北大医学研究生课程-分子免疫学-MHC课件

主要组织相容性复合体MHC〔Majorhistocompatibilitycomplex〕一.概念

组织相容：不同个体间的组织的相容性

MHC是受遗传控制的，代表个体特异性的主要组织抗原系统，参与器官移植排斥，免疫应答调控。除无颌类以外，所有脊椎动物都拥有MHC人的MHC通常称为HLA〔humanleukocyteantigen〕

MHC的发现20世纪40－50年代的研究确定，小鼠近交系之间皮肤移植物的排斥主要由定位在17号染色体上的H-2基因决定建立两个遗传背景不同的小鼠近交系〔如A、B两个品系〕A与B杂交后代与亲本回交建立小鼠同类系〔congenicmice，即除特定基因外遗传背景高度一致的近交系小鼠品系〕，通过后代小鼠能否接受某一亲本的皮肤移植物来确定组织相容性基因〔histocompatibilitygenes〕的染色体位置发现位于17号染色体的H-2(histocompatibility-2)基因是主要的控制移植排斥的基因H-2基因特点：在移植排斥中起主要作用；本身含多个功能相近的基因座位，形成一复合体－－引入“主要组织相容性复合体〞的概念CONGENICMOUSESTRAINSStrainAStrainA.BSelectedLocusIntra-H2RecombinantCongenicMouseStrainsStrainAStrainA.BStrainA.B(R1)StrainA.B(R2)K I S DStrainBH2MHC是决定同种移植排斥的主要抗原二.MHC基因及分子人MHCHLA〔Humanleukocyteantigen〕位于6号染色体短臂，共3400kb通过大规模基因测序，99年10月28日在Nature杂志报道了HLA全基因序列已发现在此区域有约224个基因，多数基因尚不知功能2004年增加延伸的〔extended〕MHCI类和II类基因区，即xMHC区，约7.6Mb小鼠MHCH2，位于17号染色体狗MHCDLA，兔MHCRLA人HLA复合体的结构ClassIIClassIIIClassIDPDQDRC4BC4AB1C2HSPTNFBCEAGFRINGDPDMLMP2LMP7DQDRB2A2B1A1ABTAP1TAP2B2A2B3B1A1B*AClassIIClassIIIClassI第六对染色体HumanxMHCGeneMap传统上分为MHCI，II，III类基因；近年来倾向于分为以下两类：经典的MHCI，II类：基因产物的主要生理功能是呈递抗原，多态性丰富；即通常所说的“MHC基因〞免疫功能相关基因：传统的MHCIII类基因，非经典MHCI，II基因。xMHC基因区主要两大基因簇：组蛋白基因簇和tRNA基因簇分类：(一)经典MHCI类和II类基因小鼠H-2：定位于17号染色体；I类基因：K、D、L；II类基因：Ab、Aa、Eb、Ea。人HLA基因：定位于6号染色体；I类基因：B、C、A；II类基因：DP、DQ、DR亚区，每个亚区由两个或两个以上基因座组成，分别编码分子量相近的α链和β链(二)HLA分子1、HLAI类分子：链和2微球蛋白〔2-microglobin〕组成的异源二聚体；链胞外有3个结构域1，2，3，1，2组成抗原肽结合槽；所有有核细胞表达。2微球蛋白基因不在MHC基因区，人2微球蛋白基因的位于15号染色体；小鼠在2号染色体。MHC与抗原形成复合物2、HLAII类分子：分子量相似的链和链组成的异二聚体分子；1，1形成抗原肽结合槽；B,DC,M等表达。HLAII类分子的结构MHCclassIMHCclassIICleftgeometryPeptideisheldinthecleftbynon-covalentforces〔三〕免疫功能相关基因〔一〕血清补体成份编码基因：C4B，C4A，BF，C2。〔二〕抗原加工提呈相关基因：1、低分子量多肽基因：LMP2，LMP7；2、抗原加工相关转运体基因：TAP1，TAP2；3、TAP相关蛋白基因；4、HLA-DM，DO基因。〔三〕非经典的I类基因：HLA-E(杀伤细胞外表抑制性受体CD94/NKG2A,CD94/NKG2C的配体)，HLA-G(杀伤细胞免疫球蛋白样受体KIR的配体)。〔四〕炎症相关基因：TNF家族，IkB基因，MICA/B，HSP70等。1

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三、MHC基因的多态性现象相关概念多态性：是指在一随机分配的群体中，染色体同一基因座位〔或多态性标记位点〕有两种以上基因型。复等位基因：位于一对同源染色体上对应位置的一对基因称为等位基因。在群体中占据某同源染色体同一座位的两个以上的、决定同一性状的基因经典的MHCI类和MHCII类基因是基因组中多态性最丰富的基因

某些MHCIII类基因也具有高度多态性，如Bf基因已检出20多种变异体MHC多态性能防止快速进化的病原微生物针对宿主的攻击，保护生物群体的生存。SomeMHCGenesareHighlyPolymorphic#AllelesClassIClassIIHLA的复等位基因的命名NomenclatureIndicatesHLAtheHLAregionandprefixforanHLAgeneHLA-DRB1aparticularHLAlocusi.e.DRB1HLA-DRB1*13agroupofalleleswhichencodetheDR13antigenHLA-DRB1*13:01aspecificHLAalleleHLA-DRB1*13:01Nanullallele,anallelewhichisnotexpressed

HLA-DRB1*13:01:02anallelewhichdiffersbyasynonymousmutationHLA-DRB1*13:01:01:02anallelewhichcontainsamutationoutsidethecodingregionHLA的复等位基因的命名HLA-A*24:09NANullallele,anallelewhichisnotexpressed

HLA-A*30:14LAnalleleencodingaproteinwithsignificantlyreducedor'Low'cellsurfaceexpressionHLA-A*24:02:01:02LAnalleleencodingaproteinwithsignificantlyreducedor'Low'cellsurfaceexpression,wherethemutationisfoundoutsidethecodingregionHLA-B*44:02:01:02SAnalleleencodingaproteinwhichisexpressedasa'Secreted'moleculeonlyHLA-A*32:11QAnallelewhichhasamutationthathaspreviouslybeenshowntohaveasignificanteffectoncellsurfaceexpression,butwherethishasnotbeenconfirmedanditsexpressionremains'Questionable'HLA的复等位基因的命名〔续〕L：anallelewhichhasbeenshowntohave'Low'cellsurfaceexpressionwhencomparedtonormallevels.S：anallelespecifyingaproteinwhichisexpressedasasoluble'Secreted'moleculebutisnotpresentonthecellsurface.C：analleleproductwhichispresentinthe'Cytoplasm'butnotonthecellsurface.A：'Aberrant'expressionwherethereissomedoubtastowhetheraproteinisexpressed.Q：analleleis'Questionable'giventhatthemutationseenintheallelehaspreviouslybeenshowntoeffectnormalexpressionlevels#PROTEINSHLA基因的多态性现象－－与普通多态性基因的差异典型MHC基因的多态性较普通的多态性基因复杂得多〔如与ABO血型抗原基因比较〕不同复等位基因间差异明显多态性变异较为集中于HLA分子与抗原肽结合部位的结构域1210864220406080100120140160180200220a1a2CP,TM,CHLA－DRβ分子的多态性四、MHC基因复合体遗传特征单元型〔haplotypes〕遗传方式单元型：同一条染色体上紧密相连基因的组合HLA单元型：同一条染色体上不同HLA基因的组合。HLA基因在体细胞两条染色体上的组合称为基因型。某一个体HLA抗原特异性型别称为表型。共显性：一对等位基因的两个成员在杂合体中都表达的遗传现象。连锁不平衡子女与父母有一半HLA相同子妹间1/4机率完全相同；1/2机率一半HLA相同162352401016abcdacadbcbd162401610162352402351016

MHC的共显性表达MouseMHC连锁不平衡连锁：处于同一条染色体上的基因遗传时较多地联系在一起的现象基因频率：是指群体中携带某一等位基因的个体数目与携带该基因座位各等位基因个体数目总和的比例。假设两个基因座的两个等位基因，其频率分别是p1和p2，假设它们之间的重组是随机的，其联合的频率，即单元型频率h是p1Xp2，这样的结果即为连锁平衡。如果h比预期的随机重组值高或者低，说明两个基因座存在连锁不平衡HLA连锁不平衡举例单元型频率（％）ABD观察值期望值A1B89.82.1A3B75.42.1B8Dw38.61.4B7Dw23.91.8HLA连锁不平衡的可能起因紧密连锁基因座的某些等位基因的组合使携带者具有选择优势，因而可以长期存在据推测传染病是维持其多态性和连锁不平衡的最重要选择力量

五.MHC结合的分子MHCI类抗原结合抗原多肽〔8-10个氨基酸〕、TCR、CD8、杀伤细胞抑制性受体MHCII类抗原结合抗原多肽〔13-18个氨基酸〕、TCR、CD4抗原肽往往带有两个或两个以上和MHC分子凹槽相结合的特定部位〔锚定位〕。该位置上的氨基酸残基被称为锚定残基。AllelicVariationinMHCProteinsSurroundsPeptideBindingCleftJanewayetal.,Immunobiology,2001六、MHC分子表达的调节I类分子组成型表达于所有有核细胞外表，II类分子正常情况下只存在于B细胞、巨噬细胞、树突状细胞、内皮细胞等少数细胞类型转录水平的调节MHC分子的表观遗传学调控：MHC基因的甲基化状态在不同的组织中有所差异转录速度是MHC分子在细胞外表表达的重要决定因素各种MHC基因和分子的转录和表达同等地受到调节：如不位于MHC区域内的β2m和Ii分别与I类的α链和II类的α、β链协同地被调节细胞因子可调节I类和II类基因在多种细胞内的根本转录速度，这是T细胞应答的重要放大机制，如IFN-γ可提高MHC分子的表达CIITA缺陷－裸淋巴细胞综合征淋巴细胞和胸腺细胞缺乏MHCII类分子表达，CD4T细胞很少能发育成熟，即使有少量发育成熟，也得不到抗原的有效刺激患者出现SCID表型(IFNstimulatedresponseelement〕〔IFN-γactivationsites〕ISGF-3:IFNstimulatedgenefactor-3细胞因子可促进MHC基因在多种细胞表达转录后的调节：泛素介导的MHC分子降解IdentifiedE3sforMHCmolecules.KSHVMIR1andMIR2caninhibitsurfaceexpressionofMHCclassI(MHCI)throughubiquitinationofthecytoplasmictailoftheMHCIheavychain,thuspresumablyinhibitingrecognitionoftheinfectedcellbyviral-specificcytotoxicTcells(CTL).ThismechanismisproposedtobeoneofstrategiesusedbyKSHVforimmuneevasion.ThecellularMARCHs,c-MIR/MARCH-VIIIandMARCH-I,candownregulatethesurfaceexpressionofMHCclassII(MHCII)throughsimilarmechanisms.BothE3subiquitinatethecytoplasmictailoftheMHCIIbchain.Forcedexpressionofc-MIR/MARCH-VIIIcaninhibitTcell-dependentimmunity.Ub,ubiquitin;RINGv,RINGvariantdomain.CurrentOpinioninImmunology2021,21:78–83PossiblecontributionofMARCH-Itoimmuneresponses.Inthesteadystate,MARCH-I(shownas‘E3’)isconstitutivelyexpressedinAPCsandregulatestheexpressionofMHCIIthroughubiquitination-mediatedlysosomaldegradation(leftpanel).OnceAPCsareactivatedbyinfection,MARCH-Iexpressionoritsenzymaticactivityisdownregulated,andpathogen-derivedpeptidesarepresentedbyMHCIIstabilizedowingtolossofubiquitination.CurrentOpinioninImmunology2021,21:78–83DifferentialdistributionofMHCmoleculesCellactivationaffectsthelevelofMHCexpressionThepatternofexpressionreflectsthefunctionofMHCmolecules:ClassIisinvolvedinanti-viralimmuneresponsesClassIIinvolvedinactivationofothercellsoftheimmunesystemTissue MHCclassI MHCclassIITcells +++ +/- Bcells +++ +++Macrophages +++ ++OtherAPC +++ +++Epithelialcellsofthymus + +++Neutrophils +++ -Hepatocytes + -Kidney + -Brain + -Erythrocytes - -七.MHC功能介导T细胞的抗原识别T细胞在胸腺的分化调控NK细胞功能免疫应答的遗传控制：不同个体表现出差异性移植排斥与某些疾病具有关联关系MHCI类分子的非免疫功能MHCII类分子的非经典生物学功能介导T细胞的抗原识别MHCI类抗原介导内源性抗原的呈递MHCII类抗原介导外源性抗原的呈递交叉呈递：可引起交叉启动或交叉耐受，对于某些幼稚CD8+T细胞的活化、及T细胞发育的中枢耐受有重要作用MHCI类抗原介导外源性抗原的呈递MHCII类抗原介导内源性抗原的呈递MHC限制〔MHCrestriction〕Zinkernagel&Doherty'sexperment

蛋白酶体对内源性抗原的水解。

通过TAP复合物转运至内质网。

与MHCI类分子装配成复合物。

转运至高尔基体。

转运至细胞膜。NascentclassIMHCheavychainsand

2-microglobulinareassembledwithassistancefromnumerouschaperones(a).TheMHCheterodimeristhenrecruitedintotheTAP-containingPLCviainteractionswithtapasin(b).Peptidesgeneratedbyubiquitin–proteasome-mediatedproteinturnover(c),somesubsequentlytrimmedbycytosolicpeptidases,aretransportedbyTAPfromthecytosolintotheERlumen(d).ThesepeptidesareboundbyclassIMHC,someafterfurthertrimmingintheERbyERAP,causingthefullyfoldedclassIMHC-peptidecomplexestoshedER-associatedchaperones(e).Thepeptide-MHCmoleculesmigratetothecellsurface(fandg)wheretheyarescannedbyCD8+Tcells.

TheclassIassemblypathwayandformationofpeptideloadingcomplex(PLC)CurrentOpinioninImmunology2021,20:75–81AmodelofpeptidetransportbeginswithTAPinaninward/cytosol-facingconformationwiththeNBDs(nucleotide-bindingdomains)open.Apeptidebindsacytosol-facingcavityformedbytheTMDs(transmembranedomains),causingaconformationalchangethatistransmittedtotheNBDs.ThisconformationalchangepermitsATP-dependentNBDclosure,perhapsbyfacilitatingexchangeofADPonTAP2forATP.AstheNBDsclose,thepeptide-bindingcavityclosestothecytosolandopenstotheERlumen,creatingtheclosed,outward-facingconformationofTAP.Peptideaffinityismarkedlyreducedinthisconformation,andthepeptideishencereleasedintotheER.ATPhydrolysisintheconsensusATPasesiteissufficienttodestabilizetheclosedNBDs(hydrolysismayalsooccurinthedegenerateATPasesite,butthisisnotessential),whichre-opentogeneratetherestingconformation.CurrentOpinioninImmunology2021,21:84–91TAP1和TAP2〔抗原处理相关的转运蛋白，transporterassociatedwithantigenprocessing〕属于膜转运蛋白质，含有6-10个疏水性穿膜区，形成异源双聚体，可将抗原多肽从胞浆转运至内质网局部肿瘤细胞TAP1表达下降，TAP1基因导入治疗小细胞肺癌TAP1和TAP2基因突变可引起MHCI类分子缺陷，患者常患呼吸道细菌性感染而不是病毒感染LMP2和LMP7〔lowmolecularweightprotein〕蛋白酶体〔Proteasome〕的主要活性成分，可水解抗原分子，使其成为小分子多肽。钙连接蛋白〔Calnexin〕分子伴侣，在内质网与MHCI类分子结合，形成稳定复合物外源性抗原被内吞，在内体〔Endosome〕和溶酶体被变性、水解成多肽。MHCII类分子合成后与Ii分子形成3聚体，在内质体和溶酶体内被蛋白酶水解形成MHCII和CLIP复合物。HLA-DM催化CLIP从MHC解离，促进MHCII类分子与抗原多肽形成复合物。转运至细胞膜。MHCclassIIcompartment,MIIC〔MHCII类小室〕：一种富含MHCII类分子的溶酶体样细胞器SchematicrepresentationofMIICs.InprofessionalAPCs,bothmultivesicular(MVB)andmultilamellar(MLB)MIICshavebeendescribed.Theopen/emptyconformationofHLA-DR(red)hasonlybeenobservedintheMLBtype.HLA-DM(green)isexpressedinbothcompartments,albeitparticularlyabundantinMLB.ThecarboxyandaminoterminalsofinvariantchainsarestillevidentinMVBswhereasaremostlyprocessedinMLBs.Electrondensebodies(EDBs)arelysosomal-likeMIICs,andhavebeenobservedinhumanmonocytesandinGM-CSFdifferentiatedmonocytes.CurrentOpinioninImmunology2006,18:64–69Ii〔Invariantchain〕：非多态性的分子伴侣〔Chaperone〕，与MHCII类抗原形成复合物，参与MHCII类抗原的装配和转运。防止II类分子复合物到达内体前，肽与肽结合槽结合引导II类分子复合物进入内体抑制蛋白酶水解CLIP〔ClassIIassociatedIipeptide〕：Ii结合MHCII类抗原的活性片段。HLA-DM：低多态性的MHC样蛋白质，双体结构，能够催化CLIP分子与MHCII类分子解离，有利于抗原多肽与MHCII类分子形成复合物。非典型MHCII类分子位于内体/溶酶体HLA-DO：低多态性的MHC样蛋白质，双体结构，在B细胞中与HLA-DM形成复合物，参与催化CLIP分子与MHCII类分子解离PotentialmechanismsofcrosspresentationofMHCI.(a)Thevacuolarpathway.MHCclassImoleculessamplepeptidesthataregeneratedinphagosomesinaTAP-independentmanner.(b)Phagosome-to-cytosol-to-phagosomepathway.PhagosomesacquireMHCclassI,TAP,Sec61andotherERmoleculesthroughfusionwiththeER.Internalizedantigenisexported(possiblybySec61)tothecytosol,hydrolyzedbyproteasomesandtheresultingpeptidesarethenre-importedintophagosomesbyTAP,wheretheybindMHCclassImolecules.(c)Phagosome-to-cytosolpathway.Antigeninternalizedintophagosomesisexportedtothecytosol,hydrolyzedbyproteasomesandtheresultingpeptidesarethentransportedtoMHCclassImoleculesintheERbyTAP.(d)GAPjunctionpathway.APCsacquirepeptidesfromothercellsthroughGAPjunctions.(e)Endosome-to-ERpathway.AntigeninendosomesistransportedintotheERandthendegradedinthecytosolbytheERassociateddegradationpathway(ERAD).TheresultingpeptidesaretransportedtoclassImoleculesintheERbyTAP.CurrentOpinioninImmunology2006,18:85–91ArmedeffectorCD8+TcellsinstructedbyDCsthroughcross-primingkillviralinfectedcellsintheperiphery.CurrentOpinioninImmunology2021,22:94–108MHCII类分子处理及呈递抗原的可能途径。(a)经典的内吞途径(b)通过微自噬处理胞浆可溶性组分(c)通过大自噬处理胞质组分(d)通过分子伴侣介导的自噬处理胞内组分AutophagyassistsantigenprocessingonMHCclassIandclassIImolecules.(a)MacroautophagydeliverscytosolicantigenstoMHCclassIIloadingcompartments(MIIC)forlysosomaldegradationandpresentationtoCD4+Tcells.(b)Chaperone-mediatedautophagymightdelivercytosolicantigensdirectlyintoMIICsforloadingandpresentationonMHCclassIImolecules.(c)Macroautophagyassistsendosomefusionwithlysosomes,possiblyviarecruitingautophagosomestoendosomes.Thisdeliversendosomalcargomoreefficientlyforlysosomaldegradation,possiblyenhancingMHCclassIIpresentation.(d)Theremightbealsoapathway,bywhichantigencanleaveautophagosomesforproteasomaldegradationinthecytosol,followedbyloadingandpresentationonMHCclassImolecules.(e)MacroautophagyseemsrequiredintheantigendonorcellforefficientcrosspresentationonMHCclassImolecules,possiblybyassistingexosomegenerationafterautophagicdeliveryofantigenstomultivesicularbodies(MVB)CurrentOpinioninImmunology2021,22:89–93.介导T细胞在胸腺的分化阳性选择胸腺深皮质区双阳性细胞胸腺皮质上皮细胞与上皮细胞外表MHC-肽有效结合的双阳性细胞继续发育为单阳性细胞：CD4+或CD8+未与上皮细胞外表MHC-肽有效结合的双阳性细胞发生程序性细胞死亡〔大局部〕阳