Erworbene (adaptive) Immunität. Schlüsseleigenschaften Spezifität Anpassungsfähigkeit Gedächtnis Organsysteme Lymphozyten Lymphatische Organe

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1 Erworbene (adaptive) Immunität Schlüsseleigenschaften Spezifität Anpassungsfähigkeit Gedächtnis Organsysteme Lymphozyten Lymphatische Organe

2 Organe des Lymphsystems primäre Lymphorgane (Erzeugung der Lymphozyten): fetale Leber Knochenmark Thymus (T-Zellen) Bursa fabricii (Vögel, B Zellen) sekundäre Lymphorgane (Wirkungsorte): Milz Lymphknoten Peyersche Plaques diffuse Lymphorgane (Bindegewebe, Schleimhäute, Drüsen)

3 Die Zellen des Immunsystems gemeinsame Blut-Stammzelle als Vorläufer der lymphatischen und myeloischen Zelllinien Stufenweiser Verlust der Pluripotenz Ursprung der NK-Zellen (=natural killer) unsicher CD = cluster of differentiation (Oberflächenmarker, Antigene)

4 Zirkulation der Lymphozyten Lymphozyten wandern aus dem Knochenmark in die Reifungsorgane Thymus: T-Zellen Präselektion gegen körpereigene Antigene Milz, Lymphknoten: B-Zellen Entwicklung im Knochenmark abgeschlossen B-, T-Zellen zirkulieren im Blut Wanderung in Gewebe Rückkehr über afferente Lymphgefäße in Lymphknoten von dort über efferente Lymphgefäße wieder ins Blut

5 Antigene Stoffe der belebten oder unbelebten Umwelt, die in einem Organismus eine spezifische Immunreaktion auslösen können Keine einheitliche Stoffklasse! Proteine Polysaccharide Lipide Zellen oder Teile davon Viruspartikel oder Teile davon Im Prinzip alles, was mit den Antigen-Rezeptoren des Immunsystems reagieren kann! Antigen-Rezeptoren: MHC T-Zellrezeptor B-Zellrezeptor

6 Epitop Bestandteile von Antigenen, an die Antigen-Rezeptoren binden Ein Antigen kann verschiedene Epitope tragen! Quelle: Wikipedia

7 MHC major histocompatibility complex Satz von Genen zwei Klassen: MHC I und MHC II Proteine finden sich auf allen Körperzellen der Vertebraten beim Menschen: HLA (human leukozyte antigen) steuern Aktivität der T-Lymphozyten T-Lymphozyten erkennen Antigen nur in Verbindung mit MHC MHC besitzt ausgeprägten Polymorphismus kaum zwei Individuen besitzen identische Moleküle bedingt Gewebsunverträglichkeit ( Transplantationsantigene )

8 Antigenpräsentation am MHC

9 Antigenverarbeitung und -präsentation Synthese MHC I und MHC II am endoplasmatischen Retikulum (ER) MHC-Proteine liegen im Innern von Vesikeln MHC I bindet Bruchstücke von im ER gebildeten Proteinen MHC II bindet Abbauprodukte aus Phago- (Endo-) zytose Transport der Vesikel zur Zellmembran Nach Fusion des Vesikel mit der Zellmembran werden die Bruchstücke auf der Oberfläche der Zelle präsentiert

10 Thymus und T-Zellreifung Thymus läppchenartiger Aufbau gekapseltes Organ T-Zellen Einwanderung über äußere Rindenzone (C) Lernprozess Elimination autoreaktiver Zellen im Mark (M) Reife T-Zellen verlassen den Thymus

11 Reifung der B-Zellen B-Zelle besiedeln sekundäre lymphatische Organe unter Umgehung des Thymus Differenzierung wahrscheinlich bereits im Knochenmark beendet Reifungsprozess ohne Präselektion gegen Eigenantigen? Kein so strikter Selektionsprozess wie bei T-Zellen Mehr autoreaktive B-Zellen im Lymphozytenbestand des gesunden Erwachsenen Antigenrezeptor der B-Zellen ist der B-cell-receptor (BCR) Antikörper

12 Aktivierung der Lymphozyten T- und B-Lymphozyten reagieren auf Antigenkontakt mit Immunantwort Beide Gruppen verfügen über riesige Anzahl spezifisch mit Antigen reagierender Zellen Hiermit kann eine enorme Anzahl verschiedener Antigene erkannt werden Der gesunde Erwachsene besitzt etwa 2 x 1012 Lymphozyten Anzahl möglicher Antigene nicht schätzbar (sicher > 1012) Wahrscheinlichkeit ist hoch, dass ein Antigen von einigen Lymphozyten erkannt werden kann Aktivierungsmechanismen sorgen bei Bedarf für rasche Vermehrung

13 Aktivierung der B-Lymphozyten A) ruhender B-Lymphozyt antigenreaktiv B) nach Aktivierung durch Antigen Zellteilung Differenzierung zu Plasmaund Gedächtniszellen Klon von Tochterzellen C) Antikörper sezernierende Plasmazelle Endzelle der B-Lymphozyten produziert einige Tage bis Wochen Antikörper geht dann zugrunde

14 Sekundäre Immunantwort klonale Expansion rasche Aktivierung spezifischer Lymphozyten Produktion großer Mengen von Antikörpern Gedächtnis adaptive Immunität Impfschutz = induzierte klonale Expansion Booster-Effekt (Auffrischungsimpfung)

15 Aktivierung der T-Lymphozyten D)ruhender T-Lymphozyt Gall-Körper E) T-Lymphoblast nach Aktivierung durch Antigen Produktion von Zytokinen T-Helferzellen (CD4+) T-Suppressorzellen (CD8+) zytotoxische Zellen

16 NK-Zellen (natural killer) LGL (= large granular lymphocyte) weder Antikörper noch TZellrezeptoren Pharmakologisch wirksame Substanzen in Granula zytotoxische Aktivität Elimination neoplastischer und virusinfizierter Zellen

17 Zytokine lösliche Moleküle der interzellulären Signalübertragung Lymphzytenaktivierung lokale Entzündungsreaktion systemische und Knochenmark-spezifische Effekte verschiedene Zytokine weisen Überschneidungen im Wirkungsspektrum auf einzelne Zytokine besitzen verschiedene Eigenschaften ( Pleiotropismus ) bestimmte Zytokine können von verschiedenen Zellen produziert werden gegenseitige Beeinflussung ( Antagonismus und Synergismus )

18 Zytokine Beispiel: Wirkung von IL-1 und TNF Aktivierung von Immunzellen durch verschiedene Ursachen Produktion von Interleukin-1 und Tumornekrosefaktor verschiedene Wirkungen PAF = platelet activating factor (ThrombozytenAktivierung PGE = Prostaglandin E PGI = Prostazyklin22 Zytokine: Entstehung und Wirkung von IL-1 und TNF

19 Phagozyten und Opsonierung Makrophagen und Granulozyten betreiben Phagozytose Verstärkung der Phagozytose durch Opsonierung Opsonierung durch Antikörper oder/und Komplement Wirkung Antikörper + Komplement am stärksten

20 Opsonierung: Bakterien - clearence Natürliche Resistenz: langsame Entfernung von Bakterien Verstärkung der Affinität durch gebundene Antikörper Verstärkung der Affinität durch gebundenes C3b (Komplement) stärkste Affinität durch gebundenes C3b + Antikörper zwei unabhängige Erkennungssyteme für Fremdantigene!

21 Antigen-präsentierende Zellen Bei Aktivierung keine direkte Bindung von Antigen an T- und BZellen Antigen wird an der Oberfläche von Zellen angeboten (APC/APZ) Abfangen von Antigen Einleitung Immunantwort A = Interdigitierende Zelle Große Oberfläche B = Dendritische Zelle mobile Vorläufer der interdigitierenden Zellen

22 Aufbau des Lymphknotens Lymphozyten und Antigene gelangen über afferente Lymphgefäße in den Lymphknoten Lymphe durchströmt den LK über ein Spaltsystem (Sinus) Sinus mündet in der Medulla in efferentes Lymphgefäß Primärfollikel enthalten BZell Aggregate Keimzentren entstehen nach Antigenstimulation (Sekundärfollikel)

23 Antigenpräsentation im Lymphknoten Zur Antigenpräsentation befähigte Zellen

24 Aufbau der Milz Lymphozyten gelangen mit dem Blut in die Milz Wanderung in die PALS Bildung von Keimzentren nach Antigenstimulation Makrophagen der Milz haben die Aufgabe Fremdmaterial aus dem Blut abzufangen Entfernung alter Erythrozyten Schutz vor im Blut zirkulierenden Mikroorganismen PALS = Periarterioläre Lymphozytenscheide

25 Antigenverarbeitung und -präsentation Zwei Hauptwege der Antigenverarbeitung Intrazellulär gebildete Proteine endogenes Antigen aus endoplasmatischem Retikulum im Golgi-Apparat an MHC I gebunden Extrazellulär gebildete Proteine exogenes Antigen Degradation im Lysosom in Vesikel an MHC II gebunden Präsentation an der Oberfläche

26 MHCI und MHCII - Moleküle Antigenbindestelle aus Sicht des andockenden TZellrezeptors Bindestelle des MHC I fasst nur kleine Peptide viral, körpereigen 8 9 Aminosäuren aus endoplasmatischem Retikulum MHC II kann größere Fragmente präsentieren (aus Phagosom)

27 Wechselwirkung zwischen T-Zelle und Antigen-präsentierender Zelle initialer Kontakt durch ICAM-1 / LFA-1 und LFA-3 / CD2 TCR reagiert mit MHC II (bzw. MHC I) und Peptid CD4 (bzw. CD8) stabilisiert Wechselwirkung TCR nur zusammen mit CD3 funktionsfähig CD3 überträgt Signal ins Innere der Zelle Signal bewirkt Aktivierung verschiedener Gene

28 Fremderkennung

29 Zellinteraktionen bei der Immunantwort Antigenpräsentation durch APZ B-Zellen reagieren mit intaktem Antigen auf APZ Unterstützung durch CD4+-THelferzellen (TH) TH erkennen Antigen auf MHC II Zytotoxische T-Helferzellen (TC(P)) erkennen Antigen auf MHC I werden durch CD4+-THelferzellen (Tdth) aktiviert Aktivierung steht unter Kontrolle der TSuppressorzellen (TS) Regulation durch Zytokine

30 Mastzellen und Granulozyten Mastzellen (A) besitzen Granula mit Entzündungsmediatoren binden IgE über spezifische Rezeptoren Bindung löst Degranulation aus Basophile Granulozyten (B) ähnlich aber beweglich Eosinophile Granulozyten (C) zur Abtötung extrazellulärer Parasiten ( Killerzellen) binden IgE und IgG

31 Antigenrezeptor-Moleküle Immunzellen binden Antigen mit Hilfe spezifischer Rezeptormoleküle die einzigartige Spezifität beruht darauf, dass sich die Strukturen der Rezeptoren unterscheiden biochemisch beruht die Spezifität auf unterschiedlichen Aminosäuressequenzen, die den Rezeptormolekülen besondere dreidimensionale Strukturen verleihen Man kennt drei große Gruppen von Antigenrezeptoren B-Zellrezeptor (Antikörper) T-Zellrezeptor MHC Unterschiede zwischen Rezeptoren einer Gruppe gering Jedoch hoher Grad von Polymorphismus an der AntigenBindungsstelle innerhalb einer Gruppe

32 Immunglobulingen-Superfamilie Die Antigen-Rezeptoren besitzen nicht nur funktionelle (Antigen-Bindung), sondern auch strukturelle und genetische Gemeinsamkeiten. Ähnlichkeiten verschiedener Teile (Domänen) legen einen gemeinsame Abstammung von einem Ur -Gen (proteinbindendes Membranprotein?) nah. Immunglobuline sind durch Vervielfältigung (gene duplication) und Abwandlung dieses Ur -Gens entstanden. Deshalb werden diese drei Rezeptortypen der Immunglobulin-Superfamilie zugeordnet.

33 Domänenstruktur der Immunglobuline konstante Domänen (C) Struktur, Verankerung, Erkennung variable Domänen (V) Antigenbindung verschiedene Proteinketten (,, H, L)

34 Die molekulare Struktur des MHC I Aufbau von MHC I Seitliche Ansicht (A) Ansicht von oben (B) Globuläre Domänen Antigenbindestelle T-Zellrezeptor reagiert auch mit helikalen Anteilen

35 Die HLA-Gene des menschlichen MHC MHC Klasse I drei Gene jeweils mehrere Allele auf allen Zellen exprimiert nie mehr als sechs verschiedene vorhanden MHC Klasse II drei Gene jeweils mehrere Allele nur auf APZ nie mehr als sechs verschiedene vorhanden Klasse III Komplementsystem Hitzeschock-Proteine Zytokine

36 Exkurs: Aufbau DNS

37 Exkurs: DNS-Replikation

38 Exkurs: von der DNS zum Protein

39 Die Gene des T-Zellrezeptors Gene der -Kette des TCR drei Gen -Sätze: V, D, J je ein V, D, J bilden durch genetische Rekombination eine Domäne V C bilden konstante Domäne Gene für, und analog angeordnet, jedoch auf anderen Chromosomen

40 Antikörperstruktur am Beispiel IgG zwei identische schwere Ketten (H) zwei identische leichte Ketten (L) globulärer Aufbau (Domänen) Verbindung der schweren Ketten über hinge -Region je eine Domäne von H und L bilden variable V-Domäne mit Antigenbindungsstelle eine L- und drei H-Domänen bilden konstante C-Region enzymatische Spaltung ergibt Fabund Fc-Fragmente Effektorfunktionen werden durch Fc-Teil vermittelt

41 Immunglobulin - Klassen Grundstruktur identisch Ig-Klassen haben verschiedene schwere Ketten werden von verschiedenen Rezeptoren erkannt (EffektorFunktion) sezerniertes IgM ist Pentamer IgA besitzt zwei zusätzliche Proteine plus sekretorische Komponente IgD ähnlich IgG IgE zusätzlich konstante Domäne

42 Antikörper als B-Zellrezeptor Membran-gebundene Antikörper besitzen zusätzliche Domäne zur Membranverankerung Assoziation mit weiteren Peptidketten zur Signalübertragung zwei Antigenbindestellen Im Gegensatz zu TCR und MHC Verbindung mit intaktem, nicht prozessiertem Antigen Membran-Antikörper IgM oder IgG

43 Gene der schweren Kette ähnlich wie TCR Rekombinationen von V, D, J und C bilden funktionelles Gen für schwere Kette jede Kombination erzeugt Ketten mit unterschiedlichen Aminosäure-Sequenzen analog für leichte Kette, dort jedoch keine D-Segmente Rekombination erklärt große Anzahl verschiedener Antikörper

44 VDJ-Rekombination am Beispiel der schweren Kette des Membran-IgM

45 Von der B-Zelle zur Plasmazelle keine genetische Rekombination! Verwendung alternativer Polyadenylierungs-Stelle führt zu veränderter mrna dadurch Verlust des Membran-Ankers

46 heavychain switching Umschalten auf weitere Ig-Klassen VDJ-Rekombination erzeugt funktionale VRegion diese wird mit einem der nachfolgenden C-Gene zur schweren Kette kombiniert weitere Rekombination tauscht C-Region aus Transkription und mrnasplicing erzeugen neue VC-Kombination Klasse der schweren Kette wechselt

47 Affinität der Antikörper molekulare Adapter Antigenbindestelle Antigendeterminante (Epitop) Affinität bestimmt durch chemisch-physikalische Wechselwirkungen Antigene tragen viele verschiedene Epitope ähnliche Epitope können Kreuzreaktionen bedingen Antikörper divalent > Vernetzung von Antigenen Bildung von Immunkomplexen (z. B. Präzipitation)

48 Idiotypen Idiotop: Epitop der VRegion eines AK oder TCR verschiedene Idiotope bilden eine Idiotyp Antikörper, die gegen die Bindestelle anderer Antikörper (= Idiotope) gerichtet sind heißen AntiIdiotyp-Antikörper Idiotyp: Diversität an der Antigenbindungstelle Isotyp: Variation bei allen Vertretern einer Spezies Allotyp: allele Variation

49 Verschiedene Rollen der Antikörper variabler Teil bindet an Antigen Effektorfunktionen kommen ins Spiel Funktionen abhängig von Regionen des FC-Teils diese Stellen werden durch Fc-Rezeptoren erkannt Erkennung durch Komponenten des Komplementsystems Auslösen spezifischer Reaktionen

50 Fc-Rezeptoren für Immunglobuline Rezeptor Vorkommen Funktion Fc RI Makrophagen Bindet IgG-Immunkomplexe, ADCC Fc RII Makrophagen, Granulozyten Bindet freie Antikörper, Phagozytose, ADCC Fc RIIIA NK-Zellen, Makrophagen, Niere, Plazenta Transport von Antikörpern, ADCC Fc RI Mastzellen, basophile Granulozyten Bindet IgE, vermittelt Freisetzung von Entzündungsmediatoren Fc RII Granulozyten, Makrophagen reguliert B-Zellaktivität, (verschiedene) Fc R bindet IgE für ADCC auf Parasiten Makrophagen, Granulozyten, Lymphozyten, NK-Zellen Phagozytose von IgA-Immunkomplexen, ADCC ADCC = antibody dependent cell-mediated cytotoxicity (durch K-Zellen vermittelte Zytotoxizität)

51 2G12 ein anti-hiv - Antikörper Spektrum der Wissenschaft 11/2003, S. 14 ff. Antikörper eines HIVresistenten Menschen bindet humane Zuckerketten, die an dem Oberflächenprotein gp120 des Virus haften normale Antikörper binden Zuckerketten nur schlecht Verschränkung der VHDomänen erzeugt drei Bindungsstellen mit besserer Affinität ausgefallene Struktur macht diesen Antikörper zu einer effektiven Waffe gegen HIV

52 2G12 ein aberranter anti-hiv Antikörper Röntgenstrukturanalyse ermöglichte Aufklärung der Struktur der Antigen-Bindestelle Mutation der Verbindung VH-CH1 ermöglicht Überkreuzung der schweren Ketten aberranter Aufbau der Antigen-Bindungsstelle Spektrum der Wissenschaft 11/2003, S. 14 ff.

53 Monoklonale Antikörper Verfahren zur Produktion von speziellen Antikörpern Fusion selektierter B-Zellen mit unsterblichen Myelomzellen Einzelkulturen (= monoklonal) zur Selektion der gewünschten Klone Selektion auf kontinuierliches Wachstum und Produktion des gesuchten Antikörpers produktive Kultur Isolation und Reinigung des monoklonalen Antikörpers

54 Gentechnologisch hergestellte Antikörper Klonierte Gensegmente ermöglichen Konstruktion verschiedener Strukturen chimärer Antikörper (A) humanisierter Antikörper (B) Fab-Fragment + Toxin oder Enzym (C) Einzeldomänenantikörper (D, E) Bispezifische Antikörper (F, G) Verwendung: therapeutisch toxisch als Detektoren enzymatisch

55 Änderung der Affinität der Antigenbindestelle site directed mutagenesis sechs hypervariable CDRSchleifen Positionierung der CDR durch Frame-Regionen gezielte Änderung des Aminosäure-Sequenzen durch in vitro - Mutation der V-Gene führt zu Änderung der Affinität der Bindestelle Antikörper können an bestimmte Erfordernisse angepasst werden

56 Klonierung von AntikörperBibliotheken Ziel: Klonieren von möglichst vielen V-Regiongenen Größte mögliche Vielfalt an Affinitäten Ideal: vollständiges Repertoire eines Organismus Antikörper-bildende Klone produzieren monoklonale Antikörper V-Regionen können weiter manipuliert werden Kombination mit diversen Effektorfunktionen

57 phagedisplay Vektor Klonierung Antikörper-Repertoire in Escherichia coli-phagen (M13) Ersatz eines oder mehrerer der Andock-Proteine durch klonierten Antikörper Antikörper trägt sein Gen quasi huckepack Phage mit passender Spezifität bindet an gewünschtes Epitop Isolation (Klonierung) des Phagen Expression in Escherichia coli Produktion des Antikörpers Weitere Bearbeitung des zugehörigen Gens möglich!

58 M13AK M13-Phage mit humanem Fv-Fragment piii = M13-Andockprotein ( E.coli-Rezeptor ) Fv = Fragment variable (variable Domäne) Schwere und leichte Kette über TAG-Linker verbunden Proteinase-Schnittstelle zum Abtrennen der AK-Domäne Antikörper trägt sein Gen huckepack MCP = M13 coat protein

59 Antibakterielle Immunität ca. 50% der Lymphozyten sind Schleimhaut-assoziiert Aufgabe: IgA- und IgE-Produktion unterstützt durch IL-4 produzierende Mukosa-assoziierte T-Zellen IgA verhindert Anhaften von Mikroorganismen an Epithelien IgE aktiviert Degranulation von Mastzellen und basophilen Granulozyten Auslösung lokaler entzündlicher Prozesse nach Eindringen von Antigen verhindert weitere Verbreitung von Antigen

60 Immunität gegen Viren Virus-infizierte Zellen exprimieren MHC I mit viralem Antigen CD8+-T-Zellen erkennen diese und lysieren die Zellen CD4+-T-Zellen reagieren auf MHC II mit viralem Antigen Zytokine erhöhen die Resistenz der Nachbarzellen freigesetzte Viren binden Antikörper und Komplement Lyse der Viruspartikel oder gesteigerte Phagozytose

61 Antivirale Immunität

62 Immunität bei AIDS

63 Immunität gegen Parasiten etwa die Hälfte aller Menschen leidet an parasitären Infektionen Abwehr meist über IgE Mitwirkung von eosinophilen Granulozyten, Mastzellen, Blutplättchen bei der Abtötung von Parasiten ADCC (Antikörper-abhängige zellvermittelte Zytotoxizität) IgE auch bei Überempfindlichkeitsreaktionen beteiligt.