HLA-I类分子的主要功能是提呈内源性抗原肽，如病毒蛋白或肿瘤相关蛋白的片段。这些抗原肽与HLA-I类分子结合后，会展示在细胞表面，被免疫系统中的CD8 T细胞识别。当CD8 T细胞识别到这些复合物时，如果该T细胞已被激活并特异性地识别这种抗原肽-HLA I类分子复合物，它就会被进一步活化，并分化为细胞毒性T淋巴细胞（CTLs），进而攻击和杀死表达特定HLA-I类-抗原肽复合体的靶细胞。这一过程对于清除体内感染了病毒的细胞或发生恶性变的肿瘤细胞至关重要。
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