ZELLULÄRE AKTIVIERUNG UND EFFEKTORMOLEKÜLE Vorlesung 4

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1 Vorlesung Immunologie 6. Semester Humanmedizin 1/12 Vorlesung 4 Stimulation von T- 1. Triggerung Korezeptoren CD4 und CD8 CD4 besitzt Affinität für MHC II Moleküle. Daher erkennt der T-Zellrezeptor von CD4+-T- Peptid/MHC Klasse II Epitope. CD8 besitzt Affinität für MHC I Moleküle. Daher erkennt der T-Zellrezeptor von CD8+-T- Peptid/MHC Klasse I Epitope. Durch die physische Assoziation von CD4 mit MHC II - und CD8 mit MHC I - Molekülen gelangt eine Tyrosinkinase (p56lck) in unmittelbare Nähe des T- Zellrezeptor-komplexes (Klammereffekt) und phosphoryliert CD3-Polypeptide (z.b. CD3 zeta). Dies verstärkt das Aktivierungs-Signal für die Zelle beträchtlich. Akzessorische Moleküle T- exprimieren außer den Korezeptoren CD4 und CD8 weitere Membranmoleküle wie CD2, LFA 1, CD 28 und CD45, die Hilfsfunktionen bei der Zell-Triggerung übernehmen. Sie unterscheiden sich teilweise erheblich in den Bindungskonstanten. Kopplung an intrazellulär Signalwege Verschiedenen Tyrosinkinasen (p56 lck, p59fyn, ZAP70 ) phosphorylieren in der Initialphase der T-Zellaktivierung CD3 Polypeptide und Adaptermoleküle (LAT), sowie weitere intrazelluläre Substrate. Phosphorylierung aktiviert auch die Phospholipase C, die Phosphatidylinositolbiphosphat (PIP2) in Diacylglycerol (DG) und Inositoltrisphosphat (IP3) zerlegt. DG stimuliert die Proteinkinase C (PKC), IP3 führt zur Freisetzung von intrazellulärem Ca. Durch den anschließenden Einstrom von intrazellulärem Ca werden viele Caabhängige Enzyme stimuliert. Es kommt zur Translokation von Transkriptionsfaktoren in den Zellkern und die Transkription von Zytokin-Genen (z.b. Il-2) beginnt. 2. Zwei-Signal-Modell Prinzip der Stimulation T- erhalten das erste Signal zur Aktivierung über den TCR und exprimieren daraufhin den IL-2R. Das zweite Signal löst IL-2 Sekretion und die vollständige Aktivierung aus und wird durch Kontakt mit Zelloberflächenmolekülen und/oder bestimmten Zytokinen gegeben.

2 Vorlesung Immunologie 6. Semester Humanmedizin 2/12 Beachte: Die gleiche Antigen-präsentierende Zelle, die das 1.Signal gibt, vermittelt meist durch Zell-Zellinteraktionen und Zytokinsekretion auch das 2. Signal. Man kann jedoch Antigen-präsentierende Zelle (Signal 1) und akzessorische Zelle (Signal 2) nicht nur begrifflich, sondern auch experimentell trennen. Prinzip der Anergie-Induktion Wird das 1. Signal (TCR-Stimulation) ohne 2. Signal gegeben, so entsteht klonale Anergie (Reaktionslosigkeit), dies kann bis zum Zelltod führen (klonale Deletion). Der geregelte Zelltod wird im Gegensatz zur Nekrose als Apoptose bezeichnet. Die klonale Anergie kommt einer vorübergehenden Abschaltung der Zelle gleich, die jedoch erhalten bleibt und prinzipiell wieder aufgeweckt werden kann.darüber hinaus kann auch eine generelle Abschaltung und Zerstörung der Zelle durch Apoptose erfolgen. 3. Deaktivierung Apoptose und Nekrose Darüber hinaus kann auch eine generelle Abschaltung und Zerstörung der Zelle durch Apoptose erfolgen. Apoptose ist im Gegensatz zur Nekrose ein geregelter Zelltod, Mechanismus der Apoptose Im Verlauf der Apoptose werden Endonukleasen aktiviert, die DNA fragmentieren (internes Selbstmordprogramm). Apoptose kann über Zelloberflächenmoleküle angeschaltet werden (APO-1, Fas- Genprodukt). Histologisch ist Apoptose an Chromatinverklumpungen erkennbar. Im Agarosegel können in DNA-Präparationen apoptotischer kleine Bruckstücke nachgewiesen werden. Apoptotische sind auch an Markermolekülen (z.b. Annexin 5) erkennbar 4. Polyklonale Aktivatoren Polyklonale Aktivatoren stimulieren sehr viele oder gar alle Lymphozyten direkt oder über gemeinsame Epitope am T-Zell-Rezeptor (Superantigene). Es gibt exogene und endogene Superantigen.

3 Vorlesung Immunologie 6. Semester Humanmedizin 3/12 5. Steuerung durch APC Antigenaufnahme MHC Klasse II- Expression Kostimulatorische Aktivität T-Zellaktivierung Dendritische Zelle Endozytose Phagozytose (durch Langerhans- ) konstitutiv (+++) konstitutiv B7 (+++) naive T- Effektor-T- Gedächtnis-T- Makrophage B-Lymphozyt ruhend aktiv ruhend aktiv Phagozytose Phagozytose Rezeptormediierte Endozytose induzierbar (-) induzierbar B7 (-) induzierbar (++) induzierbar B7 (++) (-) Effektor-T- Gedächtnis- konstitutiv (++) induzierbar B7 (-) Effektor-T- Gedächtnis-T- Rezeptormediierte Endozytose konstitutiv (+++) induzierbar B7 (++) Naive T- Effektor-T- Gedächtnis-T- Stimulation von B- 1. T-B-Kooperation (TD) Mechanismus Auch die B-Zelle benötigt für ihre komplette Aktivierung ein zweites Signal, das durch Kontakt (CD 40/CD40L) und Zytokine (z.b.il-4) geliefert wird. Mitogene (Mitosen auslösend) sind polyklonale Aktivatoren ohne nähere Definition der beteiligten Rezeptoren. TD (1) T-Zell (Thymus)-abhängige Antigene benötigen CD4+ -T-Helferzellen für die Aktivierung. TI 2-1 T-Zell (Thymus)-unabhängige Antigene vom Typ 1 sind polyklonale Aktivatoren wie z.b. LPS, die keine T-Zellhilfe für die Aktivierung von B- benötigen. In geringer Konzentration können sie als TD-Antigene wirken. TI-2 T-Zell (Thymus)-unabhängige Antigene vom Typ 2 sind oligoklonale (CD5+ -B-) Aktivatoren mit repetitiven Determinanten, wie z.b. bakteriellen Polysacchariden. 1 TD = Thymus (T) depended 2 TI = Thymus (T) independent

4 Vorlesung Immunologie 6. Semester Humanmedizin 4/12 2. T-unabhängige (TI) Stimulation TD - Antigen TI - 1- Antigen TI Antigen Antikörperproduktion ja ja ja bei normalen Tieren Antikörperproduktion nein ja ja bei Tieren ohne T- aktiviert T- ja nein nein Bewirkt polyklonale nein ja nein B-Zell-Aktivierung benötigt repetitive nein nein ja Epitope Beispiel für Antigene Diphtherietoxin virales Hämagglutinin TD = Thymus (T) depended, TI = Thymus (T) independent Bakterielle Lipopolysaccharide Brucella abortus Pneumokokkenpolysaccharid Polymerisiertes Salmonellenflagellin Zelluläre Rezeptorsysteme 1. Übersicht zu Rezeptorfamilien Antigenrezeptoren und Korezeptoren Kostimulatorische Moleküle bei Antigenerkennung Adhäsionsmoleküle Ig-ähnliche Integrine Selektine B, T Spezifische Antigenerkennung B, T, APC Kontolle und Unterstützung der Antigenerkenung hämatopoiet., APC Adhäsion, Homing M, DC Stabilisierung von Zelladhäsion T, End Zellselektion am Endothel Fc-Rezeptoren (FcR) hämatopoiet. Bindung Fc-Teile von Ig Einleitung vieler MPS-Fkt. Komplement-Rezeptoren (CR) verbreitet Signalübermittlung nach Bindung von C-Komponenten C-Typ Lektine M,DC Erkennung mikrobieller Kohlenhydrate TOLL-ähnliche R (TLR) M,DC Erkenung mikrobieller Strukturen Zytokinrezeptoren verbreitet Signalübertragung B = B-Zelle, T = T-Zelle, APC = Antigen-präsentierende, M = Makrophagen, Monozyten, DC = Dendritische, End = Endothelzellen

5 Vorlesung Immunologie 6. Semester Humanmedizin 5/12 2. Adhäsionsmoleküle Strukturen Selektine: Zellselektion am Endothel Integrine: Stabilisierung von Zelladhäsion Ig-Superfamilie: Adhäsion, Homing ICAM = intracellular adhesion molecule PECAM = platelet/endothelial adhesion molecule VCAM = vascular adhesion molecule Funktion bei Endotheltransmigration Die Transmigration von Leukozyten durch Endothel folgt einem Ablauf bei dem zunächst lockere Bindungen über Selektine zustande kommen (Die hüpfen ). Es folgen stabilere Bindungen über Integrine (Die rollen ) und dann die dauerhafte Anheftung mit Durchtritt ins Gewebe. 3. Fc- und Komplement-Rezeptoren Fc-Rezeptoren binden den konstanten Teil (Fc-Teil) der schweren Ketten von Immunglobulinen, sofern diese als Immunkomplexe oder aggregiertes IgG vorliegen. Dadurch werden wichtige Zell-Funktionen eingeleitet bzw. unterstützt. Fc-Rezeptoren (FcR) / Funktionen Vernichtung von Pathogenen - Aktivierung von Phagozyten - Einleitung der Phagozytose - Antikörper-vermittelte zelluläre Zytotoxität (ADCC) Aktivierung von NK-. Diese exprimieren den FCγRIII (CD 16) und erkennen damit Antikörper (IgG1, IgG3)-beladene Zielzellen, die sie durch ähnliche Mechnismen wie T-Killerzellen eliminieren. Mastzellaktivierung durch IgE-Bindung Mastzellen tragen den FcεRI und binden damit freies monomeres IgE. Wird dieses gebundene IgE auf der Mastzelloberfläche durch Antigenbindung aggregiert, erfolgt die Freisetzung vasoaktiver Amine (Leukozytenaktivierung, stärkere Darmbewegung, erhöhte bronchiale Schleimsekretion, bessere Durchblutung) Gefahr: allergische Reaktionen.

6 Vorlesung Immunologie 6. Semester Humanmedizin 6/12 Strukturen Für verschiedene Isotypen existieren unterschiedliche Fc-Rezeptoren, die meist der Ig-Familie angehören. Rezeptor FcεRI FcγRI (CD64) FcγRII (CD32) FcγRIII (CD16) wichtige Degranulation Phagozytose Phagozytose ADCC Funtion Mastzellen Basophile Affinität hoch hoch mittel mittel Antikörper-abhängige zelluläre Zytotoxizität (ADCC) Über Fc-Rezeptoren und Antikörper- Zwischenschaltung eingeleitete Zytolyse, hauptsächlich durch NK- Natürliche Killerzellen (NK) sind große, granuläre Lymphozyten ohne charakteristische B - oder T-Zellmarker. Sie können einige Tumorzellen und virusinfizierte töten und sind Effektorzellen der antibody-dependent cellular cytotoxicity (ADCC). Früher wurden sie auch als K- bezeichnet. 4. C-Typ Lektine C-Typ Lektine besitzen eine oder mehrere Domänen, die an Carbohydrate in der mikrobiellen Hülle binden. DC-SIGN dendritic cell specific ICAM-3 grabbing non integrin KAR killing activatory receptor KIR killing inhibitory receptor CRD carbohydrate recognition domain 5. Toll-like Rezeptoren (TLR) Makrophagen und DC erkennen Mikroben in Blut und Gewebe durch Oberflächenrezeptoren, die bestimmte Strukturmuster ( pattern recognition ) aufweisen und als Toll like (TLR) Rezeptoren bezeichnet werden (TOLL Gen wurde zuerst bei Fruchtfliegen entdeckt). Z.B. erkennt TLR2 bakterielles Lipoglycan und TLR4 bakterielles Lipopolysaccharid (LPS). LPS wird durch einen Proteinkomplex, der aus CD14 und TLR4 besteht, an die Zellmembran von Makrophagen gebunden, so dass Phagozytose eingeleitet werden kann. Zytokine 1. Grundlagen Funktionen und Begriffe Zytokine sind lösliche Proteine, die in geringsten Konzentrationen bereits hochaktiv wirken. Als Gewebshormone übermitteln sie vorwiegend lokal begrenzte Signale zwischen und regulieren auf diese Weise Immunreaktionen und Entzündungsprozesse.

7 Vorlesung Immunologie 6. Semester Humanmedizin 7/12 Einige Zytokine können von verschiedenen Zelltypen produziert werden und entsprechend der Verteilung ihre Zytokinrezeptoren auch auf unterschiedliche Zelltypen einwirken. Zytokine können auf die produzierende Zelle zurückwirken (autokrin) oder auf benachbarte (parakrin) oder unter Umständen systemisch auf in weiter Entfernung (endokrin). Lymphokine Interleukine (IL) Monokine Interferone (IFN) Colony-stimulating factors (CSFs) von Lymphozyten sezernierte Zytokine Zytokine, die vorwiegend Signalüberträger zwischen Leukozyten bewirken von Monozyten/Makrophagen sezernierte Zytokine Zytokine, die Resistenz gegen Virusbefall vermitteln (und weitere Funktionen im Immunsystem haben) Zytokine, die Koloniebildungen (Wachstum) und Differenzierung von hämatopoietischen Stammzellen bewirken Einteilung Einteilung nach der Struktur Typ-I-Zytokine 4α-Helices, IL-2,4,6,7,12,15,GM-CSF, G-CSF,SCF, Typ-II-Zytokine 6α-Helices, IL-10 Familie, Interferone IL-8 Familie IL-8 und andere IL-1 Familie IL-1α, β TNFα Familie TNFα, LTα, β TGF-Familie TGFβ CD4-Targetfamilie IL-14,16,17,25 Funktionelle Einteilung Pro-inflammatorische Zytokine Zytokine mit anti-viraler Aktivität T-Zell-Zytokine Zytokine für angeborene Immunität IL-1,6,8,17, TNFα IFN α, β, γ, IL-28,29 IL-2,4,5, IFNγ,TGFβ IL-1,6,8,10,12,15,18, TNFα, IFNα, β, γ, Chemokine Die Unterscheidung der funktionell wichtigen Zytokine von Helfer-T- (Th) hat zur Identifizierung von zwei Th-Zell-Subtypen geführt, nämlich Th1 und Th2. 2. Wichtige Th-Zell-Zytokine Th1-Zytokine Interleukin 2 (IL-2) T : wichtigster autokriner und parakriner Wachstumsfaktor NK : Aktivierung, Proliferation B-: Aktivierung, Proliferation

8 Vorlesung Immunologie 6. Semester Humanmedizin 8/12 Interferon γ (IFN γ) Mo/Ma: Aktivierung MHC Klasse I und II- Moleküle Membranexpression verstärkt schwach antiviral und antiproliferativ IFN γ wird auch als Typ II Interferon bezeichnet. Die Typ I-Interferone IFNα und IFNβ werden von viral-infizierten gebildet und wirken in benachbarten antiviral, sie verstärken das zytolytische Potential von NK- Th2-Zytokine Interleukin 4 (IL- 4) B : Klassenumschaltung zu IgE TH2 : Differenzierung Interleukin 5 (IL- 5) Eosinophile: Aktivierung, Proliferation 3. Monokine Interleukin (IL-1) Endothel: Aktivierung, Entzündung Hypothalamus: Fieber, endogenes Pyrogen Leber: Akut-Phase-Proteine T : Kostimulation Interleukin (IL- 6) Leber: Akut-Phase-Proteine T-: Kostimulaton, B-: Proliferation, Antikörperbildung Tumor-Nekrose-Faktor alpha (TNFα) Endothel: Aktivierung, Entzündung Neutrophile: Aktivierung Hypothalamus: Fieber, endogenes Pyrogen Leber: Akut-Phase-Proteine Muskel,Fett: Katabolismus (Kachexie) T : Kostimulation IL-1, IL-6 und TNFα sind für die Akut-Phase-Reaktionen verantwortlich. Sie sind auch als Kostimulatoren für die T-Zell Aktivierung wirksam.

9 Vorlesung Immunologie 6. Semester Humanmedizin 9/12 4. Kolonie-stimulierende Faktoren (CSFs) (M) Makrophagen CSF (colony stimulating factor) (G) Granulozyten CSF (GM) Granulozyte/Makrophage CSF Interleukin 3 (IL-3) Interleukin 7 (IL-7) (EPO) Erythropoietin 5. Zytokinrezeptoren Rezeptorfamilien Zytokinrezeptoren finden sich auf der Zelloberfläche zumeist nur in sehr geringer Dichte und viele sind mit herkömmlichen diagnostischen Methoden nicht nachweisbar. Sie werden entsprechend ihrer Struktur fünf Familien zugeordnet. Zytokinrezeptorfamilie Immunglobulin-ähnliche - Hämatopoietin - Interferon - NGF (nerve growth factor) - STS / Chemokin - nicht zugeordnet Beispiele IL-1R IL-2R, IL-4R, IL-5R, IL-6R, IL-12R IFNγR, IFNα, β, IL-10R TNFRI, II, Fas, CD40 IL-8R, CCR, CXCR TGFβR Für die Signalverstärkung und übertragung werden mitunter zusätzliche Moleküle (z.b. gp130 für IL-6R) verwendet. Die Mitglieder der Hämatopoietin- Rezeptorfamilie besitzen mehrere Molekülketten. STS = seven transmembrane spanning, CCR = zwei benachbarte Cysteine im aminoterminalen Bereich, CXCR = eine variable Position zwischen den Cyteinen. Strukturprinzipien Besonderes Prinzip beim IL-2-Rezeptor: Der IL-2 Rezeptor ist aus drei Ketten aufgebaut, die zwei Rezeptortypen mit unterschiedlicher Affinität bilden. Die a-kette ist auf ruhenden T- gar nicht exprimiert, kann aber nach Aktivierung auf bis zu Kopien hochgefahren werden. Nach Assoziation der Ketten steigt die Affinität beträchtlich.

10 Vorlesung Immunologie 6. Semester Humanmedizin 10/12 Komplement 1. Grundlagen und Funktion Das Komplementsystem ist ein wichtiger Bestandteil der angeborenen Immunität. Defekte des Systems schwächen die immunologische Abwehr. Klassischer Weg Antigen-Antikörper-Komplexe, die IgM oder IgG enthalten (Immunkomplexe) Alternativer Weg Pathogenoberflächen (Bakterien, Hefen, Parasiten, Pilze) Komplementaktivierung Opsonierung von Pathogenen Zerstörung von Pathogenen Anlocken von (Chemotaxis) Aktivieren von 2. Klassische Aktivierung Antigen-Antikomplexe (Immunkomplexe) oder aggregiertes Immunglobulin binden C1q und leiten die Aktivierung ein. C1q bindet an IgM C1q bindet an mindestens zwei IgG-Moleküle Abfolge: die Bindung C1q an Ig aktiviert C1r, das die Serinprotease C1s schneidet und aktiviert Aktiviertes C1s schneidet C4 in C4a und C4b, das an die mikrobielle Oberfläche C4b bindet dann an C2, das von C1s geschnitten wird C4b, 2b ist eine aktive C3- Konvertase, die C3 in C3b schneidet, das an die mikrobielle Oberfläche bindet Ein Molekül von C4b, 2b kann bis zu 1000 Moleküle von C3 in C3b umwandeln; viele C3b binden an die mikrobielle Oberfläche 3. Alternative Aktivierung Abfolge: C3b von der C3- Konvertase des klassischen Weges auf Mikroben abgelagert C3b bindet Faktor B Der gebundene Faktor B wird von der Plasmaprotease Faktor D in Ba und Bb geschnitten C3b,Bb ist eine C3/C5-Konvertase, die C3-Moleküle in C3 und C3b schneidet

11 Vorlesung Immunologie 6. Semester Humanmedizin 11/12 4. Terminale Porenbildung Als Endphase der Komplementaktivierung fügt sich in der Zellmembran der Zielzelle der sogenannte membrane attack complex (membran-angreifender Komplex) zusammen, der Eine Pore bildet und damit das Eindringen aggressiver Enzyme (z. B. Lysozym) und den Verlust des Protonengradienten bewirkt. C5b bindet C6 und C7 C5b,6,7-Komplexe binden über C7 an die Membran C8 bindet an den Komplex und dringt in die Zellmembran ein C9-Moleküle binden an den Komplex und polymerisieren C9- Moleküle werden zusammengefügt und bilden eine Pore in der Membran 5. Spaltprodukte Freigesetzte Komplement-Spaltprodukte wie C3a, C4a und C5a werden als Anaphylatoxine ( Entzündungsgifte ) bezeichnet. Sie bewirken die Freisetzung hochaktiver Mediatoren (z.b. biogener Amine wie Histamin und Serotonin) aus Körperzellen (z.b. Mastzellen) und die Mobilisierung membranständiger Arachidonsäure z.b. in Neutrophilen ( Prostaglandine, Leukotriene) sowie die Freisetzung von Zytokinen (z.b. IL-1 aus Monozyten). erhöhen die Gefäßpermeabilität und die Kontraktion glatter Muskulatur wirken chemotaktisch aktivieren Phagozyten (z.b. stimuliert C5a die Expression von Komplementrezeptoren, bessere Anheftung von Phagozyten) und sind damit für die proinflammatorischen Effekte des Komplementsystems verantwortlich. C5a ist am wirksamstem und stabilsten. 6. Rezeptoren Rezeptor Ligand Funktionen Zelltypen CR1 C3b, C4b Zellaktivierung, Phagozytose Transport von Immunkomplexen, Mitwirkung bei ADCC CR2 (CD21) CR3 (CD11b/CD18) CR4 (CD11c/CD18) C3d, C3dg, ic3b Epstein-Barr-Virus Teil des B-Zell- Korezeptors, Epstein-Barr-Virus- Rezeptor Erytohozyten, Makrophagen, Monozyten, Granulozyten, B- B- ic3b Phagozytose Makrophagen, Monozyten, Granulozyten ic3b Phagozytose Makrophagen, Monozyten, Granulozyten

12 Vorlesung Immunologie 6. Semester Humanmedizin 12/12 7. Inhibitoren Name (Symbol) Rolle bei der Regulation des klassischen Weges C1-Inhibitor (C1INH) bindet an aktiviertes C1r, C1s und trennt es von C1q * C4-bindendes Protein bindet an C4b und trennt C2b ab; * (C4bP) Cofaktor für C4b-Spaltung durch I Komplementrezeptor 1 an C3b Membranprotein bindet an C4b und trennt C2b ab, * (CR1) oder und trennt Bb ab; Cofaktor für I Faktor H (H) bindet C3b und trennt Bb ab; Cofaktor für I * Faktor I (I) Serinprotease, die C3b schneidet, unterstützt von H, MCP oder CR1 decay-accelerating Membranprotein, das Bb von C3b entfernt und C2b von * factor (DAF) C4b Membran-Cofaktor- Protein (MCP) Membranprotein, das die C3b- und C4b-Inaktivierung durch I unterstützt CD59 Membranprotein, verhindert die Bildung von membrane * attack complex C1 INH-Mangel = erbliches angioneurotisches Ödem DAF- und CD59-Mangel = paroxymale nächtliche Hämoglobinurie * bitte merken 8. Funktionen (siehe auch Übersicht bei Grundlagen) Opsonierung Durch die Anlagerung von C3b (CR1) und Antikörpern (FcR) werden Pathogene schmackhafter für Phagozyten. Bei der Komplementaktivierung entstehen weitere aktive Fragmente mit gleicher Wirkung. Zellzerstörung Pathogene (Bakterien, Hefen) aber auch körpereigene (bei bestimmten Krankheiten) und fremde Erythrozyten sowie mit bestimmten Einschränkungen kernhaltiger werden durch Porenbildung zerstört. Chemotaxis Im Zuge der Komplementaktivierung entstehen hochaktive Peptiden (C5a > C3a > C4a), die Granulozyten und Makrophagen anlocken (Entzündung). Zellaktivierung Die löslichen Peptide C5a>C3a>C4a (Anaphylatoxine) aber auch membranfixierte Komplementkomponenten (C3b, C4b) stimulieren auf verschiedene Weise Entzündungsmechanismen: - Entzündungsmediatoren werden abgegeben - Gefäßpermeabilität wird erhöht - Kontraktion glatter Muskulatur Zellaktivierung ( respiratory burst ) - Phagozytose stimuliert - ADCC wird gefördert