医学免疫学：第八章主要组织相容性复合体及其编码分子

第八章主要组织相容性复合体及其编

码分子

第一节MHC结构及其多基因特性

组成MHC的各种基因传统上分为Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类。多基因性指复合体由多个紧密相邻的基因座位所组成，编码产物具有相同或相似的功能。

一、经典的MHCⅠ类基因和Ⅱ类基因

定位于小鼠第17号染色体的H-2，长约1500 kb。其中Ⅰ类基因包括K、D、L三个座位，分布于复合体两侧（图8-1）。Ⅱ类基因由4个座位组成，称为Ab、Aa、Eb和Ea，分别编码Aβ、Aα、Eβ、和Eα四种肽链。肽链Aβ和Aα形成异二聚体，称I-A分子；Eβ和Eα形成异二聚体，称I-E分子。在A和E前面均加字母I，代表其编码基因坐落在H-2复合体的免疫应答区即I区（I指immune）。

HLA基因复合体位于人第6染色体短臂6p21.31，全长3600 kb, 共有224个基因座位，其中128个为功能性基因（有产物表达），96个为假基因。经典的HLAⅠ类基因集中在远离着丝点的一端，按序包括B、C、A三个座位（图8-1），产物称HLAⅠ类分子(HLA class Ⅰmolecule)。后面将提到，Ⅰ类基因仅编码Ⅰ类分子异二聚体中的重链，轻链为β2微球蛋白（β2 microglobulin ,β2-m），其编码基因位于第15号染色体。HLAⅡ类分子(HLA class Ⅱ molecule)由HLAⅡ类基因所编码。HLAⅡ类基因在复合体中靠近着丝点，结构较为复杂，顺序由DP、DQ 和DR三个亚区组成。每一亚区又包括两个或两个以上的功能基因座位，分别编码分子量相近的α链和β链，形成DRα-DRβ（对应于小鼠的Eβ-Eα）、DQα-DQβ（对应于小鼠的Aβ-Aα）和DPα-DPβ（小鼠中无对应物）三种异二聚体。

二、Ⅰ类和Ⅱ类基因的表达产物—— HLA分子

经典的HLAⅠ类分子和Ⅱ类分子在结构、组织分布和功能上各有特点（表8-1）。HLA Ⅰ类和Ⅱ类等位基因产物的表达具有共显性特点，即同源染色体对应座位上的两个等位基因皆能得到表达。因而一个免疫细胞的表面通常可以检测到分别来自父母双方六对共12种HLAⅠ类和Ⅱ类等位基因分子即HLA抗原（图8-2）。

表8-1 HLAⅠ类和Ⅱ类抗原的结构、组织分布和功能特点

HLA抗

原类别分子结构

肽结

合结

构域

表达特

点

组织分

布

功能

Ⅰ类(A,B,C) α链45 kD

(β2-m 12

kD)*

α1+α

2

共显性

所有有

核

细胞表

面

识别和提呈内源性抗原肽,

与辅助受体CD8结合, 对

CTL的识别起限制作用

Ⅱ类(DR, DQ, DP) α链35 kD

β链28 kD

α1+β

1

共显性

APC,

活化的

T细胞

识别和提呈外源性抗原肽,

与辅助受体CD4结合, 对Th

的识别起限制作用

* β2-m编码基因在15号染色体

图8-2和图8-3皆表明，Ⅰ类分子重链（α链）胞外段有三个结构域（α1、α2、α3），远膜端的两个结构域α1和α2构成抗原结合槽，而α3及β2-m属免疫球蛋白超家族（IgSF）结构域。Ⅱ类分子的α、β链各有两个胞外结构域(α1、α2；β1、β2)，其中α1和β1共同形成抗原结合槽，α2和β2为IgSF结构域。这些结构域和HLA基因外显子之间的对应关系见图8-3。

三、免疫功能相关基因

构成MHC复合体的免疫功能相关基因（图8-4）通常不显示或仅显示有限的多态性。基因产物除非经典性Ⅰ类分子和MIC分子（详后），一般不能和抗原肽形成复合物，故不参与抗原提呈，但它们在固有免疫和免疫调节中发挥作用。

（一）血清补体成份编码基因

此类基因属经典的HLA Ⅲ类基因，位于HLA复合体中部的Ⅲ类基因区（图8-1和8-4）。所表达的产物为C4B、C4A、Bf 和C2等补体组分。

（二）抗原加工提呈相关基因

1．蛋白酶体β亚单位(proteasome subunit beta type, PSMB) 基因，包括PSMB8和PSMB9（旧称LMP2和LMP7）。编码胞质溶胶中蛋白酶体β亚单位成分。蛋白酶体在抗原提呈细胞中参与对胞质中内源性抗原的酶解。

2．抗原加工相关转运物（transporters associated with antigen processing, TAP）基因TAP为内质网膜上一个异二聚体分子，分别由TAP1和TAP2两个座位基因编码。TAP参与对内源性抗原肽的转运，使其从胞质溶胶进入内质网腔，并与MHC Ⅰ类分子结合。

3．HLA-DM基因包括DMA和DMB座位，其产物参与APC对外源性抗原的加工提呈，帮助溶酶体中的抗原片段进入MHCⅡ类分子的抗原结合槽。

4．HLA-DO基因包括DOA和DOB两个座位，分别编码DO分子的α链和β链。DO分子是DM功能的负向调节蛋白。

5．TAP相关蛋白基因其产物称tapasin，即TAP相关蛋白(TAP-associated protein)，参与I类分子在内质网中的装配和内源性抗原的加工提呈。

上述免疫功能相关基因全部坐落在HLA系统的Ⅱ类基因区（图8-4）。

（三）非经典Ⅰ类基因

非经典Ⅰ类基因又称HLAⅠb，即b型Ⅰ类基因，包括HLA-E、HLA-F、HLA-G 等。与之相对应，经典的Ⅰ类基因也可称为a型Ⅰ类基因，简称HLAⅠa。HLA Ⅰb 中目前研究得较多的有下列两类基因。

1、HLA-E产物由重链（α链）和β2-m组成，已检出6种等位基因。HLA-E 分子可表达于各种组织细胞，在羊膜和滋养层细胞表面高表达。其抗原结合槽具有高度的疏水性，能结合来自HLA-Ⅰa和一些HLA-G分子中由9个氨基酸残基组成的信号肽。功能上，HLA-E分子是表达于NK细胞C型凝集素受体家族（CD94/NKG2）的专一性配体。

2、HLA-G 结构和经典性HLA-A2基因高度同源，由重链和β2-m组成。重链已检出23种等位基因。HLA-G分子主要分布于母胎界面绒毛外滋养层细胞，在母胎耐受中发挥功能。专一性受体属于杀伤细胞免疫球蛋白样受体（KIR）家族中某些成员。

（四）炎症相关基因

在HLA Ⅲ类基因区靠Ⅰ类基因一侧，新近检出多个免疫功能相关基因（参见图8-4左上方），多数和炎症反应有关，分属以下四个家族：

1．肿瘤坏死因子基因家族包括TNF（TNFα）、LTA（TNFβ）和LTB三个座位。其产物参与炎症、抗病毒和抗肿瘤免疫应答。

2．转录调节基因或类转录因子基因家族包括类I-κB（IkBL）基因，可参与调节转录因子NF-κB的活性。属于这一基因家族的还有B144基因和锌指基因ZNF等。

3．MHCⅠ类相关基因(MIC)家族包括MICA和MICB基因，其中MICA 座位已检测到61个等位基因，数量之多可以和经典的HLA基因相比。这提示MIC分子具有重要的生物学功能。MIC是NK细胞激活性受体NKG2D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。

4．热休克蛋白基因家族包括HSP70基因，其产物参与炎症和应激反应，并作为分子伴侣在内源性抗原的加工提呈中发挥作用。

第二节MHC的多态性

一、多态性的基本概念

多态性(polymorphism) 指一个基因座位上存在多个等位基因(allele)。对一个基因座位，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。如图8-2所示，一个细胞可表达（也就是一个个体可拥有）的经典Ⅰ、Ⅱ类等位基因及其产物最多可有12种。然而，MHC的多态性是一个群体概念，指群体中不同个体在等位基因拥有状态上存在差别。多态性和前面提到的多基因现象，是从不同水平对MHC的多样性进行描述：多基因性着重于同一个个体中MHC基因座位的变化；而多态性指群体中各座位等位基因数量的变化。

现知，HLA是人体多态性最丰富的基因系统。截至2006年7月，已确定的HLA复合体等位基因总数达到2641个，其中等位基因数量最多的座位是HLA-B （805个）和HLA- DRB1（527个）。这表明，非亲缘关系个体拥有的两个B座位等位基因如果是从包含有805个基因的多态性中随机取样，则相同的机会定然不高，换言之，图8-2左侧Ⅰ类分子B座位来自父母双方的两个标出为α (β2-m）的等位基因产物，结构上很少有机会完全相同。另外，表8-2提供的资料再次表明，非经典HLA基因中也有一些显示多态性，然而除MICA座位外，等位基因数却是十分有限的。

表8-2 呈现多态性的HLA基因座位及已获正式命名的等位基因数（2006年7月）经典Ⅰ类基因经典Ⅱ类基因免疫功能相关基因其它* 合计

A B C DRA DRB1 DRB3 DQA1 DQB1 DP A1 DPB1 E G MICA TAP

基因数478 805 256 3 527 23 34 73 23 125 9 23 61 11 190 2641 * 包括DRB4～DRB7，以及DOA/DOB、DMA/DMB等。

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HLA-A*0103代表HLAⅠ类基因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。

HLA等位基因及其产物结构上存在差异亦即多态性，主要表现在构成抗原结合槽的氨基酸残基在组成和序列上不同。前已提及，参与构成抗原结合槽的结构域，在Ⅰ类分子中是α1和α2，在Ⅱ类分子中是α1和β1（图8-3）。为此，采用

PCR技术针对性地扩增相应的基因片段之后，可通过测序或采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，即从两千多种HLA 等位基因中找出图8-2中属于该个体的12种Ⅰ、Ⅱ类分子编码基因，称为HLA 基因分型（HLA genotyping）。这对于寻找合适的器官移植供受体、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（详后）。

二、连锁不平衡和单体型

HLA不同基因座位的各中等位基因在人群中以一定的频率出现。例如，分属于HLA-DRB1和HLA-DQB1座位的两个等位基因DRB1*0901和DQB1*0701在北方汉族人中的频率分别是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机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, 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机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在一起，由此引入单体型的概念。单体型（haplotype）指的是染色体上MHC不同座位等位基因的特定组合。这样，某些单体型在群体中有可能呈现较高的频率, 并较之单一座位的HLA基因型别更能显示人种和地理族特有的群体基因结构。而且，检测单体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搜寻HLA相匹配的器官移植供者。

多态性主要为经典的Ⅰ类基因和Ⅱ类基因所有，这与Ⅰ、Ⅱ类基因产物提呈抗原肽这一功能为有关。由于不同的MHC等位基因产物可以提呈结构不同的抗原肽，并诱发出特异性和强度不同的免疫应答（详下），因而MHC分子在结构和抗原提呈能力上的差异，往往表现在个体水平，因为不同个体所遗传的MHC 等位基因往往不同。这意味着，MHC多态性从基因的储备上，可以造就各式各样的个体，他（她）们对抗原（病原体）入侵的反应性和易感性并不一致。这一现象的群体效应，是赋於物种极大的应变能力，使之能对付多变的环境条件及各种病原体的侵袭。应该说，这是MHC高度多态性具有强大生命力的体现，是长期自然选择的结果。

第三节MHC分子和抗原肽的相互作用

MHC以其产物结合并提呈抗原肽供TCR识别，必然涉及MHC分子和抗原肽的结合。前面提到，MHCⅠ、Ⅱ类分子接纳抗原肽的结构，是位于该分子远膜端的抗原结合槽(图8-3, 8-5)。不同点是，Ⅰ类分子凹槽两端封闭，接纳的抗原肽长度有限，为8~10个氨基酸残基；Ⅱ类分子凹槽两端开放，进入槽内的抗原肽长度变化较大，为13~17个氨基酸残基，甚至更多(图8-6)。

一、抗原肽和HLA分子相互作用的分子基础

分析从HLA分子抗原结合槽中洗脱下来的各种天然抗原肽的一级结构，发现都带有两个或两个以上与MHC 分子凹槽相结合的特定部位，称锚定位。该位置的氨基酸残基称为锚定残基(anchor residue)。图8-7是两种小鼠MHCⅠ类等位基因分子各自接纳的抗原肽，其长度为八和九个氨基酸残基。八肽锚定位在p5（锚定残基Y和F）和p8（锚定残基L）；九肽锚定位在p2及p9，p2的锚定残基为Y，p9为V、I、L中的一种。由此得出，两种I类分子接纳抗原肽时，

各自有特定的共用基序（consensus motif），分别为x-x-x-x-Y/F-x-x-L和x-Y-x-x-x-x-x-x-V/I/L（x代表任意氨基酸残基）。

二、抗原肽和MHC分子相互作用的特点

特定的MHC分子可凭借所需要的共用基序选择性地结合抗原肽，在这个意义上，两者的结合具有一定的专一性。由此推知，不同的MHC等位基因产物有可能提呈同一抗原分子的不同表位，造成不同个体（带有相互有别的MHC等位基因）对同一抗原应答强度的差异。这实际上是MHC以其多态性参与和调控免疫应答的一种重要机制。

深入研究发现，MHC分子对抗原肽的识别并非呈现严格的一对一关系，而是一种类型的MHC分子可以识别一群带有特定共同基序的肽段，由此构成MHC 分子与抗原肽相互作用的包容性（flexibility）。这一包容性可表现在不同层次：首先，共同基序中以‘x’ 表示的氨基酸，其顺序和结构可以改变；其次，同一MHC分子（特别是Ⅱ类分子）所要求被提成肽段的锚定残基往往不止一种氨基酸，结果是，符合某一共同基序的肽段数量可以相当地多，造成一种MHC分子有可能结合多种抗原肽，活化多个抗原特异T细胞克隆；最后，不同MHC分子接纳的抗原肽，也可以拥有相同的共用基序。例如，在HLAⅠ类分子中至少已经确认了A2、A3、B4、B44四个家族，这些家族中的成员可选择性地共同识别拥有相同或相似锚定残基的抗原肽。这意味着，能够被某一HLA分子识别和提

呈的抗原肽，也可被该家族其他分子所提呈。这一点，对应用肽疫苗或T细胞疫苗进行免疫预防和免疫治疗提供了便利。

第四节MHC的生物学功能

一、作为抗原提呈分子参与适应性免疫应答

经典的MHCⅠ类和Ⅱ类分子通过提呈抗原肽而激活T淋巴细胞，参与适应性免疫应答。因而MHC是抗原提呈分子的编码基因。这是MHC主要的生物学功能。由此派生出特异性免疫应答中和这一功能相关的一系列表现。

1．T细胞以其TCR实现对抗原肽和MHC分子的双重识别。CD4+Th细胞识别Ⅱ类分子提呈的外源性抗原肽；CD8+CTL识别Ⅰ类分子提呈的内源性抗原肽（参见表8-1）。由此形成T细胞在抗原识别和发挥效应功能中的MHC限制性。

2．被MHC分子结合并提呈的成份，可以是自身抗原，甚至是MHC分子本身。由此，MHC参与构成自身免疫性（autoimmunity），参与对非己MHC抗原的应答，并参与T细胞在胸腺中的选择和分化。

3．MHC是疾病易感性个体差异的主要决定者。最初在小鼠中确认MHC中存在调控特异性免疫应答的免疫应答基因（Ir基因）和免疫抑制基因（Is基因），以及近代确认的疾病关联原发成份，都属于特定的MHC等位基因（或与之紧密链锁的疾病易感基因）或其产物。这些基因发挥作用和MHC分子的抗原提呈功能密切相关。

4．MHC参与构成种群基因结构的异质性。由于不同MHC分子加工提呈的抗原肽往往不同，这一特点赋予不同个体抗病能力的差异。这在群体水平有助于增强物种的适应能力，推动生命的进化。

二、作为调节分子参与固有免疫应答

MHC中的免疫功能相关基因参与对固有免疫应答的调控。主要表现在以下方面。

1．经典的Ⅲ类基因为补体成份编码，参与炎症反应、对病原体的杀伤和免疫性疾病的发生。

2．非经典Ⅰ类基因和MICA基因产物可作为配体分子，以不同的亲和力结

合激活性和抑制性受体，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。

应该指出，从功能上把MHC基因划分成参与适应性和固有免疫的两个部分并非绝对。例如，对于非经典Ⅰ类基因及MIC家族基因，它们和经典性Ⅰ类基因有相似性：既带有一定程度的多态性，也可以递呈抗原肽，但不出现传统的抗原加工过程。另外，免疫功能相关基因中也有一组基因如前面提到的PSMB和TAP，其产物和抗原提呈有关，参与适应性免疫应答。

第五节HLA与临床医学

一、HLA与器官移植

长期的临床实践证明, 器官移植的成败主要取决于供、受者间的组织相容性, 其中HLA等位基因的匹配程度尤为重要。

组织相容性程度的确定，涉及对供者和受者分别作HLA分型和进行供受间交叉配合试验（cross-matching）。PCR基因分型技术的普及、计算机网络的应用、无亲缘关系个体骨髓库和脐血库的建立，皆有力地提高了HLA相匹配供受者选择的准确性和配型效率。另外，测定血清中可溶型HLA分子的含量，有助于监测移植物的排斥危象。

二、HLA分子的异常表达和临床疾病

所有有核细胞表面表达HLAⅠ类分子, 但恶变细胞Ⅰ类分子的表达往往减弱甚至缺失，以致不能有效地激活特异性CD8＋CTL, 造成肿瘤逃脱免疫监视。在这个意义上，Ⅰ类分子的表达状态可以作为一种警示系统，如表达下降或者缺失则告知免疫系统，细胞可能发生恶变。另一方面，某些自身免疫病中，原先不表达HLA Ⅱ类分子的某些细胞，可被诱导表达Ⅱ类分子，如胰岛素依赖性糖尿病中的胰岛β细胞、乳糜泻中的肠道细胞、萎缩性胃炎中的胃壁细胞等。上述异常表达的机制及其免疫病理学意义未明，可能和它们促进免疫细胞的过度活化有关。

三、HLA和疾病关联

（一）HLA是人体对疾病易感的主要免疫遗传学成分

带有某些特定HLA等位基因或单体型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) 皆称为HLA和疾病关联。这一关联，可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。典型

例子是强直性脊柱炎(AS)。图8-8表明，患者人群中HLA-B27抗原阳性率高达58%~97%，而在健康人群中仅为1%~8%，由此确定强直性脊椎炎和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椎炎。经计算, 其相对风险率（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，以自身免疫病为主，也包括一些肿瘤和传染性疾病。重要者列于表8-3。

表8-3 和HLA呈现强关联的一些自身免疫病

疾病HLA抗原相对风险率

强直性脊柱炎B27 55~376

急性前葡萄膜炎B27 10.0

肾小球性肾炎咯血综合征DR2 15.9

多发性硬化症DR2 4.8

乳糜泻DR3 10.8

突眼性甲状腺肿DR3 3.7

系统性红斑狼疮DR3 5.8

胰岛素依赖性糖尿病DR3/DR4 25.0

类风湿性关节炎DR4 4.2

寻常天疱疮DR4 14.4

淋巴瘤性甲状腺肿DR5 3.2

（二）与疾病关联的原发成分

B27和AS的关联是一个十分典型的例子，已确定B27是原发关联成分。对其他疾病并非如此，因而HLA和疾病关联的研究一般包括两个方面：一是寻找关联的原发成份，包括从分子水平确定起核心作用的HLA等位基因，排除因连锁不平衡而出现的次级关联，并确定相应抗原的关键性表位；二是阐明关联机制。

下面举例说明一些已获进展的几种疾病。

（1）类风湿性关节炎（RA）：这是一种以DR4为主要关联成分的自身免疫性疾病。DR4等位基因编码分子67~74位氨基酸残基序列如果是LLEQRRAA，该等位基因即属易感成分。

（2）乳糜泻（CD）：是由面粉麸质引起的小肠黏膜吸收不良综合征。已阐明该病的原发关联成分是和DR3呈现连锁不平衡的HLA-DQA1*0501及DQB1*0201。这两个等位基因可以分别采用顺式互补（在同一条染色体上）或反式互补（在两条同源染色体上）两种形式，决定易感性。

（3）胰岛素依赖性糖尿病（IDDM）：原发关联成分并非仅仅为表8-3所列的DR3和DR4基因，同时包括与之处于连锁不平衡的DQ基因即DQA1*0301和DQB1* 0201。两个DQ等位基因也呈现顺、反两种互补形式。另存在一些易感程度较低的单体型组合以及抵抗性等位基因。

（4）多发性硬化症（MS）：一种神经系统脱髓鞘性疾病，相关联的成分已确定为DR2中的DRB1*1501，并有DRB3*0101参与。

（三）HLA和疾病关联的机制

同一个HLA座位上的等位基因，在结构上可能仅有几个核苷酸之差，却可造成对疾病易感或抵抗等完全不同的结果。从基因的构-效关系上进行分析，有助于阐明该疾病发生的分子免疫学基础。

有关HLA与疾病（特别是自身免疫病）关联机制的研究主要集中在几个方面。①分析特定HLA等位基因分子参与提呈疾病相关抗原肽的机制。②寻找自身抗原的T细胞表位和B细胞表位，分析携带这些表位的肽段和特定HLA分子结合的共用基序。③分析不同MHC等位基因产物(易感的和抵抗的) 在T细胞抗原受体库的发育和中枢耐受中的作用；寻找识别特定抗原肽-MHC分子复合物的T细胞克隆，确定其特性。④分析调节性T细胞数量和活性改变与疾病易感基因间的关系。

四、HLA与亲子鉴定和法医学

HLA 系统所显示的多基因性和多态性, 意味着两个无亲缘关系个体之间，在所有HLA基因座位上拥有相同等位基因的机会几乎等于零。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，可以成为不同个体显示其个体性（individuality）的遗传标志。据此，HLA基因分型已在法医学上被广泛地用于亲子鉴定和对死亡者“验明正身”。