免疫生物学五

1、免疫学原理第四章主要组织相容性复合体Major Histocompatibility Complex （MHC）一、引言二、MHC基因 1、 多基因性 经典的I类和II类基因； 免疫功能相关基因 2、多态性 HLA具有极为丰富的多态性； 连锁不平衡与单体型三、MHC分子 1、 经典的 I 类分子和 II 类分子 2、 MHC分子与抗原肽的相互作用四、MHC的生物学功能 1、作为抗原提呈分子参与适应性免疫 2、作为调节分子参与固有免疫五、MHC与临床医学 1、HLA与器官移植 2、HLA与疾病关联 一、引言 参与适应性免疫的三个基因系 统：BCR (Ig)、TCR与 MHC固有免疫和适应性免疫的

2、进化重组激活基因（RAG）插入有颌类脊椎动物基因组之后出现适应性免疫。 一、引言 参与适应性免疫的三个基因系 统：BCR (Ig)、TCR与 MHC MHC、组织相容性与移植物排斥Identification of mouse MHC by construction of congenic strains远交系 Outbred strains近交系 Inbred strains同类系 Congenic strains重组系 Recombinant trainsskinskinaccepted rejectedaccepted rejectedskinskinH-2kK-I-S-DH-2bK-I

3、-S-D-LH-2genecomplexH-2k/b Kk-Ik-Sb-Db1/21/41/20ABAAAMouse histocompatibility antigens and graft survival This chart gives the rejection times for skin grafts between mice differing at the major histocompatibility H-2 locus (blue). Grafts which differ at multiple minor loci are rejected as quickly a

4、s those that differ at H-2. HLA (hunan leukocyte antigen): 人类MHC SLA (swine leukocyte antigen)： 猪MHC H-2 (histocompatibility 2): 小鼠 HLA 基因；HLA分子；HLA抗原 二、MHC基因 1、 多基因性 经典的 I 类和 II 类基因； 免疫功能相关基因 多基因性: MHC复合体由多个位置相邻的基因座位所 组成，编码产物具有相同或相似的功能。 第6号染色体短臂HLA区主要基因排列图 HLA 全长3600 kb, 共有224个基因座位，其中128个为功能性基因（有产物

5、表达），96个为假基因。三类基因中表达者以不同颜色表示，不表达者皆为灰白色 经典的MHC I 类和 II 类基因 产物具有抗原提呈功能，并显示极为丰富的 多态性，直接参与T细胞的激活和分化，调控特 异性免疫应答。 免疫功能相关基因 包括传统的 III 类基因，以及除经典的 I 类和 和 II 类基因之外的多种基因，主要参与调控固有 免疫应答，不显示或仅显示有限的多态性。 人和小鼠MHC中经典的 I 类、 II 类和血清补体成分编码基因（III类基因）及其产物的命名比较FGHAECBC2BfC4AC4BDRADRBDQADQBDPADPBDRADRB9DRB3DRB2DRB1DQA1DQB1DQ

6、B3DQA2DQB2DOBTAP2LMP7TAP1LMP2DMBDMADOADPABDPB1DPA2DPB2TAPBPCLASS IIMICAMICBIBLLTATNFLTBB144HSP70C2BfC4ACY021C4BCLASS IIICLASS ICentromereGerm line genes ofHLA system PseudogenesClassical class I and II genesImmune function-related genes一、经典的HLA 基因 I类：HLA-A、HLA-B、HLA-C HLA Ia II类：HLA-DR、HLA-DQ、HLA-DP

7、二、免疫功能相关基因 血清补体成分编码基因：C4B、C4A、Bf、C2 抗原加工递呈相关基因：LMP、TAP、DM、DO、tapasin 非经典 I 类基因（HLA Ib）：HLA-E、HLA-G 炎症相关基因： * 肿瘤坏死基因家族：TNF (TNF)、LTA (LT)、LTB (LT) * 转录调节基因或类转录因子基因家族：I-BL，B144、ZNF173 * MIC（MHC I类相关基因）家族：MICA、MICB * 热休克蛋白家族：HSP70HLA, a gene complex 二、MHC基因 1、多基因性 2、多态性 HLA显示极为丰富的多态性； 连锁不平衡与单体型多态性 (pol

8、ymorphism) 指一个基因座位上存在多个等位基因 (allele)。 HLA基因系统的多态性及一些主要基因座位的等位基因数截至2006年7月，正式命名显示多态性的HLA基因座位有31个，共2320个等位基因。图中所示为常见基因座位的等位基因数。HLA基因系统的多态性及一些主要基因座位的等位基因数截至2006年7月，正式命名显示多态性的HLA基因座位有31个，共2320个等位基因。图中所示为常见基因座位的等位基因数。 MHC 的多态性是一个群体概念。是种 群中不同个体等位基因占有状态差异的 表现。 个体间各个 MHC 基因座位等位基因占 有状态的差异，是无亲缘关系个体间移 植物发生排斥和对

9、疾病具有不同易感性 的主要原因。 HLA-DRB1*0901和DQB1*0701是分别位于人类 MHC 复合体中的两个等位基因。他们在北方汉族人中的频率分别是 15.6% 和21.9 %。按随机分配的规律，这两个等位基因同时出现在一条染色体上的机率应是上述两个频率的乘积： 0.1560.2190.034，即3.4%， 然而实际上两者同时出现的频率是11.3%，为理论值的 3.3 倍。 连锁不平衡 ( linkage disequilibrium) 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机率高 于随机出现的频率。 单体型（haplotype） 染色体上MHC不同座位等位

10、基因的特定 组合。 二、MHC基因 1、多基因性 2、多态性 3、HLA基因表达的调控HLA I 类和 II 类基因启动子区的顺式作用元件及其结合的转录因子右侧箭头指向的相反方向为HLA I类（上方）和II类（下方）基因转录启动子区。带英文字的彩色方框为I、II类基因专一性顺式作用元件，其上方为结合各个顺式作用元件的转录因子。中部的四对顺式元件-转录因子在两类基因中高度相似。启动子右侧的兰色筐和黑筐为真核细胞基因共用的顺式作用元件CCAAT和TATA。HLA II类反式激活因子 (CIITA) 结构及其对HLA-DRA基因转录激活的调控A、CIITA分子结构。N端棕色部分显示乙酰基转移酶活性，

11、并与协同激活因子CBPBob1等结合；P/S/T：富含脯氨酸、丝氨酸、苏氨酸结构域；ATP/GTPB：相应结构域；RFX结合：II类基因启动子RFX、NF-Y等结合部位。B、CIITA分子C端与结合于HLA II类基因（此处以DRA为例）启动子区顺式作用元件的多组份转录因子结合，N端与通用转录复合体（GTC）及协同激活因子（co-activator）结合，通过表观遗传学机制（包括组蛋白乙酰化及转录延伸）启动对II类基因的转录激活。Four promoters for transcription activation of CIITA gene CIITA gene p1 p2 p3 p4 DC

12、 ? B IFN-I II III IV三、MHC分子 1、 经典的 I 类分子和 II 类分子 class I class II H-2K、H-2D、H-2L; H-2IA (I-A)、H-2IE (I-E) HLA-A、HLA-B、HLA-C； HLA-DR、HLA-DQ、HLA-DPmousehuman 人和小鼠MHC中经典的 I 类、 II 类和血清补体成分编码基因（III类基因）及其产物的命名比较抗原肽结合槽抗原肽结合槽MHC I 类分子（左）和 II 类分子（右） class I class II: DR经典MHC I类和II类基因外显子与I类和II类分子结构域的对应关系A、I类基

13、因及I类分子；B、II类基因及II类分子。L：前导区；Tm：跨膜区；C：胞质区；UTR：非翻译区 HLA I 类和 II 类抗原的结构、组织分布和功能特点HLA抗 分子结构 肽结合 表达特点 组织分布 功能特点原类别 结构域 I 类 链45kD 1+ 2 共显性# 所有有核 识别提呈内源性抗原肽, 与CD8(A,B,C) (2m 12kD)* 细胞表面 结合, 对CTL的识别起限制作用 II 类 链35kD 1+ 1 共显性 APC,活化 识别提呈外源性抗原肽, 与CD4(DR,DQ, 链28kD 的T细胞 结合，对Th的识别起限制作用 DP)* 2m 编码基因在15号染色体。# 同源染色体对

14、应座位上的两个等位基因都能得到表达。三、MHC分子 1、 经典的 I 类分子和 II 类分子 2、 MHC分子与抗原肽的相互作用 MHC I 类和 II 类分子抗原结合槽的结构特点 MHC 分子接纳抗原肽的共用基序 MHC-抗原肽相互作用中等位基因特异性及 其意义 T 细胞识别抗原中的 MHC 限制性 进入MHCI类和II类分子抗原结合槽的抗原肽长度不同，显示不同的锚着位(ancho position) I 类分子抗原结合槽两端封闭，接纳的抗原肽长度 有限，为810个氨基酸残基； II 类分子凹槽两端开放，进入槽内的抗原肽长度 变化较大，为1317个氨基酸残基甚至更多。 TLWVDPYLVLL

15、DVPIAVSLLPAIVLYMNGTMSLMLLALLYLALWLFFGLDIIRPQPEDKELKNIEAEQCVKFTDRWDAPNTSLYYTKFTPEYLLTERYPTALADDPILVVVVVTSLKDKKLYKGPAYD 1 2 3 4 5 6 7 8 9等位基因 抗原肽氨基酸残基组成 残基数 抗原肽来源HLA-A* 0201 （I 类）HLA-DRB1* 0405 （II 类） 9 910 9 9 91413141715蛋白磷酸酶389-397BCTI蛋白103-111IP-30信号肽27-35酪氨酸激酶369-377酪氨酸激酶1-9黑色素瘤抗原热休克蛋白68-81ras相关蛋

16、白86-982微球蛋白83-96PKM2 101-117组织蛋白酶C62-76 核心序列残基（锚着位） 核心序列残基 非核心序列残基各种天然抗原肽藉助特定锚着残基和不同的 HLA 等位基因分子相结合共用基序 x L/M x x x x x x L/V MHC分子和抗原肽的相互作用 * 不同的抗原肽结合MHC分子时具有不同的 锚着位和锚着残基（anchor residue） * 不同的MHC等位基因分子接纳抗原肽启用 不同的共用基序（consensus motif） 能够和同一类MHC分子结合的抗原肽，其锚着 位和锚着残基往往相同或相似。 例如HLA*0201分子所接纳的抗原肽有一个显示 相互作

17、用特点的共用基序（consensus motif）， 即 x-L/M-x-x-x-x-x-x-L/V（x 代表任意氨基酸残基）。 ABC利用共用基序通过肽合成和功能测定确定抗原的功能性表位 从抗原一级序列中寻找符合共用基序xPxxxxxxL的五条九肽并人工合成，作为表位候选肽段（分别以五种颜色表示）；B. 测定需要该共用基序的MHC I类分子与候选肽段的亲和力及结合能力，选择高亲和力者（绿色）；C. 以淋巴细胞克隆扩增实验对选中的肽段作功能性验证，确认其具有通过TCR激活T细胞的能力，并以此发展成肽疫苗。不同 H-2 II 类分子识别和递呈小鼠白血病病毒胞膜蛋白的不同表位三种 H-2 II 类

18、等位基因分子I-As、I-Ab和I-Eb结合抗原肽时启用不同的共用基序，因而分别结合并提呈小鼠白血病病毒胞膜蛋白 MuLV env同一分子的三个不同抗原肽序列145-158、255-271和454-469。 H-2 抗原肽 1 2 3 4 5 6 7 8 9I-As 共用基序 x I T x x x x H x Mulv env 255-269 IRL K I T D S G P R V PIG IgG2a 75-91 WPSQ S I T C N V A H P ASST TIR 203-218 KPT E V S G K L V H A NFGTI-Ab 共用基序 x N x x x x

19、T P x Mulv env 145-158 H N EG F Y V T P G PGRP Ii 85-99 RPV S Q M R M A T P L LMR IgG VH 59-74 Y N A D F K T P A TLTVDI-Eb 共用基序 Y L Y x x x x R R Mulv env 454-469 SPS Y V Y H Q F E R R AKYK BSA 141-158 GK Y L Y E I A R R H PYF unknown XPQS Y L I H E Y Y Y I S I-A b I-A s I-E b 145-158 255-271 454-46

20、9 T 细胞识别抗原中的 MHC 限制性TTAPCTTCR抗原肽MHCAPCAPC 识别 不识别 不识别MHC限制性 (restriction) T细胞通过 TCR 识别蛋白质抗原时，必需同时识别 MHC 分子。 MHC 约束性只有在二次免疫应答中才能得到体现。因为二次应答不仅需要有初次进行致敏的抗原, 并要求相应抗原肽由原先具有等位特异性的MHC分子进行提呈。 特异性二次应答同时受抗原特异性和 MHC 等位基因特异性的约束和限制。四、MHC的生物学功能 1、编码产物作为抗原提呈分子参与 适应性免疫The MHC-peptide-TCR trimolecular complex and oth

21、er molecules in T-APC interaction for T cell activation ThAPCB7 CD28/CTLA4 MHC peptide TCR CD42nd signal 1st signal peptideMHCCDR1CDR2CDR3Structure of the trimolecular complex MHC-peptide-TCR TCRMHCTCRMHCT cell recognition of a peptide-MHC complex via its TCRCDR1 CDR3 CDR2不同类别的抗原提呈分子 CD1 HLA-A2 MICA

22、人 CD1 分子、经典和非经典HLA 分子 (A2和MICA) 的结构比较T-APC相互作用及T细胞抗原识别相关的两种基本结构 MHC I 类PTKCD4 ThAPCCD4TCR抗原肽2112VVVVD2D3D4D1PTKPTKCD8 CTLCD8321VVVVVV2-mMHC II 类 作为抗原提呈分子，MHC产物直接参与T细胞的激活和对 靶细胞的杀伤。 被MHC分子结合并提呈的成份，可以是自身抗原，甚至是 MHC分子本身。由此，MHC参与构成自身免疫性（auto- immunity）、参与对非己MHC抗原的应答，并参与 T 细胞 在胸腺中的选择和分化。 免疫应答基因（Ir基因）和免疫抑制基

23、因（Is基因），以及 近代确认的疾病关联原发成份，都证明是特定的 MHC 等位 基因（或与之紧密链锁的疾病易感基因）或其产物。其作 用机制和MHC分子的抗原提呈功能密切相关。四、MHC的生物学功能 1、编码产物作为抗原提呈分子参与 适应性免疫2、免疫功能相关基因产物作为调节 分子参与固有免疫应答。 经典 III 类基因为补体成份编码，参与 补体反应和免疫性疾病的发生。 非经典 I 类基因和 MIC 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。 炎症相关基因参与启动和调控炎症反应， 并在应急反应中发挥作用。外来肿瘤正常感染NKNKNK

24、NK+杀伤 杀伤 杀伤不杀伤抑制性受体是否被激活决定了NK 细胞能否行使杀伤功能MHC人NK细胞的抑制性受体和激活性受体KIR:杀伤细胞免疫球蛋白样受体； KLR:杀伤细胞凝集素样受体；ILT:杀伤细胞免疫球蛋白样转录体受体；NCR:自然细胞毒受体；UL18: 人巨细胞病毒糖蛋白（一种HLA I类分子同源物）； ULBP:人巨细胞病毒糖蛋白结合蛋白KLRreceptor family location HLA specificity key residueKIR2DL1 IgSF 19q13.4 HLA-Cw2,4,5,6 N77, K80KIR2DL2/3 IgSF 19q13.4 HLA-

25、Cw1,3,7,8 S77, N80KIR3DL1 IgSF 19q13.4 HLA-Bw4 alleles L82, R83KIR3DL2 IgSF 19q13.4 HLA-A3, A11KIR2DL4 IgSF 19q13.4 HLA-G and other allelesILT2/LIR1 IgSF 19q13.4 various HLA allelesCD94/NKG2A C lectin 12p12-p13 HLA-EHuman HLA class I-specific NK cell inhibitory receptor五、MHC与临床医学 1、HLA是引起移植器官排斥的 主要免

26、疫学因素 Effect of HLA class I and class II antigen matching on survival of kidney grafts HLA mismatches class I class II 0 0 1-2 0 3-4 0 0 1-2 1-2 1-2 3-4 1-2Cellular typing:one way MLR (mixed lymphocyte reaction) with homozygote typing cellsDR1 (-)DR1 (-) ? (+)(+) ? (-) DR4(+) ?HTCDR1/DR1DR4/DR4Dw1,DR

27、1Dw1/4,DR1/DR4Dw ?test celltest cellTyping resultsPCR-based HLA genotyping DQA25 DQA34 DQA41 DQA55 DQA69 DQA75用于PCR-SSO基因分型的六类序列特异性寡核甘酸探针(ssop)的设计和对PCR扩增的DQA1基因片段进行杂交作HLA-DQA1等位基因鉴定五、MHC与临床医学 1、HLA是引起移植器官排斥的 主要免疫学因素 2、HLA与疾病关联强直性脊柱炎 ankylosing spondylitis 1947 1957 1967 1977100 80 60 40 20 0 20 （RR）

28、 354 376 90 98 55 109 213 270HLA-B27 positive（） relative riskOrientalCaucasoidBlackArabianIndianSingaporeAScontrolThe subject with HLA-B27 allele is highly susceptibleto ankylosing spondylitis (AS)突眼性甲状腺肿重症肌无力硬皮病风湿热Reiters综合征系统性红斑狼疮类风湿性关节炎I 型糖尿病多发性硬化症人体常见的自身免疫病 和HLA呈现强关联的一些自身免疫病 疾病 HLA抗原 相对风险率 强直性脊柱

29、炎 B27 55376 急性前葡萄膜炎 B27 10.0 肾小球性肾炎咯血综合征 DR2 15.9 多发性硬化 DR2 4.8 乳糜泻 DR3 10.8 突眼性甲状腺肿 DR3 3.7 系统性红斑狼疮 DR3 5.8 胰岛素依赖性糖尿病 DR3/DR4 25.0 类风湿性关节炎 DR4 4.2 寻常天疱疮 DR4 14.4 淋巴瘤性甲状腺肿 DR5 3.2 用相对风险率RR（relative risk）估计特定 HLA等位基因产物（抗原）与疾病的关联程度： (Ag+/Ag-) disease RR = (Ag+/Ag- ) control原发关联成分 类风湿性关节炎（RA）：一种以DR4为主要

30、关联成分 的自身免疫性疾病。DR4等位基因分子6774位氨基 酸残基序列为LLEQRRAA，该等位基因即属易感成分。 乳糜泻（CD）: HLA-DQA1*0501及DQB1*0201。这 两个等位基因可以分别采用顺式互补（在同一条染色 体上）或反式互补（在两条同源染色体上）。 胰岛素依赖性糖尿病（IDDM）：易感基因主要为DQA1 *0301和DQB1*0201。 多发性硬化症（MS）: 主要为DR2中的DRB1*1501， 并有DRB3*0101参与。编码DQ分子和链的基因以顺位和反位互补两种形式决定对疾病的易感性基因图中深色座位代表参与顺、反位互补的易感基因有关HLA与疾病关联机制的研究主

31、要集中在三个方面。 分析特定HLA等位基因分子参与提呈疾病相关抗原 肽的机制。 寻找相关性自身抗原的T细胞表位和B细胞表位，分 析携带这些表位的肽段和特定HLA分子结合的共用 基序。 分析不同MHC等位基因产物 (易感的和抵抗的) 在T 细胞抗原受体库 (TCR repertoire) 的发育和中枢耐 受中的作用；寻找识别特定抗原肽-MHC 分子复合 物的T细胞克隆，确定其特性。1、人体主要组织相容性复合体HLA的结构显示多样性。 这一多样性首先表现在多基因性，即该复合体由经 典的HLA基因和免疫功能相关基因两大类组成。 前者包括 HLA I 类、II 类基因，其产物的结构、组 织分布和功能行

32、使各有特点，在特异性免疫应答中 发挥重要作用； 后者主要包括血清补体成分编码基因、抗原加工提 呈相关基因、非经典 I 类基因和炎症相关基因，较 多地参与调节固有免疫应答。小结2、 HLA基因的多样性同时表现在具有极为丰富的 多态性。多态性反映群体中不同个体HLA等位 基因拥有状态的不同，是导致个体间免疫应答 能力和对疾病易感性出现差异的主要免疫遗传 学原因。 确定不同个体所拥有的等位基因及其产物的特 异性称为HLA分型。3、MHC的主要生物学功能，是以其等位基因产物 （MHC分子）结合并提呈抗原肽供 T 细胞识别， 启动特异性免疫应答。 HLA和器官移植的成败以及自身免疫病等临床 疾病的发生关系十分密切。 1、何谓HLA基因复合体的多基因性和多态性？2、比较HLA I 类和 II 类分子在结构、组织分布、 与抗原肽相互作用等方面的特点。为什么 MHC 的主要生物学功能体现在结合与提呈抗原肽？思考题Thanks for attention 黟县宏村，徽州YLEPGPYEAALWLFFGLAAGIGILVYMNGTMSLMLLALLYLTVTQC 1 2 3 4 5 6 7 8 9Consansus motif x L/M x x x x x x L/VMelan Agp100Tyrosinase 368-376Tyrosinase 1-9