分子及与抗原肽的结合

(一)MHC特征性的分子结构为其抗原呈递的功能服务

(1)MHC分子胞外部分由远离细胞膜的抗原结合结构域和靠近细胞膜的免疫球蛋白(immunoglobulin,Ig)样结构域组成。MHCⅠ类分子由在MHC内基因编码的α重链和MHC以外基因编码的β2m组成,而组成MHCⅡ类分子的α链和β链两个亚单位均由MHC内基因编码。尽管组成Ⅰ类和Ⅱ类分子的亚单位不同,但两类分子的蛋白三级结构相似。

(2)抗原结合槽是由两个α螺旋坐落于8个β片层结构之上构成,抗原肽被夹在两个α螺旋结构中形成三明治样结构。TCR不仅识别抗原肽,也识别抗原结合槽的α螺旋结构,因而存在MHC限制性现象。决定MHC分子多态性的氨基酸残基主要在抗原结合槽内或周边,正是由于这些多态性,决定了不同MHC分子结合不同的抗原肽,并被不同TCR特异性地识别。

(3)非多态性的免疫球蛋白样结构域含有与T细胞共同受体结合的位点。CD4和CD8表达于功能迥异的T细胞表面,协同TCR识别抗原,被称为T细胞的共同受体(co-receptor)。CD4分子结合于MHCⅡ类分子β2区,而CD8分子结合于MHCⅠ类分子的α3区,这就决定了CD4+Th细胞特异性识别MHCⅡ类分子呈递的抗原而CD8+CTL细胞识别MHCⅠ类分子结合的抗原肽。

(4)一个完整的Ⅰ类分子包括α重链、β2m轻链和结合的抗原肽;同样,完整的Ⅱ类分子包括α链、β链和所结合的抗原肽。只有三者同时存在,MHC分子才能稳定地表达于细胞膜上;而空载的MHC分子不稳定,只有当细胞膜上存在稳定的抗原肽-MHC分子复合物,才能供抗原特异性TCR寻找并识别。

(5)每个MHC分子只有一个抗原结合槽,一次只能结合一个抗原肽,但每个MHC分子能结合一系列抗原肽。不同于多肽激素和激素受体一对一地特异性结合,MHC分子结合抗原肽既有高亲和力又有广谱的特异性,即一个MHC分子能够结合一系列不同的抗原肽。每一个体只有共6个Ⅰ类分子和6～8个Ⅱ类分子,而人们可能接触到的致病原种类繁多,蛋白成分各不相同。正是由于MHC分子能够结合广谱抗原肽,才使得人类能够应对多种病原微生物的侵袭。

(6)少量的抗原肽-MHC复合物即可诱导T细胞活化。据估算,细胞膜上约100个抗原肽-MHC复合物分子就能够活化T细胞。

(7)MHC分子不能区分外来与自身多肽。事实上,APC上MHC分子结合的多数为自身多肽,但多数情况下并没有导致自身免疫反应,这是因为识别自身多肽的T细胞在发育过程中被清除;APC上结合外来多肽的MHC数量并不多,但如前所述,T细胞的活化并不需要非常多的抗原肽-MHC复合物。

(二)MHCⅠ类分子

Ⅰ类分子包括两个非共价结合的多肽链,MHC内基因编码的α重链(44000～47000)和非MHC基因编码的轻链β2m(12000)。只有α链跨膜,75%的α重链存在于胞外,其N端折叠成α1、α2和α33个结构域,前两个片段组成抗原结合槽,能够结合8～11个氨基酸残基的抗原肽。Ⅰ类分子的抗原结合槽两端封闭,因而不能容纳较大的抗原肽。Ⅰ类分子的多态性局限于α1、α2,而靠近细胞膜的α3结构域氨基酸较为保守,折叠成Ig样结构域,含有CD8分子的结合位点。α3的C端为跨膜和胞内结构域,因而将MHCⅠ类分子固定于细胞膜上。轻链β2m不具多态性,也折叠成Ig样结构域,与重链的α3片段非共价结合。由于大多数人是MHC的杂合子,因而有两套不同的、共6个HLAⅠ类基因(图5-5,表5-4)。

图5-5 MHCⅠ类和Ⅱ类分子的结构、抗原呈递及与共同受体的结合示意图

表5-4 MHCⅠ类与Ⅱ类分子结构、组织分布、功能的比较

(三)MHCⅡ类分子

MHCⅡ类分子由两个非共价结合的亚基组成,α链(32000～34000)和β链(29000～32000),编码两条链的基因都存在于MHC,且均具多态性。MHCⅡ类分子中,存在于N端的α1和β1片段共同组成远离细胞膜的抗原结合槽,蛋白三级结构与Ⅰ类分子的抗原结合槽相似,具有多态性的氨基酸残基位于α1和β1片段抗原结合槽内或周边,人类MHCⅡ类分子的多态性大多数存在于β链。Ⅱ类分子抗原结合槽的两端开放,因而能够容纳较大片段的抗原肽(30个或以上氨基酸残基),最为适合的抗原肽长度为12～16个氨基酸残基。Ⅱ类分子的α2和β2片段,如同Ⅰ类分子的α3片段和β2m,折叠成Ig样结构域,靠近细胞膜,不具多态性。β2片段包含CD4的结合位点,α2和β2片段的C端都具有跨膜和胞内结构域。大多数人有两套不同的HLAⅡ类基因,由于编码DRB的基因有2个,及不同染色体上的A和B基因产物可能配对,因而每一个体至少有6～8个HLAⅡ类分子(图5-5,表5-4)。

(四)抗原肽与MHC分子的结合

抗原肽与MHC分子的结合为非共价结合,由抗原肽与MHC分子抗原结合槽互补而成。抗原肽以线性伸展的形式结合于抗原结合槽,抗原肽和水分子充满抗原结合槽,与形成抗原结合槽的α螺旋及β片层上的氨基酸残基密切接触。MHCⅠ类分子抗原肽的结合主要依赖抗原肽N端和C端所带电荷与抗原结合槽两端的固定位点互补;而MHCⅡ类分子呈递的抗原肽两端游离。有些氨基酸残基通过侧链互补于抗原结合槽,其中两个或两个以上的关键部位称为锚残基(anchor residue)。每个MHC分子具有1～2个固定的锚残基,但对于抗原肽其他部位的残基要求有一定的灵活性,因而一个MHC分子能够结合一系列抗原肽。