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18.2：抗原、抗原呈递细胞和主要组织相容性复合物

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    200167

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    学习目标

    • 识别表达 MHC I 和/或 MHC II 分子的细胞，并描述 MHC I 和 MHC II 分子的结构和细胞位置
    • 识别属于抗原呈递细胞的细胞
    • 描述使用 MHC I 和 MHC II 进行抗原处理和呈现的过程

    正如《细胞防御》中所讨论的那样，主要的组织相容性复合物（MHC）分子在健康细胞表面表达，将其识别为正常细胞和 “自身” 于自然杀伤（NK）细胞。 MHC分子在外来抗原的呈现中也起着重要作用，这是激活T细胞的关键步骤，因此也是适应性免疫系统的重要机制。

    主要组织相容性复合分子

    主要组织相容性复合物（MHC）是编码人体所有有核细胞表面的MHC分子的基因集合。 在人类中，MHC基因也被称为人类白细胞抗原（HLA）基因。 缺乏细胞核的成熟红细胞是唯一不在其表面表达 MHC 分子的细胞。

    适应性免疫涉及两类 MHC 分子，即 MHC I 和 MHC II（图\(\PageIndex{1}\)）。 MHC I 分子存在于所有有核细胞中；它们对参与细胞免疫的效应 T 细胞呈现正常的自身抗原以及异常或非自身病原体。 相比之下，MHC II 分子仅存在于巨噬细胞、树突状细胞和 B 细胞中；它们呈现异常或非自身的病原体抗原，用于初始激活 T 细胞。

    两种类型的 MHC 分子都是跨膜糖蛋白，在细胞的细胞质膜中以二聚体形式组装，但它们的结构却大不相同。 MHC I 分子由较长的 α 蛋白链和较小的 β 2 微球蛋白蛋白组成，只有 α 链跨越细胞质膜。 MHC I 分子的 α 链折叠成三个独立的结构域：α 1、α 2 和 α 3。 MHC II 分子由两条长度大致相似的蛋白链（α和β链）组成。 MHC II 分子的两条链都具有横跨质膜的部分，每条链折叠成两个单独的结构域：α 1 和 α 2，以及 β 1 和 β 2。 为了向 T 细胞呈现异常或非自身抗原，MHC 分子在 MHC-I 或 MHC-II 二聚体的 “顶部”（或最外层）部分附近有一个裂缝，作为抗原结合位点。 对于 MHC I，抗原结合裂缝由 α 1 和 α 2 结构域形成，而对于 MHC II，裂缝由 α 1 和 β 1 结构域形成（图\(\PageIndex{1}\)）。

    绘制磷脂双层（质膜）。 在所有有核人体细胞中都发现了 MHC I 类蛋白分子。 它在膜中有一个线性部分，在细胞的外侧有四个部分。 其中一部分连接到膜跨部分；两部分形成抗原结合位点；第四部分被标记为 β-2 微球蛋白。 MHC II 类蛋白分子存在于淋巴细胞和巨噬细胞中。 它有两个膜跨接部分（每个部分附着在细胞外部的一部分上）。 附着在它们上的两部分形成抗原结合位点。
    图\(\PageIndex{1}\)：MHC I 存在于所有有核人体细胞中，MHC II 存在于巨噬细胞、树突状细胞和 B 细胞（以及 MHC I）中。 MHC I 的抗原结合裂缝由结构域 α 1 和 α 2 形成。 MHC II 的抗原结合裂缝由结构域 α 1 和 β 1 形成。

    练习\(\PageIndex{1}\)

    比较 MHC I 和 MHC II 分子的结构。

    抗原呈递细胞 (APC)

    体内所有有核细胞都有处理和呈现与 MHC 分子相关的抗原的机制。 这会向免疫系统发出信号，表明细胞是正常健康还是感染了细胞内病原体。 但是，只有巨噬细胞、树突状细胞和B细胞能够专门为激活T细胞而呈现抗原；因此，这些类型的细胞有时被称为抗原呈递细胞（APC）。

    尽管所有装甲运兵车在适应性免疫中都起着相似的作用，但有一些重要的区别需要考虑。 巨噬细胞和树突状细胞是吞噬细胞，它们会摄入并杀死穿透一线屏障（即皮肤和粘膜）的病原体。 另一方面，B 细胞不起吞噬细胞的作用，而是在抗体的产生和分泌中起主要作用。 此外，巨噬细胞和树突状细胞通过非特异性受体相互作用（例如 PAMP、toll 样受体和 opsonizing 补体或抗体的受体）识别病原体，而 B 细胞则使用抗原特异性免疫球蛋白与外来病原体或其游离抗原相互作用受体（单体 IgD 和 IgM）。 当免疫球蛋白受体与抗原结合时，B 细胞通过内吞作用将抗原内化，然后再处理抗原并将其呈现给 T 细胞。

    使用 MHC II 分子呈现抗原

    MHC II 分子仅存在于装甲运兵车的表面。 巨噬细胞和树突状细胞使用相似的机制处理和呈现与 MHC II 相关的抗原及其表位；B 细胞使用略有不同的机制，将在 B 淋巴细胞和体液免疫中进一步介绍。 现在，我们将重点介绍该过程的步骤，因为它们与树突状细胞有关。

    树突状细胞识别并附着在病原体细胞上后，病原体通过吞噬作用被内化，最初包含在吞噬体中。 含有抗微生物酶和化学物质的溶酶体与吞噬体融合形成吞噬体，从而开始降解用于抗原处理的病原体。 蛋白酶（蛋白降解）在抗原加工中尤为重要，因为只有蛋白质抗原表位由MHC II呈现给T细胞（图\(\PageIndex{2}\)）。

    APC 不向 T 细胞呈现所有可能的抗原表位；只展示了部分抗原性最强或免疫显性最强的抗原性。 APC 选择抗原表位进行处理和呈现的机制很复杂，尚不为人所知；但是，一旦处理了抗原性最强、免疫显性最强的抗原表位，它们就会在 MHC II 分子的抗原结合裂缝中结合并转移到细胞表面呈现给 T 细胞的树突状细胞。

    吞噬过程。1：细菌被吞噬作用吞没到树突状细胞中并被包裹在吞噬体中。2：溶酶体与吞噬体融合并消化细菌。3：免疫显性表位与 MHC II 相关并呈现在细胞表面。
    图\(\PageIndex{2}\)：树突状细胞吞噬细菌细胞并将其带入吞噬体。 溶酶体与吞噬体融合形成吞噬体，其中抗菌化学物质和酶会降解细菌细胞。 蛋白酶处理细菌抗原，选择最多的抗原表位并与 MHC II 分子一起出现在细胞表面。 T 细胞识别所呈现的抗原，因此被激活。

    练习\(\PageIndex{2}\)

    1. 装甲运兵车有哪三种？
    2. MHC II 分子在抗原呈现中起什么作用？
    3. 抗原呈现在适应性免疫中的作用是什么？

    使用 MHC I 分子呈现抗原

    在所有正常、健康、有核细胞中发现的 MHC I 分子向免疫系统发出信号，表明该细胞是正常的 “自身” 细胞。 在健康细胞中，通常存在于细胞质中的蛋白质会被蛋白酶体（负责蛋白质降解和加工的酶复合物）降解并加工成自身抗原表位；这些自身抗原表位在 MHC I 抗原结合裂缝内结合，然后呈现在细胞上表面。 免疫细胞，例如NK细胞，可以识别这些自身抗原，不会靶向细胞进行破坏。 但是，如果细胞感染了细胞内病原体（例如病毒），则该病原体特异的蛋白质抗原将在蛋白酶体中进行处理，并与MHC I分子结合，呈现在细胞表面。 这种带有MHC I的病原体特异性抗原的呈现表明，受感染的细胞必须与病原体一起成为破坏靶向。

    在开始消灭受感染细胞之前，APC 必须首先激活参与细胞免疫的 T 细胞。 如果细胞内病原体直接感染 APC 的细胞质，则抗原的处理和呈现可以如上所述（在蛋白酶体中和使用 MHC I 的细胞表面）。 但是，如果细胞内病原体没有直接感染 APC，则使用另一种称为交叉呈现的策略。 在交叉呈现中，抗原通过通常导致 MHC II 呈现的机制（即通过吞噬作用）带入 APC，但抗原存在于 CD8 T 细胞的 MHC I 分子上。 交叉呈现发生的确切机制尚不清楚，但看来交叉呈现主要是树突状细胞的功能，而不是巨噬细胞或 B 细胞的功能。

    练习\(\PageIndex{3}\)

    1. 比较和对比与 MHC I 和 MHC II 分子相关的抗原处理和表现。
    2. 什么是交叉表现？它可能在什么时候发生？

    关键概念和摘要

    • 主要组织相容性复合物（MHC）是编码在所有有核细胞表面表达的糖蛋白分子的基因集合。
    • MHC I 分子在所有有核细胞上表达，对于呈现正常 “自身” 抗原至关重要。 被细胞内病原体感染的细胞也可以在MHC I上呈现外来抗原，标志着受感染的细胞被破坏。
    • MHC II 分子仅在抗原呈递细胞（巨噬细胞、树突状细胞和 B 细胞）的表面表达。 MHC II 的抗原呈现对激活 T 细胞至关重要。
    • 抗原呈递细胞（APC）主要通过吞噬作用摄取病原体，在吞噬体中破坏它们，处理蛋白质抗原，然后选择最具抗原/免疫显性的表位呈现给 T 细胞。
    • 交叉呈现是未被病原体直接感染的树突状细胞使用的抗原呈现和T细胞激活机制；它涉及病原体的吞噬作用，但涉及MHC I而不是MHC II的表现。