B-Zellen und Antikörper

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

2 Themenkomplexe Antikörper 1) Aufbau 2) Entstehung 3) Funktion 2

3 Was sind Antikörper? Ein Antikörper ist ein Protein, das spezifisch an eine bestimmte Substanz binden kann, d.h. an sein Antigen. Aufgrund seiner einzigartigen Struktur kann jedes Antikörpermolekül das entsprechende Antigen spezifisch binden. Alle Antikörper haben jedoch dieselbe Gesamtstruktur, und man fasst sie unter der Bezeichnung Immunglobuline (Ig) zusammen. Antikörper werden als Reaktion auf eine Infektion oder Immunisierung von Plasmazellen erzeugt. Sie binden und neutralisieren Krankheitserreger oder bereiten sie für die Aufnahme und Zerstörung durch Phagozyten vor. 3

4 Die Struktur eines typischen Antikörpermoleküls I 2 Schwere Ketten (C H ), 4-5 Domänen 2 leichte Ketten (C L ), 2 Domänen Die Ketten sind untereinander (C H -C H und C H - C L ) durch Disulfid-Brücken verbunden. Jede Kette besitzt eine variable (N-terminal) und 1-4 konstante (C-terminal) Domäne. Die variablen Domänen bilden die Antigenbindungsstelle aus (2 pro Ak). Die konstanten Domänen vermitteln die Antikörperfunktion (z.b. Rezeptorbindung) 4

5 Die Struktur eines typischen Antikörpermoleküls II Die einzelnen Domänen können zusätzlich Kohlenhydratstrukturen tragen Die einzelnen Domänen und Ketten sind umeinander verdrillt. 5

6 Die Bindung eines Antigens I Antikörperbindung immer zwischen Epitop (Antigen) und Paratop (Antikörper) 6

7 Die Bindung eines Antigens II Die Bindung eines Antigens durch einen Antikörper ist nie kovalent. 7

8 Entstehung der Antikörpervielfalt I Möglichkeiten: 1) Keimbahntheorie: Für jeden Antikörper gibt es ein eigenes Gen Aber: es gibt 1x10 11 verschiedene Antikörper Der menschliche Körper besteht aus ca. 1x10 14 (100 Billionen) Zellen, davon sind 3,5x10 13 Gewebszellen (u.a Neurone (Nervenzellen), Rest Blutzellen 2) Somatische Diversifikation: Wenige vorhandene Gensequenzen verändern sich und schaffen dadurch die notwendige Vielfalt 8

9 Entstehung der Antikörpervielfalt II C J D V 9

10 Somatische Rekombination I Kombinatorische Vielfalt: Leichte Kette κ: 40 V L -Segmente 5 J L -Segmente 40 x 5 = 200 Leichte Kette λ: 29 V L -Segmente 4 J L -Segmente 29 x 4 = 116 = 316 leichte Ketten 10

11 Somatische Rekombination II Kombinatorische Vielfalt: Schwere Kette: 51 V H -Segmente 27 D H -Segmente 6 J H -Segmente 51 x 27 x 6 = schwere Ketten 11

12 Somatische Rekombination III 316 leichte Ketten x schwere Ketten = 2,5 x

13 Junktionale Vielfalt An den Verbindungsstellen der Gensegmente werden weitere Nucleotide eingefügt oder entfernt (P- und N-Nucleotide). 2/3 der Nucleotid-Einschübe sind unproduktiv. 13

14 Somatische Hypermutation Affinitätsreifung der Antigen-Bindungsstellen findet in den sekundären lymphatischen Organen statt (nur in aktivierten B- Zellen, die bereits ein Antigen gebunden haben). Mutationen treten in der gesamten variablen Region des Antikörpers auf. Mutationen treten in bestimmten Regionen gehäuft auf (hot spots). Antikörper-produzierende Zellen, deren Antikörper durch die Mutationen negativ verändert werden, sterben durch Apoptose. Der Mechanismus der somatischen Hypermutation ist weitestgehend unbekannt. 14

15 Zusammenfassung Antikörper können gegen fast jede beliebige Substanz hergestellt werden Um die dafür notwendige Antikörpervielfalt bereitzustellen, gibt es drei Mechanismen: 1) Kombinatorische Vielfalt (Somatische Rekombination) 2) Junktionale Vielfalt (ungenaue Verknüpfung) 3) Somatische Hypermutation (Affinitätsreifung in Keimzentren) 15

16 Antikörperklassen - Isotypen I Immunglobuline unterscheiden sich in der Anzahl der konstanten Domänen in Position und Anzahl der Disulfidbrücken in Anzahl und Lage der Kohlenhydrat-Seitenketten im Vorhandensein einer Gelenkregion 16

17 Antikörperklassen - Isotypen II IgM bildet Pentamere Erhöhung der Affinität Avidität 17

18 Affinität - Avidität IgM gleicht eine niedrige Affinität durch hohe Avidität aus. Affinität = Bindungsstärke zwischen einer Antigenbindungsstelle und dem Antigen. Avidität = Bindungsstärke zwischen mehreren Antigenbindungsstellen und einem multivalenten Antigen. Assoziation Dissoziation Assoziation Dissoziation Affinität Avidität 18

19 Antikörperklassen - Isotypen III IgA bildet Dimere Sekretion des Antikörpers (Garland Science 2005) 19

20 Antikörperklassen - Isotypen IV cμ = IgM, cδ = IgD, cγ = IgG, cε = IgE, cα = IgA Ψ = Pseudogen Die Expression der Gene der konstanten Region wechselt während der Reifung der B-Zelle = Klassenwechsel (Isotyp-Switch). 20

21 Antikörperklassen - Isotypen V Beim Switch werden die zwischen den Schalterregionen liegenden Genabschnitte herausgenommen Reifung nur in eine Richtung 21

22 Antikörperklassen - Isotypen VI Spezifische DNA-Sequenzen (Switch-Regionen) regulieren die Rekombination Der Isotyp-Switch findet im Lymphknoten (Keimzentrum) statt Er erfordert ein spezifisches Milieu aus Zytokinen, die ihrerseits die Switchfaktoren (Transkriptionsfaktoren) aktivieren 22

23 Isotyp-Switch Schwere Kette J H 1-6 C μ C δ C γ 3 C γ1 ωc ε C α1 C γ2 C γ4 C ε C α2 IL-4 IL-5 IFN-γ TGF-β = induziert = steigert Synthese = hemmt 23

24 Isotyp-Switch Im Laufe jeder B-Zell-Entwicklung findet ein Isotyp-Switch statt. Primär wird IgM gebildet, später weitere Ig-Klassen, die dann auch eine Affinitätsreifung durchmachen. 24

25 Verlauf von Antikörpertitern Kontakt Inkubationszeit Krankheitsbeginn Akute Phase Frühe Antikörper IgM Rekonvaleszenz Spät- bzw. Schutz-Antikörper IgG IgA Die Inkubationszeit von Erregern ist unterschiedlich. Sie kann zwischen 2 und 6 Tagen (Influenza) und Tagen (Hepatitis B) betragen. 25

26 Antikörperklassen - Funktion I 1) Neutralisierung (Viren, Bakterien, Toxine): IgG und IgA 26

27 Antikörperklassen - Funktion II 2) Opsonierung (unterstützt Phagozytose): IgG1 und IgG3 27

28 Antikörperklassen - Funktion III 3) Komplement-Aktivierung (klassischer Weg): IgG und IgM 28

29 Antikörperklassen - Funktion IV Die Verteilung der Antikörperrezeptoren auf den verschiedenen Zellen des Immunsystems/der Gewebe bestimmt den Ort der Wirkung des Antikörpers. Funktion IgM IgD IgG IgA IgE Neutralisierung Opsonierung Mastzell- Sensibilisierung Komplement- Aktivierung Transport durch Epithelien Transport durch Plazenta Diffusion ins Gewebe +/ Serumspiegel [mg/ml] 1,5 0,04 13,5 2,1 0,005 29

30 Antikörperklassen - Funktion V IgG kann durch die Plazenta an den Embryo weitergegeben werden IgG und IgM sind die dominierenden Ak-Klassen im Plasma IgA wird in allen Schleimhäuten sezerniert ( Schutzbarriere) IgA kann mit der Muttermilch an den Säugling weitergegeben werden IgE findet man auf Zellen in der Haut und den Schleimhäuten 30

31 Antikörperklassen - Funktion VI Vorübergehender Immundefekt (Immunglobulinmangel) nach der Geburt hohe Infektanfälligkeit von Säuglingen 31

32 Antikörper-Rezeptoren I Die Rezeptorfunktion bestimmt ebenfalls die Antikörper-Wirkung 32

33 Antikörper-Rezeptoren II Die Rezeptorfunktion bestimmt ebenfalls die Antikörper-Wirkung 33

34 Cytolytische Mechanismen von NK-Zellen IV ADCC (antibody-dependent cellular cytotoxicity): Lyse von Antikörper-markierten Zellen durch Apoptose und Nekrose (Granzyme und Perforin). NK-Zellen tragen den Fcγ-Rezeptor (CD16) 34

35 Antikörper-Rezeptoren III Die Rezeptorfunktion bestimmt ebenfalls die Antikörper-Wirkung 35

36 Themenkomplexe B-Zellen Entstehung Aktivierung 36

37 B-Zell-Entstehung I B-Zellen entstehen laufend im Knochenmark (bone marrow) aus lymphatischen Vorläuferzellen Die Umgebung (Stroma-Zellen des Knochenmarks) liefern das notwendige Milieu (Oberflächenmoleküle und Cytokine) für die Entwicklung Die Immunglobulingene werden umgeordnet; dieser Prozess läuft unabhängig von Antigenen ab 37

38 B-Zell-Entstehung II Die gebildete schwere Kette wird mit einer Ersatz-L-Kette z.t. an der Oberfläche der großen Prä-B-Zelle exprimiert (Prä-B-Zell-Rezeptor). Nach der erfolgreichen Expression der schweren Kette teilt sich die große Prä-B- Zelle aktiv, bevor die Umlagerung der leichten Kette beginnt 38

39 B-Zell-Entstehung III Beginn der V-J-Umlagerung am κ-locus, später folgt bei Bedarf der λ-locus Die Entwicklung zur reifen B-Zelle findet außerhalb des KM statt 39

40 B-Zell-Entstehung Zusammenfassung I-III 40

41 B-Zell-Defekte I, XLA Angeborene Immunschwächekrankheiten beruhen auf rezessiven Gendefekten Viele der häufigsten Immunschwächekrankheiten beruhen auf defekten Genen auf dem X-Chromosom. Männer erkranken, Frauen bleiben meistens gesund. Beispiele: X-gekoppelte Agammaglobulinämie (XLA): keine B-Zellen 41

42 B-Zell-Defekte II, XLA Niedrige Antikörperkonzentrationen führen zu häufigen Infektionen mit extrazellulären Bakterien XLA (X-linked Agammaglobulinämie) = defekte Tyrosinkinase (btk), auf dem X-Chromosom codiert. btk überträgt Signale des Prä- B-Zell-Rezeptors (B-Zell- Reifung). 42

43 B-Zell-Entstehung IV Im Knochenmark: Selektion auf Selbst-Toleranz Kontakt zu Antigenen in der Umgebung. Unreife B-Zellen, die stark an diese Antigene binden, sterben ab (Apoptose), binden sie nur schwach, werden sie inaktiviert (Anergie). Eine Möglichkeit, der Deletion zu entkommen, ist Rezeptor-Editing. 43

44 B-Zell-Entwicklung Selbst-tolerante, naive B-Zellen wandern aus dem Knochenmark aus. Naive B-Zellen zirkulieren durch das Blut in die sekundären lymphatischen Organe. Treffen die B-Zellen in den sek. Lymphorganen auf ihr passendes Antigen, werden sie aktiviert (Umwandlung zur Antikörper-sezernierenden Plasmazelle). Ohne Antigenkontakt zirkulieren sie wieder zurück mit der Lymphe in die Blutbahn. Lebensdauer einer nicht-aktivierten B-Zelle: ca. 3 Tage. 44

45 Themenkomplexe B-Zellen Entstehung Aktivierung 45

46 B-Zell-Aktivierung I Naive B-Zellen benötigen 2 Signale zur Aktivierung: Das erste Signal liefert die Bindung eines passenden Antigens an den B-Zell-Rezeptor (BCR) = Oberflächen- Immunglobulin Das zweite Signal kann auf zwei Wegen geliefert werden: 1) Thymus-abhängig (durch bereits aktivierte T-Helfer- Zellen) = TD-Antigene (thymus dependent) 2) Thymus-unabhängig (nur durch Antigen aktiviert) = TI- Antigene (thymus independent) 46

47 TI-B-Zell-Aktivierung I TI-1-Antigene aktivieren neben dem BCR einen weiteren Rezeptor auf der Oberfläche, z.b. CD14 gegen LPS oder einen Komplementrezeptor = co-stimulatorisches Signal TI-2-Antigene aktivieren die B- Zelle über gleichzeitige Vernetzung des BCR über viele gleichförmige Antigene, keine Co- Stimulation 47

48 TI-B-Zell-Aktivierung II TI (1+2) -Aktivierung : B-Zelle Plasmazelle kein Keimzentrum keine Gedächtniszellen keine Affinitätsreifung switch bis IgG3, IgG2 (wodurch?) 48

49 TD-B-Zell-Aktivierung I 49

50 TD-B-Zell-Aktivierung II Linked recognition = T-Zelle und B-Zelle erkennen das gleiche Antigen CD4 T-Zell-Rezeptor MHC II Peptid 50

51 TD-B-Zell-Aktivierung II CD4 T-Zell-Rezeptor MHC II Peptid Eine T-Zelle exprimiert die co-stimulatorischen Signale erst, wenn sie ihrerseits durch eine professionelle Antigen-präsentierende Zelle (APC) spezifisch aktiviert worden ist (dendritische Zellen, Makrophagen). 51

52 TD-B-Zell-Aktivierung II Linked recognition = T-Zelle und B-Zelle erkennen das gleiche Antigen 52

53 Zusammenfassung: TD-B-Zell-Aktivierung Signale für die B-Zell-Aktivierung: 1) Bindung eines Antigens über den BCR (B-Zell-Rezeptor = membranständiges Immunglobulin) 2) Signale der T-Zelle, die das MHC-II-präsentierte Peptid mittels TCR und Corezeptor CD4 erkennt: Stimulation des CD40 (B-Zelle) durch CD40-Ligand (T-Zelle) Cytokine Weitere co-stimulatorische Signale 53

54 TD-B-Zell-Aktivierung III Cytokine aus der Th-Zelle bewirken Die Proliferation der B-Zelle (v.a. IL-5, IL-6) Den Isotyp-Switch (z.b. IFN-γ zum IgG-switch, IL-4) B-Zellen werden nach der Aktivierung zu B-Gedächtniszellen Antikörper-sezernierenden Plasmazellen 54

55 Primäre humorale Immunantwort I T-Zellen werden von dendritischen Zellen in Lymphknoten gelockt und aktiviert, wenn sie das präsentierte Antigen erkennen. Nature Immunology 7(2006), grün = dendritische Zellen rot = T-Zellen 55

56 Primäre humorale Immunantwort II Die primäre Aktivierung der naiven B-Zelle durch eine aktivierte Th-Zelle geschieht ebenfalls in den sekundären Lymphorganen. B-Zellen wandern über Venolen mit hohem Epithel (HEV) in die Lymphorgane ein und verlassen sie, wenn sie auf kein spezifisches Antigen treffen. 56

57 Primäre humorale Immunantwort III B-Zellen, die ein spezifisches Antigen treffen und in der T-Zell-Zone auf passende aktivierte T-Zellen treffen bilden zusammen mit diesen T- Zellen einen sog. Primärfocus, in dem beide Zelltypen proliferieren. grün = T-Zellen rot = B-Zellen Nature Immunology 7(2006),

58 Primäre humorale Immunantwort III Die B-Zellen wandern z.t. aus dem Primärfocus in die Markstränge Plasmazellen (Antikörperproduktion, Isotyp-Switch). 58

59 Sekundäre humorale Immunantwort I Einige B- und T-Zellen verlassen die Primär-Foci und wandern in einen primären Lymph-Follikel, wo sie Keimzentren bilden. Die B-Zellen proliferieren rasch (Centroblasten) und durchlaufen die somatische Hypermutation. 59

60 Zusammenfassung: sek. Lymphorgane I Lymphfollikel, Keimzentrum 6 Tage Hypermutation, Affinitätsreifung Rezirkulation Aktivierung der B- Zelle durch T-Zelle Gedächtnis- Langlebige zellen Plasmazellen Primäre Foci 3 Tage Markstränge Plasmazellen Ak-Freisetzung, switch Apoptose Plasmazellen Ak-Freisetzung Sek. lymph. Organe Knochenmark 60

61 Zusammenfassung: sek. Lymphorgane II Gedächtniszellen langlebige Plasmazellen B-Gedächtniszellen (Memory B-Zellen) zirkulieren. Sie benötigen Antigen zur Antikörperproduktion und teilen sich stetig in geringer Frequenz. Langlebige Plasmazellen entstehen v.a. nach einem 2. Antigenkontakt Sie wandern ins Knochenmark (Nische, die das Überleben garantiert). Sie benötigen kein Antigen zur Antikörperproduktion. Evtl. überleben sie Jahre/Jahrzehnte. 61

62 Zusammenfassung: sek. Lymphorgane III B-Zellen benötigen bei der Affinitätsreifung unbedingt 2 positive Signale (sonst Apoptose) Signal 1: Antigen erkannt Signal 2: T-Zell-Interaktion 62

63 Woher stammen die Antigene in den Keimzentren? 1) FDC = Follikulär Dendritische Zellen FDCs sind in den Keimzentren und locken die B-Zellen über Chemokine dort hin. FDCs präsentieren Antigene nicht über MHC sondern Fc- und Komplement-Rezeptoren. Sie können keine T-Zellen aktivieren. 63