与疾病的相关性

第五章　主要组织相容性复合体

学习目标

1．掌握MHC、HLA的概念、经典的HLA－Ⅰ类分子和Ⅱ类分子的编码基因、分子结构、组织分布和生物学功能。

2．熟悉HLA复合体的遗传特点。

3．了解免疫功能相关基因及HLA的医学意义。

很早以前，人类就有了移植的设想。远古埃及的狮身人面像，就是最原始的移植雏形。直到1900年，红细胞表面血型抗原的发现，使异体间输血变得安全可行，人类才向移植迈出了第一步。接着，人们又开始探索如何跨越异体之间器官移植的障碍。在二次世界大战后，George Snell开始用congenic小鼠研究移植排斥现象，研究发现:移植物的排斥由多基因决定，这些基因分布于不同染色体上，分别称为H－1、H－2、H－3、……，其中位于小鼠第17号染色体的H－2基因，其产物在移植排斥反应中起主要作用，是移植物不相容的主要决定者，其在结构上是多基因复合体，因此，将小鼠的H－2称为主要组织相容性复合体(major histocompatibility complex，MHC)，由它们编码产生的抗原称为主要组织相容性抗原(major histocompatibility antigen，MHA)。随后发现，各种动物特别是哺乳动物都有MHC，因此，将存在于脊椎动物某一号染色体上，编码主要组织相容性抗原的一组紧密连锁的基因群称为主要组织相容性复合体。其产物为MHC分子，又称为白细胞抗原(leucocyte antigen，LA)

人类的MHC称为HLA(human leukocyte antigen)基因或HLA基因复合体，它是位于第6号染色体短臂的一群紧密连锁的基因群;相应的，HLA基因复合体编码的重要产物中就有在移植排斥反应中发挥主要作用的人类MHC分子，即人类白细胞抗原(human leukocyte antigen，HLA)。

MHC的发现，虽为异体之间的器官移植排斥反应提供了理论依据，但是，在自然界并不存在异体间组织或器官的交换和移植，即MHC的生物学功能并非主宰移植排斥反应，用“组织相容性”一词来为这一基因系统定名显然是不确切的，仅仅是由于习惯和尊重历史而沿用至今。那么，MHC本来的意义究竟何在?随着研究的深入，人们发现MHC的主要功能，是以其产物提呈抗原肽进而激活淋巴细胞，不仅参与特异性免疫应答的启动，控制免疫细胞间的相互作用，还与某些疾病的易感性密切相关。

第一节　人类MHC分子的结构、分布和主要生理功能

人类的MHC分子根据结构和功能分为两类，即人类MHC－I类分子(HLA－I类分子)和人类MHC－Ⅱ类分子(HLA－Ⅱ类分子)(图5－1)。

图5－1　MHC－Ⅰ类分子和Ⅱ类分子及其编码基因的结构

一、HLA－Ⅰ类分子

1．结构和分区　HLA－Ⅰ类分子由两条肽链组成，一条链为重链(或α链)，由HLA－I类基因编码，另一条链为轻链，即β2微球蛋白(β2m)，由15号染色体编码，二者以非共价键结合。HLA－I类分子功能区如下。①多肽结合区:α1与α2结构域形成槽样结构，是与内源性抗原肽结合的部位。②Ig样区:近膜的α3结构域与β2m互相结合并折叠，α3结构域氨基酸序列高度保守，与免疫球蛋白恒定区具有同源性。此区域是T细胞CD8分子识别部位，β2m具有维持HLA－Ⅰ类分子稳定的作用。③跨膜区:仅α链有跨膜区，含疏水性氨基酸，它们形成螺旋状结构穿过细胞膜的脂质双层，并由此将I类分子锚定在膜上。④胞浆区:与细胞内外信息传递有关。

2．分布　HLA－1类分子广泛分布于所有有核细胞、血小板和网织红细胞表面。成熟红细胞、神经细胞和成熟的滋养层细胞不表达HLA－I类分子;不同的组织细胞表达的HLA－I类分子密度各异，外周血白细胞和淋巴结、脾脏淋巴细胞表达HLA－I类分子水平最高，其次为肝、肾、皮肤、主动脉和肌肉细胞。

3．HLA－Ⅰ类分子的主要生理功能

(1)胞质溶胶途径递呈内源性抗原肽　内源性抗原是指自身细胞合成的抗原，如病毒抗原、肿瘤抗原。这些内源性抗原必须和自身HLA－I类分子结合，形成内源性抗原肽－HLA－I类分子复合物表达于细胞表面，才能被CD8+ T细胞识别。

在宿主细胞胞浆内的内源性抗原受胞内蛋白酶复合体或称为低分子量多肽(low molecularmass polypeptide，LMP)的作用，降解成多肽片段(约8～12个氨基酸)，随后由抗原加工相关转运体(transporter associated with antigen processing，TAP)转运到粗面内质网中，与该处新合成的HLA－I类分子结合成多肽片段I类分子复合体，并从粗面内质网移入高尔基体，最后移到细胞表面，将复合体递呈给CD8+ Tc细胞。

(2)限制Tc细胞的杀伤作用　体内表达CD8分子的成熟T细胞即具有杀伤靶细胞作用的Tc细胞。Tc细胞识别杀伤靶细胞是通过其表面的抗原识别受体(TCR)结合靶细胞表面的抗原肽－HLA－I类分子复合物，同时通过其表面辅助受体CD8分子结合HLAI类分子的Ig样区，这一现象称为MHC限制性。受MHC限制性的约束，Tc细胞只能杀伤膜表面表达相应抗原肽－HLA－I类分子复合物的淋巴细胞。

二、HLA－Ⅱ类分子

1．结构和分区　HLA－Ⅱ类分子由两条分子量相似的肽链借助非共价键组成，一条为α链，另一条为β链，均由HLA－Ⅱ类基因编码。HLA－Ⅱ类分子功能区如下。①多肽结合区:α1与β1结构域形成槽样结构，是与外源性抗原肽结合的部位。②Ig样区:由α2和β2结构域组成，二者氨基酸序列高度保守，均与免疫球蛋白恒定区具有同源性。在抗原递呈过程中，Th细胞的CD4分子与HLA－Ⅱ类分子特异结合的部位即位于该区域。③跨膜区:α、β链均具有此区，将HLA－Ⅱ类分子锚定在膜上。④胞浆区:与细胞内外信息传递有关。

2．分布　HLA－Ⅱ类分子的分布比较局限，主要表达于B细胞、单核－巨噬细胞和树突状细胞等抗原递呈细胞上，精子细胞和某些活化的T细胞上也有HLA－Ⅱ类分子。一些在正常情况下不表达HLA分子的细胞，在免疫应答过程中亦可受细胞因子的诱导表达HLA－Ⅱ类分子，因此HLA－Ⅱ类分子的表达被看成是抗原递呈能力的标志。IL－1、IL－2和干扰素在体内外均能增强HLA－Ⅱ类分子的表达。

3．HLA－Ⅱ类分子的主要生理功能

(1)溶酶体途径递呈外源性抗原肽　外源性抗原是指APC通过吞噬、吞饮摄入细胞内的抗原。如细菌和某些可溶性蛋白等。这些外源性抗原必须经APC摄取、加工、处理成抗原肽－HLA－Ⅱ类分子复合物表达于APC细胞表面，才能被CD4+ T细胞识别。

APC经吞噬或胞饮作用将外源性抗原摄入胞内，分别在吞噬体(phagosome)或称为内体(endosome)的酸性环境下被蛋白水解酶作用降解为多肽片段(约12～20个氨基酸)。同时，在粗面内质网内生成的HLA－Ⅱ类分子α链和β链与恒定链(invariant chain，Ii链)结合成复合体(恒定链可防止HLA－Ⅱ类分子与内源性多肽结合)，进入高尔基体，再转入分泌性小泡中。这种富含HLA－Ⅱ类分子Ii链复合体的分泌性小泡可与含有抗原多肽片段的吞噬体发生融合，Ii链在酸性环境下被水解酶降解，HLA－Ⅱ类分子变成开放型，抗原多肽片段可与HLA－Ⅱ类分子结合形成复合体。最后，多肽片段－HLA－Ⅱ类分子复合体转移到细胞膜表面，递呈给CD4+ Th细胞(图5－2)。

(2)限制Th细胞的作用　体内表达CD4分子的成熟T细胞即具有辅助功能的Th细胞。Th细胞与APC细胞相互作用时，也受MHC限制性的约束，即Th细胞表面的TCR与APC细胞表面的抗原肽－HLA－II类分子复合物结合的同时，Th细胞表面辅助受体CD4分子还必须与HLA－II类分子的Ig样区结合。

此外，HLA－I类和HLA－II类分子还参与免疫调节和胸腺T细胞的分化成熟过程。

另外须指出，在生理情况下，许多自身抗原也是通过上述两条途径与MHC－Ⅰ类或Ⅱ类分子结合形成自身多肽－MHC－Ⅰ类(或Ⅱ类)分子复合体表达于细胞表面，并占细胞表面的多肽－MHC－Ⅰ类(或Ⅱ类)分子复合体的绝大部分，而真正表达外来抗原多肽－MHC－Ⅰ类(或Ⅱ类)分子复合体是少数。正常情况下T细胞并不对自身多肽－MHC分子复合体产生应答，而表现为自身耐受，因为对自身抗原成分起反应的T细胞克隆在胸腺内发育分化中已被阴性选择过程所淘汰或抑制。

图5－2　MHC－Ⅰ类和Ⅱ类分子递呈抗原肽的过程

第二节　人类MHC的基因结构

人类MHC位于第6号染色体短臂上，全长约3 600 kb，其结构非常复杂，共有244个基因座位，其中128个为功能性基因、96个为假基因。人类的MHC具有明显的多基因性(即复合体是由多个位置相邻的基因座位所组成，它们编码的产物具有相同或相似的功能)和多态性(见HLA的遗传特点)，截至2002年，已确定的MHC基因复合体等位基因总数达到1 556个。

根据MHC编码分子的结构和功能的不同，传统上将整个复合体的基因分成三类即MHC－I类、MHC－Ⅱ类和MHC－Ⅲ类基因(图5－3)。

图5－3　HLA基因结构示意图

Ⅰ类基因区位于着丝点的远端，主要包括HLA－B、C、A三个经典基因位点，其编码产物即HLA－B、C、A三种HLA－I类分子的α链。新近又发现E、F、G、H、K和L等位点，均为非经典的HLA－I类基因位点，编码产物除参与病毒免疫逃避和母胎耐受外(如HLA－E、G)，其余还不清楚。

Ⅱ类基因区位于着丝点的近端，是结构最为复杂的一个区，主要由DP、DQ、DR三个经典基因亚区构成，每个亚区又包括两个或两个以上的功能基因，其编码产物为HLA－Ⅱ类分子的α链和β链。如DRA基因位点编码产物为HLA－Ⅱ类分子HLA－DR的α链，DPB基因位点编码产物为HLA－Ⅱ类分子HLA－DP的β链。

Ⅲ类基因区位于Ⅱ类和I类基因区之间，含有编码补体成分C2、C4、B因子及TNF、热休克蛋白和21羟化酶等的基因，除MIC位点外，大多无明显多态性。MIC为MHC－I类相关基因家族，包括MICA(已检测到有54个等位基因)和MICB基因，其产物是NK细胞激活性受体NKG2G的配体。不同的MICA等位基因在启动NK杀伤活性上可能存在差异。

以上是对MHC传统上的分类，但近年来倾向于以两种类型加以概括:一是经典的MHC－I类和Ⅱ类基因，它们的产物(HLA－I类和Ⅱ类分子)直接参与抗原递呈，并显示极为丰富的多态性;二是免疫功能相关基因，它们不显示或仅显示有限的多态性，其产物主要参与调控固有免疫。主要表现在以下三个方面:①经典的Ⅲ类基因编码补体成分，参与补体反应和免疫性疾病的发生;②非经典Ⅰ类基因和MIC基因产物可作为配体分子，以不同的亲和力结合激活和抑制性受体，调节NK细胞和部分杀伤细胞的活性;③炎症相关基因参与启动和调控炎症反应，并在应激反应中发挥作用。

第三节　HLA的遗传特点和基因的检测与命名

一、HLA的遗传特点

1．连锁不平衡和单元型　HLA不同基因座位的各个等位基因在人群中以一定的频率出现。例如，HLA－DRBI* 0901和DQBI* 0701在北方汉族人中的出现频率分别是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上述两个频率的乘积(0．156×0．219= 0．034)，即3．4%，然而实际上两者同时出现的频率是11．3%，为理论值的3．3倍。此现象称为连锁不平衡(linkage disequilibrium)，意指分属两个或两个以上基因座位的等位基因，同时出现在一条染色体上的几率高于随机出现的频率。这表明，处于连锁不平衡状态中的等位基因往往经常地连锁在一起，由此引入单元型概念。单元型(haplotype)指的是染色体上MHC不同座位等位基因的特定结合。这样，某些单元型在群体中可呈现较高的频率，并较之单一座位的HLA基因型别更能显示人种和地理的特点。而且，检测单元型比分析单一的等位基因频率，更有助于从无血缘关系人群中寻找HLA相匹配的器官移植供者。

2．共显性遗传　共显性(co－dominance)是指某位点的等位基因不论是杂合子还是纯合子，均能同等表达，两者的编码产物都可在细胞表面检测到。故每个位点可具有两个抗原，可能相同，也可能不相同;这些抗原组成了个体的表型(phenotype)。多数个体的HLA位点都是杂合子，但当父亲和母亲在某位点上具有相同的等位基因时，其子代的这个位点就成为纯合子。

3．多态性　多态性(polymorphism)是指一个基因位点上存在多个等位基因(allele)，是群体中不同个体间各等位基因拥有状态上的变化。对某一个基因座位，一个个体最多只能有两个等位基因，分别出现在来自父母方的同源染色体上。因此MHC的多态性是一个群体概念。人类MHC的多态性和多基因性均从不同水平对MHC多样性进行描述:多基因性着重于同一个个体中拥有非常多的MHC基因座位，而多态性指群体中各基因座位等位基因的变化(表5－1)。

表5－1　呈现多态性的HLA基因座位及已获正式命名的等位基因数(2002年7月)

*包括DRB4～DRB7以及DOA/DOB、DMA/DMB等。

二、HLA系统基因的检测和命名

对HLA系统基因的命名，星号(*)前为基因座位，星号后为等位基因。例如HLAA* 0103代表HLA－I类分子A座位的第103号等位基因;HLA－DRB1* 1102代表Ⅱ类基因DRB1座位第1102号等位基因。1102并不表明DRB1座位已经发现1100多种等位基因，而是代表第11主型，第2号等位基因，主型相同的HLA分子，免疫原性相同，但免疫原性相同的(即为同一主型HLA分子)基因型并不一定相同，因此，又将免疫原性相同的HLA分子按基因型再分为某某号等位基因。这一命名系统为有待发现的基因座位和等位基因空出了位置。

等位基因及其产物结构上存在差异，主要表现在编码肽结合区结合抗原肽部位以及该部位编码产物氨基酸在组成上和序列上的不同，为此，可采用PCR技术针对性扩增相应的基因片段，再通过测序，或者用显示等位基因特异性的探针与之杂交，确定不同个体的等位基因特异性，称为HLA等位基因分型(genotyping)，这对寻找合适的器官移植供体，分析疾病易感基因和在法医学上进行亲子鉴定都是十分重要的。

第四节　HLA的医学意义

HLA系统作为高度多态性的遗传标志，使人类具有个体独特性，其抗原频率、等位基因频率、单元型组合和分布频率均成为区别群体中个体差异遗传基础的极好材料，并具有重要实际意义。

一、HLA与器官移植

器官移植是现代医学重要的治疗手段之一。其成败的关键取决于供者和受者之间HLA型别是否相符，即HLA各基因位点上的等位基因是否相同。因此，要对供者作HLA分型和交叉配合试验(cross－matching)。在肾脏移植中，各HLA座位配合的重要性依次为HLA－DR、HLA－B、HLA－A。在骨髓移植中，为预防移植物抗宿主反应，一般要求从同胞中选择HLA完全相同的个体作为供者。另外，测定血清中可溶性HLA分子的含量，有助于监测移植物的排斥现象。

二、HLA与疾病的相关性

带有某些特定HLA型别的个体易患某一疾病(称为阳性关联)或对该疾病有较强的抵抗力(称为阴性关联)皆纳入HLA和疾病关联的范畴。这一关联，是通过对患病人群和健康人群作HLA分型后，用统计学方法加以判别的。典型例子是强直性脊柱炎(AS)患者中HLA－B27抗原阳性率高达58%～97%，而在健康对照人群中仅为1%～8%，由此确定强直性脊柱炎和HLA－B27属阳性关联。换言之，带有B27等位基因的个体易于患强直性脊柱炎。经计算，其相对风险程度(RR)为55～376(因不同人种而异)，即B27阳性个体较之B27阴性个体罹患AS的机会要大55倍到376倍，表明HLA－B27是决定强直性脊柱炎疾病易感性的关键遗传因素。

迄今，记录在案和HLA关联的疾病达500余种，大部分为自身免疫病，重要者见表5－2。

表5－2　和HLA呈现强关联的一些自身免疫病

三、HLA与人类学

HLA系统的多态性是人类进化的产物，因此各人种、各民族的HLA抗原分布、基因频率、单元型组合及频率能为研究民族和种族的起源、演变、进化和迁移提供极为有价值的信息，组织相容性学会已组织两次以上世界范围内的不同水平上的HLA抗原及等位基因调查，并绘制了系统树。我国HLA工作者也已对中国内地南北汉族的HLA多态性分布进行了调查，发现高加索人种起源的HLA抗原(A1、A3、B7、B8、B14)在华北人中有较高频率向南方逐渐降低，而起源于东南亚的HLA抗原(All、B46)则在华南人中有较高频率向北方逐渐降低的梯度分布。根据遗传距离聚类分析表明，中华民族包含华北、华南两大群体，提出中华民族双重起源学说。对我国西双版纳傣族群体HLA－Ⅱ类的基因分析也发现DR、DQ、DP等位基因频率与连锁不平衡单元型明显有别于白种人及其他人种而具有该民族的独特性。

四、HLA与母胎关系

成熟的胎盘滋养层细胞不表达HLA－I类抗原，从而保护了携带父方HLA单元型的胎儿不被母体排斥。另一方面，原因不明的习惯性流产也被认为与HLA有关。其机理可能是父母双方HLA不相容性过弱，不能产生胎儿保护性抗体而使胎儿流产。这一现象与排斥反应的机理相矛盾。目前已有报道，采用输入第三者或丈夫的淋巴细胞以激发孕妇同种异体反应的方法治疗习惯性流产。

五、HLA与法医

HLA系统所显示的多基因性和多态性意味着在无血缘关系的人群中，HLA表现型完全相同者是极其罕见的。而且，每个人所拥有的HLA等位基因型别一般终身不变，这意味着特定等位基因及其以共显性形式表达的产物，可以成为不同个体用以显示个体性的遗传标志。在同一家庭内，HLA的遗传是以单元为单位从亲代遗传给子代，子代的两个HLA单元型各来自双亲一方，因此，借助HLA基因型或表型的检测分型技术，在法医上被广泛用于亲子鉴定和对死者“验明证身”。

HLA或MHC的意义绝不应低估在上述几个方面，而应从其参与免疫识别的重要性上理解为天生万物所以能演变至今日的一个重要基础。

(靳　静)