主要组织相容性复合物.docx

1、主要组织相容性复合物第六章 主要组织相容性复合物 主要组织相容性复合物(major histocompatibility complex，MHC)是表达于脊推动物有核细胞表面的一类具有高度多态性、含有多个基因座位，并紧密连锁的基因群。这些基因表达的蛋白就是主要组织相容性抗原。MHC最初是从小鼠中发现的，1948年George snell等在用经典遗传学方法分析肿瘤和其他组织移植引起的排斥现象时发现，机体识别某一移植物是自身的还是非自身的现象是有其遗传基础的。让同一代小鼠自交，可以得到纯系(inbred strain)，在大约20代以后，每一个个体的染色体的等位基因(allele)都相同，即纯合

2、子(homozygous)。每一自交品系只表达亲代群体中的一类等位基因，不同的自交品系表达不同类的等位基因，即不同自交系个体之间是同种异型(allotype)。George snell发现自身或同自交系中的个体间进行皮肤移植，不出现排斥(rejection)现象，称为自体移植(autograft)或同系移植(syngraft)。当不同的自交系个体之间进行皮肤移植，即同种异型移植(allograft)，则出现排斥现象。负责识别某一组织是同源的并予以接受，是外来的则加以排斥的基因被称为组织相容性抗原基因，表达这些抗原的基因就是组织相容性复合物。George Snell等鉴定出小鼠的一个遗传区域能导

3、致快速排斥，是编码一种称为多态性血型抗原的基因，也被称作主要组织相容性2基因，简称H2。后来Dausset于1958年在人的白细胞上发现了与小鼠H2具有同样功能的人类白细胞抗原(human leukocyte antigen，HLA)。George Snell和Dausset因而于1980年获得诺贝尔奖。研究表明脊椎动物都具有主要组织相容性复合物，但各种动物的MHC名称都不一样，表61列出了一些常见动物MHC的名称。MHC最初是因免疫移植排斥现象而被发现，但是它对免疫应答所起的重要作用是在研究小鼠和豚鼠对合成的多肽抗原免疫应答强度影响时发现的。进一步研究表明，MHC在抗原递呈和免疫应答调控方面

4、具有极为重要的功能。由于群体中不同个体之间MHC存在高度多态性不同个体对抗原的免疫应答强度和能力也存在一定的差异，因而在对疾病的易感性(susceptibility)和抗性也有所不同。MHC被认为是一组重要的免疫应答基因(immue responsegene)。由于MHC具有高度多态性特点近年来的研究显示MHC定型及多态性分析与器官移植配型及移植成功率合关。MHC又是法医个体识别的重要标志。MHC具有重要抗原递呈功能，对抗原信号的传递具有定的选择性，由于不同人群的MHC多态性差异，也就构成对不同疾病易感性和抗性的差异。本章着重介绍MHC的结构与功能及其遗传规律，以及在免疫应答方面的重要作用。第

5、一节 主要组织相容性抗原的结构与功能 主要组织相容性抗原是指出MHC编码的一类膜蛋白分子，在蛋白质抗原信号传递中起重要作用。MHC分子的功能研究对其空间结构的阐明起到了提示和指导作用。Don wiley实验室通过对MHC分子以木瓜蛋白酶剪切得到了细胞外部分的晶体，并进行了X射线晶体学结构研究分析，使我们对MHC分子功能的结构基础有了较清楚的认识。由于MHC分子结构和功能的不同又分为MHC类分子(MHC class )和MHC类分子(MHC class )两类。MHC类分子表达于所有有核的细胞表面，而MHC类分子仅表达于部分细胞表面，如抗原递呈细胞(antigen presenting cell

6、l，APC)、B细胞、活化的T细胞及部分内皮细胞等。两类MHC分子结构不同，其抗原递呈功能也明显不同，表现为抗原的选择性和所递呈的细胞的选择性差异以及免疫应答效应的差异。本节将着重介绍MHC分子的结构和功能。一、第一类主要组织相容性抗原（MHC）分子1MHCI类分子的基本结构 完整的MHCI类分子含有两条多肽链：一条是链，又称重链，人的HLA类分子的链相对分子质量约4.4l04(小鼠约4.7 104)，另一条称链，又称2微球蛋白(2 Microglobulin，2m)，相对分子质量约1.2l04是由非 MHC基因编码。HLAI类分子链有 一个N寡糖基连接位点，而小鼠有2个。链有5个主要的结构域

7、(domain)，即1(N端)、2、3、跨膜区及胞质区(C端)，总长约367个氨基酸残基左右。其中1、2、3各含约90个氨基酸残基，跨膜区约25个残基，胞质区约30个残基。在3与跨膜区之间含有木瓜蛋白酶剪切位点。Don Wiley等使用木瓜蛋白酶剪切HLA类抗原A2分子得到细胞外部分的分子结晶，并用于X射线衍射晶象分析得到MHC分子构象图(图61)。1、2形成与抗原肽结合的区域，2和3分别形成63和约90个残基的二硫键连接的环。由于3和2m与免疫球蛋白恒定区氨基酸顺序同源，所以共同构成Ig样区(immunoglobulin like domain)(图62)。与该区域以非共价键（次级键）相联系

8、的2微球蛋白（2m）约100个氨基酸残基，对稳定HL以分子空间构象有重要意义。在胞质区近羧基端含有潜在的磷酸化位点，这与细胞内信号传递有关。2MHCI类分子的空间结构与功能1和2区共同形成了一个寡肽抗原结合槽。结合槽的底部由8条反向平行的片层(pleated sheet)结构支撑着两条平行的螺旋链(helix)。其中4条片层和1条螺旋结构由1区肽链形成，另4条片层和1条螺旋结构由2区肽链构成，形成的结合槽的裂隙(cleft)大小约为2510 11埃，可以结合911个氨基酸残基的肽段。这个结合槽很小，所以外来的蛋白质抗原必需经过剪切加工成911肽才能与MHC分子结站合，进而递呈给T细胞而被识别。

9、抗原肽与MHC类分子结合后形成持殊的空间结构和表位(epitope)被T细胞受体(T cell receptor，TCR)识别并与之结合。抗原的肽表位为TCR的和链第三个互补决定区(complementarity determining region)CDR3所识别。和链的CDR3区最为多样性而MHC类分子肽结合槽两边的螺旋则与T细胞受体的CDR1和CDR2结合。3的Ig样区与细胞毒T细胞或称杀伤性T细胞(cytolytic T lymphocyte，CTL)的TCR的共受体(Coreceptor)CD8结合。这与MHCI类分子参与肽抗原介导的对靶细胞裂解杀伤作用相关(图63)。2m与1、2及

10、3区相互作用，对维持MHCI类分子膜外正常的空间构象具有重要作用。2m分子不是由MHC基因编码的。人的2m基因定位于15q2122，小鼠在第2号染色体上。2m全长约含99个氨基酸残基，含一个链内二硫键由第25和80位的两个半胱氨酸构成。氨基酸序列30以上与Ig的恒定区相似，所以也是免疫球蛋白超家族(Ig，superfamily)成员之一。由于2m分子较小，血清蛋白电泳位置处于2区，故得名。当肾在重吸收功能下降时(如肾炎、肾移植等肾功能损害时)，尿中可检测到2m。在链的跨膜区由约25个疏水氨基酸残基构成而在胞质区近羧基端有许多磷酸化位点如果去掉羧基端的这一部分，则会抑制MHCI类分子的内部化，说

11、明羧端还与MHCI分子胞内流动有关。 二、第二类主要组织相容性抗原(MHC)分子 1MHC类分子的基本结构MHC类分子是由两条非共价键相联的多肽链构成的：一条链长约230个氨基酸残基左右，另一条链长度也在230个氨基酸残基左右。两条链结构非常相似(图64)。链相对分子质量约为32l0434104，链相对分子质量约为29l0432104，链较链重，主要由于链有两个N连接的糖基化基团，而链仅有一个。每条链都分4个区，如链由al、2、跨膜区和胞质区构成。链则由1、2、跨膜区和胞质区构成。1、2、1及2区各由约90个氨基酸残基构成，其中1、2、2各含有一个链内二硫键。 MHC类分子的l和1区共同构成与

12、抗原肽结合的结构域(peptidebinding domain)，与MHCI类分子的1、2区构成的肽结合区很相似，但类分子是由两条链构成(图64)。 2MHC类分子的空间结构与功能1993年，Browm等对MHC类分子HLADRl用木瓜蛋白酶水解的膜外片段进行X射线衍射晶象分析得知空间构象与I类分子基本相似。抗原肽结合槽底部分别由1及1提供的8条反向平行的折叠构成。两边分别由l和1构成螺旋，但类分子的抗原肽结合槽两端是开放的，因此可以与较长的抗原肽结合。1030个氨基酸残基以上的肽段可以突出到结合槽以外。MHC类分子结合抗原肽后，其肽表位与T细胞受体的CDR3结合，而类分子肽结合槽两边的螺旋则

13、分别与TCR的CDRl和CDR2结合，形成MHC对T细胞的约束(restriction)。2和2区序列较为保守，与Ig恒定区同源，称Ig样区。类分子的该区域与T细胞表面的CD4分子结合。CD4是TCR的共受体是辅助性T细胞(Th)特征性表面标记分子。因此MHC类分子具有与辅助性T细胞结合及抗原信号传递的限制性。MHC分子这些不同的特异性识别是发挥免疫功能的分子基础。 三、肽与MHC分子结合的结构基础肽与MHC分子是非共价键结合，两者相互作用的解离常数Kd约为106mol1，是可达到饱和的，结合速度慢解离速度更慢。肽和MHC之间的亲和力较抗原与抗体之间的亲和力低得多。抗原与抗体相互作用的解离常数

14、Kd为1071011molL，肽与MHC类分子达到饱和结合需1530min。一旦结合，二者可保持结合状态几小时，甚至几周时间。MHCI类分子与肽的解离速度很慢，有时甚至需要破坏2m与链的联系才能将肽分开。这种相对稳定的构象进一步保证了与T细胞的相互作用。每一个MHC分子在同一时间里只能与一个肽结合，多种不同的肽可以与同样的MHC分子结合。某一种肽与MHC复合物被T细胞识别的功能可因加入另一种结构相似的肽面板抑制。T细胞识别肽MHC复合物是高度特异的。不同肽与同一种MHC结合就可以形成不同的表位，可与不同的T细胞结合。因而能够识别这些抗原表位的T细胞受体也有多种多样，每种TCR只识别某种特定的与

15、MHC结合的抗原肽。抗原的种类成千上万，也决定了体内TCR及其相伴随的T细胞克隆也有成千上万种。这就构成了在同一个体内，不同细胞之间的基因及其表型的高度多样性(diversity)。 MHC分子结合的肽通常为9ll氨基酸，而MHC类分子结合的肽为1030氨基酸甚至更长，并不影响其抗原递呈效果。经过对不同类MHC分子结合槽中的肽以酸洗脱，以HPLC(高效液相层析)分离纯化，并进行肽序列分析。结果发现它们有些共同的结构特征，如与MHC分子结合的肽段内，某个位点和羧基端常有相同(或性质相似)的残基(图65)。这些残基是肽与某种MHC分子相生作用的“锚定残基”(anchor residues)。MHC

16、分子近氨基端与肽结合的结构域中，序列的差异导致了对抗原肽结合的特异性也有所不同。 MHC序列的差异也就是构成MHC分子多态性的分子基础。MHC分子的多态性不仅影响与肽结合的特异性，也影响肽MHC复合物与T细胞结合的特异性。MHC的主要功能将抗原肽递呈纪T细胞受体，在免疫应答中起关键性作用。具体的有关这些信号传递及其产生效应时的过程将在第八章章讨论。第二节 主要组织相容性抗原基因结构及遗传根据MHC分于结构可以将MHC分子分为I类、类和类，每一类分子都有多个不同基因座位的基因编码，它们结构不同但功能有相似之处。如人的类分子有A、B、C几个主要基因座位，类分子有DR、DQ、DP等主要几个基因座位。

17、在每一个人每个基因座 许多等位基因片段即复等位基因，由两条同源染色体决定。MHC基因在人体细胞中呈共显性表达，而且不同座位的基因也可同时在一个细胞中表达。由于是复等位基因共显性表达，所以在同个体细胞表面可存在多种不问的MHC分子。 一、MHC的遗传及多态性 1单元型 在每一个个体、每一个基因座位上都有两种可能的基因型和表型，当然可以是相同的，也可以是不同的。由于MHC基因位于同条染色体上，其多基因座位上的基因型组合相对稳定，很少发生同源染色体间交换，这就构成了以单元型(haplotype，也称单倍型)为特征的遗传。同一条染色体上紧密连锁的系列等位基因的特殊组合，称为单元型。例如某一个体HLA两

18、条染色体的单元型可能是A2B12和A1 B8，这两个单元型基因存在于同一个体的体细胞中。共同组成该个体的基因型(genotype)。由于HLA是共显性发达，所以个体的表型(phenotype)和基因型相同，也为A1A12B8B12。 2连锁不平衡及单元型遗传 HLA各基因并非完全随机地组成单元型，某些基因常紧密的连锁在一起、而另一些则不常连锁在起，这就呈现出连锁不平衡(linkage diaequilibrium)。例如：在汉族人群中HLA-A2的基因频率为0.30，B46的基因频率为0.05，如果A、B基因座位上的基因随机组合，则A2和B46基因组成的单元型预期频率应该符合HardyWein

19、berg平衡定律。A2B46单元型理论上频率应该为0.300.05=0.015，但是实际观察值为004。这说明HLAA2和HLAB46基因之间存在着连锁不平衡，两个数值相差0.040.0150.025。这个0.025数值被称为连锁不平衡参数，用表示。对于一个随机婚配的群体来说，认识和了解连锁不平衡参数，具有一定的实际应用价值。在选择器官移植供体时可对单元型进行推算。如已知DR基因型则根据单元型连锁关系可以推测DQ的可能型别。这些紧密连锁的MHC单元型各基因通常很少发生交换，并成簇地传递给下一代，形成了以单元型为特征的遗传。 3基因的多态性 MHC是目前发现的最具多态性的紧密连锁的基因群，存在于

20、所有脊椎动物的基因组。MHC编码的分子主要分为3类，即类分子，类分子和类分子。每一类基因都有许多基因座位。如人的HLAI类基因就有A、B、C、D、F、G、H等基因座位。类基因至少有14个基因座位，主要基因座位有DR、DQ、DP等，每个座位又有许多等位基因，如人类仅A座位就已经发现至少有55个等位基因。这仅是对人类部分群体的初步调查分析结果。人群中基因虽具有高度多态性，但每个人对每个基因座位上最多取用两种等位基因。这两个等位基因可能相同也可能不同。由干基因座位较多，而每一种基因座位又有多种取用的可能性，因此这种多座位及其不同等位基因的组合，可以形成群体中数以百万计的基因型和表型。不同的个体，我们

21、甚至存几万个个体中找不到一对HLA基因型和表型完全相同的人。这种高度多态性的基因群的形成是也长期进化过程中基因突变和环境中多样性抗原的选择压力(selective pressure)下形成的。已经发现人的HLA的某些基因型与一些疾病易感性有关，而另一些基因型与某些疾病的抗性有关。例如：HLA类的DRB10401基因与类风湿关节炎易感性成正相关，该基因携带者明显易患类风湿性关节炎，但是DRB10401基因携带者却对该病有抗性。由于MHC分子是抗原递呈和免疫应答中的重要分子，环境致病因子抗原的高度多样性及其区域分布的差异性对脊椎动物群体MHC形成了选择压力，从而产生高度多态性，因此也形成了对环境的

22、多种适应性。这对群体进化中种的保存具有重要意义。二、小鼠MHC(H2)基因结构小鼠是常用的实验动物，所有我们应该对小鼠的MHC（即H2）结构有一定了解。1948年，George Snell 首先把小鼠与组织移植排斥有关的抗原命名为组织相容性抗原，编码这些抗原的基因称为组织相容性基因（histocompatibility gene），即H基因。由于在先前的研究中发现小鼠血型抗原主要有、型，而型被证实就是组织相容型抗原，其基因就是H2。后来George Snell 通过进一步研究确定H2基因与已知的位于第17号染色体断臂上控制鼠尾的T1基因连锁（T为有尾，t为无尾）。证明H2基因定位于17号染色体

23、断臂上，约2000kb长，由4个主要区域组成，即K、I、S、D（图66）。其中I区又可分为两个亚区（subregion），即I-A和I-B。在每个区或亚区内又有许多基因座位（locus）。D区有H2D和H2L两个基因座位。IA亚区有A和A两个基因座位。IE亚区含E和E两个基因座位。S区有6个基因座位。从基因类别来说，K和D为MHC类基因，I区为类基因，S区为类基因，主要编码补体，C4、C2、B因子（Bf），性限制蛋白（Slp）、肿瘤坏死因子（TNF）等。H2单元型（H2 haplotype）纯种小鼠是研究MHC的重要动物模型。一个大约经过20代近亲交配繁殖的小鼠，其中H2符合物各等位基因连锁在

24、一起。这些连锁的H2各等位基因共同构成小鼠的H2单元型。单元型位于一条染色体上，并给予一个代号，例如：C57bI/10小鼠的单元型是H2b，BALB/C鼠的单元型是H2d（表62）。了解单元型对研究MHC的结构和功能很有帮助。 小鼠的MHC长度约0.51.0厘摩(centimorgan，cM)。不同基因型可出现重组。这种重组交换(crossover)可以发生在染色体任何位置。可以用不同单元型的鼠之间交配繁殖，以分析其重组交换值。MHC各基因座位之间重组可能产生新的单元型。 三、人的MHC（HLA）基因结构 人的MHC又称HLA基因，位于第六号染色体短臂上，长约4000kb(相当于大肠杆菌整个基

25、因组的长度)。在经典遗传学中，这么长的基因片段相当于4cM，这意味着个体MHC之间的杂交有4以上的重组率。HLA基因有几十个基因座位(图67)。按结构功能和组织分布情况不同分为3类： 1HLAI类基因 在远离着丝点约20004000kb的范围内，经典的类分子基因有A、B、C基因座位，每个基因座位又有几十个以上的等位基因，见表63和图68。在J类区还发现E、F、G、H、J等基因座位，称为I类样基因(class like genes)：它们编码MHCI B分子，这些分子也是可以与2m微球蛋白结合的膜蛋白，确切的功能尚在研究之中。 2HLA类基因 在近着丝点的1000kb范围内，经典类分子主要有DQ

26、、DR、DP等基因座位。由于类分子是由两条链(、链)编码。每条链又有多个基因座位，如：DPA编码DP分子链，有DPAl和DPA2。DPB编码DP分子链，又有DPBl和DPB2。这些基因每个座位又可能有许多等位基因(表63)。 HLA类分子由链和链组成的异二聚体。链基因有4个外显子构成，链基因由6个外显子构成。 HLA类基因具有高度多态性(图68)，这些多态性的产生主要由第二个外显子编码的(1或1区)氨基酸序列差异性所决定的。3HLA类基因区的LMP和TAP基因 值得重视的是近年来在类基因区域内发现了多个与内源性抗原加工处理和递呈有关的基因。如：抗原肽运载体基因(transporters of

27、antigen peptides，TAP)和蛋白酶体(proteasome)基因，即巨大多功能蛋白酶（large multifunctional proteinase，LMP）或称为低相对分子质量多肽(low molecular mass polypeptide)基因。它们的表达与类基因同受干扰素的调控，且与内源性抗原加工和递呈有关。由于内源性抗原主要由I类基因递呈的，因而说明这些蛋白的功能与I和类基因都高度相关。 LMP是胞质非糖基化蛋白，相对分子质量很大，为58105组成的一个形似长筒状的复合物。每条多肽链(亚基)相对分子质量约为2.01043.5l04，是真核细胞中普遍存在的蛋白酶体。这

28、种蛋白酶体有非溶酶体降解蛋白作用，也称多催化活性蛋白酶复合物。它是一巨大胞内的蛋白酶，是由MHC类区LMP2和LMP7基因编码的。LMP2基因的开放阅读框编码一个长219氨基酸残基的蛋白产物。LMP7编码的蛋白质有208个残基。内源性抗原指胞质内合成的蛋白抗原、经过LMP降解成肽段(通常为811肽)后，不具有信号肽(signal peptide)结构。这种肽段要进入内质网与新合成MHCI类分子结合需要在TAP的帮助下才能完成。 MHCI类分子只有与抗原肽结合后才能表达于细胞表面，将抗原肽递呈给Tc淋巴细胞，诱发特异性免疫应答。有一种TAP基因突变的B细胞瘤的细胞株，其表面则不能表达MHCI类分

29、子。而TAP属于ABC(TAPbindingcassette)超基因家族成员、TAP是位于内质网上的膜蛋白。它以TAPl和TAP2异二聚体形式发挥作用。目前已确认的TAP1至少有5种基因型，TAP2至少有4种基因型。因此TAP至少有20种表型。TAP的mRNA长约28kb，TAP1约807个氨基酸残基，TAP2则有长链(L)型(约703个残基)和短链(S)型(686个残基)两类。不同的TAP表型对同一种抗原肽的亲和力可能不一样，并表现出对不同抗原免疫应答强弱的差异。 4HLA类基因 在第六号染色体近着丝点10002000kb范围内，位于I类基因和类基因之间。该区域内发现有基因座位60多个，部分

30、基因功能已经清楚，但仍有相当部分在研究之中。已发现的基因有补体C2、C4、Bf(见第四章)、肿瘤坏死因子基因(TNF)、淋巴毒素(LT)、21羟化酶(21hydroxylaseA、B)基因和热体克蛋白70基因(heat shock protein70，HSP70)。就目前研究结果看，类区基因在免疫应答和调控中也起着相当重要的作用，值得深入研究。 四、HLA的发现及基因的命名 1958年JDausset在多次输过血病人体内检出含白细胞抗体的血清。他所试的27份这种血清样本中行20份样本几乎能与所有的供血者的白细胞发生凝集反应，另外7份样本只能与大约60的法国人的白细胞反应，而不能与这7位病人自身

31、的白细胞起凝集反应。他把这7份血清中的抗体称为Mac抗体。当Mac抗原阴性的病人接受Mac抗原输血后便诱发产生抗Mac抗体。家系调查中表明Mac抗原酌遗传遵守孟德尔定律。这就是首次发现人的白细胞抗原，后来命名为HLAA2抗原。1964年友Amos倡导下，举行了第一届国际组织相容性专题讨论会(International Histocompatibility Workshop&conference，IHWC)。在1968年第三届IHWA后，在世界卫生组织（WHO）的支持下，成立了 HLA命名委员会。对HLA特异性命名，通常在基因座位后加上数字，数字代表不同等位甚因，如：HLAA2，HLAA11，HLAB27，H LADR4等。HLA的定型以往主要有血清学和细胞学方法。有些座位所用的定型方法很局限，且仅在小范围内异体等位基因抗血清定型发现的，这些仍需要进一步鉴定，则常在座位名后加一个小写w(workshop)，如：Cw2、Bw6，DPw3等。命名委员会的任务是根据HLA研究的不断进展，确定新发现的座位和等位基因命名，并修订和补充原来的命名。1991年第十一届国际HLA专题讨论会，第一次引用了DNA分型，如：聚合