Antikörperstruktur, -funktion und -affinitätsreifung

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1 Grundlagen der Immunologie 5. Semester - Dienstags Uhr Ruhr-Universität Bochum, HMA 20 Antikörperstruktur, -funktion und -affinitätsreifung Albrecht Bufe

2 Klonale Selektion Unreife B-Zellen Autoantigene Beseitigung (Apoptose) unreifer B-Zellen, die mit SELBST-Antigenen reagieren, durch klonale Selektion Membran IgM Reife naive B-Zellen Fremdantigen Fremdantigen

3 Aktivierte B Zellen entwickeln sich zu Plasmazellen und Gedächtniszellen Immunologische Synapse Aktiviert B Zelle! B-Gedächniszelle Lymphoblast IgG IgM Plasmazelle IgG

4 Antikörperstruktur und -funktion

5 V L C L V H C H 2 C H 4 Variable Regionen C H 1 Konstante Regionen Disulfidbrücken Antigenbindungsstelle

6 Antikörper- Spaltung pfc C H 3 Pepsin C H 2 Papain F(ab ) 2 C H 1 Fc Fc = Fragment crystallizable Fab Fab Fab = Fragment antigen binding

7 Die 3D-Struktur, die von den hypervariablen Schleifen gebildet wird, bestimmt, welche Antigene gebunden werden können.

8 Peptid CDRs complementary determining regions

9 Physikalische Kräfte zwischen Antikörper und Antigen Anziehungen zwischen entgegengesetzten Ladungen Elektronegative Atome (N, O) teilen sich ein Wasserstoffatom Fluktuationen in den Elektronenwolken um Moleküle herum polarisieren benachbarte Atome entgegengesetzt Hydrophobe Gruppen stoßen Wasser ab und neigen dazu, sich zusammenzuballen, um Wassermoleküle zu verdrängen; an der Anziehung sind auch van-der Waals- Kräfte beteiligt.

10 Präzipitations- (Heidelberger-) kurve Äquivalenz Antikörperüberschuss Antigenüberschuss

11 Affinität und Avidität von Antikörpern Monovalentes Antigen Multivalentes Antigen Assoziation Dissoziation Assoziation Dissoziation

12 Bestimmung der Affinität Kein AK Niedrig Konz. AK Hoch Konz. AK Affinität ist die Bindungsstärke zwischen Ak und Ag, definiert als die Steigung des Verhältnisses von r zu r/c r/c Ka = Steigung = Assoziationskonstante (monovalentes Ag) r = Mol gebundenes Ag pro Mol Ak Ka = Steigung bei x = 1 = mittlere Assoziationskonstante (multivalentes Ag) 1 2 r c = Konz. an freiem Ag

13 IgM J (junction) - Kette C H 4 C H 3 C H 2 J-Kette Disulfidbrücken C H 1 Hinge-Region (Gelenk)

14 Antikörpergene der konstanten Region Schwere Kette J H 1-6 C µ C d C g 3 C g1 wc e C a1 C g2 C g4 C e C a2 Konstante Region Isotypswitch Lymphoblast B-Zelle Plasmazelle IgM IgG IgA IgE IgG

15 Isotyp-switch Schwere Kette J H 1-6 C µ C d C g 3 C g1 wc e C a1 C g2 C g4 C e C a2 Konstante Region Spezifische DNA-Sequenzen (switch-region) regulieren die Rekombination Der Isotyp-switch wird durch Transkriptionsfaktoren (Switch-factors) induziert Der Isotyp-switch findet im Lymphknoten (Keimzentrum) statt Er erfordert ein spezifisches Milieu aus Zytokinen, die ihrerseits die Switchfaktoren aktivieren

16 Isotypswitch Schwere Kette J H 1-6 C µ C d C g 3 C g1 wc e C a1 C g2 C g4 C e C a2 IFN-g IL-4 IL-5 TGF-b = induziert = steigert Synthese = hemmt

17 IgG IgG1 C H 3 Hinge-Region (Gelenk) IgG2 C H 2 C H 1 IgG3 IgG4

18 Isotypswitch Schwere Kette J H 1-6 C µ C d C g 3 C g1 wc e C a1 C g2 C g4 C e C a2 IFN-g IL-5 TGF-b IL-4 = induziert = steigert Synthese = hemmt

19 IgA Polymerisierung mit J-Kette nur in der Schleimhaut (für Transport durch Epithelzellen erforderlich) C H 3 C H 2 C H 1 J-Kette Disulfidbrücken

20 Isotypswitch Schwere Kette J H 1-6 C µ C d C g 3 C g1 wc e C a1 C g2 C g4 C e C a2 IFN-g IL-5 TGF-b IL-4 = induziert = steigert Synthese = hemmt

21 IgE Mastzelle, Basophile Zelle C H 4 C H 3 C H 2 C H 1 Hinge-Region (Gelenk)

22 Verteilung von Antikörpern Verteilung IgM IgG1 IgG2 IgG3 IgG4 IgA IgE Transport durch Epithel Transport durch Placenta Diffusion in extravaskuläre Bereiche +/ Serumspiegel (mg/ml) 1, ,5 2,1 3x10-5

23 Neutralisation: Antigen wird vom Antikörper abgefangen, z.b. als Toxin an der Bindung zu einem entsprechenden Rezeptor gehindert und schließlich entfernt (Phagozytose und Abbau) Opsonierung: Zumeist größerer Antigene wird von Antikörpern eingehüllt. So wird durch Antikörperrezeptoren vermittelte Phagozytose (z.b. Makrophagen) verstärkt. Sensibilisierung für tödliche Angriffe von NK-Zellen: Antikörper (IgG) binden an Antigene und an NK-Zellen, NK-Zellen setzen tödliche Granula frei

24 Sensibilisierung von Mastzellen: IgE Antikörper binden über den hochaffinen IgE-Rezeptor an Mastzellen. Antigen kann Mastzellen aktivieren, die ihrerseits Granula freisetzen und eine Abwehrreaktion auslösen. Aktivierung von Komplement: Antikörper (zumeist IgM) binden Antigen und gleichzeitig Komplement im Serum. Das Komplement löst eine Kaskade von verschiedenen Abwehrreaktionen aus.

25 Effektorfunktionen der Antikörper Funktion IgM IgG1 IgG2 IgG3 IgG4 IgA IgE Neutralisierung Opsonierung Sensibilisierung für tödliche Angriffe von NK-Zellen Sensibilisierung von Mastzellen Aktivierung des Komplementsystems

26 Opsonierung: Zumeist größerer Antigene wird von Antikörpern eingehüllt. So wird durch Antikörperrezeptoren vermittelte Phagozytose (z.b. Makrophagen) verstärkt. Rezeptor vermittelte Aktivitäten Sensibilisierung für tödliche Angriffe von NK-Zellen: Antikörper (IgG) binden an Antigene und an NK-Zellen, NK-Zellen setzen tödliche Granula frei

27 Rezeptoren der Antikörper Rezeptor Struktur Fcg-RI (CD64) a Fcg-RII-A (CD32) a Fcg-RII-B2 Fcg-RII-B1 Fcg-RIII (CD16) a a Fce-RI b g g g g Bindung Reihenfolge der Affinität IgG 10 8 M -1 IgG1 IgG3=IgG4 IgG2 IgG 2x10 6 M -1 IgG1 IgG3=IgG4 IgG2 IgG 2x10 6 M -1 IgG1 IgG3=IgG4 IgG2 IgG 2x10 6 M -1 IgG1 IgG3=IgG4 IgG2 IgG 5x10 5 M -1 IgG1=IgG3 IgE M -1 Zelltyp Monozyten Makrophagen Neutrophile Eosinophile Makrophagen Neutrophile Eosinophile Blutplättchen Makrophagen Neutrophile Eosinophile Basophile Blutplättchen Langerhanszellen B-Zellen Basophile NK-Zellen Monozyten Makrophagen Neutrophile Eosinophile Langerhanszellen Mastzellen Eosinophile Basophile Auswirkung der Bindung Aufnahme Aufnahme Freisetzung Von Granula (Eosinopile) Aufnahme Freisetzung Von Granula (Eosinopile) Unterdrückung der Stimulation, keine Aufnahme Induktion des Tötens (NK-Zellen) Freisetzung von Granula

28 Affinitärreifung

29 B Zellen benötigen VIER SIGNALE um aktiviert zu werden CD40 IL-4 CD40L Aktivierte T Zelle

30 B Zell Differenzierung Keimzentrum Memory B Zelle Langlebig Entdifferenzierte Plasma Zelle Knochenmark Langlebige PZ Hochaffine Plasma Zelle

31 Struktur eines Lymphknoten Keimzentrum T Zone Follikel Medulla

32 Antigen-spezifische Interaktionen im Lymphknoten Dendritische Zelle naïve T Zelle B Zelle FOLLIKEL T T T ZONE Dendritische Zelle Aktivierte T Zelle Plasma Zellen MEDULLA Plasmablasten Keimzentrum Hypermutation Affinitätsreifung

33 Somatische Hypermutation (Affinitätsreifung) Antigenbindungsstelle complementary determining regions (CDRs) CDR1 CDR3 CDR3 Antikörper 1 Antikörper 2 Antikörper 3 AS AS AS

34 Ig V-Gen- Hypermutation and Selektion in Keimzentren Nicht Selektion Apoptose Zentrozyten Zentroblasten Helle Zone T FOLLIKEL MANTEL ZZ T ZB ZZ T ZZ FDC + Antigen ZZ ZB Ig-V-Gen- Hypermutation ZB Dunkle Zone T ZZ PZ T mb Selektion Differenzierung

35 Der besondere Fall der FDCs im Keimzentrum

36 Struktur eines Lymphknoten Keimzentrum T Zone Follikel Medulla

37 Das weitere Schicksal der reifen naiven B-Zelle? Im Follikel befinden sich die Folikulär dendritischen Zellen (FDC). Einige der B-Zellen werden zu den FDCs gelockt und bilden dort ein Keimzentrum.

38 Folikulär dendritische Zelle FDCs sind keine dendritischen Zellen (tragen keine MHC- Moleküle, stimulieren also keine T-Zellen) Sie bilden ein Netz in den Primärfollikeln. Sie binden Immunkomplexen aus Antikörpern und Antigenen über Fc-Rezeptoren. Sie locken B-Zellen durch Freisetzung des Chemoattrackents BLC (B-Zell-Chemokine) in die Keimzentren. Zu dieser Zeit findet die somatische Hypermutation statt. Die im Keimzentrum in Affinität gereiften B-Zellen versuchen die löslichen Antikörper aus den Immunkomplexen herauszudrängen. Wenn es gelingt, erhalten Sie weiter Antigenstimulation als Überlebenssignal. Jetzt bilden sich Plasma- und Memoryzellen, die vermutlich sehr lange leben.

39 Fc-Rezeptor Zentrozyt

40 Fc-Rezeptor Hohe Affinität