T-Zellen, T-Zell Rezeptor und MHC

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1 Seminar Modellstudiengang (Blut und Immunologie) Donnerstag10. November :15-9:45 / 10:15-11:45 T-Zellen und APZ (Antigen präsentierende Zellen) Albrecht Bufe T-Zellen, T-Zell Rezeptor und MHC 1

2 T und B Zellen zirkulieren unablässig durch sekundäre lymphatische Organe T Zelle T Zellen finden Antigen auf Dendritschen Zellen Immunologische Synapse Aktiviert T Zelle 2

3 T-Zellrezeptor Ähnelt einem membranassoziierten Immunglobulin-Fab-Fragment a-kette b-kette Variable Region Kohlenhydrat Konstante Region Zellmembran Disulfidbrücke Zytoplasmatischer Schwanz Genomische Organisation des T-Zellrezeptors L b 1 V b 1 L b V b -52 D b1 J b1 6 C b1 D b2 J b2 7 C b2 b-kette a-kette L a 1 V a 1 L a V a J a 1-61 C a 3

4 Immunglobulin- und T-Zellrezeptorvielfalt Element Immunglobuline a b-rezeptoren H b a V-Segmente ~ 70 D-Segmente ~ D-Segmente, in drei Rastern gelesen selten - oft - J-Segmente Verknüftungen mit N- und P- Nukleotiden 2 (1) 2 1 Anzahl der V-Genpaare Verknüpfungsvielfalt ~ ~ Gesamtvielfalt ~ ~ T-Zellrezeptorkomplex TCR a-kette b-kette CD3 CD3 e d g e Zellmembran Signalübertragung 4

5 T-Zellrezeptorkomplex und T- Zell-Marker: Helfer-Zellen D1 CD4 TCR a-kette b-kette D2 D3 CD3 CD3 e d g e D4 Zellmembran Signalübertragung T-Zellrezeptorkomplex und T- Zell-Marker: Zytotoxische-Zellen TCR a-kette b-kette a b CD8 CD3 CD3 e d g e Zellmembran Signalübertragung 5

6 T-Zellrezeptorkomplex und T- Zell-Marker: Gedächtnis-Zellen TCR a-kette b-kette CD4 D1 D2 CD45 (RA) oder (RO) D3 CD3 CD3 e d g e D4 Zellmembran Signalübertragung Signaltransduktion D1 D2 D3 e d g e D4 Zellmembran Fyn Cluster Lck (Tyrosinkinase) Aktivierung Calcineurin ZAP-70 Transkriptionsfaktor NF- B RAS Aktivierung Zellkern Ca 2+ Aktivierung IP3 (Inositoltriphosphat) 6

7 T-Zell Entwicklung T-Zellentwicklung Haut / Schleimhaut Lymphknoten Thymozyt Knochenmark TCR & CD3 7

8 Knochenmark Antigen-unabhängig Keimbahn T-Zellentwicklung Thymus Dendritische Zellen im Thymus Gen-Umordnung Stammzelle Pro-T-Zelle TCR & CD3 negativer Thymocyt TCR & CD3 positiver Thymocyt Thymus Blutbahn, Lymphknoten, Gewebe Auto-Antigen-abhängig MHC-abhängig Zytokin und DC-abhängig CD3,CD4,CD8-Thymozyt - SELEKTION CD3 + CD4 oder CD8 T-Lymphozyt - SELEKTION Th1 oder Th2 / Tc1 oder Tc2 Aktivierung Selbstantigene MHC I oder II DC und Zytokine T-Zellentwicklung, Genarrangement und Signaling CD44+ CD25- Doppelt negativ Doppelt positiv Einfach positiv CD44+ CD25+ Pre TCR CD3 CD8 CD4 TCR CD8+ D- Jß V- DJß V- Ja CD4+ CD2 C-kit CD44 CD25 CD3 CD4 CD8 CD24 signaling adhesion IL-2 rec. signaling co-rec. unknown 8

9 Thymus Thymozyten Corticoepitheliale Zellen Niedrige Affinität, Überleben, Positive Selektion Cortex MHC I & II Keine oder hohe Affinität, Apoptose, Negative Selektion Niedrige Affinität, Überleben, Positive Selektion Medulla MHC I & II + Autoantigene Hohe Affinität, Apoptose, Negative Selektion Reifer Lymphozyt Dendritische Zellen MHC (Major Histocompatibility Complex) oder HLA (Human Leucocyte Antigen) 9

10 MHC I - T-Zellrezeptorkomplex Zellmembran b2-mikroglobulin a3 MHC I a1 a2 Peptid CD3 TCR CD3 e d g e Zellmembran APZ Intrazelluläres Antigen (Virus) T-Zell-Peptide MHC 1 T-Zelle 10

11 Peptide des MHC MHC I MHC II MHC I - Peptide Peptide werden über unveränderliche und variable Kontaktstellen stabil an die MHC-Moleküle gebunden Teilweise gefaltetes MHC I a Kette bindet an Calnexin bis Figure 5-6 part aus Chaperon- 1 of 2 ß2-Mikroglobulin bindet MHC I a:ß2 Komplex löst sich von Kalnexin, bindet einen Komplex Proteinen (Calreticulin, Erp57) und bindet an TAP via Tapsin. 11

12 Zytosolische Proteine werden von Proteasomen (große Figure multikatalytische 5-6 part 2 of 2 Proteasen) zu Peptidfragmenten degradiert TAP leitet ein Peptid weiter, dass an MHC I bindet und dessen Faltung vervollständigt. Dieses MHC I löst sich von TAP und wird exportiert. MHC II - T-Zellrezeptorkomplex Zellmembran a2 b2 MHC II a1 b1 Peptid CD3 TCR CD3 e d g e Zellmembran 12

13 APZ Extrazelluläres Antigen T-Zell-Peptide MHC 2 T-Zelle Antigen wird in ein intrazelluläres Vesikel aufgenommen In frühen Endosomen mit neutralem ph sind die Proteasen inaktiv. Figure 5-7 part 1 of 2 13

14 Ansäuerung der Vesikeln aktiviert die Proteasen zur Degradierung der Antigene in Peptidfragmente Vesikel mit Peptiden fusionieren mit MHC II enthaltenden Vesikeln. Figure 5-7 part 2 of 2 Invariant chain (Ii) formt einen Komplex mit MHC II, blockiert die Bindung von Peptiden und miss-gefalteten Proteinen. Ii wird in einem sauren Endosom gespalten, lässt kurze Peptid-Fragmente zurück, CLIP, die immer noch an MHC II gebunden sind. Figure 5-10 part 1 of 2 14

15 Das endozytierte Antigen wird im Endosom ebenfalls zu Peptiden fragmentiert, CLIP-Peptide blockieren die Bindung der Antigen-Peptide. HLA-DM bindet an MHC II, dadurch Freisetzung von CLIP. Jetzt können andere Peptide, sprich Antigen- Peptide binden. Transport des MHC II zur Zellmembran. Figure 5-10 part 2 of 2 Peptide an MHC II MHC I 15

16 Verteilung der MHC-Expression Gewebe MHC I MHC II T-Zellen B-Zellen Makrophagen Andere APZ Thymusepithelzellen Neutrophile Alle kernhaltigen Zellen ++ - Erytrozyten - - Antigen Immunisierung Haut / Schleimhaut Dendritische Zelle (APZ) Phagozytose 16

17 Phagozyten Makrophagen (im Gewebe (einkernig)) (Entwicklung) Monozyten (im Blut) langlebig bei Aktivierung werden Cytokine* und andere Mediatoren freigesetzt, die u.a. neutrophile Granulozyten anlocken Neutrophile Granulozyten = PMN=polymorphkernige neutrophile Leukozyten (nur im Blut, nicht im Gewebe) kurzlebig *wichtig für lokale Entzündungsreaktionen und Vermittlung der induzierten, nichtadaptierten Reaktion Monozyten-/ Makrophagen- Systems Alveolarmakrophagen Milzmakrophagen Blutmonozyten Lymphdrüse residente und umlaufende Makrophagen Vorläufer im Knochenmark Osteoklasten Gehirn Mikroglia- Zellen Leber Kupffer- Stern- Zellen Niere Mesangiale Phagozyten Synoviale A-Zellen Pro Tag 100 g Granulozyten (ca Zellen) 17

18 Pluripotente hämatopoetische Stammzelle Aktivierter Makrophage KM Blut Gewebe Myeloide Vorläuferzelle Monozyt Makrophage IFN-g (aus T-Zellen: CD4 und CD8; NK-Zellen) Neutrophile Zelle CSF and G-CSF (aus Fibroblasten, Endothel- und Epithelzellen) M-CSF (aus Fibroblasten, Endothel- und Epithelzellen) Phagozytose 18

19 PAMPs eines bestimmten Bakteriums binden z. B. an den Mannose-Rezeptor. Dies löst eine Phagozytose aus. Mannose-Rezeptor Umhüllung (Engulfment) des Rezeptor- Bakteriumkomplexes 19

20 Bildung eines Phagosomen Lysosom (enthält Lysozym) Entstehen eines Phagolysosomen Lysosom (enthält Lysozym) 20

21 Lysozym verdaut Bakterienwand und die übrigen Anteile der Bakterienzelle durch saure Hydrolyse Intrazellulärer Verdau der Pathogene durch: Ansäuerung ph = 3,5-4, bakteriostatisch und bakterizid Toxische O2-Derivate O 2- (Superoxid), H 2 O 2 (Wasserstoffperoxid), 0 2 (Singletsauerstoff), OH - (Hydroxylradikal), OCl - (Hypohalit) Toxische Stickoxide Antimikrobielle Peptide Enzyme Kompetitoren Stickstoffoxid NO Defensine, kationische Proteine Lysozym - löst Zellwand einiger grampositiver Bakterien auf Saure Hydrolasen zerkleinern Bakterien weiter Laktoferrin bindet Fe, Vitamin-B12-bindendes Protein 21

22 Opsonisierung Antikörper vermittelte Phagozytose 22

23 Antikörper vermittelte Phagozytose Pathogen Associated Molecular Pattern (PAMPs), Pathogen Pattern Receptors (PPRs) 23

24 Zwei Signalmodell Gefahrensignal (z.b. LPS) Antigen APC Naive T-Zelle PPR (pathogen pattern receptors) auf Makrophagen binden bakterielle und virale (Oberflächen)-Moleküle. (PAMPs = pathogen associated molecular pattern) LPS-Rezeptor (CD14) Mannose-Rezeptor Toll-like-Rezeptoren CD11c/CD18 Glykan-Rezeptor scavenger-rezeptor Sialinsäure-Ligand 24

25 Toll-like Rezeptoren (und Signaltransduktion) C-type-lektine auf DCs und LCs 25

26 Eigenschaften der C-type-lektine auf DCs und LCs PAMPs sind: Endotoxin (Lipopolysaccharid = LPS) auf gram-negativen Bakterien Lipoteichonsäure auf gram-positiven Bakterien Peptidoglykan in allen Zellwand tragenden Bakterien Glykopeptan aus Mykobakterien CpG-Nukleotide von bakterieller DNA Doppelsträngige RNA (dsrna) aus Viren 26

27 Architektur der Gram-negativen Zellhülle Lipopolysaccharid [LPS; Endotoxin ] Polysaccharide Surface Layer OmpA OmpF/C FhuA Kapselpolysaccharide [ Enterobacterial Common Antigen Äußere Membran Lipoglycane Phospholipid Lipoprotein Periplasma Peptidoglycan Innere Membran Holst, O. et al. FZ-Borstel (2003) Cytoplasma Phospholipid Proteine Struktur des Respiratorischen Syncytial Virus (RSV) 27

28 LPS LBP CD14 TLR4 LPS LBP CD14 TLR4 28

29 LPS LBP CD14 TLR4 LPS LBP CD14 TLR4 29

30 LPS LBP CD14 TLR4 IL-1 IL-8 TNF-a IL-6 IL-12 Fieber, T-Zell und Makrophagenaktivierung Anlocken von Neutrophilen und T-Zellen Lokale Entzündung, Gefäßerweiterung, Adhäsion von Thrombozyten Akute Phase Proteine, Wachstum B- und T-Zellen Differenzierung T-Zellen; Aktivierung NK-Zellen Komplementsystem 30

31 Antigen Antigenaufnahme Haut / Schleimhaut Dendritische Zelle (APZ) Komplementkaskade klassischer Weg Lektin Weg alternativer Weg Antigen-Antikörper Komplex Lektin bindet Mannose auf der Pathogenoberfläche Pathogenoberfläche C1, C4, C2 MBL-MASP, C4, C2 C3, B, D C3-Konvertase C4a, C3a, C5a C3b Terminale Komplementfaktoren: C5b, C6, C7, C8, C9 Entzündungsvermittelnde Peptide, Anlocken von Phagozyten Bindet an Komplementrezeptoren auf Phagozyten Opsonierung von Pathogenen Entfernung von Immunkomplexen Membranangreifender Komplex (MAK) Lyse bestimmter Phagozyten und Zellen 31

32 klassischer Weg Lektin Weg alternativer Weg Antigen-Antikörper Komplex Lektin bindet Mannose auf der Pathogenoberfläche Pathogenoberfläche C1, C4, C2 MBL-MASP, C4, C2 C3, B, D C3-Konvertase C4a, C3a, C5a C3b Terminale Komplementfaktoren: C5b, C6, C7, C8, C9 Entzündungsvermittelnde Peptide, Anlocken von Phagozyten Bindet an Komplementrezeptoren auf Phagozyten Opsonierung von Pathogenen Entfernung von Immunkomplexen Membranangreifender Komplex (MAK) Lyse bestimmter Phagozyten und Zellen Der Klassische Weg des Komplementsystems C1q C1s 32

33 Der klassische Weg des Komplementsystems C2 C2a C1q C4 C4a C2b C3a C1s C4b C3 C4b C2b C3- Konvertase C3b Der klassische Weg des Komplementsystems C2 C2a C1q C4 C4a C2b C3a C1s C4b C3 C4b C2b C3- Konvertase C3b 33

34 Klassischer Aktivierungsweg C1s spaltet C1s C4 C4a C4b C2 spaltet C4b C2 C2a C4b C2b C3-Konvertase Der alternative Weg des Komplementsystems C3a Faktor B Faktor D C3 C3b Bb, C3b C3- Konvertase C3b 34

35 Alternativer Aktivierungsweg (1) C3 C3 spontan (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 C3 (H 2 O) Alternativer Aktivierungsweg (2) Bb spaltet Faktor D C3a C3 C3b Faktor B spaltet C3b Faktor B Ba C3b Bb C3-Konvertase des alternativen Aktivierungsweges 35

36 36

37 Anaphylatoxine C3a Erhöhung der Gefäßpermeabilität Kontraktion glatter Muskeln C4a Erhöhung der Gefäßpermeabilität Kontraktion glatter Muskeln, Aktivierung von Mastzellen C5a Erhöhung der Gefäßpermeabilität Kontraktion glatter Muskeln, Aktivierung von Mastzellen, Erhöhung der Adhärenz von Monozyten/Makrophagen an Gefäßwände und deren Migration ins Gewebe Rezeptoren des Komplementsystems Rezeptor Spezifität Funktionen Zelltypen CR1 C3b Zerfall von C3b und C4b, stimuliert Phagozytose Erytrocytentransport von Immunkomplexen Erytrocyten, Makrophagen Monocyten Leukozyten B-Zellen FDC CR2 (CD21) C3b, EBV Teil des B-Zell-Korezeptors Rezeptor für EBV CR3 (CD11b/CD18) CR4 (CD11b/CD18) ic3bi ic3bi Stimuliert Phagozytose Stimuliert Phagozytose Cq1 C1q Bindung von Immunkomplexen an Phagozyten B-Zellen FDC Monocyten Makrophagen Leukozyten Monocyten Makrophagen Leukozyten B-Zellen Monocyten Makrophagen Blutplättchen Endothelzellen 37

38 Programmierung der T-Zellen Professionelle Antigen-präsentierende Zellen Dendritische Zelle Makrophage B-Zelle 38

39 Professionelle Antigen-präsentierende Zellen Dendritische Zelle Makrophage B-Zelle Professionelle Antigenpräsentierende Zellen Professionelle Antigen-Präsentierende Zellen: Aktivieren naïve T-Zellen Dendritische Zellen Semi -professionelle Antigen- Präsentierende Zellen: Werden von aktivierten T-Zellen selbst aktiviert B Zellen MHCII T Zell Hilfe Makrophagen 39

40 Professionelle Antigen-präsentierende Zellen Dendritsche Zelle Makrophagen B-Zelle Wozu professionelle Antigen-präsentierende Zellen? Naive T Zellen sollen nicht mit Jedem interagieren Daher haben wir Dendritische Zellen, die.. wissen was schlecht ist Aktivieren selektiv wissen was zu tun ist Programmieren T-Zelle 40

41 Beispiel: Zytotoxische T Zellen (CTL) Killer Zellen TATSACHE: - (Fast) jede Körperzelle präsentiert Peptid- MHCI Moleküle - Nicht jede Körperzelle soll getötet werden. Antigen Immunisierung Haut / Schleimhaut Dendritische Zelle (APZ) 41

42 Dendritische Zellen (inaktiv) Fluoreszenz-Mikroskop Raster-Elektronenmikroskop Dendritische Zellen in der Haut MHCII Aktivierte (migrierende) DCs Fluoreszenz-Mikroskop Raster-Elektronenmikroskop Dendritische Zellen im Lymphfluss MHCII 42

43 DCs im Lymphknoten Fluoreszenz-Mikroskop Raster-Elektronenmikroskop Dendritische Zellen im Lymphknoten MHCII Subtypen der DCs Myeloide DCs (mdc) Plasmacytoide DCs (pdc) Reifung 43

44 Die Immunologische Synapse T Zelle Adhäsions Moleküle TCR CD4 CD28 MHC:Peptid Immunologische Synapse IL-12 Dendritische Zelle Adhäsion ICAM1 LFA1 B7 CD28 Spezifische Aktivierung a b MHC II TCR CD4 B7 CTLA4 ICAM1 LFA1 Und: OX40L ICOSL CD40 Kostimulation a b Adhäsion T-Zelle 44

45 Das war noch nicht kompliziert genug! Kostimulatorische Moleküle APZ T Zelle TNF - TNF-R Familie CD40 CD40 Ligand CD30 CD30 Ligand und und... B7 Familie CD28 B7.1 und B7.2 CD28 ICOS ICOS Ligand und und... SLAM Familie... Kostimulatorische Moleküle Manche sind konstitutiv exprimiert: z. B. CD28 auf T Zellen Manche werden induziert nach Aktivierung:... und vermitteln positive Signale z. B. CD30, OX40 auf T Zellen z. B. CD40 auf dendritischen Zellen... oder vermitteln negative Signale z. B. CTLA-4 auf T Zellen 45

46 T Zell Aktivierungs Signale Dendritische Zelle ICOSL B7 CD40..und Zytokine ICOS CD28 CD40L T-Zelle Immunologische Synapse und T-Zellen Co-stim. Cytokine milieu MHC-TCR DC1 DC2 DC1 IL-12 (DC1), IFN-a (pdc2) CD40, CD80 + kurz T-naive oder hohe Affinität IL-10 (DC1) CD86, OX40L, + ICOS-L lang T-naive oder niedrige Affinität IL-10 (DC1), IFN-a (pdc2) + T-naive Th1 Th2 Treg 46

47 Efffektor Zellen T-naive Th1 Zelluläre Abwehr, Inflammation T-naive Th2 Humorale Abwehr, Inflammation T-naive Treg Toleranz, Anti-inflammation T-Zellsubtypen und Funktionen Tc1-Zelle Th1-Zelle Th2-Zelle Cytotoxine Cytokine TNF- Rezeptor TNF- Rezeptor CD40 Virusinfizierte Zelle Intrazelluläre Bakterien Antigen-spezifische B-Zelle 47

48 T-regulatorische Zellen T-naive Treg IL-10 und TGFß Inhibition Th1 Th2 Th17 Zellen IL-1ß/TGFß/IL23 T-naive Th17 IL-17, IL-21 und IL22 Neutrophiler Granulozyt 48

49 Der Beginn einer Immunantwort (Beispiel: Antikörper Antwort) Antigen-spezifische CD4 T Helfer Zellen werden auf dendritischen Zellen aktiviert MHCII Antigen-Präsentation durch Dendritische Zelle Aktivierte T Helfer Zellen aktivieren antigen-spezifische B Lymphozyten MHCII Antigen-Präsentation durch B Zelle PROBLEM! Höchstens jeder ste Lymphozyt erkennt das Antigen! Wie können seltene aufeinander passende Zellen miteinander interagieren? 49

50 LÖSUNG! Spezielle Treffpunkte, an denen sich Antigen, Dendritische Zellen, T Helfer Zellen und B Lymphozyten treffen Lymphozyten-Rezirkulation durch die LYMPHKNOTEN 50