MHC基因結構

主要組織相容性複合體（MHC）的完整概念是指脊椎動物某一染色體上編碼主要組織相容性抗原、控制細胞間相互識別、調節免疫應答的一組緊密連鎖基因群。人類MHC，即人的HLA基因位於第6號染色體上，稱為HLA複合體。

編碼HLA的HLA複合體位於人第6號染色體的短臂上。該區DNA片段長度約3.5～4.0 Kbp（千個堿基對），占人體整個基因組的1/3000。下圖1顯示HLA複合體結構。HLA複合體共有數十個座，傳統上按其產物的結構、表達方式、組織分佈與功能可將這些基因座分為三類（本站“編碼HLA基因的分類及其命名”部分已經做了詳細描述，此處就作簡要介紹）。

圖1 位於第6號染色體上的HLA複合體結構示意圖
1． MHC-Ⅰ類基因
在Ⅰ基因區記憶體在多達31個有關的Ⅰ類基因座,其中HLA-A、HLA-B和HLA-C為經典的HLA-Ⅰ類基因,其它基因的產物分佈有限,且其功能不明,另外還有許多假基因。
2． MHC-Ⅱ類基因
HLA-Ⅱ類基因區包括近30個基因座,其中經典的Ⅱ類基因一般指DR、DP和DQ，它們編碼的產物均為雙肽鏈（α、β）分子。近年來，陸續發現了一些位於Ⅱ類基因區的新基因座，其中某些基因的產物與內源性抗原的處理與呈遞有關。
3． MHC-Ⅲ類基因
HLA-Ⅲ類基因區域至少已發現36個基因座，其中C2、C4、Bf座編碼相應的補體成分，另外還有21羧化酶基因（CYP21A、B）腫瘤壞死因數基因（TNF A、B）以及熱休克蛋白70（heat shock protein70，HSP70）基因。補體C4由二個不同的基因（C4A與C4B）編碼。
HLA抗原的分子結構
1987年Bjorkman等首先借助X線晶體衍射技術弄清了HLA-A2分子的立體結構。其後， HLA-Ⅰ、Ⅱ類分子結構的研究也取得了進展，從而對這些分子的生物學功能提供了較確切的解釋。下面就以HLA-Ⅰ、Ⅱ類抗原為例介紹HLA抗原的分子結構。

（一）HLA-Ⅰ類分子
所有的HLA-Ⅰ類分子均含有二條分離的多肽鏈，一條是由MHC基因編碼的α鏈或稱重鏈（44kD）。根據對HLA-A2和Aw68分子的晶體結構分析，Ⅰ類分子可分為四個區：（圖2）：
① 氨基端胞外多肽結合區：
該區由二個相似的各包括90個氨基酸殘基的片段組成，分別稱為α1和α2。該功能區含有與抗原結合的部位。後者呈深槽狀，其大小與形狀適合於已處理的抗原片段，約容納8～10個氨基酸殘基。Ⅰ類分子的多態性殘基也位於該區域。
② 胞外Ig樣區：
該區又稱為重鏈的α3片段，包括90個氨基酸殘基，與免疫球蛋白的恒定區具有同源性。Ⅰ類分子與TC細胞表面CD8分子的結合部位即在α3片段。Ⅰ類分子的β鏈又稱β2微球蛋白，也結合于該區。β鏈由第15號染色體的基因編碼，它不插入細胞膜而游離於細胞外。β2微球蛋白與α1、α2、α3片段的相互作用對維持Ⅰ類分子于然構型的穩定性及其分子表達有重要意義。
③ 跨膜區：
該區氨基酸殘基形成螺旋狀穿過漿膜的脂質雙層，將類分子錨定在膜上。
④ 胞漿區：
該區位於胞漿中，可能與細胞內外資訊傳遞有關。

圖2 HLA-Ⅰ類分子結構示意圖
（二）HLA-Ⅱ類分子
所有的Ⅱ類分子均由二條以非共價鍵連接的多肽鏈（α、β）組成。二條鏈的基本結構相似，但分別由不同的MHC基因編碼，且均具有多態性。雖然Ⅱ類分子的晶體衍射結構尚未得到，但光譜分析已證明與Ⅰ類分子具有某種相似性。Ⅱ類分子二條多肽鏈也可分為四個區，見（圖3）：
①肽結合區：
α鏈與β鏈的胞外部位均可再分為二個各含90個氨基酸殘基的片段，分別稱為α1、α2和β1、β2。肽結合區包括α1和β1片段，該二片段構成肽結合的裂隙（cleft），約可容納14個氨基酸殘基。Ⅱ類分子的多肽殘基主要集中在α1和β1片段，這種多態性決定了多肽結合部位的生化結構，也決定了與肽類結合以及T細胞識別的特異性和親和力。
②Ig樣區：
此區由α2和β2片段組成，兩者均含鏈內二硫鍵，並屬於Ig基因超家族。在抗原呈遞過程中，TH細胞的CD4分子與Ⅱ類分子結合的部位即位於該Ig樣非多肽態區域。
③跨膜區和胞漿區：
該二區與Ⅰ類分子α鏈的相應區域結構相似。

圖3 HLA-Ⅱ類分子結構示意圖

編碼HLA基因複合體（MHC）的遺傳特徵
HLA複合體具備某些有別於其它真核基因系統的特徵。
1． 連鎖不平衡

HLA複合體各等位基因均有其各自的基因頻率。基因頻率是指某一特定等位基因占該基因座中全部等位元基因總和的比例。隨機婚配的群體中，在無新的突變和自然選擇的情況下，基因頻率可以代代維持不變。一個HLA位點的等位基因與另一個或幾個位點的等位基因在某一單倍型出現的頻率應等於各自頻率的乘積。然而在很多情況下，預期的單倍型頻率往往與實際檢測的頻率相差很大，在不同的地區或不同的人群，某些基因相伴出現的頻率特別高，這種現象稱為連鎖不平衡（linkage disequilibrium）。例如，在北歐白人中HLA-A1和HLA-B8頻率分別為0.17和0.11。若隨機組合，則單體型A1-B8的預期頻率為0.17×0.11=0.019。但實際所測行的A1-B8單體型頻率是0.088故A1-B8處於連鎖不平衡，實測頻率與預期頻率間的差值（△0.088-0.19=0.069）為連鎖不平衡參數。在HLA複合體中已發現有50對以上等位元基因顯示連鎖不平衡。HLA基因連鎖不平衡的發生機制目前尚不清楚，但已經發現某些疾病的發生與HLA複合體中某些特定的等位基因密切相關；某些連鎖不平衡傾向於出現在某些區域、某些人種和某些民族。深入探討連鎖不平衡的發生機制無疑將有助於對某些疾病的診斷和治療，亦將為人類學研究增添新的內容。

2． 單體型遺傳方式

HLA複合體是一組緊密連鎖的基因群。這些連鎖在一條染色體上的等位基因很少發生同源染色體間的交換，構成一個單體型（haplotype）。在遺傳過程中，HLA單體型作為一個完整的遺傳單位由親代傳給子代。有必要區分HLA表型、基因型與單體型這三個概念。某一個體HLA抗原特異性型別稱為表型（phenotype）；HLA基因在體細胞兩條染色體上的組合稱為基因型（genotype）；HLA基因在同一條染色體上的組合稱為單體型（haplotype）（表1）。
表1 HLA表型、基因型與單體型的區別
受檢者 甲 乙 丙
A1 A2B8 B12 A1 A1B8 B12 A1 A1B8 B8
表型 HLA-A1、2：B8、12 HLA-A1：B8、12 HLA-A1、B8
基因型 HLA-A1、A2HLA-B8、B12 HLA-A1、A1HLA-B8、B12 HLA-A1、A1HLA-B8、B8
單體型 HLA-A1、B8/A2、B12 HLA-A1、B8/A1、B12 HLA-A1、B8/A1、B8
二倍體（diploid）生物的每一細胞均有兩個同源染色體組，分別來自父母雙方。故子女的HLA單體型也是一個來自父方，一個來自母方。在同胞之間比較HLA單體型型別只會出現下列三種可能性：二個單體型完全相同或完全不同的機率各占25%；有一個單體型相同的機率占50%。至於親代與子代之間則必然有一個單體型相同，也只能有一個單體型相同（圖4）。這一遺傳特點在器官移植供者的選擇以及法醫的親子鑒定中得到了應用。

圖4 HLA單體型遺傳示意圖
注：a、b、c、d代表單體型；A1、B8、A2、B35等代表HLA基因座等位基因

由於存在連鎖不平衡, 某些單體型在群體中可呈現較高的頻率, 並較之單一HLA基因型別更能顯示人種和地理族（ethnic group）的特點。例如，中國漢族人中具有特徵性的HLA單體型主要有A2-B46-Cw3-DR9-DQ9-Dw23和 A33-B17-Cw2-DR3-DQ2-Dw3。 檢測單體型比分析單一的等位元基因頻率更有助於從無血緣關係人群中搜尋HLA相匹配的器官移植供者。然而， 連鎖不平衡卻不利於分析和尋找調控免疫應答或決定疾病易感性的關鍵性基因成份。舉例說，如果DQ座位的等位基因HLA-DQB1*0301對某一疾病的發生起決定性作用，但此0301又和DR座位的DRB1*0901及B座位的B*4601呈現連鎖不平衡，可能使人誤認為 DRB1*0901或B*4601和疾病關聯。實際上只有DQB1*0301屬於該病的原發關聯 (primary association)成分，其餘兩個位於DR和B座位上的等位基因產物屬於次級關聯。

3． 多態性現象
HLA複合體是迄今已知人體最複雜的基因複合體，有高度的多態性。多態性 (polymorphism) 指一個基因座位上存在多個等位基因 (allele)。對某一個基因座位，一個個體最多只能有兩個等位基因，分別出現在來自父母方的同源染色體上。因而MHC的多態性是一個群體概念，指群體中不同個體在等位元基因擁有狀態上存在差別。多態性和多基因現象，是從不同水準對MHC的多樣性進行描述：多基因性著重於同一個個體中MHC基因座位的變化；而多態性指群體中各座位等位基因的變化。據1999年的統計，整個HLA複合體等位基因總數已達到1031個，其中等位基因數量最多的座位是HLA-B（301個）和HLA-DRB1（227個）。

HLA的多態性程度可以從兩方面進行估計：一是每個基因座位上的雜合體比例。按照種群遺傳學的理論，每個座位上的純合體比例等於基因頻率的平方和。一般來講等位基因越多，純合體的比例也就越低。舉例來說，在每個等位元基因頻率都相同的情況下，在雙等位元基因系統中，純合體占50%；在4個等位元基因的系統中，純合體占25%；在10個等位元基因的系統中，純合體僅占10％。衡量HLA多態性的另一個標誌是表現型的數目，ABO血型系統的表現型有4種；Rh系統有18種；而HLA系統的表現型則多達上億種。
對HLA系統的不同基因座位，和同一座位不同等位基因的命名原則是，星號(*)前為基因座位，星號後為等位基因。例如HLA-A*0103代表HLAⅠ類基因A座位的第103號等位基因；HLA -DRB1*1102代表Ⅱ類基因DRB1座位第1102號等位基因。1102並不表明DRB1座位已發現一千一百多個等位元基因，而是根據等位元基因的結構，通常再分成若干主型 (generic type), 1102是DRB1座位第11主型第2號等位基因。同理，HLA A*0103是A座位第1主型第3號等位基因。

HLA的多態性現象乃由於下列原因所致：①複等位基因（multiple alleles）：位於一對同源染色體上對應位置的一對基因稱為等位基因（allele）；由於群體中的突變，同一座的基因系列稱為複等位元基因。前已述及，HLA複合體的每一座均存在為數眾多的複等位基因，這是HLA高度多態性的最主要原因。由於各個座位基因是隨機組合的，故人群中的基因型可達108之多。②共顯性(codominance)：一對等位基因同為顯性稱為共顯性。HLA複合體中每一個等位基因均為共顯性，從而大大增加了人群中HLA表型的多樣性，達到107數量級。因此，除了同卵雙生外，無關個體間HLA型別全相同的可能性極小。

HLA基因結構的變異為進化中的選擇提供了基礎。變異的發生涉及基因突變、基因重組（同源染色體之間的交換）和基因轉換等多種機制。基因轉換 (gene conversion)指兩條染色體非同源部分發生DNA片段的轉移。基因轉換可產生新的等位基因。其他真核細胞的基因較少發生基因轉換，但在MHC多態性產生中卻十分常見。 MHC變異的產生屬於一組偶發事件，這些偶發的變異能否以新等位基因的形式被一代一代地保存下來，取決於自然選擇。如果新出現的等位基因，在提呈病原體的關鍵性抗原肽方面有獨到之處，則相應個體較易啟動有效的免疫應答,顯示較強的抗病能力和較低的死亡率。換言之，這一新等位基因的擁有者，會有較多的機會把該等位基因傳遞給後代。於是，在群體水準新的等位基因投向該物種基因庫的比例將大於其它的基因，兩者之差構成選擇壓力 (selection pressure)。選擇壓力使新基因頻率逐漸上升。結果，新等位基因在群體中得到積累，形成多態性。

多態性主要為經典的Ⅰ類基因和Ⅱ類基因所有，這是與Ⅰ、Ⅱ類基因產物參與提呈抗原肽有關的。由於不同的MHC等位基因產物可以遞呈結構不同的抗原肽，並誘發出特異性和強度不同的免疫應答，而這種MHC分子在結構和抗原遞呈能力上的不同，往往表現在帶有不同MHC等位基因的個體水準，這意味著，MHC多態性從基因的儲備上，造就了對抗原（病原體）入侵反應性和易感性不同的個體。這一現象的群體效應，是賦於物種極大的應變能力，使之能對付多變的環境條件及各種病原體的侵襲。應該說，這是MHC高度多態性具有強大生命力的體現，是長期自然選擇的結果。
總之，HLA的高度多態性顯示了遺傳背景的多樣性，這可能是高等動物抵禦不利環境因素的一種適應性表現，從而維持種屬的生存與延續具有重要的生物意義，但也對組織移植過程中尋找配型合的供體帶來很大的困難。