抗原提呈细胞与抗原的加工及提呈 PDF

抗原提呈细胞与抗原加工及提呈 王洛洋 基础医学院免疫学系 E - m a i l : wa ng n a n 2 3 5 @ q d u. e d u. c n 回顾 骨髓 2 当前位置 3 案例分析： Tatiana Islayev was 17 years old when first seen at the Children’s Hospital. She had seve...

抗原提呈细胞与抗原加工及提呈 王洛洋 基础医学院免疫学系 E - m a i l : wa ng n a n 2 3 5 @ q d u. e d u. c n 回顾 骨髓 2 当前位置 3 案例分析： Tatiana Islayev was 17 years old when first seen at the Children’s Hospital. She had severe bronchiectasis ( 支气管扩张， dilatation of the bronchi from repeated infections) and a persistent cough that produced yellow-green sputum( 痰 ). Tatiana had been chronically ill from the age of 4 years, when she started to get repeated infections of the sinuses( 鼻窦 ), middle ears, and lungs, apparently due to a variety of respiratory viruses. The bacteria Haemophilus influenzae( 流感 嗜血杆菌 )and Streptococcus pneumoniae could be cultured from her sputum, and she had been prescribed frequent antibiotic treatment to control her persistent fevers and cough. 4  案例分析： Her brother Alexander, aged 7 years, also suffered from chronic respiratory infections. Like his sister, he had begun to suffer from severe repeated viral infections of the upper and lower respiratory tracts at an early age. He also had severe bronchiectasis, and H. influenzae could be cultured from his sputum. 提示什么原因？ 5 案例分析： When they were examined, Tatiana and Alexander both had elevated levels of IgG, at more than 1500 mg dl–1 (normal levels 600–1400 mg dl–1). They had white blood cell counts of 7000 and 6600 cells μl–1, respectively. Of these white cells, 25% (1750 and 1650 μl–1, respectively) were lymphocytes. Ten percent of the lymphocytes reacted with an antibody against B cells (anti-CD19) (a normal result) and 4% with an antibody against natural killer (NK) cells (anti-CD16) (normal). The remainder of the lymphocytes reacted with an anti-T-cell antibody (anti-CD3). More than 90% of the T cells were CD4-positive, and 10% were CD8-positive. This represented a profound deficiency of CD8+ T cells. Blood tests on their siblings and parents showed no deficiency of CD8+ T cells. Both Tatiana and Alexander had normal neutrophil function and complement titers. Furthermore, their cell-mediated immunity also seemed normal(delayed hypersensitivity skin tests). CD4+/CD8+ T cells 异常 6 案例分析： When their blood cells were examined using FACS analysis, it was found that Tatiana and Alexander expressed very small amounts of MHC class I molecules, less than 1% of the amount expressed on the cells of their father. In contrast, they expressed MHC class II molecules normally. 为什么体液免疫和迟发性超敏反 应正常（ CD4+ T 细胞正常）？ a fluorescent antibody against the MHC class I molecule HLA-A3. 7 案例分析： The HLA typing revealed that the mother and father shared an MHC haplotype (HLA-A3, -B63, HLA-DR4, -DQ3) and that Tatiana and Alexander had inherited this shared haplotype from both their parents. They were therefore homozygous for the MHC region. The other children were heterozygous. It was thus concluded that the two children’s susceptibility to respiratory infections was linked to the MHC locus, for which only they were homozygous. 为什么 HLA-A3 表达减少？ ( 学完本章解答 ) 8  第一节 专职 APC 的生物学特性 第二节 抗原的加工和提呈 目录 9 重点难点 掌握 DC 的功能、 MHCⅠ 和 MHCⅡ 类分子抗原提呈途径 熟悉 经典 DC 的成熟过程 了解 APC 的分类和非经典的抗原提呈途径 10 抗原提呈细胞 抗原提呈细胞（ antigen-presenting cell ， APC ）是能够加工抗原并以抗原 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起重要作用。 APC 11 抗原提呈细胞 1. 通过 MHCⅡ 类分子提呈外源性抗原的 APC 专职性 APC （ professional APC ） 组成性表达 MHC Ⅱ 类分子和 T 细胞活化的共刺激分子，抗原递呈能力强，包括树突状 细胞（ dendritic cell ， DC ）、单核 / 巨噬细胞（ Mon/Mφ ）、 B 淋巴细胞 非专职性 APC （ non-professional APC ） 诱导性表达 MHC Ⅱ 类分子，抗原递呈能力弱，包括内皮细胞、成纤维细胞、各种上皮 及间质细胞等。 2. 通过 MHCⅠ 类分子提呈内源性抗原的 APC 靶细胞 实际可以是任意细胞 12 第一节 专职 APC 的生 物学特性 1. DC 细胞 2. 单核 / 巨噬细胞 3. B 细胞 13 专职性抗原递呈细胞的生物学特性 1. 树突状细胞：体内功能最强的专职性 APC ，可激活初始 T 细胞。 2. 单核 / 巨噬细胞和 B 细胞：仅能刺激已活化的效应 T 细胞或记忆 T 细胞， 同时本身被 T 细胞激活，发挥更强的作用。 14 树突状细胞（ dendritic cell ， DC ） 机体功能最强的抗原递呈细胞 主要特征： 1. 成熟时具有许多树突样突起。 2. 能够高效地摄取、加工和递呈抗原，并将抗原肽递呈给初始 T 细胞，诱 导 T 细胞活化增殖。 15 树突状细胞（ dendritic cell ， DC ） DC 的类型 : 1. 经典 DC （ conventional DC ， cDC ）。 2. 浆细胞样 DC （ plasmacytoid DC ， pDC ） 活化后可快速产生大量Ⅰ型干扰素，参与抗病毒 固有免疫应答 3. 滤泡树突状细胞 FDC （富集抗原） 16 树突状细胞（ dendritic cell ， DC ） 根据成熟状态分类： 1. 未成熟 DC （ immature 表皮（ epidermis ） 淋巴结（ lymph node ） DC ）：较强的抗原摄取 效应性 T 细胞 和加工功能，递呈功能较 弱。 未成熟 DC 2. 迁移期 DC ：未成熟 DC 在迁移的过程中逐渐成熟 迁移期 DC 3. 成熟 DC （ mature DC ）： 初始 T 细胞 摄取加工抗原能力弱，递 成熟 DC 呈能力强。 真皮（ dermis ） 17 未成熟 DC （ immature DC ） 从骨髓造血干细胞分化而来的 DC 前体细胞表达多种趋化因子受体，经血液 进入各种实体器官和上皮组织，称为未成熟 DC HSCs Pre-DC immature-DC 造血干细胞 DC 前体细胞 未成熟 DC 骨髓 血液 组织 18 未成熟 DC （ immature DC ） 主要存在于各组织器官，如朗格汉斯细胞（ Langerhans cell ，分布于皮肤和 黏膜）、间质 DC （ interstitial DC ）。 主要特点： ①表达模式识别受体，能有效识别和摄取外源性抗原。 ②具有 很强的抗原加工能力。 ③低水平表达 MHC Ⅱ 类分子和共刺激分子、黏附分 子。 树突 MHC II overlap lysosomal protein 19 迁移期 DC 未成熟 DC 在各组织器官中接触和摄取抗原或受到某些炎性刺激（如 LPS 、 IL-1β 、 TNF-α 等）  表达特定趋化因子受体（如 CCR7 ）  通过输入淋 巴管和 / 或血液循环进入外周淋巴器官。 褶皱 MHC II lysosomal protein 抗原摄取停止，红绿开始分开 20 成熟 DC （ mature DC ） 其特点是：①表面有许多树突样突起。②低表达模式识别受体，识别和摄取 外源性抗原的能力弱。③加工抗原的能力弱。④高水平表达 MHC Ⅱ 类分子、 共刺激分子和黏附分子。 MHC II lysosomal protein 红绿分开 21 树突状细胞（ dendritic cell ， DC ） 抗原摄取和加工较强 逐渐成熟 递呈能力强 22 迁移成熟过程中生物学特性的变化 成熟 DC 未成熟 DC 病原微生物 炎性细胞因子 抗原摄取能力 抗原递呈能力 共刺激分子表达 诱导 T 细胞活化 23 DC 的生物学功能 1. 识别和摄取抗原，参与固有免疫应答 胞饮、吞噬、受体介导的内吞作用（ FcR/CR ） 2. 加工和递呈抗原，启动适应性免疫应答 3. 免疫调节作用 分泌细胞因子、趋化因子 4. 诱导与维持免疫耐受 胸腺 DC 诱导中枢免疫耐受 - 阴性选择 利用未成熟 DC 诱导外周免疫耐受 24 单核 / 巨噬细胞 包括骨髓前单核细胞（ pre-monocyte ）、外周血单核细胞（ monocyte ）以 及巨噬细胞（ macrophage ）。 1. 其摄取和加工抗原的能力很强 2. 低水平表达 MHC 和共刺激分子，抗原递呈能力较弱。 macrophage HSCs MDP monocyte 巨噬细胞 造血干细胞 骨髓前单核细胞 单核细胞 骨髓 血液 组织 25 B 细胞 1. 主要以 BCR 识别、浓集和内化抗原  在抗原浓度极低时仍能够递呈抗原。 2. 组成性（低）表达 MHC Ⅱ 类分子，能有效递呈抗原给 CD4+Th 细胞 BCR Ag CD40LCD40 Th MHCⅡ TCR CD4 B CD28 B7 cytokines 26  三种 APC 细胞特征比较 细胞类型 B细 树突状细胞 巨噬细胞 胞 抗原摄取方式 吞噬、巨胞饮 吞噬、巨胞饮 抗原特异受体介导，胞饮 递呈抗原种类 肽、病毒抗原、变应原 细胞内和细胞外抗原 可溶性抗原、毒素、病毒 MHCⅡ 表达 组成性高表达 诱导性表达 组成性低表达 活化后表达升高 +++/++ ﹣/+++ 活化后表达升高 ++/+++ ++ 共刺激分子 组成性表达 +++ 可诱导 ﹣ /+++ 可诱导 ﹣ /+++ 分布 全身分布 淋巴组织、结缔组织、体腔 淋巴组织、外周血 效应 初始 T 细胞活化、增殖、 效应 T 细胞活化，巨噬 效应 T 细胞活化， B 细胞 分化为效应 T 细胞 (Th 细胞活化 ( 杀伤病原体） 活化，产生抗体 ( 增强体 和 CTL) 液免疫） 27 第二节 抗原的加工和 提呈 1. APC 递呈抗原的分类 2. APC 加工和递呈抗原的途径 28 抗原加工（ antigen processing ） 抗原递呈细胞（ APC ）将摄取入胞内的外源性抗原或胞质内自身产生的内 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 MHC 分子结 合、抗原肽 -MHC 分子复合物再转运到细胞表面的过程。 MHC class I molecules bind short peptides of 8–10 amino acids by both ends. 29 抗原递呈（ antigen presentation ） 表达于 APC 表面的抗原肽 -MHC 分子复合物被 T 细胞识别、从而将抗原肽 递呈给 T 细胞，诱导 T 细胞活化的过程。 CD8+ TCR pMHC Ⅰ CD4+ TCR pMHC Ⅱ 30 APC 递呈抗原的分类 1. 来自细胞外的抗原称为外源性抗原（ exogenous antigen ） 被吞噬的细胞、细菌或蛋白质抗原等 2. 细胞内合成的抗原称为内源性抗原（ endogenous antigen ） 病毒感染细胞内合成的病毒蛋白 肿瘤细胞内合成的肿瘤抗原 某些细胞内的自身抗原等 31 APC 加工和递呈抗原的途径 1. MHC Ⅰ 类分子抗原递呈途径（内源性抗原递呈途径或胞质溶胶抗原递呈 途径） 2. MHC Ⅱ 类分子抗原递呈途径（外源性抗原递呈途径或溶酶体抗原递呈途 径） 3. 非经典的抗原递呈途径（ MHC 分子对抗原的交叉递呈途径） 4. 脂类抗原的 CD1 分子递呈途径 32 MHCⅠ 类分子抗原递呈途径 所有有核细胞均具有通过 MHCⅠ 类分子途径加工和提呈抗原的能力 1. 内源性抗原的加工与转运 细胞内蛋白泛素化  进入蛋白酶（ proteasome ）被降解  产生 6 ～ 30 个氨基酸大小的抗原肽 蛋白酶体为 28 个亚 单位组成的中空圆柱 体结构，每 7 个亚 单位组成一个环状体。 33 MHCⅠ 类分子抗原递呈途径 34 免疫蛋白酶体（补充） In activated APCs, several proteins in the constitutive proteasome (β1, β2, and β5) are replaced by proteins encoded by the LMP genes ( 低分子量多肽， MHC 基因， β1i, β2i, and β5i). (b)This generates an immunoproteasome with increased efficiency for creating unique peptides with a proclivity for assembly with MHC class I molecules. 35 MHCⅠ 类分子抗原递呈途径 1. 内源性抗原的加工与转运 抗原加工相关转运物（ transporter associated with antigen processing ， TAP ）在 ER 膜上形成孔道，将抗原肽从胞质转运至 ER 腔内。 36 案例分析： B cells from Tatiana and Alexander were established as cell lines in culture by transformation with Epstein–Barr virus. The transformed B cells were examined for the presence of messenger RNA for MHC class I molecules: normal levels were found. This eliminated the possibility that they had a structural or regulatory defect in genes encoding the α chain of the MHC class I molecules. When the DNA sequences of these genes were determined, both Tatiana and Alexander were found to have the same nonsense mutation in their TAP2 genes. Their parents were found to be heterozygous for this mutation. 为什么 TAP 影响细胞表面 MHC I 水平 37 MHCⅠ 类分子抗原递呈途径 2. MHCⅠ 类分子的合成与组装 α 链合成后立即与伴侣蛋白（ chaperone ）结合 帮助 MHC1 组装和抗原肽加载 伴侣蛋白包括钙联蛋白（ calnexin ）、钙网蛋白（ calreticulin ）和 TAP 相关蛋白 （ tapasin ）。 α2 α1 α3 β2 m 氨基肽酶 MHC Ⅰ 类分 子 38 MHCⅠ 类分子抗原递呈途径 2. MHCⅠ 类分子的合成与组装 钙联蛋白（ calnexin ） / 钙网蛋白（ calreticulin ）：维持 α 链部分折叠构象 TAP 相关蛋白（ tapasin ）：与 TAP 形成桥梁，帮助获得从 TAP 转运来的多肽 ERp57 ：是一种硫醇氧化还原酶，可能参与多肽加载过程中 MHC 分子结构中二硫键的 破坏和重新连接 钙网蛋白 + TAP 相关蛋白 + ERp57+ TAP = 多肽负载复合物 (peptide-loading complex, PLC) 分子伴侣 39 MHCⅠ 类分子抗原递呈途径 3. 抗原肽 -MHCⅠ 类分子复合物的形成与抗原递呈 内质网驻留的氨基肽酶（ ER resident aminopeptidase ， ERAP ）进一步修剪转入的抗原肽  8 ～ 10 个氨基酸的肽段，使更适合与抗原肽结合槽结合。 结合抗原肽的 MHC Ⅰ 类分子经高尔基体转运至细胞膜上，递呈给 CD8+ T 细胞。 40 MHCⅠ 类分子抗原递呈途径 41 MHC Ⅱ 类分子抗原递呈途径 外源性抗原被 APC 摄取、加工处理为抗原肽，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。 1. 外源性抗原的摄取与加工 通过模式识别受体识别外源性抗原，通过胞饮作用、吞噬作用、受体介导的 内吞作用和内化等方式摄取抗原。 吞噬 APC 受体介导的内吞 Y 胞饮 42 MHC Ⅱ 类分子抗原递呈途径 43 MHC Ⅱ 类分子抗原递呈途径 2. MHC Ⅱ 类分子的合成与转运 在 ER 中新合成的 MHCⅡ 类分子 α 链与 β 链折叠成二聚体，并与 Ia 相关恒定链 （ Ia-associated invariant chain, Ii) 结合形成 (αβIi)3 九聚体 :  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Ⅱ类分子与内质网中内源性抗原结合  促进组装后的 MHC Ⅱ 类分子转运至 MⅡC 腔（含有 MHCII 分子的溶酶体） 44 MHC Ⅱ 类分子抗原递呈途径 3. MHC Ⅱ 类分子的组装和抗原肽的递呈 MⅡC 腔内 Ii 被降解  仅留 (class II-associated invariant chain peptide, CLIP) 在抗原肽结合槽内防止其他肽段与之结合 45 MHC Ⅱ 类分子抗原递呈途径 3. MHC Ⅱ 类分子的组装和抗原肽的递呈 抗原被溶酶体蛋白酶降解成 13 ～ 18aa 小肽；在 MIIC 中， HLA-DM 分子介导 抗原肽结合槽与 CLIP 解离结合具有更高亲和力的抗原肽，形成稳定的抗原肽 - MHCⅡ 类分子复合物 46 MHC Ⅱ 类分子抗原递呈途径 47  两类抗原递呈途径的比较 MHC Ⅰ 类途径 MHC Ⅱ 类途径 抗原的主要来源 内源性抗原 外源性抗原 降解抗原的酶结构 蛋白酶体 内体、溶酶体 处理抗原的细胞 所有有核细胞 专职性抗原递呈细胞 抗原与 MHC 分子结合部位 内质网 MⅡC 参与的 MHC 分子 MHCⅠ 类分子 MHCⅡ 类分子 递呈对象 CD8+T 细胞 CD4+T 细胞 （主要为 Tc ） （主要为 Th ） 48 Question 大多数病毒对感染的细胞具有选择性（只能 感染少数几种细胞），因此并非所有病毒都 能感染 DC 。如何激活 CD8+ CTL ？ 49 非经典的抗原递呈途径 抗原的交叉递呈（ cross-presentation ）也称 为交叉致敏（ cross-priming ），是指 APC 能 将摄取、加工的外源性抗原通过 MHC Ⅰ 类分 子途径递呈给 CD8+T 细胞；或将内源性抗原 通过 MHC Ⅱ 类分子途径递呈给 CD4+T 细胞。 抗原的交叉递呈参与机体针对病毒（如疱疹 病毒）、细菌（如李斯特菌）感染和大多数 肿瘤的免疫应答。 50 非经典的抗原递呈途径 1. 外源性抗原交叉递呈的机制 某些外源性抗原从内体或吞噬溶酶体中逸出 进入胞质或直接穿越细胞膜进入胞质。 溶酶体中形成的抗原肽通过胞吐作用被排出 细胞外，然后与细胞膜表面的空载 MHC Ⅰ 类 分子结合而被递呈。 细胞表面 MHC Ⅰ 类分子被重新内吞入内体， 新合成的 MHC Ⅰ 类分子也进入内体，直接与 外源性抗原肽结合形成复合物而被递呈。 51 非经典的抗原递呈途径 1. 外源性抗原交叉递呈的机制 52 非经典的抗原递呈途径 2. 内源性抗原交叉递呈的机制（了解） 含有内源性抗原的细胞或凋亡小体被 APC 摄取， 形成内体。 细胞自噬时，自噬体可与 MⅡC 融合。 内源性抗原肽被释放出细胞外，然后与细胞膜 表面的空载 MHC Ⅱ 类分子结合为复合物。 53 脂类抗原的 CD1 分子递呈途径 脂类抗原无 MHC 限制性，提呈过程无明显加工过程 人类有 5 种 CD1 （ CD1a ～ e ），与 MHCⅠ 类分子有 30% 同源性 提呈给 T 细胞、 γδ T 细胞、 NKT 细胞 54 本章小结 APC 分为专职性 APC （ DC 、 Mon/Mφ 和 B 细胞），非专职性 APC 和靶细胞。 DC 是适应性免疫应答的始动者，未成熟 DC 和成熟 DC 分别行使不同的功能。 DC 的功能包括摄取、加工和提呈抗原，免疫激活，免疫调节和诱导免疫耐受。 外源性抗原被摄取后主要通过 MHCⅡ 类分子途径加工和提呈给 CD4+T 细胞 内源性抗原主要通过 MHCⅠ 类分子途径加工和提呈给 CD8+T 细胞 也存在抗原交叉提呈现象 脂类抗原由 CD1 分子途径提呈。 Thanks for your attention! 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