第七章抗原的加工遞呈和T細胞對抗原的識別

第七章抗原的加工遞呈和T細胞對抗原的識別1973年，Zinkernagel和Doherty報道，小鼠感染了淋巴細胞性脈絡膜腦膜炎病毒后，特異性CTL對靶細胞的殺傷作用受靶細胞麥達的MHCI類單元型的限制。這就是著名的MHC約束現(xiàn)象(MHCrestriction)。他們在以后的研究中進一步證明，抗原與MHC分子不是分別被TCR識別的，而是以MHC分子-肽復合物的形式被TCR識別的。Zinkernagel和Doherty的研究成果是T細胞識別抗原認識上的飛躍，為此，他們榮膺1996年諾貝爾醫(yī)學和生理學獎。T細些不能識別天然的抗原分子，而只能識別與MHC分子結合在一起的肽，這就要求抗原分子必須在細胞內降解成肽，并被MHC分子遞送到細胞表面被T細胞識別。這兩個過程分別稱抗原加工(antigenprocessing)和抗原遞呈(antigenpresentation)。近年來發(fā)現(xiàn)T細胞也能識別脂類抗原。與蛋白質抗原一樣，脂類抗原也必須經過加工和遞呈才能為T細胞所識別。與蛋白質抗原不同的是，脂類抗原是由CDl分子，而不是MHC分子遞呈的。本章主要介紹蛋白質和脂類抗原的加上和遞呈過程、抗原遞呈的意義以及T細胞對抗原的識別。第一節(jié)抗原遞呈細胞和遞呈分子一、抗原遞呈細胞抗原遞呈細胞(APC)就是具有加工和遞呈抗原能力的細胞。因為所有的有核細胞都具有降解胞質內蛋白的能力，而且都表達MHCI類分子，所以，有核細胞一旦表達非己抗原時，例如病毒感染細胞和腫痛細胞等，都能成為APC，向CD8+T細胞遞呈抗原。但通常把通過MHCI類分子向CD8+T細胞遞呈抗原的細胞稱為靶細胞，而只把表達MHCII類分子并能向CD4+T細胞遞呈抗原的細胞稱為APC。專職APC一詞專指一類特化的細胞，它們具有攝入、加工、遞呈胞外抗原，激活CD4+T細胞，誘導免疫應答的能力。為此，專職APC必須表達MHCII類、協(xié)同刺激信號分子和各種粘附分子。滿足這些條件的細胞主要有三類，即巨噬細胞、樹突細胞和B細胞。胸腺上皮也屬APC，它們組成性表達MHCII類，向未成熟T細胞遞呈抗原，在T細胞胸腺內成熟過程中的陽性和陰性選擇中發(fā)揮特殊的作用。在慢性炎癥應答過程中，有些細胞，如皮膚成纖維細胞、腦小膠質組胞、血管內皮細胞以及自身免疫病中的甲狀腺上皮細胞和胰島P細胞等，在細胞因子作用下，可誘導性表達MHCII類分子、協(xié)同刺激分子和各種粘附分子而成為APC。出于這類細胞在通常情況下執(zhí)行其專有的功能，不具備遞呈抗原的能力，所以稱為非專職APC。通常情況下，如不加說明，APC指的是專職APC，不包括非專職APC。下面分別介紹三類APC的特點。巨噬細胞巨噬細胞(MB)屬單核巨噬細胞系統(tǒng)，是APC中具有強大吞噬能力的細胞。它能夠吞噬大的顆粒性抗原，因此在加工和遞呈胞外病原體和顆粒性抗原中起重要作用。靜止的MB只表達少量的MHCII類分子，而且完全不表達協(xié)同刺激分子。MB在吞噬病原體后，或在CD4+T細胞分泌的IFN-y和TNF-p的作用下，誘導性表達MHCII類分子、協(xié)同刺激分子B7(CD80和CD86)和粘附分子。MB表面表達多種受體，如甘露糖受體、LPS受體、葡聚糖受體等，它們通過與病原體表面相應配體的結合而促進MB攝人病原體。而MB表面的補體CR1和Fc受體則促進MB攝入經補體和抗體調理的抗原。大多數(shù)病毒以及非病原體抗原常常不能誘導MB表達MHCII類和協(xié)同刺激分子。樹突細胞樹突細胞(DC)起源于骨髓干細胞，分屬兩個不同的譜系。一個來自髓樣前體細胞，和單核吞噬細胞譜系有關，稱為DC1，如間質樹突細胞和郎格罕細胞；另一種來自淋巴樣前體細胞，稱為DC2。不同DC在組織分布、表型和功能上有所區(qū)別。未成熟的DC分布于各種組織中，成熟DC存在于脾臟和淋巴結等二級淋巴器官中。組織中的DC有兩個特點。首先，它們具有攝人抗原和加工抗原的能力。DC能通過巨胞飲(macropinocytosis)和受體介導的內吞作用攝入抗原。近來認為DC也具有吞噬作用。第二，MHCII類分子和協(xié)同刺激分子積累在內體和溶酶體中，而不在細胞表面表達，所以不能激活未致敏T細胞。DC在外周攝取抗原后被激活，運動能力增強，經淋巴管進入引流淋巴結。DC從外周進入淋巴結的過程中分化成成熟DC，并發(fā)生一系列表型的改變：①它們失去主動攝入抗原的能力，只能被動攝入病毒抗原和細菌毒素；②細胞表面MHCII類和MHCI類分子表達水平依次增高；③高表達協(xié)同刺激分子。外周DC在免疫應答中的作用可能是將感染部位的抗原運送到淋巴組織，在淋巴組織中激活再循環(huán)的T細胞。淋巴結中的DC主要集中在T細胞區(qū)，這些DC高表達MHCI類和II類分子、協(xié)同刺激分子(B7-1，B7-2,CD40)和粘附分子(ICAM—1，ICAM-3和LFA-3)，所以具有很強的激活未致敏T細胞的能力。但淋巴結中的DC不具有吞噬能力，不能從胞外液中攝取抗原。這就意味著它們專門用來遞呈病毒肽，也可能包括細菌毒素，因為病毒和細菌毒素本身具有進入細胞的能力。DC遞呈的病毒譜很廣。DC可通過MHCI類和II類分子遞呈病毒肽，激活CD8+和CD4+T細胞。近來的研究顯示DC1和DC2可分別激活Thl和Th2。B細胞B細胞不具吞噬能力，但它們能通過抗原受體即細胞膜表面IgM特異性地攝取可溶性抗原。B細胞高表達MHCII類分子，但不組成性表達B7。許多微生物成分，如LPS可誘導B細胞表達B7。所以細菌佐劑可誘導機體對可溶性蛋白質產生應答。B細胞的抗原遞呈功能在胸腺依賴抗原誘導的抗體產生中起重要作用。三類APC在組織分布、攝入抗原的方式、MHCII類分子和協(xié)同刺激分子的表達、遞呈抗原的種類等方面有一定的區(qū)別(表7-1)。三類APC加工、遞呈抗原的能力互相補充，使免疫系統(tǒng)能對所有的抗原產生應答。二、抗原遞呈分子MHCI類和MHCII類分子主要組織相客性復合體MHCI類和II類分子構成兩種蛋白質抗原遞呈系統(tǒng)，它們分別向CD8+和CD4+T細胞遞呈抗原肽。關于MHC分子與肽的相互作用參見第四章：下面主要介紹CDl分子參與的第3類抗原遞呈系統(tǒng)。CDl分子近年來在抗原遞呈研究中發(fā)現(xiàn)，分化抗原CDl分子能夠遞呈脂類抗原，供一些具有特殊表型的T細胞亞群識別。CDl分子是細胞表面的糖蛋白。在結構上和進化起源上，CDl分子與MHC基因編碼的抗原遞呈分子有關。在細胞膜上，CDl分子也與匕-m非共價結合，構成異二聚體。CDl分子膜外結構域與MHCI類和II類的氨基酸同源性約30%。這些結構上的特點提示，CDI與MHCI類和II類基因起源于同一祖先，它們在哺乳動物進化早期過程中的某一個時刻分成了兩個獨立的譜系。CDl分類：根據(jù)氨基酸同源性，CDl分子分成兩組，分別具有不同的組織分布和功能。人CDla、CDlb和CDlc屬于第1組，CDld屬于第2組。CDle的歸屬未定。小鼠中未發(fā)現(xiàn)與人第1組CDl對應的分子，其CDld則包括CDldl和CDId2。CDl分子結構：從近年來獲得的小鼠CDld分子晶體的X線衍射圖可以看出，CD1分子的三維結構在總體上與MHCI類和II類分子是十分相似的。CDl分子膜外的第3個結構域(a3)也具有Ig樣折疊，并與一個p2-m非共價結合。與MHC分子一樣，CDl分子的a1和a2結構域構成抗原結合部位。把CDldl分子與H-2Kb分子的晶體結構圖以p2-m分子為基準重疊在一起，可以看出兩者在結構上，特別是在。1和a2結構上存在一些重要的差別：①CDld分子a3不能與CD8或CD4分子結合。②CDld分子的抗原結合槽比MHCI類的更深、更狹但容量更大；③MHCI類分子抗原結合槽中的一些保守殘基在CDld分子中為一些較小的殘基所取代，并且構成一個大袋(A'袋)和一個F袋。CDId分子的A’袋壁由疏水殘基組成，因而不能與肽分子形成氫鍵網。F袋壁也大多由疏水殘基組成。④CDId抗原結合槽的兩端似乎是閉合的，而且在縱長上互相靠近，只留下從槽中央至F袋這一段槽口是開放的。上述CDld分子抗原結合槽的結構特點提示，CDl分子的抗原結合槽不大可能容納蛋白質抗原肽，而是適合于結合雙鏈脂肪酸。所以CDl分子可能是與脂類分子中的脂肪酸相結合，而脂類分子頭部的極性基團，即親水性酰基和糖基則暴露于CDl分子抗原結合槽外，或位于抗原結合槽入口處。脂類抗原在CDl分子中的這樣一種定位，使得其親水的頭部和CDla螺旋表面的一些殘基一起構成供TCR識別的部位。最近的研究結果確認，T細胞對CDlb遞呈的糖脂如葡萄糖單霉菌酸酯(glucosemonomycolate，GMM)的識別是針對其糖基而不是針對脂肪鏈的。CDl分子的分布：第1組CDl高表達于胸腺上皮細胞和各種APC表面。如CD1a和CDlc高表達于郎格罕細胞上，CDlb與CDlc表達在皮膚、肝、肺和淋巴器官DC的表面，而脾臟、血液和扁桃體的B細胞中20%-50%表達CD1c。GM-CSF和IFN-y可誘導上述細胞表達CDla，CDlb和CDlc。第2組CDl分子(人CDld，小鼠CDldl和CD1d2)的組織分布尚不明確。在人和小鼠胃腸道上皮及小鼠的造血細胞中存在第2組CDl分子。其他抗原遞呈分子包括非經典的I類抗原HLA-E和HLA-Co這些抗原的等位基因數(shù)十分有限。HLA-E主要遞呈經典I類分子和HLA-G分子引導序列中的一個九肽，參與激活NK細胞的抑制性受體，在免疫調節(jié)和非特異免疫中起重要作用。最近發(fā)現(xiàn)HLA-E也能夠像其他經典I類分子一樣遞呈蛋白質抗原。HLA-G分子的分布比較局限，主要存在于人類母-胎交界面、胸腺髓質和包膜下上皮細胞中。HLA-G分子可直接活化NK細胞的另一類抑制性受體KIR(參見第二章)。新近有研究揭示，HLA-G可能也具有遞呈蛋白質抗原的能力。第二節(jié)兩條主要的抗原加工遞呈途徑這里所敘述的兩條途徑分別加工遞呈外源性抗原(exogenousantigens)和內源性抗原(endogenousantigens)o外源性抗原和內源性抗原專指蛋白質抗原，不包括脂類抗原。一、外源性抗原和內源性抗原首先需要指出的是，內源性抗原并非自身抗原的同義詞，外源性抗原也不等于非不等于非己抗原。內源性抗原和外源性抗原的區(qū)分是根據(jù)它們在加工途徑前所處的位置，即位于細胞內還是位于細胞外來確定的。任何抗原，無論是自己的，還是非己的，如在胞質內加工，都稱為內源性抗原，而進入內體加工的都稱為外源性抗原。因此，自身的蛋白質，如可溶性MHC分子，或細胞膜結合的蛋白質分子，如被APC攝人后進入內體加工，則雖為自身蛋白，也稱為外源性抗原。反之，在宿主細胞中復制的病毒在宿主細胞質中產生的病毒蛋白和胞內感染的病原體等雖屬非自身蛋白，但由于存在于胞質內，也稱為內源性抗原。外源性抗原和內源性抗原在細胞內加工的部位、所結合的MHC分子種類以及與MHC分子發(fā)生結合的區(qū)室是截然不同的，加工過程中涉及的酶、細胞內轉運過程中所需的信號或伴隨蛋白等也是不同的。下面詳細敘述這兩條不同的抗原加工和遞呈途徑。二、外源性抗原加工遞呈途徑抗原來源外源性抗原主要來自通過各種途徑進入機體的非己抗原，包括非己蛋白和病原體及其產生的毒素。病原體包括各種胞外感染的細菌、真菌、原蟲和腸道寄生蟲等。寄生蟲有弓形蟲和血吸蟲等。非已蛋白包括細菌外毒素、各種用于免疫防治的類毒素等。自身蛋白經APC攝入后也進入外源性抗原加工遞呈途徑。事實上，體外培養(yǎng)的M0表面MHCII類分子所遞呈的肽中99%以上來自自身蛋白。當然，在正常情況下，這些自身肽是不會被免疫系統(tǒng)當成抗原來識別的。抗原的加工遞呈抗原加工區(qū)室：外源性抗原被APC攝取后，質膜將抗原包圍，在胞質中形成空泡稱為內體(endosomes)0內體的功能是運輸和降解被攝人的外源性抗原，并且是MHCII類小于荷肽的場所。初形成的內體逐漸向胞質深部移動。移動過程中，內體逐漸成熟，最終成為溶酶體。在從初形成的內體到成為溶酶體的過程中，存在一系列連續(xù)變化的、結構不同的內體，如早期內體、中期內體和晚期內體等。這些不同的內體在密度、pH、所含有的酶的種類、MHCII類分子濃度、HIA-DM分子(下述)濃度等方面是不同的，它們的超微結構也不一樣。內體/溶酶體中均為酸性環(huán)境，含有各種能降解蛋白、糖類、脂類和核酸的酶。從早期內體向溶酶體演化的過程中，各種內體中的pH值逐漸降低，至溶酶體時達最低點。內體/溶酶體中均為酸性環(huán)境為各種酶類提供了適宜的作用條件，也有利于HLA-DM與II類分子的相互作用。II類分子與肽的結合可在各種不同的抗原加工區(qū)室(compartmentsforantigenprocessing)內發(fā)生，但主要在含有豐富的MHCII類、HLA-DM和外源性抗原肽的內體中進行。這類區(qū)室有以下兩種。在M0內，有一種介于內體與溶酶體之間的晚期區(qū)室，稱為MHCII類區(qū)室(MHCclassIIcompartment，MIIC)。在B細胞中存在另一種稱為CIIV的區(qū)室(CIIV：MHCclassI-containingvesicles)0CIIV可能是由早期和晚期內體產生的。蛋白質抗原降解：在APC的內體/溶酶體中含有大量的在酸性環(huán)境下作用的酶，L例如存在于溶酶體中的酶多達40余種，包括蛋白酶、核酸酶、糖苷酶、脂酶和磷酸酶等。內體/溶酶體中的蛋白酶按照作用方式的不同分為兩類。第一類是內切酶，主要包括四種組織蛋白酶(cathepsins，以下簡稱Cath):CathD，CathE，CathL和CathS。在外源性抗原加工中起到要作用的是CathL和CathS。第二類是外切肽酶，外切肽酶中又分為兩類，一類是組織蛋白酶，另一類是肽基二肽酶。IFN-Y對CathS的活性有很強的上調作用。內體/溶酶體中蛋白酶的特異性不是很嚴格的，各種蛋白酶可組成一個多重催化單(multi-catalyticunit)o這意味著，只要有足夠的時間，大多數(shù)蛋白質和肽都將在內體中被徹底降解，這一點對于MHCII類分子荷肽是十分重要的。MHCII類分子須在蛋白質已部分降解而未被徹底降解之前，即表位產生之時，出現(xiàn)在適當?shù)牟课?，即同時含有外源性抗原和HLA-DM分子的內體/溶酶體中，才能遞呈外源性抗原肽。外源性抗原在內體/溶酶體中降解產生肽，其中一些長度為13?18個甚至長到30個氨基酸的肽可以與適當?shù)腗HCII類分子結合。這些肽經II類分子遞呈后供CD4+T細胞識別。MHCII類分子從內質網向內體轉運：在內質網(ER)腔中，新合成的II類分子的a和p鏈經過部分糖化后，配對、折疊，形成異二聚體，通過a和p鏈中疏水的跨膜段插入ER膜。a和p鏈裝配成MHCII類分子過程需有2種非多態(tài)性蛋白參與。第一種是鈣聯(lián)素(calnexin)，其主要作用是保證a和p鏈在裝配成II分子的這程中適當?shù)卣郫B。第二種蛋白是Ii相關的不變鏈(1a-associatedinvariantchain)，簡稱li鏈。人li基因定位于第5號染色體，含8個外顯子。Ii鏈是一種II型膜蛋白，表達于ER膜上。其N端位于胞質內，C端位于ER腔中。因拼接方式不同和翻譯起點不同，人Ii鏈有4種變構體(isoform)。Ii鏈分子中有4個序列與II類分子遞呈抗原有關(圖7-1A)。第一個序列位于第81?104位，共包含24個氨基酸殘基。這一序列的特別之處是它能與所有MHCII類分子的抗原結合槽以不同程度的親和力結合。所以稱為與II類結合的不變鏈肽段(classII-associatedinvariantchainpeptide)，簡稱CLIP。第二個序列位于胞質內的N端，其中的一個雙亮氨酸結構與Ii鏈引導II類分子進入內體有關。第三個序列位于153?183位，Ii分子通過這一序列聚合成3聚體。在ER中，Ii鏈即以3聚體形式存在。最后一個序列只存在于p41分子中，即由Ii基因的第6個外顯子編碼的結構域。這一序列位于p41分子的第193?256位，它對CathL具有強大的抑制作用，能促進內體中外源性抗原肽的產生，從而促進II類分子的抗原遞呈作用。CLIP幾乎能與所有II類分子的抗原結合槽結合，這是因為其錨著殘基是甲硫氨酸和丙氨酸。甲硫氨酸能自由伸曲，而丙氨酸可以使CLIP與槽的不利接觸減小到最低程度。CLIP的這一特點使它在結合各種II類分子時避免發(fā)生空間上的不協(xié)調，因而能與特異性各不相同的II分子結合的同時，又能與II類分子保持一定程度的親和力。II類分子的a和p鏈在內質網中裝配成II類分子后，Ii鏈即通過CLIP與II類分子結合，從而阻止II類分子與ER中的內源性肽結合。在內質網中Ii鏈以3聚體形式存在，3聚體中的每一個Ii鏈各自通過CLIP與一個ap二聚體結合，組成一個9聚體(Ii3a3p3)(圖7-1B)。9聚體在Ii鏈N端胞質內序列的引導下，離開ER，經高爾基體外側網絡(trans-Golginetwork)進入內體。Ii鏈在內體中降解：Ii-II類9聚體進入內體后，在內體中蛋白水解酶CathL和CathS，特別是后者的作用下，逐步降解。降解過程從Ii鏈的C端開始。經3步降解后，剩下CLIP仍與II類分子抗原結合槽相連。II類分子荷肽：CLIP占據(jù)了【1類分子的抗原結合槽，阻礙后者與內體中的外源性抗原肽結合。因此，只有使CLIP與II類分子解離，II類分子才能荷肽。CLIP與II類分子的解離由內體中的HLA-DM分子執(zhí)行。HLA-DM及其功能：HLA-DM是一種非經典II類分子，存在于內體/溶酶體，即外源性抗原加工和【1類分子荷肽的區(qū)室中，以CIIV/和MIIC中含量最高。DM分子由一條a鏈和一條p鏈組成。a鏈和p鏈的第1個結構域a1和p1不形成抗原結合槽，所以不能與肽結合。DM作用的最適PH是4.5?5.5，在pH6?7時仍有作用，所以在早期內體中也能行使功能。在CLIP與II類分子解離之前，HLA-DM與II類分子先發(fā)生物理性結合。這一結合引起II類分子構象改變，使抗原結合槽中兩條。螺旋略微分離，破壞了CLIP與抗原結合槽形成的非共價鍵，CLIP因而從抗原結合槽解離。DM分子則繼續(xù)保持與II類分子結合，以維持II類分子的穩(wěn)定性，直到有適當?shù)耐庠葱钥乖倪M入抗原結合槽，DM分子始與II類分子脫離。一個DM分子每分鐘可轉換10?12個DR分子。HLA-DM除了幫助II分子荷肽外，還能與II類分子/抗原肽結合，促使對II類分子親和力低的肽從II類分子中解離，保證丁【1類分子與親和力較高的肽結合°DM對肽的這種選擇作用稱為“編選”(editing)?，F(xiàn)知，另一種位于II類基因亞區(qū)中的HLA-DO分子對DM介導的肽交換有下調作用。II類分子荷肽的其他方式：在內體中，II類分子除了與已經降解的、具有適當長度的肽結合外，可能還存在另一種荷肽方式，即一個蛋白質或一個長的多肽在與一個或數(shù)個II類分子的抗原結合槽結合后再在酶的作用下降解。這種荷肽方式有利于保護某些對酶敏感的決定簇不被破壞，并且使得II類荷肽可在早期內體中進行，從而擴大了被遞呈的決定簇的范圍。外源性抗原遞呈：至此，II類分子荷肽過程結束。最后通過胞吐空泡(exocyticvesicles)膜與細胞膜融合，11舉分子/抗原肽表達于APC表面，供CD4+T細胞識別。在細胞表面的中性環(huán)境下，11類分子/抗原肽復合物形成一種更為緊密和穩(wěn)定的狀態(tài)，細胞外液中的肽很難置換II類中的肽。II類荷肽的調節(jié)在外源性抗原加工和遞呈途徑中，有4個因素可影響II類分子對肽的選擇：①Ii鏈加工成CLIP的效率，這一效率與CathS的表達水平有關。②HLA-DM表達水平。③肽在具有大量蛋白酶的內體中持續(xù)存在的能力。④MHCII婁對肽和CLIP的相對親和力。以上4種因素中任何一種發(fā)生改變，都會明顯影響II類對肽的選擇。II類分子與Ii的親和力受MHC單元型影響。用CathS特異性抑制劑阻斷CLIP形成的實驗證明了11類分子/Ii相互作用的強弱能影響II類分子荷肽。在對Ii具有高親和力的小鼠品系(I-Ab)中，內體中II類荷肽顯著減少。在對Ii親和力低的I-As小鼠中，即使缺乏CathS也不影響II類荷肽。人類中發(fā)現(xiàn)HLA-DR3與Ii親和力低而HLA-DR1與Ii親和力高。外源性抗原本身的性質也影響其在內體中的加工及與II類分子的結合。蝦與花生中的某些蛋白質具有明顯的抗熱、抗化學和抗酶的特性。屋坐螨中幾種變應原本身就是消化酶，能抵抗酶解而持續(xù)存在，因而容易被II類分子俘獲和遞呈。最后，HLA-DO分子也可以通過影響DM分子的活性而參與調節(jié)，這一點上面已經提到。三、內源性抗原加工遞呈途徑內源性抗原來源已在敘述外源性抗原來源時提及。簡言之，一切出現(xiàn)在胞質內的抗原均屬內源性抗原。在自身免疫病中，某些自身蛋白也成為內源性抗原。內源性抗原肽的產生內源性抗原肽在胞質中產生。內源性抗原在細胞內的降解過程與胞內其他蛋白質的降解并無本質區(qū)別。在真核細胞中，蛋白質的合成是受嚴密調節(jié)的。每一種蛋白都處于不斷轉換和新陳代謝中。陳舊的蛋白不斷地降解，被新產生的蛋白更新。內源性抗原在胞質內的降解過程所利用的，實際上就是正常細胞內蛋白質轉換的降解機制。內源性抗原的降解過程可分為內源性抗原泛生物素化(polyubiquitination)和泛生物素化內源性抗原在蛋白酶體中降解兩個步驟。下面分別敘述。內源性抗原泛生物索化：泛生素(ubiquitin)是一種小分子多肽。蛋白質在多種酶和ATP的作用下與泛生素結合。泛生素的作用是引導與之結合的蛋白質進入蛋白酶體。但并非所有的內源性抗原都必須泛生素化后才能進入內源性抗原加工途徑。有些蛋白質可能是在ER中，而不是在蛋白酶體中降解的。內源性抗原在蛋白酶體中降解：蛋白酶體(proteosome)是存在于細胞中的一種大分子量蛋白質水解酶復合體，具有廣泛的蛋白水解活性。動物細胞中蛋白酶體由20s的蛋白酶體和調節(jié)復合物(regulatorycomplex)組成。調節(jié)復合物有2種，一種為19S，另一種為11S(PA28/REG)，后者由IFN-y誘導產生。11S調節(jié)復合物與蛋白酶體組成免疫蛋白酶體.與ER相連，其產生的肽經TAP轉運進入ER與MHCI類分子結合。20s蛋白酶體的結構象一個中空的圓柱體，由4個圓環(huán)串接而成。圓環(huán)中央是一個貫穿縱長直徑為l?2nm的孔道。每個圓環(huán)含有7個球形亞單位。圓柱體兩端的兩個圓環(huán)均含a亞單位，中間2個圓環(huán)均含P亞單位。真核細胞的蛋白酶體的每個P環(huán)各含3個催化亞單位(X，Y，Z)。泛生素化的內源性抗原進入孔道后，在蛋白水解酶的作用下降解。蛋白酶體中的蛋白水解酶能裂解3?4種不同類型的肽鍵。蛋白水解作用之所以在蛋白酶體的中央孔道中進行，并要求蛋白質在泛生素化后才能進入中央孔道，可能是為了避免對胞質中各種蛋白質產生旁觀者降解效應。在IFN-y誘導下，X、Y和Z三個亞單位分別被三個同源的亞單位替代，它們是LMP7、LMP2和MECL-1，這時的蛋白酶體就稱為免疫蛋白酶體。LMP是低分子量多肽（lowmolecularweightpeptide）的縮寫。LMP2和LMP7分別由位于MHCII類區(qū)中的同名基因編碼，這兩種基因都只有非常有限的多態(tài)性。LMP2和LMP7分子能影響蛋白酶體產生的肽的特性。LMP2和LMP7使蛋白酶體對堿性和（或）疏水性殘基下游肽鍵的水解作用增強。因為MHCI類分子結合的肽末端均為疏水性或堿性殘基，所以LMP2和LMP7有利于蛋白酶體產生能與MHCI類結合的肽。IFN-y對LMP2和LMP7的表達有上調作用。IFN-y誘導的另一個產物是PA28（proteosomeactivator28），即上面提到的11S調節(jié)復活物。PA28與免疫蛋白酶體結合后影響蛋白酶體的切割特性，也使得所產生的肽更適合與MHCI類分子結合。ATP酶與蛋白酶體（圖7-2）的結合使得蛋白酶體能識別泛生素化蛋旦質。ATP酶還可能起到解疊酶的作用。蛋白酶體不是胞質中唯一的蛋白酶，胞質中還存在另一種大分子量蛋白酶，在內源性抗原降解中發(fā)揮作用。（二）內源性抗原肽的轉運I類分子是在內質網腔中荷肽的，因此，經蛋白酶體降解產生的內源性抗原肽必須進入ER才能與I類分子結合。這一轉運過程是在一種稱為TAP的轉運蛋白的幫助下實現(xiàn)的。TAP即抗原加工相關轉運蛋白（transporterassociatedwithantigenprocessing），由兩個亞單位TAP1和TAP2組成，是一種位于ER膜上的跨膜蛋白，屬ABC轉運蛋白家族。每個亞單位反復穿越ER膜6次。TAP1的兩個穿膜段和TAP2的兩個穿膜段在ER膜上圍成一個孔道，胞質內的內源性抗原肽即通過這一孔道進入ER腔。TAP1和TAP2近C端各有一個ATP結合部位，它能催化ATP降解，為TAP轉運內源性抗原肽提供能量。內源性抗原肽在進人ER前，先與TAP結合，結合部位是在TAP穿膜段圍成的孔道的胞質側。在TAP胞內段中ATP結合結構域作用下，ATP降解，孔道的胞質側開放，內源性抗原肽進人孔道（圖7-3）。TAP對它所轉運的肽的長度和肽的末端殘基的性質有一定的要求。它選擇性地轉運8?12肽，這種長度正是MHCI類分子抗原結合槽所能容納的量適長度。TAP優(yōu)勢選擇C端為堿性、極性或疏水性殘基的肽，而這些殘基也是與I類分子結合肽的錨著殘基。由此可見，TAP特別適合于運輸能與I類分子結合的肽。在有TAP突變的大鼠RMA-S細胞株和人721細胞株中，細胞表面MHCI類分子表達減少或不表達。在人類的某些腫瘤細胞株中也發(fā)現(xiàn)，TAP2表達缺陷與腫瘤細胞表面MHCI類分子表達減少有關，由此造成的腫瘤抗原遞呈的缺陷可能是腫瘤逃逸免疫監(jiān)視的原因之一。需要指出的是，非經典性I類分子HLA-E發(fā)揮遞呈作用時，在ER中與其他HLA分子引導序列的結合不依賴TAP。內源性和外源性抗原加工途徑特點比較如表7-2所示。（三）MHCI類分子荷肽MHCl類分子的a鏈和p鏈（即p2m）在粗面內質網中合成后被轉運到光面內質網。a鏈在到達ER后必須立即與伴隨蛋白結合。參與I類分子加工的伴隨蛋白有多種，其中主要的有鈣聯(lián)蛋白（calnexin）、tapasin和鈣網蛋白（calreticulin）。這些伴隨蛋白的作用有三：一是幫助a鏈正確折疊，以與p2-m裝配成I類分子；二是保護a鏈不被降解；三是幫助I類分子與TAP分子結合。TAP與I類分子的結合一方面促使a鏈和p2-m進一步折疊，另一方面使通過肽轉運孔道的內源性肽直接與I類分子結合。大部分MHCI類分子是以這種方式荷肽的。至此，I類分子荷肽過程結束。荷肽后的I類分子結構穩(wěn)定，從ER進入高爾基體經糖化修飾后，通過胞吐空泡被轉運到細胞表面，供CD8+T細胞識別。外源性和內源性加工遞呈途徑如圖7-4所示。四、抗原加工遞呈的非經典途徑除了上述兩條抗原加工遞呈途徑外，還存在其他的途徑，這里我們把它們稱為非經典抗原加工遞呈途徑。這些非經典途徑并非為非生理途徑，它們與經典途徑并存，使一種抗原可通過不同的途徑被加工遞呈，擴大了免疫應答的范圍。事實上，某些非經典途徑在免疫耐受、抗胞內感染和抗腫瘤免疫中具有極其重要的作用。參與非經典途徑的APC主要是DC和MOo非經典外源性抗原加工遞呈途徑這一途徑又稱非經典I類途徑，其中，外源性抗原肽最終被MHCI類分子遞呈。涉及的機制包括：吞噬體-胞質溶膠(phagosome-cytosol)方式：外源性抗原或抗原肽從內體中逸出，進入胞質，進入內源性抗原加工遞呈途徑。例如，分枝桿菌抗原和腫瘤抗原可以通過這一途徑被HLAI類分子遞呈，激發(fā)CD8電TL的產生。MHCI類分子經ER和高爾基體直接進入內體，與外源性抗原肽結合并將其遞呈到細胞表面。某些外源性蛋白可直接穿透細胞膜進入胞質。溶酶體中的外源性抗原肽經胞吐作用被釋放到胞外，與細胞表面的MHCI類分子結合。在上述的第一、第三種方式里，外源性抗原完全以內源性抗原方式加工和遞呈，依賴蛋白酶體和TAP。而在第二、第四種方式里，外源性抗原的加工方式不變，但是被MHCI類遞呈(圖7-5)o非經典內源性抗原加工遞呈途徑或稱非經典II類途徑，指內源性抗原經由II類分子遞呈?？赡艿臋C制包括：1.自吞小泡形成：在應激情況下，胞質內出現(xiàn)自吞現(xiàn)象，產生包含蛋白質抗原的自吞小泡(autophagosomes)。自吞小泡與內體/溶酶體融合，使胞質蛋白進入外源性抗原加工和遞呈途徑。在這一途徑中，內源性抗原完全以外源性抗原方式加工和遞呈。2.II類分子在內質網腔中與內源性抗原肽結合：有些II類分子可以在ER中與肽結合，這可能是因為這些II類分子與Ii的親和力低所造成的，使得Ii鏈不能覆蓋II類分子抗原結合槽，而將它暴露于內源性抗原肽。例如，有人報道，HLA-DQAl*0501-DQB1*0301分子因為與Ii的親和力低而在ER中與自身抗原結合。這種非經典途徑可能導致自身免疫病的產生。其中內源性抗原的加工方式與經典途徑沒有什么區(qū)別。第三節(jié)脂類抗原的加工與遞呈一、脂類抗原及其加工區(qū)室脂類抗原來源CDlb和CDlc遞呈的脂類抗原主要來自于分杖桿菌胞壁成分，包括糖脂和磷脂等(圖7-6)。從CD1b和CD1c分子和脂類抗原復合物洗脫成分中，已鑒定的脂類抗原有霉菌酸(mycolicacid)、葡萄糖單霉菌酸酯(glucosemonomycolate，GMM)和脂阿糖甘露聚糖(1ipoarabi-nomannan，LAM)等。CDld分子能遞呈疏水肽。近來發(fā)現(xiàn)CD1d分子也能遞呈脂類抗原，例如?；拾贝?ceramide)o脂類抗原細胞內加工區(qū)室在人類，CD1b分子存在于許多酸性的內體區(qū)室中，其中某些區(qū)室即為MHCII類分子荷肽區(qū)室(MIIC/CIIV)，這些區(qū)室富含脂類。但最近的研究表明CDla分子不進入MIIC，可能在其他區(qū)室中與脂類抗原結合。由于MIIC中含有豐富的脂類，所以它們可能是CDl分子與外源性脂類抗原結合的理想部位?，F(xiàn)已證明CDlb及其所遞呈的LAM均存在于MIIC中。MIIC中的酸性環(huán)境促使CD1b分子構象發(fā)生變化，疏水性抗原結合槽的暴露有利于與脂類配體結合。另外，MI1C中含有的一些作用廣泛的降解酶可裂解某些脂類抗原中大的糖鏈。二、CD1限制性T細胞的特點CD1分子遞呈的脂類抗原往往由特定的T細胞識別。有人稱此為CD1限制性T細胞。此類細胞識別抗原的方式有兩種。第一種直接識別其他細胞表面的CD1分子；第二種類似于T細胞對MHC分子-抗原肽的識別，即T細胞識別CD1分子與脂類抗原復合物。直接識別CD1分子的T細胞這種類型的T細胞能特異性地識別CD1d分子。最近發(fā)現(xiàn)小鼠MIIC內CD1d分子中含有糖磷脂酰肌醇〈glycophosphatidylinositol)，它可能是CD1d的天然配體。這一類T細胞表型為CD4-CD8-雙陰性(DN)，也有CD4+T細胞和只表達低水平的CD8a亞單位的CD8+T細胞。T細胞的受體可以是a8型或丫。型。小鼠CD1d反應性T細胞中有一個亞群，它具有NK細胞的標記NK1.1，所以稱為NK1.1+T細胞。這種NKT細胞的a鏈是恒定的，由Va14Ja281組成，而其8鏈的取用也非常局限，一般只有2?3種(V82,V88和V87)。人類CD1d反應性T細胞的TCR組成與小鼠NKT細胞十分相似，其a鏈均為Va24，其8鏈為Vp2、Vp8、Vp11和Vp13。這類T細胞在識別CD1后分泌IL-4，指令ThO進一步增殖分化，具有免疫調節(jié)作用，在自身免疫病的發(fā)生和腫瘤的排斥中起重要作用。識別CDl分子-脂類抗原復合物的T細胞最初發(fā)現(xiàn)結核病患者體內存在受CD1b限制、結核桿菌胞壁成分霉菌酸(mycolicacid)特異性DNT細胞。以后的研究擴展了這一發(fā)現(xiàn)。從一個麻風病患者的皮損中分離到LAM特異性的、CD1b限制性T細胞。LAM是麻風桿菌胞壁中的一種重要成分。在體外，這種CD1b限制性T細胞對LAM的識別需要麻風桿菌胞壁在CD1b+APC中加工。麻風桿菌胞壁在APC內體中酸化，產生LAM，最后被CD1b遞呈。目前除了LAM和霉菌酸外，已純化的由CD1b遞呈的分枝桿菌胞壁成分還有磷酸肌醇甘露糖苷(phosphoinositidemannosides，PIMS)，mycolylglycolipids和上面提到的GMM等。須指出的是，CDl限制性T細胞識別的是脂類抗原的親水性頭部和CD1a螺旋上的氨基酸殘基，而不是脂肪鏈。最近的研究證明，第2組CD1分子，即CD1d1分子也能遞呈脂類抗原。Kawano等證明，小鼠CD1d分子能夠遞呈人工合成的糖脂抗原(a-galactosylcernide，a-Galcer)。此外，在哺乳類細胞系中，CD1d分子與糖基磷酸肌醇結合在一起。第四節(jié)抗原遞呈的生理意義T細胞只能識別MHC分子遞呈的蛋白質抗原肽和CD1分子遞呈的脂類抗原，這一事實決定了T細胞介導的免疫應答所具有的一些基本特性。下面介紹抗原遞呈在T細胞對非己抗原的監(jiān)視和T細胞對免疫應答調節(jié)中的作用。一、抗原遞呈與T細胞對非己抗原的監(jiān)視由于T細胞只能識別經過加工并被MHC分子遞呈的肽，所以抗原加工和遞呈是T細胞識別和監(jiān)視非己抗原的前提。從某種意義上來說，只有能被遞呈的抗原才有可能被T細胞識別。非己抗原通過加工后被MHCI類和II類遞呈到APC或靶細胞表面，被CD4+和CD8+T細胞識別。T細胞對MHC/肽復合物的特異性識別是極其靈敏的。一個特異性T細胞能夠識別APC表面由100?200個特定MHC分子遞呈的特定非己抗原肽，這一數(shù)量不到APC表面MHC/肽復合物總量的1%。所以在體內不斷循環(huán)的T細胞通過其特異性的TCR識別MHC分子遞呈的非己蛋白的靈敏度是相當高的，由此而實現(xiàn)免疫監(jiān)視作用。二、免疫調節(jié)作用前面說過，只有能夠被MHC分子遞呈的抗原才有可能被T細胞識別并啟動免疫應答。MHC是高度多態(tài)性的，不同個體表達不同的等位基因產物。而一種特定的MHC分子只能選擇性地結合一組具有相似錨著殘基的肽，因此造成不同個體對蛋白質抗原免疫應答的差異。所以，一個個體對抗原的免疫應答在很大程度上是由該個體ll^HC基因型決定的。因此，MHC等位基因產物通過抗原遞呈參與免疫調節(jié)。應該說，這一調節(jié)發(fā)生在群體水平。HLA-E可被NK細胞表面帶有c型凝集素樣結構的抑制性受體CD94/NKG2A所識別，HIA-E的抗原遞呈作用有助于NK細胞區(qū)分靶細胞表面是否表達MHCII類分子，以及這些分子是否為自身MHC分子，由此調節(jié)NK的殺傷活性，使之區(qū)別性地殺傷不表達I類分子的惡變細胞和病毒感染的靶細胞。脂類抗原的加工和遞呈代表了另一個特殊的抗原加工遞呈途徑。從本質上來說，脂類抗原的加工和遞呈的生理意義與上述的蛋白質抗原的加工遞呈是一樣的。由于MHC分子只能遞呈蛋白質抗原，所以CDl分子遞呈脂類抗原是對MHC抗原遞呈系統(tǒng)的補充，擴大了T細胞應答的抗原范圍，為T細胞提供了另一個監(jiān)視目標。CDld反應性T細胞在免疫調節(jié)中，特別是在自身免疫中具有重要作用。有證據(jù)表明，CDld反應性T細胞在腫瘤排斥中也有一定的作用。第五節(jié)T細胞對抗原的識別一、T細胞對蛋白質抗原的識別（一）TCR與MHC分子一肚復合物的相互作用經過加工的抗原被MHC分子遞呈到細胞表面后，在適當?shù)臈l件下被具有特異性受體的T細胞識別。未致敏T細胞在外周淋巴器官中與APC相遇并被激活，而已致敏的T細胞則離開外周淋巴器官經血液循環(huán)進入抗原入侵部位發(fā)揮效應。無論是CD4+T細胞還是CD8+T細胞表面都具有特異性T細胞抗原受體，即TCR。apTCR和Y。TCR識別抗原的方式是相同的，下面以apTCR為例敘述T細胞對抗原的識別。apTCR是由2條跨膜糖蛋白，即a鏈和p鏈，通過二硫鍵連接而形成的異二聚體。a鏈和p鏈的膜外部分各含有2個Ig樣結構域，一個為膜近端的恒定區(qū)，另一個為膜遠端的可變區(qū)。a鏈和p鏈的可變區(qū)共同組成TCR的抗原結合部位。TCR的膜內段很短.不具備傳遞信號的條件。TCR識別抗原的信號主要是通過CD3復合體傳導的。與Ig一樣，TCR的抗原結合部位也是由a鏈和p鏈的CDRl、CDR2和CDR3組成的。在空間構象上，CDR3位于抗原結合部位中央，而CDRl和CDR2組成抗原結合部位外側。MHCI類分子-肽-TCR復合物晶體結構分析顯示，MHCI類分子抗原結合槽與TCRVa、Vp結構域之間以斜交的方式結合。CDR1a位于肽的N端上方，CDRlp位于肽的C端上方，CDR2a和CDR2p分別位于I類的a2和a1螺旋上方。這種斜交方式的相互作用有利于TCR的中央部位，即CDR3與肽密切接觸。TCR的CDRl和CDR2由TCR基因的V區(qū)編碼，CDR3由VJ區(qū)（對a鏈）或VDJ區(qū)（對p鏈）編碼。TCRV區(qū)的基因片段數(shù)量大大少于Ig基因V區(qū)基因片段，因此TCR中CDR1和CDR2多樣性也相應地大大低于Ig。相反，TCR基因具有高出Ig數(shù)倍至十數(shù)倍的J基因片段，其N核苷酸數(shù)目也高于Ig基因，因此TCR中CDR3的多樣性大大高于Ig。TCR中CDR的特點是與其配體即MHC/肽的特點相適應的。對細胞表面MHC分子中洗脫的肽的氨基酸序列的分析以及體外MHC分子與人工合成肽的親和力測定證明，某種特定的MHC分子可以與多種肽結合，這些肽除了錨著殘基是相同或相似以外，其余部位的氨基酸組成和序列是不同的，有時肽的長度也有變化。如與I類分子結合的肽可為8?11肽，與II類分子結合的肽的長度范圍一般從13?30個氨基酸。MHC分子-肽復合物的晶體結構圖顯示，在MHC分子抗原結合槽內的肽，其兩端（包括錨定殘基及其附近的殘基）是深埋于槽內的，只有中央的幾個殘基暴露于槽的表面，這些暴露的殘基與其兩側的MHC分子。螺旋表面的某些氨基酸殘基共同組成了TCR識別的配體。雖然MHC是高度多態(tài)性的，但每一個個體只能具有為數(shù)有限的幾種MHC分子。所以，就每一個特定的個體而言，MHC中a螺旋的多樣性是有限的。然而同一種MHC分子因為可以與許多序列不同的肽結合，形成許多不同的TCR配體，所以TCR配體的多樣性主要是由其中的肽決定的°TCR識別配體時，多樣性程度較低的CDRl和CDR2是與配體兩側的a螺旋接觸的，而多樣性最豐富的CDR3是與配體中央的肽接觸的。由于a螺旋的多態(tài)性是有限的，而肽的種類是無限的，所以TCR的多樣性主要集中在它識別抗原肽的CDR3部分。TCR與其配體的結合是低親和力的，在一定的時間里，一個MHC分子/肽復合物可連續(xù)激活幾十至200個TCR/CD3復合體。TCR/CD3信號積累，激活T細胞。這一作用方式使得APC或靶細胞表面只要有少量配體就可激活特異性T細胞。最近的研究提示，TCR是以二聚體形式識別配體的。（二）參與T細胞-APC,T細胞-靶細胞相互作用的粘附分子T細胞識別抗原時要求T細胞與APC或靶細胞發(fā)生短暫的接觸，這段短暫的時間對于T細胞從APC或靶細胞表面大量的MHC分子中篩查出一種為數(shù)極少的特定的MHC/肽復合物并傳導激活信號來說是必不可少的。前面提到，體外培養(yǎng)的M0表面MHC分子中絕大多數(shù)含有自身肽，只有不到0.1%的MHC分子含有非己抗原。由于TCR與MHC分子-肽配體的結合是低親和力的，單獨依靠這種低親和力的結合不能保證T細胞的激活，因而需要輔助受體分子CD4、CD8和一系列其他粘附分子的參與，以加強TCR與配體的結合。CD4和CD8分子在T細胞對MHCII類和I類分子的區(qū)別性結合中起著關鍵性作用。