内源性途径

内源性抗原主要通过MHCⅠ类分子途径加工和呈递。大多数细胞质蛋白抗原在细胞内合成,有些是被吞噬再转运至细胞质。细胞质内的抗原可以是细胞感染病毒和其他胞内微生物的产物;肿瘤细胞中,各种突变和过表达的基因可能产生蛋白抗原;也可能是被内吞但从吞噬体中逃逸至细胞质中的抗原;另有细胞质中重要的蛋白来源是内质网(endoplasmic reticulum,ER)中合成的出现折叠错误的自身蛋白。

1.细胞质蛋白的酶解 蛋白抗原首先需被降解成抗原肽,才能装载至MHC分子上。内源性蛋白的剪切加工最主要是通过蛋白酶体(proteasome)的降解。蛋白酶体为中空的圆柱体结构,是由多个亚单位组成的复合蛋白,并具有广谱蛋白酶活性,在大多数细胞的细胞质和细胞核中存在。蛋白酶体为两个β内环和两个α外环组成筒状结构,每个环由7个亚单位组成,在圆柱体结构的两端各有一个帽状结构。α外环不具有酶活性,在β内环的3个亚基含有水解蛋白的活性位点。

一般情况下,蛋白酶体降解老化或有折叠错误的蛋白。需要降解的蛋白首先共价结合数个被称为泛素的小分子多肽,结合了4个或以上泛素的蛋白能够被蛋白酶体的帽状结构识别,蛋白被去折叠,呈线性通过蛋白酶体的中央,被剪切为多肽。蛋白酶体可以产生广谱的多肽,但通常并不把蛋白分解为单个氨基酸。有趣的是,经细胞因子IFN-γ刺激后,蛋白酶体β内环中的3个活性亚单位被新的活性亚单位(低分子量多肽,low molecular weight peptide,LMP)取代,称为免疫蛋白酶体(immunoproteasome)。免疫蛋白酶体的底物特异性及产物性质均发生改变,酶切的多肽产物通常含有6～30个氨基酸残基,且其C端多为疏水性或碱性氨基酸残基,这类多肽适合被TAP转运蛋白运送至内质网腔内(详见下述)并适合与MHCⅠ类分子的抗原槽结合。此外,IFN-γ还能够增加MHC分子的表达。

2.抗原肽从细胞质到内质网的转运 由于抗原肽在细胞质中生成而MHCⅠ类分子在内质网中合成,需要将胞质中的抗原肽转运至内质网才能形成抗原肽-MHCⅠ复合物。这个转运过程由抗原加工相关转运物(transporter associated with antigen processing,TAP)完成,TAP是由两个跨膜蛋白亚单位(TAP1和TAP2)组成的异二聚体,在内质网膜上形成孔道,TAP与ATP依赖性ABC转运蛋白家族中的蛋白有同源性。胞质中的抗原肽与TAP蛋白结合,TAP发生ATP-依赖性的蛋白构象改变,开放孔道,完成抗原肽从细胞质到ER的转运。TAP对含8～16氨基酸残基,C端为疏水性或碱性氨基酸残基抗原肽的转运最为有效,这些抗原肽恰好又是免疫蛋白酶体剪切产生的,并适合结合在MHCⅠ类分子的抗原结合槽上。

3.内质网中抗原肽-MHCⅠ类分子复合物的组装 MHCⅠ类分子的合成与组装是一多步骤的过程,并与抗原肽结合密切相关。MHCⅠ类分子的α重链和β2微球蛋白(β2-microglobulin,β2m)在内质网中合成,新合成的α链与伴侣蛋白(chaperone)结合。伴侣蛋白包括钙联蛋白(calnexin)、钙网蛋白(calreticulin)及TAP相关蛋白(Tapasin),它们协助新合成的α链折叠及与β2m组装成完整的MHCⅠ类分子。Tapasin蛋白与TAP蛋白结合,因此Tapasin将等待装载的MHCⅠ类分子与TAP转运蛋白连接起来,促进转入内质网的抗原肽与MHCⅠ类分子结合。实际上,TAP、Tapasin、钙联蛋白、钙网蛋白和羟基氧化还原酶Erp57等形成了一抗原肽装载复合物,协调MHCⅠ类分子的折叠组装及抗原肽的结合。Erp57可催化MHCⅠ类分子功能区二硫键的断裂和重建,使抗原肽的结合更加稳定。在结合过程中,抗原肽氨基肽酶(ER Resident Aminopeptidase,ERAP)进一步修剪抗原肽,形成含8～12个氨基酸残基的抗原肽,更适合结合在MHCⅠ类分子的抗原结合槽中。抗原肽结合完成后,MHCⅠ类分子与Tapasin解离,可以离开内质网经高尔基复合体转运至细胞膜。

4.抗原肽-MHCⅠ类分子复合物在细胞表面的表达 表达于细胞膜表面的抗原肽-MHCⅠ类分子复合物具有稳定的结构,能够被抗原特异性的CD8+T细胞识别,而TCR的共同受体(co-receptor)CD8分子结合在MHCⅠ类分子保守的α3结构域。抗原肽的结合同时也增强MHCⅠ类分子稳定性,如果没有抗原肽的结合,新形成的MHCⅠ类分子α链-β2m二聚体不能经内质网转运至高尔基复合体,最终将被运送至细胞质被蛋白酶体降解。

综上所述,内源性蛋白抗原首先在细胞质中被蛋白酶体剪切成抗原肽,后经TAP转运蛋白运送至内质网;内质网内新合成的MHCⅠ类分子α链和β2m在伴侣蛋白协助下完成蛋白折叠和组装,伴侣蛋白协助抗原肽装载至MHCⅠ类分子的抗原结合槽中;所形成稳定的抗原肽-MHCⅠ类分子复合物,经高尔基复合体转运至靶细胞表面,供抗原特异性CD8+T细胞识别(图5-2,表5-3)。

图5-2 内源性抗原通过MHCⅠ类分子途径加工和呈递

表5-3 内源性和外源性蛋白抗原加工呈递的比较