生物主要组织相容性复合体.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2001,免疫学信息网,,第八章 主要组织相容性复合体,（,major,histocompatibility,complex,MHC),基本内容,概述,HLA,复合体的基因结构,HLA,复合体的遗传特点,HLA,分子结构及其分布,HLA,分子与抗原肽的相互作用,MHC,的生物学功能,HLA,与医学,一、概述,20,世纪初即发现，在不同种属或同种不同系别的个体间进行正常组织或肿瘤移植会出现排斥反应，这是受者与供者组织不相容的反映。,研究证明，同种异体间的排斥现象本质上是一种免疫应答，它是由细胞表面的同种异型抗原诱导的。,代表个体特异性的同种抗原称为移植抗原或组织相容性抗原。,机体参与排斥反应的抗原系统很多，其中能引起强而迅速排斥反应的抗原被称为主要组织相容性抗原（,MHC,分子）。,主要移植抗原,次要移植抗原,主要组织相容性抗原,人类白细胞抗原,HLA,主要组织相容性,复合体,MHC,移植抗原,在人类,MHC,称为,HLA,基因或,HLA,复合体，其产物为,HLA,分子或,HLA,抗原。目前已经证实,MHC,不仅与移植有关，而且也与免疫应答和调节有关。,MHC,在不同物种中处于的染色体位置不同，其中小鼠的,MHC,又称,H-2,复合体，位于,17,号染色体上，而人类的,HLA,则位于第,6,号染色体上。,小鼠由于繁殖快，易于饲养等特点，成为研究,MHC,最重要的动物模型，迄今对人类,MHC,的研究大多借鉴小鼠,MHC H-2,复合体的研究。,基本概念：,MHC,：是脊椎动物某一染色体上编码主要组织相容性抗原、控制免疫细胞间相互识别、调节免疫应答的一组紧密连锁的基因群,小鼠的,MHC,：,H-2,人的,MHC,：,HLA,概念区分：,MHC,、,H-2,复合体、,HLA,复合体,-,基因,MHC,分子、,H-2,分子、,HLA,分子,-,抗原,小鼠的,MHC,：,H-2,复合体,位于小鼠的第,17,对染色体,由,类、,类、,类基因组成,类和,类基因参与免疫应答的遗传调控,类基因编码补体成分和炎症相关的免疫分子,通常所说为,MHC,类和,MHC,类基因,人的,MHC,：,HLA,复合体,HLA,（,human leukocyte antigen):,最初在人的白细胞上发现的,HLA,：,即人类白细胞抗原,，,是人的,MHC,，位于第,6,号染色体短臂上的一群紧密连锁的基因群，其编码产物参与免疫应答和免疫调控,HLA,复合体位于人第,6,号染色体的短臂上，共有,224,个基因座位，其中,128,个为功能性基因，有表达的产物,-HLA,分子，,96,个为伪基因，没有产物表达。按其表达产物的的结构表达方式、组织分布与功能可将这些基因座位分为三类。,HLA,基因复合体位于人第六号染色体短臂,由,HLA,类、,类、,类基因组成,HLA-I,类基因集中在远离着丝点的一端，包括,B,、,C,、,A,三个座位（经典基因）,HLAII,类基因在复合体中位于近着丝点一端，由,DP,、,DQ,、,DR,三个亚区组成,HLA,类基因包括编码补体成分的基因和炎症相关基因,二、,HLA,复合体的基因结构,HLA,第,6,号染色体,DP DQ DR C 4,B A B A B B A B A Bf C2 B C A,I,类基因,II,类基因,III,类基因,HLA,结构简图,第,6,号染色体,HLA,复合体,着丝点,H-2,第,17,号染色体,K A Aa E Ea C D L,HLA,第,6,号染色体,DP DQ DR C 4,B A B A B B A B A Bf C2 B C A,I,类基因,II,类基因,III,类基因,H-2,和,HLA,结构简图,（一）,HLA,类基因,经典的,HLA,类基因：,HLA-A,、,HLA-B,、,HLA-C,三个基因座位，参与内源性抗原的递呈和免疫调控,非经典的,HLA,类基因：,HLA-E,、,HLA-F,、,HLA-G,等基因座位，参与免疫调控,MHC,类链相关基因（,MIC,）：功能基因和假基因,（二）,HLA II,类基因,经典的,HLA II,类基因：,HLA-DP,、,HLA-DQ,、,HLA-DR,亚区，参与外源性抗原的递呈和免疫调控,抗原加工相关基因：,HLA-DM,：,HLA-DMA/DMB-,正调作用,HLA-DO,：,HLA-DOA/DOB-,负调作用,TAP,基因,LMP,基因,参与内源性抗原的加工,TAP,（,transporter associated with antigen processing),：编码抗原加工相关转运体，参与内源性抗原加工中抗原肽的转运,LMP,（,low molecular weight peptide),：编码蛋白酶,LMP2,和,LMP7,，是免疫蛋白酶体的组成成分，参与内源性抗原的加工,（三）,HLA ,类基因,中央区基因：位于,HLA,类和,类基因之间,补体基因和炎症相关基因,三、,HLA,复合体的遗传特征,从遗传水平上调控免疫应答功能,单元型遗传,共显性遗传,多态性,连锁不平衡,（一）单元型（单倍体）遗传,HLA,是一组紧密连锁的基因群，很少发生同源染色体之间的交换构成一个单元型,(,hapltype,),。,所以单元型是指同一条染色体上,HLA,不同基因座位等位基因特定的基因组合。在遗传过程中,HLA,作为一个完整的单位遗传给子代。,单元型遗传（,haplotypes,),单元型：紧密连锁在一条染色体上的,HLA,各位点的基因组合。,HLA,单元型作为一个单位遗传给下一代。,基因型：,HLA,基因在体细胞两条染色体上的组合。,HLA,单元型终生不变，可作为个体的遗传标志,表型：某一个个体的,HLA,抗原特异性,粗略估计，人群中的单元型数目超过,5,10,8,，而由两个单元型所决定的表型更是不计其数。人类细胞内的两个同源染色体分别来自父母，故比较两个同胞间单元型型别，存在三种可能性：两个单元型均相同，几率为,25%,；两个单元型均不同，几率为,25%,；有一个单元型相同几率为,50%,。此遗传规律在器官移植供者的选择及法医亲子鉴定中得到应用。,（二）,共显性遗传,HLA,基因均为显性基因，都能编码相应的分子,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。,每对等位基因都能转录、翻译成抗原，共同表达于细胞膜上,（三）,多态性现象（,polymorphism,）,多态性：是指在一随机婚配的群体中，染色体同一基因座位有两种以上基因型，即可能编码两种以上的产物。,一般认为，,HLA,复合体通过基因突变、基因重组、基因转换等机制可导致其基因结构发生变异，这是,HLA,多态性产生的基础。,MHC,（,HLA,）,的多态性,对同一个个体而言，染色体上任一基因座位只能有两个等位基因，分别来自父、母同源染色体，但在随机婚配的群体中，同一基因座位可能存在两个以上等位基因，此现象称为多态性。所以多态性是指群体中各座位等位基因的变化。,家族,II,类,HLA,复 等 位 基 因,B2 A2 B1 A1 B A,DP DM,B2 A2 B1 A1,DQ,DR,B1 B2 B3 B4 B5 A,DPB1,*,0101 0201 0202 0301 0401 0402 0501 0601,DRB1,*,0101-0104 0301-0308 0401-0423 0701 0801-0813 0901 1001 1101-1127 1201-1204 1301-1312 1401-1425 1501-1505 1601-1605,DQB1,*,0201-0203 0301-0306 0401-0402 0501-0504 0601-0611,DRB3,*,0101 0201-0205 0301,复,等,位,基,因,基因,座,DPA1,*,0103 0104 0201 0202 0301 0401,DQA1,*,0101-0105 0201 0301-0303 0401,-,0501-0503 0601,-,DRB4,*,0101-0103 01011 01012N,DRB5,*,0101-0105 0201-0203,0801-4101 4401-6501,HLA,基因的多态性,MHC,（,HLA,）,的多态性的产生机制,1,、复等位基因,2,、共显性表达,MHC,（,HLA,）,的多态性的产生机制,1,、,复等位基因（,multiple allele,）：,在不同群体中位于同一位点的不同特异性基因系列即为复等位基因，,HLA,复合体的多个基因座位均为复等位基因，此是形成,HLA,多态性的根本原因。,HLA,的复等位基因,HLA-A,，,-B,和,-C,基因座分别拥有,59,、,118,和,36,个复等位基因。,HLA-DRB1,、,DQA1,、,DQB1,、,DPB1,和,DPA1,基因座分别拥有,168,、,19,、,30,、,73,和,8,个复等位基因。每个复等位基因以基因座后的,4,位数字表示。以短横线连接的两个数字（如,DRB3*0201-0205,）,代表以这两个数字以及它们之间所有自然数命名的复等位基因。,I,类,HLA,复 等 位 基 因,B C E A G,复,等,位,基,因,基因座,A,*,0101-0102 0201-0217 0301-0302 1101-1103 2301 2402-2410 2501 2601-2608 2901-2902 31012 3201 3301-3303 3401-3402 3601 4301 6601-6602 6801-6803 6901 7401 8001,E,*,0101-0104,B,*,0702-0706 0801-0803 1301-1303 1401-1402 1501-1531 1801-1803 2701-2710 3501-3518 3701-3702 3801-3802 3901-3904 4001-4008 4101-4102 4201-4202 4402-4407 4501,4601 4701 4801-4802 4901,5001 5101-5107 5301,5401 5501-5503 5601-5602 5701-5704 5801-5802 5901,6701 7301 7801-7802 8101,8201,Cw,*,0102-0103 0202 0302-0304 0401-0403 0501 0602 0701-0705 0801-0803 1202-1203 1301 1402-1403 1502-1505 1601-1602 1701-1702,G,*,0101-0104,HLA,基因的多态性,HLA,基因的遗传规律,端粒 着丝粒 端粒,1 2 3 X 1 2 3 Y,1 1 2 2,I III II,复 合 体,卵细胞 精细胞,体细胞,6,号对,染色体,内含子,外显子,1,内含子 内含子,外显子,2,外显子,3,初次翻译,mRNA,多肽（编码产物）,基因座,1,基因座,2,基因座,3,基因座,1,上的复等位基因,复等位基因,1,*,01,复等位基因,1,*,02,基因座,1,基因座,2,基因座,3,复等位基因,1,*,01,复等位基因,1,*,01,复等位基因,2,*,01,复等位基因,2,*,02,复等位基因,3,*,02,复等位基因,3,*,01,单倍体,1,单倍体,2,复 等 位 基 因 结 构 示 意 图,3 3 X Y,基因座,n,基因座,1,基因座,2,基因座,3,基因座,n,外显子,n,复等位基因,1,*,n,I,类基因,II,类基因,基因类别 合计,A B C,DRA DRB DQA1 DQB1 DPA1 DPB1 DW,等位基因数,*,248 486 113 3 385 22 53 20 99 117 1546,抗原特异性,#,28 61 10 24 9 6 26 164,HLA-I,、,HLA-II,类基因的等位基因数及抗原特异性数,*,资料截止到,2002,、,7,、,31,，,#,资料截止到,2001,，,4,MHC,（,HLA,）,的多态性的产生机制,2,、共显性表达：共显性即两条染色体同一基因座位每一等位基因均为显性基因，均能编码特异性抗原，表达于细胞膜上。共显性表达极大的增加了,MHC,抗原系统的复杂性，此为,MHC,表型多态性的重要机制。,MHC,多态性意义,1,、赋予种群适应多变的环境条件；,2,、实现对机体免疫应答的遗传控制；,3,、使,MHC,成为个体的终身遗传标志；,4,、增加了寻找合适同种器官移植供者的难度。,1,、赋予种群适应多变的环境条件,MHC,多态性是长期自然选择的结果，使种群具有极大的基因储备，造就了对特定抗原如病原体应答能力不同的个体，保证在群体水平能应付多变的环境条件及各种病原体的侵袭，从而有利于种群的生存和延续。,2,、实现对机体免疫应答的遗传控制,MHC,基因多态性使其编码产物分子结构（主要是抗原结合槽）各异，从而决定其与特定抗原结合的选择及亲和力。,3,、使,MHC,成为个体的终身遗传标志,由于,MHC,的高度多态性，无亲缘关系的个体间出现,MHC,型别全相同者的几率极低，故,MHC,型别可视为个体的终身标志。这一特征被用于疾病研究和法医学的个体识别。,4,、增加了寻找合适同种器官移植供者的难度,由于,MHC,基因型和表型均具有极为复杂的多态性，故在无血缘关系的人群中一般难以找到,MHC,型别完全相同的个体，从而极大的增加了临床上寻找合适器官供者的难度。为此，目前国内外均着手建立造血干细胞捐献者资料库，以有助于在人群中筛选出,MHC,全相同的无关供者。,（四）,连锁不平衡（,linkage disequilibrium),由于,HLA,复合体的各座位是紧密连锁的，若各座位的等位基因随机组合构成单元型，则某一单元型别的出现频率应等于组成该单元各基因频率的乘积。,某些基因比其他基因能更多或更少地连锁在一起，从而出现连锁不平衡。,连锁不平衡,HLA,不同基因座位的各等位基因在人群中以一定的频率出现。如,HLA-DRB1 0901,和,DQB1 0701,在北方汉人中出现的频率分别是,15.6%,和,21.9%,，按随机分配的规律，这两个等位基因同时出现在一条染色体上的几率应是两个频率的乘积,3.4%,然而实际上两者同时出现的频率是,11.3%,为理论的,3.3,倍，此现象称为连锁不平衡。处于连锁不平衡状态的等位基因往往经常连在一起组成一个单元型。,四、,HLA,分子的结构及其分布,HLA,类分子,HLA,类分子,MHC,分子的基本结构,I,和,II,类,MHC,分子均由一条,a,和,一条,b,链非共价结合而成。,a,链均为跨膜蛋白，,MHC-I,的,b,链是可溶性的,b,2m,，,II,类分子的,b,链为跨膜蛋白。从功能上可以将,MHC,分子分为抗原肽结合单位，,Ig,样单位和跨膜单位。,（一）,HLA,类分子,HLA-I,类分子由,链和,2m,非共价结合组成,分为胞外区、跨膜区和胞内区,链的胞外区有,1,、,2,、,3,三个结构域,1,和,2,组成肽结合区（结合抗原肽）,3,和,2m,组成免疫球蛋白样区,3,和,T,细胞表面的,CD8,分子结合,3,2,1,1,2,3,抗原结合槽,（,antigen binding cleft),由,1,和,2,结构域组成的肽结合区,结合、递呈内源性抗原肽给,CD8,+,T,细胞,由,2,个,螺旋和,8,个,片层组成,两端呈封闭状态,容纳,8,11,个氨基酸残基组成的抗原肽,多态性区：决定,HLA,类分子多态性的主要部位,分布特点,：,膜型：,广泛分布于各组织有核细胞及血小板和网织红细胞的表面，但在神经细胞、成熟的红细胞和滋养层细胞表面没有表达,可溶性形式：,血清、尿液等,（二）,HLA,类分子,HLA-II,类分子由,链和,链组成的异源二聚体（糖蛋白）,分为胞外区、跨膜区和胞内区,胞外区各有两个结构域（,1/2,、,1/2,）,1,和,1,组成肽结合区（结合抗原肽）,2,和,2,组成免疫球蛋白样区,2,和,T,细胞表面的,CD4,分子结合,1,2,1,2,抗原结合槽（,antigen binding cleft),1,和,1,结构域组成的肽结合区,结合、递呈外源性抗原肽给,CD4,+,T,细胞,由,2,个,螺旋和,8,个,片层组成,两端呈开放结构,容纳,10,30,个氨基酸残基组成的多肽,多态性区：决定,HLA,类分子多态性的主要部位（,1,）,分布特点,：,主要分布于,APC,细胞、胸腺上皮细胞和活化的,T,细胞表面,可溶性形式,HLA I,和,HLAII,类分子结构比较,肽链,结构域,抗原结合槽,与,T,细胞,CD,分子结合,递呈抗原,分布,五、,HLA,分子与抗原肽的相互作用,HLA,分子结构上的差异主要集中于,MHC,分子的肽结合槽,特定的,HLA,分子可结合数种、数十种或更多的不同抗原肽,锚定位：抗原肽上能和,HLA,分子抗原结合槽相互作用的特定位点,锚定残基,抗原肽与,HLA,分子相互作用的共同基序,锚定残基相同的抗原肽可以与同一种,HLA,分子结合,共同基序：一种,HLA,分子所能结合的不同抗原肽带有相同或相似的锚定位或锚定残基,一种型别的,HLA,分子可以结合多种不同特异性的抗原肽,HLA,分子与抗原肽相互作用的特点,MHC,限制性：,T,细胞只能识别由,MHC,分子结合、递呈的抗原肽,HLA,分子与抗原肽的结合是选择性的、低特异性的,六、,MHC,的生物学功能,加工、递呈抗原,启动、调节免疫应答,诱导,T,细胞的成熟,-,功能性,T,细胞库的形成（,T,细胞在胸腺内的分化成熟）,诱导同种免疫,一、对蛋白质抗原的处理与加工,HLA-I,类分子：内源性抗原的递呈分子,HLA-II,类分子：外源性抗原的递呈分子,内源性抗原递呈途径,细胞内合成的蛋白质抗原在胞浆内被蛋白酶体裂解为小的肽段，通过,TAP,转运至内质网中。在此具有一定基序的肽段与,MHC-,I,a,和,b,2m,结合并通过高尔基体被递呈于细胞表面。,CD8+,的,T,细胞通过其,TCR,和,CD8,分子识别,MHC-I/,抗原肽复合分子。,TAP,MHC,I,分子的合成,MHC,I,，,2m,和抗原肽的组装,运输至膜表面,短肽,内源性蛋白,细 胞 核,CD8 T,细胞,APC,B7,CD28,1,2,3,4,MHC-I,类 分 子,抗,原 呈 递 途 径,MHC-I,CD8,TCR,抗原肽,蛋白酶体,外源性递呈途径,细胞内质网中合成的,MHC-,II,a,和,b,链与不变链首先组装。抗原递呈细胞（,APC,）,获取外源性抗原之后形成吞噬体，随后与溶酶体融合为吞噬溶酶体，溶酶体酶在此将外来抗原裂解为肽段。随后吞噬溶酶体与含有,MHC-II,分子的内体融合，具有适当基序的肽段得以与,MHC-II,分子结合，并与之一起表达于细胞表面。,CD4+,的,T,细胞通过其,TCR,和,CD4,分子识别,MHC-II/,抗原肽复合分子。,细 胞 核,CD4 T,细胞,APC,B7,CD28,5,MHC-II,类 分 子,抗,原 呈 递 途 径,MHC-II,分子的合成,a,b,链,和不变链的运输,运输至膜表,4,3,2,溶酶体,吞噬体,CD4,TCR,抗原肽,1,MHC-II,抗原递呈途径,（,class II antigen presentation pathway,）,二、启动、调节免疫应答,1.,形成,MHC-,抗原肽,-TCR,复合物，启动免疫应答,在,TCR,特异性识别,APC,所提呈的抗原肽过程中，必须同时识别与抗原肽结合成复合物的,MHC,分子，才能产生,T,细胞激活的第一信号,2.MHC,限制性,：免疫细胞间相互作用时，除细胞受体识别相应抗原决定簇外，细胞间还必须识别相应的,MHC,分子,3.MHC,分子是,T,细胞活化的协同刺激分子,CD4-MHCII,CD8-MHCI,4.,调节免疫应答强弱,三、参与,T,细胞的分化,(T,在胸腺内的选择,),四、诱导同种免疫应答,七、,HLA,与临床医学,HLA,与同种器官移植,HLA,与疾病的关联,HLA,分子的异常表达与疾病,HLA,在法医学中的应用,（,一）,HLA,与同种器官移植,同种异体间器官移植的成败在很大程度上取决于供、受者之间,HLA,型别的差异，即组织相容程度。因此移植术前进行,HLA,配型成为寻找合适供者的主要依据。,（,二）,HLA,与疾病的关联,迄今已经发现,50,余种人类疾病（多为免疫相关性疾病）与,HLA,关联，即携带某型,HLA,的个体比不携带此型,HLA,的个体易患（或不易患）特定疾病。典型的例子是：约,90%,强直性脊柱炎（,AS,）,患者携带,HLA-B27,，,而正常人群仅为,9%,。,与,HLA,呈现关联的自身免疫病,疾病,HLA,抗原 相对风险（,%,）,强直性脊柱炎,B27 89.8,急性前葡萄膜炎,B27 10.0,多发性硬化症,DR2 15.9,乳糜泻,DR3 10.8,重症肌无力,DR3 2.5,系统性红斑狼疮,DR3 5.8,胰岛素依赖性糖尿病,DR3/DR4 25.0,类风湿性关节炎,DR4 4.2,桥本氏甲状腺炎,DR5 3.2,RR=,HLA-X,阳性患者人数,/HLA-X,阴性患者人数,HLA-X,阳性对照人数,/HLA-X,阴性对照人数,HLA,与疾病相关的程度可用相对危险性,(relative risk,RR),表示,RR,数值越大,与疾,病的相关性越强,.,上述资料表明,同一座位上,HLA,等位基因的差别可导致个体对某些疾病具有易感性,.,与,HLA,关联的疾病多为自身免疫性疾病,提示,HLA,等位基因的差别可导致免疫应答类型与效应的不同,.,HLA,与疾病的关联机制目前尚未完全阐明,多数证据提示与,HLA,分子递呈致病性抗原肽或影响,T,细胞识别有关,.,如在多发性硬化症研究中,关联性,HLA-DR,分子所结合并提呈的自身抗原肽是髓鞘碱性蛋白中的,84-102,位和,143-278,位抗原片段,.,(,三,)HLA,分子的异常表达与疾病,1,、,HLA-I,类分子表达降低与恶性肿瘤：肿瘤所表达的,HLA-I,类分子在,CD8 CTL,应答中具有重要作用。目前已发现，许多恶性肿瘤细胞其,HLA,类分子表达减弱或缺失，导致,CD8,阳性,T,细胞的,MHC,限制性识别发生障碍，使肿瘤逃避免疫监视。实验研究证明，增强肿瘤细胞,HLA-I,类分子表达，可促进,CTL,细胞的杀瘤作用。,2,、,HLA-II,类分子的异常表达与自身免疫性疾病：,HLA-II,类分子主要表达于抗原提呈细胞。已发现某些自身免疫性疾病靶器官的组织细胞可异常表达,HLA-II,类分子，从而有可能将自身抗原提呈给免疫细胞，使之激活产生异常的免疫应答，导致自身免疫性疾病。如乳糜泻中的肠道细胞、胰岛素依赖性糖尿病中的,细胞。,（,四）,HLA,在法医学中的应用,由于,HLA,具有极为复杂的多态性且,HLA,复合体中所有的基因均为共显性表达并以单元型形式遗传，从而奠定了其应用于法医学中的理论基础。,1,、无亲缘关系的个体间，其,HLA,等位基因完全相同的几率几乎等于零；,2,、,HLA,是伴随个体终生的遗传标志。所以,HLA,分型技术已成功应用于法医学领域的亲子鉴定和个体识别。,小 结,概述：,MHC,，,HLA,HLA,复合体的基因结构,HLA,复合体的遗传特点,HLA,分子结构及其分布,HLA,分子与抗原肽的相互作用,MHC,的生物学功能,HLA,与医学,