Grundlagen der Immunologie

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1 Grundlagen der Immunologie 3-4.Vorlesung Entwicklung und Funktionen der Zellen des Immunsystems Definition der Antigene Moleküle der Immunologischen Erkennung: Antikörper, B-Zell und T-Zell-Rezeptoren

2 Die Zellen des Immunsystems Natürliches/Angeborenes: Adaptives (Spezielles): Granulozyten (Neutrophile, Eosinophil, Basophile) Monozyten, Makrophagen Dendritische Zellen (DC) Langerhans Zellen B-Lymphozyten (Plasma- Zellen) T-Lymphozyten: helfer T-Zellen (Th), zytotoxische T-Zellen (Tc), regulatorische T-Zellen (Treg) Follikuläre dendritische Zellen (FDC) NK-Zellen (LGL-Zellen)

3 Entwicklung und Funktionen der Zellen des Immunsystems

4 Stammbaum der Zellen des Immunsystems Omnipotente Knoc he nma rkssta mmzelle (Ste m C e ll ) Myeloide Vorlä uferzelle Knochenmark Plurip ote nte Sta mmzelle Lymphoide Vorlä ufe rzelle B-Lymp hozyt T-Lymp hozyt Erythroide C FU Blut Me g a ka ryozyt Ba sop hile C FU Eosinophile C FU NK-Zelle G ra nulozytär-monozytä re C FU Peripherale Lymphorgane Ma stze lle Erythrozyte n Thrombozyte n Ba so phile G ra nulozyte n Eosinop hile De ndritisc he Neutro phile Monozyte n G ra nulozyten G ra nulozyten Ze lle n

5 Monozyt - DC Differenzierungà APZ APZ: Antigen Präsentierende Zellen

6 Lymphozytendifferenzierung Primäre (Zentrale) und Peripherale Lymphozytendifferenzierung Klonal Vermehrung

7 Immunologische Erkennung mit Erkennungsmolekülen (Rezeptoren) Angeborene Immunität Erworbene Immunität allgemeine mikrobiale Molekülmuster Antigenspezifisch (EPITOP) ( pattern recognition receptors )

8 Erkennungsmoleküle Angeborene Immunität Erworbene Immunität Abbas, Lichtman, and Pillai. Cellular and Molecular Immunology, 7 th edition. Copyright by by Saunders, an imprint an of imprint Elsevier Inc. of

9 Unterschiede BcR zwischen - TcR B- und T-Zellen in der Antigenerkennung B-Zellen erkennen Antigene in Lösung oder an Zelloberflächen APZ: Antigen Präsentierende Zelle Antigen Peptid T-Zellen erkennen prozessierte mit MHC-Moleküle presäntierte Antigene B-Zelle T-Zelle

10 Typen der B-Zellen

11 Typen der αβtcr+ T-Zellen 1. CD8+ zytotoxische T-Zellen (CTL) A. tötet virusinfizierte Zellen B. tötet Tumorzellen C. tötet Zellen mit intrazellulären Bakterien im Zytosol 2. CD4+ T-Helferzellen (Th)- Zytokinproduktion A. T-Helferzelle (Th2): aktiviert die B- Zellen um Antikörper zu bilden B entzündliche T-Zelle (Th1): aktiviert Makrophagen, um intrazelluläre Bakterien zu töten, Th9, Th17 C regulatorische T-Zellen:Treg Immunsuppression

12 Unterschiede zwischen Th- und Tc- Zellen in der MHC-abhängigen Antigenerkennung

13 Definition der Antigene

14 Definition der Antigene László Detre: Antikörper-Generator = ANTIGEN - Ursprüngliche (alte) Definition: Antigen ist eine fremde Substanz, die eine Immunantwort induzieren kann. - Heutige Definition: Antigen ist eine Substanz, die von T-Zell- und B-Zell-Rezeptoren erkannt wird und eine aktive spezifische Immunantwort oder Toleranz auslöst, die von MHC-Molekülen bestimmt wird.

15 Grundlegende Begriffe Immunogen: Substanz, die in einem Organismus eine spezifische Immunantwort auslösen kann Epitop (Antigendeterminant): ein kleiner Abschnitt des Antigens, der von einem Antikörper, BcR oder TcR erkannt wird. Hapten: eine niedermolekulare Substanz, die selbst nicht immunogen ist, aber wenn sie an einen Träger (Carrierprotein) gebunden wird, induziert sie die Bildung haptenspezifischer Antikörper. Carrier (Träger): ein unspezifisches Trägerprotein, das Haptene koppeln kann, um sie immunogen zu machen.

16 Eigenschaften von Antigenen beeinflussen deren Immunogenizität 1. Physikochemische Eigenschaften von Antigenen (Immunogen Molekülen): 2. Molekülgröße > 100 kda 3. Chemische Komplexität, Struktur des Antigens 4. Foreigness - phylogenetische Unterschied zwischen Antigen und körpereigenen Proteinen 5. Antigendosis 6. Lokalisation anatomische Ort

17 Klassifizierung der Antigene 1. nach ihrer Herkunft a. natürlich vorkommende Antigene b. künstliche Antigene c. syntetische Antigene 2. nach chemischen Gesichtspunkten a. Proteine b. Kohlenhydrate c. Nukleinsäuren d. Konjugierte Antigene e. Polypeptide f. Lipide Proteine, Kohlenhydrate, Nukleinsäuren, bakterielle Toxine, Blut-und Gewebezellen Dinitrophenylierte Proteine und Kohlenhydrate Polyaminosäuren, Polypeptide Hormone, Enzyme, Serum,-Ei,-Milchproteine Dextran, Lävan, Blutgruppensubstanzen DNS, RNS Dinitrophenylierte Proteine Polymere von Aminosäuren Cholesterin, Lezithin

18 Klassifizierung der Antigene 3. Nach der genetischen Beziehung zwischen Spender und Empfänger a. Autoantigene (autologes) stammen aus dem eigenen Organismus b. Isoantigene stammen aus einem genetisch identischen (syngen) Spender c. Alloantigene (allogenes) stammen aus einem nicht verwandten Spender derselben Spezies d. Xenoantigene (xenogen) stammen aus einem Spender einer anderen Spezies

19 B- und T-Zellen erkennen unterschiedliche Epitope Antig endeterminanten Trä g e r Ha pten Trä g e r Erke n nung d urc h B-Ze lle n Erke n nung d urc h T-Ze lle n B-Zelle T-Zelle

20 Epitope eines Antigens

21 B-Zellen erkennen lineare- und Konformationsepitope

22 Das komplexe Antigen löst eine polyklonale Immunantwort aus, die zur Bildung verschiedener Antikörper führt

23 Moleküle der Immunologischen Erkennung: Antikörper, B-Zell und T- Zell-Rezeptoren

24 Unterschiede BcR zwischen - TcR B- und T-Zellen in der Antigenerkennung B-Zellen erkennen Antigene in Lösung oder an Zelloberflächen Antigen Peptid T-Zellen erkennen prozessierte mit MHC-Moleküle presäntierte Antigene B-Zelle T-Zelle

25 Antigenspezifische Erkennungsmoleküle Immunoglobuline (Ig = Antikörper) B-Zell-Rezeptor (BcR = sig) T-Zell-Rezeptor (TcR) MHC-Klasse-I und Klasse-II

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27 Charakteristische Eigenschaften der Antigenerkennung durch T-und B-Zellen B-Zelle T-Zelle Vorliegen des Antigens In löslicher Form, oder an der Oberfläche von Partikeln oder Zellen An eigenem MHC-Molekül gebunden auf der Zelloberfläche Natur des Antigens Ligand native Proteine, Kohlenhydrate, Lipide, Metalle usw. konformationelle oder lineare Determinante Peptide MHC-Peptid-Komplex Rezeptor BcR- bivalent Hapten-spezifisch TcR monovalent MHC+Peptid-spezifisch Mitwirkung anderer Zellen Antigen prozessierung - Antigenpräsentierende Zelle (APC) - Enzymatischer Abbau und Peptidtransport in der APC Korezeptoren CD19, CD21, CD22, CD40 CD4, CD8, CD28/ CTLA4, CD2, CD45, CD38

28 Antigenrezeptoren Ig-Superfamilie Antikörper - BcR T-Zell-Rezeptor MHC-Molekülen transmembrane Region zytoplasmatischer Schwanz

29 Immunglobulin-Superfamilie antigenspezifische Erkennungsmoleküle akzessorische Moleküle: Korezeptoren und Adhäsionsmoleküle

30 Domän-Struktur Die genetisch konservierten 110 Aminosäuresequenzen werden durch eine intramolekulare Disulfidbrücke zu größeren globulären Strukturen verbunden.

31 Aufbau von T-Zell-Rezeptorkomplex (TCR) Domain Antigenerkennungs-Ketten: α, β oder γ, δ Heterodimere Signalübertragungs-Ketten: CD3 γ, δ, ε, ζ ITAMs:Immunorezeptor Tyrosine Activation Motifs TCR ~ /Zelle

32 T-Zell-Rezeptorkomplex Antigenspezifische Ketten: TcR-αß (97% der T-Zellen) Funktion: MHC-Peptid-Erkennung TcR-γδ (3% der T-Zellen) Funktion: Peptid-, Lipid-, Kohlenhydraterkennung Akzessorische Moleküle: CD3 gamma, delta, epsilon, zeta, eta Ketten Funktion: Signalisierungà Transportsignale für die TCRantigenspezifischen Ketten (beide αß, γδ TcR) von der Zelloberfläche Korezeptoren: CD4 oder CD8 (TcR-αß T-Zellen) Funktion: MHC-Restriktion, Signalisierung

33 T-Zell Korezeptoren Th Tc

34 Aufbau von B-Zell-Rezeptorkomplex (BcR) Antigenerkennungs- Ketten: 2 leichte Ketten 2 schwere Ketten Igαβ sind Signaltransduktions- Ketten des BcRs Signalübertragung

35 Charakter der Immunoglobuline Monofunktionaler Charakter vor der Antigenbindung à BcR spezifische Antigenerkennung und bindung Polyfunktionaler Charakter nach der Antigenbindung à sekretorische Immunglobulin 1. Aktivierung des Komplementsystems, 2. Signaltransduktion, 3. Bindung an unterschiedliche immunologische Effektorzellen durch Fc-Rezeptoren, usw.

36 Die Struktur des Ig-Moleküls und des B-Zell-Rezeptors sekretorische Immunglobulin BcR leichte Kette schwere Kette variabler Abschnitt (V) Scharnierregion = konstanter Abschnitt (C) Effektorfunktionen Domäne transmembraner Abschnitt zytoplasmatischer Abschnitt

37 Fragmente nach der enzymatischen Spaltung mit Papain und Pepsin

38 Antigenbindung des Immunoglobulinmoleküls Leichte Kette Antigen Variable Region CDR (complementarity determining Region) Fragment Fab Variable Antikörper Konstante Region Isotyp Fragment Fc Konstant Schwere Kette

39 Röntgenstrukturanalyse eines IgG-Antikörpers

40 Die Antigenbindungsstelle wird von den CDRs gebildet CDR = hypervariable Abschnitte V le ic hte Ke tte CDR1 CDR2 CDR3 V nicht-kovalente Bindung: sc hwere Kette AN TIG ENDETERMIN ANTE (=EPITOP) CDR3 CDR1 CDR2 - elektrostatische Kräfte - Wasserstoffbrücken - Van-der-Waals-Kräfte - hydrophobe Interaktionen

41 Variabilität der Aminosäuren in der hypervariablen Region der L-Ketten des Immunoglobulins: Varibilität CDR1 CDR2 Die Position der Aminosäuren nummeriert von N-Terminus

42 Idiotyp Individuelle Determinante in den variablen Regionen (V), charakteristisch für jeden spezifischen Antikörper, synthetisiert durch einen bestimmten B-Zellklon. Immunglobulin G Synonyme CDR, hypervariable Region, antigenbindende Region der Fab

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44 Immunglobulin Isotypen = Ig-Klassen Benannt nach der konstanten Struktur (C) von schweren (H) und leichten (L) Ketten Immunglobulinklassen (Isotypen) sind nach der schweren Kette (CH) benannt : γ, µ, α, ε, δ àigg, IgM, IgA, IgE und IgD. Alle Isotypen sind in einem normalen Serum vorhanden, bis auf IgD, das nur in membrangebundener Form existiert Leichte-Kette (CL) hat zwei isotypische Formen: kappa (κ) und lambda (λ), die sich mit allen schweren Ketten Isotypen verbinden können.

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46 Immunglobulin Isotypen = Ig-Klassen γ schwere Kette δ schwere Kette ε schwere Kette µ schwere Kette α schwere Kette

47 Funktionen der IgM IgM Mw 900 kd - pentamere Struktur - Blut, Lymphe - auf der Zelloberfläche: monomere Struktur, existiert als B-Zell-Rezeptor - bei der primären Immunantwort zuerst erscheinender Antikörper Funktion: - Neutralisierung (agglutination) - Komplementaktivierung, - Schutz der Schleimhäute

48 Funktion der IgG-Klasse IgG (Mw 150 kd) - 80% des zirkulierenden Immunglobulins im Blut, der Körperflüssigkeit und der Lymphe. - die längste Halbwertszeit: ~ 3 Wochen - Nur IgG mütterlichen Ursprungs können die Plazentawand durchdringen - FcRn - Neutralisierung der Giftstoffe und Viren, - Bindung an Fc-Rezeptoren der Phagozyten - Komplementaktivierung - Antikörper-abhängige zellvermittelte Zytotoxizität = ADCC

49 IgG1-4 - Subklassen Fc γ1 schwere Kette γ2 schwere Kette γ4 schwere Kette γ3 schwere Kette

50 Funktion der IgA IgA (Mw kd, - Monomere Form in Serum (IgA1) - dimere Struktur sekretorische IgA - Schleimhaut-Oberfläche, MALT, Muttermilch, Blut - Funktion: Neutralisierung - Komplementaktivierung - FcαR-Bindung à Phagozytose

51 IgE (Mw 190 kd) - Blut und Lymphe (bindungsfähig an Basophyle oder Mastzellen) - Abwehr gegen Parasiten - verursacht allergische Reaktionen Immunglobulin E Die Bindungsstelle für Mastzellen und Basophylen Kohlenhydrat Regionen Konstante (C)Regionen Antigenbindungsstellen Disulfid- Brücken

52 IgD (Mw 150 kd) exprimiert nur auf naiver B-Zelloberfläche als Antigenerkennungsrezeptor