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致快速排斥，是编码一种称为多态性血型抗原Ⅱ的基因，也被称作主要组织相容性—2基因，简称H—2。后来Dausset于1958年在人的白细胞上发现了与小鼠H—2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6—1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—Ⅰ类分子(MHC

class Ⅰ)和MHC—Ⅱ类分子(MHC class Ⅱ)两类。MHC—Ⅰ类分子表达于所有有核的细胞表面，而MHC—Ⅱ类分子仅表达于部分细胞表面，如抗原递呈细胞(antigen presenting celll，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—Ⅰ）分子

1．MHC—I类分子的基本结构

完整的MHC—I类分子含有两条多肽链：一条是α链，又称重链，人的HLA—Ⅰ类分子的α链相对分子质量约4.4×l04(小鼠约4.7× 104)，另一条称β链，又称β2微球蛋白(β2 Microglobulin，β2m)，相对分子质量约1.2×l04．是由非 MHC基因编码。HLA—I类分子α链有 一个N寡糖基连接位点，而小鼠有2个。α链有5个主要的结构域(domain)，即α1(N端)、α2、α3、跨膜区及胞质区(C端)，总长约367个氨基酸残基左右。其中α1、α2、α3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α3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—Ⅰ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6—1)。α1、α2形成与抗原肽结合的区域，α2和α3分别形成63和约90个残基的二硫键连接的环。由于α3和β2m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6—2)。与该区域以非共价键（次级键）相联系的β2微球蛋白（β2m）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。

2．MHC—I类分子的空间结构与功能

α1和α2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β片层(β—pleated sheet)结构支撑着两条平行的α螺旋链(α—helix)。其中4条β片层和1条α螺旋结

构由α1区肽链形成，另4条β片层和1条α螺旋结构由α2区肽链构成，形成的结合槽的裂隙(cleft)大小约为25×10 ×11埃，可以结合9—11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9—11肽才能与MHC—Ⅰ分子结站合，进而递呈给T细胞而被识别。抗原肽与MHC—Ⅰ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α和β链第三个互补决定区(complementarity determining region)CDR3所识别。α和β链的CDR3区最为多样性而MHC—Ⅰ类分子肽结合槽两边的α螺旋则与T细胞受体的CDR1和CDR2结合。α3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(Co—receptor)CD8结合。这与MHC—I类分子参与肽抗原介导的对靶细胞裂解杀伤作用相关(图6—3)。β2m与α1、α2及α3区相互作用，对维持MHC—I类分子膜外正常的空间构象具有重要作用。β2m分子不是由MHC基因编码的。人的β2m基因定位于15q21－22，小鼠在第2号染色体上。β2m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β2m分子较小，血清蛋白电泳位置处于β2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β2m。在α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MHC—I类分子的内部化，说明羧端还与MHC—I分子胞内流动有关。

二、第二类主要组织相容性抗原(MHC—Ⅱ)分子

1．MHC—Ⅱ类分子的基本结构

MHC—Ⅱ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β链长度也在230个氨基酸残基左右。两条链结构非常相似(图6—4)。α链相对分子质量约为3．2×l04—3．4×104，β链相对分子质量约为2．9×l04—3．2×104，α链较β链重，主要由于α链有两个N连接的糖基化基团，而β链仅有一个。每条链都分4个区，如α链由al、α2、跨膜区和胞质区构成。β链则由β1、β2、跨膜区和胞质区构成。α1、α2、β1及β2区各由约90个氨基酸残基构成，其中β1、β2、α2各含有一个链内二硫键。 MHC—Ⅱ类分子的αl和β1区共同构成与抗原肽结合的结构域(peptide－binding domain)，与MHC—I类分子的α1、α2区构成的肽结合区很相似，但Ⅱ类分子是由两条链构成(图6—4)。

2．MHC—Ⅱ类分子的空间结构与功能

1993年，Browm等对MHC—Ⅱ类分子HLA—DRl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α1及β1提供的8条反向平行的β折叠构成。两边分别由αl和β1构成α螺旋，但Ⅱ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。10—30个氨基酸残基以上的肽段可以突出到结合槽以外。MHC—Ⅱ类分子结合抗原肽后，其肽表位与T细胞受体的CDR3结合，而Ⅱ类分子肽结合槽两边的α螺旋则分别与TCR的CDRl和CDR2结合，形成MHC对T细胞的约束(restriction)。α2和β2区序列较为保守，与Ig恒定区同源，称Ig样区。Ⅱ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—Ⅱ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10－6mol／1，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Kd为10－7～10－11mol／L，肽与MHC—Ⅱ类分子达到饱和结合需15～30min。一旦结合，二者可保持结合状态几小时，甚至几周时间。MHC—I类分子与肽的解离速度很慢，有时甚至需要破坏β2m与α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—Ⅰ分子结合的肽通常为9～ll氨基酸，而MHC—Ⅱ类分子结合的肽为10—30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—Ⅰ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6—5)。这些残基是肽与某种MHC分子相生作用的“锚定残基”(anchor residues)。MHC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。