1. TSU.TW
  2. 血液病学
  3. 基础与理论
  4. 血液免疫学

抗原加工递呈和T细胞对抗原的识别

抗原递呈细胞

具有加工和递呈抗原能力的细胞称为抗原递呈细胞(antigen-presenting cell,APC)。广义地讲,凡是能对抗原进行加工并以抗原肽的形式递呈给T细胞的细胞统称为APC。所有的有核细胞都具有降解胞质内蛋白质的能力,而且都表达MHCⅠ类分子,所以,有核细胞一旦表达非己抗原,如病毒感染细胞和肿瘤细胞等,都能成为APC,向CD8+T细胞递呈抗原。但通常把通过MHCⅠ类分子向CD8+T细胞递呈内源性抗原的细胞称为靶细胞,即内源性抗原多以靶细胞作为APC;而只把表达MHCⅡ类分子并能向CD4+T细胞递呈外源性抗原的细胞称为APC。

专职APC指一类具有摄取、加工、递呈胞外(外源)抗原,激活CD4+T细胞的细胞。它们必须表达MHCⅡ类分子、协同刺激分子和各种黏附分子。具备上述条件的主要有三类细胞,即巨噬细胞(macrophage,Mф)、树突细胞(dendritic cell,DC)和B淋巴细胞。胸腺上皮细胞也属APC,它们组成性表达MHCⅡ类分子,向未成熟T细胞递呈抗原,为T细胞在胸腺内的阳性选择和阴性选择发挥特殊的作用。在特定条件下,由于细胞因子的作用,有些细胞如皮肤成纤维细胞、脑小胶质细胞、血管内皮细胞等可诱导性表达MHCⅡ类分子、协同刺激分子和黏附分子,也可成为APC。但在正常情况下,这些细胞行使专有功能,不具备递呈抗原能力,故称为非专职APC。如不加说明,APC只指专职APC。下面简要介绍三种APC的特点。

巨噬细胞

是APC中吞噬能力最强的细胞。能吞噬大的颗粒性抗原,因此在加工递呈胞外病原体和颗粒抗原中起重要作用。静止巨噬细胞只表达少量MHCⅡ类分子,完全不表达协同刺激分子。在吞噬病原体后并在CD4+T细胞(Th1)分泌的IFNγ、TNFβ等细胞因子作用下,巨噬细胞被激活,可上调表达MHCⅡ类分子、协同刺激分子CD80、CD86和CD40以及多种黏附分子。单核巨噬细胞还可通过其表面的甘露糖受体、LPS受体、葡聚糖受体等与病原体表面相应配体结合,促进对其内吞,从而加强扩大了捕获抗原的能力。

B细胞

B细胞不具吞噬功能,而是通过BCR即细胞膜表面IgM特异性地摄取可溶性抗原并通过胞吞作用,摄入BCR抗原复合物。在内体和特定的抗原加工区室(CⅡV)中,抗原被降解成肽段,然后抗原肽与进入内体的MHCⅡ类分子结合,递呈给CD4+T细胞。B细胞虽高表达MHCⅡ类分子,但不能组成性表达协同刺激分子B7(CD80和CD86)。许多微生物成分,如脂多糖(LPS)可诱导B细胞表达B7。与其他两个APC相比,B细胞对抗原的识别和结合是特异性的,且可递呈低剂量抗原。B细胞用以激活T细胞的抗原浓度仅为单核巨噬细胞所需浓度的10-6~10-4。而且激活或记忆B细胞表达高亲和力BCR、Ⅱ类分子和协同刺激分子,故有很强的抗原递呈活性,因而在再次免疫时起重要作用。

值得强调的是,B细胞向T细胞递呈抗原,也是T、B细胞相互作用的基础。B细胞激活需要T、B细胞间发生相互作用。B细胞既是T细胞活化的APC,又是Th细胞(Th2)辅助的对象。这一相互合作包括:抗原与BCR结合是B细胞激活的第一信号;B细胞作为APC把抗原肽递呈给CD4+T细胞,为其活化提供第一信号;活化T细胞表达CD40L与B细胞上的CD40结合成为B细胞活化的第二信号;活化后的B细胞表达B7分子与T细胞的CD28结合为T细胞活化提供第二信号;活化的T细胞分泌的细胞因子尤其是IL-4,与B细胞上的IL-4R结合,也是B细胞活化所需的第二信号。上述相互作用反复发生,效应不断积累和放大,从而完成T、B细胞相互合作,为获得性免疫提供了全面的效应功能。

树突状细胞

DC在体内数量很少,但分布很广。未成熟的DC分布于各种组织,成熟DC存在于脾、淋巴结等周围淋巴器官中。组织中未成熟DC通过吞噬、内吞和巨胞饮摄取、加工处理抗原,但由于其MHCⅡ类分子、协同刺激分子表达低,不能激活未致敏的T细胞。DC在外周感染部位摄取抗原后被激活,运动能力增强,经输入淋巴管进入引流淋巴结,在此过程中分化为成熟的DC。失去主动摄取抗原的能力,上调并高表达MHC分子、协同刺激分子和黏附分子。此时的DC对未致敏的T细胞、休止期记忆T细胞具有比单核巨噬细胞和B细胞强数百倍的抗原递呈能力,且在不需要任何外来刺激分子的条件下就可启动机体的免疫应答。淋巴结中的DC主要集中在T细胞区,它们已不具有吞噬功能,但病毒和细菌毒素本身具有进入细胞的能力,DC可对它们进行加工递呈。DC递呈的病毒谱很广。可以通过MHCⅠ类和Ⅱ类分子递呈病毒肽,激活CD8+和CD4+T细胞。

综上所述,虽然三类APC的组织学分布、摄取抗原的方式、MHC分子和协同刺激分子的表达水平以及加工递呈抗原的种类和能力方面有一定差异,但它们相互补充,最终使免疫系统能对所有抗原产生有效的应答。

抗原递呈分子

抗原递呈分子包括MHC分子、CD1分子和其他抗原递呈分子。

MHC分子

编码人类主要组织相容性复合物(MHC)的基因位于第6号染色体短臂。基因产物MHC分子表达在不同细胞表面。1999年,HLA(人类白细胞抗原,即人类的MHC)基因序列分析工作已经完成并揭示,它是迄今为止人体中最复杂、多态性最丰富的遗传系统,拥有极大数量等位基因,赋予种群对各种病原体显示最合适免疫应答的巨大潜力,以适应多变的内外环境。早在1939年就发现了MHC基因,当时认为它是移植排斥反应的主要决定因素。1973年报道了MHC限制性现象。10年前首次阐明了MHC分子的抗原结合骨架,使其结构和功能的研究进入了一个崭新的时代。现人们认识到,MHC除了作为移植抗原外,还具有其他重要的生物学功能。它不但在T细胞分化发育中是必需的,而且在免疫应答的启动和调节中同样发挥着重要的作用。

经典的HLA分子包括HLAⅠ类分子(HLA-A、B、C)和HLAⅡ类分子(HLA-DR、DP、DQ),均为糖蛋白。HLAⅠ类分子表达在绝大多数有核细胞表面,但不同的组织和细胞的表达水平不同。HLAⅡ类分子表达范围较窄,主要分布在单核细胞/单核巨噬细胞、DC和B细胞(即APC),以及激活的T细胞和胸腺上皮细胞表面;以上均为组成性表达。但某些细胞因子、细菌、病毒的刺激可以诱导原来低表达或不表达HLA分子的细胞表达HLA分子,此属于诱导性表达,IFN-γ是最强的诱导剂。

HLAⅠ类分子是由α重链和β2微球蛋白(β2 m)轻链组成的异二聚体,属IgSF。α重链由3个细胞外结构区(α1、α2和α3)、穿膜区和胞质区三部位组成。α3结构区与Ig的恒定区结构同源,是与T细胞表面CD8分子相结合的部位。人体中,HLAⅠ类分子α链的α1和α2结构区相互作用组成Ⅰ类分子的抗原结合凹槽,凹槽的两头封闭。进入该凹槽的抗原肽有2个基本特点,一是一般由8~10个氨基酸残基组成,因为9肽与HLA分子的结合亲和力要比大于或小于9肽的抗原肽高100~1000倍;二是抗原肽一般含有一段与某个特定HLA分子结合的部位,称为锚着位,位于该部位上的氨基酸称为锚着残基。抗原肽中间部位一般均有一定程度的隆起,可作为T细胞表位被TCR识别。β2m为可溶性蛋白,不通过细胞膜。其氨基酸序列高度保守,不同物种之间差别极小,可相互取代。β2m的作用主要是稳定Ⅰ类分子并使其能有效地表达于细胞表面。

HLAⅡ类分子也是由α链和β链组成的异二聚体。与Ⅰ类分子轻链不同,α链和β链各自均有2个胞外结构区(α1、α2和β1、β2)以及穿膜区和胞质区。α22结构区与Ⅰ类分子的α3结构区相似,能与T细胞表面的CD4分子结合。与Ⅰ类分子不同的是,Ⅱ类分子的抗原结合凹槽分别由α链和β链的α1和β1相互结合组成,形状与Ⅰ类分子的凹槽十分相似,但Ⅱ类分子的抗原结合凹槽两头是开放的。进入该凹槽的抗原肽长度为10~30个氨基酸,通常有一段由9个氨基酸组成的9肽核心结合序列。Ⅱ类分子结构的另一个重要特点是α/β异二聚体可相互作用,再形成一个双二聚体,其中的两个抗原结合凹槽反向相互结合。这种复合分子可能有利于2个TCR-CD3和2个CD4分子发生多聚作用,启动信号传导。

经典HLA分子的最基本功能是与内源性抗原肽(由HLAⅠ类分子负责)和外源性抗原肽(由HLAⅡ类分子负责)结合,表达在靶细胞和APC表面,被CD8+细胞或CD4+细胞识别,然后启动免疫应答。

CD1分子

白细胞分化抗原CD1分子能将脂类抗原递呈给一类有特殊表型的T细胞亚群识别。

CD1分子是细胞表面的糖蛋白,与MHC基因编码的抗原递呈分子有关。CD1分子也与β2m非共价结合,构成异二聚体,亦属IgSF。CD1分子膜外结构区与MHC分子氨基酸同源性约30%。CD1分子包括CD1a、CD1b、CD1c、CD1d和CD1e,前3个属于第1组,CD1d为第2组,CD1e属第3组。第1组CD1高表达在皮质胸腺细胞、朗格汉斯细胞、DC及B细胞亚群上。第2组CD1表达在肠上皮细胞、B细胞亚群、DC及低表达于单核细胞上。第3组CD1分子主要表达在DC上。

其他抗原递呈分子

包括非经典的Ⅰ类抗原HLA-E和HLA-G。这些抗原的等位基因数十分有限。HLA-E主要递呈经典Ⅰ类分子和HLA-G分子引导序列中的一个9肽,参与激活NK细胞的抑制性受体CD94/NKG2A受体,这样,HLA-E分子可能在母-胎耐受中发挥作用。HLA-G分子也主要表达在胎盘的滋养层细胞上,此独特分布和HLA-E一样,可以直接活化NK细胞的KIR CD94/NKG2A,抑制NK细胞对滋养层细胞的杀伤作用,从而有利于保护胎儿在分娩前不因杀伤细胞作用而被母体排斥。但HLA-E/HLA-G如何与NK细胞作用以及引起母-胎耐受的确切机制仍不清楚。新近研究揭示HLA-E/HLA-G可能也具有递呈蛋白质抗原的能力。

抗原加工递呈的两条主要途径

抗原加工递呈的两条途径指的是加工递呈内源性抗原和外源性抗原。内源性抗原和外源性抗原的区别是根据它们在进入加工途径前所处的位置,即是位于细胞内还是存在于细胞外来确定的。任何抗原,无论是自身的还是非己的,如在胞质内加工,都称为内源性抗原,而进入内体加工的都称为外源性抗原。它们专指蛋白质抗原,不包括脂类抗原。现已知内源性抗原和外源性抗原加工递呈途径不同。

内源性抗原的加工递呈途径

一切出现在胞质内的抗原均属于内源性抗原,如胞内感染的病毒或发生了突变的细胞等。内源性抗原多以靶细胞为APC,因此,内源性蛋白质抗原的加工可在所有靶细胞(即有核细胞)的胞质中进行。HLAⅠ类分子存在于几乎所有有核细胞中,故经典的HLAⅠ类途径也几乎存在于所有有核细胞中。内源性抗原肽在胞质中产生,其降解过程所利用的实际上就是正常细胞内蛋白质转换的降解机制。但胞质对抗原蛋白质的降解过程具有高度特异性且被精确调控,以避免正常自身蛋白被非特异性破坏。当内源性抗原出现在机体之后,宿主细胞首先要对之识别,然后被蛋白酶体水解,降解产生的肽段被抗原加工相关转运蛋白(TAP)有选择性地(一般选择8~12肽)从胞质转运到内质网(endoplasmic reticulum,ER),并在此与新合成的HLAⅠ类分子结合。而后一起表达于细胞膜上,在这里被CD8+T细胞上的TCR识别。参与Ⅰ类分子加工的伴随蛋白有多种,其中主要的有钙联蛋白(calnexin)和钙网蛋白(calreticulin)。

至此,内源性抗原肽加工、Ⅰ类分子与抗原肽结合过程结束。结合肽后的Ⅰ类分子结构稳定,从ER进入高尔基体经糖基化修饰后,通过胞吐空泡被转运到细胞表面,供CD8+T细胞识别。

外源性抗原的加工递呈途径

外源性抗原主要为进入机体的非己抗原,如胞外感染的细菌、真菌、寄生虫和细菌外毒素,以及用于免疫预防的疫苗等。上述抗原被APC摄取后,质膜将抗原包围,在胞质中形成空泡,称为内体(endosomes)。内体在向胞质深部移动时逐渐成熟,成为溶酶体。内体/溶酶体中均为酸性环境,含有各种能降解蛋白质、糖类、脂类和核酸的酶。内体的功能是运送和降解被摄入的外源性抗原,并且是MHCⅡ类分子与抗原肽结合的场所。在APC的内体/溶酶体中各种酶的作用下,只要有足够的时间,大多数蛋白质和肽都将在内体中被彻底降解,这一点对HLAⅡ类分子与抗原肽结合是十分重要的。HLAⅡ类分子必须在蛋白质抗原已部分降解而又未被彻底降解之前,即表位产生之时出现在同时含有外源性抗原肽和HLA-DM分子的内体溶酶体中,也就是当外源性抗原在内体溶酶体中降解到其中一些为10~18个甚至长到30个氨基酸的肽时,与适当的HLA-Ⅱ类分子结合,然后被转送到细胞表面,递呈给CD4+T细胞。

HLAⅡ类分子也在ER中合成,新合成的α链和β链装配成HLAⅡ类分子的过程中需要钙联蛋白和HLAⅡ类分子相关不变链li链(CD74)参与。钙联蛋白主要保证α链与β链正确组装成二聚体HLAⅡ类分子,并促进其与li链结合。Ⅱ类分子一旦与li链结合,钙联蛋白即从该二聚体中释放出来。li链在细胞中的作用主要是阻止HLAⅡ类分子与ER中的内源性抗原肽结合,引导HLAⅡ类分子进入内体,从而保证其与外源性抗原肽结合;稳定HLAⅡ类分子的结构。

在抗原加工递呈中,HLAⅡ类分子与抗原肽结合可在各种不同的抗原加工区室内发生,但主要在含有丰富HLAⅡ类、HLA DM和外源性抗原肽的内体中进行。这类区室有以下两种,在Mφ中有一种介于内体与溶酶体之间的晚期区室,称为MHCⅡ类区室(MⅡC)。在β细胞中存在一种可能是由早期和晚期内体产生的称为CⅡV区室。

HLA-DM是一种非经典Ⅱ类分子,存在于内体/溶酶体,即外源性抗原加工和Ⅱ类分子与肽结合的区室中,它可帮助Ⅱ类分子与肽结合,促使对Ⅱ类分子亲和力低的肽从Ⅱ类分子解离,以保证Ⅱ类分子与亲和力较高的抗原肽结合。

至此,外源性抗原加工、Ⅱ类分子与抗原肽结合过程结束,最后通过胞吐空泡膜与细胞膜融合,Ⅱ类分子—抗原肽表达在APC表面,供CD4+T细胞识别。

除了上述两条主要的抗原加工递呈途径外,还存在与之并存的抗原加工递呈途径,称为非经典途径。主要仍涉及外源性抗原和内源性抗原。现已证实,HLAⅠ类分子也可将外源性抗原递呈给CD8+T细胞;Ⅱ类分子同样可将内源性抗原递呈给CD4+T细胞。这样,同一抗原可以通过不同途径被加工递呈,从而扩大了免疫应答的范围。实际上,某些非经典途径在免疫耐受、抗胞内感染和抗肿瘤免疫中都具有重要作用。

脂类抗原的加工和递呈

CD1b和CD1c递呈的脂类抗原主要来自分枝杆菌胞壁成分,包括糖脂和磷脂等。CD1d分子能递呈疏水肽,近来发现它也能递呈脂类抗原。CD1b分子存在于许多酸性内体区室中,其中某些为MHCⅡ类分子与抗原肽结合的区室(MⅡC/CⅡV),此区室含有一些作用广泛的酶,可降解某些脂类抗原中大的糖链。CD1a分子不能进入MⅡC,可能在其他区室中与脂类抗原结合。经过加工的脂质抗原由CD1分子递呈给特定的T细胞——NKT细胞,也有称此为CD1限制性T细胞。

综上所述,T细胞只能识别经过加工并被MHC分子递呈的蛋白质抗原和CD1分子递呈的脂类抗原。抗原加工和递呈是T细胞识别和监视非己抗原的前提,只有能被递呈的抗原才有可能被T细胞识别,从而有可能启动免疫应答,达到排除非己的目的。脂类抗原的加工递呈代表了另一个特殊的抗原加工递呈途径,从本质上来说,其生理意义与蛋白质抗原的加工递呈是一样的。由于MHC分子只能递呈蛋白质抗原,所以CD1分子递呈脂类抗原是对MHC抗原递呈系统的补充,扩大了T细胞应答的范围,并为其提供了另一类监视目标。

T细胞对抗原的识别

经过加工的抗原以MHC/肽复合物形式表达在靶细胞或APC表面,由表达特异性TCR的CD4+T细胞或CD8+T细胞对之进行选择性识别(αβTCR 和γδTCR识别抗原的方式相同)。未致敏T细胞在周围淋巴器官与APC相遇并被激活,而已致敏的T细胞则离开周围淋巴器官,经血流进入抗原入侵部位发挥效应功能。

TCR识别抗原后的信号主要由CD3分子向细胞内转导。T细胞识别抗原时要求T细胞与APC或靶细胞发生短暂的接触和黏附,因黏附是启动T细胞识别的第一步。由于TCR与MHC/肽配体的结合是低亲和力的,因此,需要辅助受体分子CD4、CD8和一系列其他黏附分子的参与,以加强TCR与配体的结合。

CD4和CD8分子在T细胞对MHCⅡ类和Ⅰ类分子区别性结合中起关键的作用。CD4分子通过膜远端的结构区与Ⅱ类分子的α22结构区结合,因此,CD4+T细胞识别APC表面Ⅱ类分子/肽复合物。CD8分子则与Ⅰ类分子重链α3结构区结合,故CD8+T细胞识别靶细胞表面Ⅰ类分子/肽复合物。有报道,CD4和CD8分子的参与可使T细胞激活所需抗原剂量降低100倍,从而提高了T细胞识别抗原的敏感性。

除了CD4和CD8分子外,表达于T细胞和APC或靶细胞表面的黏附分子在加强T细胞与它们之间牢固结合中也发挥重要作用。这些黏附分子包括T细胞上的CD2和LFA-1(CD1a/CD18),以及APC或靶细胞上的CD58、ICAM-1(CD54)、ICAM-2 (CD102)、ICAM-3(CD50)等。T细胞一旦致敏,其表面的LFA-1构象发生改变,对ICAM-1、2、3的亲和力大大提高,同时其他许多表面分子也发生改变。黏附分子间的相互作用是可逆的,若T细胞不能识别靶细胞或APC上的MHC/肽复合物,或T细胞在完成对靶细胞的杀伤后,T细胞即与相结合的细胞分离。如果有足够的MHC/肽复合物与特异性的TCR结合,则开始T细胞识别及激活的过程。CD4、CD8和上述多种黏附分子除了参与T细胞与APC或靶细胞相互结合外,还参与抗原识别信号及协同刺激信号的转导。

MHC的限制性,即T细胞对蛋白质抗原进行识别时,必须同时识别MHC分子,此即T细胞的双重识别。应该说,MHC限制性是一个在二次应答中才能得到体现的免疫生物学现象。指的是,二次应答时,不仅需要有初次致敏的抗原,并要求该抗原肽由原先的MHC等位基因产物进行递呈。因此,T细胞的回忆性应答同时受抗原特异性和MHC等位基因特异性的约束。

识别脂类抗原的CD1限制性T细胞可表达αβTCR或γδTCR,而且识别也是特异性的。

抗原特异性T细胞在识别APC或靶细胞表面的MHC分子/肽或CD1分子/脂类抗原配体后,通过CD3分子传入T细胞激活的第一信号。至此,T细胞完成了对抗原的识别。在进一步接受协同刺激信号后,通过激活、增殖,最终分化成效应细胞和记忆细胞。

系统医学科普站点:天山医学院, 转载请注明出处:https://www.tsu.tw/edu/11560.html

中华皮肤病30年研究成果

心电图学一学就会

认识人体心脏,从解剖开始!

诱发心血管疾病的综合征

近视屈光激光手术矫正

适用于口腔科

做一个健康强健的男人!

智齿为萌出受阻的牙齿

内分泌与机体代谢医学

  • 人免疫系统的组成详
  • 免疫系统的特点和功
  • 什么是抗体?抗体的基
  • 免疫球蛋白的基本结
  • 免疫球蛋白的类型划
  • 免疫球蛋白的遗传控
医学医院知识

血液免疫学

  • [AD]
搜索 回顶部