Springer-Lehrbuch
Jürgen Neumann Immunbiologie Eine Einführung Mit 124 Abbildungen 123
Dr. Jürgen Neumann Universität Bonn Abteilung Immunbiologie Römerstraße 164 53117 Bonn juergen.neumann@uni-bonn.de Umschlagabbildungen links: Querschnitt durch einen Lymphknoten (= Abb. 1.5), rechts: Immunfluoreszenzfärbung von epidermalen Langerhans-Zellen ISBN 978-3-540-72568-8 e-isbn 978-3-540-72569-5 DOI 10.1007/978-3-540-72569-5 Springer Lehrbuch ISSN 0937-7433 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar. 2008 Springer-Verlag Berlin Heidelberg Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Produkthaftung: Für Angaben über Dosierungsanweisungen und Applikationsformen kann vom Verlag keine Gewähr übernommen werden. Derartige Angaben müssen vom jeweiligen Anwender im Einzelfall anhand anderer Literaturstellen auf ihre Richtigkeit überprüft werden. Einbandgestaltung: WMX Design GmbH, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem Papier 9 8 7 6 5 4 3 2 1 springer.com
Vorwort Dieses Lehrbuch ist aus dem Kurs Immunbiologie hervorgegangen, den der Verfasser im Rahmen des Diplom-Studienganges Biologie an der Universität Bonn etwa sechs Jahre lang durchgeführt hat. Der Kurs soll einen Einblick in die Vielfalt dieses Faches geben und das grundsätzliche Verständnis für immunbiologische Vorgänge ermöglichen. Die Immunbiologie ist eine interdisziplinäre Wissenschaft. In ihr vereinigen sich viele Gebiete aus der Biochemie, der molekularen Genetik und der Physiologie. Unser Wissen auf allen diesen Gebieten hat sich in den letzten Jahrzehnten explosionsartig vergrößert und zu immer tieferen Erkenntnissen von immunbiologischen Vorgängen geführt. Es ist daher sicher nicht problemlos, in einem kurzen Lehrbuch die wichtigsten Zusammenhänge darstellen zu wollen. Darum richtet sich dieses Buch auch in erster Linie an Studentinnen und Studenten der Fächer Medizin, Biologie, Physiologie, Pharmakologie und Biochemie, die sich chemische und molekularbiologische Grundkenntnisse in den ersten Semestern angeeignet haben sollten. Selbst wenn diese Kenntnisse lückenhaft sind, kann dieses Lehrbuch durchgearbeitet werden, wenn daneben einführende Lehrbücher der Biochemie und Genetik benutzt werden. Um den Leser an aktuellen Themen teilhaben zu lassen, wurden in diesem Lehrbuch bewusst aktuelle Fragen zur Steuerung der Immunität aufgegriffen. Die Antworten auf viele dieser Fragen sind letztlich noch nicht gesichert und befinden sich im Fluss von wissenschaftlichen Erkenntnissen. Bedanken möchte ich mich bei denjenigen Studierenden, die mich dazu motiviert haben, auf der Basis von Tafelbildern ein einführendes Lehrbuch in die Immunbiologie zu schreiben. Mein besonderer Dank gilt Frau B. Hoffzimmer für zahlreiche Tipps und Verbesserungsvorschläge im Manuskript, sowie Frau S. Wolf vom Springer-Verlag und Frau Dr. C. Schön für ihre kritische und fachkundige Mitwirkung bei der Korrektur und der Gestaltung dieses Buches. Über dies danke ich meiner Familie, für ihre Unterstützung und ihr Verständnis in den vielen Stunden meiner Abwesenheit. Bornheim, November 2007 J. Neumann
Inhalt 1 Das Immunsystem 1.1 Bedeutung des Immunsystems..................................... 1 1.2 Das Immunsystem unterscheidet zwischen körpereigen und körperfremd................................................. 3 1.3 Der Hämatopoetische Stammbaum................................. 4 1.4 Lymphatische Organe............................................. 8 1.4.1 Lymphknoten.................................................... 11 1.4.2 Milz............................................................ 13 1.4.3 Immunabwehr in der Haut........................................ 15 1.4.4 Immunabwehr in der Mukosa...................................... 18 1.4.5 Thymus......................................................... 20 1.5 Die Wanderung von Lymphozyten zwischen Blut und Lymphe......... 22 1.6 Angeborene und erworbene Immunität............................. 24 Aufgaben.............................................................. 27 Spezielle Literatur....................................................... 27 2 Rezeptoren des Immunsystems 2.1 Rezeptoren der angeborenen Immunität............................. 29 2.2 Rezeptoren der erworbenen Immunität.............................. 35 2.2.1 Aufbau von Antikörpern.......................................... 36 2.2.2 Antikörperklassen................................................ 42 2.2.3 Antikörpervielfalt................................................ 46 2.3 Der T-Zell Rezeptor.............................................. 60 2.3.1 Aufbau des T-Zell Rezeptors....................................... 60 2.3.2 Die T-Zell Rezeptor Vielfalt........................................ 60 2.4 Der MHC....................................................... 63 2.4.1 Die genomische Organisation des MHC............................. 64 2.4.2 Die Struktur von MHC-I und -II Molekülen......................... 69 2.4.3 Die Nomenklatur von MHC-I und -II Molekülen..................... 70 2.4.4 Die Bindungseigenschaften von MHC-I und -II Molekülen............ 72 2.4.5 Der MHC-I und -II Prozessierungsweg.............................. 72 2.4.6 Die MHC-Restriktion............................................. 78 2.5 MHC Klasse-I ähnliche Rezeptoren................................. 80 2.5.1 CD1: Lipidpräsentierende Rezeptoren............................... 80
VIII Inhalt 2.5.2 HLA-G und HLA-E: Bedeutsam für die Schwangerschaft............. 81 2.5.3 M10 Proteine: Teil eines intrinsischen Partnervermittlungsapparates?................................... 82 Aufgaben............................................................. 85 Spezielle Literatur...................................................... 85 3 Entwicklung und Aktivierung von T-Zellen 3.1 Entwicklung von T-Zellen........................................ 87 3.1.1 Thymopoese im Überblick........................................ 89 3.1.2 Bedeutung von γδ-t-zellen....................................... 90 3.1.3 NKT-Zellen und regulatorische T-Zellen........................... 90 3.1.4 Der T-Zell Rezeptorkomplex...................................... 92 3.2 Aktivierung von CD4 + T-Zellen................................... 92 3.2.1 Aktivierung von CD8 + T-Zellen................................... 96 3.2.2 Die B7/CD28 Familie............................................ 98 3.3 Gedächtnis T-Zellen............................................. 101 3.4 Die immunologische Synapse..................................... 102 3.5 Adhäsionsmoleküle.............................................. 102 3.6 Signaltransduktionskaskade....................................... 103 3.7 Bedeutung von T-Helfer Zellen und zytotoxischen T-Zellen........... 110 Aufgaben............................................................. 113 Spezielle Literatur...................................................... 114 4 Entwicklung und Aktivierung von B-Zellen 4.1 Entwicklung von B-Zellen........................................ 115 4.2 Der B-Zell Rezeptor Komplex..................................... 117 4.3 B-Zell Aktivierung.............................................. 119 4.3.1 Thymus abhängige und Thymus unabhängige Antigene............... 126 4.4 Signaltransduktion durch Thymus abhängige Antigene............... 128 4.5 Komplementrezeptor vermittelte Signaltransduktion in B-Zellen....... 129 4.6 B1 B-Lymphozyten.............................................. 131 4.7 Toll-like Rezeptoren und B-Zell Aktivierung........................ 132 Aufgaben............................................................. 133 Spezielle Literatur...................................................... 134 5 Effektorreaktionen von angeborener und erworbener Immunität 5.1 Allgemeines.................................................... 137 5.2 Das Komplementsystem.......................................... 138 5.2.1 Aktivierung des Komplementsystems.............................. 140 5.2.2 Anaphylatoxine................................................. 145 5.2.3 Komplementrezeptoren.......................................... 147
Inhalt IX 5.2.4 Komplementproteine werden auf körpereigenen Zellen inaktiviert..... 149 5.3 Cytokine....................................................... 150 5.3.1 Cytokinrezeptoren............................................... 154 5.4 Natürliche Killerzellen (NK-Zellen)................................ 157 5.5 Aktivierung von Makrophagen durch LPS.......................... 160 5.6 Aktivierung von Makrophagen durch T H1 -Zellen (Effektorreaktion von T H1 -Zellen).................................. 166 5.7 Effektorreaktion von zytotoxischen CD8 + T-Zellen................... 170 5.8 Infektion und Bekämpfung: CD4 + T-Zellen im Überblick............. 173 5.9 Infektion und Bekämpfung: CD8 + T-Zellen im Überblick............. 175 Aufgaben............................................................. 180 Spezielle Literatur...................................................... 180 6 Toleranz, Transplantatabstoßung, Allergie, Autoimmunität, HIV und AIDS 6.1 Zentrale und periphere T-Zell Toleranz............................. 181 6.2 Zentrale und periphere B-Zell Toleranz............................. 185 6.3 Transplantatabstoßung........................................... 187 6.3.1 Die hyperakute Transplantatabstoßung............................. 189 6.3.2 Die T-Zell vermittelte, akute Transplantatabstoßung.................. 193 6.3.3 Die T-Zell vermittelte, langsame Transplantatabstoßung.............. 193 6.3.4 Reaktionen des Transplantates gegen den Empfänger: graft versus host disease........................................... 194 6.4 Allergie und Autoimmunität...................................... 194 6.4.1 Typ-I Hypersensitivität........................................... 198 6.5 Entstehung von Autoimmunerkrankungen.......................... 209 6.5.1 Beispiele für Autoimmunerkrankungen............................ 214 6.6 HIV und AIDS.................................................. 223 6.6.1 Epidemiologie.................................................. 224 6.6.2 Aufbau des HI-Virus............................................. 225 6.6.3 Genomische Organisation........................................ 227 6.6.4 Der virale Lebenszyklus.......................................... 228 6.6.5 Klinischer Verlauf einer unbehandelten HIV-Infektion............... 234 6.6.6 HIV Pathogenese................................................ 234 6.6.7 Therapie....................................................... 237 Aufgaben............................................................. 239 Spezielle Literatur...................................................... 242 7 Das Immunsystem der Invertebraten 7.1 Zelluläre Bestandteile des Immunsystems der Invertebraten.......... 245 7.2 Immunozyten: Zelluläre Effektorreaktionen......................... 247 7.2.1 Phagozytose.................................................... 247 7.2.2 Kapselbildung durch Immunozyten................................ 250
X Inhalt 7.2.3 Bildung von Granulomen......................................... 252 7.3 Humorale Effektormoleküle des Immunsystems der Invertebraten..... 252 7.3.1 Antimikrobielle Polypeptide...................................... 252 7.3.2 Agglutinine..................................................... 253 7.3.3 Das Prophenoloxidase aktivierende System......................... 253 7.3.4 Cytokine, Neuopeptide und Opioide............................... 254 7.3.5 Komplement ähnliche Faktoren................................... 254 7.4 Toll und die Evolution des angeborenen Immunsystems.............. 255 7.4.1 Toll und der Interleukin-1 Rezeptor................................ 257 7.4.2 Signaltransduktion durch Toll und dem Interleukin-1 Rezeptor........ 258 7.5 Toll Rezeptoren: Regulatoren von angeborener und erworbener Immunität....................................... 262 7.6 Invertebraten und der Ursprung der adaptiven Immunität............ 267 Aufgaben............................................................. 268 Spezielle Literatur...................................................... 269 Literaturverzeichnis................................................... 271 Anhang A Lösungen............................................................. 273 Anhang B Nobelpreise für immunologische Forschung............................... 277 Index.................................................................. 279