Grundlagen der Immunologie

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1 Grundlagen der Immunologie 3-4.Vorlesung Entwicklung und Funktionen der Zellen des Immunsystems Definition der Antigene Moleküle der Immunologischen Erkennung: Antikörper, B-Zell und T-Zell-Rezeptoren

2 Entwicklung und Funktionen der Zellen des Immunsystems

3 Die Zellen des Immunsystems Natürliches/Angeborenes: Adaptives (Spezielles): Granulozyten (Neutrophile, Eosinophil, Basophile) Monozyten, Makrophagen Dendritische Zellen / Langerhans Zellen B-Lymphozyten (Plasma- Zellen) T-Lymphozyten: helfer T-Zellen, zytotoxische T-Zellen, regulatorische T-Zellen Follikuläre dendritische Zellen (FDC) NK-Zellen

4 Stammbaum der Zellen des Immunsystems Omnipotente Knoc he nma rks- Sta mmzelle (Ste m C e ll ) Myeloide Vorlä uferzelle Knochenmark Plurip ote nte Sta mmzelle Lymphoide Vorlä ufe rzelle B- Lymp hozyt T- Lymp hozyt Erythroide C FU Blut Me g a ka ryozyt Ba sop hile C FU Eosinophile C FU NK- Zelle G ra nulozytär- m onozytä re C FU Peripherale Lymphorgane Ma stze lle Erythrozyte n Thrombozyte n Ba so phile G ra nulozyte n Eosinop hile De ndritisc he Neutro phile Monozyte n G ra nulozyten G ra nulozyten Ze lle n

5 Monozyt / DC Differenzierung

6 Lymphozytendifferenzierung

7 Peripherale Lymphozytendifferenzierung

8 B-Zelle Aktivierung Ruhende B-Zelle Antigenerkennung Plasmazelle Aktivierte B-Zelle Klonale Vermehrung

9 Lymphozyten

10 Typen der αβtcr+ T-Zellen 1. CD8+ zytotoxische T-Zellen (CTL) A. tötet virusinfizierte Zellen B. tötet Tumorzellen C. tötet Zellen mit intrazellulären Bakterien im Zytosol 2. CD4+ T-Helferzellen (Th)- Zytokinproduktion A. T-Helferzelle (Th2): aktiviert die B- Zellen um Antikörper zu bilden B entzündliche T-Zelle (Th1): aktiviert Makrophagen, um intrazelluläre Bakterien zu töten

11 Definition der Antigene

12 Definition der Antigene László Detre: Antikörper-Generator = ANTIGEN - Ursprüngliche (alte) Definition: Antigen ist eine fremde Substanz, die eine Immunantwort induzieren kann. - Heutige Definition: Antigen ist eine Substanz, die von T-Zell- und B-Zell-Rezeptoren erkannt wird und eine aktive spezifische Immunantwort oder Toleranz auslöst, die von MHC-Molekülen bestimmt wird.

13 Grundlegende Begriffe Immunogen: Substanz, die in einem Organismus eine spezifische Immunantwort auslösen kann Epitop (Antigendeterminant): ein kleiner Abschnitt des Antigens, der von einem Antikörper, BcR oder TcR erkannt wird. Hapten: eine niedermolekulare Substanz, die selbst nicht immunogen ist, aber wenn sie an einen Träger (Carrierprotein) gebunden wird, induziert sie die Bildung haptenspezifischer Antikörper. Carrier (Träger): ein unspezifisches Trägerprotein, das Haptene koppeln kann, um sie immunogen zu machen.

14 Epitop (Antigendeterminant): ein kleiner Abschnitt des Antigens, der von einem Antikörper erkannt wird

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16 Das komplexe Antigen löst eine polyklonale Immunantwort aus, die zur Bildung verschiedener Antikörper führt

17 Epitope eines Antigens

18 Hapten ist selbst nicht immunogen

19 Immunantwort gegen Hapten-Carrier Komplex

20 Eigenschaften von Antigenen beeinflussen deren Immunogenizität 1. Physikochemische Eigenschaften von Antigenen (Immunogen Molekülen): 2. Molekülgröße > 100 kda 3. Chemische Komplexität, Struktur des Antigens 4. Foreigness - phylogenetische Unterschied zwischen Antigen und körpereigenen Proteinen 5. Antigendosis 6. Lokalisation anatomische Ort

21 Klassifizierung der Antigene 1. nach ihrer Herkunft a. natürlich vorkommende Antigene b. künstliche Antigene c. syntetische Antigene 2. nach chemischen Gesichtspunkten a. Proteine b. Kohlenhydrate c. Nukleinsäuren d. Konjugierte Antigene e. Polypeptide f. Lipide Proteine, Kohlenhydrate, Nukleinsäuren, bakterielle Toxine, Blut-und Gewebezellen Dinitrophenylierte Proteine und Kohlenhydrate Polyaminosäuren, Polypeptide Hormone, Enzyme, Serum,-Ei,-Milchproteine Dextran, Lävan, Blutgruppensubstanzen DNS, RNS Dinitrophenylierte Proteine Polymere von Aminosäuren Cholesterin, Lezithin

22 Klassifizierung der Antigene 3. Nach der genetischen Beziehung zwischen Spender und Empfänger a. Autoantigene (autologes) stammen aus dem eigenen Organismus b. Isoantigene stammen aus einem genetisch identischen (syngen) Spender c. Alloantigene (allogenes) stammen aus einem nicht verwandten Spender derselben Spezies d. Xenoantigene (xenogen) stammen aus einem Spender einer anderen Spezies

23 B- und T-Zellen erkennen unterschiedliche Epitope Antig en- determinanten Trä g e r Ha pten Trä g e r Erke n nung d urc h B- Ze lle n Erke n nung d urc h T- Ze lle n B-Zelle T-Zelle

24 B-Zellen erkennen lineare- und Konformationsepitope

25 Charakteristische Eigenschaften der Antigenerkennung durch T-und B-Zellen B-Zelle T-Zelle Vorliegen des Antigens In löslicher Form, oder an der Oberfläche von Partikeln oder Zellen An eigenem MHC-Molekül gebunden auf der Zelloberfläche Natur des Antigens Ligand native Proteine, Kohlenhydrate, Lipide, Metalle usw. konformationelle oder lineare Determinante Peptide MHC-Peptid-Komplex Rezeptor BcR- bivalent Hapten-spezifisch TcR monovalent MHC+Peptid-spezifisch Mitwirkung anderer Zellen Antigen prozessierung - Antigenpräsentierende Zelle (APC) - Enzymatischer Abbau und Peptidtransport in der APC Korezeptoren CD19, CD21, CD22, CD40 CD4, CD8, CD28/ CTLA4, CD2, CD45, CD38

26 Unterschiede BcR zwischen - TcR B- und T-Zellen in der Antigenerkennung B-Zellen erkennen Antigene in Lösung bzw an Zelloberflächen Antigen Peptid T-Zellen erkennen prozessierte und im Kontext der MHC-Moleküle presäntierte Antigene B-Zelle T-Zelle

27 Antigenspezifische Erkennung

28 Moleküle der Immunologischen Erkennung: Antikörper, B-Zell und T- Zell-Rezeptoren

29 Antigenspezifische Erkennungsmoleküle Immunoglobuline (Ig = Antikörper) B-Zell-Rezeptor (BcR = sig) T-Zell-Rezeptor (TcR) MHC-Klasse-I und Klasse-II

30 Antigenrezeptoren Ig-Superfamilie Antikörper - BcR T-Zell-Rezeptor MHC-Molekülen transmembrane Region zytoplasmatischer Schwanz

31 Domän-Struktur Die genetisch konservierten 110 Aminosäuresequenzen werden durch eine intramolekulare Disulfidbrücke zu größeren globulären Strukturen verbunden.

32 Immunglobulin-Superfamilie antigenspezifische Erkennungsmoleküle akzessorische Moleküle: Korezeptoren und Adhäsionsmoleküle

33 B-Zell-Antigenrezeptor = BcR = sig

34 B-Zell-Antigenrezeptor = BcR = sig variabler Abschnitt (V) - Antigenbindung Kohlenhydrat-Seitenketten konstanter Abschnitt (C)

35 Die Struktur des Ig-Moleküls und des B-Zell-Rezeptors = BcR leichte Kette schwere Kette variabler Abschnitt (V) Scharnierregion = konstanter Abschnitt (C) Effektorfunktionen Domäne transmembraner Abschnitt zytoplasmatischer Abschnitt

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37 Fragmente nach der enzymatischen Spaltung mit Papain und Pepsin

38 Antigenbindung des Immunoglobulinmoleküls Leichte Kette Antigen Variable Region CDR (complementarity determining Region) Fragment Fab Variable Antikörper Konstante Region Isotyp Fragment Fc Konstant Schwere Kette

39 Die Antigenbindungsstelle wird von den CDRs gebildet CDR = hypervariable Abschnitte V le ic hte Ke tte CDR1 CDR2 CDR3 V nicht-kovalente Bindung: sc hwere Kette AN TIG ENDETERMIN ANTE (=EPITOP) CDR3 CDR1 CDR2 - elektrostatische Kräfte - Wasserstoffbrücken - Van-der-Waals-Kräfte - hydrophobe Interaktionen

40 Variabilität der Aminosäuren in der hypervariablen Region der L-Ketten des Immunoglobulins: Varibilität CDR1 CDR2 Die Position der Aminosäuren nummeriert von N-Terminus

41 Idiotyp Individuelle Determinante in den variablen Regionen (V), charakteristisch für jeden spezifischen Antikörper, synthetisiert durch einen bestimmten B-Zellklon. Immunglobulin G Synonyme CDR, hypervariable Region, antigenbindende Region der Fab

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43 Immunglobulin Isotypen = Ig-Klassen Benannt nach der konstanten Struktur (C) von schweren (H) und leichten (L) Ketten Immunglobulinklassen (Isotypen) sind nach der schweren Kette (CH) benannt : γ, µ, α, ε, δ à IgG, IgM, IgA, IgE und IgD. Alle Isotypen sind in einem normalen Serum vorhanden, bis auf IgD, das nur in membrangebundener Form existiert Leichte-Kette (CL) hat zwei isotypische Formen: kappa (κ) und lambda (λ), die sich mit allen schweren Ketten Isotypen verbinden können.

44 Charakter der Immunoglobuline Monofunktionaler Charakter vor der Antigenbindung à BcR spezifische Antigenerkennung und bindung Polyfunktionaler Charakter nach der Antigenbindung à sekretorische Immunglobulin 1. Aktivierung des Komplementsystems, 2. Signaltransduktion, 3. Bindung an unterschiedliche immunologische Effektorzellen durch Fc-Rezeptoren, usw.

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47 Schwere Kette (H) Leichte Kette (L) Immunglobulin- Klassen Immunglobulin- Subklassen γ1 Κ oder λ IgG1 γ2 Κ oder λ IgG IgG2 γ3 Κ oder λ IgG3 γ4 Κ oder λ IgG4 α1 Κ oder λ IgA1 IgA α2 Κ oder λ IgA2 µ Κ oder λ IgM IgM ε Κ oder λ IgE IgE δ Κ oder λ IgD IgD

48 Fc IgG-Untergruppen (Subklassen)

49 Funktione der Ig-Klassen

50 Serumproteine Serum ELFO

51 Funktion der IgG-Klasse IgG (Mw 150 kd) - 80% des zirkulierenden Immunglobulins im Blut, der Körperflüssigkeit und der Lymphe. - die längste Halbwertszeit: ~ 3 Wochen - Nur IgG mütterlichen Ursprungs können die Plazentawand durchdringen - FcRn - Neutralisierung der Giftstoffe und Viren, - Bindung an Fc-Rezeptoren der Phagozyten - Komplementaktivierung - Antikörper-abhängige zellvermittelte Zytotoxizität = ADCC

52 Funktion der IgA IgA (Mw kd, - Monomere Form in Serum (IgA1) - dimere Struktur sekretorische IgA - Schleimhaut-Oberfläche, MALT, Muttermilch, Blut - Funktion: Neutralisierung - Komplementaktivierung - FcαR-Bindung Phagozytose

53 Funktionen der IgM IgM Mw 900 kd - pentamere Struktur - Blut, Lymphe - auf der Zelloberfläche: monomere Struktur, existiert als B-Zell-Rezeptor - bei der primären Immunantwort zuerst erscheinender Antikörper Funktion: - Neutralisierung (agglutination) - Komplementaktivierung, - Schutz der Schleimhäute

54 IgE (Mw 190 kd) - Blut und Lymphe (bindungsfähig an Basophyle oder Mastzellen) - Abwehr gegen Parasiten - verursacht allergische Reaktionen Immunglobulin E Die Bindungsstelle für Mastzellen und Basophylen Kohlenhydrat Regionen Konstante (C)Regionen Antigenbindungsstellen Disulfid- Brücken

55 IgD (Mw 150 kd) exprimiert nur auf naiver B-Zelloberfläche als Antigenerkennungsrezeptor

56 Kinetik der Antikörperproduktion Später 7 Tage

57 Aufbau von T-Zell-Rezeptorkomplex (TCR) Domain Antigenerkennungs-Ketten: α, β oder γ, δ Heterodimere Signalübertragungs-Ketten: CD3 γ, δ, ε, ζ ITAMs:Immunorezeptor Tyrosine Activation Motifs TCR ~ /Zelle

58 T-Zell-Rezeptorkomplex Antigenspezifische Ketten: TcR-αß (97% der T-Zellen) Funktion: MHC-Peptid-Erkennung TcR-γδ (3% der T-Zellen) Funktion: Peptid-, Lipid-, Kohlenhydraterkennung Akzessorische Moleküle: CD3 gamma, delta, epsilon, zeta, eta Ketten Funktion: Signalisierungà Transportsignale für die TCRantigenspezifischen Ketten (beide αß, γδ TcR) von der Zelloberfläche Korezeptoren: CD4 oder CD8 (TcR-αß T-Zellen) Funktion: MHC-Restriktion, Signalisierung

59 Unterschiede zwischen Th- und Tc- Zellen in der MHC-abhängigen Antigenerkennung

60 T-Zell-Antigenrezeptor-Komplex CD3-Komplex: - regulatorische Funktionen - Signaltransduktion ITAMs = Immunrezeptor Tyrosine-basiert Aktivierungssequenzen bei Ligand-Rezeptorbindungen wird es phosphoryliert und gibt das Signal an eine Kaskade von Übermittler- Molekülen weiter

61 T-Zell Korezeptoren

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