T细胞识别同种异型移植抗原的研究进展

・述评・T 细胞识别同种异型移植抗原的研究进展曾耀英　(暨南大学组织移植与免疫教育部重点实验室,广州510632) 中国图书分类号　R 39214 文献标识码　A 文章编号　10002484X (2004)0320149204曾耀英　教授曾耀英,男,1946年出生。

现任暨南大学组织移植与免疫教育部重点实验室主任、教授、研究员、博士生导师。

1970年中山医学院医疗系本科毕业,1981年获硕士学位。

先后在美国德克萨斯理工大学药理系、加拿大Alberta 大学医学院生理系、美国Scripps 研究所免疫学系做6年的科学研究。

学科专长:免疫学、细胞生物学;技术专长:流式细胞技术、移植免疫及T 细胞行为分析。

任广东省免疫学会理事长,中国免疫学会常务理事,中华医学会微生物与免疫学分会移植免疫学专业组委员。

曾多次担任国家自然科学基金委员会细胞生物学科组和免疫学学科组评审专家。

多年担任“973”计划项目评审专家、广东省自然科学基金项目及科学技术奖评审委员。

曾承担国家“973”课题、国家和广东省自然科学基金面上和重点项目10多项。

在国内外重要期刊发表论文100多篇。

在人民卫生出版社出版《现代移植学》中负责编写“移植的免疫学基础”和“细胞移植与基因治疗”两章,任第三、四版《免疫学》医药院校统编教材编委,负责编写第23章《移植免疫》。

在T 细胞抗原识别和活化信息数量化和可视化领域有较深入的研究和积累。

移植是末期组织、器官功能衰竭最彻底的治疗措施。

同种异体移植(allogeneic transplantation )是临床最常见的移植类型。

在本质上,人类的同种异体移植排斥反应是由受者的T 细胞介导的、针对移植抗原的免疫应答。

这一免疫应答是通过受者T 细胞表面的T 细胞受体(T cell receptor ,TCR )识别移植物细胞的同种异型抗原引发的。

受者T 细胞可以通过直接识别(direct recognition )和间接识别(indirectrecognition )移植物细胞的同种异型MHC 分子而被激活。

在移植免疫领域里,有些问题一直困扰着学者们,近年的研究进展使这些问题在一定程度上得到阐明。

这些问题主要包括:①在种的进化和个体发育的发育过程中,不存在体细胞(s omatic cells )移植,同种异体的器官、组织和细胞移植完全是人们为了治疗疾病而创造出来的,既然不存在选择压力,人体不应该进化一整套能够识别同种异型MCH 的T 细胞;②TCR 抗原识别的自身MHC 限制性的概念已经贯穿整个近代免疫学的发展,被免疫学家广泛接受,那么如何解释在移植免疫中受者TCR 对同种异型MHC 分子的直接识别?③与识别外源抗原的前体T细胞频率相比,能识别同种异型MHC 抗原的受者T 细胞比例高达1%～10%,其机理何在?这些问题涉及生物学前沿的各个领域,其中包括分子免疫学、蛋白质结构生物学、分子热力动力学以及理论生物学等领域1211,围绕这些问题的研究近年来有了较大进展,尤其是TCR 2pMHC 的X 线晶体图像等方面427,在此作者将介绍有关的进展。

移植物细胞表面的同种异型MHC 分子可以通过直接途径和间接途径提供给受者T 细胞识别12,13。

如图1所示,受者T 细胞识别移植物细胞表面上的完整的同种异型MHC 分子被称为直接识别;受者T 细胞认识经过受者APC 加工处理的、来源于供者MHC 分子的肽被称为间接识别。

在混合淋巴细胞反应(mixed lym phocyte reaction ,M LR )体系和同种异基因移植物中存在大量能直接识别的移植物APC 表面的MHC 分子的T 细胞,这些T 细胞被称为同种异型反应T 细胞(alloreactive T cells )。

研究表明,这些同种异型反应T 细胞并非只是识别同种异型抗原,它们还能识别受者自身MHC 分子提呈的外源性抗原肽。

实质上,上述同种异型反应T 细胞是受者体内那些在正常情况下识别微生物等外来抗原的T 细胞,只是在同种异基因移植的情况下发生了交叉识别(cross 2recognition ),而成为又能识别移植供者MHC 分子的同种异型反应T 细胞。

发生这种交叉识别的分子机制在于:自身MHC 分子加上外源性抗原肽所形成的构象表位(con formational epi 2tope )与同种异型MHC 分子加上肽所形成的构象表位在构象形貌上具有相似性(shape mimicry )4,6。

图2表示同种异型MHC 分子加上肽如何形成可以发生交叉识别的表位。

如图上部所示,某T 细胞克隆的TCR 分子所识别的表位由3个氨基酸残基侧链组成,其中1个氨基酸残基侧链来自自身MHC 分子(H LA 2Ax ),其它2个来自外来抗原肽(peptide X ),图1　同种异型抗原的直接识别和间接识别Fig.1　Direct and indirect allo 2recognition图2　同种异型抗原交叉识别的分子机制Fig.2　Molecular mech anism underlying cross 2recognition ofalloantigens而这种TCR 分子也能识别某一同种异型MHC 分子(H LA 2Ay )加上某肽Y (peptide Y )所形成的构象相同的表位,不同的是后者3个氨基酸残基侧链中有2个是来自同种异型MHC 分子,只有1个来自结合肽。

在TCR 识别抗原的识别机制中,TCR 识别的表位为构象表位427。

T 细胞构象表位由两部分组成,第一部分是MHC 分子的结合沟槽的α螺旋上的氨基酸残基侧链,第二部分是与MHC 结合的抗原肽上的氨基酸残基侧链。

在个体免疫系统发育过程中,经过胸腺的正负选择后,形成T 细胞谱(T cell reper 2toire ),又称TCR 谱(TCR repertoire )。

在生理情况下,T 细胞谱里的每个克隆的TCR 所识别的构象表位的结构差别仅存在于构象表位的第二部分上,即自身MHC 分子的结合肽的氨基酸序列上,而构象表位的第一部分,即自身MHC 分子,则无结构差别。

然而,在同种异基因移植情况下,这种差别则可能同时由T 细胞构象表位的两个部分组成,即由同种异型MHC 分子上的多态性氨基酸残基侧链及其结合肽的氨基酸残基侧链形成。

研究表明,与抗原特异性(antigenic specificity )一样,交叉反应性(corss 2reactivity )也是TCR 的基本特性,都是进化中经过选择而形成的1。

由于交叉反应,每个TCR 可识别多达数万个不同结构的pMHC ,这就是T 细胞识别的简并性(degeneracy )4,5,11。

与抗原肽相比,TCR 谱里的TCR 克隆数目相对不足,从而有可能出现有些外源抗原肽,就没有相应的TCR 来识别,从而在TCR 谱里形成了“漏洞”,正是上述简并性修补了TCR 谱的“漏洞”1。

TCR 2pMHC 三分子体的结构生物学研究结果正在深化我们对上述简并性的认识:多种分子机制参与简并性的形成11。

在生理条件下,自身MHC 分子是均一的,就某特定的TCR 而言,可能发生交叉识别的只是氨基酸顺序同源的抗原肽,这就是简并性的第一种机制,即抗原肽序列同源性(sequence ho 2m ology )机制。

在同种异基因移植的条件下,除了上述抗原肽序列同源性外,简并性还可以延伸到同种异型的MHC 分子,同种异型MHC 分子加上某肽所形成的构象表位在构象形貌上与自身MHC 分子加上外源性抗原肽所形成的构象表位具有相似性,这就是简并性的第二种机制,也就是表位构象形貌相似性(shape mimicry )机制4,11。

TCR 是蛋白质,具有柔性,这就是TCR 柔性(TCR flexibility ),基于TCR 柔性的诱导性契合(induced fit )是简并性形成的第三机制5,6。

现有的TCR 识别的“抗原特异性”和“自身MHC 限制性”只是TCR 识别规律性的一般性描述,尚未涉及TCR 识别的分子细节。

近年对pMHC 的结构生物学研究表明:TCR 对pMHC 的识别是通过分子界面的形状互补性(shape com plementarity )、电荷互补性(charge com plementarity )和诱导性契合来实现的4,6,7,这就是TCR 识别的亚分子结构基础(图3)。

如果我们能跳出早期的TCR 抗原识别的自身MHC 限制性的概念范围,从新的TCR 识别机制去看同种异基因移植的直接识别,就不应该感到迷惘。

普通外源抗原特异性T 细胞的前体频率为10-6～10-4,而能识别同种异型MHC 分子的受者T细胞多达1%～10%10212,14。

那么,为什么受者会有这么多T 细胞能识别同种异型抗原?原因是在同种异基因移植供者APC 表面的MHC 分子通过各种机制形成为数众多的被交叉识别的表位。

由于交叉识别而导致原来只是针对普通外来抗原的受者T 细胞发展成为数目庞大的同种异型反应T 细胞,正是能够识别同种异型MHC 分子的T 细胞的频率如此高的原因,而使同种异基因移植排斥非常强烈,以至即使供者和受者的MHC 分子之间的差别只有一个氨基酸,就足以使移植排斥几乎不可避免地要发生。

在同种异基因移植的情况下,通过多种机制形成为数众多的被受者T 细胞交叉识别的表位1,10,12。

这图3　TCR 2pMH C 分子界面的电荷互补性(A)和形状互补性(B)Fig.3　Ch ange complementarity(A)and sh ape complementari 2ty within the interface of TCR 2pMH C些机制包括:①由于MHC 的多态性,不同等位基因的MHC 分子之间存在多达20个氨基酸的差别,这些多态氨基酸主要定位于MHC 分子抗原肽结合沟槽的底部和两侧,它们当中的每一个或两个及两个以上的搭配都可以形成被受者T CR 交叉识别的构象表位,在这种情况下,只考虑供者和受者之间的MHC 分子的氨基酸序列的差别,即使不考虑MHC 分子结合肽的氨基酸序列差别对T CR 识别所造成的影响,或者只把结合肽看作稳定MHC 分子的表达因素,也足以通过交叉反应而激活受者体内许多T 细胞克隆;②一个APC 可表达105个MHC 分子,每个MHC 分子可以结合不同序列的肽,其中99%为自身肽,在生理情况下,自身MHC 加上自肽所形成的复合配体,对宿主的T 细胞不产生刺激作用,在同种异基因移植的情况下,由于受到同种异型MHC 分子多态性氨基酸侧链的影响,供者自身肽与供者MHC 分子结合所形成的pMHC 便可通过交叉识别而激活受者T 细胞克隆,因为只需数百个相同的pMHC 便可以激活一个T 细胞,可见通过此机制而激活受者T 细胞数目是何等大;③由于移植物细胞表面交叉识别表位密度很高,从而降低刺激T 细胞活化所需要的T CR 亲和性阈值,有助于刺激表达低亲和T CR 的受者T 细胞克隆活化,从而进一步增加了交叉反应的T 细胞克隆数目。