Das Komplementsystem

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1 Das Komplementsystem Monika Raulf-Heimsoth Institut für Prävention und Arbeitsmedizin der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung, Institut der Ruhr-Universität Bochum (IPA) Vorlesung

2 Komplementsystem Teil der angeborenen Immunantwort mehr als 30 Proteine im Blutplasma gelöst bzw. zellgebunden komplementieren (ergänzen und verstärken) die Wirkung von Antikörpern dient der Abwehr von Mikroorganismen (Opsonisierung) auch zellzerstörende Eigenschaften* viele Komplementproteine sind Proteasen, die durch proteolytische Spaltung aktiviert werden (Zymogene) *müssen reguliert werden 2

3 Entdeckung des Komplementsystems 1890, Jules Bordet (Paris) Vibrio cholerae + Antiserum =? Vibrio cholerae + frisches nicht-immunes Serum =? Vibrio cholerae + hitzebehandeltes Antiserum =? Vibrio cholerae + hitzebehandeltes Antiserum + frisches nicht-immunes Serum =? Bakteriolytische Aktivität Antikörper hitzelabile Substanz 3

4 nach P. Ehrlich hitzestabile Substanzen = Antikörper hitzelabile Substanzen = Komplement* Bordet und Genou 1901 Komplementbindungsreaktion von Wassermann 1908 Wassermann-Reaktion zur Syphilisdiagnostik *komplementiert die antibakterielle Aktivität von einigen Antikörpern 4

5 Das Komplementsystem schützt vor einer Infektion 1. Erzeugung von aktivierten Komplementproteinen, die kovalent an Pathogene binden und diese opsonisieren, so dass eine Aufnahme durch Phagozyten, die CR tragen, erleichtert wird. 2. Kleinere C-Fragmente wirken als Chemoattraktoren (locken Phagozyten an und aktivieren diese). 3. Zerstörung von Pathogenen durch Porenbildung. 5

6 Drei Wege führen zur Aktivierung des Komplementsystems abhängig von unterschiedlichen Molekülen, durch die sie jeweils ausgelöst wurden, doch erzeugen sie denselben Satz von Effektormolekülen (Produkt aller Wege ist eine C3-Konvertase ) 1. Klassischer Weg 2. Alternativer Weg 3. Lektin Weg 6

7 Schematischer Überblick über die Komplementkaskade Klassischer Weg MB-Lektin-Weg Alternativer Weg Antigen-Antikörper- Komplex Lektin bindet an die Oberfläche des Pathogens Pathogenoberflächen Komplementaktivierung Anlocken inflammatorischer Zellen Opsonisierung von Pathogenen Zerstörung von Pathogenen 7

8 Wesentliche Komponenten und Effektorwirkungen des Komplementsystems Erkennung Regulation Klassischer Weg MB-Lektin-Weg Alternativer Weg Antigen: Antikörper-Komplexe (Pathogenoberflächen) mannanbindendes Lektin bindet Mannose auf der Pathogenoberfläche C1q, C1r, C1s, C4, C2 MBL, MASP-1, MASP-2, C4, C2 C4a*, C3a, C5a C3-Konvertase C3b Pathogenoberflächen C3, B, D Terminale Komplementkomponenten C5b, C6, C7, C8, C9 Wirkung entzündungsvermittelnde Peptide, Anlocken von Phagocyten bindet an Komplementrezeptoren auf den Phagocyten Opsonisierung von Pathogenen Entfernung von Immunkomplexen membranangreifender Komplex, Lyse bestimmter Pathogene und Zellen 8

9 Komplementsystem triggered-enzyme- Kaskade Vorstufenzymogene sind überall im Körper ohne schädliche Wirkung - am Infektionsherd: lokale Aktivierung und lösen Entzündungsreaktionen aus Vorstufe aktives Komplementenzym A Substrat (Komplementzymogen B) aktiviertes KEB KZC KEC usw. Regulationsmechanismen für die unkontrollierte Aktivierung 9

10 Nomenklatur der Komplementproteine C = alle Komponenten des klassischen Komplementweges und des membranangreifenden Komplexes Native Komponente sind durchnummeriert, z.b. C1, C2 allerdings in der Reihenfolge ihrer Entdeckung und nicht der Reihenfolge ihrer Reaktionen, welche lauten: C1, C4, C2, C3, C5, C6, C7, C8, C9 Produkte der Spaltreaktionen mit kleinen Buchstaben b = größeres Fragment (aktive Serinprotease) a = kleineres Fragment (löslicher Mediator) z.b. C4 C4b C4a 10

11 Klassischer Weg* 1 Bildung der C3-Konvertase des klassischen Weges C1 erstes Protein des klassischen Weges Komplex aus C1q, C1r und C1s C1q Zymogene besteht aus 6 gleichen UE mit globulären C1r Köpfen und langen kollagenähnlichen Schwänzen (Ca 2+ -abhängiges, Zuckerbindendes Protein = Kollektin-Proteinfamilie C1s C1-Komplex: C1q: C1r 2 : C1s 2 die Köpfe (mindestens 2) (C1q) binden an die konstanten Domänen von Immunglobulinen *2 oder direkt an die Oberfläche von Pathogenen Konformationsänderung von C1r, das dann das C1s-Zymogen spaltet und aktiviert (es entsteht eine aktive Serinprotease) *1 wichtig sowohl bei der angeborenen als auch bei der *2 erworbenen Immunität 11

12 Klassischer Aktivierungsweg C1s spaltet C1s C4a C4b C2 spaltet C4b C2 C2a C4 C4b C2b C3-Konvertase 12

13 Aktiviertes C1s-Protein spaltet C4 1 C4a C4b 2 spaltet C2 bindet an C2a C2b bindet an die Oberfläche von Mikroben = aktive Proteasekomponente der C3-Konvertase bindet an die Mikrobenoberfläche und hüllt sie ein oder an die C3-Konvertase *bis zu 1000 spaltet viele* C3-Moleküle C3b C3a Entzündungsmediator 13

14 Faktoren der unterschiedlichen Komplementaktivierung (klassischer Weg) native Komponenten C1 (C1q: C1r 2 :C1s 2 ) C4 C2 C3 aktive Form C1q C1r C1s C4b C4a C2b C2a C3b C3a bindet direkt an Pathogenoberflächen oder indirekt an pathogengebundenen Antikörper, ermöglicht so Autoaktivierung von C1r wandelt C1s in aktive Protease um spaltet C4 und C2 Funktion der aktiven Form bindet kovalent an den Krankheitserreger und opsonisiert ihn; bindet C2 für die Spaltung durch C1s Peptid-Entzündungsmediator (schwache Aktivität) aktives Enzym der C3/C5-Konvertase des klassischen Weges; spaltet C3 und C5 Vorstufe des vasoaktiven C2-Kinins viele Moleküle binden an die Pathogenoberfläche und wirken opsonierend; initiiert Verstärkung über den alternativen Weg; bindet C5 für die Spaltung durch C2b Peptid-Entzündungsmediator (mittlere Aktivität) 14

15 Alternativer Komplementweg kann an den Oberflächen zahlreicher Mikroorganismen ablaufen, ohne dass ein spezifischer Antikörper vorhanden sein muss. es entsteht ein andere C3-Konvertase (C3b, Bb) das Auslösen des alternativen Weges hängt nicht von einem Protein ab, das an ein Pathogen bindet stattdessen: Start durch spontane Hydrolyse von C3 Wichtig: Aktivierungsweg schreitet nur an der Oberfläche von Krankheitserregern fort 15

16 Komponenten des alternativen Weges Faktoren B, C und D (nicht nummeriert) B Bb Ba (größeres Fragment) (kleineres Fragment) 16

17 Proteine des alternativen Weges der Komplementaktivierung native Komponenten C3 Faktor B (B) Faktor D (D) Faktor P (Properdin) aktive Fragmente C3b Ba Bb D P Funktion bindet an Pathogenoberfläche, bindet B für die Spaltung durch D, C3b,Bb ist eine C3- und C3b 2 Bb eine C5-Konvertase kleines B-Fragment, Funktion unbekannt Bb ist das aktive Enzym der C3-Konvertase C3b,Bb und der C5-Konvertase C3b 2 Bb Plasmaserinprotease, spaltet B, wenn es an C3b gebunden ist, in Ba und Bb Plasmaprotein mit Affinität zur C3b,Bb- Konvertase auf Bakterienzellen 17

18 C3 (in großen Mengen im Plasma) C3b spontan spontane Hydrolyse der Thioesterbindung im C3 C3 (H 2 O) C3 (H 2 O) mit veränderter Konformation bindet Plasmaprotein Faktor B B, C3 (H 2 O) Plasmaprotease Faktor D spaltet B Ba + Bb bleibt an C3 (H 2 O) gebunden C3 (H 2 O) Bb-Komplex = C3-Konvertase in der flüssigen Phase 18

19 C3 (H 2 O) Bb-Komplex spaltet C3-Moleküle in C3b C3a zum größten Teil inaktiviert durch Hydrolyse gebundenes C3b aber einige binden jedoch kovalent über ihre reaktive Thioestergruppe an die Oberflächen von Körperzellen oder an Pathogene heftet sich an Faktor B (C3b-B) Faktor D spaltet Ba + ProteaseBb C3b, Bb = C3-Konvertase des alternativen Weges 19

20 Verstärkungsschleife* 1 Bildung von C3b,Bb-Komplex spaltet mehr C3 zu C3b oder bindet an Krankheitserreger (Wirkung als Opsonin) setzt Komplementweg erneut in Gang * 1 läuft nur an der Oberfläche von Pathogenen ab und nicht an einer Körperzelle 20

21 Alternativer Aktivierungsweg (1) C3 spontan C3 (H 2 O) Faktor B Faktor D spaltet C3 (H 2 O) Faktor B Ba C3 (H 2 O) Bb C3-Konvertase in der flüssigen Phase 21

22 Alternativer Aktivierungsweg (2) C3 (H 2 O) Bb spaltet Faktor D C3a C3 C3b Faktor B spaltet C3b Faktor B Ba C3b Bb C3-Konvertase des alternativen Aktivierungsweges 22

23 C3-Konvertase C3 1,2 mg/l im Plasma; häufigstes Komplementprotein C3a C3b Hauptfunktion: große Mengen von C3b an der Oberfläche von Pathogenen bindet über Thioesterbindung an benachbarte Moleküle des Pathogens 1000 C3b-Moleküle in der Nähe der C3-Konvertase 23

24 C5-Konvertase Klassischer und MB-Lektin Weg Alternativer Weg spaltet C3 spaltet C3b Bb C4b C2b C3b Opsonisierung C3a C3b C4b C2b C3b spaltet C5 spaltet C3b C3b Bb C5-Konvertase C5a C5b C5-Konvertase 24

25 Spaltung von C5 durch den C5-Konvertasekomplex C3-Konvertase (C4b, C2b bzw. C3b, Bb) C3b beendet entsteht C5-Konvertase (C4b, C2b, C3b bzw. C3b, Bb) C5b C5a C5 bindet an C3b-Komponente der C5-Konvertase Spaltung von C5 durch C2b oder Bb 25

26 Terminale Komplementproteine C5b C5b, C6, C7, C8, C9 C6 C6 C5b C7 C8 C6 C7 C5b x C8 C9 MAC-Komplex C6 C7C5b C5b C6 C7 C8 C9 26

27 Die terminalen Komplementkomponenten, die den membranangreifenden Komplex bilden native Proteine C5 aktive Komponenten C5a C5b Funktion kleiner Peptid-Entzündungsmediator (hohe Aktivität) regt die Bildung des membranangreifenden Komplexes an C6 C7 C8 C9 C6 C7 C8 C9 n bindet C5b, bildet Anlagerungsstelle für C7 bindet C5b,C6, amphiphiler Komplex integriert in die Lipiddoppelschicht bindet C5b,6,7, löst die Polymerisierung von C9 aus polymerisiert and C5b,6,7,8 und bildet so membrandurchspannenden Kanal; Zelllyse 27

28 Mannan-Bindungs-Lektin-Weg Aktivierungsprotein: mannanbindendes Lektin (MBL) Strukturähnlichkeit zu C1q Zymogene: MASP-1 und MASP-2 ((Mannan-Bindungs- Lektin-assoziierte Serin-Proteasen) Serinproteasen) homolog zu C1r und C1s Durch Bindung von MBL an Pathogenoberfläche werden Zymogene zur Spaltung von C2 und C4 aktiviert C3-Konvertase aus C4b und C2b (Klassischer Weg) 28

29 MB-Lektin-Weg (besonders wichtig während der Kindheit) MBL = mannanbindendes Lektin, wie C1q ein Kollektin (da bei Vertebratenzellen Mannosereste durch Sialsäure verdeckt sind, ist die Bindung pathogen spezifisch) Komplementaktivierung wird eingeleitet durch MBL an die Oberfläche von Pathogenen MBL im normalen Plasma nur in geringer Konzentration, wird in der Leber während der akuten Phase der angeborenen Immunantwort verstärkt gebildet Aussehen wie ein Tulpenstrauß wie C1q Komplex: MBL + MASP1 + MASP2 Zymogene (MBL-assoziierte Serinproteasen) MBL bindet an Pathogene Aktivierung der Serinproteasen und C4 und C2 spalten und aktivieren ( C3-Konvertase entsteht) 29

30 Kontrolle ist wichtig, denn Zerstörung von Mikroorganismen Balance Schutz der körpereigenen Gewebe insbesondere über den alternativen Weg kann das Komplementsystem überall und jederzeit eingeschaltet werden: daher Regulatoren: lösliche oder zellgebundene z.b. Komplementrezeptor 1 (CR1), DAF = Decay Accelerating factor (CD55) MCP = Membran-Kofaktor-Protein (CD46) zellgebunden Konkurrieren an der Zelloberfläche mit Faktor B um Bindung and C3b und ersetzen Bb in der Konvertase. Spaltung von C3b zum inaktiven ic3b verhindert ebenfalls die Bildung der Konvertase. 30

31 Faktor H = komplementregulatorisches Protein im Plasma bindet an C3b und konkurriert mit Faktor B und ersetzt Bb in Konvertase bindet bevorzugt an Vertebratenzellen, da es Affinität für Sialsäurest auf diesen Zellen besitzt im Gegensatz dazu kann sich die C3b,Bb-Konvertase an Oberflächen von Krankheitserregern bilden und dort verbleiben, weil dort die regulatorischen Proteine und Sialsäurereste nicht vorhanden sind Faktor P = Properdin = positiver Regulationsfaktor = stabilisiert die Konvertase 31

32 Ausnahme: Faktor D (Serinprotease) des alternativen Weges (kein Gegenpart in den beiden anderen Wegen) ist als einzige eine aktivierende Protease des Komplementsystems, die als aktive Enzym zirkuliert und nicht als Zymogen Faktor D bindet nur an Faktor B als Substrat, wenn dieser an C3b gebunden ist. 32

33 Kontrollproteine des klassischen und des alternativen Weges Name (Symbol) C1-Inhibitor (C1INH) C4-bindendes Protein (C4BP) Komplementrezeptor 1 (CR1) Faktor H (H) Faktor I (I) decay-accelerating factor (DAF) Membran-Cofaktor-Protein (MCP) CD59 (Protectin) Rolle bei der Regulierung der Komplementaktivierung bindet an aktiviertes C1r,C1s und trennt es von C1q bindet an C4b und ersetzt dabei C2b; Cofaktor für C4b-Spaltung durch I bindet an C4b und ersetzt dabei C2b oder an C3b und ersetzt Bb; Cofaktor für I bindet an C3b und ersetzt Bb; Cofaktor für I Serinprotease, die unterstützt von H, MCP, C4BP oder CR1 C3b und C4b spaltet Membranprotein, das Bb von C3b und C2b von C3b verdrängt Membranprotein, das die Inaktivierung von C3b und C4b durch I stimuliert Verhindert Bildung des Membranangreifenden Komplexes auf autologen oder allogenen Zellen; in Membranen weit verbreitet 33

34 Verteilung und Funktion von Rezeptoren für Komplementproteine auf der Oberfläche von Zellen Rezeptor Spezifität Funktionen Zelltypen CR1 (CD35) CR2 (CD21) CR3 (CD11b/CD18)* C3b, C4b ic3b C3d, ic3b, C3dg, Epstein-Barr- Virus ic3b regt Zerfall von C3b und C4b an, stimuliert die Phagozytose; Erythrozytentransport von Immunkomplexen Teil des B-Zell- Corezeptors, Rezeptor des Epstein-Barr-Virus Stimuliert die Phagozytose * = Integrine; # = follikuläre dendritische Zellen Erythrozyten, Makrophagen, Monozyten, polymorphkernige Leukozyten, B-Zellen, FDC # B-Zellen, FDC Makrophagen, Monozyten, polymorphkernige Leukozyten 34

35 Verteilung und Funktion von Rezeptoren für Komplementproteine auf der Oberfläche von Zellen Rezeptor Spezifität Funktionen Zelltypen CR4 (gp150,95) (CD11c/CD18)* ic3b Stimuliert die Phagozytose Makrophagen, Monozyten, polymorphkernige Leukozyten, dendritische Zellen C5a-Rezeptor C5a Bindung von C5a aktiviert G-Protein Endothelzellen, Mastzellen, Phagozyten C3a-Rezeptor C3a Bindung von C3a aktiviert G-Protein Endothelzellen, Mastzellen, Phagozyten * = Integrine 35

36 Wirkung der kleinen Komplementproteine C3a, C4a, C5a a) lokale Entzündungsreaktionen: wirken auf Blutgefäße und erhöhen die Gefäßpermeabilität und die Zahl der Adhäsionsmoleküle größerer Austritt von Flüssigkeit, Ig und Komplementfaktoren aus den Gefäßen Wanderung der Mo, PMN und Lym nimmt zu und ihre antibakteriellen Aktivitäten 36

37 Freisetzung von größeren Mengen systemische Reaktion anaphylaktischer Schock C3a, C5a*, C4a = Anaphylatoxine C5a und C3a vermitteln ihre Signale über Transmembranrezeptoren, die G-Proteine aktivieren zurzeit vergleichbar mit der Wirkung von Chemokinen *sehr stabil, hat die höchste biologische Aktivität 37

38 Darstellung der Wirkung der verschiedenen Komplementfaktoren, die bei der Komplementaktivierung entstehen 38

39 Immunologische Prozesse bei einer Infektion 2 Adhäsion an das Epithel Lokale Infektion, Durchquerung des Epithels Lokale Infektion des Gewebes Ausbreitung im Lymphsystem Adaptive Immunantwort normale Flora lokale chemische Faktoren Phagozytose (besonders in der Lunge) Wundheilung antibakterielle Proteine und Peptide Phagozyten γ-δ T-Zellen B1-Zellen Komplement (alternativer Weg) Phagozyten Cytokine NK-Zellen Aktivierung von Makrophagen Phagozyten (Einfangen von Antigenen) NK-Zellen Spezifische Antikörper T-Zell abhängige Aktivierung der Makrophagen Cytotoxische T-Zellen 39

40 Hinter der ersten Barriere wachen spezialisierte Zellen (z.b. Makrophagen), die entweder überall im Gewebe... 40

41 ... oder im Blut patrouillieren... 41

42 ... oder nur in bestimmten Geweben zu finden sind (z.b. γ/δ T-Zellen). 42

43 γδ-t-zellen γ-kette TCR δ-kette CD3 CD3 ε δ γ ε Zellmembran Es gibt 2 Typen von γδ-t-zellen: 1. In den Lymphgeweben (diverse Rezeptoren) 2. In den Epithelien (geringe Rezeptor-Diversität), die Zellen verbleiben in den Epithelien γδ-t-zellen erkennen Antigene direkt (nicht MHC+Peptid); evtl. erkennen sie Antigene, die Zusammenhang mit Pathogenen auftreten, aber nicht von diesen stammen. 43

44 B1-Zellen B1-Zellen (CD5-B-Zellen) + Antikörper treten innerhalb von 48h auf B1-Zellen v.a. in der Bauchfellhöhle benötigen keine T-Zell-Hilfe, allerdings IL-5 binden an bakterielle Kapselpolysaccharide oder Zellwand-Bestandteile 44

45 Weitere seltene Zellen NK T-Zellen das IL-4, das zur Bildung von Th2-Zellen benötigt wird, stammt möglicherweise aus dieser spezialisierten Untergruppe der CD4-T-Zellen tragen weitgehend immer denselben α:β-t-zell-rezeptor im Gegensatz zu anderen CD4 + -T-Zellen hängt die Entwicklung der NK T-Zellen nicht von der Expression von MHC-Klasse II-Molekülen ab T-Zellen erkennen das CD1, das nicht vom MHC codiert wird Mäuse: 2 CD1-Gene (CD1.1 und CD1.2) Menschen: 5 (CD1a-e) CD1-Moleküle werden von Thymozyten, papc sowie von Darmepithelzellen exprimiert 45