Antigen Receptors and Accessory Molecules of T Lymphocytes

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1 Immunologie II Antigen Receptors and Accessory Molecules of T Lymphocytes Chapter 7 - Cellular and Molecular Immunology, Abbas-Lichtman-Pillai 6th edition Leslie Saurer Institut für Pathologie (Prof. Christoph Müller)

2 Bisher besprochende Grundlagen: naive T Zellen CD4+ Helfer T Zellen CD8+ Zytotoxische T Zellen T Zell Aktivierung MHC-gebundenes Antigen auf Antigen-präsentierenden Zellen CD8 T Zellen: MHC class I restringiert CD4 T Zellen: MHC class II restringiert spezifische Erkennung von (Selbst-) MHC und Antigen über einen klonalen T Zell Rezeptor (TCR) Effektor T Zellen CD4+ Helfer T Zellen CD8+ Zytotoxische T Zellen 2

3 Was es für eine erfolgreiche T Zell-Aktivierung (sonst noch) braucht - eine erste Uebersicht: -MHC TCR CD3 TCR Komplex CD4 CD8 Co-Rezeptoren MHC II / MHC I Restriktion Signal 2 CD28 Integrine Co-Stimulator Adhäsionsmoleküle T Zell Receptor und Hilfsmoleküle 3

4 Kontaktstelle zwischen Lymphozyt und APC: Immunologische Synapse (gilt auch allgemein für eine Kontaktstelle, über welche Leukozyten untereinander oder mit Gewebezellen physisch in Verbindung treten) 15 nm (siehe auch Kapitel 9) 4

5 Inhalt und Lernziele Kapitel 7 1. T Zell Rezeptor (TCR) TCRab: Struktur und Funktion Unterschiede TCR zu BCR TCRgd Zellen: Eigenschaften; Unterschiede zu TCRab Zellen TCR von NK Zellen 2. CD3 und Proteine Struktur und Funktion 3. CD4 und CD8 Co-Rezeptoren Struktur und Funktionen 4. Co-Stimulatorische Moleküle Bedeutung von CD28 versus CTLA; Funktion von CD2 5. Adhäsions Moleküle Bedeutung für die immunologische Synapse 6. Weitere Hilfs- und Effektormoleküle von T Zellen CD44, CD40L, FasL 5

6 1. T Zell Rezeptor (TCR) Historische Aspekte (I): ties: Identifikation von Ig-Molekülen 1973: R. Zinkernagel / P. Doherty: T Zellen erkennen Antigene, welche an (Selbst-)MHC Moleküle gebunden sind Suche nach dem T Zell Antigen Rezeptor : Identifikation der Gene und Proteinstruktur des TCR 6

7 1. T Zell Rezeptor (TCR) Historische Aspekte (II): Identifikation des TCR basierte auf folgenden Annahmen: Gene für TCR sind nur in T Zellen exprimiert TCR-Gene verhalten sich wie Ig-Gene und werden somatisch rekombiniert TCR-Gene sind zu einem gewissen Teil homolog zu Ig-Genen Methodischer Ansatz: T-Zell-Hybridome, Antikörper gegen TCR einer klonalen T Zell Population Subtraktive Hybridisierung 7

8 1. T Zell Rezeptor (TCR) Historische Aspekte (III): T cell Hybridome Subtraktive Hybridsierung monoklonale Populationen A bzw. B T cell Linie B cell Linie A B mrna mrna reverse Transcription cdna Hybridisierung nicht hybridisierte single-strand cdna? Suche nach anti-tcr Antikörper, die spezifisch zwischen A und B unterscheiden bzw. die antigenen Determinanten eines klonalen TCR erkennen Klonierung, Sequenzierung Homologie zu Ig Genen? Isolation von TCR mit Hilfe dieser Antikörper 8

9 1. T Zell Rezeptor (TCR) Struktur des TCRab TCR gehört der Ig-Superfamilie an Mehrere Gen-Segmente, die somatisch rekombiniert werden, kodieren je für a-kette und b-kette (Kapitel 8) V-Regionen enthalten hypervariable bzw. CDR (complementarity-dermining regions) Zytoplasmatischer Teil ist zu kurz für eine Signaltransduktion ( Bedeutung von CD3!) TCR wird nicht sezerniert! 9

10 1. T Zell Rezeptor (TCR) Erkennung von MHC-assoziertem Antigen durch den TCRab a-chain: 3 CDR b-chain 3 CDR + 1 CDR 6 CDR Erkennung von Peptide-MHC Bindung von Superantigenen? CDR3 Region weist die höchste Variabilität auf TCR erkennt MHC und gebundenes Peptide zusammen als Antigen Nur 1-2 Aminosäuren des gebundenen Peptides werden durch den TCR kontaktiert TCR weist eine gewisse Promiskuität auf und erkennt z.t. auch sehr ähnliche Peptide-MHC Strukturen (von Bedeutung für thymischen Selektionsprozess?) Affinität des TCR für Peptide-MHC Komplex ist schwach erfordert Stabilisierung des T Zell - APC Kontakts durch Adhäsionsmoleküle 10

11 1. T Zell Rezeptor (TCR) Hauptsächliche Unterschiede TCRab und Ig: Komponenten: a und b Ketten schwere und leichte Ketten Signaltransduktion: CD3 und Iga and Igb Affinität für Antigen: Sezernierte Form: Isotyp switching: Affinitätsreifung: M M (sezerniert) 11

12 1. T Zell Rezeptor (TCR) TCRgd / gd T Zellen (I): TCRgd T Zellen TCRab T Zellen Häufigkeit < 5% > 95% Somatische Rekomination Diversität TCR repertoire MHC Restriktion Antigen Co-Rezeptoren Assoziation TCR mit CD3 und Zytokine, Zytoxische Funktionen klein Lipide, HSP,... (CD8aa) gross Peptide-MHC CD4 / CD8ab 12

13 1. T Zell Rezeptor (TCR) TCRgd / gd T Zellen (II): gd T Zellen und ab T Zellen haben einen gemeinsamen Vorläufer, stellen aber sonst zwei völlig unterschiedliche T Zell Linien dar! gd T Zellen kommen vermehrt in Epithelien der Haut und der Darm-Mukosa vor strategische Lokalisation in Epithelien und limitierte Diversität des TCR Repertoires dienen ev. der raschen Erkennung von relativ konservierten und häufig vorkommenden Liganden haben Eigenschaften von Zellen sowohl des adaptiven wie auch des angeborenen Immunsystems 13

14 1. T Zell Rezeptor (TCR) TCR von NK T Zellen TCRab limitierte Diversität; häufiger Gebrauch von Va24-Ja18 durch humane NK T Zellen = invariant NK T Zellen erkennen Lipide, die mit CD1d Molekülen assoziert sind (CD1d: ähnlich zu MHC Molekülen, aber nicht polymorph!) Aktivierung führt zur Produktion von Zytokinen Brücken-Funktion zwischen adaptiver und angeborener Immunität 14

15 2. CD3 und Proteine Struktur TCR Komplex (Ko-Präzipitations Experimente) ITAM: enthält Phosphorylierungsstellen für Tyrosine-Kinasen CD3 und Proteine: identisch in allen T Zellen, unabhängig von der TCR-Spezifität! 15

16 2. CD3 und Proteine Expression des TCR Komplexes erfordert alle seine Komponenten 16

17 2. CD3 und Proteine Funktion Verbinden die Erkennung von Antigen durch den TCR mit einer Signaltransduktion, die letztendlich zur Aktivierung der T Zelle führt Antikörper gegen CD3 identifizieren eine T Zelle (d.h. CD3 ist ein T Zell Marker), aber unterscheiden nicht zwischen TCRab und TCRgd T Zellen Gewisse Antikörper gegen CD3 können eine T Zelle direkt aktivieren, unabhängig von der Anwesenheit eines spezifischen Antigens polyklonale Stimulation von T Zellen T Zelle Phosphorylierung von ITAMs durch Lck or Fyn T Zell Aktivierung anti-cd3 Antikörper 17

18 3. CD4 und CD8 Co-Rezeptoren Co-Rezeptoren: Binden das gleiche MHC-Molekül, welches auch der TCR als Peptide-MHC Komplex erkennt CD8 - MHC class I CD4 - MHC class II 18

19 3. CD4 und CD8 Co-Rezeptoren Struktur Monomer Ig-Superfamilie Heterodimer CD8aa Homodimere kommen ebenfalls auf bestimmten T Zell Populationen vor 19

20 3. CD4 und CD8 Co-Rezeptoren Funktionen (I) MHC I bzw. MHC II Restriktion von CD8 bzw. CD4 T Zellen (physiologische Relevanz - siehe Kapitel 6) Intrathymischer Selektionsprozess (Mäuse knock-out für CD4 oder CD8 haben keine reifen MHC II bzw. MHC I restringierten T Zellen - siehe Kapitel 8) Verstärkte Bindung der T Zelle an APC oder andere Zelle (verminderte off-rate?) Signaltransduktion, Aktivierung der T Zelle CD4 ist auch ein hauptsächlicher Rezeptor für HIV... 20

21 3. CD4 und CD8 Co-Rezeptoren Funktionen (II) Signaltransduktion QuickTime and a decompressor are needed to see this picture. (siehe auch Kapitel 9) Bindung des TCR an Peptide-MHC Komplex und gleichzeitige Bindung von CD4 oder CD8 an MHC bringt die mit CD4 oder CD8 assozierte Lck zu den ITAMs des TCR Komplexes Mäuse ko für Lck haben keine reifen T Zellen 21

22 4. Co-Stimulatorische Moleküle Produktive Aktivierung von naiven T Zellen erfordert zwei Signale: Bindung TCR an Peptide-MHC Komplex: Bindung von co-stimulatorischen Molekülen an ihre Liganden: Signal 1 Signal 2 physiologische Relevanz? periphere Selbst-Toleranz! 22

23 4. Co-Stimulatorische Moleküle Rolle von CD28 versus CTLA-4 (CD152) in der Immunregulation: professionelle APC B7-1 (CD80) / B7-2 (CD86) T Zell Aktivierung (IL-2, Proliferation, Effektor Funktionen) T Zell Inhibition Anergy CD28 T Zelle (naive) CTLA-4 T Zelle (mehrmals aktiviert) 23

24 4. Co-Stimulatorische Moleküle Bedeutung von CTLA-4 für die Regulierung von Immunantworten Milz von einer wt (+/+) und einer CTLA-4 ko (-/-) Maus... 24

25 4. Co-Stimulatorische Moleküle Weitere Co-Stimulatorische und Inhibitorische Moleküle z.b. ICOS CD2 PD-1 CD2 kann (über Bindung an LFA-3 auf APC) auch als Adhäsionsmolekül funktionieren PD-1 ist auf mehrfach aktivierten, erschöpften T Zellen exprimiert Blockierung der PD-1 - PD-1L Interaktion von therapeutischer Relevanz für: chronische Virusinfektionen (HIV)?? anti-tumor Immunität?? 25

26 5. Adhäsionsmoleküle (siehe Kapitel 2 für die Bedeutung von Adhäsionsmolekülen bezüglich der T Zell Migration!) LFA-1: Integrin Integrine befinden sich an der Peripherie der immunologischen Synapse und stabilisieren die Bindung der T Zelle an die APC 26

27 5. Adhäsionsmoleküle Relevanz der Adhäsionsmoleküle bezüglich der T Zell Aktivierung: Interaktion von TCR mit Peptide-MHC Kompex ist von schwacher Affinität......aber: Aktivierung von naiven T Zellen erfordert eine langanhaltende und wiederholte Bindung von Peptide-MHC Komplexen durch den TCR mehr als nur ein TCR muss aktiviert werden - ca TCR (von ca TCR) auf einer T Zelle müssen durch ca Peptide-MHC Komplexe aktiviert werden... 27

28 6. Weitere Hilfs- und Effektormoleküle von T Zellen...gibt es (vermutlich) noch wie Sand am Meer... Zytokin-Rezeptoren, Zytokine CD44 FasL CD45 perforin, granzymes CD40L...,...,...,...,... Chemokine, Chemokin-Rezeptoren 28

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