Biochemische Aspekte des Immunsystems

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1 1 Biochemische Aspekte des Immunsystems - Werner L. H. Biochemische Aspekte des Immunsystems Das Immunsystem muss ein ausgeprägtes Unterscheidungsvermögen besitzen, um bei der Abwehr pathogener Mikroorganismen die körpereigenen Zellen und Symbionten intakt zu belassen. Die Immunologie ist die Wissenschaft, die zwischen Selbst und Fremd unterscheidet. Abwehrmechanismen: - Humorale Immunantwort wird durch Flüssigkeit vermittelt Extrazelluläre Pathogene werden mit Antikörpern beladen und dann phagozytiert oder durch das Komplementsystem zerstört. - Zelluläre Immunantwort bestimmte Zellen des Immunsystems sind unmittelbar an der Immunreaktion beteiligt An den Prozessen des Immunsystems sind fast immer beide Immunreaktionen beteiligt. Angeborene und adaptive Immunität Angeborene (unspezifische) Immunität - Mechanismen zur Abwehr möglicher Pathogene von Geburt an - Sofort aktiv (schnell) - Toll-like Rezeptoren Erworbene (spezifische) Immunität - Mechanismen, die sich erst nach Kontakt mit pathogenen Mikroorganismen oder Fremdkörpern entwickeln - Reagieren langsamer, aber mit großer Spezifität: o o Selektion und Produktion spezifischer Antikörper und T-Zell Rezeptoren Aufbau und Entstehung der Vielfalt von Antikörper und T-Zell Rezeptor, klonale Selektion, klonale Expansion Kurzbeschreibung der immunologischen Rolle ausgewählter Zellen NK-Zellen: "natural killer cells" töten Virus-infizierte Zellen die kein MHC I präsentieren "angeborene Immunität" B-Zellen: reifen im KM, spezifische Antikörperproduktion "humorale Immunität" + "erworbene Immunität" T-Zellen: Granulozyten: Makrophagen: dendritische Zellen: Mastzelle: reifen im Thymus, tragen spezifischen T-Zell-Rezeptor "erworbene Immunität" Beiträge für "zelluläre Immunität" : Effektorzellen: CD8+ cytotoxisch (gegen Viren); TH1 aktivieren Makrophagen zum Töten intrazellulärer Pathogene Beiträge für "humorale Immunität" : TH2 aktivieren B-Zellen zur Antikörperproduktion gegen extrazelluläre Pathogene Phagocytose, bactericid, bilden "Eiter" "angeborene Immunität" Phagocytose, bactericid "angeborene Immunität" Antigenpräsentation "erworbene Immunität" Phagocytose, bactericid "angeborene Immunität" Antigenpräsentation "erworbene Immunität" Freisetzung von Entzündungsmediatoren (Histamin); beteiligt bei Allergien

2 2 Biochemische Aspekte des Immunsystems - Werner L. H. Das angeborene Immunsystem Komplementsystem Es besteht aus ca. 30 Glykoproteinen, die in der Leber synthetisiert und ständig ins Blut sezerniert werden. Teils zusammen mit Antikörpern, teils Antikörperunabhängig trägt es zur Infektionsabwehr bei. Die ständig im Blutserum präsenten Proteine können auf unterschiedlichen Wegen aktiviert werden: - Klassischer Weg - Alternativer Weg - Lektinweg - Über das C-reaktive Protein Die Wege der Komplementaktivierung unterscheiden sich im Prinzip der Erkennung des Antigens. Ein Antigen ist ein Molekül das vom Immunsystem als fremd erkannt wird. Klassischer Weg Der klassische Weg der Komplementaktivierung ist Antikörper-abhängig: - Er setzt voraus, dass bereits ein Antikörper vom Typ IgM (in frühen Stadien der Infektion) oder IgG (in späten Stadien der Infektion) ein Antigen erkannt und gebunden hat. - Die Antikörper binden mit ihrem Fab-Teil (dem antigenbindenden Teil) an die Oberfläche der Antigene und exponieren dabei ihren Fc-Teil. - An den Fc-Teil bindet nun die Untereinheit C1q des Proteins C1 des Komplementsystems (UE: C1q, C1r, C1s) - Sofern der Antikörper an die Oberfläche eines pathogenen Bakteriums gebunden hat, kann das Komplementprotein C1 eine Reaktionskaskade auslösen, die zur Lyse des Bakteriums führt: o Bindung von C1 führt zur Bindung und Aktivierung von C2-C5 o C5 wird in C5a und C5b gespalten o o C5b bindet nun C6-C9 wodurch der Membrane Attack Complex (MAC) entsteht MAC bildet in der Membran des Mikroorganismus eine Pore Lyse des Mikroorganismus Mehrere Komplementproteine sind Serin-Proteasen und spalten andere Komplementproteine in zwei Fragmente a und b, wobei b stets größer ist als a.

3 3 Biochemische Aspekte des Immunsystems - Werner L. H. Alternativer Weg Der alternative Weg ist antikörperunabhängig. - Auslöser der Reaktionskaskade ist die direkte Bindung von C3b an einen Mikroorganismus - C3b entsteht kontinuierlich in kleinen Mengen aus C3, dem häufigsten Komplementprotein des Blutserums, indem ein kleines Peptid proteolytisch gespalten wird und dann schnell abgebaut wird, so es nicht in Kontakt mit einem Mikroorganismus gerät. - Die Bindung an einen Mikroorganismus induziert entweder Porenbildung oder Phagozytose o Porenbildung: C3b rekrutiert C5, das in C5b überführt wird klassischer Weg mit Bildung des MAC Lyse o Phagozytose: Makrophagen, neutrophile Granulozyten u. a. phagozytierende Zellen des Immunsystems exponieren Membranproteine, die als Komplementrezeptoren (CR) dienen. Die Bindung des Fc Teils des AK an den CR wirkt als Signal, das die Phagozytose des C3b-markierten Partikels auslöst. Derartige Markierungen eines Partikels werden allgemein als Opsoni(si)erung bezeichnet. Die Opsonierung dient der Identifizierung eines Antigens. Die Opsonierung durch C3b ermöglichen in vielen Fällen eine schnelle Eliminierung des Mikroorganismus, ohne dass dazu ein spezifischer Antikörper benötigt würde. C3b ist das wichtigste Opsonin. Worauf beruht die Spezifität der C3b-Opsonierung? C3 bindet nicht nur an unterschiedliche Krankheitserreger, sondern auch an körpereigene Zellen. Diese sind aber auf diese Bindung vorbereitet und verhindern (mit Hilfe der Proteine CD55 und CD46) die Auslösung der Reaktionskaskade. (Nomenklatur CD ist für Oberflächenproteine körpereigener Zellen reserviert) Lektin-Weg Viele Bakterien exponieren an ihrer Oberfläche bestimmte mannosehaltige Kohlenhydrate. Das Blutserum enthält ein Protein, das Mannan-bindende Lektin (MBL), das bevorzugt an diese Kohlenhydrate bindet. MBL hat eine ähnliche Struktur wie C1q. Es kann daher das C1q ersetzen und aufgrund einer direkten Bindung an die Erreger unabhängig von Antikörpern die Reaktion des klassischen Wegs der Komplementaktivierung auslösen. C-reaktives Protein CRP bindet bevorzugt an das Lipopolysaccarid (LPS) vieler Bakterien und rekrutiert dann C1q Antikörper-unabhängige Aktivierung des klassischen Weges. Nach Bindung des CRP kann aber auch C3b gebildet werden und damit eine wirkungsvolle Opsonierung des Erregers eingeleitet werden. Die Komplementproteinfragmente C3a und C5a die nach Aktivierung des Komplementsystems freigesetzt werden dienen als Entzündungsmediatoren: - Sie locken Makrophagen und neutrophile Granulozyten an = Chemokine - Sie lösen Histaminfreisetzung aus und werden daher als Anaphylatoxine bezeichnet. Rezeptorproteine des angeborenen Immunsystems Makrophagen und Antigen-präsentierende-Zellen besitzen in ihrer Membran PRR (Pathogen recognition receptor) und erkennen damit Merkmale, die für viele Prokaryonten charakteristisch sind. Diese Merkmale werden als Pathogen-associated molecular Patterns (PAMPs) bezeichnet. Zu den PRR gehören Toll-like receptors (TLR): TLR befinden sich in der Zellmembran vieler Zellen des Immunsystems (Makrophagen, Endothelzellen, usw.) und gehören zur angeborenen Abwehr. Sie sind an der Erkennung bakterieller

4 4 Biochemische Aspekte des Immunsystems - Werner L. H. Infektionen beteiligt. Die TLR werden durch bestimmte Moleküle aktiviert, die generell für Prokaryonten charakteristisch sind. - Komponenten von Bakterienzellwänden (z.b. Lipopolysaccharid (LPS)) - Bakterielle DNA (unterscheidet sich von Mammalia DNA in Sequenzmotiv und Methylierung) - Doppelsträngige RNA (kommt nur bei Viren vor); induziert das Interferon-System Die bakteriellen Komponenten binden zunächst an ein Serumprotein, von dem sie zu den TLR einer Zelle des Immunsystems geleitet werden. Die Bindung an den TLR führt zur Aktivierung des Transkriptionsfaktors NFκB. Dieser stimuliert die Transkription vieler für Immun- und Entzündungsreaktionen wichtiger Gene. Bei Auslösung von Entzündungsreaktionen ist NFκB einer der wichtigsten Transkriptionsfaktoren. Beim Menschen sind bislang 10 TLR identifiziert worden, jeder mit einer anderen Spezifität. Nach der Phagozytose können Makrophagen und neutrophile Granulozyten Bakterizide bilden: Das erworbene/adaptive Immunsystem Prinzip der adaptiven Immunantwort ist, dass zu fast jeder möglichen Struktur eines Pathogens ein passendes spezifisches Bindeprotein (Antikörper, T-Zell-Rezeptor) entwickelt werden kann. Das Immunsystem des Menschen kann ca. 100 Milliarden unterschiedliche Antikörper bilden und in speziellen Situationen den geeigneten Antikörper identifizieren und dann in großen Mengen produzieren. Adaptive Immunantworten werden im Wesentlichen von bestimmten Leukozyten, den B- und T- Lymphozyten (B- und T-Zellen), vermittelt: - B-Zellen: Bildung spezifischer Antikörper - zytotoxische T-Zellen (CD8+): Abtötung virusinfizierter Zellen - T H 2 (CD4+): Aktivierung von B-Zellen zur Antikörperproduktion - T H 1 (CD4+): Aktivierung von Makrophagen zur Abtötung intrazellulärer Pathogene Die Entwicklung einer adaptiven Immunantwort nimmt mehrere Tage in Anspruch, in der Zwischenzeit können die Erreger nur vom angeborenen Immunsystem bekämpft werden. Ist eine adaptive Immunantwort abgelaufen, bleibt die Immunität durch Bildung von Gedächtniszellen (antigenspezifische langlebige B- und T-Zellen) längere Zeit erhalten. Antikörper/Immunglobuline Antikörper sind globuläre Proteine, die aus einer konstanten und einer variablen Domäne bestehen. Mit letzterer können sie Antigene binden. Man unterscheidet mehrere Antikörperklassen (Isotypen):

5 5 Biochemische Aspekte des Immunsystems - Werner L. H. - In frühen Stadien der Immunantwort werden überwiegend IgM und IgD gebildet - In späten Stadien der Immunantwort werden IgG, IgA und IgE gebildet Antikörper bestehen immer aus: - 2 kurzen light chains - 2 langen heavy chains, die durch Disulfid-Brücken verbunden sind Schwere Ketten bestimmen die Antikörperklasse, es gibt 5 Typen: α, γ, δ, ε, μ Leichte Ketten κ oder λ Ein Antikörpermolekül enthält mindestens zwei (identische) H- und zwei (identische) L-Ketten. Abwehrmechanismen der Immunglobuline Antikörper können auf drei Arten an der Immunabwehr beteiligt sein: - Neutralisierung (bakterieller Toxine) - Opsonisierung - Komplementaktivierung Immunglobulin Klassen

6 6 Biochemische Aspekte des Immunsystems - Werner L. H. IgG IgG stellen ca. 75 % der Antikörper des Blutes dar. Aufbau: - Über Disulfidbrücken sind 2 H-Ketten vom Typ γ mit 2 L-Ketten vom Typ κ oder λ verbunden. - Y-förmige Struktur oberen Enden = Antigenbindungsstelle - Die Struktur, die die Antigenbindestelle am Antigen erkennt, ist das Epitop - Die oberen Schenkel des IgGs sind mit dem unteren Teil durch Scharnierregion (=Gelenkregion) verbunden. Im Labor wird u. a. die Protease Papain eingesetzt, um die Scharnierregion zu spalten. Dabei entstehen 3 Fragmente: o Zwei Fab-Fragmente (antigenbindende Fragmente) o Ein Fc-Fragment (crystallizable fragment) An den Fc-Teil von IgG und IgM bindet das Komplementprotein C1q. Die Antikörper der verschiedenen Klassen exponieren unterschiedliche Fc-Teile und können deshalb auch nicht alle mit C1q reagieren. Es gibt 4 IgG-Subklassen (IgG₁-IgG₄), die sich in ihrer Affinität für C1q unterscheiden. IgG sind die einzigen Immunglobuline, die vom Blut der Mutter zum Fetus gelangen. Funktionen: - Neutralisierung von Bakterien, bakteriellen Toxinen und Viren - Opsonierung - Aktivierung von Komplement durch Bindung von C1 klassischer Weg IgA IgA sind die meistproduzierten Immunglobuline v. a. in Schleimhäuten, Speichel, Tränen u. Milch Aufbau: - Liegen im Blut als Monomere (den IgG ähnlich), in den Sekreten als Dimere vor - Dimerisierung entsteht durch Verbindung der 2 IgAs an den Fc-Teilen durch J-Kette (Joining Chain) Sekretion der IgA-Dimere: In den Schleim und in die Drüsensekrete gelangen IgA durch Transzytose. Dabei binden die IgA- Dimere an der basolateralen Seite der Epithel- bzw. Drüsenzellen an einen IgA-Rezeptor. Der antikörperbindende Anteil des Rezeptors bleibt mit dem freigesetzten IgA-Dimer als sekretorische Komponente verbunden und schützt IgA im Lumen vor Proteasen. Funktion: - Neutralisierung und Opsonierung - Sie aktivieren das Komplementsystem NICHT! IgM IgM sind die ersten Antikörper an der Oberfläche reifender B-Zellen im Knochenmark. Wenn die reifen B-Zellen aus dem Knochenmark in den Blutkreislauf geschwemmt werden, exponieren sie weiterhin IgM, nun aber parallel zu IgD.

7 7 Biochemische Aspekte des Immunsystems - Werner L. H. Die ersten Antikörper, die nach Antigenkontakt sezerniert werden, sind wiederum stets IgM, allerdings in Form von IgM-Pentameren. Aufbau: - IgM haben keine Scharnierregion, aber eine zusätzliche konstante Domäne - Im IgM-Pentamer sind die Monomere durch Disulfidbrücken und durch eine J-Kette verknüpft Funktion: Die große Zahl der Anitigenbindungsstellen (10) pro Pentamer ist der Grund für die - hohe Avidität (Gesamtbindungsstärke) der IgM und ihre - hohe Effizienz bei Agglutination (=Komplexierung und Immobilisation) von Antigenen IgM können das Komplementprotein C1 binden und so das Komplementsystem aktivieren. IgD und IgE IgD werden nur in sehr geringen Mengen von B-Zellen sezerniert. Eine besondere Funktion der freien IgD ist nicht bekannt. Sie erscheinen aber regelmäßig auf der Oberfläche der neu gebildeten B-Zellen, die vom KM ins Blut abgegeben werden. Hier werden sie parallel zu IgM als B-Zell-Rezeptoren exponiert. In späteren Stadien der B-Zell-Reifung werden IgD nicht mehr produziert. IgE liegen im Blutserum nur in sehr geringen Konzentrationen vor. Trotz ihrer geringen Konzentrationen sind die IgE-Antikörper hoch aktiv. Sie sind vor allem an zwei Prozessen beteiligt: - Abwehr von Parasiten - Auslösung von Allergien Sie aktivieren das Komplementsystem NICHT. Sie haben keine Scharnierregion, aber eine zusätzliche konstante Domäne. Charakteristika der Immunglobuline IgM IgD IgA IgE IgG Scharnierregion Zusätzliche Domäne der H-Kette Bildung löslicher Monomere Bildung löslicher Dimere Bildung löslicher Pentamere Komplementaktivierung (klassischer Weg) Plazentagängigkeit Opsonierung für Phagozyten Bindung an Mastzellen Genetische Grundlagen der Antikörpervielfalt Die Antikörpervielfalt entsteht durch somatische Rekombination, also durch Umordnung der genomischen DNA während der Reifung der B-Zellen im KM. Die für die Antikörpervielfalt zuständige variable Region besteht sowohl aus schwerer, als auch aus leichter Kette. Der variable Teil ist aber nicht als Ganzes in der DNA kodiert, sondern in getrennt liegenden Teilsegmenten: Entstehung der H-Ketten: Für die variable Region der schweren Ketten gibt es 3 getrennte Segmente: V, D und J (variable, diversity, joining) auf Chromosom 14. Jedes dieser Segmente ist nicht als Unikat vorhanden, sondern in ca. 65 V, 27 D und 6 J sehr ähnlichen, aber doch unterschiedlichen Variationen. Ein fertiger, für eine variable Region kodierender Genabschnitt wird dadurch zusammengewürfelt, dass nach dem Zufallsprinzip ein V-Segment mit einem D-Segment und einem J-Segment rekombiniert wird. Ein Enzymkomplex schneidet die dazwischenliegenden DNA-Stücke heraus, und normale DNA- Reparaturproteine fügen die Gensegmente zusammen. Dadurch können allein durch das Zusammenfügen dieser Bausteine 65x27x6= verschiedene Möglichkeiten einer schweren Kette entstehen.

8 8 Biochemische Aspekte des Immunsystems - Werner L. H. Entstehung der L-Ketten: Derselbe Vorgang läuft auf den Genorten (Chromosom 2 für κ und 22 für λ) der leichten Ketten ab, doch gibt es dort keine D-Segmente. Für κ- und λ-locus zusammen existieren ca. 320 Möglichkeiten, Gensegmente für eine leichte Kette zusammenzufügen. Die Kombination von schwerer mit leichter Kette im fertigen Antikörper stellt einen zusätzlichen Mechanismus zur Generierung von Variabilität her x320=3,4x10 6 verschiedene Antikörpermoleküle Neben den variablen Regionen VDJ liegt auf Chromosom 14 der Genabschnitt für die konstante Region (C). Den VDJ-Genabschnitten am nächsten liegt das Gen für die konstante Region der μ-kette, das zunächst exprimiert wird, gefolgt von denen für δ, γ, α und ε. Wenn im Verlauf der Immunantwort ein Klassenwechsel eingeleitet wird, werden z. B. die Gene für die konstante Region von μ und δ herausgeschnitten, sodass die unveränderte VDJ-Kombination nun neben dem Gen für die konstante Region γ zu liegen kommt. Das führt nun dazu, dass ein IgG gebildet wird. Alternatives Splicen bestimmt, ob ein IgM oder ein IgD Molekül entsteht

9 9 Biochemische Aspekte des Immunsystems - Werner L. H. Auslösung einer adaptiven Immunantwort Dendritische Zellen Eine adaptive Immunantwort beginnt in der Regel mit der Phagozytose der Pathogene durch dendritische Zellen (DC). Die dendritischen Zellen verlassen daraufhin das Gewebe und gelangen mit der Lymphe in regionale Lymphknoten. Dort setzten sie sich als interdigitierende dendritische Zellen fest. Die Pathogene werden in den Lysosomen der dendritischen Zellen abgebaut, die Proteine dabei in Peptidfragmente gespalten (Antigenprozessierung). Die Fragmente werden dann in den Lysosomen auf MHC-Klasse-II-Proteine geladen und durch vesikulären Transport an die Zelloberfläche gebracht. Hier werden sie den vorbeiströmenden naiven T-Zellen präsentiert. Dadurch werden T-Zellen mit passendem T-Zell-Rezeptor zur Proliferation angeregt. Dendritische Zellen sind somit antigenpräsentierende Zellen. MHC-Proteine (Major Histocompatibility Complex - Proteine) MHC-Proteine (HLA-Proteine) dienen der Präsentation von Peptidfragmenten, die beim proteolytischen Abbau von Antigenen entstehen. Man unterscheidet 2 Klassen von MHC-Proteine: - MHC-Klasse-I-Proteine werden von nahezu allen Zellen des Körpers mit Ausnahme kernloser Zellen (Erys, Thrombozyten) an ihrer Oberfläche exponiert. Sie bestehen aus einer membranspannenden Polypeptidkette und präsentiert Antigene (Peptide einer Länge von 8-10 AS) die aus dem Cytosol stammen.

10 10 Biochemische Aspekte des Immunsystems - Werner L. H. - MHC-Klasse-II-Proteine werden von dendritischen Zellen, Makrophagen und B- Lymphozyten exprimiert. Sie bestehen aus zwei membranspannenden Polypeptidketten und präsentieren Antigene (Peptide einer Länge von AS) die aus intrazellulären Vesikeln stammen. MHC-Gene sind so polymorph, dass praktisch jedes Individuum einen anderen MHC exprimiert Wichtiger Grund für Transplantatabstoßung Vielfalt nötig, damit Krankheitserreger nicht Immunmechanismen vieler Menschen überwinden lernen. Aktivität dendritischer Zellen in Lymphknoten Antigene Partikel gelangen teilweise auch DC-unabhängig in die Lymphknoten, wo sie von follikulären dendritischen Zellen festgehalten und ohne Beteiligung einer Endozytose präsentiert werden. B- und T-Zellen gelangen ständig über hochendotheliale Venolen in die Lymphknoten. Anschließend tasten sie die verschiedenen dendritischen Zellen nach MHC-gebundenen Antigenen ab: - T-Zellen tasten die interdigitierenden DC ab, - B-Zellen tasten die follikulären DC ab Sowohl die T- als auch die B-Lymphozyten tragen dazu an ihrer Oberfläche Rezeptoren die spezifisch für ein bestimmtes Antigen sind. Das Blut enthält viele Milliarden Lymphozyten unterschiedlicher Spezifität. Lymphozyten, die im Lymphknoten kein passendes Antigen vorfinden, rezirkulieren. B-Zellen, die ein passendes Antigen binden, nehmen es durch Endozytose auf, prozessieren es und präsentieren Antigenfragmente an MHC-Klasse-II-Proteinen. B-Zellen sind also auch antigenpräsentierende Zellen. T-Zellen, die ein passendes Antigen finden, werden festgehalten und aktiviert und dadurch zur Zellteilung angeregt. Die Tochterzellen differenzieren je nach Antigentyp zu T H 1- oder T H 2-Zellen (Effektor-T-Zellen). In wenigen Tagen entstehen so tausende aktivierter Effektor-T-Zellen, die für das gleiche Antigen spezifisch sind. B-Zellen, die eines der vorherrschenden Antigene aufgenommen haben, können nun in der T-Zell- Zone relativ leicht auf eine passende Effektor-T-Zelle treffen. Die B-Zelle wird dann durch die Effektor-T-Zelle (meist T H 2) aktiviert und teilt sich vielfach. Die Tochterzellen bilden schließlich große Mengen an Antikörpern, die für das von B- und T-Zelle gemeinsam erkannte Antigen spezifisch sind. Durch ihre starke Vermehrung bilden die B-Zellen große Keimzentren, durch die der jeweilige Lymphknoten erheblich anschwellen kann.

11 11 Biochemische Aspekte des Immunsystems - Werner L. H. Differenzierung der Immunzellen B-Zellen Reifung B-Zellen entstehen im KM (= primär lymphatische Organ) aus lymphatischen Stammzellen. Hier findet der größte Teil des Reifungsprozesses statt, nur die letzten Schritte erfolgen im Lymphfollikel. Unabhängig davon, welchen Antikörper-Isotyp eine B-Zelle letztlich synthetisiert, bildet sie zunächst Antikörper, die in der Plasmamembran verankert sind. Derartige membrangebundene Antikörper (mig) werden als B-Zell-Rezeptoren bezeichnet. B-Zellen, deren Antikörper körpereigene Strukturen binden, gehen noch im KM durch Apoptose zugrunde. Nur B-Zellen, deren Antikörper nicht gegen körpereigene Strukturen gerichtet sind (ca. 10 %), gelangen in die Blutbahn. Diese reifen B-Zellen exponieren IgM und IgD und siedeln sich in den Lymphfollikeln der sekundären lymphatischen Organe (Lymphknoten, Milz, Tonsillen, Darmschleimhaut, Peyer-Plaques) an. Reife B-Zellen, die im Laufe ihrer Entwicklung noch kein Antigen gebunden haben, werden als naiv bezeichnet. Aktivierung der B-Zellen durch T-Zellen Trifft eine B-Zelle auf ein Antigen, das von ihrem B-Zell-Rezeptor erkannt wird, nimmt die B-Zelle ihren Rezeptor mitsamt dem gebundenen Antigen auf. Nach Prozessierung exponiert die B-Zelle Fragmente des Antigens an MHC-Klasse-II-Proteinen auf ihrer Zelloberfläche. In diesem Stadium ist die Zelle noch nicht in der Lage, lösliche Antikörper zu sezernieren. Dazu bedarf es zuvor einer bestätigenden Aktivierung durch T H 2-Helferzellen. Voraussetzung ist dass die T H 2- Zelle einen T-Zell-Rezeptor exponiert, der spezifisch mit diesem Komplex aus MHC-Klasse-II-Protein und Antigen interagiert. Durch Zusammenlagerung der T H 2- und B-Zelle entsteht ein T-B-Konjugat. Das Protein CD40L der T H 2-Zelle bindet an das CD40-Protein der B-Zelle, dadurch bildet die B-Zelle Rezeptoren für die von der T-Zelle sezernierten Interleukine. CD40L und insbesondere die Interleukine IL-4, IL-5 und IL-6 bewirken 2 Prozesse:

12 12 Biochemische Aspekte des Immunsystems - Werner L. H. - Zellteilung damit sich ein B-Zell-Klon bildet - In den betroffenen B-Zellen wird ein Wechsel der Antikörperklasse ausgelöst, von mig zu löslichen IgA, IgE oder IgG (durch alternative Prozessierung der mrna, die den konstanten Abschnitt der H-Kette kodiert). Menschen, deren T-Zellen CD40L nicht bilden können, produzieren ausschließlich IgM-Antikörper. CD40L ist also für die Auslösung eines Klassenwechsels essenziell. B-Zellen geben Antikörper also erst an die Umgebung ab, wenn sie von einer T-Helferzelle aktiviert worden sind. Die T H 2-Zelle sowie benachbarte T H 1-Zellen bestimmen mit dem Muster ihrer Zytokine, zu welchem Isotyp der Klassenwechsel erfolgt. So induziert das IL-4 der T H 2-Zellen die Bildung von IgE. Das IFN-γ der T H 1-Zellen induziert hingegen die Bildung von IgG und hemmt die Bildung von IgE. B-Zellen, die gerade in großen Mengen Antikörpermengen sezernieren, heißen Plasmazellen. Sie sind größer als die naiven B-Zellen und enthalten viel rer für die Antikörper-Synthese. Ruhende Gedächtniszellen können sich bei erneutem Antigenkontakt schnell wieder in Plasmazellen umwandeln. T-Zellen Reifung T-Zellen entstehen im KM aus der gleichen lymphatischen Stammzelle wie die B-Zellen. Im Gegensatz zu diesen verlassen sie aber das KM bereits in einem frühen Stadium und wandern zur Reifung in den Thymus, das primäre lymphatische Organ der T-Zellen. Das Thymusstroma ist für die Entwicklung der T-Zellen essenziell. Es induziert Vermehrung und Differenzierung der T-Zell-Vorläufer. Ähnlich wie in B-Zellen kommt es auch in T-Zellen zu einer somatischen Rekombination bestimmter Gensegmente. Es kommt daraufhin zur Expression einer α- und einer β-kette, die gemeinsam den T-Zell-Rezeptor bilden. Parallel werden im Thymus die Membranproteine CD4 und CD8 exprimiert. Aus der Vielzahl der zunächst entstehenden T-Zellen sind nur wenige für die Funktion im Immunsystem geeignet. Daher kommt es an den kortikalen Epithelzellen des Thymus zur positiven Selektion: nur T-Zellen, die an ein MHC-Klasse-I- oder -II-Protein der kortikalen Epithelzellen des Thymus binden, können weiter heranreifen. Alle anderen werden durch Apoptose eliminiert.

13 13 Biochemische Aspekte des Immunsystems - Werner L. H. An den dendritischen Zellen und Makrophagen des Thymus kommt es zu einer negativen Selektion: diese exponieren an ihren MHC-Proteinen Peptide, die durch Abbau körpereigener Proteine gebildet werden. T-Zellen die diese Peptide erkennen, werden ebenfalls durch Apoptose eliminiert (könnten sonst Autoimmunkrankheiten auslösen). Während des Reifungsprozess im Thymus sterben ca. 98 % aller T-Zellen durch Apoptose. Die überlebenden Zellen sind reife naive T-Zellen. Sie exponieren an ihrer Oberfläche den T-Zell-Rezeptor sowie - CD4 zur Bindung an MHC-Klasse-II-Proteine Oder - CD8 zur Bindung an MHC-Klasse-I-Proteine. CD4 und CD8 sind Proteine der Zelloberfläche, die mit den T-Zell-Rezeptoren in der Erkennung der MHC-Proteine kooperieren. Reife naive T-Zellen werden an das Blut abgegeben. Ca. 80 T der Lymphozyten im Blut sind T-Zellen. Aktivierung der T-Zellen an dendritischen Zellen Die Aktivierung naiver T-Zellen erfolgt in der Regel an interdigitierenden DC der Lymphknoten. T-Zellen binden nur Antigene, die ihnen präsentiert werden, also keine löslichen Antigene. Erkennt eine T-Zelle einen Komplex aus Antigenpeptidfragment und MHC-Klasse-II-Protein, synthetisiert sie sowohl IL-2 als auch IL-2-Rezeptoren und stimuliert so ihre eigene Proliferation. T-Helferzellen: T-Effektorzellen mit CD4-Marker CD4-T-Zellen entwickeln sich im Anschluss an die Aktivierung zu T-Helferzellen. Je nach Typ des präsentierten Antigens entsteht eine T H 1- oder eine T H 2-Zelle. Beide üben ihre Funktion in Wechselwirkung mit MHC-Klasse-II-Proteinen einer Zielzelle aus: - T H 2-Zellen binden bevorzugt an B-Zellen und aktivieren diese dadurch (siehe oben) - T H 1-Zellen binden bevorzugt an Makrophagen und aktivieren diese dadurch

14 14 Biochemische Aspekte des Immunsystems - Werner L. H. Makrophagen nehmen Erreger durch Phagozytose auf, töten sie im Phagosom und bauen sie ab. Letzteres geschieht im Phagolysosom, wo schließlich Peptidfragmente an MHC-Klasse-II-Proteine gebunden werden. Die Komplexe aus Peptidfragment und MHC-Protein werden an die Zelloberfläche transportiert und dort von T H 1-Zellen erkannt. Diese aktivieren die Makrophagen dazu, toxische Substanzen zur Abtötung der Erreger zu bilden. Eine permanente Produktion dieser toxischen Stoffe würde die Gewebe schädigen. Deshalb werden sie in größeren Mengen erst nach Aktivierung der Makrophagen durch T H 1-Zellen gebildet. Die Aktivierung erfolgt parallel über mehrere Signale der T H 1-Zelle: - Bindung des T-Zell-Rezeptors an das MHC-II-gebundene Antigenfragment - Präsentation des CD40L - Sekretion von IFN-γ Zytotoxische T-Zellen: Effektor-T-Zellen mit CD8-Marker Naive CD8-T-Zellen werden im Anschluss an die Aktivierung durch DC zu zytotoxischen T-Zellen. Diese T-Zellen dienen insbesondere der gezielten Abtötung körpereigener Zellen, die von Viren oder intrazellulären Mikroorganismen infiziert sind. Erkennung infizierter Zellen durch zytotoxische T-Zellen: Intrazelluläre Erreger werden abgebaut und Peptidfragmente an MHC-Klasse-I-Proteine gebunden an der Zelloberfläche exponiert. Dieser Komplex wird unter Beteiligung des CD8-Proteins vom T-Zell-Rezeptor der zytotoxischen T-Zelle erkannt. Vermittelt durch IFN-α- und -β bilden infizierte Zellen oft mehr MHC-Klasse-I-Proteine als nichtinfizierte Zellen. Die Peptidfragmente, die den intrazellulären Erreger letztlich an der Zelloberfläche verraten, entstehen im Zytosol der Zelle durch Aktivität des Proteasoms (ATP-abhängiger Komplex verschiedener Proteasen). Sie werden anschließend in das ER eingeschleust und hier an MHC-Klasse-I-Proteine gebunden und gelangen durch vesikulären Transport an die Membranoberfläche. MHC-Klasse-I-Proteine werden im ER mit Peptiden beladen, die Peptide stammen aus dem Proteasom-vermittelten Abbau von Proteinen im Zytosol. MHC-Klasse-II-Proteine werden in den Lysosomen beladen. Die Peptide stammen in diesem Fall aus dem Abbau von Proteinen durch Proteasen der Lysosomen. Mechanismus der Zytotoxität: Wenn zytotoxische T-Zellen auf ein körperfremdes Peptid stoßen, das von einer MHC-Klasse-I-Protein präsentiert wird, töten sie die so gekennzeichnete Zelle nicht direkt. Vielmehr induzieren sie in ihren Zielzellen Apoptose. Dies kann auf 2 Arten erfolgen: - Zytotoxische T-Zellen sezernieren das porenbildende Protein Perforin zusammen mit Granzymen = Proteasen, die Apoptose auslösen (=häufigste Form). - Zytotoxische T-Zellen exponieren den Fas-Liganden. Dieser bindet an das Protein Fas (=CD95) der Zielzelle und löst so eine Signalkaskade aus, die zur Apoptose führt.

15 15 Biochemische Aspekte des Immunsystems - Werner L. H. Für die Aktivierung von Lymphozyten sind also 2 Signale erforderlich: NK-Zellen NK-Zellen entwickeln sich wie die anderen Lymphozyten aus lymphatischen Vorläuferzellen im KM und zirkulieren später im Blutkreislauf. Sie sind größer als T- und B-Lymphozyten. NK-Zellen töten ihre Zielzellen ebenfalls durch Sekretion von Perforin und Granzymen. Sie töten bevorzugt Zellen ab, die keine oder nur wenige MHC-Klasse-I-Proteine exponieren. Dieses System ermöglicht die Elimination von Zellen, die von Viren infiziert sind, die den Transport von MHC-Klasse-I- Proteinen an die Zelloberfläche unterdrücken. Bei bestimmten NK-Zellen ist der Mechanismus der Zytotoxizität von Antiköpern abhängig: Zielzellen, die IgG gebunden haben, werden von den NK- Zellen nach Bindung an die Fc-Teile getötet, unabhängig von MHC-präsentierten Antigenen Letzter Überblick Angeborene und erworbene Immunität

16 16 Biochemische Aspekte des Immunsystems - Werner L. H. Humorale und Zellvermittelte Immunität, Beispiele von Krankheitserregern Nützliche und schädliche Immunantworten Differenzierung der Immunzellen

17 17 Biochemische Aspekte des Immunsystems - Werner L. H. Selektion der Lymphozyten

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