中，DPA1和DPB1是功能基因，DPA2TDPB2为假基因；DQA1和DQB是功能基因，DQA2、DQB2、DQB3的基因产物尚未要检出；DR亚区包括1个DRA及9个DRB基因，其中DRB1、B3、B4、B5是功能基因，而DRB2、B6、B7、B8、B9是假基因。在个体水平上，HLA-Ⅱ类分子的表达更为复杂，其机制是HLA-DRB有多个功能基因，可表达两种以上HLA-DR产物(顺式，cis)；一对同源染色体上每一对HLA-Ⅱ类等位基因产物可出现反式(trans)组合，如DQ分子可有4种产物，即顺式组合两种，反式组合2种。由于这些原因，HLA-Ⅱ类分子在个体水平上具有极为丰富的多样性。1.2免疫功能相关基因.此基因包括四类，其结构，分布和功能相差较大，但均具有一定多态性，且与机体免疫应答和免疫调节有关。其中位于HLA复合体中段的基因又称为HLA-Ⅲ类基因，包括C2，C4A，C4B，Bf基因，TNF-α，TNF-β基因，热休克蛋白70(Hsp70)基因等。1.2.1血清补体成分编码基因.由编码C2，C4A，C4B，Bf等四种补体成分的基因座位组成；此类基因产物不参与抗原提呈，也非膜结合分子。1.2.2抗原加工提呈相关基因.包括位于HLA-Ⅱ类基因区中的三组基因，各由两个座位组成，编码相应异二聚体分子。●抗原处理相关转运蛋白基因(TAP).包括TAP1和TAP2两个基因座位，均位于Ⅱ类基因区，其产物参与内源性抗原肽向内质网腔的转运。●巨大多功能蛋白酶体或低分子量多肽基因(LMP).包括LMP2，LMP7两个基因座位，均位于Ⅱ类基因区，其产物存在于胞质溶胶中，参与对内源性抗原的酶解。●HLA-DM基因.包括DMA和DMB基因，位于Ⅱ类基因区，已检出多个等位基因。在APC加工处理外源性抗原肽过程中，DM参与溶酶体中抗原肽进入HLA-Ⅱ分子抗原肽结合槽的过程。●HLA-DO基因.包括DOA和DOB两个基因座位，其产物分别为DO分子的α和β链，无多态性。HLA-DO主要表达于B-细胞，能与DM分子稳定结合，以DM/DO复