十一章抗原递呈细胞及抗原的加工递呈

孙汶生教授主编科学版-2010-秋-朱

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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


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APC 细胞（ DC 、 MΦ 和 B 细胞）

Ag

B 细胞

T 细胞

抗原识别


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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 ）


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二、抗原递呈细胞

1. 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) 。


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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。


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4. 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。


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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


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( 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。


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相对特异标志分子组合小鼠： 33D1,NLDC145 人： CD1a ， CD11C 和 CD83


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图2-5 呈散在生长的成熟DC（ × 400）

Fi g2-5 scattered mature DC（ × 400）


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1. 未成熟的 DC 的功能及特点

① 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

② 表现为功能的不成熟：抗原提呈能力低下③ 细胞表面表达低水平 MHC 分子④ 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


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3. 成熟 DC 的特点：

① 失去摄取抗原的能力 , 能加工、递呈抗原。② 表达趋化性细胞因子受体③ MHC 、协同刺激分子（ CD80,CD86 ）、

黏附分子（ LFA-1,ICAM-1 ）表达上调。④ 膜表面表达大量抗原肽 -MHCⅡ 分子复合

物和协同刺激分子。⑤ 可激活未致敏 T 淋巴细胞⑥ 具有交叉递呈能力。


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（二）巨噬细胞1. 固有免疫与适应性免疫之间的桥梁。2. 具有强大的吞噬功能（大吞噬细胞）。3. 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。5. 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6. 活化的 M 细胞可激活未致敏 T 细胞。


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（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。


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第二节抗原加工和递呈途径


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经典途径：① MHCⅠ 类分子主要递呈内源性 Ag--CD8

+T② MHCⅡ 类分子主要递呈外源性 Ag--CD4

+T③ 交叉递呈④ 非经典途径


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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


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又称为 MHCⅡ 类途经

一、外源性抗原的加工提呈途径

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


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（一）外源性抗原加工部位 -区室① 抗原加工区室（ compartments) ：② 通过胞吞外源性抗原由细胞外进入细胞内，形成内体（ endosomes) 。

③ 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。

④ 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。


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（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


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Activation of Cathepsin B at low pH

At higher pH cathepsin B exists in a pro-enzyme

form

Acidification of the endosome alters the conformation of the proenzyme to allow cleavage of the pro-

region

Loss of the pro-region exposes the catalytic site of the

protease

Hence: drugs that alter acidification of the endosomes disturb exogenous antigen

processing


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（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① 合成场所：粗面内质网② α/β二聚体合成③ Ii链： Ia 分子相关的不变链（ Ia-associated invariant chain, Ii 链）

④ 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）

⑤ MHC 分子与 Ii链结合 , 形成 Ii3(β)3九聚体


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Invariant chain structure

Three extended peptides each bind into the grooves of three MHC class II molecules to form

the nonomeric complex


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A peptide of the invariant chain blocks the MHC Ⅱmolecule binding site.

This peptide is called the CLass II associated Invariant chain Peptide (CLIP)

Invariant chain CLIP peptide

and chains of MHC class II molecules

CLIP


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2.Ii链的作用：① 帮助 II 类分子折叠和装配② 阻止 II 类分子与 ER 中新合成的肽或内

源性抗原肽结合③ 引导 II 类分子进入内体


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（四）肽 -MHCⅡ 类分子复合物的形成 1.MⅡC 和 C ⅡV区室——形成场所① MⅡC MⅡC ： MⅡC即 MHCⅡ类区室（ MHC c

lass Ⅱ compartment) ，于 M 中，为含有多层膜的空泡，横切面如洋葱状

② 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

③ 富含外源性抗原肽、 MHCⅡ和 HLA-DM 分子的内体。


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M CⅡ C VⅡ


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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。


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HLA-DM替代 CLIP 的主要原因亲合力： CLIP=MHC <HLA-DM=MHCⅡ Ⅱ

抗原肽 -MHCⅡ 复合物形成的主要原因亲合力： HLADM=MHC <Ⅱ 抗原肽 =MHCⅡ


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HLA-DM 的编选作用


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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。


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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。


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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-

LMP2 、 LMP7 、LMP10/MECL-1

内源性抗原多肽8-11

蛋白酶体免疫蛋白酶体


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蛋白酶体模式图作用机

理

调节复合体

20S 核心蛋白酶体


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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。


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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.


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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.

NBD2NBD1


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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.

Model of peptide translocation by the TAP complex.


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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.


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ER membrane

Lumen of ER

Cytosol

Transporters associated withantigen processing (TAP1 & 2)

Transporter has preference for >8 amino acid peptideswith hydrophobic C termini.

TAP-1 TAP-2

Peptide

TAP-1 TAP-2

PeptideTAP-1 TAP-2

Peptide

TAP-1 TAP-2

PeptideTAP-1 TAP-2

Peptide

TAP-1 TAP-2

PeptideTAP-1 TAP-2

Peptide

TAP-1 TAP-2

PeptideTAP-1 TAP-2

Peptide

TAP-1 TAP-2

Peptide

ER membrane

Lumen of ER

Cytosol

TAP-1 TAP-2

Peptide

ATP-binding cassette(ABC) domain

Hydrophobictransmembranedomain

Peptide antigensfrom proteasome


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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。


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Endoplasmic reticulum

Calnexin bindsto nascent

class I chainuntil 2-M binds

TAP-1 TAP-2

Peptide

TAP-1 TAP-2

PeptideTAP-1 TAP-2

Peptide

TAP-1 TAP-2

PeptideTAP-1 TAP-2

Peptide

TAP-1 TAP-2

PeptideTAP-1 TAP-2

Peptide

TAP-1 TAP-2

PeptideTAP-1 TAP-2

Peptide

TAP-1 TAP-2

PeptideTAP-1 TAP-2

Peptide

B2-M binds and

stabilises floppy MHC

Tapasin, calreticulin, TAP 1 & 2 form a

complex with the floppy MHC

Cytoplasmic peptides are loaded onto the MHC molecule and

the structure becomes compact

Maturation and loading of MHC class I


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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 TA

P1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。


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三、交叉递呈

MHCI 类分子也能递呈外源性抗原， MHCII 类分子也能递呈内源性抗原。

DC 细胞


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四、非经典抗原提呈

非肽类抗原如糖脂类抗原主要依赖 CD1 提呈，抗原信息主要提交给 NKT 细胞


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五、抗原加工递呈的意义实现免疫系统对非己抗原的免疫监视作用

免疫调节作用


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小结基本概念： APC APC 的种类内、外性抗原加工提呈的过程生理意义


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抗原加工 (antigen processing) 是指蛋白质抗原在细胞内被降解成能与 MHC 分子结合的肽的过程。

抗原递呈（ antigen presentation ）则是指 MHC 分子与抗原肽结合，将其展示于细胞表面供 T细胞识别的过程。

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内源性抗原 (endogenous antigens ）

指细胞产生的自身所固有的蛋白质也包括胞内寄生的病毒或其他病原体所产生的蛋白质

细胞恶性转化后产生的突变蛋白，即肿瘤抗原。

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外源性抗原 (exogenous antigens)

可以是细胞摄入的各种病原体和疫苗在吞噬体或内体内生长的病原体自身蛋白被摄入后也成为外源性抗原

所以外源性抗原不是非己抗原的同义词。

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