Chapter14 Antigen-presenting cell (APC) and Antigen processing & presentationAg：TI-AgB cells TD-Ag：T-B、accessory cells(辅佐细胞）辅佐细胞）抗原提呈细胞（抗原提呈细胞（antigen-presenting cell， APC )definition：能摄取、加工、处理能摄取、加工、处理Ag，并将并将Ag信息提呈给信息提呈给T 淋巴细淋巴细胞的一类免疫细胞胞的一类免疫细胞APCclassificationnprofessional APC(专职性的抗原提呈细胞）：专职性的抗原提呈细胞）：monocyte（Mo）/macrophage（M ）、）、树突状细树突状细胞（胞（dendritic cell，DC）、）、B cell等能表达等能表达MHC II类分子的细胞。类分子的细胞。nnon-professional APC (非专职性的抗原提呈细胞）：非专职性的抗原提呈细胞）：内皮细胞、纤维母细胞、各种上皮及间皮细胞等。内皮细胞、纤维母细胞、各种上皮及间皮细胞等。Properties of Professional Antigen-Presenting CellsProperties of Professional Antigen-Presenting Cells 一、树突状细胞（一、树突状细胞（dendritic cell，DC） 是是Ag提呈能力最强的提呈能力最强的APC。 DC能显著刺激能显著刺激初始初始T细胞细胞（naive T cell）增增殖，是机体适应性殖，是机体适应性T细胞免疫应答细胞免疫应答（adaptive T cell-mediated immune response）的始动者，在适应性的始动者，在适应性T细胞免疫细胞免疫应答的诱导中具有独特的地位。应答的诱导中具有独特的地位。 Section 1 characteristic of APC（一）（一）surface marker of DCn主要特征性标志：主要特征性标志：CD1a、CD11c及及CD83n特异性结合病原微生物的受体、特异性结合病原微生物的受体、FcRAg的摄取的摄取nMHC class II molecules 、CD80、CD86、CD40、CD54、 1、 2 integrin family成员成员Ag的提呈的提呈n分泌分泌IL-1、IL-6、IL-12、TNF- 、IFN- 等等CKs参与机体的免疫调节（参与机体的免疫调节（immune regulation）。（二）（二） originationAS，distribution and classification of DC origination ：myeloid DC and lymphoid DC distribution 广泛分布于脑以外的全身各脏器，数量极少，占广泛分布于脑以外的全身各脏器，数量极少，占外周血单个核细胞（外周血单个核细胞（peripheral blood mononuclear cells，PBMCs）的）的1%以下。以下。 淋巴样组织中的淋巴样组织中的DC： 非淋巴样组织非淋巴样组织DC： 体液中的体液中的DC： 滤泡样滤泡样DC （ FDC，follicular DC）并指状并指状DC （interdigitating cell， IDC ） 边缘区边缘区DC（marginal DC）朗格汉斯细胞（朗格汉斯细胞（Langerhans cell ，LC ）间质性间质性DC隐蔽细胞（隐蔽细胞（veiled cell）和血液和血液DCnFDC：淋巴结浅皮质区（淋巴结浅皮质区（lymph node outer cortex）淋巴淋巴滤泡（滤泡（lymphoid follicle）内的重要内的重要APC，不表达不表达MHC II 类分子（类分子（MHC class II molecules），），高表达高表达FcR和和C3bR，可将可将Ag-Ab complex和和Ag-Ab-complement complex滞留滞留或浓缩于细胞表面，由或浓缩于细胞表面，由B cells识别，继而激发免疫应答识别，继而激发免疫应答（immune response）和产生免疫记忆（和产生免疫记忆（immune memory）。）。nIDC ：分布于淋巴组织胸腺依赖区（分布于淋巴组织胸腺依赖区（lymphoid organ thymus-dependent area）。为）。为LC衍生而来。高表达衍生而来。高表达MHC I和和II 类分子（类分子（MHC class I& II molecules ），），缺乏缺乏FcR及及CR，主要发挥免疫激活作用。主要发挥免疫激活作用。classification of DCnLC ： 是位于表皮和胃肠道黏膜上皮部位的未成熟是位于表皮和胃肠道黏膜上皮部位的未成熟(immature) DC，高表达高表达FcR、CR、MHC I 和和II分子分子 （MHC class I、II molecules） ，胞浆内含有胞浆内含有Birbeck颗颗粒特征性细胞器。粒特征性细胞器。 具有较强的摄取和加工处理具有较强的摄取和加工处理Ag的功能，的功能，但其免疫激活能力较弱。但其免疫激活能力较弱。n间质性间质性DC 主要分布在心脏（主要分布在心脏（heart） 、肝脏（肝脏（liver） 、肾脏（肾脏（kidney） 、肺脏（肺脏（lung）等实质器官间质的毛细等实质器官间质的毛细血管附近。血管附近。n循环循环DC 主要包括血液主要包括血液DC和隐蔽细胞（和隐蔽细胞（veiled cell）。）。具具有较强的摄取有较强的摄取Ag能力，能在体外自发地与能力，能在体外自发地与T cells形成形成DC-T细胞蔟，激活未致敏细胞蔟，激活未致敏T cells，启动初次免疫应答启动初次免疫应答（primary immune response）。）。（三）（三）differentiation，development， maturation and migration of DCn髓系髓系DC （myeloid DC）的分化发育分为：前的分化发育分为：前体阶段、未成熟期、迁移期、成熟期四个阶段。体阶段、未成熟期、迁移期、成熟期四个阶段。 正常情况下绝大多数体内正常情况下绝大多数体内DC处于非成熟处于非成熟状态，低水平表达辅助刺激分子（状态，低水平表达辅助刺激分子（co-stimulating molecules）和粘附分子（和粘附分子（AM） ，体外激发体外激发MLR （mix lymphocyte reaction）能能力较弱，但具有极强的抗原内吞和加工处理能力较弱，但具有极强的抗原内吞和加工处理能力。力。 当当myeloid DC摄取摄取Ag或接受某些炎性因子或接受某些炎性因子（LPS、IL-1 、TNF- ）刺激后，可分化成熟。刺激后，可分化成熟。mature DC高表达高表达MHC molecules、 co-stimulating molecules（CD80/CD86、CD40）及及CD54等，并能分泌等，并能分泌IL-12，提呈功能大大增提呈功能大大增强，能有效地将强，能有效地将Ag提呈给提呈给naive T cell并使之激并使之激活。但活。但Ag摄取加工能力减弱。摄取加工能力减弱。 DC在成熟过程中同时发生迁移，由在成熟过程中同时发生迁移，由peripheral tissue通过通过lymphatic vessel和（或）血循环进入和（或）血循环进入peripheral immune organs，然后激发然后激发T cell response。骨髓骨髓DC前体前体血流非非淋巴组织淋巴组织分化非成熟非成熟DC定居上皮组织、胃肠道、生殖道和上皮组织、胃肠道、生殖道和泌尿管道、气道以及实质脏器的间质泌尿管道、气道以及实质脏器的间质具有很强的摄取、处理和加工具有很强的摄取、处理和加工抗原的能力，但提呈抗原能力弱抗原的能力，但提呈抗原能力弱细胞因子细胞因子(LPS/IL-1 /TNF- )和抗原刺激下和抗原刺激下DC细胞能从非淋巴组织进入外周淋巴结、脾并逐渐成熟细胞能从非淋巴组织进入外周淋巴结、脾并逐渐成熟摄取、处理和加工抗原的能力变弱摄取、处理和加工抗原的能力变弱，但提呈抗原能力逐渐增强：激活初始，但提呈抗原能力逐渐增强：激活初始T细胞细胞表达多种受体、含细胞器、分泌表达多种受体、含细胞器、分泌CKs （四）（四）DC with immune activation and DC with immune tolerance免疫激活免疫激活(immune activation)：n表达多种趋化性表达多种趋化性CKs，具有趋化具有趋化T cells的作用的作用n提呈提呈Ag给给T cells，提供第提供第1、2活化信号活化信号n 分泌分泌IL-12诱导初始诱导初始T细胞细胞(naive T cell)产生产生Th1型应型应答答n诱导诱导Ig类别转换类别转换(class switching)n释放某些可溶性因子等调节释放某些可溶性因子等调节B cell的增殖与分化的增殖与分化免疫耐受（免疫耐受（immune tolerance）：n参与胸腺（参与胸腺（thymus）内）内T阴性选择（阴性选择（negative selection）n参与中枢和外周免疫耐受（参与中枢和外周免疫耐受（central and peripheral tolerance）二、二、 monocyte（Mo）-macrophage（M ） （一）（一） origin and distribution of M 具有多种生物学功能：具有多种生物学功能：n单核吞噬细胞系统（单核吞噬细胞系统（mononuclear phagocyte system，MPS） 单核细胞（单核细胞（monocyte) 巨噬细胞（巨噬细胞（M） nbone marrow ：myeloid stem cell promonocyte mature circulating monocyteM (tissue ） n在不同组织器官中有不同的名称在不同组织器官中有不同的名称n在无明显炎症刺激因素时，许多器官中即有少量在无明显炎症刺激因素时，许多器官中即有少量M 。n炎症状态下，炎症状态下， M 和其他细胞（如和其他细胞（如neutrophil）一起从骨髓一起从骨髓（bone marrow）及循环系统（及循环系统（circulatory system）进入损伤部进入损伤部位并被活化。位并被活化。（二）（二） surface markers of M FcR、CRopsonization, picking up AgM-CSFR介导介导M 本身的分化和发育本身的分化和发育趋化性趋化性CK受体受体与其进入炎症部位有关与其进入炎症部位有关MHC class I、II moleculesAg processing and presentation（三）（三） enzyme and components produced by M n胞内酶和胞外酶：溶酶体（胞内酶和胞外酶：溶酶体（lysosome）酶、溶菌酶、溶菌酶、髓过氧化物酶等酶、髓过氧化物酶等n活化的活化的M 可产生多种生物活性产物：分泌多种可产生多种生物活性产物：分泌多种CKs（IL-1、IL-12、TNF- 等）；等）；complement components（C1、C2、C3、C4、C5、B、D factor）；）；多种凝血因子多种凝血因子IX、X、V、VII等；反等；反应性氧代谢中间产物和应性氧代谢中间产物和NO等等三、三、B lymphocytesn非特异性胞饮非特异性胞饮nBCR（主要）主要） 摄取抗原，提呈给摄取抗原，提呈给T细胞细胞n抗原浓度较低时，抗原浓度较低时， 高亲和力高亲和力(high affinity) BCR受体使抗原浓集于受体使抗原浓集于B细胞表面后摄入胞细胞表面后摄入胞内，即在抗原浓度较低情况下也能有效的内，即在抗原浓度较低情况下也能有效的提呈抗原。提呈抗原。Section 2 antigen processing and presentation 一一 antigen uptake Ag: exogenous antigen and endogenous antigen exogenous antigenbacteria, cells, protein, etc . Antigenic peptide- MHC class II molecule complex CD4+T cellsendogenous antigenvirus protein ,protein produced by tumor cells, etc .Antigenic peptide- MHC class I molecule complex CD8+T cells1 antigen uptake pathway of M 胞吞作用胞吞作用(endocytosis，内化内化/ internalization )： 细胞膜细胞膜接触大分子或颗粒状物质后，将其包围，形成小泡，接触大分子或颗粒状物质后，将其包围，形成小泡，并吞入细胞内的转运过程。并吞入细胞内的转运过程。 根据吞入物质的状态、大小及特异性的不同，分为根据吞入物质的状态、大小及特异性的不同，分为吞噬作用（吞噬作用（ phagocytosis）：细胞吞入较大的固体或分子细胞吞入较大的固体或分子复合物，如细菌、细胞碎片等物质的过程。复合物，如细菌、细胞碎片等物质的过程。胞饮作用胞饮作用 （ pinocytosis ）：）：细胞吞入液态物质或极微小细胞吞入液态物质或极微小颗粒的过程。颗粒的过程。受体介导的胞吞作用（受体介导的胞吞作用（ receptor-mediated endocytosis ）：大分子物质首先被细胞膜上的特异受体识别（大分子物质首先被细胞膜上的特异受体识别（FcR、CR等）并与之结合，然后通过膜囊泡系统完成物质的等）并与之结合，然后通过膜囊泡系统完成物质的传送。传送。YYPinocytosisPhagocytosisMembrane Igreceptor mediateduptakeYUptake of exogenous antigensComplement receptormediated phagocytosisYFc receptor mediated phagocytosisUptake mechanisms direct antigen into intracellular vesiclesfor exogenous antigen processing2 antigen uptake pathway of DC 巨吞饮作用巨吞饮作用(huge pinocytosis)：细胞骨架依赖细胞骨架依赖型的、由膜皱折和形成大囊泡的液相内吞作用，型的、由膜皱折和形成大囊泡的液相内吞作用，可吞入大量的液体。可吞入大量的液体。 受体介导的内吞作用受体介导的内吞作用(receptor-mediated endocytosis)：Fc R IIR捕获捕获Ag-Ab complex、 甘露糖受体甘露糖受体摄取甘露糖化和岩藻糖化摄取甘露糖化和岩藻糖化Ag phagocytosis ：仅在发育的某些特定阶段仅在发育的某些特定阶段（immature）具有一定的吞噬功能。具有一定的吞噬功能。3 antigen uptake pathway of B cell non-specific pinocytosis BCR-mediated endocytosis high affinity BCR，使，使Ag浓集于浓集于B cells表面后表面后摄入胞内，在摄入胞内，在Ag浓度非常低的情况下也能有效浓度非常低的情况下也能有效提呈提呈Ag。 （一）（一） antigen processing via MHC class I pathway 内源性抗原内源性抗原(endogenous antigen)在胞浆中被胞内的蛋在胞浆中被胞内的蛋白酶体（白酶体（proteasome /低分子量多肽低分子量多肽 -LMP)降解成多肽降解成多肽转运至内质网腔表面的转运至内质网腔表面的TAP1/TAP2（transporter associated with antigen processing or transporter of antigenic peptides，抗原加工相关转运体），以抗原加工相关转运体），以ATP依赖方依赖方式主动转运至式主动转运至ER腔内，腔内，与新合成组装的与新合成组装的MHC I 类分子结合类分子结合抗原肽抗原肽-MHC I类分子复合物类分子复合物高尔基体高尔基体转运转运至细胞膜至细胞膜提呈给提呈给CD8+T细胞。细胞。 二二 antigen processing钙连接蛋白：钙连接蛋白：存在于存在于ER腔内。限制腔内。限制MHC class I molecule的移动，调的移动，调节胞内节胞内MHC class I molecule的的转运，并有转运，并有利于利于MHC class I molecule的的组装，保证组装，保证其完整性。其完整性。Class I MHC Pathway Viral protein is madeon cytoplasmicribosomesPlasma membraneProteasome degrades protein topeptides Peptide transporterprotein moves peptide into ERMHC class I alpha and beta proteinsare made on the rER Peptide associateswith MHC-I complexPeptide with MHCgoes to Golgi body Peptide passeswith MHC from Golgi body to surface Peptide is presentedby MHC-I to CD8cytotoxic T cellGolgi bodyrER Globular viralprotein - intact （二）（二） antigen processing via MHC class II pathway 1 structure of MHC class II molecules and function of Ii （ invariant chain，恒定链恒定链） 粗面内质网（粗面内质网（RER)中新合成的中新合成的MHC II 分子分子 以（以（Ii）3异九聚体的形式存在，其肽结合区域异九聚体的形式存在，其肽结合区域被被CLIP （class II associated invariant chain peptide ， II类分子相关的恒定链多肽类分子相关的恒定链多肽）封闭。封闭。 Ii的主要功能：的主要功能： a、促进促进MHC II 类分子二聚体的形成，包括组类分子二聚体的形成，包括组装和折叠。装和折叠。 b、促进促进MHC II 类分子从内质网向高尔基体的类分子从内质网向高尔基体的转运。转运。 c、能阻止能阻止MHC II 类分子在内质网内与内源性类分子在内质网内与内源性多肽的结合。多肽的结合。Need to prevent newly synthesised, unfolded self proteins from binding to immature MHC Invariant chain stabilises MHC class II by non- covalently binding to the immature MHC class II molecule and forming a nonomeric complexIn the endoplasmic reticulumMHC class II maturation and invariant chain 2 antigen processing via MHC class II pathway exogenous antigens进入机体后进入机体后被被APC内吞内吞运至内体（运至内体（ endosome ）酸性环境中被蛋白酶等水解酸性环境中被蛋白酶等水解为多肽片段为多肽片段随内体转运至溶酶体降解为多肽。随内体转运至溶酶体降解为多肽。 MHC II类分子类分子 （Ii）3在与抗原肽结合前由在与抗原肽结合前由RER穿过高尔穿过高尔基体基体定向运送至内质体腔，形成富含定向运送至内质体腔，形成富含MHC II 分子的分子的M II C（ MHC class II compartment）与含多肽的内与含多肽的内体溶酶体结合体溶酶体结合 Ii被降解，仍有被降解，仍有CLIP，在，在HLA-DM帮帮助下助下CLIP解离解离抗原肽与抗原肽与MHC II 分子结合分子结合形成抗原肽形成抗原肽MHC II类分子复合物（类分子复合物（antigenic peptides-MHC class II molecules complex）转运至细胞膜。转运至细胞膜。Class II MHC PathwayGlobular proteinEndocytosisProtein is processed topeptides in endosome or lysosomeEndosomeLysosomeFusion of endosomeand exocytic vesicleEndoplasmic reticulumClass II MHCSynthesis3 chains: , and IiGolgibodyExocytic vesicle fuseswith endosomereleasing Ii from dimer IiImmunodominantpeptide bindsto class II MHCEndosome fuses withplasma membranePeptide MHC-II complex is presentedto CD4 helper T cellCD4 helper T cellIi非依赖途径（非依赖途径（Ii-independent pathway）：）：部分部分Ag直接与胞膜表面空载直接与胞膜表面空载MHC-II类分子结类分子结合后，被吞噬进入细胞内，在内体中合后，被吞噬进入细胞内，在内体中Ag被降被降解为多肽，然后与再循环至胞内的空载的成解为多肽，然后与再循环至胞内的空载的成熟熟MHCII类分子结合，形成稳定的抗原肽：类分子结合，形成稳定的抗原肽：MHC分子复合物，转运至细胞膜。分子复合物，转运至细胞膜。MIIC compartment sorts peptide-MHC complexes for surface expression orlysosomal degradationSurface expression of MHC class II-peptide complexesExported to the cell surface (t1/2 = 50hr)Sent to lysosomes for degradation Fate of MHC class ISent to lysosomes for degradation Exported to the cell surface（三）（三）antigen processing via CD1 molecule pathway糖脂类抗原（分枝杆菌胞壁成分糖脂类抗原（分枝杆菌胞壁成分分枝菌酸及磷酸分枝菌酸及磷酸肌醇等）被肌醇等）被APC内吞内吞运至内体运至内体（endosome）被降解被降解与与CD1 分子结合分子结合转运至细胞膜，活化转运至细胞膜，活化NKT、T细胞。细胞。（一）（一）basic course of antigen presentationFour stages：1 adhesion: ICAM-1，2，3LFA-1; LFA-3CD22 antigen-specific activation: MHC-peptidesTCRMHC class II-peptide complex提呈给提呈给CD4+ T cellsantigenic peptides-MHC class I molecule complex提呈给提呈给CD8+ T cells3 co-stimulation: B7CD284 cytokine signaling：IL-2 三三 antigen presentation（三）（三） cross-antigen presenting via MHC molecules MHC I 类分子（类分子（MHC I molecules）也能提呈外源性抗也能提呈外源性抗原（原（exogenous antigens） ，而内源性抗原而内源性抗原（endogenous antigens）也能通过也能通过MHC II 类途径类途径（MHC class II molecules pathway）加以提呈。但此加以提呈。但此并非抗原提呈的主要方式。并非抗原提呈的主要方式。