抗原呈递与MHC复合物

• MHC分子是位于 6 号染色体上的一大簇基因编码的糖蛋白。首次被发现是因为其对移植组织的免疫反应有强大的影响。

  因此，该基因复合体被称为“主要组织相容性复合体(major histocompatibility complex)”。MHC 基因（在小鼠中称为 H-2 复合体）于 1937 年首次被发现是小鼠移植的障碍。

• 在人类中，这些基因通常被称为人类白细胞抗原（HLA，human leukocyte antigens），因为它们最初是通过不同个体白细胞之间的抗原差异而发现的。

• MHC 位于人类 6p21.31 染色体短臂和小鼠 17 染色体短臂上的区域。在人类中，它包含 200 多个基因（图 1）。

图 1. MHC 区域的遗传图谱。

• MHC 主要功能是向 T 细胞呈递抗原，以区分自身（本体的细胞和组织）和非自身（入侵或改良的自身组织和细胞）。

• MHC 的两个主要特征使得病原体难以逃避免疫反应：

• 首先，MHC 是多基因的。它包含几种不同的 MHC-I 和 MHC-II 基因，因此每个人都拥有一组具有不同范围的肽结合特异性的 MHC 分子。

• 其次，MHC 具有极强的多态性。MHC 基因在人类基因组中表现出最高程度的多态性。整个种群中每个基因都有多种变体。个体从父母那里遗传的不同变体称为等位基因。

• 多态性位点主要位于 MHC-I 和 MHC-II 分子的特定区域（称为结构域，domains）。

• 虽然每个 HLA 分子的氨基酸序列略有不同，导致肽结合间隙的三维结构略有改变，但 MHC-I 和 MHC-II 分子的基本结构非常相似。

• 图 2 显示了两类之间的结构相似性，尽管 I 类和 II 类之间的肽结合和在结合裂隙中呈现的方式不同:

图 2. MHC-I 和 MHC-II 分子具有非常相似的结构。在每种情况下，都会形成一个裂缝或凹槽来容纳肽。凹槽的电荷特性决定了哪些肽可以被呈递。 

• 凹槽的电荷特性决定了哪些肽可以被呈递。由于不同的抗原肽具有不同的形状和电荷特性，因此人类群体总体上具有大量不同的 HLA 分子，每个分子都有不同形状的肽结合区域（裂缝），以应对所呈递的大量自身和非自身肽段。

 

1. MHC结构和功能

• MHC 有三个基因区域：MHC-I、MHC-II 和 MHC-III（图 1）。

• 各区域编码的经典HLA抗原包括MHC-I区的HLA-A、-B、-C，以及MHC-II区的HLA-DR、-DQ、-DP。

• MHC-III 区包括参与补体级联的几个基因 (C4A、C4B、C2 和 FB)、TNF-a 和 TNF-b (LTa) 基因、编码类固醇代谢酶的 CYP21 基因、编码分子伴侣的 HSP70 基因，以及许多其他免疫功能未知的基因。

• 一般来说，当我们提到 MHC 时，我们指的是 MHC-I 或 MHC-II 分子。

• 图 3 显示了负责 MHC-I 和 MHC-II 合成的染色体位置和基因位点的示意图。

图 3. 负责 MHC-I 和 MHC-II 合成的染色体位置和基因位点的示意图。

• MHC-I 分子由两条多肽链组成，一条较大的 a 链由 MHC 区域的 6 号染色体编码，一条较小的 b2 微球蛋白由 15 号染色体编码（图 2 和 3）。

• I 类 a 链由单个多肽组成，该多肽由三个胞外结构域（分别名为 a₁、 a₂和 a_3）、一个将其锚定在质膜上的跨膜区和一个短的胞质内尾组成（图 2）。

• b₂ 微球蛋白由非共价结合到 α 链的单个非多态性分子组成，编码在 15 号染色体上（图 2 和图 3）。a_1 和a₂结构域折叠在一起形成一个单一结构，该结构由两个分段的 a 螺旋组成，位于八条反向平行的 b 链上。

• _a1和_a2结构域的折叠产生了一个长裂缝或凹槽，这是肽抗原与 MHC-I 分子结合并呈递给CD8 淋巴细胞的位点。

• MHC-II 分子由两条多肽链 a 和 b 组成，两条多肽链均在 6 号染色体的 MHC-II 区域编码，并以非共价方式相互连接（图 2 和图 3）。

• a 链和 b 链各由两个胞外结构域组成，分别称为 a₁和 a₂以及 b₁和 b₂，与 MHC-I a 链类似，MHC-II 分子的 a 链和 b 链也由跨膜片段和胞质尾组成（图 2）。

• 细胞外膜近端a₂ 和b₂结构域与免疫球蛋白恒定结构域同源。

• MHC-II 分子的晶体结构显示，它的折叠方式与 MHC-I 分子非常相似（图 4）。

图 4. HLA-DQ 分子的结构。流感病毒核蛋白肽 (KTGGPIYKR) 与 HLA-A*6801 结合，显示 Thr (T) 和 Arg (R) 插入 HLA 分子的特异性口袋中。三种人类组织相容性抗原的 P2 特异性口袋比较：HLA-A*6801、HLA-A*0201 和 HLA-B*2705。

• 两种 MHC 类分子之间的主要差异在于其肽结合裂隙的末端，与 MHC-I 分子相比，MHC-II 分子的裂隙更开放。MHC-II 分子裂隙由 a ₁和 b ₁结构域之间的非共价结合构成，并通过多个范德华力和氢键与肽结合（图 5）。

图 5. 肽被固定在 MHC-II 凹槽内的示例。肽与凹槽的配合非常特殊。MHC-II 分子裂口由 a1 和 b1 结构域之间的非共价结合组成，它们通过多个范德华力和氢键与肽结合。a1 和 b1 结构域显示位于一张八条反向平行的 b 链上。a1 和 b1 结构域的折叠产生了一个长裂缝或凹槽，这是肽抗原与 MHC-II 分子结合并呈递给 CD4+ 淋巴细胞的位置。

• 这种差异的主要结果是与 MHC-I 分子结合的肽的末端埋在分子内，而与 MHC-II 分子结合的肽的末端则不然。

• 这种差异使得 MHC-II 分子可以结合的肽的长度和类型具有更大的灵活性。与特定 II 类分子结合的肽将具有相同的中间锚定残基，但其他残基的长度和序列可能会有所不同。

2. MHC 分子的表达

• MHC- I 蛋白在所有有核细胞中表达，而 MHC- II 分子则仅限于抗原呈递细胞 (APC)

• 淋巴细胞、巨噬细胞、树突状细胞、朗格兰细胞和一些内皮细胞是表达 MHC-II 的主要细胞。

• 无核细胞（例如哺乳动物红细胞）表达很少或不表达 MHC-I，因此红细胞内的病原体无法被细胞毒性 T 细胞检测到，例如疟疾。

• MHC-I 和 MHC-II 分子的表达均受细胞因子调控。

• INF-y 可增加 MHC-I 或 MHC-II 分子的表达，并可诱导某些通常不表达 MHC-II 分子的细胞类型表达 MHC-II 分子。这对正常免疫功能和自身免疫都非常重要。

• MHC分子表达水平在T细胞活化中起重要作用，因此表达水平的差异很大。

• 表 1 显示了 MHC-I 和 MHC-II 分子之间主要差异的比较。

 

表 1. MHC-I 和 MHC-II 分子的特征




3. 抗原呈递

• T 细胞识别以短肽形式存在的外来抗原，这些短肽经过加工并显示在细胞表面，与 MHC-I 或 MHC-II 分子结合（图 5）。

• 抗原通常根据其来自（1）病毒、细胞内细菌或原生动物寄生虫（内源性病原体）；或（2）在细胞外复制的外源性病原体进行分类。

• 由于 MHC-I 表达普遍存在，因此任何有核细胞都会将细胞内抗原呈递给 T 细胞。

• 相反，外源性抗原由专职 APC 吸收，它们处理抗原并将其呈递给 MHC-II 分子。专职 APC（例如树突状细胞 (DC)）的一个重要功能是向 T 细胞传递第二个信号（共刺激），提醒其有感染存在。

图 6. MHC-I 和 MHC-II 分子的肽加载。图 A：显示通过内源性途径合成和肽加载 MHC-I。图 B：通过外源途径吸收蛋白质和 MHC-II 的肽加载。

• 内源性抗原，包括错误折叠的蛋白质和病原体衍生的肽，由蛋白酶体处理（图 6A）。

• 这种蛋白酶复合物通常产生具有疏水性羧基末端的 4 至 20 个氨基酸的肽。肽被胞浆蛋白酶修饰后，抗原肽通过与抗原加工相关的转运蛋白（TAP1 和 TAP2 分子）转移到内质网。

• 与此同时，内质网中正在合成新的MHC-I分子。

• 当它折叠时，它被钙联蛋白结合，然后被钙网蛋白和b₂。

• 新的 MHC-I 分子与 MHC-I 肽负载复合物结合。Tapasin 物理连接 MHC-I 分子和 TAP 转运蛋白。当肽从胞质中进入时，I 类分子的裂隙接收它，而肽结合的 MHC-I 分子从肽负载复合物中分离出来并被招募到细胞表面。

• 这种复杂的机制有几个质量控制步骤，因此无法正确组装的 MHC-I 分子会被降解。最终，MHC-I 分子上呈现的肽将刺激 CD8+ T 细胞反应（图 7）。

图 7. 内源性抗原通常呈递给 CD8+ T 细胞（左图），外源性抗原通常呈递给 CD4+ T 细胞（右图）。 

• 外源抗原的处理方式完全不同（图 6B）。

• 细菌蛋白质在内吞途径的酸性环境中被蛋白酶、组织蛋白酶和金属蛋白酶裂解。

• 与此同时，MHC-II分子在内质网中与另一种称为恒定链（li）的分子组装，新合成的分子穿过内质网和高尔基体。

• 载有 li 的 MHC-II-DM 复合物通过高尔基体进入晚期内体后，恒定链被酸性蛋白酶裂解，在 MHC-II 裂隙中留下称为 CLass II 相关恒定链肽 (CLIP) 的残留肽。

• CLIP 会封闭 MHC-II 裂隙并阻止肽加载，直到分子进入含有肽的溶酶体或晚期内体区室。

• 此时，HLA-DM 分子从裂隙中移除 CLIP，并在将肽装入裂隙时稳定分子。

• 在某些情况下，HLA-DO分子也可以促进这一过程。

• 完全组装和装载的 MHC-II 分子被募集到表面并主要刺激 CD4 阳性 T 细胞（图 6B 和图 7）。

 

4. HLA命名法

• HLA 命名法从最初的血清学名称发展而来。蛋白质的多态性最初由抗体反应模式定义。现代定义利用 DNA 序列来定义等位基因。当前的命名法是在 1987 年第十届国际组织相容性研讨会上推荐的，并于 1990 年进行了微小修改。

• 正常体细胞都是二倍体，因此个体的正常组织类型将涉及十二种 HLA 抗原（来自每个父母的三个 HLA I 类基因座 [A、B 和 C] 和来自每个父母的三个 HLA II 类基因座 [DR、DQ 和 DP]）。

• HLA-DM 和 HLA-DO 多态性不高，且无分型。这 12 种抗原为共显性遗传。

• 一个人的 MHC 表型描述了该人携带哪些等位基因，与遗传无关。例如，某人可能被归类为 HLA-A1、-A3；B7、B8；Cw2、Cw4；DR15、DR4、DQ3、DQ6、DP4、DP4。

• 单倍型(haplotype)是从父母一方遗传下来的一组 HLA 抗原。例如，上述 HLA 类型的人的母亲可能具有 HLA-A3、-A69；B7、B45；Cw4、Cw9；DR15、DR17、DQ6、DQ2、DP2、DP4。因此，A3、B7、Cw4、DR15、DQ6 和 DP4 都是从母亲遗传给上述孩子的。这组抗原是单倍型。

• 尽管每个表达位点的等位基因数量巨大，但在人群中观察到的单倍型数量远小于理论预期。这是因为某些等位基因倾向于在同一个单倍型上一起出现，而不是随机分离，这称为连锁不平衡。

 

5. 连锁不平衡

• 连锁不平衡是一种遗传现象，其中两个等位基因出现在一起的频率高于正常预期。

• 它是不同基因座等位基因之间的非随机关联。例如，如果 16% 的人口具有特定的 HLA-A 抗原 (A1)，而 10% 的人口具有特定的 HLA-B 抗原 (B8)，则在同一染色体上找到与 B8 遗传关联的 A1 的概率由它们的基因频率的乘积决定 (16% x 10% = 6%)。

• 实际上，这种情况并不总是发生。如果 A 和 B 特异性的某些组合是随机的，那么它们的发生频率会比预期的要高。在人类群体中，A1 和 B8 的组合频率为 8.8%，而预期频率为 1.6%。这种配对特异性被称为连锁不平衡(linkage disequilibrium)。

• 在高加索人种中，HLA-A1、B8、DR3（DRB1*0301）、DQ2（DQB1*0201）单倍型在人群中高度保守。

• 在 HLA II 类中，这种现象非常明显，以至于可以根据特定 HLA-DR 等位基因的存在来高度准确地预测 HLA-DQ 等位基因。HLA 等位基因在 6 号染色体上的排列顺序为 DP-DQ-DR-B-Cw-A。

• 物理上最接近的等位基因通常具有最高的连锁不平衡。某些单倍型可能在某种免疫学意义上具有优势，因此它们具有积极的选择优势。




6. HLA命名的规则

• 所有抗原或等位基因前都有前缀 HLA。

• 大写字母表示特定基因座（A、B、C 或 D）。区域 D 中的所有基因都以字母 D 为前缀，后接第二个字母，表示 D 的子区域（DR、DQ、DP、DM 或 DO）。

• 接下来确定特定 II 类肽链的编码位点（A1、A2、B1 和 B2）。希腊字母用于蛋白质名称，而拉丁大写字母用于基因/等位基因名称，即 DRp1 与 DRB1。

• 特定等位基因用“*”表示，后面跟着一个两位数字，表示最密切相关的血清学特异性，后面跟着一个两位数字，表示唯一等位基因。例如，血清学定义的 HLA-A2 特异性实际上包含 77 种不同的变异等位基因。这些等位基因现在被称为 HLA-A*02:01 至 *02:99。

• 一些等位基因具有第三个两位数（HLA-B*35：01：01 和 B*35：01：02），这表明两个变体因静默核苷酸替换而不同，但在氨基酸序列 6 上没有差异。










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References:

https://www.immunopaedia.org.za/immunology/basics/4-mhc-antigen-presentation/

https://www.geeksforgeeks.org/difference-between-mhc-class-1-and-mhc-class-2-proteins/