十一章抗原递呈细胞及抗原的加工递呈

十一章抗原递呈细胞及抗原的加工递呈 免疫学研究所山东大学医学院孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

抗原识别 APC细胞（DC、MΦ和B细胞） B细胞 Ag T细胞孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

第一节抗原递呈细胞（APC） • 一、基本概念 • 1.抗原的加工与递呈 • 抗原加工（antigen processing) • 抗原递呈（antigen presentation) • 内源性抗原（endogenous antigens） • 外源性抗原（exogenous antigens）孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

二、抗原递呈细胞 • 广义上几乎所有的有核细胞都是抗原递呈细胞（凡是表达MHC分子的细胞），都是抗原提呈细胞（ antigen presenting cells，APC)。孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

专职APC(狭义APC） 能够摄取和加工外源性抗原，组成性表达MHCⅡ类分子和协同刺激分子的一类细胞，并能向抗原特异性CD4+T淋巴细胞递呈抗原的特化细胞。包括树突状细胞（dendritic cell）巨噬细胞和B细胞。通常我们所说的抗原递呈细胞即为此群细胞。孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

兼职APC（facultative APC)：能被诱导表达MHCⅡ类分子，并能够向CD4+T细胞递呈抗原的细胞。 • 如：血管内皮细胞、纤维母细胞、多种上皮和间皮细胞及激活的T细胞，均具有一定的抗原递呈能力。孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

1.内源性抗原（endogenous antigens)：指 在抗原提呈细胞内合成的抗原。如病毒抗原和肿瘤抗原。处理产物与MHC-I结合成复合物被 CD8+ T细胞识别。 2. 外源性抗原（exogenous antigens)：指不是由抗原提呈细胞（APC)合成，而是来源于其细胞外的抗原。通过吞噬作用捕获抗原物质与MHC-II分子结合成复合物被CD4+T细胞识别孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

(一)树突状细胞 源于多能干细胞， • 髓系DC：CD11，中等表达HLA-DR，高表达CD14 及GM-CSF和IL-3受体 ——本章主要介绍 • 滤泡内DC（follicular dendritic cells FDC)表型与功能与髓系DC不同，主激活B细胞。孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

相对特异标志分子组合 • 小鼠：33D1,NLDC145 • 人：CD1a，CD11C和CD83 孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

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1.未成熟的DC的功能及特点 • 主要位于皮肤、胃肠道、呼吸道等上皮内，广泛分布于实质器官的间质内 • 表现为功能的不成熟：抗原提呈能力低下 • 细胞表面表达低水平MHC分子 • 通过吞饮、吞噬和受体介导的内吞作用等摄取抗原后，可迁移至引流淋巴器官，并在迁移过程完成成熟孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

3. 成熟DC的特点： • 失去摄取抗原的能力,能加工、递呈抗原。 • 表达趋化性细胞因子受体 • MHC、协同刺激分子（CD80,CD86）、黏附分子（LFA-1,ICAM-1）表达上调。 • 膜表面表达大量抗原肽-MHCⅡ分子复合物和协同刺激分子。 • 可激活未致敏T淋巴细胞 • 具有交叉递呈能力。孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

（二）巨噬细胞 • 固有免疫与适应性免疫之间的桥梁。 • 具有强大的吞噬功能（大吞噬细胞）。 • 静止状态几乎不表达MHCⅡ和协同刺激分子，大多数病毒及非病原体性抗原不能上调其表达；其主要摄取大颗粒性抗原。 • 细菌成分和活化CD4+T分泌或表达的因子可诱导其高表达MHCⅡ分子和协同刺激分子 • 活化的M细胞可激活未致敏T细胞。孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

（三）B 细胞 • 主要加工和递呈可溶性抗原。 • 通过两种方式摄取抗原：胞饮、受体介导内吞 • 通过BCR高效摄取抗原，具有浓集抗原的作用。 • 组成性表达MHCII类分子，诱导表达协同刺激分子。孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

第二节抗原加工和递呈途径 孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

经典途径： • MHCⅠ类分子主要递呈内源性Ag--CD8+T • MHCⅡ类分子主要递呈外源性Ag--CD4+T ③ 交叉递呈 ④非经典途径孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

抗原加工递呈重要事件 • 1.抗原的摄取和降解 • 2.MHC分子合成(及转运） • 3.荷肽 • 4.肽-MHC复合物的转运和递呈孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

一、外源性抗原的加工提呈途径 • 又称为MHCⅡ类途经外源性抗原的摄取、加工 MHCⅡ类分子的合成与转运 MHCⅡ类分子荷肽和提呈孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

（一）外源性抗原加工部位-区室 • 抗原加工区室（compartments)： • 通过胞吞外源性抗原由细胞外进入细胞内，形成内体（endosomes)。 • 内体：胞吞的抗原被质膜包围形成的空泡，是外源性抗原加工的场所。 • 内体经历早期、中期、晚期内体几个阶段，逐渐成熟，最终与溶酶体融合。孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

（二）外源性抗原的降解 • 酸性环境下，组织蛋白酶发挥功能 • 外源抗原降解为多肽孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

Loss of the pro-region exposes the catalytic site of the protease Activation of Cathepsin B at low pH Acidification of the endosome alters the conformation of the proenzyme to allow cleavage of the pro-region Hence: drugs that alter acidification of the endosomes disturb exogenous antigen processing At higher pH cathepsin B exists in a pro-enzyme form 孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

（三）MHC-Ⅱ类分子的生物合成和转运 1.MHC-Ⅱ 合成及九聚体的形成 • 合成场所：粗面内质网 • α/β二聚体合成 • Ii链：Ia分子相关的不变链（Ia-associated invariant chain, Ii链） • CLIP：Ii链中81-104位氨基酸残基的特殊肽段结构，能与所有MHCⅡ类分子的抗原结合槽以不同亲和力结合，称为Ⅱ类分子结合的不变链肽（class II associated invariant peptide, CLIP） • MHC分子与Ii链结合,形成Ii3(β)3九聚体孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

Invariant chain structure Three extended peptides each bind into the grooves of three MHC class II molecules to form the nonomeric complex 孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

and b chains of MHC class II molecules CLIP Invariant chain CLIP peptide A peptide of the invariant chain blocks the MHC Ⅱmolecule binding site. This peptide is called the CLass II associated Invariant chain Peptide (CLIP) 孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

2.Ii链的作用： • 帮助II类分子折叠和装配 • 阻止II类分子与ER中新合成的肽或内源性抗原肽结合 • 引导II类分子进入内体孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

（四）肽-MHCⅡ类分子复合物的形成 • 1.MⅡC和C ⅡV区室——形成场所 • MⅡC MⅡC ： MⅡC即MHCⅡ类区室（MHC class Ⅱ compartment)，于M中，为含有多层膜的空泡，横切面如洋葱状 • CⅡV即含MHCⅡ类分子的空泡（MHC class Ⅱ-cintaining vesicles),位于B细胞中，电子密度较低的区室 • 富含外源性抗原肽、MHCⅡ和HLA-DM分子的内体。孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

MⅡC CⅡV 孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

2.肽-MHCⅡ类分子复合物形成过程： • （1）Ii链裂解：蛋白水解酶降解Ii链，只剩CLIP与II类分子结合。 • （2）CLIP驱离：HLA-DM分子与HLAII-CLIP复合物结合。CLIP脱离抗原结合槽，抗原结合槽处于开放状态。 • （3） HLA-DM的编选作用：HLA-DM对外源性抗原的编选作用具有合适锚定基的高亲和力外源性抗原肽进入抗原结合槽，HLA-DM解离。孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

HLA-DM替代CLIP的主要原因 亲合力：CLIP=MHCⅡ<HLA-DM=MHCⅡ • 抗原肽-MHCⅡ复合物形成的主要原因亲合力：HLADM=MHCⅡ<抗原肽=MHCⅡ 孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

HLA-DM的编选作用 孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

5. 外源性抗原的递呈 • 通过胞吐作用，空泡膜与细胞膜融合，外源性抗原肽-MHCII类分子表达于APC表面，供CD4+T细胞识别。孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

二、内源性抗原的加工递呈 • 又称为MHCⅠ类途径。 • 分为内源性抗原的加工、转运、MHCⅠ类分子荷肽、递呈几个阶段。孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

1. 内源性抗原的加工 • 蛋白酶体：一种存在于大多数细胞内的大分子多功能蛋白酶复合体 • 免疫蛋白酶体将胞内蛋白质降解，在LMP2和LMP7的作用下产生8-13个氨基酸残基的羧基端为碱性或疏水氨基酸的肽段。 IFN- 免疫蛋白酶体蛋白酶体 LMP2、LMP7、 LMP10/MECL-1 多肽 8-11 内源性抗原孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

蛋白酶体模式图作用机理 20S核心蛋白酶体调节复合体孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

2. 内源性抗原肽的转运 • 由TAP选择性的将长度为8-13个氨基酸残基，C端为碱性或疏水氨基酸的肽转运到内质网。 • TAP分子位于内质网膜上，其跨膜段在内质网膜上环绕形成跨膜孔道。孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

Schematic model of TAP Based on sequence alignments with members of the ATP-binding cassette (ABC)-B subfamily, hydrophobicity analyses, and truncation studies (46), the membrane topology of TAP is predicted. Both subunits contain a core ransmembrane domain (TMD) with 6 helices and an NH2-terminal extension of 4 and 3 helices for TAP1 and TAP2, respectively. The Walker A and B (A, B) sequences and the C loop sequence (C) of the nucleotide-binding domains (NBDs) are involved in binding and/or hydrolyzing ATP. Site I and site II are defined as the ATP binding pocket composed of residues of the Walker A and B motifs of NBD1 and the C loop of NBD2 and vice versa. The L loop is speculated to interact (double arrow) with the Q loop. 孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

Model of the ATP-bound dimer ofNBD1 and NBD2 • Model of the ATP-bound dimer of NBD1 and NBD2 NBD1 (residues 502–720) and NBD2 (residues 467–680) of TAP were modeled by using the structure of MJ0796 (PDB entry 1L2T) as template via the Swiss-Model web server (83). The figure was generated using PyMOL (http://www.pymol.org). The helices of arm II of NBD1 and NBD2 are colored orange and olive, respectively. The Walker A and C loop sequences are marked in black. Site I and site II, defined as ATP-binding pocket composed of residues of the Walker A and B motif of NBD1 and the C loop of NBD2 and vice versa, are indicated with circles. The 2 sandwiched ATP molecules are shown in stick presentation. The model is viewed along normal toward the cytosol. NBD1 NBD2 孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

Model of peptide translocation by the TAP complex. • Proposed peptide transport cycle of TAP The white circle illustrates the L loop, which interacts with the Q loop of the NBD in the absence of peptide. After peptide binding, the position and/or structure of the L loop is changed (white square), disrupting the interaction with the Q loop. Taking into account that the NBDs are fixed on the TMDs and that BtuDs (vitamin B12 importers and NBD of BtuCD) are close together when complexed with cyclotetravanadate (resembling the empty or ADP-bound state), as deduced from the X-ray structure of BtuD, a small rearrangement of the NBDs can be sufficient for dimerization. 孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

Model of peptide translocation by the TAP complex. Peptide (dark blue triangles) and ATP/ADP independently bind to TAP in the cytosol. It is unknown, if both NBDs are loaded with ATP. Peptide binding induces a structural reorganization of the TAP complex, triggering ATP hydrolysis and subsequently translocation of the peptide. 孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

Hydrophobic transmembrane domain Lumen of ER Lumen of ER Peptide Peptide Peptide Peptide Peptide Peptide Peptide Peptide Peptide Peptide Peptide ER membrane ER membrane TAP-1 TAP-1 TAP-1 TAP-1 TAP-1 TAP-1 TAP-1 TAP-1 TAP-1 TAP-1 TAP-1 TAP-2 TAP-2 TAP-2 TAP-2 TAP-2 TAP-2 TAP-2 TAP-2 TAP-2 TAP-2 TAP-2 Cytosol Cytosol ATP-binding cassette (ABC) domain Peptide antigens from proteasome Transporters associated with antigen processing (TAP1 & 2) Transporter has preference for >8 amino acid peptides with hydrophobic C termini. 孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

3. MHCⅠ类分子的合成与肽-MHCⅠ复合物的形成 • 在内质网中进行 • 在钙联蛋白、钙网蛋白等协助下折叠形成α/β2m二聚体 • 在TAP1相关蛋白的作用下与TAP结合于内质网孔道的内侧口，并与内源性抗原肽结合。孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

Peptide Peptide Peptide Peptide Peptide Peptide Peptide Peptide Peptide Peptide Peptide TAP-1 TAP-1 TAP-1 TAP-1 TAP-1 TAP-1 TAP-2 TAP-2 TAP-2 TAP-2 TAP-2 TAP-2 TAP-2 TAP-2 TAP-2 TAP-2 TAP-2 TAP-1 TAP-1 TAP-1 TAP-1 TAP-1 Endoplasmic reticulum Maturation and loading of MHC class I B2-M binds and stabilises floppy MHC Tapasin, calreticulin, TAP 1 & 2 form a complex with the floppy MHC Calnexin binds to nascent class I chain until 2-M binds Cytoplasmic peptides are loaded onto the MHC molecule and the structure becomes compact 孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

4. 内源性抗原肽的递呈 • 结合了肽的I类分子在高尔基体中与TAP1相关蛋白解离，通过外吐空泡运送到细胞表面，供CD8+T细胞识别。孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

十一章 抗原递呈细胞及 抗原的加工递呈