抗原递呈给T淋巴细胞

1、第五章抗原递呈给T淋巴细胞在获得性免疫应答中，抗原是由两类高度多样性的受体分子识别的，它们分别是B细胞上作为抗原受体的免疫球蛋白和T细胞的抗原特异性的受体。我们已经在第三章学过，T细胞只能识别展示于细胞表面的抗原。这些抗原可以来源于在细胞内增殖的病原体如病毒或胞内菌，也可以是通过胞吞作用摄取和内化的胞外液中的病原体及其产物。T细胞可以检测到细胞内病原体的存在，因为感染细胞会在其表面展示病原体蛋白的肽片段。这些外源肽可通过宿主细胞中专门的糖蛋白MHC分子（MHC molecules）递呈至细胞表面，这部分内容也在第三章讨论过。MHC糖蛋白是由一大簇基因编码的，这些基因最初的确定是因为它们在器官移

2、植的免疫应答中发挥重要作用。正因为这个原因，这个基因复合体被命名为主要组织相容性复合体（major histocompatibility complex，MHC）。我们现在知道在MHC基因组内除了存在编码MHC分子本身的基因外，还有许多基因产物参与了MHC肽复合物的形成过程。我们首先要讨论抗原加工和递呈的机制，蛋白质抗原为什么会在细胞内降解为多肽，而且这个多肽与MHC分子结合后被携带至细胞表面。其次我们将讨论两类不同的MHC分子即MHC I类和MHC II类可以分别将来源于不同细胞器的抗原肽递呈至感染细胞表面。来源于细胞浆的多肽与MHC 类分子结合并由CD8 T细胞所识别，而在小囊泡中产生的多

3、肽则与MHC 类分子结合并由CD4 T细胞所识别。由此激活这两类功能性T细胞，并启动对留存于这两类不同细胞器中的病原体进行杀伤作用。有些CD4 T细胞可以激活已经内化有特异性抗原的初始B淋巴细胞，同时也刺激对胞外菌及其产物产生抗体。本章的第二部分我们会看到每一类的MHC分子都存在着一些基因，这就是说MHC是多基因的。这些基因的每一类都有许多突变体，这就是说MHC也具有高度多态性。事实上，MHC 类和MHC 类基因最显著的特征就是其遗传的可变性。MHC多态性现象对T细胞识别抗原有着深远的影响，而且，无论是单个个体还是一个种群当面对病原体感染的危险时，多基因的组合以及多态性现象都大大扩展递呈给T细

4、胞的多肽范围。155T细胞受体配体的产生 T细胞的保护功能依赖于它们是否能识别潜伏有病原体或内化有病原体及其产物的细胞。T细胞识别细胞表面以肽和MHC分子复合物形式存在的病原体来源的蛋白肽段。因为从完整抗原中产生多肽涉及对天然蛋白的改造过程，这就是通常所说的抗原加工（antigen processing），而且MHC分子将肽展示于细胞表面的过程称之为抗原递呈（antigen presentation）。我们已经介绍了MHC分子的结构以及这些分子是如何在其分子外表面的凹槽中结合抗原肽的（见3-15和3-18）。本章我们将学习存在于胞浆或细胞囊泡中的病原体是怎样产生抗原肽的，以及这些抗原肽是如何在

5、细胞内的不同部位分别与MHC 类和MHC 类分子结合的。这两类MHC分子必须多肽结合后才能稳定地表达在细胞表面。在内质网中新合成的MHC 类分子与多肽结合后才能完成其折叠和组装，而MHC 类分子在内质网中是不与多肽结合的，只有当它被运送至内粒体中才与囊泡内的多肽结合。5-1MHC 类和类分子将两个不同细胞器中的多肽递呈至细胞表面感染因子可以在细胞内两个不同细胞器之一的场所中进行复制（见图5.1）。病毒和某些细菌是在细胞浆或核邻近部位进行复制的（图5.2左侧），而许多病原菌和一些真核寄生虫是在囊泡系统的内粒体和溶酶体中复制的（图5.2中列）。免疫系统通过采取不同的策略来清除这两个部位的病原体。感

6、染病毒的细胞或胞浆内生活有细菌的细胞由细胞毒性T细胞来清除，这在第三章中已经谈到，这些T细胞的表面标记是具有协同受体分子CD8。CD8 T细胞（CD8 T cells）的功能是杀伤感染细胞。这是清除产生新病毒颗粒和胞浆中细菌来源的一种重要方式，因而可以保护机体免受感染。secretory vesicle：分泌囊泡；cytosol：细胞浆；nucleus：细胞核；endosome：内粒体；lysosome：溶酶体；Golgi apparatus：高尔基体；endoplasmic reticulum：内质网图5.1细胞内存在着由细胞膜隔开的两个主要部分第一个部分是细胞浆，它也可以通过核膜上的核孔与

7、细胞核发生联系。第二个部分是囊泡系统，由内质网、高尔基体、内粒体、溶酶体和其他胞内囊泡组成。囊泡系统可以看成是一个与胞外体液连续的系统。分泌囊泡是由内质网出芽形成的，通过与高尔基体膜融合而转运并将内容物释放到细胞外，而胞外物质则通过内吞作用进入内粒体，最后被转送至溶酶体中降解。胞浆病原体囊泡病原体胞外病原体和毒素（图）任何细胞（图）巨噬细胞（图）B细胞降解场所细胞浆吞噬囊泡（低pH）吞噬囊泡（低pH）与肽结合的分子MHC 类分子MHC 类分子MHC 类分子递呈细胞CD8 T细胞CD4 T细胞CD4 T细胞对递呈细胞的影响细胞死亡活化并杀死囊泡中的细菌和寄生虫激活B细胞分泌抗体清除胞外菌和毒素图

8、5.2病原体及其产物存在于细胞的胞浆或囊泡中左列：所有病毒和有些细菌在胞浆中复制。它们的抗原由MHC 类分子递呈给CD8 T细胞。中列：其他细菌和一些寄生虫通常由特殊的吞噬细胞如巨噬细胞摄取后进入内粒体。这些病原体可以被杀死或降解，有些情况下它们也能在囊泡中存活下来并增殖。它们的抗原由MHC 类分子递呈给CD4 T细胞。右列：来源于胞外病原体的蛋白质可以与细胞表面分子结合后通过胞吞作用进入囊泡系统。如图所示蛋白质与B细胞表面的免疫球蛋白结合（为了简便起见省略了内质网和高尔基体）。B细胞把这些抗原递呈给CD4 辅助T细胞，随后后者能够刺激B细胞产生抗体。其他类型的细胞也可以通过这条途径内化抗原并

9、激活T细胞。位于细胞囊泡中的病原体及其产物可以被另一个类群的T细胞识别，其表面表达特征性的CD4协同受体分子（见第三章）。CD4 T细胞（CD4 T cells）是一种能够激活其他细胞的特殊细胞，可以分为两个功能群：TH1细胞（有时称为炎症T细胞）和TH2细胞（即辅助T细胞），TH1细胞的主要功能是激活巨噬细胞杀死其本身细胞囊泡中的病原体；而TH2细胞可以激活B细胞产生抗体。微生物抗原可以通过两种途径进入囊泡。有些细菌包括导致肺结核和麻风病的分枝杆菌，是通过侵染巨噬细胞而在其囊泡中增殖的。路易斯细菌则在细胞外增殖，它们通过分泌毒素和其他蛋白从而导致疾病。这些细菌及其毒性产物可以通过吞噬作用、胞

10、吞作用或巨胞饮作用进入细胞的囊泡内，随后将抗原递呈给T细胞。这类细胞包括专门启动T细胞应答的树突状细胞（见1-6）、专门摄取颗粒抗原的巨噬细胞（见2-3）以及能够有效内化特异性抗原的B细胞，B细胞是通过其表面免疫球蛋白作为受体介导了对抗原的内吞作用（图5.2右列）。为了对感染性微生物做出适当的免疫应答，T细胞必须能检测出细胞内存在的病原体，并能辨别出外来抗原是来自于胞浆内还是囊泡内。这是通过两类不同的MHC分子来实现的。MHC 类分子递呈胞浆中的肽段至细胞表面并被CD8 T细胞识别。MHC类分子递呈囊泡系统内的肽段至细胞表面并被CD4 T细胞识别。在3-12中我们已经学过，CD8分子和CD4分

11、子分别结合MHC 类分子和MHC 类分子，这有助于保证对特定病原体产生应答时活化相应的T细胞类群。5-2与MHC 类分子结合的肽从细胞浆中被主动运输至内质网与MHC 类分子结合的典型的抗原片段是由病毒产生的，病毒侵染细胞之后利用细胞的生物合成机制合成其自己的蛋白质。所有的蛋白质都是在细胞浆中产生的。包括注定要表达在细胞表面的多肽链两类MHC分子，在合成过程中进入内质网腔中。在蛋白质能够被运运至细胞表面之前必须在内质网中正确地折叠，必要时还要进行相互组装。因此MHC 类分子的抗原结合位点在内质网中已经形成并且在胞浆中从未暴露过。这里就产生了一个问题在胞浆中由病毒蛋白质来源的肽段是如何与MHC 类

12、分子结合并被运输至细胞表面的？第一个证据来源于突变细胞，这些细胞在MHC 类分子递呈抗原时存在缺陷，虽然细胞能够正常合成MHC 类分子的两条肽链，但在其细胞表面递呈的MHC 类分子处于不正常的低水平。这种缺陷可以通过往细胞培养基中加入合成的肽而得到纠正，这种现象提示这种突变影响了与MHC 类分子结合肽的来源，同时也说明MHC 类分子要表达在细胞表面需要肽的存在。这就是第一个证据说明没有结合肽的MHC分子是不稳定的。对突变细胞进行DNA分析，结果表明这些细胞中编码ATP结合盒即ABC蛋白家族成员的两个基因发生了突变或缺失。ABC蛋白在许多类型的细胞包括细菌中介导了ATP依赖的离子、糖、氨基酸和多

13、肽的跨膜转运。在突变细胞中缺失的这两个ABC蛋白正常情况下是与内质网膜相连的。当突变细胞转染了这两个ABC基因后就可以恢复MHC 类分子递呈肽的功能。这些蛋白现在被称为与抗原递呈相关的转运子1和2（Transporters associated with Antigen Processing-1 and -2，TAP1和TAP2）。这两种TAP蛋白质形成异源二聚体（图5.3），TAP基因的突变能够阻断MHC 类分子递呈抗原的过程。TAP1和TAP2基因位于MHC基因组内（见5-9），由机体抗病毒感染时产生的干扰素可以诱导它们的表达。TAP的模式图（图）Lumen of ER：内质网内腔；ER

14、membrane：内质网膜；hydrophobic transmembrane：疏水性跨膜区；Cytosol：细胞浆；ATP-binding cassette（ABC）domain：ATP结合盒转运子结构域（ABC）图5.3TAP1和TAP2在内质网膜上形成肽转运体ATP结合盒（ABC）家族的所有转运体都是由四个结构域组成的：两个由多个跨膜区组成的疏水性跨膜结构域，以及两个ATP结合结构域。每个TAP1和TAP2都分别有一个疏水结构域和一个ATP结合结构域，在组装成异源二聚体时便形成了具有四个结构域的转运体。由于TAP分子与其他ABC转运家族成员非常相似，因此认为ATP结合结构域是位于细胞浆内

15、的，而其疏水结构域延伸穿过膜进入内质网的内腔。在利用正常细胞成分的体外实验中，模拟内质网的微粒体囊泡可以内化多肽，随后与已经存在于微粒体囊腔中的MHC 类分子结合。而来源于TAP1或TAP2突变细胞的囊泡则无法转运多肽。将多肽转运进入正常微粒体的过程必需有ATP水解酶的参与，这就证明了TAP1TAP2复合体是一种ATP依赖性的肽转运体。这些实验也表明了TAP复合体相应的转运多肽具有特异性。它更容易与C端具有疏水性或碱性氨基酸残基的8肽或更多氨基酸的多肽结合，这是与MHC 类分子结合的多肽特征。TAP转运体的这些性质也解释了病毒肽为了与MHC I类分子结合是如何进入ER腔的，但我们还不清楚这些多

16、肽是如何产生的。5-3运输进入内质网的肽在胞浆中合成细胞内的蛋白质不断地降解并被新合成的蛋白质所取代。许多胞浆蛋白的降解是由一个大的具有多催化活性的蛋白酶复合体即蛋白酶体（proteasome）来完成的（图5.4）。该蛋白酶体是一个大的圆柱体状复合体，约由28个亚基组成，排列成4个层叠的环，每个环含有7个亚单位，圆柱体的中空核心排列着具有蛋白水解酶活性亚基的活性位点，蛋白质被引入蛋白酶体中并在此被降解成短肽。图5.4蛋白酶体的结构蛋白酶体存在于所有真核细胞和原始细菌中，其结构和功能是高度保守的。这里所展示的蛋白酶体来源于一种原始细菌，哺乳动物蛋白酶的详细结构还没有研究清楚。蛋白酶体由28个亚单

17、位排列成4个环的圆柱体结构，每个环由7个亚单位组成。a图是蛋白酶体的横切面，展示了组成每个环的7个亚单位的排列。b图是其纵切面，图中可见蛋白酶体的表面结构。原始细菌蛋白酶体中间2个环的亚基是具有蛋白水解活性的，其活性位点（每个环上的7个亚基）在a图中用绿色表示，在b图中则用金色表示。因此一般认为蛋白质必须在解折叠后并通过圆柱体状蛋白酶体的中心才能被水解成肽段。目前还不清楚哺乳动物蛋白酶是如何发挥作用的；哺乳动物蛋白酶包含6个水解活性位点，中间两个环中各有3个，这些位点也位于圆柱体的中心。因此哺乳动物蛋白酶体的作用机制很可能与原始细菌的非常相似。照片（×667, 000）引自W. Ba

18、umeister，得到Science 268:533-539. ©1995 American Association for the Advancement of Science重版许可。各种证据都表明蛋白酶体产生了与MHC 类分子结合的肽配体。例如，蛋白酶体参与了泛素依赖的胞浆蛋白降解通路，用泛素标记蛋白的实验也表明MHC I类分子能更有效地将这些肽递呈至细胞表面。另外，蛋白酶体水解活性的抑制剂也抑制了MHC 类分子的肽递呈过程。但蛋白酶体是否是唯一能够产生多肽并将其转运至内质网的胞浆蛋白，目前我们还无法确定。蛋白酶体LMP2亚基和LMP7亚基的编码基因位于MHC基因组内，与TAP

19、1和TAP2基因相邻。与MHC 类分子和TAP分子一样，其表达是由在抗病毒感染的应答中产生的干扰素所诱导的。LMP2和LMP7能够替代蛋白酶体中两个组成性表达的亚基。第三个亚基为MECL-1，其编码基因不在MHC基因内，但也是由干扰素诱导表达的，且MECL-1亚基也能替代蛋白酶体上组成性表达的亚基。这三个诱导性表达亚基及其相应的组成性表达亚基被认为是蛋白酶体的活性蛋白酶。以干扰素诱导表达的这些亚基取代组成性表达的亚基似乎改变了蛋白酶体的特异性：在干扰素处理细胞中，疏水性和碱性残基下游的多肽片段增加，而酸性残基下游的多肽片段减少。这样产生的多肽具有C端氨基酸残基是大多数MHC 类分子优选的锚着残

20、基，也是TAP优先转运的结构。MHC 类分子也可以递呈来源于膜蛋白和分泌蛋白的多肽片段，如病毒衣壳的糖蛋白。膜和分泌蛋白在其生物合成过程中，正常情况下是通过转位进入内质网腔中。然而已有证据表明与MHC 类分子结合的多肽是由这类蛋白质在胞浆中降解产生的。膜结合型蛋白或分泌型蛋白表面一般存在着连接有天冬酰胺的糖基，在胞浆中可以通过酶促反应将天冬酰胺残基转化成天冬氨酸后去除糖基部分。这类特征性序列变化可以在某些与MHC 类分子递呈的肽段中发现。现有证据表明内质网中的蛋白质也可以通过最初将它们转运至内质网的同样转运系统再返回胞浆中。这个新发现的机制称为逆转易位，可能是内质网中的蛋白质返回胞浆的正常机制

21、，同时内质网中的错误折叠蛋白可能通过这个机制被清除和降解。一旦进入胞浆的蛋白质就会被蛋白酶体降解，产生的多肽可以通过TAP重新转运至内质网并与MHC 类分子结合。5-4新合成的MHC 类分子在结合抗原肽之前一直滞留于内质网中与多肽结合是组装稳定的MHC 类分子重要的一步。当阻断了多肽进入内质网的途径时，如TAP突变的细胞中，则新合成的MHC 类分子就会留在内质网中处于部分折叠的状态。这就是TAP1或TAP2突变细胞不能在细胞表面表达MHC 类分子的原因。完整MHC 类分子的组装和折叠依赖于MHC类分子链先与2微球蛋白结合，然后再与多肽的结合（参见图3.20），这个过程涉及许多发挥分子伴侣功能的

22、辅助蛋白。MHC 类分子只有与肽结合后，才能从内质网中释放出来并转移至细胞表面。在人类中，进入内质网膜的新合成MHC I类分子链与分子伴侣钙联接蛋白（calnexin）结合，钙联接蛋白可以使MHC 类分子在内质网中保持半折叠状态。钙联接蛋白也与部分折叠的T细胞受体、免疫球蛋白以及MHC 类分子相连，因此它在许多免疫蛋白的组装中发挥核心作用。当2-微球蛋白与链结合后，部分折叠的2-微球蛋白异源二聚体就从钙联接蛋白上解离下来，随后又与一个蛋白复合体结合，此蛋白复合体中的一种蛋白为钙网蛋白（calreticulin），它与钙联接蛋白相似并发挥相似的分子伴侣功能。蛋白复合体的第二个组分为TAP相关蛋白

23、（tapasin），其编码基因位于MHC基因组内。TAP相关蛋白在MHC 类分子与TAP1和TAP2之间起到了桥梁作用，它使得部分折叠的2微球蛋白异源二聚体在内质网中等待来自于胞浆的合适多肽。蛋白复合体中的第三个组分是伴侣分子Erp57，该蛋白质是一种二硫键异构酶，可以在MHC 类分子荷肽的过程中破坏和重新形成其2结构域中的二硫键。Erp57和钙网蛋白可以在内质网的组装过程中结合许多糖蛋白，这似乎是细胞整体质量控制机制的一部分。最后，部分折叠的异源二聚体与肽段结合后Erp57便从TAPTAP相关蛋白钙网蛋白Erp57复合体中释放出来。完全折叠的MHC 类分子及其结合的肽段就能离开内质网并被转运

24、至细胞表面（图5.5）。部分折叠的MHC 类分子链在与2-微球蛋白结合前，一直与钙连接蛋白结合MHC 类分子:2m复合物从钙连接蛋白上释放出来，与伴侣蛋白复合物（钙网蛋白和Erp57）结合并通过TAP相关蛋白而与TAP结合由多种催化酶组成的蛋白酶体降解胞浆蛋白并产生多肽片段TAP递呈的肽与MHC 类分子结合并使其完成折叠。完全折叠的MHC 类分子从TAP复合体上释放出来并被运送至细胞表面（图）Cytosol：细胞浆；Endoplasmic reticulum：内质网；calnexin：钙连接蛋白；MHC class ：MHC 类分子；Nucleus：细胞核（图）Calreticulin：钙网蛋

25、白；tapasin：TAP相关蛋白（图）protein：蛋白质；proteasome：蛋白酶体；peptide fragment：肽片段（图）图5.5MHC 类分子与肽结合后才离开内质网新合成的MHC 类分子链在内质网中与膜结合蛋白钙联蛋白组装。当这个复合物与微球蛋白（2m）结合时，MHC 类分子2m二聚体便与钙联蛋白解离，然后部分折叠的MHC 类分子通过与TAP相关蛋白tapasin分子的相互作用而结合于肽转运体TAP上。伴侣分子钙网蛋白和Erp57也结合上来形成复合体的一部分。MHC 类分子一直停留在内质网中，直到与肽段结合并完成折叠后才被释放出来。蛋白质在胞浆内被水解产生的多肽通过TAP

26、被转运到内质网腔中。当多肽一旦与MHC 类分子结合，则肽MHC复合物就会离开内质网并通过高尔基体运送至细胞表面。TAP转运的大多数肽在细胞内不会与MHC分子结合，而是迅速地被排出内质网外；有证据表明它们可以通过不同于TAP的另一个ATP依赖性的转运机制返回胞浆中。目前我们还不清楚到底是TAPtapasin复合体直接使得MHC 类分子荷肽的，还是MHC 类分子与TAP复合体的结合仅仅是让MHC 类分子在转运来的肽段还没有来得及扩散过内质网腔并被转运回胞浆内之前能够扫描它们。在携带有TAP突变基因的细胞中，其内质网上的MHC 类分子是不稳定的并最终被转位返回细胞浆中并在那里被降解。因此，MHC 类

27、分子必须与肽段结合后才能完成折叠并从内质网运输至下一个位置。在未感染细胞中，来源于自身蛋白质降解产生的肽段填充在成熟MHC 类分子的多肽结合凹槽中并被运输至细胞表面。正常细胞内MHC 类分子会在内质网中停留一段时间，这提示MHC 类分子的数量超过多肽。这一点对发挥MHC I类分子的功能非常重要，因为细胞一旦受到感染，MHC 类分子就必须立即把病毒肽转运至细胞表面。当细胞受到病毒感染时，内质网中过量MHC 类分子的存在就可以使病原体肽迅速出现在细胞表面。由于MHC 类分子递呈的病毒肽可以激活CD8 T细胞去杀伤感染细胞，因此有些病毒已经进化出通过阻止肽MHC 类分子复合体展示于细胞表面的方法从而

28、逃避识别。如单纯疱疹病毒通过产生一种能与TAP结合并抑制其功能的蛋白质来阻止病毒肽被转运至内质网中。又如腺病毒可以产生一种与MHC 类分子结合的蛋白，从而使得MHC 类分子留在内质网中。而巨细胞病毒则促进MHC 类分子反向易位至细胞浆中，并迅速降解。阻止免疫细胞对感染细胞的识别对病毒来说是很有好处的，因此，发现有些病毒可以抑制MHC肽复合物形成过程的其他步骤如抑制MHC 类分子伴侣分子复合物与TAP的相连过程也就不足为奇了。5-5MHC 类分子递呈的肽产生于酸化的内吞泡中有些种类病原体包括寄生的原生动物利什曼原虫以及导致麻风病和肺结核的分枝杆菌，是在巨噬细胞内的小囊泡中繁殖的。由于它们生活在膜

29、包围的囊泡中，因此这些病原体的蛋白不会接触到胞浆中的蛋白酶体。相反，巨噬细胞活化后其囊泡中的蛋白酶能将其中的蛋白质降解为肽片段，并与MHC 类分子结合。通过这种方式，这些病原体肽可以被转运至细胞表面并被CD4 T细胞识别。将胞外病原体及其蛋白质通过内化作用进入胞吞囊泡后也是经过这条途径将其肽段递呈给CD4 T细胞的（图5.6）。抗原摄取进入胞内囊泡早期内粒体中pH为中性，内粒体的蛋白酶没有活性囊泡酸化激活蛋白酶由此将抗原降解为肽片段包含肽片段的囊泡与含有MHC 类分子的囊泡融合（图）（图）（图）（图）图5.6酸化的胞吞囊泡中产生的肽段与MHC 类分子结合在这儿所举的例子中，抗原递呈细胞如巨噬细

30、胞或未成熟的树突状细胞可以摄取细胞外的抗原如细菌或细菌抗原。但有时，肽抗原也可能来源于侵入细胞内并在囊泡中繁殖的细菌或寄生虫。这两种情况的抗原递呈过程是相同的。包含被内吞的病原体的内粒体，其pH值是逐渐下降的，这就激活了存在于囊泡中的蛋白酶以使内吞物降解。新合成的MHC II分子可以经过这些酸化的囊泡并与抗原的肽片段结合，将这些肽片段转运至细胞表面。我们现在所了解的关于蛋白质胞吞途径的大部分知识都是通过这些实验得来的：在巨噬细胞中加入一些简单蛋白质，这些蛋白质就能通过吞噬作用进入巨噬细胞内，通过这种方法可以定量检测对加入抗原的加工情况。与B细胞表面免疫球蛋白结合的蛋白质可以通过受体介导的胞吞作

31、用而内化，随后发生蛋白质的加工过程是相同的。通过胞吞作用进入细胞的蛋白质被包围在内体（endosomes）中，随着内体逐渐深入到细胞内部，其酸性会越来越强，最终与溶酶体融合。内体和溶酶体中都含有酸性水解酶，它们在低pH值下可以被活化，降解囊泡中的抗原蛋白。通过胞吞作用或巨胞饮作用而内化进入细胞体内的较大颗粒物质也可以通过这条抗原加工途径来处理。有些药物如氯喹可以升高内体的pH、减弱其酸性，从而阻断了对内吞入细胞内的抗原递呈作用，这表明酸性蛋白酶与内化抗原的加工过程有关。在这些酸性蛋白酶中包含了半胱氨酸蛋白酶家族的组织蛋白酶B、D、S和L，其中L是这个蛋白家族中活性最强的一个。通过在体外低pH条

32、件下用这些酶消化蛋白质可以在一定程度上模仿抗原的加工过程。组织蛋白酶S和L可能是涉及囊泡中抗原加工过程中重要的水解酶；组织蛋白酶B或D缺陷的小鼠具有正常的抗原加工过程，而组织蛋白酶S缺陷的小鼠则不能进行正常的抗原加工。5-6恒定链引导新合成的MHC 类分子进入酸化的胞内小泡在巨噬细胞、未成熟树突状细胞、B细胞和其他抗原递呈细胞中，MHC 类分子的功能是与细胞囊泡中产生的多肽结合并将这些肽段递呈给CD4 T细胞。但MHC 类分子像其他细胞表面糖蛋白一样，其生物合成途径是在内质网中开始的，因此必须阻止这些MHC II分子在未成熟时与转运至内质网腔的多肽或细胞新合成的多肽结合。由于内质网中存在有丰富

33、的未折叠和部分折叠的多肽链，因此必需有一种机制来阻止这些肽段与MHC 类分子开放的肽结合位点结合。新合成的MHC 类分子与一种称为MHC 类分子相关的恒定链（invariant chain，Ii）的蛋白组装在一起可以阻断MHC 类分子与内质网中肽段的结合。恒定链形成三聚体，每个亚单位都与一个MHC 类分子异源二聚体非共价结合（图5.7）。Ii与MHC 类分子结合时，其部分多肽链位于肽结合凹槽中，因此封闭了凹槽使其不能与其他肽段或部分折叠的蛋白质结合。当该复合体在内质网中组装时，其组成部分是与钙联接蛋白相连的。只有当组装完成产生九条肽链的复合物时，复合物才从钙联接蛋白上释放出来并被转运出内质网。

34、当MHC 类分子作为九链复合物的一部分时，不能与肽段或未折叠的蛋白质结合，因此内质网中的多肽通常不是由MHC 类分子递呈的。有证据表明，当缺失恒定链时，许多MHC 类分子会以与错误折叠的蛋白质组成复合物的形式而被滞留在内质网中。（图）恒定链（Ii）结合在MHC 类分子的凹槽中首先裂解Ii，留下与MHC 类分子和膜结合的片段进一步降解后留下与MHC 类分子结合的短肽片段CLIP（图）（图）（图）图5.7恒定链裂解后留下一个与MHC 类分子结合的肽片段CLIP左图是一个恒定链三聚体与MHC 类分子异源二聚体结合的模式图。图中红色代表CLIP片段，绿色表示其他的恒定链部分，黄色代表MHC 类分子。在

35、内质网中，恒定链（Ii）与MHC 类分子结合，其多肽链的CLIP部分位于MHC 类分子的肽结合凹槽中（见三张模式图的左图）。转运入酸化囊泡后，Ii首先在MHC 类分子的一侧降解（见中图）。Ii剩下的部分（称为亮抑酶肽诱导的肽段或LIP片段）保留了跨膜区和胞浆区，具有引导IiMHC 类分子复合物靶向内粒体途径的信号。随后LIP降解（右图），只留下一个短肽仍然与MHC 类分子结合；这个小肽就是CLIP片段。模型图引自P.Cresswell。恒定链的第二个作用就是将MHC 类分子定向输送至低pH的内体中并在此荷肽。MHC 类异源二聚体与恒定链的复合物可以在内体中停留2-4小时。在此期间，恒定链被酸性

36、蛋白酶如组织蛋白酶S分步降解（见图5.7）。一开始蛋白酶将恒定链截短，剩余部分的Ii仍然与MHC 类分子结合并停留在蛋白水解区。随后的降解去除MHC 类分子膜相关的Ii片段，留下的部分称为CLIP（class II-associatedinvariant-chainpeptide，与类分子相关的恒定链肽段）仍然结合在MHC类分子上。与CLIP结合的MHC 类分子仍然不能与其他肽段结合。要使得肽段能与MHC 类分子结合并且复合物能够被运输到细胞表面，CLIP就必须从MHC 类分子上解离下来或者被替换掉。在大部分类分子阳性的细胞包括抗原递呈细胞中，负责降解Ii的是组织蛋白酶S，而在胸腺皮质的上皮细

37、胞中组织蛋白酶L替代组织蛋白酶S发挥作用。现在还没有确定到底在内体的哪个部位发生了恒定链降解和MHC 类分子荷肽过程。大部分新合成的MHC 类分子是通过囊泡被运送至细胞表面的，这些囊泡在有些部位可以与内体发生融合。但也有证据表明MHC 类分子Ii复合体首先被运送至细胞表面而后再重新内化进入内体中。在这两种情况下，MHC 类分子Ii复合体都可以进入内体途径并在内体中遇到和结合病原体多肽。用金颗粒标记的抗体通过免疫电镜的方法，可以观察到Ii和MHC 类分子在细胞内的定位，结果显示Ii的降解以及多肽与MHC 类分子的结合都是在一种被称为MHC II类区室（MHC class compartment，

38、MIIC）的特殊的内体区域中发生的，处于内粒体途径的后期（图5.8）。图5.8MHC 类分子在专门的胞内区域荷肽MHC 类分子从高尔基体（在这张B细胞超薄切片的电镜照片中以G表示）中通过一种称为MHC 类分子室（MC）的专门胞内囊泡转运至细胞表面。MC形态很复杂，具有内部囊泡和膜片层结构。用大小不同的金颗粒标记的抗体可以揭示出高尔基体中的MHC 类分子（小的金颗粒）以及恒定链（大的金颗粒），但在MC中只能检测到MHC 类分子。因此一般认为MC是发生恒定链降解和荷肽的场所。照片引自Hans J.Geuze，放大倍数为×135,000。与MHC 类分子一样，未感染细胞中的MHC 类分子与

39、来源于自身蛋白的肽段结合，与恒定链分离后的MHC 类分子不结合多肽的话是不稳定的；在内体的酸性环境中，它们聚集迅速被降解。因此，在正常未感染的细胞中MHC II类分子递呈的自身肽有很大一部分是来源于MHC 类分子的降解也就不足为奇了。这就表明与MHC 类分子比较而言，产生的MHC 类分子是过量的。因此，当病原体感染细胞并在其囊泡内增殖时、当吞噬细胞吞入了病原体时、或者当B细胞内化了来源于病原体的蛋白质时，病原体产生的多肽可以有足够的空载MHC 类分子与之结合。5-7一种特化的MHC 类分子样分子催化MHC 类分子荷肽人们在分析抗原递呈缺陷病人的突变B细胞系时，意外地发现了囊泡内抗原加工途径中的

40、一个组分。这些细胞株中的MHC 类分子可以与恒定链进行正确组装，看上去经由相同的普通囊泡途径。尽管如此，它们还是不能与内化蛋白的肽段结合，于是常常在到达细胞表面时还结合有CLIP肽。人类中造成这种突变细胞缺陷的是一个类似于MHC 类的分子，称为HLA-DM（在鼠类中是H-2M）。HLA-DM基因位于MHC 类的基因簇中，与TAP及LMP相邻（图5.10）；它编码一条链和一条链，这两条链与其他MHC 类分子都非常相似。HLA-DM分子不在细胞表面表达，它主要存在于MIIC区域内且不需靠与肽段的结合来保持稳定。HLA-DM可以与空的MHC 类分子结合并起到稳定作用，否则，MHC 类分子会发生聚集；

41、另外，它也可以促进CLIP片段从MHC 类分子CLIP复合体上释放出来，使空的MHC 类分子与其他多肽结合（图5.9）。恒定链（li）与MHC 类分子形成复合物，封闭肽与错误折叠蛋白的结合li在酸性内粒体中降解，留下短肽CLIP仍然与MHC 类分子结合内吞的抗原在内粒体中降解为多肽，但CLIP肽阻断了抗原肽与MHC 类分子的结合HLA-DM与MHC 类分子结合，使其释放出CLIP并结合其他多肽，随后MHC 类分子将肽运送至细胞表面（图）Endoplasmic reticulum：内质网（图）Cytosol：细胞浆（图）（图）图5.9HLA-DM促进MHC 类分子负荷抗原肽的过程恒定链与新合成的

42、MHC 类分子结合，从而封阻了MHC 类分子在内质网中以及在转运至酸性内体囊泡的过程中与多肽和未折叠的蛋白的结合（第一张图）。在这些酸性囊泡中，蛋白酶降解恒定链，只剩下CLIP肽片段与MHC 类分子结合（第二张图）。病原体及其蛋白质在酸性内体囊泡中酶解成肽片段，但是这些肽片段并不能与携带着CLIP的MHC 类分子结合（第三张图）。类似于MHC 类分子的HLA-DM可以与MHC 类分子CLIP复合体结合，催化CLIP的释放以及抗原肽的结合（第四张图）。HLA-DM也可以催化MHC 类分子释放与其结合不稳定的肽段。在能与MHC 类分子结合的多肽混合物中，如在MIIC发生的那样，HLA-DM分子不断

43、地与肽MHC 类分子复合物结合和再结合，驱逐弱结合的肽段并用其他肽段替代它们。由MHC 类分子递呈的抗原可以在抗原递呈细胞表面停留好几天，等待T细胞的识别。HLA-DM这种驱逐不稳定结合肽的能力，有时称为“编选”，保证了抗原递呈细胞表面所展示的多肽MHC 类分子复合物可以存活较长时间足于激活适当的CD4细胞。第二个非经典的MHC 类分子称为HLA-DO（在鼠类中是H-2O），在胸腺的上皮细胞和B细胞中产生。这个分子是由一条HLA-DN链和一条HLA-DO链组成的异源二聚体（图5.10）。HLA-DO不在细胞表面出现，只存在于胞内囊泡中，并且也不结合多肽。相反，它是一个HLA-DM的负调节因子，

44、可以与HLA-DM结合并且抑制HLA-DM催化的CLIP从MHC 类分子上释放及其他肽与MHC 类分子结合。干扰素（INF-）的诱导不会增加HLA-DO链的表达，而增加HLA-DM的表达。因此，在炎症反应中，由T细胞和NK细胞产生的INF-（见2-25）可以增加HLA-DM的表达，由此能够克服HLA-DO的抑制作用。为什么胸腺上皮细胞和B细胞的抗原递呈能力需要这种调节方式还不清楚；在胸腺上皮细胞中的作用可能是用自身肽库来筛选发育中的CD4 T细胞，这个肽库与成熟T细胞所接触的是不相同的。HLA-DM分子促进MHC 类分子与肽结合的作用与TAP分子促进MHC 类分子与肽段结合的作用是相似的。因此

45、，专一递呈多肽的机制看起来是与MHC分子本身一起共同进化的。正如病毒已经找到破坏抗原加工以及通过MHC I类分子的抗原递呈途径方法一样，病原体似乎也已经进化出抑制向MHC II类分子荷肽的策略。5-8MHC分子与多肽的稳定结合可以使抗原有效地递呈于细胞表面要使MHC分子完成其传递细胞内感染信号的功能的话，那么多肽MHC复合物就必须在细胞表面保持稳定。如果复合物解离太快的话，那么感染细胞内的病原体就可能逃避检测。另外，未感染细胞表面的MHC分子可以摄取由感染细胞表面MHC分子释放出来的肽，从而给细胞毒性T细胞传递一个错误信号，认为健康细胞受到了感染，从而引发它被不正当破坏。MHC分子与肽的紧密结

46、合就不太可能产生这两种不希望发生的结果。细胞表面多肽MHC复合体存在的稳定性可以通过其激活T细胞的能力来衡量，而MHC分子本身的去向可以通过特殊的染色方法进行直接跟踪。通过这种方法我们发现活细胞表面特异性肽MHC复合物可以从细胞表面消失并作为天然蛋白一样被再次内化，而且与MHC分子本身的周转频率相同，这表明MHC分子与肽的结合基本上是不可逆的。这种稳定结合保证了非常稀有的多肽也可以通过MHC分子有效地转运至细胞表面，并可以使这些复合物长期表达在感染细胞表面。这满足了有效抗原递呈的第一个要求。有效抗原递呈的第二个要求就是万一多肽从细胞表面MHC分子上脱落下来的话，周围胞外液中的多肽段也必须不能与

47、空载的肽结合位点结合。事实上，从纯化的MHC 类分子上解离多肽必需使蛋白质变性。当多肽从活细胞表面的MHC 类分子中解离的时候，MHC 类分子会发生变构，2-微球蛋白就会解离，链被内化并迅速降解。因此，大部分空的MHC 类分子会很快地从细胞表面消失。在中性pH条件下，空载的MHC 类分子比空载的MHC 类分子要稳定得多，虽然空的MHC 类分子也会从细胞表面被清除。空载的MHC 类分子容易聚集，这种聚集物的内吞作用可能与空载的MHC 类分子从细胞表面上消失有关。另外，在通过作为正常膜循环一部分的酸性内体转运的过程中，肽从MHC 类分子上丢失最可能发生于内体，因为穿越它是细胞膜再循环正常过程中的一

48、部分。在酸性pH下，MHC 类分子可以结合在囊泡中存在的多肽，而那些没有与肽结合的分子就会很快被降解。因此，MHC 类和类分子都不能有效地识别周围胞外液中的抗原，这就保证了T细胞选择性地作用于感染细胞或专门摄取和展示抗原的细胞，而不会累及周围的健康细胞。小结T细胞识别抗原的最显著特征就是T细胞受体识别的配体形式。这种配体是由来自于外来抗原的多肽与MHC分子结合而组成的。MHC分子是细胞表面的一个糖蛋白，它具有的多肽结合凹槽可以结合广泛的不同多肽。MHC分子是在细胞内与多肽结合并将其运送至细胞表面，组成的多肽MHC分子复合物可被T细胞识别。MHC分子有两类：MHC 类和MHC 类，它们分别与在细

49、胞内不同部位降解产生的多肽结合。MHC 类分子与胞浆中降解蛋白质产生的多肽结合，即在具有多重催化蛋白酶的蛋白酶体中，降解胞浆蛋白以及从内质网转运回胞浆中的蛋白。由蛋白酶体产生的多肽通过一种异源二聚体的ATP-结合蛋白即TAP被转运至内质网，然后与部分折叠的MHC 类分子（与TAP相连的）结合。与肽结合是MHC 类分子完成组装不可缺少的步骤，而且在MHC 类分子完成折叠并离开内质网至细胞表面之前必须与多肽结合。感染有病毒或其他胞内病原体的细胞，其细胞表面的MHC 类分子通过与胞浆中降解蛋白质产生的多肽的稳定结合，可以将这些病原体的肽段展示出来。与此相反，MHC 类分子在早期则通过与恒定链相连充满

50、和封闭其多肽结合凹槽，从而不能结合内质网中的多肽。而且MHC II类分子由恒定链引导进入酸性内体区域，在酸性蛋白酶尤其是组织蛋白酶S存在的情况下，并在专门的具有催化荷肽活性的MHC 类分子样分子辅助下，释放出恒定链而与其他多肽结合。因此MHC 类分子结合的多肽来源于内体中降解的蛋白质，包括进入巨噬细胞囊泡系统中的病原体多肽、或是由未成熟树突状细胞内化的抗原多肽以及B细胞通过其免疫球蛋白受体而内化的抗原多肽。不同类型的T细胞通过识别了由不同类型MHC分子递呈的抗原后而活化。识别MHC 类分子多肽复合物的CD8 T细胞可以杀死任何展示有外源肽的细胞，由此清除病毒和其他胞浆病原体感染的细胞。识别MH

51、C 类分子多肽复合物的CD4 T细胞可以特异性激活免疫系统中其他的效应细胞，如巨噬细胞活化后可以杀死其胞囊中隐藏的病原体，而B细胞则分泌对付外来分子的免疫球蛋白。因此，这两类MHC分子可以将来源于细胞不同部位的多肽递呈于细胞表面，T细胞识别后可以发挥相应的功能。主要组织相容性复合体及其功能 MHC分子的功能是与病原体来源的肽结合并将它们展示于细胞表面，供相应的T细胞识别。其结果对病原体来说往往是致命的，如杀死病毒感染的细胞、巨噬细胞活化后杀死寄生于囊泡中的胞内菌，以及B细胞活化后产生的抗体能清除或中和胞外的病原体。因此，这种强有力的选择压力使得病原体趋于发生能够逃避被MHC分子递呈的突变。MH

52、C两个独立的特性使得病原体很难逃避这种方式的免疫应答。首先，MHC具有多基因性（polygenic）：即包含多种不同的MHC 类和MHC 类基因，因此每一个个体都拥有一系列不同肽结合特异性的MHC分子。其次，MHC具有高度多态性（polymorphic）：也就是说在整个种群内每个基因都有多个突变体。事实上，MHC基因是已知最具有多态性的基因。在本章节中，我们会谈到MHC的基因组成以及MHC分子的多态性是如何产生的。我们也会看到MHC分子多基因性和表现在可以结合广泛的多肽多态性是怎样使得免疫系统能够应对如此多样且进化如此迅速的病原体的。5-9许多由主要组织相容性复合体基因编码的蛋白参与了抗原的加

53、工和递呈主要组织相容性复合体位于人类的第6号染色体、小鼠的第17号染色体上，跨越了大约4分摩（centimorgans）的DNA，约为4×106个碱基对。人的MHC基因簇中含有200多个基因。随着对MHC内部及周围基因的进一步研究，发现它涵盖的范围以及包括的基因数都有可能还要增加；事实上，最近的研究表明MHC可能至少跨越了7×106个碱基对。编码MHC 类分子链以及MHC 类分子链和链的基因在复合体中是连在一起的；而编码2-微球蛋白和恒定链的基因则位于不同的染色体上（分别是人的第15和5号染色体，小鼠的第2和18号染色体）。图5.10显示了人和小鼠中MHC 类和类基因一般的

54、组成情况。在人类中，这些基因被称为人类白细胞抗原（Human Leukocytes Antigen）编码基因或HLA基因，首次发现是由于它们在不同个体的白细胞之间具有不同的抗原；小鼠中则被称为H-2基因。人类中MHC I类分子的链编码基因有3个，为HLA-A、B和C。另有3对MHC 类分子链和链编码基因，分别为HLA-DR、DP和DQ。在多数情况下，HLA-DR基因簇还包含1个额外的链基因，其产物可以与DR链配对。这就意味着3对基因可以产生4种MHC 类分子。所有的MHC 类分子和MHC 类分子都可以将多肽递呈给T细胞，但每一种MHC蛋白各自结合不同类别的多肽（见3-16和3-17）。因此，每

55、一类MHC分子都是由几个不同的基因编码的，这就是说，这种情况相对于细胞表面只能表达每一类的一种MHC分子来说，任何一个个体可以递呈的多肽种类更加广泛。人MHC的基因结构（图）class：类小鼠MHC的基因结构（图）图5.10人和小鼠主要组织相容性复合体（MHC）的基因组成图中展示的是人（被称为HLA，位于第6号染色体上）以及小鼠（被称为H-2，位于第17号染色体上）MHC基因的基本组成。两者的MHC基因组成非常相似。有两个分开的基因簇即MHC 类基因（以红色表示）和MHC 类基因（以黄色表示），但在小鼠中有一个MHC 类基因（H-2K）相对于人的MHC来说已经发生易位，因此小鼠的MHC 类基因

56、分成了两个部分。在人和小鼠中都有三个主要的MHC 类基因，人类的为HLA-A、-B和-C，小鼠的为H2-K、-D和-L。虽然2-微球蛋白基因编码的是MHC 类分子的一部分，但该基因在这两个种类中是位于不同的染色体上的，人是位于第15号染色体上，小鼠则是在第2号染色体上。MHC 类基因包括编码递呈抗原的MHC 类分子HLA-DR、-DP和-DQ（小鼠为H-2A和-E）的链及链基因。另外，还有TAP1TAP2肽转运体的编码基因、蛋白酶体亚基LMP的编码基因、DM链和DM链的编码基因、DO分子链和链的编码基因（分别为DO和DO）以及tapasin的编码基因（TAPBP）都位于MHC 类基因区。所谓的

57、MHC 类基因则编码其他多种具有免疫功能的蛋白质（见图5.11）。两个TAP基因也位于MHC 类基因区，与编码蛋白酶体组分的LMP基因紧密相连，然而既与TAP结合又与空MHC 类分子结合的TAP相关蛋白（tapasin）的编码基因则位于MHC基因簇边缘的着丝粒附近（图5.10）。MHC 类基因的产物是将胞浆的多肽递呈至细胞表面，而TAP、TAP相关蛋白（tapasin）以及蛋白酶体的基因产物，其作用是在胞浆中产生多肽并将这些多肽转运至内质网，这些分子在遗传上的相关性提示在进化中整个MHC都被选择用以抗原的加工和递呈过程。用INF-、或处理细胞后，MHC 类分子的链和2-微球蛋白基因以及蛋白酶体、TAP相关蛋白（tapasin）和TAP基因的转录都会明显增加。第二章已经介绍了干扰素是在病毒感染的早期产生的，是天然免疫应答的一部分，因此这种效应可以加强细胞加工病毒蛋白能力以及增强将这些多肽递呈至细胞表面的能力。这有助于活化相应的T细胞并启动