抗原肽与MHC分子相互作用的QSAR模型研究

医学免疫学第一章免疫学的基本容一、重点与难点提示：本章重点掌握免疫的含义、免疫的三大功能、免疫应答的类型及特点，免疫系统的组成及各自的功能。

二、基本概念及要点：掌握以下基本概念：1．免疫：是指机体识别和排除抗原性异物的功能，从而维持机体的生理平衡和稳定。

正常情况下，对机体是有利的；但在某些情况下，则对机体是有害的。

2．固有性免疫应答：固有性免疫（innate immunity），是机体在长期种系进化过程中形成的天然防御功能。

又称为天然免疫、先天性免疫或非特异性免疫（non-specific immunity）。

3．适应性免疫应答：适应性免疫（adaptive immunity）是指机体与抗原物质接触后获得的，具有针对性的免疫过程，故又称获得性免疫（acquired immunity）或特异性免疫（specific immunity）。

掌握以下要点：1．免疫的三大功能及其表现：（1）免疫防御（immunological defence）正常的免疫应答可阻止和清除入侵的病原体及其毒素等，即具有抗感染免疫的作用。

（2）免疫自稳（immunological homeostasis）指机体对自身成份的耐受、对自身衰老和损伤细胞的清除、阻止外来异物入侵并通过免疫调节达到维持机体环境稳定的功能。

（3）免疫监视（immunological surveillance）免疫系统可识别、杀伤并及时清除体突变的细胞，防止肿瘤的发生。

表1-1 免疫的功能与表现免疫功能正常表现（有利）异常表现（有害）免疫防御抵抗病原体的入侵及毒素作用超敏反应、免疫缺陷病免疫稳定对自身成分耐受、清除抗原异物免疫失调、自身免疫病免疫监视防止细胞癌变或持续性感染肿瘤或持续性病毒感染2．免疫应答的类型及特点：体有两种免疫应答类型：一是固有性免疫应答，又称为非特异性免疫；二是适应性免疫应答，又称为特异性免疫。

固有性免疫应答的特征是：（1）无特异性，作用广泛；（2）先天具备；（3）初次与抗原接触即能发挥效应，但无记忆性；（4）可稳定遗传；（5）同一物种的正常个体间差异不大。

初二生物MHC分子识别抗原 Peptide 初二生物 MHC 分子识别抗原 PeptideMHC（主要组织相容性复合体）分子是一类存在于人类和动物体内的重要蛋白质。

它们在免疫系统中起着关键的作用，帮助机体识别和抵抗外来抗原。

MHC分子的主要功能是与抗原肽结合并展示给免疫细胞，以引发免疫应答。

本文将介绍MHC分子的结构、功能以及它们与抗原肽的识别。

一、MHC分子的结构MHC分子主要包括两个类别：类I型和类II型。

类I型MHC分子广泛存在于几乎所有核细胞的细胞膜上，而类II型MHC分子主要存在于抗原提呈细胞表面。

类I型MHC分子由两个亚单位组成：α链和β2微球蛋白。

α链包含了两个外显区域：α1和α2。

α1结构域与抗原肽相互作用，而α2结构域与CD8细胞表面受体结合。

β2微球蛋白则与MHC分子的稳定性和表达有关。

类II型MHC分子由α链和β链组成。

类似于类I型MHC，α链包含了外显的α1和α2结构域，而β链则包含了外显的β1和β2结构域。

α和β链组成了一个抗原结合沟槽，这个沟槽可以与抗原肽结合。

二、MHC分子与抗原肽的识别MHC分子通过与抗原肽的结合来识别抗原。

抗原肽通常由细胞内的蛋白质降解产生，并被与MHC分子一起表达的抗原提呈细胞捕获。

随后，抗原肽与MHC分子的结合发生在细胞内产生的内质网或内泌系统中。

类I型MHC分子主要呈现内源性抗原肽，即来自细胞内的蛋白质降解产物。

这些蛋白质可能是病毒感染的结果，或者是细胞自身异常蛋白的产物，如肿瘤细胞。

一旦抗原肽与MHC-I分子结合，复合物将被转运到细胞膜表面，并呈现给CD8细胞，以引发细胞免疫应答。

与此不同，类II型MHC分子主要识别外源性抗原肽，即来自体外的抗原。

外源性抗原在抗原提呈细胞中被吞噬并降解为抗原肽，然后与MHC-II分子结合，并在细胞表面展示出来。

这些展示的抗原肽将激活CD4细胞，从而引发体液免疫应答。

三、MHC分子的多样性MHC分子具有显著的多样性。

免疫学结课论文MHCⅡ类分子表达调控与自身免疫性疾病姓名：学号：院系：班级：任课教师：二零一二年十二月MHCⅡ类分子表达调控与自身免疫性疾病摘要：MHC II类分子提呈经过加工的抗原给CD4 T淋巴细胞，在诱发免疫反应中起重要作用。

MHC II类分子不正常表达会引起严重的免疫缺陷疾病，如裸淋巴细胞综合征(BLS)等。

目前已识别出四种不同的MHC II调控基因。

这些基因分别编码RFXANK、RFX5、RFXAP和CIITA。

其中，前三个是RFX复合物的亚基，RFX是一种结合于所有MHC II类基因启动子上的泛式表达的因子。

CIITA是MHC II类分子表达的主要调控因子，其严密调控的表达模式决定了MHC II类分子表达的细胞特异性，及能否被诱导且在何种水平上表达。

自身免疫性疾病（autoimmune disease,AD）是指机体免疫系统对自身抗原发生免疫应答，产生自身抗体及自身致敏淋巴细胞，攻击自身靶抗原细胞和组织，使其产生病理改变和功能障碍而导致的疾病。

MHC II类分子在AD发病中有着重要的作用。

关键词：MHC II类分子；调控因子；CIITA；RFX复合物；AD主要组织相容性复合体(major histocompatibility complex，MHC)是一个高度多态性的基因群。

MHC基因产物根据结构和功能的不同分为两种类型：MHC I类和MHC II类分子。

MHC II类分子是呈现在免疫系统特定细胞表面的由α链和β链非共价键相连组成的一组高度多态性的跨膜糖蛋白[1]。

这些分子提呈经过加工的外来抗原给辅助性T细胞的抗原受体(TCR)，导致辅助性T细胞激活和分化，从而在诱发免疫应答中起重要的作用。

在一些病毒感染的疾病中，病毒的某些蛋白就是通过干扰MHC II的功能，影响了正常的免疫识别[2]。

在健康的机体当中，MHC II类分子存在两种表达模式：组成型表达和诱导型表达。

组成型表达一般只限定于免疫系统的一部分细胞中，主要包括源于骨髓的抗原呈递细胞（antigen presenting cells，APCs）即：树突细胞、B细胞、单核／巨噬细胞系细胞、胸腺上皮细胞和人类激活的T细胞。

MHC分子和抗原的识别及其与免疫反应的相关研究在人类免疫系统中，MHC分子和抗原的识别是一个非常重要的过程，这个过程涉及到人类对细菌、病毒及其他病原体的免疫反应。

因此，对于MHC分子和抗原的识别以及相关的研究至关重要。

MHC分子有两种类型，一种是I型MHC分子，另一种是II型MHC分子。

I 型MHC分子主要在细胞内表达，能够识别和呈现来自细胞内的抗原，并为CD8+ T细胞提供信号。

II型MHC分子则主要在免疫细胞上表达，如树突细胞、巨噬细胞和B细胞等，能够识别和呈现来自细胞外的抗原，并为CD4+ T细胞提供信号。

免疫系统的识别和响应过程是非常复杂的，其中MHC分子和抗原的识别是至关重要的环节。

当病原体侵入体内时，免疫细胞会摄取并分解病原体，将其抗原片段呈现在MHC分子的表面上。

然后，这些MHC-抗原复合物被呈现给CD4+和CD8+ T细胞，从而激发T细胞的免疫反应。

在免疫反应中，T细胞起着关键的作用。

CD4+ T细胞可以识别和响应来自细胞外的抗原，如细菌和病毒等，以及其他的非细胞内的蛋白质抗原。

当CD4+ T细胞受到抗原识别后，它们会分化为Th1、Th2、Th17等不同亚型，并分泌细胞因子来激活和调节免疫细胞的活性，如B细胞和巨噬细胞等，以及促进CD8+ T细胞的激活。

CD8+ T细胞则主要识别和响应来自细胞内的抗原，如病毒和癌细胞等，从而发挥杀伤和清除感染细胞的作用。

当CD8+ T细胞受到抗原识别后，它们会分化成CTL细胞，并释放细胞因子和细胞毒素，杀伤受感染的细胞，从而清除感染源。

随着对MHC分子和抗原识别机制的深入研究，人们对于免疫反应的理解逐渐加深。

目前已经发现了一些新的抗原呈递机制，如I型和II型哺乳动物非经典MHC分子的介导的抗原呈递、NKT细胞重氢原子与MHC-I-like/T细胞受体的介导的抗原识别、天然免疫识别受体等。

总的来说，MHC分子和抗原识别是免疫反应过程中重要的一个环节，也是目前生命科学领域最热门的研究方向之一。

抗原肽—MHC—TCR三元体—特异性免疫应答的分子基础周光炎
【期刊名称】《中国免疫学杂志》
【年(卷),期】1994(010)003
【总页数】3页(P191-192,F003)
【作者】周光炎
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】R392.11
【相关文献】
1.TCRαβ分子识别抗原肽-MHC复合物的争议问题探讨 [J], 沈晗;邵红伟;黄树林
2.抗原肽与MHC分子相互作用的QSAR模型研究 [J], 宋哲;刘涛;刘伟;朱鸣华;王晓钢
3.鸡恒定链协助抗原肽结合MHC Ⅱ类分子并进入细胞内吞体 [J], CHEN Fangfang;ZHANG Xu;TAN Hongli;GUI Yaping;YU Weiyi
4.MHC-抗原肽-TCR亲和力与T_H1/T_H2细胞分化 [J], 阎景波
5.人食管癌TE-1细胞MHC-Ⅰ相关抗原肽的初步研究 [J], 李纪明;祁元明;杨莹;常爱武;王桂叶
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摘 要主要组织相容性复合体二类（MHC II）分子在人体免疫系统中扮演着核心角色。

通过将与之绑定的亲和肽呈递给助手T细胞，MHC II分子能够激活人体对疾病的免疫反应。

因此，准确预测MHC II类亲和肽有助于深入理解免疫系统机制和促进精准医疗的发展。

特征提取是亲和肽预测的主要挑战。

本文以MHC II类亲和肽预测为研究目标，提出基于集成神经网络的新MHC II类亲和肽预测算法MHC2NNZ，该方法包含了两种新的特征提取方法。

在标准数据集上的性能测试表明本算法具有良好的性能。

本文的创新性工作具体如下：（一）提出一种新多肽两侧区域（PFR）特征提取方法。

新PFR特征提取方法采用z描述符物理化学特征提取PFR特征，形成了新的PFR表示方式。

之后，MHC2NNZ结合集成神经网络构建MHC II类亲和预测模型，识别未知亲和肽。

本文使用基准测试数据集IEDB SR对基于新PFR特征提取方法的MHC2NNZ进行测试，其在人体MHC II分子DQ（HLA DQ）取得了良好的预测效果，普遍好于所比较的经典算法。

实验结果表明，相比较于HLA DR分子和HLA DP分子而言，HLA DQ分子亲和肽的两侧区域在绑定过程所起到的作用更小。

（二）提出一种新锚点特征提取方法。

新锚点特征提取方法使用HQI物理化学特征用于绑定核心锚点位置的特征提取，形成了以物理化学特性为主体的特征提取方法。

之后，MHC2NNZ构建集成神经网络预测模型并在基准数据集IEDB SR进行了验证。

基于新锚点特征提取方法的MHC2NNZ在HLA DR分子和HLA DQ分子上的预测成绩普遍优于所有经典比较算法。

这种结果表明，在MHC II类亲和肽预测中，物理化学特征能在解决机器学习模型过拟合等问题上发挥更多作用。

关键词：主要组织相容性复合体，神经网络，MHC II类亲和肽预测ABSTRACTThe major histocompatibility complex II (MHC II) molecules play a central role in human immune system. By presenting the binding peptide to helper T cells, MHC II molecules trigger adaptive immune response to infections. Therefore, accurate prediction of MHC II binding peptides can help to understand the mechanism of immune systems and promote the development of precision medicine. Feature extraction is the major challenge for the binding peptide prediction. This paper focused on the binding peptide prediction and proposed a new MHC II binding peptide prediction method called MHC2NNZ based on integrated artificial neural networks. MHC2NNZ contained two new feature extraction methods. The experiments on benchmark dataset showed that our algorithm had good performance. The main innovations of this thesis was included:Firstly, we proposed a new method of peptide flanking regions (PFR) feature extraction. The new PFR feature extraction method applied z descriptors to extract features of PFR, thus a novel representation way of PFR was formed. Then, MHC2NNZ constructed the prediction model based on integrated artificial neural networks to recognize unknown binding peptides. In this paper, the benchmark dataset IEDB SR was used to evaluate MHC2NNZ based on the new PFR feature extraction method. This MHC2NNZ achieved good performance on human MHC II molecules DQ (HLA DQ) , which was generally better than the classical algorithms. The results of MHC2NNZ based on the new PFR feature extraction method demonstrated that the PFR contribute less to DQ molecules peptide binding compared to DR molecules and DP molecules.Secondly, we proposed a new method of anchor sites feature extraction. The new anchor sites feature extraction method used the physicochemical features of HQI to extract features of anchor sites of the peptide binding core, thus became the feature extraction way mainly based on physicochemical properties. Then,MHC2NNZ built integrated artificial neural network model and this model was evaluated on benchmark dataset IEDB SR. MHC2NNZ based on the new anchor sites feature extraction method outperformed than all classical algorithms on HLA DR molecules and HLA DQ molecules. The experimental results demonstrated that physicochemical properties can play more important roles in solving machine learning problems such as overfitting in MHC II binding peptides prediction.Keywords: major histocompatibility complex, ANN, epitope prediction目录摘要 (V)ABSTRACT ................................................................................................................. V I 目录. (VIII)第一章绪论 (1)1.1 课题背景和意义 (1)1.2 国内外研究概况 (3)1.3 MHC II类亲和肽预测的主要挑战 (6)1.4 本文的主要研究内容和创新点 (6)1.5 本文的组织结构 (7)1.6 本章小结 (8)第二章亲和肽预测的研究方法 (9)2.1 相关数据库 (9)2.2 多肽序列的表示方式 (9)2.3 生成模型算法 (10)2.4 绑定核心算法 (11)2.4.1 PSSM矩阵 (12)2.4.2 吉比斯采样算法 (13)2.4.3 蚁群算法 (14)2.5 机器学习算法 (15)2.5.1 聚类 (16)2.5.2 支持向量机 (17)2.5.3 人工神经网络 (18)2.5.4 集成学习 (20)2.6 本章小结 (22)第三章MHC II类亲和肽预测算法 (23)3.1 MHC II类亲和肽预测算法MHC2NNZ (23)3.1.1 MHC2NNZ算法整体流程 (23)3.1.2 绑定亲和度编码 (24)3.2 绑定核心的确定 (25)3.2.1 蒙特卡洛方法 (25)3.2.2 确定绑定核心 (26)3.3 多肽序列基本特征提取 (28)3.3.1 BLOSUM矩阵相关特征 (28)3.3.2 PSSM特征 (30)3.3.3 长度特征 (30)3.4 新PFR特征提取方法 (31)3.4.1 基本特征归一化 (31)3.4.2 z描述符特征 (32)3.4.3 MHC2NNZ(3)特征提取 (33)3.5 新锚点特征提取方法 (35)3.5.1 HQI特征 (35)3.5.2 其他特征 (38)3.5.3 MHC2NNZ(24)特征提取 (39)3.6 本章小结 (40)第四章基于MHCNNZ算法的亲和肽预测 (41)4.1 实验数据 (41)4.2 亲和肽预测实验 (42)4.2.1 绑定核心测定 (42)4.2.2 MHC2NNZ(3)特征提取结果 (42)4.2.3 MHC2NNZ(24)特征提取结果 (43)4.2.4 集成神经网络模型训练 (43)4.2.5 交叉验证 (43)4.3 预测结果比较分析 (44)4.3.1 评估指标 (44)4.3.2 算法结果比较分析 (45)4.4 本章小结 (49)第五章总结与展望 (50)5.1总结 (50)5.2未来展望 (51)参考文献 (52)作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文 (57)作者在攻读硕士学位期间所作的项目 (58)致 谢 (59)第一章 绪论1.1课题背景和意义时至今日，人类健康仍然面临着来自许多方面的威胁，如不断出现的新传染病，糖尿病和癌症等。

免疫学复习题解答1.免疫学发展史上的重大发现及其意义？免疫学发展经历的阶段：（一）经验免疫学时期（17世纪-19世纪） Jenner接种牛痘预防天花（二）经典免疫学时期（19世纪中叶—20世纪中叶）:1、1876年后，疫苗的发展和使用，预防多种传染病；2、1900年后,抗原抗体的相继发现，揭示出“抗原诱导抗体的产生”这一免疫学根本问题;3、1957年后，细胞免疫学兴起；4、1977年后，分子免疫学得到发（三）近代和现代免疫学时期（自20世纪中叶至今）进入后基因时代,从功能基因入手,研究免疫应答与分子耐受机制，及新型疫苗的设计研制.2.免疫学与生命科学其他学科的关系？免疫学的发展及向医学等个学科的渗透，产生了许多免疫学分支学科和交叉学科,如免疫理学、免疫遗传学、免疫药理学、免疫毒理学、神经免疫学、肿瘤免疫学、移植免疫学、临床免疫学等这些学科极大地促进了现代生物学和医学的发展。

免疫学的发展必将在恶性肿瘤的防治、器官移植、传染病的防治、免疫性疾病的防治、生殖的控制以及延缓衰老等方面推动医学的进步。

目前免疫学在医学研究中的应用有：疫苗的制备；基于免疫应答及免疫耐受的特异性为基础的特异性治疗方案；抗体cDNA表达文库、噬菌体显示文库及蛋白质组学的开发利用；免疫药物的开发等。

在生物学方面，免疫系统对自己与非己的识别、信息的传递、MHC基因、免疫球蛋白基因的遗传表达等方面的研究都大大丰富了分子生物学的研究内容，促进了对真核生物基因结构和表达调控模式的认识。

免疫学技术的发展，特别是抗体的应用给生物学科的发展带来了突破性的变革,如血清学法、免疫荧光标记技术、免疫酶标记技术、免疫印迹等技术在生物学上得到广泛应用.总之,免疫学带动了多学科的发展，多学科的交叉又促进了免疫学的发展。

3.简述免疫系统的组成。

免疫系统：1、免疫器官：中枢（胸腺、骨髓）；外周（淋巴结、脾脏、皮肤淋巴组织、粘膜淋巴样组织）2、免疫细胞：淋巴细胞（B细胞、T细胞、NK细胞）、单核细胞、巨噬细胞、辅助细胞、粒细胞、树突细胞、朗格汉斯细胞；3、免疫分子：抗体、补体、细胞因子、MHC分子、CD分子。

抗原递呈细胞（APC）与MHC 在免疫应答过程中，除T细胞和Ｂ细胞起核⼼作⽤外，单核巨噬细胞和树突状细胞也参加发挥作⽤，主要是处理和递呈抗原，故称抗原递呈细胞(antigen presenting cells，APC)，亦可称为辅佐细胞(accessory cells，A cells)或Ａ细胞。

APC能通过吞噬或胞饮作⽤摄取和处理抗原，并将经过处理得到的含有抗原决定簇的多肽⽚段与MHCⅡ类分⼦结合，然后表达于细胞表⾯递呈给CD4+TH细胞。

具有抗原递呈作⽤的细胞有单核巨噬细胞，树突状细胞和B细胞三类。

虽然有核细胞均表达MHCⅠ类分⼦，也能将胞浆内的蛋⽩抗原处理降解为多肽⽚段，与Ⅰ类分⼦结合后表达在细胞表⾯递呈给CD8+TC细胞，有递呈抗原作⽤，但习惯上不将这些细胞归类于专职APC，⽽称其为靶细胞。

⼀、单核吞噬细胞 ⾎液中的单核细胞(monocytes)和组织中的巨噬细胞(macrophages，Ｍφ)统称为单核吞噬细胞系统(mononuclear phagocyte system)。

单核吞噬细胞有较强的粘附玻璃或塑料表⾯的特性，⽽淋巴细胞⽆此能⼒，可利⽤该特点分离和获取单核吞噬细胞。

单核细胞和巨噬细胞表⾯有多种受体。

与免疫功能有关的重要受体有IgG的Fc受体(CD64)和补体C3b受体，以及某些淋巴因⼦受体。

巨噬细胞表⾯有较多的MHCⅠ类和Ⅱ类分⼦，与抗原递呈有关。

单核吞噬细胞在免疫应答中的功能如下： 1.吞噬和杀伤作⽤ 巨噬细胞可吞噬较⼤的病原微⽣物和衰⽼损伤细胞。

已被抗体(IgG)和补体(C3b)结合的细菌等抗原异物，更易被巨噬细胞吞噬，称为抗体和补体的调理作⽤。

被巨噬细胞吞噬的细菌等异物在吞噬体内被杀伤或消化降解。

也可通过Fc受体与被IgG抗体结合的靶细胞发⽣结合，发挥ADCC作⽤杀伤靶细胞。

IFNγ可激活巨噬细胞，增强其杀伤细胞内寄⽣菌和肿瘤细胞的活性。

但有时巨噬细胞对伤寒杆菌和结核杆菌等杀伤⼒有限，特别在未经上述细菌免疫的机体内，这些细菌可能存活并在巨噬细胞内增殖，造成感染的扩散或迁延。

能与mhc 2类分子结合的分子式能与MHC II类分子结合的分子式主要包括抗原肽和MHC II分子。

MHC（主要组织相容性复合物）是一类跨膜蛋白，广泛存在于人类和其他脊椎动物的细胞表面。

MHC II类分子主要在免疫系统中的抗原呈递细胞表面表达，起着重要的免疫调节作用。

本文将介绍几种能与MHC II类分子结合的分子式及其在免疫应答中的重要作用。

抗原肽是能够结合到MHC II类分子上的重要分子式。

抗原肽是由抗原降解产物形成的短肽，通常由10到30个氨基酸残基组成。

这些抗原肽可以通过特定的抗原加工和呈递通路，被免疫细胞内的MHC II类分子结合并展示给T细胞。

这样，T细胞可以通过与抗原肽-MHC II复合物的结合来识别和应答抗原。

MHC II类分子本身也是能与自身结合的分子式。

MHC II类分子由两个非共价结合的亚单位组成，包括α链和β链。

这两个亚单位都具有一个外显的胞外结构域，该结构域能够与抗原肽结合。

同时，MHC II类分子的α链和β链胞外结构域还具有与T细胞表面的CD4分子结合的区域。

这种结合可以促进T细胞与抗原肽-MHC II 复合物的相互作用，从而激活T细胞并引发免疫应答。

除了抗原肽和MHC II类分子，还有一些辅助分子也能与MHC II类分子结合，进一步调节免疫应答。

例如，共刺激分子CD80和CD86是B细胞、树突状细胞和巨噬细胞表面表达的分子式。

这些分子能够与MHC II类分子结合并与T细胞表面的CD28分子相互作用，提供第二信号，从而增强T细胞的激活和增殖。

还有一些抑制分子可以与MHC II类分子结合，抑制T细胞的免疫应答。

例如，抑制分子CTLA-4是T细胞表面表达的分子式，它能够与共刺激分子CD80和CD86竞争结合，从而阻止T细胞的激活。

这种抑制作用在免疫耐受和自身免疫中起着重要作用。

能与MHC II类分子结合的分子式包括抗原肽、MHC II分子本身以及一些辅助分子和抑制分子。

这些分子的结合与相互作用在免疫应答中起着重要的调节作用。