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1 抗原及抗原提呈 10 Chapter 10: Antigen and antigen presentation 授课教师 : 严宜明 免疫应答 (Immune Response) 免疫系统识别和清除 非己 物质的整个过程 现存固有免疫应答 0~4h 诱导性固有免疫应答 4~96h 适应性免疫应答 >96h 感染 感染 感染 被现存非特异效应物识别 动员固有免疫效应细胞 抗原进入淋巴器官 清除感染 效应细胞激活 清除感染 抗原被初始 效应细胞克隆 淋巴细胞识别 扩增和分化 清除感染 免疫的类型 固有 ( 先天性 ) 免疫 ( 非特异性免疫 ) 种群长期进化过程中逐渐形成的, 在个体出生时即具备, 并非针对特定抗原, 是抵抗病原体侵袭的第一道防线 保护性应答 免疫记忆 感染 感染 被现存 Ab 及效应 T 细胞识别 被 Tm Bm 细胞识别 清除感染 效应细胞迅速扩增和分化 清除感染 免疫系统对入侵病原体发生免疫应答类型的时相区分 现存效应物的作用和早期诱导性应答属于固有免疫 ; 抗原进入体内 96h 后由淋巴细胞参与的免疫应答属于适应性免疫 抗原再次入侵产生快速的保护性应答以及长期的记忆性应答 适应性 ( 获得性 ) 免疫 ( 特异性免疫 ) 个体接触抗原刺激而产生, 针对特定抗原而产生应答, 又分为以下类型 : 体液免疫和细胞免疫 初次应答和再次应答 主动免疫和被动免疫 适应性免疫应答的阶段 1. 抗原识别阶段 ( 感应阶段 ) 2. 免疫细胞活化 增殖阶段 ( 激活阶段 ) 适应性免疫应答的基本过程 免疫应答降低, 免疫系统恢复平衡, 并产生长寿命的抗原特异性记忆淋巴细胞 3. 免疫效应阶段 4. 恢复阶段 1

2 适应性免疫应答的类型 固有免疫 适应性免疫 体液免疫 B 细胞活化产生特异性抗体发挥免疫效应 细胞免疫 ( 特异性免疫 ) 特异性 T 细胞活化发挥免疫效应 主动免疫外来 Ag 刺激机体产生特异性免疫应答 被动免疫 ( 特异性免疫 ) 从抗原致敏的机体获得免疫细胞或血清, 将其过继转移至另一未致敏个体, 使之产生对该抗原的特异性应答能力 B 细胞介导的体液免疫 T 细胞介导的细胞免疫 初次应答和再次应答 初次应答 : 其潜伏期长, 应答强度低 ; 再次应答 : 即免疫记忆应答, 其潜伏期长, 应答强度大 抗原的概念及基本特性 Section 1. 抗原的概念与特征 一 抗原的性质与分类 二 抗原特异性的分子基础 三 诱导免疫细胞激活 增殖的其它物质 抗原 (antigen, Ag) 是一类能刺激机体免疫系统使之产生特异性免疫应答 并能与免疫应答产物 ( 致敏淋巴细胞或抗体 ) 在体内外发生特异性结合的物质, 又称免疫原 (immunogen) 通常指能被 T B 细胞表面抗原特异性受体 (TCR BCR) 识别及结合, 激活 T B 细胞增殖 分化, 产生免疫应答效应产物 2

3 并非所有的外源性或自身物质都是 Ag!! 必须具备两大基本特性 : 免疫原性和免疫反应性 免疫原性 免疫原性 (immunogenicity): 抗原刺激特异性免疫细胞, 使之活化 增殖和分化, 最终产生效应物质 (Ab 或致敏淋巴细胞 ) 的能力 免疫反应性 (immunoreactivity): 抗原在体内外与相应的免疫效应物质 ( 抗体或致敏淋巴细胞 ) 发生特异性结合的能力 免疫反应性 完全抗原 : 同时具有免疫原性和免疫反应性的物质 半抗原 (hapten) : 仅有免疫反应性的物质 载体 (carrier) : 与半抗原结合而赋予其免疫原性的物质 半抗原 2,4 二硝基酚 (DNP) 和载体卵白蛋白 (OVA) 青霉素降解产物青霉烯酸为半抗原, 无免疫原性, 一旦与血清蛋白结合可成为完全抗原, 诱导机体产生 IgE 抗体并介导 I 型超敏反应 ( 青霉素过敏 ) 随着对固有免疫和模式识别的认识逐渐深入, 人们对免疫原的概念有所修正 广义上, 免疫原泛指所有启动和参与免疫应答的物质, 包括两类 : 克隆选择学说模式识别学说危险模式学说 固有分子模式 (innate molecule pattern,imp): 激发和诱导固有免疫应答的物质, 包括 PAMP 和 DAMP 被 PRR(TLR 清道夫受体等 ) 识别 抗原 (antigen, Ag): 被 TCR BCR 识别, 可激活 T 细胞 B 细胞, 介导适应性免疫应答的物质 三种免疫识别模式理论 3

4 一 抗原的性质和分类 ( 一 ) 抗原的性质 ( 二 ) 抗原的类别 影响抗原免疫原性的因素 抗原分子的理化与结构性质 宿主方面的因素 遗传因素 : 机体的免疫应答能力受遗传 (Ir 基因 ) 控制 年龄 性别与健康状态 : 青壮年比幼年和老年对抗原的免疫应答强 ; 雌性比雄性动物诱导抗体能力强, 但怀孕个体的应答能力受到抑制 抗原进入机体的方式 抗原进入机体的数量 途径 两次免疫间的时间间隔次数以及免疫佐剂的应用和佐剂类型等都明显影响机体对抗原的应答 途径 : 皮内注射 > 皮下注射 > 肌肉注射 > 腹腔注射 > 静脉注射 ( 一 ) 抗原的性质 1 异物性 : 化学结构与宿主成分相异或机体免疫细胞在胚胎期未与其接触过的物质称为异物 同种异体物质 异种物质 2 一定的理化性状 : 抗原均为有机物但需具备一定理化性状 大分子胶体 ( 一般在 10kDa 以上 ) 一定的化学组成和结构含芳香族 aa 的蛋白免疫原性较强 ; 多糖的免疫原性由单糖的数目和类型决定 ; 核酸免疫原性较弱 ; 脂类无免疫原性 分子构象与易接近性 : 分子构象 : 见后 易接近性 : 抗原表位在空间上与 BCR 相互接近的难易度 物理性状 : 聚合蛋白质 > 单体蛋白质 ; 颗粒性抗原 > 可溶性抗原环状结构蛋白质 > 直链蛋白质 ( 明胶 ) 3 完整性 : 分子构象是指抗原分子中某些特殊化学基团的三维结构, 其决定该抗原能否与相应的淋巴细胞抗原受体互相吻合, 从而启动免疫应答 分子构象的细微变化, 可能导致其免疫原性发生变化 邻位 间位 Landsteiner 对位 与抗氨苯磺酸抗体反应 易接近性 : 抗原表位在空间上与 BCR 相互接近的难易度 酪 aa 和谷 aa 残基在侧链外侧时 各侧链间距拉大 抗氨苯磺酸 ( 间位 ) 抗体 抗原氨基酸残基的位置和间距与免疫原性的关系 4

5 1 异物性 : ( 一 ) 抗原的性质 2 一定的理化性状 : 3 完整性 : 具备上述性状的物质必须经过非消化道途径进入机体 ( 包括注射 吸入 混入伤口等 ), 并接触淋巴细胞, 才能成为良好抗原 如果是口服后可被消化酶水解成胨 氨基酸, 破坏了其结构, 就丧失了免疫原性 影响抗原免疫原性的因素 抗原分子的理化与结构性质 异物性 一定的理化性状 大分子胶体 ; 一定的化学组成和结构 分子构象和易接近性 ; 一定的物理性状 完整性 宿主方面的因素 遗传因素 : 机体的免疫应答能力受遗传 (Ir 基因 ) 控制 年龄 性别与健康状态 : 青壮年比幼年和老年对抗原的免疫应答强 ; 雌性比雄性动物诱导抗体能力强, 但怀孕个体的应答能力受到抑制 抗原进入机体的方式抗原进入机体的数量 途径 两次免疫间的时间间隔次数以及免疫佐剂的应用和佐剂类型等都明显影响机体对抗原的应答途径 : 皮内注射 > 皮下注射 > 肌肉注射 > 腹腔注射 > 静脉注射 ( 二 ) 抗原的类别 根据抗原与机体的亲缘关系分类 异种抗原 (xenogenic antigen) 同种异型抗原 (allogenic antigen) 自身抗原 (autoantigen) 异嗜性抗原 (heterophilic antigen) 根据诱生抗体时是否 Th 细胞参与分类 胸腺依赖性抗原 (TDAg) 胸腺非依赖性抗原 (TIAg) 根据抗原是否在抗原提呈细胞内合成分类 外源性抗原 (exogenous antigen) 内源性抗原 (endogenous antigen) 其它分类 : 根据抗原与机体的亲缘关系分类 异种抗原 (xenogenic antigen) 指来自另一物种的抗原性物质, 如病原微生物及其产物 植物蛋白 用于治疗目的的动物抗血清及异种器官移植物等, 对人而言均为异种抗原 同种异型抗原 (allogenic antigen) 指来自同一物种而基因型不同的个体的抗原性物质, 亦称同种抗原或同种异体抗原 如人类 ABO 血型抗原 Rh 血型抗原和 HLA 自身抗原 (autoantigen) 在感染 外伤 服用某些药物等影响下, 使免疫隔离部位的抗原释放, 或改变和修饰了的自身组织细胞, 可诱发对自身成分的免疫应答, 这些可诱导特异性免疫应答的自身成分称为自身抗原 如精子 眼晶状体 神经髓鞘磷脂碱性蛋白 异嗜性抗原 (heterophilic antigen) 指在不同种属动物 植物及微生物细胞表面存在的共同抗原, 又名 Forssman 抗原 溶血性链球菌的表面成分与人肾小球基底膜及心肌组织有共同抗原, 导致肾小球肾炎或心肌炎 ; 大肠杆菌 O 14 型脂多糖与人结肠黏膜有共同抗原存在, 可导致溃疡性结肠炎 根据诱生抗体时是否 Th 细胞参与分类 胸腺依赖性抗原 (TDAg) 此类抗原由 B 细胞表位 ( 半抗原 ) 和 T 细胞表位 ( 载体 ) 组成, 刺激 B 细胞产生抗体时依赖于 T 细胞辅助 绝大多数蛋白质抗原均属 TDAg, 刺激机体主要产生 IgG 类抗体, 还可产生细胞免疫应答和记忆应答 胸腺非依赖性抗原 (TIAg) 此类抗原由多个重复 B 细胞表位组成, 激活 B 细胞无需 Th 细胞的辅助, 又称 T 细胞非依赖抗原 TIAg 只引起体液免疫应答, 不引起细胞免疫应答, 产生的抗体为 IgM 类, 不产生再次免疫应答和免疫记忆 可分为 TI1Ag 和 TI2Ag 两类 5

6 TI1 Ag: 既含有抗原表位, 又具有丝裂原性质, 可特异性或非特异性激活多克隆 B 细胞, 如脂多糖 能使不成熟及成熟的 B 细胞应答 TI2 Ag: 其表面含多个重复 B 细胞表位, 如肺炎球菌荚膜多糖 聚合鞭毛素, 通过交联 BCR 仅使成熟的 B 细胞应答 婴儿的 B 细胞发育不成熟, 故对 TI2 Ag 不应答或低应答 根据被提呈的抗原来源分为两大类 外源性抗原 (exogenous antigen): 指非 APC 自身产生的抗原, 需经 APC 摄取至细胞内才能被加工 处理并以抗原肽 MHC II 类复合物的方式提呈给 CD4 + T 细胞 包括 : 天然 Ag 人工 Ag 合成 Ag 基因工程 Ag TI1 Ag TI2 Ag 内源性抗原 (endogenous antigen): 指 APC 和免疫效应细胞的靶细胞自身产生的抗原, 在细胞内合成后直接被细胞加工 处理并以抗原肽 MHC I 类复合物的方式提呈给 CD8 + T 细胞 包括 : 自身隐蔽 Ag 变性的自身 Ag TCR 和 BCR 的独特型表位 病毒感染细胞合成的 Ag 和肿瘤 Ag 等 其他分类根据免疫性 : 完全抗原 不完全抗原 ( 半抗原 ) 根据抗原的产生方式 : 天然抗原和人工抗原 ; 根据物理性状 : 颗粒性抗原和可溶性抗原 ; 根据化学性质 : 蛋白质抗原 多糖抗原及核酸抗原等 ; 根据诱导免疫应答的作用 : 移植抗原 肿瘤抗原 变应原或过敏原及耐受原 耐受原 : 诱导机体产生特异性无免疫应答 变应原 : 诱导机体产生超敏反应 二 抗原特异性的分子基础 ( 一 ) 抗原表位 抗原特异性的物质基础 ( 二 ) 抗原 抗体反应的特异性 抗原特异性的概念及表现 抗原特异性 (specificicity) 的概念 : 指物质间 (Ag 与 Ab/BCR/TCR 间 ) 的相互吻合性或针对性 专一性 即抗原诱导机体产生适应性免疫应答及其与应答效应产物发生反应所显示的专一性. 抗原特异性的表现 : 免疫原性的特异性 : 指某一抗原仅能激发机体产生特定的免疫应答, 即只能产生针对该抗原的特异性抗体和 ( 或 ) 致敏淋巴细胞 ; 免疫反应性的特异性 : 指某一抗原仅能与其诱导产生的相应抗体和 ( 或 ) 致敏淋巴细胞结合而发生反应 6

7 抗原特异性是免疫学最重要的特点, 也是免疫学检测诊断及防治技术的理论依据和分子基础, 如人血清 HBsAg 检测 根据抗原 抗体反应特异性这一特点, 可以区分物质之间的细微差异 抗原表位是抗原特异性的物质基础!! 抗原通过抗原表位与相应的淋巴细胞表面的抗原受体结合, 从而激活淋巴细胞, 引起免疫应答 ; 抗原也借表位与相应抗体或致敏淋巴细胞发生特异性结合而发挥免疫效应 Ag ( 一 ) 抗原表位 抗原特异性的物质基础 1 抗原表位 (epitope) 的概念 是 Ag 分子中决定抗原特异性的特殊化学基团, 又称抗原决定簇 ( 基 )(AD); 是 Ag 与相应淋巴细胞上的抗原受体 (TCR/BCR) 及 Ab 特异性结合的最小结构与功能单位 ; Ag 抗原通过抗原表位与相应的淋巴细胞表面的抗原受体结合, 从而激活淋巴细胞, 引起免疫应答 ; 抗原也借表位与相应抗体或致敏淋巴细胞发生特异性结合而发挥免疫效应 抗原表位的性质 数目和空间构型决定抗原的特异性 抗原表位的大小与相应抗体的抗原结合部位相适合 通常一个多肽表位含 5~6 个氨基酸残基 ; 一个多糖表位含 5~7 个单糖 ; 一个核酸半抗原的表位含 6~8 个核苷酸 一个抗原表位的特异性由组成它的所有残基共同决定, 但其中有些残基在与抗体结合时比其它残基起更大作用, 这些残基被称为免疫显性基团 2 抗原表位的类型 根据 aa 残基的空间结构特点分类 : 序列 ( 线性 ) 表位 : 由序列上连续线性排列的 aa 残基组成 主要存在于抗原分子的疏水区 构象表位 : 由序列上不连续性排列 但在空间上彼此接近形成特定构象的 aa 残基或多糖构成 7

8 根据抗原表位是否相互影响分为 : 覆盖型表位 : 若某一表位与相应抗体结合会影响另一表位与抗体的结合, 此类表位称为 ~ 非覆盖型表位 : 某些抗原分子表面, 不同表位之间相对分离, 各自结合特异性抗体, 互不影响, 这类表位被称为 ~ 根据抗原表位的易接近性分为 : 功能性表位 : 位于抗原分子表面的表位易被相应淋巴细胞所识别, 即具有易接近性, 可直接启动免疫应答, 故称为 ~ 隐蔽性表位 : 存在于抗原分子内部的表位无直接触发免疫应答的功能, 称为 ~ 若经理化因素处理抗原, 使其结构发生改变, 内部的隐蔽表位被暴露, 可成为新的有功能的表位 如烧伤 感染或射线等因素可使自身抗原变性, 引发自免病 根据 T B 细胞所识别的抗原表位的不同分为 : T 细胞表位 : 抗原分子中经 APC 加工后与 MHC 分子结合为复合物并表达于 APC 表面, 被 T 细胞识别的线性表位 CD8 + T 细胞和 CD4 + T 细胞分别识别含 8~10 个 aa 含 13~17 个 aa 的表位 B 细胞表位 : 被 BCR 或抗体识别的表位 含 5~15 个 aa 或多糖, 大多为天然抗原分子表面的构象表位, 不经 APC 加工, 少数为线性表位 内部 根据半抗原和载体的抗原表位分类 : 半抗原表位 : 载体表位 : 在研究人工蛋白质性质时, 将半抗原偶氮化后再结合至蛋白载体上, 成为半抗原 蛋白质结合物, 此结合物称为偶氮蛋白或结合抗原, 这种结合抗原除带有蛋白质载体原有的抗原表位 (T 细胞表位 ) 外, 还附加了半抗原表位 (B 细胞表位 ), 用此抗原免疫动物, 可刺激机体产生针对半抗原的特异性抗体 在半抗原 载体结合物中, 载体分子虽有它本身的特异性, 却不干扰半抗原的特异性 但载体特异性对半抗原诱导抗体应答的效果有明显的影响 将半抗原 2,4 二硝基酚 (DNP) 共价交联于 BSA 和卵白蛋白 (OVA) 大分子载体上, 对不同组的动物用不同的抗原进行首次和再次免疫, 然后测定各组动物的抗 DNP 抗体, 结果见表 首次免疫 再次免疫 抗 DNP 抗体 DNP OVA OVADNP + OVADNP OVADNP ++++ OVADNP BSADNP + OVA OVADNP ++++ OVA BSADNP + 8

9 半抗原 载体反应 首次免疫 再次免疫 抗 DNP 抗体 DNP OVA OVADNP + OVADNP OVADNP ++++ OVADNP BSADNP + OVA OVADNP ++++ OVA BSADNP + 载体效应 初次和再次免疫中, 半抗原必须结合在相同载体上, 才能产生抗半抗原的抗体, 此现象称 ~ 从以上实验可知 : 载体不仅赋于半抗原以免疫原性, 还与半抗原免疫应答的记忆性密切相关 进一步的研究证明, 半抗原的特异性被 B 细胞识别, 而载体特异性被 T 细胞识别 ; 只有 TB 细胞协作, 才能启动对半抗原的抗体应答, 才能产生再次应答效应 载体效应 其机制为 :B 细胞识别半抗原, 蛋白载体含 CD4 + T 细胞表位, 被 B 细胞或其他 APC 提呈并活化 CD4 + T 细胞, 这样 TB 细胞通过载体而相互联系,Th 细胞藉此相互作用辅助激活 B 细胞 ( 二 ) 抗原 抗体反应的特异性 抗原特异性的研究多是通过着抗原 载体结合物来进行的 抗原 抗体反应犹如锁与钥匙, 具有高度特异性, 借此可精确区分物质之间的极细微的差异 抗原 抗体反应的高度特异性取决于 : 抗原表位的化学组成 ; 化学基团的空间排列和立体构型 将苯胺 对氨基苯甲酸 对氨基苯磺酸和对氨基苯砷酸等 4 种已知结构的半抗原分别以偶氮方式结合到大分子蛋白上, 然后用这些结合物分别免疫动物, 所产生的 4 种抗体只与相应的基团起反应 ( 即所产生的抗体能精确将结构相似的半抗原区别开来 ) 化学基团的性质 ( 抗原表位化学组成 ) 对抗原表位特异性的影响 化学基团的空间位置对抗原表位特异性的影响 表位相同但其位置不同, 特异性也各异 应用结构稍有差别的同一种物质, 例如对位 邻位和间位的三种氨基苯磺酸作为半抗原, 所产生的抗体也能将这些分子分出来 抗苯胺 + 抗对氨基苯甲酸 + 抗对氨基苯磺酸 + 抗对氨基苯砷酸 + 邻位 间位 对位 9

10 共同抗原表位与交叉反应 交叉反应 (cross reaction): 抗原 ( 或抗体 ) 除与其相应抗体 ( 或抗原 ) 发生特异性反应外, 有时还与抗体 ( 或抗原 ) 发生反应, 称为 ~ 共同抗原表位 (common epitope): 存在于不同抗原间的相同或相似的抗原表位, 称为 ~ 交叉抗原 (cross antigen): 含共同抗原表位的不同抗原, 称为 ~ 天花病毒 牛痘病毒, 链球菌 心肌抗原 抗原的交叉反应 (cross reaction) 共同抗原的存在和交叉反应的发生并非否定抗原的由共同表位刺激机体产生的抗体可以和两种以上的抗原结合发生反应 特异性, 而是由于抗原的异质性 ( 抗原可由不同分子组成, 一个分子可有多个表位 ) 和共同表位所致 三 诱导免疫细胞激活 增殖的其它物质 ( 一 ) 免疫佐剂 ( 二 ) 丝裂原 ( 三 ) 超抗原 免疫佐剂 (immunoadjuvant) 某些物质预先或与抗原同时注入机体, 可增强机体对该抗原的特异性免疫应答或改变免疫应答的类型, 此类物质被称为免疫佐剂, 简称佐剂 佐剂的种类 : 生物性佐剂 :BCG 短小棒状杆菌 LPS 和 CK 等无机佐剂 : 氢氧化铝 明矾等合成佐剂 : poly I:C poly A:U 低甲基化的 CpG 寡核苷酸等油剂佐剂 : 弗氏佐剂 (FA) 矿物油 植物油等脂质体 : 如免疫刺激复合物 (ISCOMs) 等纳米佐剂 : 免疫佐剂 (immunoadjuvant) 佐剂的种类 : 不同佐剂的作用效果和机制各异 : CFA 和 IFA 是目前动物试验中最常用的佐剂 CFA 含有灭活的结核杆菌和矿物油, 可协助抗原刺激机体产生体液和细胞免疫应答 ;FIA 仅含矿物油成分, 仅可协助抗原刺激机体产生体液免疫应答 ; CpG 寡核苷酸模拟细菌来源的低甲基化的 CpG, 可刺激模式识别受体 TLR9 而增强 M 等分泌炎症 CK, 是有效的 Th1 型佐剂 ; 免疫刺激复合物 (ISCOMs) 等脂质体可与抗原形成油 水复合物, 是抗原缓释而增强免疫应答 佐剂的生物学作用 : 1. 增强免疫原性, 使无或微弱免疫原性物质变成有效的免疫原 ; 2. 增加机体对抗原刺激的反应性, 提高初次和再次免疫应答所产生的抗体滴度 ; 3. 改变产生抗体类型, 使由产生 IgM 转变为产生 IgG; 4. 引起或增强迟发型变态反应 佐剂的主要作用机制 : 1. 改变抗原物理性状, 延缓抗原降解和排除, 延长抗原在体内潴留时间 ; 2. 被佐剂吸附的抗原易被 M 吞噬, 促进抗原处理, 在局部产生炎症反应 ; 3. 刺激淋巴细胞的增殖分化, 从而增强和扩大免疫应答的效应 4. 增强 M 和淋巴细胞膜通透性, 促进其对抗原的有效处理 10

11 佐剂的主要用途 : 1. 增强特异性免疫应答, 用于预防接种及制备动物抗血清 ; 如预防接种时加佐剂氢氧化铝 ( 吸附百白破联合疫苗 ) 增强疫苗免疫效果 免疫动物加弗氏佐剂 (FA) 获得高效价抗体 2. 作为非特异性免增强剂, 用于抗肿瘤与抗感染的辅助治疗 如临床上用佐剂 ( 卡介苗等 ) 作为肿瘤或慢性感染患者的辅助治疗 目前已批准应用于人类疫苗的佐剂包括 6 种 : 铝盐 (Alum) MF59 TM ( 水包油型乳剂 ) MPL ( 糖脂 ) 病毒样颗粒 (VLP) 免疫增强的再造流感病毒样小体 (IRIV) 霍乱肠毒素 (CT) 它们的主要作用是诱导 Th2 细胞偏移和抗体应答 丝裂原 (mitogen) 能与淋巴细胞表面的相应配体结合, 刺激静止淋巴细胞转化为淋巴母细胞并进行有丝分裂, 从而激活某一类淋巴细胞的全部克隆的非特异性免疫刺激剂 因可致细胞发生有丝分裂而亦称有丝分裂原 因其激活某一类淋巴细胞的全部克隆, 故被认为是非特异性的淋巴细胞多克隆激活剂 利用淋巴细胞对丝裂原刺激产生的增殖反应, 可以检测机体免疫系统功能状态 表 102 作用于人和小鼠 T B 细胞的重要丝裂原 人小鼠 T 细胞 B 细胞 T 细胞 B 细胞 Con A( 刀豆蛋白 A) + + PHA( 植物血凝素 ) + + PWM( 美洲商陆 ) LPS( 脂多糖 ) + SPA( 葡萄球菌蛋白 A) + 葡聚糖 + 抗 Ig 抗体 + + 抗 CD3 抗体 + + 超抗原 (superantigen, SAg) 某些抗原物质, 只需要极低浓度 (110ng/ml) 即可非特异性激活人体总 T 细胞库中 220%T 细胞克隆, 产生极强的免疫应答, 这类抗原称之为超抗原 普通抗原超抗原 单克隆 T 细胞应答 1:10 4 1:10 6 ( 万分之一至百万分之一 ) 多克隆 T 细胞应答 1:5 1:20 T 细胞的 TCR 型 SAg SAg 分为外源性和内源性两类 前者如金黄色葡萄球菌肠毒素 A~E; 后者如小鼠乳腺肿瘤病毒蛋白 SAg 与 T 细胞结合的特点 无须抗原加工与递呈 形成 TCR V SAg MHCⅡ 类分子复合物 无 MHC 限制性 普通抗原 Section 2. 抗原提呈的分子机制一 MHC II 类分子途径二 MHC I 类分子途径三 抗原的交叉提呈途径四 提呈脂类抗原的 CD1 分子途径 11

12 抗原提呈细胞 (antigen presenting cell, APC) 指能加工抗原并以抗原肽 MHC 分子复合物的形式将抗原肽提呈给 T 细胞的一类细胞, 在机体的免疫识别 免疫应答与免疫调节中发挥重要作用 APC 的种类与特点 根据 APC 提呈的抗原肽 MHC 复合物的差异, 可将 APC 分为两大类 : 通过 MHC II 类分子提呈外源性抗原的 APC 能摄取 加工外源性抗原并以抗原肽 MHC II 类分子复合物的形式将抗原肽提呈给 CD4 + T 细胞的 APC, 即通常所称的 APC 又分为两类 : 专职性 APC 和非专职性 APC 通过 MHC I 类分子提呈内源性抗原的 APC 能降解 加工细胞内 ( 内源性 ) 抗原并以抗原肽 MHC I 类分子复合物的形式将抗原肽提呈给 CD8 + T 细胞的 APC, 属广义的 APC 此类细胞被胞内寄生病原体感染而产生病原体抗原或细胞发生突变产生突变蛋白抗原, 提呈抗原给被 CD8 + T 细胞而自身被识别 杀伤, 故又称靶细胞 根据 APC 膜分子的表达特点和功能的差异, 可将通过 MHC II 类分子提呈外源性抗原的 APC 分为两大类 : 专职性 APC 专职性 APC(professional APC) 能组成性表达 MHC II 类分子和 T 细胞活化所需的共刺激分子及黏附分子, 具有直接摄取 加工和提呈抗原功能 包括 DC 单核 巨噬细胞 (Mo/M ) 和 B 细胞 非专职性 APC(nonprofessional APC) 诱导性表达 MHC II 类分子和共刺激分子及黏附分子, 抗原的处理和提呈能力较弱, 包括内皮细胞 成纤维细胞 上皮细胞及嗜酸性粒细胞等 管家基因较少受环境因素的影响, 在个体各个生长阶段的几乎全部组织中持续表达或变化很小这类基因的表达方式称为组成性表达 (constitutive expression) 抗原的加工和提呈 (antigen processing and presenting) 抗原加工 : APC 将胞浆内自身产生的内源性抗原或摄入胞内的外源性抗原降解并加工成一定大小的多肽片段, 使抗原肽适合与胞内 MHC 分子结合, 形成抗原肽 MHC 复合物, 再转移到 APC 表面供 T 细胞识别的过程 抗原提呈 : 在 APC 与 T 细胞接触的过程中, 表达于 APC 表面的抗原肽 MHC 复合物被 T 细胞所识别从而将抗原信息提呈给 T 细胞, 诱导 T 细胞活化的过程 12

13 APC 提呈抗原的分类 根据被提呈的抗原来源分为两大类 外源性抗原 (exogenous antigen): 指非 APC 自身产生的抗原, 需经 APC 摄取至细胞内才能被加工 处理并以抗原肽 MHC II 类复合物的方式提呈给 CD4 + T 细胞 包括 : 天然 Ag 人工 Ag 合成 Ag 基因工程 Ag 内源性抗原 (endogenous antigen): 指 APC 和免疫效应细胞的靶细胞自身产生的抗原, 在细胞内合成后直接被细胞加工 处理并以抗原肽 MHC I 类复合物的方式提呈给 CD8 + T 细胞 包括 : 自身隐蔽 Ag 变性的自身 Ag 病毒感染细胞合成的 Ag 和肿瘤细胞合成的肿瘤 Ag 等 根据被提呈的抗原来源或性质不同,APC 通过不同途径进行加工 处理, 将它们提呈给 T 细胞 2 3 MHC II 类分子途径 MHC I 类分子途径 抗原的交叉提呈途径 提呈脂类抗原的 CD1 分子途径 多种分子伴侣 (molecular chaperone) 参与抗原的加工 处理 分子伴侣指一类参与辅助抗原肽正确装配而自身并不装配至终产物的蛋白 在维持分子稳定 辅助分子装配和转运中起重要作用 一 MHC II 类分子途径 ( 一 ) 外源性抗原的摄取与加工 ( 二 )MHC II 类分子的合成 组装和转运 一 MHC II 类分子途径 被 APC 摄取外源性蛋白抗原, 被 APC 胞质溶酶体系统降解为肽段, 与 MHC II 类分子形成抗原肽 / MHC II 类分子复合物, 表达于 APC 表面, 供 CD4 + T 细胞识别的过程 又称内体 溶酶体途径 (endosomelysome pathway) 或溶酶体途径 (lysome pathway) ( 三 )pmhc II 类分子复合物的形成及提呈 13

14 外源性蛋白抗原的加工和提呈的过程 分为以下 3 个阶段 : 外源性抗原的摄取与加工 ; MHC II 类分子的合成 组装和转运 ; pmhc 复合物的形成与抗原多肽的提呈 ( 一 ) 外源性抗原的摄取与加工 1 外源性抗原的摄取: (1)M 对抗原的摄取包括胞饮 吞噬 受体介导的胞吞作用和被动吸附等 4 种方式摄取抗原 吞噬 (phagocytosis): 是指 M 非特异性摄入颗粒性抗原 ( 如细菌 细胞及其碎片等 ); 胞饮 (pinocytosis): 是指 M 非特异性吞入可溶性抗原或极小颗粒 ; 受体介导的胞吞作用 (receptormediated endocytosis) : 是指 M 借助其表面 FcR 和 CR 识别和结合抗原, 然后通过囊泡系统摄入抗原 ( 一 ) 外源性抗原的摄取与加工 1 外源性抗原的摄取 : (2)DC 对抗原的摄取 未成熟 DC 可通过 3 种方式摄取抗原 : 第一种是通过巨吞饮作用吞入非常大量的液体, 每小时可达其细胞体积的一半 第二种是受体介导的内吞作用 DC 表达 Fc RII 受体, 可有效捕捉抗原抗体复合物 ; DC 表达 PRR( 如甘露糖受体 ), 可摄取识别和结合携带 PAMP 的抗原 受体介导内吞后, FcR 及 Ig 与抗原一起被降解, 而 PRR 可在内吞体的 ph 环境中释放出其配体, 并进入再循环而重新转运至胞膜 第三种是吞噬作用 ( 弱 ) ( 一 ) 外源性抗原的摄取与加工 1 外源性抗原的摄取 : (3)B 细胞对抗原的摄取 B 淋巴细胞通过 2 种方式摄取抗原, 即通过非特异性胞饮作用或通过其表面的 BCR ( 即 mig) 的介导, 后一作用是以其高亲合力受体使抗原浓集于 B 淋巴细胞表面后摄入胞内, 故在抗原浓度非常低的情况下也能有效提呈抗原 2 外源性抗原的加工摄取的外源性抗原被质膜包裹形成内体 ( 蛋白质抗原 ) 或吞噬体 ( 颗粒性抗原 ), 后者与胞膜分离后向胞内迁移, 并逐步酸化, 继而与初级溶酶体融合为内体 溶酶体 ( 即吞噬溶酶体 ) 吞噬溶酶体中含多种酸性蛋白酶且为酸性环境, 可将抗原降解为适合与 MHC II 类分子结合的含有 12~18 个 aa 的短肽 从而暴露出能被特异性 T 细胞识别的表位 ( 即免疫显位 ) MIIC ( 二 )MHC Ⅱ 类分子的合成 组装和转运 合成场所 : 粗面内质网 在粗面 ER 中新合成的 MHCⅡ 类分子的 链和 链与粗面 ER 上的 Ii 辅助分子结合形成 ( Ii)3 九聚体 Ii 链 (Ia 相关恒定链, Iaassociated invariant chain ) 的作用 : 参与 II 类分子的组装和折叠 封闭 II 类分子的肽结合槽 阻止其与内质网中的肽和折叠不全的蛋白结合 引导 MHCII 类分子向含已降解抗原肽的晚期内体和溶酶体迁移 Ii MHC II 14

15 ( Ii)3 九聚体一旦形成后即与钙联蛋白解离, 携带九聚体的囊泡被运出内质网, 经高尔基体, 与吞噬溶酶体融合, 形成富含 MHC II 类分子的小室 (MIIC), 在小室内,Ii 被降解, 但在 MHC II 类分子的抗原肽结合沟槽内留有一小片段, 即 MHC II 类分子相关的恒定链多肽 (CLIP, class IIassociated invariant chain peptide), 直至被待提呈的抗原肽所取代 钙联蛋白参与 II 类分子的组装 部分外源性抗原也可不通过 Ii 依赖性途径与 MHC II 类分子结合, 直接与胞膜表面的空载 MHC II 类分子结合后被提呈 一些抗原被内吞进入细胞内, 在 MIIC 中抗原被降解为多肽, 随后与再循环至胞内的空载的成熟 MHCⅡ 类分子结合, 形成稳定的抗原肽 MHC II 类分子复合物, 转运至细胞膜被提呈 CLIP MHC ( 三 )pmhc II 类分子的形成及提呈 在 MIIC 中, 由 HLADM 分子辅助, 使 CLIP 与抗原肽结合沟槽解离, 而 MHC II 类分子与 1218aa 抗原肽结合, 形成稳定的 pmhc II 类分子复合物, 转运至细胞膜, 提呈给 CD4 + T 细胞识别 pmhc II 的特征 抗原肽与 MHC II 类分子相互作用具有如下特点 : 低结合率 和 低解离率 MHC II 类分子借助抗原结合凹槽与抗原肽结合 : 相对的专一性 : 与不同型别 MHC 分子结合的抗原肽其锚着残基各异, 不同型别的 MHC 分子与同一抗原肽的亲和力大小不一 包容性 :MHC 分子与抗原肽的结合无严格的专一性, 一种 MHC 分子可结合具有相同锚着残基的一群肽段 MHC II 类分子结合的抗原肽的长度 (1020 个 aa 残基 ) 长于 I 类分子结合的抗原肽的长度 (911 个 aa 残基 ) 胞吐空泡 决定蛋白质抗原免疫原性的分子基础 蛋白质的免疫显性表位 MHC II 类基因型决定个体的免疫应答能力 pmhc II 的特征 抗原肽与 MHC II 类分子相互作用具有如下特点 : 1 低结合率 和 低解离率 1.MHC 分子与抗原肽的锚着残基相结合 2. MHC 分子与抗原肽结合的相对选择性与不同型别 MHC 分子结合的抗原肽其锚着残基各异, 不同型别的 MHC 分子与同一抗原肽的亲和力大小不一, 不同型别的 MHC 分子选择性的与某些抗原肽结合 3. MHC 分子与抗原肽结合的包容性 :MHC 分子与抗原肽的结合无严格的专一性, 一种 MHC 分子可结合具有相同锚着残基的一群肽段 MHC 分子与抗原肽的结合本身并不能区分自己和非己 事实上, 表达于正常细胞表面的 MHC 分子多以于自身抗原肽结合为复合物的形式才能稳定存在 单这种结合通常并不诱导体内 T 细胞的识别和活化 15

16 外源性蛋白抗原的加工处理和提呈的过程 外源性抗原摄取 内体 / 吞噬体 新合成的 MHCII 类分子 ( 内质网中 ) li 占据抗原结合槽 蛋白酶 MIIC 吞噬溶酶体与 MIIC 融合 li CLIP 蛋白酶作用 HLADM 降解成 13 18aa 小肽 + CLIP 脱落, 暴露抗原结合槽 抗原肽 /MHC II 类分子复合物 二 MHC I 类分子途径 ( 一 ) 内源性抗原的加工与转运 ( 二 )MHC I 类分子的生成与组装 ( 三 )pmhc I 类分子复合物的形成及提呈 转运至 APC 表面, 供 CD4 + T 细胞识别 MHC I 类分子途径 又称内源性抗原提呈途径或胞质溶胶途径 (cytosolic pathway) 内源性抗原被胞质内蛋白酶体系统降解为小分子抗原肽后, 与 MHC I 类分子结合形成抗原肽 MHC I 类分子复合物, 供 CD8 + T 细胞识别的过程 如病毒 Ag 肿瘤 Ag 组织抗原等主要经此途径提呈 所有有核细胞均具有通过 MHC I 类途径加工处理提呈 Ag 的能力 内源性抗原的加工处理和提呈的大致过程分为以下 3 个阶段 : 抗原的加工与转运 ; MHCⅠ 类分子的生成与组装 ; pmhc 复合物的形成与多肽的提呈 ( 一 ) 内源性抗原在蛋白酶体的加工与转运 1 内源性抗原的泛素化 泛素化是对特异的靶蛋白进行泛素修饰的过程 一些特殊的酶将细胞内的蛋白分类, 从中选出靶蛋白分子 泛素化修饰涉及泛素激活酶 E1 泛素结合酶 E2 和泛素连接酶 E3 的一系列反应 : 首先在 ATP 供能的情况下酶 E1 粘附在泛素分子尾部的 Cys 残基上激活泛素, 接着,E1 将激活的泛素分子转移到 E2 酶上, 随后,E2 酶和 E3 酶共同识别靶蛋白, 对其进行泛素化修饰 根据 E3 与靶蛋白的相对比例可以将靶蛋白单泛素化修饰和多聚泛素化修饰 多聚泛素化 抗原肽的形成使抗原肽解除折叠 降低稳定性, 并提供蛋白酶体识别 结合部位, 使之更易被水解 2 内源性抗原的降解 泛素化蛋白呈线性进入胞质溶胶内, 在免疫蛋白酶体作用下, 泛素化的内源性抗原被降解为 5~15 个 aa 残基大小的多肽, 这些肽段的 C 末端大多为疏水 aa 或碱性 aa, 更有利于被 TAP 转运和与 MHC I 类分子抗原结合槽结合 16

17 蛋白酶体 (proteosome) 是一种存在于胞质溶胶中的蛋白水解酶复合物 由 28 个亚单位组成的中空圆柱体结构, 由 4 个环状体串接而成 : 两端的环状体各由 7 个不同的 亚单位构成的 环, 如同一道门, 是蛋白进入空腔的必经之路 ; 中间两个环状体分别由 7 个不同的 亚单位构成的 环 各含 3 个催化亚单位 ( 1 2 5), 具有酶解活性, 其蛋白酶活性位点位于环的内表面 存在两种形式 : 组成性蛋白酶体 ( 存在于所有细胞 ) 和免疫蛋白酶体 ( 存在于 INF 激活的细胞内 ) 19S 调节复合物与 20S 蛋白酶体组成 26S 免疫蛋白酶体, 免疫蛋白酶体的 亚单位在 INF 诱导下, 被 3 个同源亚单位, 即 型蛋白酶体亚单位 8 9 (PSMB8 PSMB9, 旧称 LMP7 LMP2) 和 MECLl 取代, 从而改变蛋白酶体降解的选择性, 促进疏水残基的酶切, 减少酸性残基的酶切 在免疫蛋白酶体作用下, 泛素化的内源性抗原被降解为 5~15 个 aa 残基大小的多肽, 这些肽段的 C 末端大多为疏水 aa 或碱性 aa, 更有利于被 TAP 转运和与 MHC I 类分子抗原结合槽结合 Degradation in the proteasome Cytoplasmic cellular proteins, including nonself proteins are degraded continuously by a multicatalytic protease of 28 subunits Peptide antigens produced in the cytoplasm are physically separated from newly formed MHC class I 内质网 新合成的 MHC I 3 内源性抗原的转运由 ER 表面的 TAP 选择性结合 5~15 个 aa 残基大小的多肽转至内质网腔内, 再经抗原肽的修饰后与新合成的 MHCI 类分子结合 抗原肽的修饰 : 转至内质网腔内的抗原肽或在内质网产生的肽 ( 如信号肽 ), 通常有赖氨基肽酶 (ERAP) 将其氨基端进一步修剪, 以适合与 MHCⅠ 类分子结合 胞浆 Peptides need access to the ER in order to be loaded onto MHC class I molecules 抗原加工相关转运物 (TAP1 & 2) TAP 由 6 次跨膜蛋白 (TAP1 2) 组成的异二聚体, 共同在 ER 上形成孔道 Lumen 内质网腔 of ER ER ER membrane Cytosol 胞浆 TAP1 TAP1 TAP1 Peptide Peptide TAP2 TAP2 TAP2 Hydrophobic transmembrane domain ( 二 )MHCⅠ 类分子的生成与组装 MHCⅠ 类分子 链及 2m 在内质网中合成后, MHCⅠ 类分子中的 α 链立即与伴侣蛋白 ( 钙联蛋白 钙网蛋白 Tapasin) 结合 伴侣蛋白参与 α 链折叠, 保护其不被水解, 参与 链与 2m 组装成完整的 MHCⅠ 类分子, 并参与 MHCⅠ 类分子与 TAP 的结合 Peptide antigens from proteasome ATPbinding cassette (ABC) domain Transporter has preference for 515 amino acid peptides with hydrophobic C termini. calnexin 与 MHCⅠ 类分子的重链相互作用, 而 calreticulin 是与 MHCⅠ 类分子异二聚体 (HC 2m) 相互作用, 维持二聚体的稳定,Tapasin 可将 TAP 和 HC 2mcalreticulin 复合物桥联, 参与肽的转运, 提高肽转运效率 17

18 ( 三 )pmhc 复合物的形成与抗原肽的提呈 在伴侣蛋白协助下 MHCⅠ 类分子折叠形成 / 2m 二聚体, 其 链的 1 和 2 的功能区构成抗原肽结合槽, 与被降解的 812aa 抗原肽结合, 形成 pmhc 复合物, 经高尔基体转运至细胞膜, 提呈给 CD8 + T 细胞 Maturation and loading of MHC class I TAP1 TAP1 TAP1 Peptide Peptide Peptide TAP2 TAP2 TAP2 转至内质网的抗原肽首先以低亲和力与 MHCⅠ 类分子结合,MHCⅠ 类分子围绕抗原肽进一步折叠, 直至形成一个致密稳定的 pmhc 复合物 钙联蛋白 Calnexin binds to nascent class I chain until 2M binds 2M binds and stabilises floppy MHC Endoplasmic reticulum calreticulin,tapasin, TAP 1 & 2, ERp57 form a complex with the floppy MHC Cytoplasmic peptides are loaded onto the MHC molecule and the structure becomes compact 某些病毒可产生免疫逃逸素 (immunoevasin), 通过干扰 MHCⅠ 类分子提呈抗原肽而逃逸免疫应答 其机制为 : 阻止 pmhcⅠ 类复合物表达于感染细胞表面 ; 阻断抗原肽向内质网转运 ; 通过错位, 使 MHCⅠ 类分子返回胞质而被降解 内源性抗原的加工和提呈的大致过程 内源性蛋白在胞质溶胶中泛素化 被蛋白酶体降解成多肽 在 HSP70 等参与下借助 TAP 转至内质网腔内 与新合成的 MHCI 类分子结合成多肽 MHCI 类分子复合体, 经高尔基体转运到 APC 表面, 提呈给 CD8 + T 细胞的 TCR 结合 图 106 病毒干扰 MHCI 类分子提呈抗原途径逃逸免疫应答 A. 病毒产生逃逸素 US6 和 IC47, 通过干扰 TAP, 阻止抗原肽转运至内质网 ;B. 腺病毒蛋白 E19 与 tapasin 竞争 MHCⅠ 类分子, 阻止 MHCⅠ 类分子装载抗原肽 ;C. 巨细胞病毒蛋白 US11 与内质网膜蛋白 derlin 协同, 将新合成的 MHCⅠ 类分子错位至胞质降解 完整抗原需在胞质中降解成抗原肽才能转运 MHC I 类分子和 MHC II 类分子抗原提呈途径的比较 MHC I 类分子途径 MHC II 类分子途径 抗原的主要来源 内源性抗原 外源性抗原 降解 Ag 的胞内位置 胞质蛋白酶体 溶酶体 MIIC 加工和提呈抗原的细胞 所有有核细胞 专职性 APC Ag 与 MHC 结合部位 内质网 MIIC 提呈抗原肽的 MHC 分子 MHC I 类分子 MHC II 类分子 伴侣分子和抗原肽转运分子 钙联蛋白 钙网蛋白 TAP Ii 链 钙联蛋白 识别和应答细胞 CD8 + T 细胞 (CTL) CD4 + T 细胞 (Th) 18

19 三 抗原的交叉提呈途径 ( 一 ) 外源性抗原的交叉提呈 ( 二 ) 内源性抗原的交叉提呈 外源性抗原的交叉提呈 : 外源性抗原循 MHC I 类分子提呈途径被提呈给 CD8 + T 细胞 内源性抗原的交叉提呈 : 内源性抗原循通过 MHC II 类途径被提呈给 CD4 + T 细胞 目前认为这种交叉提呈并不是抗原提呈的主要方式. 图 107 抗原的交叉提呈 A. 外源性抗原通过 MHC I 类分子途径交叉提呈 : 外源性抗原通过 APC 表面受体而内化 部分降解 被转位至胞质 由蛋白酶体降解 ; 或抗原直接从吞噬溶酶体转位至另一小室 与成熟 MHC I 类分子结合 B. 内源性抗原通过 MHC II 类分子途径交叉提呈 : 细胞将自身胞浆蛋白摄入自噬体 与溶酶体融合 内源性蛋白被降解成肽 由 MHC II 类分子提呈 四 提呈脂类抗原的 CD1 分子途径 哺乳动物细胞不能将脂类抗原加工处理成为能与 MHC 分子结合的多肽, 因而脂类抗原不能被 MHC 限制性的 T 细胞识别 脂类抗原由表达 CD1 分子的 APC 提呈给 CD1 限制性 T 细胞 (CD4 CD8 T CD8 + T T 细胞 NKT) CD1 为 MHCI 类样分子, 人 CD1 包括 CD1 a~e 5 个成员 分为 2 组 : 第 1 组包括 CD1a~c; 第 2 组为 CD1d. CD1a~c 主要将脂类抗原提呈给特异性 T 细胞以介导对于病原微生物的适应性免疫应答 ; CD1d 主要将脂类抗原提呈给 NKT 细胞以介导固有免疫应答 CD l 分子既可提呈外源性脂类抗原, 亦提呈自身脂类抗原, 可能参与自身免疫病的发病 CD1 抗原提呈意义 : 在机体抗微生物感染和对脂类抗原的应答中起重要作用 图 108 CD1 分子提呈抗原的途径 19

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