Antigenpräsentation Monika Raulf-Heimsoth Welche Zellen sind an der Antigenpräsentation beteiligt? Institut für Prävention und Arbeitsmedizin der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung, Institut der Ruhr-Universität Bochum (IPA) Vorlesung 05.05.2010 Wozu dient die Antigenpräsentation? Keyplayer der adaptiven Immunität Aktivierung von T-Zellen T-Zellen (aus dem Thymus kommend) Viren und einige Bakterien Parasiten vermehren sich intrazellulär und sind für Antikörper nicht erreichbar T-Zellen sind für die Kontrolle intrazellulärer Krankheitserreger und für die Aktivierung von B-Zell-Reaktionen gegen die meisten Antigene erforderlich. Zellvermittelte Reaktionen basieren auf direkten Wechselwirkungen zwischen T-Lymphozyten und Zellen, die das von den T-Zellen erkannte Antigen tragen. T-Helfer-Zellen [CD4 ] Cytotoxische Zellen [CD8 ] In beiden Fällen erkennen T-Zellen ihre Zielzellen aufgrund der Peptidfragmente, die von fremden Proteinen stammen. Haupthistokompatibilitätskomplex (HLA) oder Majorhistocompatibility complex (MHC) sind membrangebundene Glykoproteine, die den T-Zellen Peptidantigene präsentieren. 1
MHC-Gene wichtig für die Verträglichkeit (Kompatibilität) von Gewebetransplantaten da mehrere eng gekoppelte, sehr polymorphe Gene die Histokompatibilität festlegen, entstand der Begriff Histokompatibilitätskomplex T-Zellen erkennen Peptidfragmente, die von einem fremden Antigen stammen nur, wenn sie an MHC-Moleküle gebunden sind. Es gibt 2 Klassen von MHC-Molekülen: MHC I-Moleküle MHC II-Moleküle wichtiges Unterscheidungsmerkmal: Herkunft der Peptide, die die MHC-Moleküle einfangen und an die Zelloberfläche transportieren Antigenpräsentierende Zellen DC Makrophagen B-Zelle Die Eigenschaften verschiedener antigenpräsentierender Zellen Antigenaufnahme +++ Makropinocytose und Phagocytose durch dendritische Gewebe-zellen; Virusinfektion Phagocytose +++ antigenspezifischer Rezeptor (Ig) ++++ MHC-Expression auf dendritischen Gewebezellen gering; auf dendritischen Zellen in Lymphgeweben stark durch Bakterien und Cytokine induzierbar; bis +++ konstitutive Zunahme bei Aktivierung; +++ bis ++++ Aussendung kostimulierender Signale konstitutiv durch reife, nicht phagocytierende, lymphatische dendritische Zellen ++++ induzierbar; bis +++ induzierbar; bis +++ präsentierte Antigene Peptide, virale Antigene, Allergene partikuläre Antigene, intra- und extrazelluläre Pathogene lösliche Antigene, Toxine, Viren Lokalisation lymphatisches Gewebe, Bindegewebe, Epithelien lymphatisches Gewebe, Bindegewebe, Körperhöhlen lymphatisches Gewebe, Blut in der Peripherie Krankheitserreger und ihre Produkte befinden sich entweder im Cytoplasma oder in den Vesikeln der Zelle 1. Schritt: Antigenaufnahme/ -prozessierung Antigen APZ Proteasen T-Zell-Peptide MHC-Moleküle aus: Immunologie, Janeway et al. T-Zelle 2
2. Schritt: Stimulation der T-Zellen durch eine antigenpräsentierende Zelle Antigen MHC = Major Histocompatibility Complex Primäre Funktion: Bindung und Präsentation von antigenen Peptiden auf der Zelloberfläche zur Bindung an den antigen-spezifischen TCR auf Lymphozyten. T-Lymphozyt TCR CD28/ CTLA-4 1. Signal MHC+ Peptid CD 80/86 APC MHC Klasse I und Klasse II haben unterschiedliche strukturelle Eigenschaften hinsichtlich der Aktivierung von unterschiedlichen T-Lymphozyten MHC I präsentiert Peptide für zytotoxische T c -Lymphozyten bindet exprimieren CD8 an 2. Signal MHC II präsentiert Peptide für Helfer T H -Lymphozyten bindet an CD4 exprimieren Unterschiedlicher Antigenabbau und Prozessierungswege, die zu den endogenen Peptiden assoziiert mit MHC I exogenen Peptiden assoziiert mit MHC II führen. MHC I: - endogen synthetisierte Antigene werden proteolytisch fragmentiert - kleine Peptidfragmente werden ins ER transportiert und verbinden sich mit dem entstehenden (instabilen) MHC I-Molekül - MHC I-Peptid-Komplex wandert durch den Golgi-Apparat und gelangt an die Zelloberfläche Präsentation CD8-Zellen MHC II: - exogene Peptide, die von APC internalisiert werden, werden proteolytisch fragmentiert - Peptidfragmente werden kompartimentalisiert im Endosomen und - assoziieren an das MHC II-Molekül; Komplex gelangt an die Zelloberfläche Präsentation CD4-Zellen Die Größe der Antigenpeptide, die in der Bindungstasche von MHC Klasse I bzw. Klasse II liegen, sind unterschiedlich: MHC I-Peptide 8 10 AS MHC II-Peptide 13 18 AS Unterschiedlicher Aufbau, da unterschiedliche α- und β-polypeptid- Untereinheiten vorliegen, die zu αβ-heterodimeren heranreifen: MHC I: α-ue (wird von polymorphen MHC-Genen codiert) β-ue (nicht MHC-Gen codiert) β 2 Mikroglobulin (β 2 m), sehr konserviert MHC II: α-ue MHC-Gen codiert β-ue αβ-dimer haben die Tendenz zu (αβ) 2 zu assoziieren 3
Differenzierte zellspezifische Expression von Klasse I- und Klasse II- Molekülen korreliert mit der Spezialisierung der Immunzellen MHC I-Expression ist weit verbreitet auf fast jeder Körperzelle zytotoxische T-Zellen haben eine protektive Funktion MHC II-Expression ist beschränkt auf APC lokale Aktivierung von Helfer-T-Zellen wichtige Eigenschaft: Multi-Peptid-Bindung Antigenprocessing und Antigenpräsentation MHC-Moleküle sind ohne gebundenes Peptid instabil; Für MHC I-Präsentation wichtige Proteine/Strukturen: TAP1 + TAP2 (Transporters associated with antigen processing 1/2); TAP1:TAP2-Komplex ist ein ATP-abhängiger Peptidtransporter Proteasomen (multikatalytischer Proteasekomplex) (Untereinheiten des Proteasomens (LMP2 + LMP7) werden nahe den TAP1- und TAP2-Genen im MHC codiert; auch ihre Expression ist durch IFN induzierbar (IFN ist Virusinduzierbar)) Proteine mit chaperonartigen Funktionen (Calreticulin) ( zelluläres Qualitätsmanagement ) MHC I-Klasse I-Moleküle verlassen das ER nur, wenn sie Peptide gebunden haben Peptide, die von MHC II-Molekülen präsentiert werden, entstehen in angesäuerten endocytotischen Vesikeln im ER: MHC I-α-Ketten lagern sich mit Calnexin (membrangebunden) zusammen Bindung des MHC I-α/Calnexin-Komplexes an β 2 -Makroglobin (β 2 m) Neues MHC I-αβ 2 m-diner löst sich von Calnexin Komplex tritt in Wechselwirkung mit Tapasin (ist TAP-assoziiert) Chaperonmoleküle Calreticulin + Erp57 tragen zur Stabilität des Komplexes bei Bindung des Peptids (Proteinspaltung im Proteasom und Transport durch TAP ins ER) an den Komplex führt zur Vervollständigung der Faltung und Peptid-MHC-Komplex verlässt das ER und wird über den Golgi-Apparat an die Zelloberfläche transportiert MHC I-Moleküle liegen in einer Zelle im Überschuss vor, damit die Zelle im Falle einer Virusinfektion schnell reagieren kann Extrazelluläre Proteine oder Krankheitserreger, die sich intrazellulär vermehren (Parasiten, Mycobakterien) Aufnahme in intrazelluläre Vesikel (Endosomen) Absinken des ph-wertes in den Endosomen = Ansäuerung bewirkt die Aktivierung der Proteasen (saure Proteasen*) Fusion der Endosomen bei der Wanderung ins Zellinnere mit den Lysosomen Spaltung der Proteinantigene + Bindung an MHC II-Moleküle aus dem ER werden durch die invariante Kette (Ii) zu den angesäuerten Vesikeln dirigiert *z.b. Cysteinproteasen wie Cathepsin B, D und S sowie L Antigenpräsentation über MHC II-Moleküle Wichtige Komponenten: Invariante Kette (Ii) a) bindet an das MHC II αβ-heterodimer; belegt die Bindungsfurche für Peptide verhindert die Belegung durch Peptide im ER; im ER sind die einzelnen Komponenten an Calnexin assoziiert vollständiger Komplex löst sich von Calnexin und wird aus ER heraustransportiert Peptide aus ER können nicht gebunden werden b) sorgt für Transport des Komplexes zu einem endosomalen Kompartiment (wahrscheinlich MIIC = MHC II-Kompartiment) hier wird Ii durch Proteasen zerschnitten übrig bleibt ein kurzes Ii-Stück = CLIP CLIP = class II-associated invariant chain peptide Verhindert noch die Beladung mit dem Peptid HLA-DM - bindet an und stabilisiert leere MHC II-Moleküle - katalysiert Freisetzung des CLIP-Fragments - analog zu TAP-Molekülen bei MHC I-Molekülen 4
Unterschiedliche Eigenschaften der MHC- Moleküle Expression MHC Klasse I auf allen kernhaltigen Zellen des Körpers MHC Klasse II auf professionellen Antigenpräsentierenden Zellen Aktivierung von CD8 + T-Zellen von CD4 + T-Zellen MHC Klasse I- und Klasse II- Moleküle extrazelluläre Domäne *2 Genloci HLA-A, HLA-B, HLA-C HLA-DR, HLA-DP, HLA-DQ Aufbau Peptide Transmembranständige α- Kette assoziiert mit β2- Mikroglobulin max. 8-10 Aminosäuren lang Transmembranständiges Heterodimer aus α- und β- Kette mind. 13 Aminosäuren lang Struktur des MHC Klasse I- Moleküls besteht aus α-kette + β2- Mikroglobulin *1 Struktur des MHC Klasse II- Moleküls Beladung im endoplasmatischen Retikulum im intrazellulären Vesikel *1 12 kd; nicht polymorph *2 gehört zur Immunglobulinsuperfamilie Der MHC-II-Präsentationsweg Genetische Organisation des Haupthistokompatibilitätskomplexes beim Menschen Antigen MHC-II proteolytische Enzyme HLA-Locus (human leucocyte antigen) Invariante Kette mit CLIP-Fragment (rot) beim Menschen auf Chromosom 6 Rezeptorvermittelt Phagozytose Endosom z.b. TAP 1, 2 FE IE Antigenpräsentierende Zelle ER MIIC Golgi MHC-Moleküle sind polymorphe Transmembranglykoproteine β2-mikroglobulin (ist Teil des MHC-Klasse I-Moleküls, aber nicht auf Chromosom 6 lokalisiert) FE = frühe Endosomen IE = intermediäre Endosomen ER = endoplasmatisches Retikulum MIIC = MHC-beladenes Kompartiment an MHC I-Klasse gebundene Peptide stimulieren CD8-Zellen Strategien von Viren, den Mechanismus der Antigenpräsentation zu verhindern: Herpes simplex-virus: verhindert Transport viraler Peptide ins ER durch Erzeugung eines Proteins, das an den TAP-Transporter bindet und diesen blockiert Adenovirus: synthetisieren ein Protein, das MHC I-Moleküle im ER zurückhalten kann Cytomegalievirus (HCMV): beschleunigt den retrograden Transport von MHC I-Molekülen zurück ins Cytosol, wo sie abgebaut werden Die Rolle von T-Effektorzellen bei der zellulären und humoralen Immunreaktion gegen verschiedene Krankheitserreger Lokalisation T-Effektorzelle typische Krankheitserreger Antigenerkennung Wirkungsweise des Effektors Vacciniavirus, Influenzavirus, Tollwutvirus, Listeria Cytosol Cytotoxische CD8-T-Zelle Peptid: MHC- Klasse-I auf infizierter Zelle Abtöten der infizierten Zelle aus: Immunologie, Janeway et al. zellvermittelte Immunität Mycobacterium tuberculosis Mycobacterium leprae Leishmania donovani, Pneumocystis carinii Vesikel von Makrophagen T H 1-Zelle Peptid: MHC-Klasse-II auf infiziertem Makrophagen Aktivierung infizierter Makrophagen humorale Immunität Clostridium tetani Staphylococcus aureus Streptococcus pneumoniae Poliovirus Pneumocystis carinii extrazelluläre Flüssigkeit T H 2/T H 1-Zelle Peptid: MHC-Klasse-II auf antigenspezifischer B- Zelle Aktivierung spezifischer B- Zellen zur Synthese von Antikörpern 5
Antigene, die von T-Zellen erkannt werden, haben zwei unterschiedliche Interaktionsbereiche Agretop interagiert mit dem MHC-Molekül Epitop interagiert mit dem TCR Klasse II-MHC Agretop TCR Epitop 6