主要组织相容性复合体及其编码分子

1、第八章 主要组织相容性复合体及其编码分子（ Major Histocompatibility Complex and molecules encoded by it ）有关概念：1. histocompatibility antigen)存在于哺乳动物有核细胞和血小板上，能引起迅速而强烈移植排斥反应，代表个体特异性的抗原。人类的又称为人类白细胞抗原（Human Leukocyte Antigen ，。小鼠的称为H-2（既表示抗原，又表示基因）。是组织不相容性的主要决定者。2.主要组织相容性复合体(major histocompatibility complex, MHC )编码主要组织相容性抗

2、原等功能蛋白的一组紧密连锁的基因群，其编码的蛋白质主要参与抗原提呈和调控固有免疫应答。MHC是位于哺乳动物中某一染色体区域的一组基因群，其产物是参与抗原提呈和T细胞激活的关键分子，在适应性免疫应答启动和调节以及调控固有免疫应答中具有重要作用。引起移植排斥反应并不是其存在的主要意义。注：注意基因和基因产物的表达区分！以往MHC既代表基因又代表其表达产物。为了讲解方便，我们规定：基因表示：MHC、MHC基因、 HLA基因编码分子：MHC分子、 HLA（分子）、MHC-类分子、 HLA-类分子MHC-类分子、 HLA-类分子主要组织相容性抗原、人类白细胞抗原第一节 MHC结构及其多基因特性( str

3、ucture of MHC and its polygenic characteristics ) MHC结构十分复杂，具有多样性( diversity)。包括：多基因性(polygenic)指MHC的产物具有相同或相似的功能。多态性(polymorphism)指在(同一种群中)一个基因座位上存在多个等位基因 。 根据编码分子的结构和功能，本教材将MHC归并成两种类型：1.经典的MHC类、类基因它们的产物具有抗原提呈功能，显示出极为丰富的多样性，直接参与T细胞的激活和分化，调控特异性免疫应答。（为本章学习之重点！）2.免疫功能相关基因包括MHC 类基因 + 多种免疫功能相关基因不显示或仅显示有

4、限的多态性。一、经典的MHC 类、类基因( classical MHC type and type genes )（一）小鼠H-2定位与结构：位于小鼠染色体，长约1500kb，由多个亚区组成，按其编码产物的结构与功能，分为3类：类（K、D、L）、类（I-A、 I- A和I-E、 I-E ） 类（主要编码血清补体成分）H-2基因编码产物的结构与功能特点：1. H-2 类基因：H-2K、H-2D、H-2L，编码MHC-I类分子的重链(链)，轻链(-2m)由的其他基因编码。2. H-2 类基因：也称I （Immunity ）区，主要有I-A、I-E基因，编码MHC-分子的重链（）和轻（）链。3. H

5、-2 类基因（也称S区），为非经典的MHC基因，主要是补体成分C2、C4a、C4b、Bf 的编码基因。2个HSP、2个TNF的编码基因。（二） 人类MHC（HLA 基因复合体 ）( human MHC , HLA genic complex )1. HLA复合体的结构 ：（1）定位于第六号染色体短臂6p21.31区，长3600kb。已知HLA复合体有224个基因座位，其中128个为功能性基因，96个为假基因。（2）根据其编码分子的分布与功能不同分三个区：MHC-区有 B、C 、A 三个经典基因座位，编码类分子重链（链）。（另一轻链由2-m）MHC-区有DP、DQ、DR三个经典基因座位，每个座位

6、又有A、B两种基因，分别编码类 分子的链、链。在群体中，DR亚区实际上有5个功能性基因，1个为编码DR链的DRA基因，4个为编码DR链的DRB座位，但每条染色体上最多有2个功能性基因。不同的DRB座位参与构成不同的单体型，并表达不同的DR抗原特异性。（参见图8-4）MHC-区为非经典的MHC基因。有补体、TNF等编码基因。二、类和类基因的表达产物HLA分子（一）HLA-I 类分子链（重链）由MHC-A、B、C基因编码。链（又称2-微球蛋白，2-m）由15号 染色体的基因编码，无跨膜区。链胞外区有三个结构域：1、2、3。1、2构成抗原结合凹槽(多态区) ，各折叠成一个螺旋（凹槽壁）及4条片层（凹

7、槽底）。3(非多态区)属IgSF轻链的基本结构：2-微球蛋白，可溶性，无跨膜区，序列高度保守，作用为稳定类分子，使其有效地表达在细胞膜表面。（二）HLA-II类分子结构与HLA-分子极为相似，也为重链()、轻链()构成，不同之处在于： ( 1 )链、链均为经典HLA-基因编码。（2）链、链各有2个结构域：1、21 、2 1/1（多态区） 构成 HLA-II 抗原结合凹槽。2是与 T 细胞膜表面CD4分子结合的部位。（三）HLA分子的组织分布1、HLA-I类分子：有核细胞表面（如白细胞、淋巴细胞、肝、肾、肌肉细胞）和血小板。（但有的神经细胞、胎盘滋养层细胞不表达。）2、HLA-II类分子：专职A

8、PC激活的T细胞胸腺上皮细胞。（四）MHC分子的基本功能1.MHC-I类分子：识别和提呈抗原肽，与辅助受体CD8结合，对CTL的识别起限制作用。2.MHC-II类分子：识别和提呈抗原肽，与辅助受体CD4结合，对Th的识别起限制作用。（五）经典MHC等位基因的共显性表达：MHC类和类等位基因产物的表达具有共显性特点，即同源染色体对应座位上的两个等位基因皆能表达。故一个APC的表面通常可以检测到分别来自父母双方6对共12种MHC类和类等位基因分子即HLA抗原。三、免疫功能相关基因(genes associated with immune fuction)MHC中的免疫功能相关基因不显示或仅显示有限

9、的多态性。其产物一般不直接提呈抗原，但参与抗原的加工处理，且在固有免疫和免疫调节中发挥重要作用。（一）血清补体成分编码基因位于MHC中部，为类基因，有编码C4A、C4B、Bf 和C2的4种成分的基因。（二）Ag加工提呈相关基因(genes associated with antigen processing)1. 蛋白酶体亚单位(proteasome subunit beta type, PSMB)基因 包括PSMB8和PSMB9。编码胞质溶胶中蛋白酶体亚单位成分（proteosome源性Ag的酶解。2. Ag加工相关转运物 (transporter associated with antig

10、en processing, TAP )基因 TAP为内质网膜上的一个异二聚体分子，分别由TAP1和TAP2性抗原肽从胞质溶胶运入内质网。3. HLA-DM基因 有DMA、DMB两个座位，编码、链），参与外源性抗原的加工递呈（帮助溶酶体中的Ag肽进入MHC类分子的抗原结合槽）。4. HLA-DO 基因 有DOA、DOB两个座位，分别编码DO分子的、链，是DM分子的负向调节蛋白。5.TAP相关蛋白( TAP-associated protein )基因产物称为tapsin,参与类分子在内质网中装配和内源性Ag的加工提呈。（三）非经典类基因 ( non-classical typegenes )非

11、经典(non-classical)类基因又称HLA- b，即b型类基因，现已发现的有HLA-E、F、G、H等。他们也编码（非经典的）类分子，但显示较少的多样性，一般不参与外来Ag的提呈。其中研究较多的是 HLA-E和HLA-G。1. HLA-E产物也由链和2-m组成，已检出9种等位基因。HLA-E分子可表达于各种组织细胞，在羊膜和滋养层细胞胞和部分CTL的抑制性受体CD94/NKG2提呈自身抗原肽（HLA-a分子和HLA-G分子信号肽的十分保守的9肽），抑制NK的杀伤活性。在母胎耐受形成中起重要作用，可能也与病毒逃避免疫攻击有关。2. HLA-G其产物也是由链和2-m组成，重链已检出23种等位

12、基因。HLA-G分子主要分布于母胎界面绒毛外滋养层细胞，在母胎耐受中发挥功能。专一性受体属于杀伤细胞 Ig 样受体（为抑制性受体）家族中的某些成员。（四）炎症相关基因在HLA类基因区靠类基因一侧，有多个涉及炎症反应的基因座位：（1） TNF基因家族 包括TNF(TNF)、LTA（TNF）和LTB（LT）三个座位，参与炎症、抗病毒、抗肿瘤免疫。（2） 转录调节基因或转录因子基因家族 包括类 IB(IBL)等基因，可参与调节转录因子NF-B的活性。该家族还有B144基因、锌指基因ZNF等。（3）MHC类相关基因（MIC）家族包括MIC A和MIC B等基因，MICA座位已检测到61个等位基因。MI

13、C是NK细胞激活性受体NKG2D的配体。MICA和MICB主要表达在某些肿瘤细胞膜上。（4）热休克蛋白（HSP）基因家族 包括HSP70基因，其产物参与炎症与应激反应，并作为分子伴侣在内源性抗原的加工、提呈中起作用。第二节 MHC的多态性一、多态性(polymorphism )的基本概念1. polymorphism（多态性）指一个基因座位上存在多个等位基因(allele) 。（如同血型A、B、O型基因） MHC是人体多态性最丰富的基因系统。多态性是一个群体概念，指群体中不同个体在等位基因拥有状态上存在差别。MHC基因是截至2006年7月，已确定的MHC等位基因总数达到2641个。等位基因数最

14、多的MHC B座位有805个，而DRB1有527个。于一个个体，每个基因座位上都有两个分别来自父母的等位基因（一对同源染色体），这种组合是随机的，并且为共显性表达（表型）。故非亲缘关系个体拥有的两个B座位等位基因如果是从包含805个基因的多态性中随机取样，则相同的机会必然不高。同样，同一个体同一细胞上的两个B座位基因及其产物也很难相同。2. HLA等位基因及抗原的分类与命名（1）统一命名原则：以*为界，*之前为，*之后为。如HLA-A*0103、HLA-DRB1*1102等。（2）不同等位基因及其产物在结构上存在差异，主要表现在抗原结合槽的氨基酸残基的组成和序列不同，故类分子的1和2，类分子的

15、1和1是其多态区。（3）采用PCR技术针对性地扩增相应的基因片段后，通过测序或特异性探针杂交，确定不同个体的等位基因特异性，找出属于某个体的12种、类分子的编码基因，称为HLA基因分型（genotyping）。这对寻找合适的器官移植供、受体，分析疾病易感基因、法医学亲子等身份鉴定是十分重要的。二、连锁不平衡和单体型（1）连锁不平衡现象：HLA不同基因座位的各种等位基因在人群中以一定的频率出现。按照随机分配的规律，两个特定等位基因型别同时出现在一条染色体上的频率应为各等位基因频率之乘积。 但实际并非如此，已发现某些基因比其他基因更多（或更少）地连锁在一起，HLA-DRB1*0901和DQB1*0

16、701在北方汉族人群中的频率分别为15.6%和21.9%，这两个基因同时出现在一条染色体上的几率应为二者的乘积(0.156×0.219=0.034)，即3 .4%，而实际上它们在一个单体型中出现的频率为11.3%。这就是连锁不平衡。即： 分属两个或两个以上基因座位的等位基因同时出现在一条染色体上的几率高于随机出现的频率。（2）由此引出单体型（haplotype）的概念染色体上MHC不同座位等位基因的特定组合。连锁不平衡使某些单体型在群体中可呈现较高的频率，能显示group)的群体基因特点。如：中国汉族人中具有特征性的HLA单体型有A2-B46-Cw3-DR9-DQ9-Dw23、A33

17、-B17-Cw2-DR3-DQ2-Dw3等。连锁不平衡有助于从无血缘关系的人群中寻找HLA相匹配的器官移植供者。 附：单体型遗传方式连锁在一条染色体上的等位基因的组合构成一个单体型（相当于单倍型）。在遗传过程中，HLA单体型作为一个完整的遗传单位由亲代传到子代。 亲代与子代同一父母的兄弟姐妹，比较其单体型只会有三种可能性：完全相同，机率25%完全不同，机率25%一个单体型相同，机率50%无关人群中两个单体型所有等位基因完全相同的概率极小（同卵双生者相同）。这些特征使得HLA系统成为人体中多态性最丰富的系统。也使每个个体所具有的HLA成为其特有的生物学身份证，即个体性标志。（3）HLA多态性的产

18、生及其意义多态性主要为经典的类基因和类基因所有，这与它们的产物参与Ag提呈有关。由于不同的MHC等位基因的产物可以提呈不同的Ag肽，诱发出特异性和强度不同的免疫应答，MHC的多态性从基因储备上造成了对Ag（病原体）入侵反应性和易感性不同的个体。这一现象的群体效应，是赋予物种极大地应变能力。使之能对付多变的环境条件及各种病原体的侵袭。这是MHC高度多态性具有强大生命力的体现，是长期自然选择的结果。第三节 MHC分子和抗原肽的相互作用HLA分子的最基本功能：与抗原肽结合并递呈抗原肽给T淋巴细胞供其识别。HLA-类分子主要递呈经加工处理过的内源性抗原（如自身Ag、肿瘤Ag、病毒Ag），为CD8T淋巴

19、细胞识别；HLA-类分子主要递呈经加工处理的外源性抗原，并递呈给CD4 T细胞。 MHC分子以抗原结合槽接纳Ag肽。类分子凹槽两端封闭，接纳810个氨基酸残基的肽段；类分子凹槽两端开放，接纳13 17个氨基酸残基（或更多）的Ag肽。一、抗原肽和HLA分子相互作用的分子基础研究发现某一特定HLA分子凹槽中洗脱下来的各种天然Ag肽的某两个或两个以上位置的氨基酸残基是相同的，它们是抗原肽与MHC分子抗原结合槽结合的部位。锚定位Ag肽与HLA分子凹槽相结合的特定部位（从氨基末端数第几位氨基酸）。 锚定残基（anchor residue）Ag肽锚定位的氨基酸残基类别。共用模体（motif，基序）抗原肽分

20、子的锚定残基与MHC分子抗原结合凹槽结合。与同一型别MHC分子结合的不同抗原肽，其锚定位的锚定残基相同或相似，即其所接纳的抗原肽有一个共用模体。类分子结合的Ag肽长度变化于1417个氨基酸之间，但中段仍有对应于类分子的9肽核心序列。HLA-II类分子结合抗原肽的情况比较复杂，一是（往往有4个锚定位），二是锚定残基的氨基酸种类的变化较大。如HLA-DRB1*0405接纳的抗原肽有P1、P4、P6、P9四个锚定位，每个锚定位的氨基酸残基可以是25种。（二、抗原肽和MHC分子相互作用的特点具有一定的专一性是指MHC提呈抗原的相对特异性（选择性）的共同模体选择性地结合抗原肽。由此推知，不同MHC等位基

21、因产物有可能提呈同一抗原分子的不同表位，造成不同个体对同一抗原应答强度的差异，这实际上是MHC以其多态性参与和调控免疫应答的一种重要机制。具有一定的包容性（flexibility）MHC与抗原分子的结合并不象抗体与抗原结合那样高度专一，二者并不是一对一的关系。故，一种MHC分子可以结合多种抗原肽，活化多个抗原特异T细胞克隆；不同MHC分子接纳的抗原肽，也可以拥有相同的共同基序。例如：在HLA-I类分子中确认了A2、A3、B4、B44四个家族的成员可选择性地共同识别拥有相同或相似锚定残基的抗原肽。这意味着，能够被某一HLA分子识别和提呈的抗原肽，也可被该家族其他分子所提呈。这种包容性对应用肽疫苗

22、进行免疫预防和免疫治疗提供了便利。第四节 MHC的生物学功能一、作为抗原提呈分子参与适应性免疫应答1T细胞以其TCR实现对抗原肽和MHC分子的双重识别TCR在识别抗原肽的同时也识别APC细胞的MHC分子是否与自身相同。 CD4+Th细胞识别CD8+CTL识别的内源性抗原肽。因此形成T细胞在抗原识别和发挥效应功能中的MHC restriction）。2被MHC分子结合并提呈的成分，可以是自身抗原，甚至是MHC分子本身。因此， MHC参与构成自身免疫性、 参与对非己抗原的应答、 建立）。3MHC是疾病易感性个体差异的主要决定者已确认MHC中存在调控适应性免疫应答的免疫应答基因（Ir基因）和免疫抑制

23、基因（Is基因），以及近代确认的疾病关联原发成分，都证明是特定的MHC等位基因（或与之紧密连锁的疾病易感基因）或其产物。其作用机制和MHC分子的抗原提呈功能密切相关。 4. MHC参与构成种群基因结构的异质性由于不同MHC分子加工提呈的抗原肽往往不同，这一特点赋予不同个体抗病能力的差异，在群体水平有助于增强物种的适应能力，推动生命的进化。二、作为调节分子参与固有免疫应答免疫功能相关基因参与调控固有免疫应答：1. MHC 类基因编码补体成分，参与炎症反应、对病原体的杀伤、免疫性疾病的发生。2. 非经典的I类和MICA基因体，调节NK细胞和部分杀伤细胞的活性。3.炎症相关基因参与启动和调控炎症反应，并在应激反应中发挥作用。第五节 HLA与临床医学一、HLA与器官移植HLA等位基因的匹配程度（一致性）是器官移植成败的最关键因素。组织相容性程度的确定，需对供、受者作HLA分型和进行交叉配合试验