4. Vorlesung Immunologie. Nur zum persönlichen Gebrauch

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1 4. Vorlesung Immunologie Nur zum persönlichen Gebrauch

2 4. Vorlesung Immunologie Einführung - Angeborene und erworbene Immunität Zellen und Organe des Immunsystems Reifung der Lymphozyten - Apoptose Antikörper (Ak) - Entstehung der Ak-Variabilität Herstellung und Nutzung von Antikörpern T-Zell-Rezeptoren (TcR) und T-Zellen MHC (major histocompatibility complex) -Moleküle Regulationsmechanismen (Vermeidung von Reaktionen gegen "Selbst") Phylogenese der spezifischen Immunmechanismen

3 Zusammenfassung: Immunologie I; 3. Vorlesung (1/2) 1. Die Träger der erworbenen Immunität sind die B- und TLymphozyten sowie die mit ihnen assozierten spezifischen Erkennungsmoleküle (von B-Lymphozyten sezernierte Antikörper und zellständige T-Zell-Rezeptoren, TcR). 2. Lymphozyten und Antikörper arbeiten bei der Abwehr mit verschiedenen Zellen zusammen, die der angeborenen Immunität zugeordnet werden (Neutrophile, Basophile, Eosinophile, Monozyten, Makrophagen, Mastzellen, Plättchen). 3. Lymphozyten sind in den lymphatischen Organen sowie in den Lymphbahnen und Blutbahnen lokalisiert. 4. Es werden primäre und sekundäre lymphatische Organe unterschieden.

4 Zusammenfassung: Immunologie I; 3. Vorlesung (2/2) 5. Primäre lymphatische Organe sind bei Säugern der Thymus und das Knochenmark (bei Vögeln Thymus und Bursa fabricii). 6. In den primären lymphatischen Organen erfolgt die Reifung der T- bzw. B-Lymphozyten. 7. Während der Reifung erhalten die Lymphozyten ihre spezifischen Rezeptoren durch einen Zufallsprozeß. 8. Danach erfolgt die Eliminierung derjenigen Lymphozyten, die gegen körpereigene Antigene reagieren ("Lernprozeß" des Immunsystems). 9. Solche Lymphozyten sterben durch Apoptose.

5 2. Vermeidung" von Reaktionen gegen "selbst" (eine Art Selbsterkennen ) 2.1. Schutzmechanismen a) Schutzmoleküle an Zelloberflächen (z.b. CD59 -Protectin), um Komplementaktivierung zu verhindern 2.2. Erkennung von "selbst, um Reaktionen gegen "selbst" zu verhindern a) Erkennung von MHC-Molekülen durch NK cells (KIR) b) Erkennung von CD47 durch Makrophagen (SIRPα) 2.3. Toleranz und Regulationsmechanismen a) Elimininierung von selbst-reaktiven B- und TLymphozyten in den primären lymphatischen Organen ( Lernprozess ) b) Regulation der Aktivität der B- und T-Lymphozyten

6 Was ist Apoptose? engl. apoptosis Programmierter Zelltod (programmed cell death) ist programmierter zellulärer Selbstmord (suicide) Regulation der Zellzahl im Organismus: Kontrolle der Zellproliferation und Kontrolle des Zellüberlebens (Zellen teilen sich nur, wenn mehr Zellen erforderlich sind, und überleben nur, wenn sie weiter gebraucht werden)

7 essential cellular process: vital in normal organism growth and development disfunction can lead to disease, eg. cancer complex process: triggered via extracellular and intracellular signals mediated by caspases highly regulated at multiple levels

8 Programmierter Zelltod Eliminierung normaler Zelltypen (täglich sterben z.b. Milliarden von Neutrophilen), Eliminierung autoreaktiver Immunzellen, Eliminierung von Zellen in bestimmten Stadien der Embryonalentwicklung und Differenzierung Regulierende Gene des programmierten Zelltods sind hochkonserviert in der Evolution: bcl-2 in Säugern ist homolog dem ced-9 im Nematoden Caenorhabditis elegans. Zu wenig Zelltod gefährdet den Organismus - Überexpression von bcl-2 (z.b. durch Mutationen) kann zu Krebs führen

9 Quelle:

10 Lebensdauer der meisten Zelltypen begrenzt, Zellen unterliegen einem Ersatz (Turnover) wie molekulare Bausteine verschieden für unterschiedliche Zelltypen einige weiße Blutzellen - wenige Tage, Erythrozyten - drei Monate, Pankreaszellen - 1 Jahr, quergestreifte Muskelzellen, Augenlinsenzellen und Nervenzellen - so lange wie der Organismus.

11 Fig.2.21 Ultrastructure of the plasma cell. The plasma cell is characterized by parallel arrays of rough endoplasmic reticulum (E). In mature cells, these cisternae become dilated with immunoglobulins. Mitochondria (M) are also seen. x Fig.2.23 Plasma cell death by apoptosis. Plasma cells are shortlived and die by apoptosis (cell suicide). Note the nuclear chromatin changes, which are characteristic for apoptosis. x Adapted fram D Zucker-Franklin, Greaves MF, Grossi CE, et al. Atlas of Blood Cells: Function and Pathology. Vol II. 2nd edn. Milan:EE Ermes, Philadelphia:Lea and Febiger, Roitt, Brostoff, Male: Immunology 5th ed. Mosby 1998

12 Charakteristische morphologische Änderungen im Verlaufe des programmierten Zelltods: Zellen und Kerne schrumpfen, kondensieren und fragmentieren (keine Freisetzung zellulärer Komponenten in den extrazellulären Raum), Abbau der DNA durch spez. Endonuklease (Entstehung von Bruchstücken von ca. 180 bzw. n x 180 Basenpaaren)

13 Veränderung der Zelloberfläche, dadurch Erkennung durch Makrophagen möglich - abhängig vom Zell- und Gewebetyp (z.b. Zucker-Lektin-Bindung, Integrin-Matrixprotein-Bindung, Erkennung von Phosphatidylserin) Phagozytose und Verdauung durch Makrophagen (und Nachbarzellen) Wiederverwendung der Bausteine, keine Induktion von Entzündungsreaktionen

14 Figure 4 The phagocyte recognition array in the mammalian clearance of apoptotic cells. Inhibitor studies in assays of the ingestion of apoptotic cells in vitro by phagocytes have revealed a variety of candidate molecules, many of which have incompletely understood roles or uncharacterized binding partners, as discussed in the text. A repertoire of eat me signals (top) interact with receptors on the phagocyte (bottom), either directly or via serum-derived bridging molecules (middle). LDL, lowdensity lipoprotein; SRA, class A scavenger receptor; TSP, thrombospondin. Savill & Fadok: Corpse clearance defines the meaning of cell death Nature 407 (2000)

15 Image: Molecular Cell Biology, Ed 4, Lodish et al.,

16 Figure 1. Healthy and apoptotic chinese hamster ovary (CHO) cells stained with acridine orange and ethidium bromide. The top photograph shows a healthy CHO cell, which is represented here as morphologically spherical with its cell membrane intact. The bottom photograph shows a CHO cell undergoing apoptosis after exposure to stress, in which the membrane is no longer intact but shedding apoptotic bodies. The process by which membrane fragments shed from the cell body is referred to as blebbing. aus: N.Arden & M.J.Betenbaugh: Life and death in mammalian cell culture: Trends in Biotechnology 22 (2004)

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18 Figure 3 Signalling pathways induced by CD95. CD95 signalling pathway (including DISC formation) used in type I and type II cells (see text). TPA, 12- tetradecanoylphorbol13-acetate; PKC, protein kinase C; MAPK, mitogen-activated protein kinase; CASP, caspase; AIF, apoptosis-initiating factor; CAP3, cytotoxicity-dependent Apo-1-associated protein 3. aus: P.H.Krammer CD95's deadly mission in the immune system. Nature 407 (2000)

19 Box 1 Apoptotic cell-corpse clearance G.Lettre and M.O.Hengartner: Developmental apoptosis in C. elegans: a complex CEDnario. Nat.Rev.Mol.Cell Biol.7 (2006)

20 Ersatz eliminierter Zellen Vermehrung entsprechender vorhandener Zellen selbst, wenn nach Differenzierung Teilungsfähigkeit erhalten bleibt Endothelzellen, Leberzellen Neudifferenzierung aus unipotenten oder pluripotenten Stammzellen, wenn differenzierte Zellen nicht mehr teilbar sind - Epidermiszellen, Dünndarmzellen, Blutzellen

21 Fig Thymic cell apoptosis. (1) Fetal thymic lobes in culture were treated with anti-cd3 antibodies - this simulates activation via the TCR and therefore triggers programmed cell death (apoptosis). This electron micrograph shows the heavy condensation of nuclear chromatin in apoptotic nuclei (A) compared with the dispersed chromatin of normal cells (N). (Courtesy of Dr C. Smith.) (2) Analysis of the DNA from apoptotic cells by agarose gel electrophoresis shows the characteristically ordered, ladder-like pattern created by bands of digested DNA fragments. Roitt, Brostoff, Male: Immunology 5th ed. Mosby 1998

22 TdT - terminal deoxynucleotidyltransferase TUNEL = Terminal transferase dutp nick end labeling

23 Fig Developing T cells that undergo apoptosis are ingested by macrophages in the thymic cortex

24 Zellen, die auf Grund eines Unfalls (akute Verletzungen) sterben, schwellen an und platzen - zelluläre Nekrose Zellinhalt wird in den extrazellulären Raum freigesetzt, Phagozytose nekrotischer Zellen durch Makrophagen - Sekretion Entzündungs-induzierender Signale und damit Induktion einer Entzündung

25 Image: Molecular Biology of the Cell, Ed 4, Fig 17-37

26 APOPTOSIS (programmed cell death) - controlled and orderly form of suicide - cells shrink and do not burst - condense their contents with often become fragmented into compact membrane-enclosed apoptotic bodies - are engulfed by macrophages, and thus removed without causing an inflammatory response NECROSIS (death from acute injury, eg. heat) - disorderly mode of cell death - cells swell and burst - organelles swell - cell contents released. Can cause potentially damaging inflammatory response

27 Lymphozytenpopulationen B-Zellen produzieren Antikörper LGL T-Lymphozyten B-Lymphozyten TH1-Zellen aktivieren Makrophagen TH2-Zellen aktivieren B-Zellen TC-Zellen TR/S-Zellen töten Virusregulieren andere infizierte Zellen Immunzellen erkennen fremde Antigene; Rezeptoren sind durch somatisch rekombinierte Gene kodiert NK-Zellen töten Zellen, die eigene MHC-Moleküle verloren haben Erkennen SelbstAntigene; Rezeptoren werden durch Keimbahngene kodiert

28 Fig Cytotoxic CD8 T cells can induce apoptosis in target cells.

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30 aus: P.H.Krammer: CD95's deadly mission in the immune system. Nature 407 (2000)

31 Figure 2 Cytotoxic T lymphocytes (CTLs) can kill target cells by the CD95 (yellow)/cd95l (red) system (left) or by the perforin/granzyme B (GrB) system (right). CD95 signalling involves a caspase cascade (see text). The entry of GrB into target cells and its release involve perforin. GrB cleaves and activates caspases in the target cell. The target cell dies by apoptosis through either a CD95 or a GrB signalling event. aus: P.H.Krammer: CD95's deadly mission in the immune system. Nature 407 (2000)