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HLA分子的超型、结合肽的超基序及其意义
免疫学杂志 1999年第2期第15卷 综述与讲座
作者：汪泽厚 朱锡华
单位：汪泽厚(第三军医大学新桥医院泌尿外科 重庆 400037)；朱锡华(第三军医大学免疫学教研室，中国人民解放军免疫学研究所 重庆 400038)
BINDING-PEPTIDE SUPERMOTIFS AND SUPERTYPES OF HLA MOLECULES AND THEIR SIGNIFICANCES
HLA（human leukocyte antigen， HLA）是人类的主要组织相容性复合体（MHC），它位于第6号染色体短臂（6p21.3），是人体内最为复杂的复等位基因系统，包括100多个基因座位，500多个等位基因［1］，主要包括：HLA Ⅰ类基因（HLA—A、B、C、E、G、F、H、J）、Ⅱ类基因（HLA—DP、DZ、DQ、DO、DX和DR）和Ⅲ类基因（C2、C4A、C4B和Bf）等。研究发现，对于某一HLA分子，其结合抗原肽的锚定氨基酸残基性质不同，这种特征结构称为HLA分子的等位基因特异性抗原肽一致性基序（allele－specific consensus motif），即某一特定的HLA等位基因产物，要求接纳有相对特异基序的抗原肽，类似于受体与配体的结合一样。HLA分子抗原肽的结合具有一定的专一性，因此，现已倾向于将HLA分子称为受全，其配体便是抗原肽。Rammensee等于1995年首次公布了一些常见HLA分子的配体及相应的肽基序（peptide motif）［2］。然而，近来研究发现，不少属于同一HLA家族，甚至不同家族的HLA同种异型分子（allomorpgh）所接纳的抗原肽可有相同或相似的锚着氨基酸残基，具有这种残基的肽基序，称为结合抗原肽的超基序（supermotif）。本文就HLA Ⅰ、Ⅱ类分子的超型和抗原结合肽的超基序的研究进展、生物学和临床意义作一简要综述。
1 HLA Ⅰ类分子的超型及其限制性抗原肽超基序
应用X线衍射分析，显示HLA Ⅰ类分子具有相似的核心结构［3］，由重链（α链）和轻链（β2M）构成。α链可分为肽结合区、类免疫球蛋白区、跨膜区和胞浆区。α链的α1和α2功能区分别形成一个α螺旋和4个β折叠片共同构成肽结合槽（peptide－binding groove or cleft），大小约2.5nm×1nm×1．1nm，是与抗原肽结合的部位，具有多态性的氨基酸残基均位于此槽的底部。
构成肽结合槽的氨基酸残基形成6个小凹陷（pocket），分别称A、B、C、D、E、F凹。A和F凹分别位于槽的两端，其氨基酸大都带有极性的侧链，分别与抗原肽的N-端氨基和C-端羧基形成氢键，将抗原肽固定于槽中。B、C、D、E、凹分别与抗原肽的其它氨基酸侧链结合，富含多种氨基酸，有的促进与抗原肽结合，有的则妨碍HLA Ⅰ类分子与抗原肽结合，由此决定Ⅰ类分子与抗原肽结合的特性［4］。
以弱酸及去污剂处理，抽提细胞膜上与HLAⅠ 类分子结合的抗原肽，经HPLC分离、纯化及序列分析，或通过噬菌体显示文库或随机合成肽文库以及表达特定HLA分子的APC等。从功能上筛选能与HLA结合的小肽，发现HLAⅠ类分子结合的抗原肽长度为8～11个氨基酸，某一特定的HLAⅠ类分子可以与多种不同的抗原肽结合，但这些不同的肽有共同的特点，即有些位置总是某一种或很少几种具有相似侧链的氨基酸。把这些对抗原肽与某一特定Ⅰ类分子的结合起决定性作用的氨基酸称为锚定氨基酸残基（anchor anino acid residues），即不同抗原肽具有不同的锚着残基，被不同的HLA等位基因分子所接纳，这种特征结构即HLAⅠ分子等位基因特异性抗原肽一致性基序［5］。Rammensee综合了一些常见MHC（包括Ⅰ、Ⅱ类）分子的配体及相应的肽基序，确定了大量的肽基序［2，5］。然而，经过深入比较研究后显示，不少属于同一HLA家族（如A3样家族），甚至不同家族的HLA同种异性分子（如A※0301和A※1101）接纳的抗原肽为具有相同或相似的锚着残基构成的肽基序，即超基序［1，6］。现已根据HLAⅠ类分子接纳抗原肽的肽基序，将Ⅰ类分子归纳为4个超基序家族，即A3、B7、A2和B44（见表1）。
表1 A3、B7、A2、B44超型接纳抗原肽的超基序及不同人种表型频率
Fig 1 Summary of potential supermotifs by A3、B7、A2、B44 binding
supertypes and phenotype freqency in different races
| Supertype | Supermotif | Phenotype freqency | ||||||
| P2（B Pock．） | C Termi．
（F Pock．） |
Cauc． | Black | Jap． | Chin． | Hisp． | Average | |
| A2 | AILMVT | AILMVT | 45．8 | 39．0 | 42．3 | 45．9 | 43．0 | 43．2 |
| A3 | AILMVST | PK | 37．5 | 42．1 | 45．8 | 52．7 | 43．1 | 44．2 |
| B7 | P | AILMVFWY | 43．2 | 55．1 | 57．1 | 43．0 | 49．3 | 49．5 |
| B44 | DE | AILMVFWY | 45．9 | 30．1 | 43．1 | 40．7 | 49．7 | 41．9 |
| Total△ | 93．4 | 92．5 | 95．9 | 95．1 | 95．4 | 95．4 | ||
△Total coverage assumes Hardy-Weiberg equilibrium
pock．Pocket；Termi．Terminal；Cauc．Caucasian；Jap．Japanese；Chin．Chinese；Hisp．Hispanic 能与超基序家族结合的HLAⅠ类分子称超（表）型（supertype）。HLAⅠ类分子4个超型结合的抗原肽超基序及在主要人群中的表型频率［6］见表1。如A3超型（包括A3、A11、A31、A※6801、A33），所接纳的抗原肽超基序具有相同或相似的氨基酸残基，P2为含羟基的氨基酸（S或T）和疏水氨基酸（L、V、I或M），羧基端为带正电荷的氨基酸（R或K）。
2 HLAⅡ类分子的结构及其结合抗原肽超基序
HLAⅡ类分子由α、β两条链组成，均为HLAⅡ类基因编码，具有与HLAⅠ类分子类似的核心结构，只是抗原肽结合槽由α1和β1的α螺旋及折叠片共同形成，所接纳的抗原肽较长，由13至26个氨基酸残基组成，抗原肽可在肽结合槽中弯曲以利于与槽中的相应凹相互作用，与侧链形成氢键将抗原肽固定于槽中［7］，且肽结合槽两端是开放的，抗原肽的两端可伸出槽外。不同等位基因侧链的差异决定了某一HLAⅡ类等位基因产物所接纳抗原肽的氨基酸序列的特异性，即基序（motif）。近年来用M13肽呈现文库（M13 peptide display libraries）和随机合成肽文库等确定许多HLAⅡ类分子结合抗原肽基序，这些肽的某些位置具有特定锚着氨基酸残基，通常P1位为芳香族或脂肪族氨基酸，与HLAⅡ类分子具有高亲和力，是结合所必需的，P4、P6、P9锚着位是相对必需的。与此相反，抗原肽的某些锚着位具有抑制肽结合的特性，这种锚着位氨基酸残基称为抑制残基（inhibitory residue）。抑制残基对肽与HLAⅡ类分子肽结合槽的结合具有抑制作用，呈现位置和等位基因特异性（position and allele specific）［3］。因此，某一抗原肽与某一特定HLAⅡ类分子的结合是抗原肽与结合槽的氨基酸残基之间的相互吸引和排斥的结果。然而，由于HLAⅡ类分子肽结合槽是由具有高度多态性的α和β链共同构成，以及结合抗原肽比Ⅰ类分子的长，加之锚着残基的数量不是2个，而是3～5个和抑制性锚着残基的存在等，这使得HLAⅡ类分子抗原肽基序的确定非常困难［9～11］。
不过近年来对MHCⅡ类分子的不显多态性的γ链（Ii链）研究发现，Ii链在MHCⅡ类分子与抗原肽结合中起着非常重要的作用。Ii链是一种分子伴侣（chaperon），主要特征是Ii链不同节段具有不同的功能，例如：抗原的细胞器内体定位（器）（endosomal localization）与Ii链的胞浆段和跨膜段有关［15～17］，与MHCⅡ类分子结合的是由第80～107位氨基酸段介导的［14，15，18～20］，称Ⅱ类Ii链相关肽（classⅡ－associated Ii peptide，CLIP）。Ii链的作用一是暂时覆盖Ⅱ类分子的抗原肽结合槽，使肽抗原不能与槽结合；另一方面引导α／β异二聚体通过高尔基氏器进入溶酶体。此时Ii大部分被解离，但仍有一小片段留在肽结合槽中，此小片段即CLIP，长25残基，最后CLIP借助于HLA-DM的作用，将肽结合槽让位于外源性抗原肽。虽然Ⅱ类分子等位基因不同，所构成肽结合槽的氨基酸残基也不同，但CLIP能与所有Ⅱ类分子结合。Romagnoli和Germain等研究表明，CLIP的83～107残基能与Ⅱ类分子肽结合槽保守序列区结合，防止肽结合槽结合抗原肽。Malcherek及Sette等研究发现CLIP的确具有与所有Ⅱ分子肽结合的特点［9～11］，并将CLIP肽中能与所在肽基序结合的序列称为Ⅱ类分子结合抗原肽“超基序”。此超基序锚着残基能与所有Ⅱ类分子肽结合槽相互作用而结合，发现P1位为M，为具高结合力的锚着位，P4、P6和P9是主要锚着位或抑制性残基位，均无等位基因特异性（见图1）。
图1 CLIP锚定和抑制氨基酸残基位置
Fig 1 Anchor and inhibitory residue positions in the CLIP peptide
由于HLAⅡ类分子结合肽超基序尚未最后确定，故现还不能说有HLAⅡ类分子超（表）型，假设CLIP就是Ⅱ类分子结合肽的“超基序”，那么所有Ⅱ类分子便归类为一个超型，值得深入研究。
3 HLA分子的超型及抗原结合肽超基序的生物学意义
HLA超型和超基序的发现不论在理论上还是在实际应用方面都具有重要的生物学意义。首先从理论意义上看，HLA超型和超基序的发现表明MHC的多态性在功能上比一般认为的重要性要局限些，这将会有利于阐明以前用血清学等无法分型个体HLA表型的特性；其次在实际应用方面，HLAⅠ类分子的超基序的发现表明，如从功能上（即抗原结合特异性上）对HLAⅠ类分子进行分类比用传统血清学、细胞学及近年来分子生物分类方法更为合理、简明和实用，并且HLA类分子超型及其结合抗原肽超基序显示HLA的多态性在功能上比人们预想的要简单。因此，用血清学、细胞学、分子生物学等方法将HLA的多态性完全搞清楚很困难，或许能用超基序对HLA进行归类而得到解决。更为重要的是，在功能上将HLAⅠ类分子归纳为4个主要超基序家族，使得基于MHC（HLA）结合抗原肽的特异性基序，而不是依据传统的血清学、细胞学方法以及分子生物学方法，对HLA进行重新分类已成为可能。Malcherek和Sette等［10，11］所提出的CLIP是否真的就是Ⅱ类分子的肽结合“超基序”还有待进一步研究，但可以肯定的是，CLIP的确参与了HLAⅡ类分子对抗原肽的处理与提呈。相信随着对CLIP在抗原的处理和提呈方面的深入研究，将会使HLAⅡ类分子的超型及抗原结合肽超基序得到进一步阐明。
4 HLA分子超型及结合抗原肽超基序的临床意义
靶细胞将内源性抗原多肽加工处理成短肽片段（9～11个氨基酸），与HLAⅠ类分子结合，表达于靶细胞表面，提呈给CD＋8杀伤性T淋巴细胞（CTL）前体细胞。后者因TCR识别抗原肽-I类分子而被激活，分化为CTL，攻击靶细胞。因此，深入了解HLAⅠ类分子与结合的抗原肽之间的关系和相互作用，可以准确预测抗原的T细胞识别表位，有助于阐明同种异体器官移植排斥及自身免疫性疾病发病机理，采取相应的防治措施，并可指导人工合成多肽疫苗和重组疫苗诱导产生CTL，用于治疗肿瘤等疾病，国内外均有许多报道［21～23］。此外，在器官移植前的配型方面，传统配型方法，除同卵双生子之间外，无关个体间难以找到完全相同的HLA表型，但如用超型或超基序进行器官移植前的配型，可能容易得多，因HLAⅠ类分子超型和结合的抗原肽超基序的4个超基序家族，在大部分种族中的总表型频率均在90％以上，在中国人群中［6］为95.1％（见表1）。由于器官移植中对同种异体抗原的识别和递呈有直接和间接两种途径，当间接递呈起主要作用时，在超基序（超型）相同个体间进行器官移植，有可能减少排斥反应的发生或减轻排斥反应发生、发展的强度。是否如此，值得进一步研究。此外，近年来国外用人工合成许多相当于HLA氨基酸序列的短肽（peptided derived from MHC）（9～11个氨基酸残基），成功地诱导移植器官（心、肾）受者产生供者特异性移植免疫耐受，且无等位基因特异性，国外目前在进行临床实验［24～30］。但机理不清，很有可能涉及到间接递呈中HLA分子肽结合槽与供者同种异体抗原肽（人工合成肽）之间的相互作用［31，32］。总之，随着对HLA分子与抗原肽之间相互作用的深入研究，无疑将有助于准确预测抗原的T细胞识别表位、阐明移植排斥反应、肿瘤免疫以及自身免疫疾病的发病机理，指导人工合成肽或重组肽用于移植免疫耐受的诱导、肿瘤及自身免疫性疾病的防治等，展现出诱人的临床应用前景。
作者简介 第一作者：男，46岁，博士，副主任医师
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（1998-06-12收稿；1998-10-19修回）