HLA基因复合体的结构与遗传特性
HLA是人类的主要组织相容性复合体。1999年测序完成的经典HLA 基因复合体位于人第6号染色体短臂（6p21．31），DNA片段长约3 600 kb，共224个基因座位，其中能表达产物的功能性基因为128个。2003年，继整个第6号染色体短臂的序列分析完成后，扩展的主要组织相容性复合体（extended major histocompatibility complex，x MHC）的新概念被提出，即在经典HLA 基因复合体区域两侧各扩增了一段扩展的HLA（x HLA）区域。本章节主要讨论经典HLA基因复合体。
HLA复合体中的基因包含4种类型，即表达基因（expressed gene）：可转录成mRNA，有稳定的开放阅读框（ORF）和蛋白产物；候选基因（candidate gene）：可转录成mRNA，但ORF不明确，蛋白产物有或无；沉默基因（silent gene）：有mRNA 转录，无ORF，亦无蛋白质表达；假基因（pseudogene）：无mRNA转录及相应蛋白质产物。这些表达基因按照产物的功能被分为3群，即经典HLA基因、免疫功能相关基因以及免疫无关基因。
（一）HLA复合体结构
HLA基因复合体包括HLAⅠ类、Ⅱ类和Ⅲ类基因区。HLAⅠ类基因区由经典的Ⅰ类基因（HLA Ⅰa）、非经典的Ⅰ类基因（HLA Ⅰb）和MIC（MHC classⅠchain-related）基因组成。HLAⅡ类基因区由经典的Ⅱ类基因（HLA-DP、DR和DQ 基因）以及参与抗原加工提呈的HLA-DM、HLA-DO、TAP、PSMB等基因组成。Ⅲ类基因区位于二者之间，包括补体基因C2、B、C4和参与炎症反应的基因TNF、LTA、LTB和HSP等基因座位（图3-1）。经典的Ⅰ类和Ⅱ类基因产物具有抗原提呈功能，显示极为丰富的多态性，直接参与T细胞的激活和分化，参与调控适应性免疫应答。经典的Ⅲ类基因和新近确认的大量非经典HLA基因，是免疫功能相关基因，参与调控固有免疫应答或参与抗原加工，仅显示有限的多态性或不显示。
1．经典的HLAⅠ类和Ⅱ类基因 经典的HLAⅠ类基因，又称HLA-Ⅰa基因。它位于HLA复合体远离着丝点的一端，包括HLA-A、HLA-B和HLA-C三个座位，是最早发现的三个功能基因，编码HLAⅠ类分子异二聚体中的重链（α链），广泛分布于各类有核细胞表面，具有高度的多态性。而Ⅰ类分子的轻链（β2微球蛋白）由第15号染色体上的基因编码。HLA-B基因座位是HLA基因区域中等位基因数量最多的一个座位，也是多态性最丰富的一个基因座位。截至2017年9月，HLA-B座位被正式命名的等位基因数量已达到4859个。
经典的HLA Ⅱ类基因区位于HLA 复合体近着丝点一端，顺序由HLA-DP、HLADQ、HLA-DR三个亚区组成，每个亚区都含有A和B两类基因，分别编码HLA Ⅱ类分子的α链和β链，形成α／β异二聚体蛋白。
图3-1 位于人第6号染色体短臂的HLA基因结构示意图
2．免疫功能相关基因 此类基因的结构、分布和功能相差较大，但均具有一定多态性，且与机体免疫应答和免疫调节有关。它主要包括位于HLAⅠ类区的非经典Ⅰ类基因和MIC等NK功能相关基因、位于HLA Ⅱ类基因区的抗原加工提呈相关基因、位于HLA Ⅲ类基因区的C2、C4A、C4B和Bf等补体成分的编码基因以及TNF-α、TNF-β、热休克蛋白70（Hsp70）等炎症相关基因。
（1）非经典Ⅰ类基因 又称HLAⅠb，包括HLA-E、HLA-F、HLA-G、HLA-H等。与经典的Ⅰ类基因不同，其等位基因数有限，多态性不高，基因产物分布较局限。HLAE分子表达于各种组织细胞，在羊膜和滋养层细胞表面高表达，是NK细胞表面C型凝集素受体家族（CD94／NKG2A）的专一性配体，能抑制NK细胞对自身细胞的杀伤作用。现在被正式命名的HLA-E等位基因有21个。HLA-G 主要在母胎耐受中发挥作用，其专一性受体是杀伤细胞免疫球蛋白样受体（KIR）家族成员KIR2DL4，可抑制NK 细胞活化。目前有53个HLA-G等位基因被正式命名。HLA-F参与母胎耐受，HLA-H 参与铁的代谢，另外还有许多属于无编码产物的假基因，如HLA-L、HLA-K和HLA-X等。
（2）MIC 基因 即MHCⅠ类链相关基因（MHC classⅠchain-related，MIC），包括MIC-A、MIC-B、MIC-C、MIC-D、MIC-E等5个成员基因。其中MICA、MICB有编码表达产物，其他为假基因。MICA和MICB属于压力诱导基因，具有高度多态性，产物主要分布在上皮细胞系中，是激活型NK 细胞受体NKG2D的配体，为NK 细胞、γδT 细胞和CD8＋T细胞的活化提供刺激信号，促使其激活。MICA和MICB基因的表达受热休克反应的正调节，与HLA-B基因紧密连锁，可能是某些MHC相关自身免疫性疾病的候选基因。
（3）抗原加工提呈功能相关基因 主要包括HLA-DM、HLA-DO、TAP、PSMB和TAP相关蛋白基因，位于HLAⅡ类基因区。其编码产物主要参与和辅助HLA Ⅰ类和HLA Ⅱ类分子完成对抗原的加工提呈过程。
1）蛋白酶体β亚单位（proteasome subunit beta type，PSMB）基因 包括PSMB8和PSMB9（原LMP2和LMP7），编码胞质溶胶中蛋白酶体的β亚单位，参与内源性抗原肽的降解过程。
2）抗原处理相关转运蛋白基因（transporters associated with antigen processing，TAP） 包括TAP1和TAP2两个基因座位，编码TAP1和TAP2，构成内质网膜上的一个异二聚体TAP分子，参与内源性抗原肽向内质网腔的转运。
3）HLA-DM 基因 包括DMA 和DMB基因，分别编码HLA-DM 分子的α链和β链。HLA-DM 分子参与辅助溶酶体中抗原肽进入HLAⅡ分子抗原肽结合槽的过程。
4）HLA-DO基因 包括DOA和DOB两个基因，其产物分别为DO 分子的α链和β链。HLA-DO分子主要表达于B细胞，能与HLA-DM 分子稳定结合，参与对HLA-DM分子功能的负调节。
5）TAP相关蛋白（TAP-associated protein，tapasin）基因 该基因位于HLA 复合体近着丝点处，主要对HLA Ⅰ类分子在内质网中的装配发挥关键作用。
（4）血清补体成分编码基因 位于Ⅲ类基因区，编码C2、C4A、C4B、Bf等4种补体组分。此类基因产物不参与抗原提呈，也不是膜结合分子。
（5）炎症相关基因 位于HLA Ⅲ类基因区内接近Ⅰ类基因区一侧。有TNF基因家族，包括TNF、LTA、LTB 3个座位，编码TNF-α、LT-α（TNF-β）和LT-β等促炎症性细胞因子；热休克蛋白（heat shock protein，HSP）基因家族，在进化上高度保守，包括HSPA1L、HSPA1A、HSPA1B，分别编码70 kDa的热休克蛋白1-like、1A 和1B，参与炎症和应激反应，并在内源性抗原加工提呈中发挥作用。(https://www.daowen.com)
（6）其他相关基因 另外，在Ⅲ类基因区还有一些其他基因座位尚未功能归类，如编码21-羟化酶的基因CYP21A和CYP21B，分别编码21-羟化酶21OHA和21OHB。
（二）HLA复合体遗传特征
1．基因的高度多态性 多态性（polymorphism）是指随机婚配群体中，染色体上同一基因座位具有2个以上等位基因，即可能编码2种以上产物。HLA复合体是迄今为止已知人体最复杂的基因系统，具有高度多态性。HLA复合体上各基因座位总共已发现17 331个等位基因（2017年9月），其中HLA-B是等位基因数量最多的座位（4859个）。HLA多态性的表现及其形成的遗传学基础，在于群体中复等位基因的存在和个体中等位基因的共显性表达。
（1）复等位基因 位于同源染色体上对应位置的一对基因称为等位基因（alleles）。由于群体中出现的突变，同一座位所有可能出现的有差异的等位基因系列称为复等位基因（multiple alleles）。表3-1提供了HLA主要座位的等位基因数。群体中数量众多的等位基因赋予了HLA的高度多态性。表3-1呈现了多态性的HLA 基因座位及已获正式命名的等位基因数（2017年9月）。
表3-1 多态性HLA基因座位及已获正式命名的等位基因数
注：*包括DRB4～DRB9、DOA／DOB、DMA／DMB、TAP1／TAP2，以及C2／C4A／C4B／Bf等。
（2）共显性（codominance） 是指一对等位基因同为显性表达。HLA Ⅰ类和Ⅱ类基因的等位基因表达具有共显性特点，即同一个体中，1个基因座位上来自同源染色体的2个等位基因都能得到表达。因此，1个个体通常拥有的经典Ⅰ类（A、B、C）和Ⅱ类（DP、DR、DQ）等位基因产物有12种以上。共显性表达是HLA 高度多态性产生的重要遗传学基础，其与HLA复合体的多基因性共同决定了HLA遗传背景的高度多样性，大大增加了人群中不同HLA单体型的组合方式，导致了HLA表型广泛的群体多态性。因此，除了同卵双生外，无亲缘关系的个体间HLA单体型完全相同的概率几乎为零。
在蛋白质水平上，多态性主要表现为各等位基因产物在结构上存在差异，即HLA 分子抗原肽结合槽中，氨基酸残基组成、序列的不同导致其结构差异。HLA 高度多态性具有重要的生物学意义。一方面，它极大地扩展了个体和群体在面临病原体感染威胁时对抗原肽提呈的范围，这可能是高等动物抵御不利因素的一种适应性表现，有利于维持种群的生存与延续。但另一方面，它也给人类器官移植选择组织型别合适的供者造成了很大困难。
2．单体型遗传和连锁不平衡的遗传规律 HLA复合体是一组紧密连锁的基因群，这些连锁在一条染色体上的等位基因很少发生同源染色体间的交换，从而构成一个单体型（haplotype）。在遗传过程中，HLA单体型作为一个完整的遗传单位由亲代传给子代。人类具有23对同源染色体，每对同源染色体都分别来自父亲和母亲，包括6号染色体。因此子女的HLA单体型也是一个源自父方，一个源自母方，然后随机组合而成。这样亲代与子代之间必然有也只能有1个单体型相同。而在子代同胞之间比较HLA单体型型别，会出现3种可能性：2个单体型完全相同或完全不同的概率各占25%；有1个单体型相同的概率占50%。
此外，HLA等位基因的构成和分布还有等位基因的非随机性表达和连锁不平衡等特点。即群体中各等位基因不以相同的频率出现，而且分属2个或2个以上基因座位的等位基因同时出现在一条染色体上的概率并不随机，这就是连锁不平衡（linkage disepuilibrium）。
如HLA-DRB1和HLA-DQB1座位的等位基因数分别是2 122和1 152，其中2个等位基因DRB1*09：01和DQB1*07：01在群体中的频率，按随机分配的原则，应该是0．047%和0．087%。然而在我国北方汉族人群中该基因的频率分别高达15．6%和21．9%。而且按照随机分配规律，此两者同时出现在一条染色体上的概率应是3．4%，但实际上则为11．3%。因此不同人种中优势表达的等位基因及其组成的单体型差异较大，属于长期自然选择的结果。这可作为人种种群基因结构的特征，在追溯和分析人种的迁移和进化规律，寻找合适的器官移植供受体、分析疾病易感基因和法医学上的亲子鉴定上都有十分重要的意义。
（三）HLA基因的命名
具有高度多态性的HLA复合体的每一个基因座都含有数量庞大的复等位基因。尽管目前这些复等位基因的数目尚不能完全确定，但对于已发现的各基因座复等位基因仍需要给予统一的命名，以提供生命科学基础研究和临床医学应用的便利。
早期HLA复等位基因的发现与命名主要依赖编码蛋白质的抗原差异，分别通过血清学或细胞学免疫反应的方法来加以鉴定。20世纪80年代后，随着核酸测序技术的广泛应用，发展了各种DNA分型技术，称为基于PCR的HLA 基因分型（PCR-base HLA genotyping）。经过基因分型发现，原属于同一血清型的HLA 分子实际上被数个甚至数十个不同的等位基因编码，由多个亚型组成。为了统一全球各地区、各实验室以及不同检测方法的鉴定结果，国际HLA命名委员会制定了HLA基因的命名规则。
该规则规定，每一个HLA 基因都由星号分隔的两部分来表述。星号前半部分指明该基因属于哪一个基因座位。星号后的阿拉伯数字——前两位数字代表原有的血清学类型，反映其抗原特异性；后几位数字代表在同一血清学类型下的基因型差异。如HLAA*2901、HLA-A*2902，其含义为：这两个基因都属于HLA Ⅰ类基因A 座位，血清型都为HLA-A29，但由于基因存在的差异区分为HLA-A*2901、HLA-A*2902两种基因型。对同一个等位基因中非编码区出现的序列差异以第五、六位阿拉伯数字表示，如HLADRB1*130102。对同一个等位基因中内含子或非翻译区出现的序列差异则以第七、八位阿拉伯数字表示，如HLA-DRB1*13010102。后两种序列差异不影响该等位基因的遗传学特征。新发现的非经典的HLA基因一般都不以血清学方法鉴定，所以，其星号后前两位数字也仅代表序号。
（四）HLA基因调控HLA分子的表达也受到细胞因子的调节
IFN-γ可以促进树突状细胞和巨噬细胞HLA Ⅱ类分子的表达，也可以促进HLA Ⅰ类分子的表达。Ⅰ型干扰素IFN-α和IFN-β可以增强Ⅰ类分子表达。Ⅱ类反式激活蛋白（classⅡtrans-activator，CⅡTA）为非DNA 结合蛋白，为IFN-γ诱导HLA 表达中的一个主导开关。当IFN-γ和细胞表面IFN-γ受体结合后，激活胞膜内侧JAK1／JAK2，引起STAT1磷酸化，磷酸化的STAT1进入细胞核与CⅡTA基因启动子区中的IFN-γ反应元件结合使基因激活，CⅡTA基因产物随后再通过与Ⅰ类、Ⅱ类相应转录复合物相互作用而使HLA基因活化。MHCⅡ类基因启动子区转录蛋白或CⅡTA 编码基因产生突变可引起一种称为裸淋巴细胞综合征（bare lymphocyte syndrome，BLS）的免疫缺陷病。这类患者HLA Ⅰ类分子表达良好，CD8＋T细胞发育正常，但Ⅱ类分子表达缺陷，仅少量CD4＋T细胞发育且不能被抗原激活。