Immunbiologie: Eine Einführung (Springer-Lehrbuch)

Springer-Lehrbuch

Jürgen Neumann

Immunbiologie Eine Einführung Mit 124 Abbildungen

123

Dr. Jürgen Neumann Universität Bonn Abteilung Immunbiologie Römerstraße 164 53117 Bonn [email protected]

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 987654321 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 1.1 1.2

Das Immunsystem Bedeutung des Immunsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das Immunsystem unterscheidet zwischen körpereigen und körperfremd . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Der Hämatopoetische Stammbaum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4 Lymphatische Organe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.1 Lymphknoten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.2 Milz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.3 Immunabwehr in der Haut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.4 Immunabwehr in der Mukosa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.5 Thymus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5 Die Wanderung von Lymphozyten zwischen Blut und Lymphe . . . . . . . . . 1.6 Angeborene und erworbene Immunität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spezielle Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 4 8 11 13 15 18 20 22 24 27 27

2 2.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.3 2.3.1 2.3.2 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.5 2.4.6 2.5 2.5.1

29 35 36 42 46 60 60 60 63 64 69 70 72 72 78 80 80

Rezeptoren des Immunsystems Rezeptoren der angeborenen Immunität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rezeptoren der erworbenen Immunität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau von Antikörpern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Antikörperklassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Antikörpervielfalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Der T-Zell Rezeptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau des T-Zell Rezeptors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die T-Zell Rezeptor Vielfalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Der MHC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die genomische Organisation des MHC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Struktur von MHC-I und -II Molekülen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Nomenklatur von MHC-I und -II Molekülen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Bindungseigenschaften von MHC-I und -II Molekülen . . . . . . . . . . . . Der MHC-I und -II Prozessierungsweg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die MHC-Restriktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MHC Klasse-I ähnliche Rezeptoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CD1: Lipidpräsentierende Rezeptoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

VIII

Inhalt

2.5.2 2.5.3

HLA-G und HLA-E: Bedeutsam für die Schwangerschaft . . . . . . . . . . . . . M10 Proteine: Teil eines „intrinsischen Partnervermittlungsapparates“? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spezielle Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82 85 85

3 Entwicklung und Aktivierung von T-Zellen 3.1 Entwicklung von T-Zellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Thymopoese im Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Bedeutung von γδ-T-Zellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3 NKT-Zellen und regulatorische T-Zellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.4 Der T-Zell Rezeptorkomplex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Aktivierung von CD4+ T-Zellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Aktivierung von CD8+ T-Zellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Die B7/CD28 Familie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Gedächtnis T-Zellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Die immunologische Synapse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Adhäsionsmoleküle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6 Signaltransduktionskaskade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7 Bedeutung von T-Helfer Zellen und zytotoxischen T-Zellen . . . . . . . . . . . Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spezielle Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

87 89 90 90 92 92 96 98 101 102 102 103 110 113 114

4 Entwicklung und Aktivierung von B-Zellen 4.1 Entwicklung von B-Zellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Der B-Zell Rezeptor Komplex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 B-Zell Aktivierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Thymus abhängige und Thymus unabhängige Antigene . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Signaltransduktion durch Thymus abhängige Antigene . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 Komplementrezeptor vermittelte Signaltransduktion in B-Zellen . . . . . . . 4.6 B1 B-Lymphozyten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7 Toll-like Rezeptoren und B-Zell Aktivierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spezielle Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

115 117 119 126 128 129 131 132 133 134

5 5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3

Effektorreaktionen von angeborener und erworbener Immunität Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das Komplementsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aktivierung des Komplementsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anaphylatoxine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Komplementrezeptoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

81

137 138 140 145 147

Inhalt

IX

5.2.4 5.3 5.3.1 5.4 5.5 5.6

149 150 154 157 160

Komplementproteine werden auf körpereigenen Zellen inaktiviert . . . . . Cytokine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cytokinrezeptoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Natürliche Killerzellen (NK-Zellen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aktivierung von Makrophagen durch LPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aktivierung von Makrophagen durch TH1-Zellen (Effektorreaktion von TH1-Zellen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.7 Effektorreaktion von zytotoxischen CD8+ T-Zellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.8 Infektion und Bekämpfung: CD4+ T-Zellen im Überblick . . . . . . . . . . . . . 5.9 Infektion und Bekämpfung: CD8+ T-Zellen im Überblick . . . . . . . . . . . . . Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spezielle Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Toleranz, Transplantatabstoßung, Allergie, Autoimmunität, HIV und AIDS 6.1 Zentrale und periphere T-Zell Toleranz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Zentrale und periphere B-Zell Toleranz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Transplantatabstoßung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.1 Die hyperakute Transplantatabstoßung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.2 Die T-Zell vermittelte, akute Transplantatabstoßung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.3 Die T-Zell vermittelte, langsame Transplantatabstoßung . . . . . . . . . . . . . . 6.3.4 Reaktionen des Transplantates gegen den Empfänger: graft versus host disease . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4 Allergie und Autoimmunität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.1 Typ-I Hypersensitivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5 Entstehung von Autoimmunerkrankungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5.1 Beispiele für Autoimmunerkrankungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6 HIV und AIDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.1 Epidemiologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.2 Aufbau des HI-Virus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.3 Genomische Organisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.4 Der virale Lebenszyklus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.5 Klinischer Verlauf einer unbehandelten HIV-Infektion . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.6 HIV Pathogenese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.7 Therapie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spezielle Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

166 170 173 175 180 180

6

7 7.1 7.2 7.2.1 7.2.2

Das Immunsystem der Invertebraten Zelluläre Bestandteile des Immunsystems der Invertebraten . . . . . . . . . . Immunozyten: Zelluläre Effektorreaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Phagozytose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kapselbildung durch Immunozyten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

181 185 187 189 193 193 194 194 198 209 214 223 224 225 227 228 234 234 237 239 242

245 247 247 250

X

7.2.3 7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4 7.3.5 7.4 7.4.1 7.4.2 7.5

Inhalt

Bildung von Granulomen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Humorale Effektormoleküle des Immunsystems der Invertebraten . . . . . Antimikrobielle Polypeptide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Agglutinine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das Prophenoloxidase aktivierende System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cytokine, Neuopeptide und Opioide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Komplement ähnliche Faktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Toll und die Evolution des angeborenen Immunsystems . . . . . . . . . . . . . . Toll und der Interleukin-1 Rezeptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Signaltransduktion durch Toll und dem Interleukin-1 Rezeptor . . . . . . . . Toll Rezeptoren: Regulatoren von angeborener und erworbener Immunität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6 Invertebraten und der Ursprung der adaptiven Immunität . . . . . . . . . . . . Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spezielle Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

252 252 252 253 253 254 254 255 257 258 262 267 268 269

Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271

Anhang A Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273

Anhang B Nobelpreise für immunologische Forschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

1

Das Immunsystem

1.1

Bedeutung des Immunsystems Menschen mit einem defekten Immunsystem zeigen eine hohe Anfälligkeit gegenüber Erkrankungen durch opportunistische Keime, die unbehandelt zum Tode führen können. Bei schlimmen Formen der schweren kombinierten Immunschwächekrankeit SCID (severe combined immunodeficiency) (Tabelle 1.1), können betroffene Babys beispielsweise nur unter keimfreien Bedingungen, wie sie unter einem Plastikzelt (bubble) maschinell erzeugt werden, überleben. Menschen, die an der Immunschwächekrankheit AIDS leiden (Kap. 6.5), erliegen im Endstadium der Krankheit häufig zusätzlichen Infektionen (Sekundärinfektionen), die für gesunde Menschen harmlos wären. Das Immunsystem schützt unseren Körper nicht nur vor krankmachenden (pathogenen) Keimen. In einem gesunden Körper entstehen Tag für Tag einzelne bösartige Zellen, aus denen sich ein Tumor entwickeln könnte. Die Effektorzellen unseres Immunsystems erkennen aber in der Regel solche Zellen und eliminieren sie. Ebenso, wie das Immunsystem vor der Entstehung von Tumoren schützt, existieren auch Mechanismen, die uns vor der Entstehung von Autoimmunerkrankungen schützen (Kap. 6). Diese Beispiele zeigen, dass die Bedeutung des Immunsystems nicht nur darin besteht, unseren Organismus vor pathogenen, körperfremden Keimen zu schützen, sondern unseren Körper auch vor inneren, körpereigenen und potentiell gefährlichen Strukturen zu bewahren. Nach Polly Matzinger besitzt unser Immunsystem letztlich die Funktion, „to detect and protect against danger“. Es schützt uns vor äußeren und inneren, potentiell selbstzerstörerischen Gefahren. Diesen „job“, verrichtet das Immunsystem nicht alleine, sondern in Zusammenarbeit mit anderen, nichtimmunologischen Zellstrukturen unseres Organismus. Jeder Mensch besitzt sein individuelles Immunsystem. Dadurch wird gewährleistet, dass in Zeiten von immunologischen Naturkatastrophen wie beispielsweise verheerenden Epidemien oder Pandemien, es mit hoher Wahrscheinlichkeit immer eine Gruppe von Individuen geben wird, die solche Katastrophen überleben. Ein weiteres Beispiel verdeutlicht die Individualität unseres Immunsystems. Transplantate werden in der Regel durch das Immunsystem des Empfängers schnell abgestoßen, wenn der Spender nicht zuvor nach speziellen Auswahlkriterien ausgesucht worden ist.

2

1

Das Immunsystem

Tabelle 1.1. Eine Liste von Immunschwäche-Krankheiten, deren Ursachen und Auswirkung

ImmunschwächeKrankheit

Merkmal

Immundefekt

Anfälligkeit

SCID

ADA-Mangel

weder B- noch T-Zellen

allgemein

SCID

PNP-Mangel

weder B- noch T-Zellen

allgemein

SCID

X-gekoppelt: Defekt der gC-Kette

keine T-Zellen

allgemein

SCID

Autosomaler SCID: Gendefekte für DNA Reparatur

weder B- noch T-Zellen

allgemein

DiGeorge-Syndrom

Thymusaplasie

variierende Anzahl an T- und B-Zellen

allgemein

MHC-I Mangel

TAP-Mutationen

keine CD8-Zellen

Viren

MHC-II Mangel

MHC-II Gene nicht exprimiert

keine CD4-Zellen

allgemein

Wiskott-AldrichSyndrom

X-gekoppelt: Defekt im WASP- Gen

mangelhafte Antikörper extrazelluläre gegen Polysaccharide Bakterien

X-gekoppelte Agammaglobulämie

Btk-Tyrosinkinase fehlt

keine B-Zellen

extrazelluläre Bakterien

X-gekoppeltes HyperIgM-Syndrom

defekter CD40Ligand

kein Isotypwechsel

extrazelluläre Bakterien

Fehlfunktion der Phagozyten

verschiedene

keine Phagozytenfunktion

extrazelluläre Bakterien

Defekte im Komplementsystem

verschiedene

Verlust von Komplement-Komponenten

extrazelluläre Bakterien

Defekte der natürlichen Killerzellen (NK)

unbekannt

Verlust der NKFunktion

Herpesviren

Ataxia teleangiectatica

PI-3-KinaseGen defekt

Geringe Zahl von T-Zellen

AtemwegsInfektionen

Das Immunsystem unterscheidet zwischen körpereigen und körperfremd

3

Definition

SCID angeborene, quantitative und/oder qualitative Defekte im Abwehrsystem infolge von Störungen der Entwicklung bzw. Differenzierung immunkompetenter Zellen, insbesondere der Stammzellen im Knochenmark, die zur Insuffizienz der humoralen und zellvermittelten Immunität führen Opportunistische Infektion In der Medizin ist ein Opportunist ein Erreger, der nur aufgrund einer besonderen Disposition des Wirts, wie etwa einer Immunschwäche, zu einer Krankheit führt. Autoimmunerkrankung Das Immunsystem greift körpereigene Strukturen an. Epidemie eine unübliche Häufung von einer bestimmten Krankheit innerhalb einer Population (Gruppe von Individuen) eines regional begrenzten Gebietes; beispielsweise ist ein gewisser Prozentsatz von Grippeerkrankungen in der Bevölkerung üblich. Wird der Grenzwert von etwa 10% überschritten, so spricht man von einer Epidemie; bis 10% von einer Endemie. Pandemie länder- und kontinentübergreifende Epidemie Physisch gr. körperlich

1.2

Das Immunsystem unterscheidet zwischen körpereigen und körperfremd Unser Immunsystem besteht aus frei beweglichen Immunzellen, löslichen Serumbestandteilen und den lymphatischen Organen, die ein immunologisches Netzwerk im Organismus bilden. Zu den Zellen des Immunsystems zählen insbesondere Granulozyten, Makrophagen, dendritische Zellen, natürliche Killerzellen, B- und T-Zellen (Kap. 1.3). Diese Zellen werden auch als Effektorzellen bezeichnet, da sie im Zuge von mikrobiellen Infektionen Reaktionen einleiten (Effektorreaktionen), die zu einer Beseitigung der infektiösen Keime führen. Damit die Zellen des Immunsystems pathogene Keime aufspüren können, müssen sie in der Lage sein, körperfremde Strukturen von körpereigenen Strukturen unterscheiden zu können. Dafür besitzen sie auf ihrer Zelloberfläche Rezeptoren, mit denen sie in der Lage sind, körperfremde Strukturen zu binden. Sie binden aber nicht an körpereigene Strukturen. Im allgemeinen Sprachgebrauch versteht man unter dem Binden von Immunzellen an körperfremde Strukturen auch die „Erkennung“ dieser Strukturen, obgleich die Immunzellen ja keine „Augen“ besitzen. Trotzdem ist dieser Vergleich durchaus zutreffend. Wir sehen einen Gegenstand, weil das von ihm reflektierte Licht auf Rezeptoren trifft, die auf der Zelloberfläche von Zellen unserer Netzhaut sitzen. Die Zellen geben die durch die Rezeptoren ausgelöste Erregung an Nervenzellen im Gehirn weiter, das die Signale weiter zu Bildern verarbeitet und entsprechende Reaktionen einleitet.

4

1

Das Immunsystem

Definition

Pathogene gr. pathos: Leiden; mikrobielle, krankheitsauslösende Keime Infektion Eine Infektion liegt vor, wenn mikrobielle Keime in den Körper eindringen und sich dort vermehren. Führen die Keime zu einer Schädigung des Körpers mit entsprechenden Begleiterscheinungen (Symptomen), so ist aus einer Infektion eine Infektionskrankheit geworden. Die krankheitsauslösenden Keime werden dann als pathogene Keime bezeichnet.

Binden die Effektorzellen des Immunsystems über ihre Rezeptoren an eine körperfremde Struktur, so führt dies zu einem Signal in die Effektorzellen hinein. Dieses Signal löst Effektorreaktionen aus, die zu einer Eliminierung der körperfremden Struktur, beispielsweise Bakterien, führen. Die Unterscheidung von körpereigen und körperfremd ist also eine grundlegende Eigenschaft des Immunsystems, ohne die eine Erkennung und Eliminierung von pathogenen Keimen nicht möglich wäre.

1.3

Der Hämatopoetische Stammbaum Alle zellulären Bestandteile des Blutes werden von Stammzellen im Knochenmark gebildet. Sie sind die „Wurzeln“ des hämatopoetischen Stammbaums (Abb. 1.1). Aus den Stammzellen gehen lymphoide und myeloide Vorläuferzellen hervor. Aus ihnen entwickeln sich die beiden Hauptäste des hämatopoetischen Stammbaums: der lymphoide und der myeloide Ast. Aus den lymphoiden Vorläuferzellen entstehen B-Zellen, T-Zellen und natürliche Killerzellen (NK-Zellen). Während B-Zellen vollständig im Knochenmark reifen, wandern T-Zell-Vorläufer aus dem Knochenmark aus und in den Thymus ein. Im Thymus reifen die T-Zell-Vorläufer zu zwei Hauptklassen von T-Zellen: T-Zellen, die einen γδ-T-Zell-Rezeptor tragen (γδTCR) und T-Zellen mit einem αβ-TCR (s. Kap. 3). Letztere differenzieren zu T-Zellen, die sich anhand der Oberflächenmoleküle CD4 und CD8 unterscheiden. Aus CD4+ T-Zellen entstehen nach ihrer Aktivierung T-Helferzellen, aus CD8+ T-Zellen zytotoxische T-Zellen. T-Zellen mit einem αβ-TCR befinden sich außerhalb des Thymus in der Peripherie (Blut, Lymphe, lymphatische Organe), während T-Zellen mit einem γδ-TCR vorwiegend epidermale Gewebe sowie den Reproduktionstrakt besiedeln. Bei den Molekülen CD4 und CD8 handelt es sich um Korezeptoren, deren Funktion in Kap. 2.4.6 besprochen wird. Aus den myeloiden Vorläuferzellen entwickeln sich Granulozyten, Makrophagen, Blutplättchen und Erythrozyten. Granulozyten werden aufgrund ihres segmentierten Zellkerns auch als polymorphkernige Leukozyten bezeichnet. Granulozyten werden wegen ihres Färbeverhaltens in einer Azur-Eosin-Methylenblau-Lösung (Giemsa Färbung, nach dem Chemiker Gustav Giemsa, 1867–1948) in eosinophile, basophile, und neutrophile Granulozyten unterteilt. Die Granula von eosinophilen Granulozyten färben sich durch den sauren Anilinfarbstoff Eosin rötlichbraun, die

Der Hämatopoetische Stammbaum

5

Abb. 1.1 Der Hämatopoetische Stammbaum

Granula von Basophilen werden blau gefärbt und die Granula von Neutrophilen werden rotviolett gefärbt. Granulozyten nehmen neben Makrophagen, dendritischen Zellen und Mastzellen eine wichtige Stellung innerhalb der angeborenen Immunität ein.

Definition

Lymphoid von dem lat. Wort lympha (Fluß-, Quellwasser) abgeleitet und bedeutet „Lymphozyten ähnlich“ Myeloid von dem griech. Wort myelós (Knochen-, Rückenmark) abgeleitet und bedeutet „Myelozyten ähnlich“ Leukozyten von dem griech. Wort leukós (weiß) abgeleitet. Ein Sammelbegriff für weiße Blutkörperchen. Leukozyten werden von den Erythrozyten (griech. Vorsilbe erythro: rot) unterschieden. T-Zelle T steht für Thymus (thymus). B-Zelle B steht für Knochenmark (bone marrow).

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1

Das Immunsystem

Blutplättchen sind für die Blutgerinnung bedeutsam und gehen aus Megakaryozyten hervor. Erythrozyten entstehen aus Erythrozyten-Vorläufern und dienen dem Transport von Luftsauerstoff. Die Erythrozyten des Menschen sind kernlos. Der Hauptbestandteil von Erythrozyten ist Hämoglobin. Die Bedeutung von Hämoglobin besteht in der Bindung von Luftsauerstoff in der Lunge und in der Abgabe des Sauerstoffs in den Geweben. Neben dieser zentralen Funktion besitzen Erythrozyten aber auch eine bedeutsame Rolle bei der Beseitigung von Immunkomplexen. Sie binden Immunkomplexe über den Komplementrezeptor C3b und transportieren sie zu Milz, Leber und Niere, in denen die Immunkomplexe abgebaut und ausgeschieden werden.

Dendritische Zellen

Diese Bezeichnung steht für ein System von antigenpräsentierenden Zellen. Zellen dieses Systems besitzen zahlreiche zytoplasmatische Ausläufer (Dendriten, lat. dendriticus: verzweigt) (Abb. 1.2). Dendritische Zellen (DC, dendritic cells) finden sich in nahezu allen Körpergeweben. Sie sind darauf spezialisiert, in der Peripherie Antigene aufzunehmen und anschließend zu regionalen (in der Nähe liegenden) Lymphknoten zu wandern, um dort naive T-Zellen zu aktivieren. Naive T-Zellen sind solche, die noch keinen Antigenkontakt gehabt hatten. Die Aktivierung von naiven T-Zellen wird als die Einleitung einer primären Immunantwort verstanden. Nur aktivierte dendritische Zellen sind in der Lage, eine primäre Immunantwort einzuleiten. Dendritische Zellen werden i.d.R. durch die Aufnahme von mikrobiellen Strukturen im Zuge von akuten Infektionen aktiviert. Die Aktivierung ist von einer morphologischen und funktionellen Veränderung der Zellen begleitet. Im Gegensatz zu aktivierten (reifen) DCs, sind unreife (nichtaktivierte) DCs nicht Abb. 1.2 Epidermale Langerhans-Zelle:

Eine gewebespezifische, spezialisierte dendritische Zelle in der Epidermis. Dieses Bild zeigt eine immunfluoreszenz-gefärbte epidermale Langerhans-Zelle der Maus

Der Hämatopoetische Stammbaum

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in der Lage, naive T-Zellen zu aktivieren. Eine antigenspezifische Bindung von TZellen führt hier vielmehr zu einer funktionellen Inaktivierung (Anergie) der betroffenen Zellen. Dieser Mechanismus dient dazu, potentiell selbstreaktive (autoreaktive) T-Zellen in der Peripherie zu entschärfen (Kap. 6.1). Das System der dendritischen Zellen umfasst eine Reihe von DC Subtypen, deren genaue Entwicklungslinien noch unklar sind. Jedoch gilt als gesichert, dass sich DCs im Knochenmark sowohl aus einer myeloiden wie auch lymphoiden Vorläuferzelle entwickeln können. In der Peripherie werden konventionelle DCs (cDCs) von Vorläufer-DCs (pre-DCs) unterschieden. Konventionelle DCs besitzen eine dendritische Form und entsprechend funktionelle Eigenschaften. Sie tragen zur „normalen“ (steady-state) Verteilung im Organismus bei. Vorläufer-DCs bedürfen noch einer weiteren Differenzierung, um diese Eigenschaften erlangen zu können. Pre-DCs

Definition

Antigene Nach der Entdeckung von Antikörpern durch Emil von Behring (1854–1917) wurden Substanzen, die von Antikörpern gebunden werden konnten, als Antigene bezeichnet. Allgemein versteht man unter Antigenen Substanzen, die eine Immunantwort auslösen. Immunkomplexe Komplexe zwischen Antikörpern und Antigen Komplement ein System von löslichen Serumfaktoren; das Komplement besitzt eine antimikrobielle Wirkung. Es ist ein wichtiger Bestandteil der angeborenen Immunität. Antigenpräsentierende Zellen Antigenpräsentierende Zellen (antigen presenting cells, APC) sind darauf spezialisiert, im Zuge von Infektionen mikrobielle Strukturen (allgemein Antigene) aufzunehmen und Abbaufragmente (Peptide) dieser Strukturen im Verbund mit MHC Klasse-II Molekülen (Kap. 2.4) auf ihrer Zelloberfläche für eine Erkennung von T-Zellen durch deren T-Zell Rezeptor bereitzustellen (zu präsentieren). Primäre Immunantwort Im Allgemeinen wird darunter die Erst-Immunantwort gegen einen Erreger verstanden. Im Speziellen wird darunter die Aktivierung von T-Zellen verstanden, die zuvor noch nicht gegen „ihr“ Antigen aktiviert worden sind. T-Zellen, die noch keinen Antigenkontakt gehabt hatten, werden als naive T-Zellen bezeichnet. Spezifität Im naturwissenschaftlichen Kontext wird unter Spezifität die Bindung – oder allgemeiner: Erkennung – von Proteinen oder Zellen nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip verstanden. Gewebespezifische Zellen sind solche, die einem bestimmten Gewebe zugehörig sind und in keinem anderen Gewebe gefunden werden. Unter einer antigenspezifischen Bindung wird die Bindung des T-Zell Rezeptors an ein antigenes Peptid verstanden, das im Kontext von MHC Molekülen präsentiert wird (Kap. 2.4). Myeloide versus lymphoide DCs Myeloide und lymphoide Vorläuferzellen werden im Knochenmark aus einer Flt3 (FMS-like tyrosine kinase 3) und CD34 (ein Adhäsionsprotein, L-Selektin) positiven Stammzelle gebildet.

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1

Das Immunsystem

Definition

Sinusoid Bezeichnung für kleine Blutgefäße (entsprechen in etwa einer erweiterten Kapillare), die morphologisch betrachtet durch ein „gefenstertes“ Endothel (Zellen die das Blutgefäß innenseitig auskleiden) charakterisiert sind. Die Endothelzellen der Sinusoide werden als sinusoidale Zellen bezeichnet. Sinusoidale Zellen der Leber besitzen zusätzlich die Funktion von antigenpräsentierenden Zellen. Mikroglia Makrophagen ähnliche Zellen im Gehirn. Sie haben die Aufgabe, abgestorbene Zellreste zu phagozytieren. CD14 Teil des LPS (Lipopolysaccharid) Rezeptorkomplexes. CD14 bindet an LPS

können als die letzte Differenzierungsstufe auf dem Weg zu morphologisch und funktionell typischen DCs verstanden werden. Pre-DCs sind ständig unterwegs. Es gibt unterschiedliche Klassen von Pre-DCs, die im Zuge entzündlicher Reaktionen zu gewebespezifischen cDCs differenzieren. Beispielsweise sind plasmazytoide DCs lymphoiden Ursprungs und Vorläufer-DCs für Milz spezifische dendritische Zellen. Plasmazytoide DCs zeichnen sich bereits durch eine erhebliche Produktion von Interferonen nach Antigenkontakt (viraler Stimulus) aus (vgl. Kap. 7.5). Auch können unter dem Einfluss geeigneter Cytokine aus CD14+ Blutmonozyten dendritische Zellen kultiviert werden. Neben dendritischen Zellen gibt es aber noch eine Reihe weiterer, antigenpräsentierender Zellen (Abb. 1.3). Zu diesen zählen insbesondere B-Zellen, Makrophagen und thymische Epithelialzellen. Daneben besitzen aber auch sinosoidale Zellen der Leber sowie die Mikroglia im Gehirn die Funktion von antigenpräsentierenden Zellen. Allen antigenpräsentierenden Zellen ist gemeinsam, dass sie neben MHC Klasse-I auch MHC Klasse-II Moleküle exprimieren können (s. Kap. 2.4.2).

1.4

Lymphatische Organe Das Immunsystem des Menschen wiegt etwa 2 kg. Damit ist das Immunsystem eines der größten Organsysteme im menschlichen Körper. Zu den lymphatischen Organen des Immunsystems gehören das Knochenmark, der Thymus, die Milz, Lymphknoten und mit der Schleimhaut assoziierte lymphatische Gewebe. Zu den Schleimhaut assoziierten lymphatischen Geweben zählen die Mandeln, Peyersche Plaques im Dünndarm, Blinddarm und lymphatische Gewebe die mit der Schleimhautauskleidung von Bronchien assoziiert sind. Als primäre lymphatische Organe werden das Knochenmark und der Thymus bezeichnet. In den primären lymphatischen Organen findet die Bildung bzw. Reifung von B- und T-Zellen statt: Im Knochenmark entstehen aus Stammzellen lymphatische Vorläuferzellen für B- und T-Zellen. B- und T-Zellen sind die Effektorzellen der erworbenen Immunität. Während B-Zell-Vorläufer im Knochenmark zu reifen B-Zellen differenzieren, wandern

Lymphatische Organe

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Abb. 1.3 Antigenpräsentierende Zellen. Zellen des Immunsystems die darauf spezialisiert sind,

Antigene aufzunehmen und T-Zellen über den Peptidrezeptor MHC-II (Kap. 2.4.2) kenntlich zu machen, werden als antigenpräsentierende Zellen (APC) bezeichnet. Neben dendritischen Zellen zählen B-Zellen, Makrophagen und thymische Epithelialzellen zu antigenpräsentierenden Zellen

T-Zell-Vorläufer aus dem Knochenmark aus und gelangen über das Blut in den Thymus. Hier differenzieren sie zu reifen T-Zellen. Die übrigen lymphatischen Organe werden als sekundäre lymphatische Organe bezeichnet. In den sekundären lymphatischen Organen findet die Aktivierung von B- und T-Zellen durch antigenpräsentierende Zellen statt. Die lymphatischen Organe sind über die Lymphgefäße (Abb. 1.4) miteinander verbunden. Die Lymphgefäße leiten die Lymphe (lat. lympha: klares Wasser) aus den peripheren Geweben zu den sekundären lymphatischen Organen. Die Lymphe besteht nicht nur aus Wasser, wie aufgrund der Namensgebung irrtümlich angenommen werden könnte. Die Lymphe wird vielmehr aus einem Ultrafiltrat des Blutplasmas (zellfreier Bestandteil des Blutes; enthält noch Gerinnungsfaktoren) gebildet, das aus arteriellen Kapillaren (Kapillare = mikroskopisch kleine Gefäße) in das umliegende Gewebe hinausgepresst wird und dieses durchtränkt. In diesem Filtrat sind eine Reihe von Plasmaproteinen enthalten, wie z.B. Antikörper und Komplementfaktoren, die zu einem ersten immunologischen Schutz in den Geweben beitragen. Dieses Ultrafiltrat dient in erster Linie der Ernährung und der Versorgung der umliegenden Gewebszellen mit Sauerstoff. Etwa 90 Prozent dieser Flüssigkeit wird wieder von den venösen Kapillaren aufgesaugt. Der Rest vermischt sich mit

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1

Das Immunsystem

Abb. 1.4 Das Lymphsystem des Menschen.

Die Lymphgefäße beginnen blind im Gewebe und münden entlang der unteren und oberen Hohlvene in das Hauptlymphgefäß, den Ductus thoracicus (Milchbrustgang). Der Ductus thoracicus mündet in die linke Unterschlüsselbeinvene (Vena subclavia sinistra, Li. V.s.). Flüssigkeit, die aus den Blutgefäßen in die Gewebe strömt, wird von den Lymphkapillaren eingesaugt, entlang der Lymphbahnen durch die Lymphknoten geleitet, und schließlich dem Blutkreislauf wieder zugeführt. Im Verlauf einer Infektion gelangen Antigene über die Lymphe in die Lymphknoten und treffen hier auf die Effektorzellen des Immunsystems (B- und T-Zellen), die daraufhin aktiviert werden

Stoffwechselprodukten der Zellen und sammelt sich als Lymphe in den blind im Gewebe beginnenden Lymphkapillaren. Im Falle einer Entzündung werden über die Lymphe ebenfalls Entzündungsprodukte und Krankheitserreger zu den Lymphknoten transportiert (Abb. 1.4). B- und T-Zellen zirkulieren zwischen Blut und Lymphe. In den Lymphknoten treffen sie auf Antigene und können dort aktiviert werden. Am Tag werden etwa 2 l Lymphe transportiert. Die Lymphgefäße aus Beinen, Darm, linkem Thorax und Armen münden in den Hauptlymphstamm, den Ductus thoracicus. Der Ductus thoracicus ist das größte Lymphgefäß; er wurde wegen seiner milchigen Farbe als Brustmilchgang fehlgedeutet, da das Lymphsystem auch bei der Fettresorption von Bedeutung ist. Der Ductus thoracicus mündet in die linke Unterschlüsselbeinvene (Vena subclavia sinistra), die zum Herzen führt. Dadurch wird die extrazelluläre Flüssigkeit dem Blut wieder zugeführt. Der Kreislauf ist geschlossen. Somit dient das Herz nicht nur der Zirkulation des Blutes, sondern dient durch Anschluss des Lymphgefäßsystems an das Blutgefäßssystem auch indirekt dem Transport der Lymphe. Daneben verfügen die Lymphstämme über muskulöse Wandabschnitte mit dünnen Gewebeklappen. Durch Kontraktion und Entspannung der Wandmuskulatur werden die Klappen bewegt und die Lymphe Richtung Herz transportiert. Unterstützt wird diese Transport-Motorik durch die Körperbewegung.

Lymphatische Organe

11

1.4.1

Lymphknoten In das Lymphgefäßsystem sind die Lymphknoten eingebaut. Sie sind 0,2–2 cm groß, oft bohnenförmig und von einer Bindegewebskapsel umgeben. Ein Lymphknoten läßt sich histologisch in den Cortex (Rinde), den Paracortex und die Medulla (Mark) unterteilen (Abb. 1.5). Der Cortex enthält vor allem B-Lymphozyten und follikulär dendritische Zellen (FDC). Die Ansammlung von B-Lymphozyten in der CortexRegion wird als lymphatischer Follikel oder auch primärer Follikel bezeichnet. Der Paracortex ist reich an T-Lymphozyten. In der Medulla finden sich überwiegend Makrophagen und Antikörper sezernierende B-Zellen (Plasmazellen). Naive T- und B-Lymphozyten gelangen durch das Blut über kleine, spezialisierte Venen (HEV = hochendotheliale Venolen mit homing-Rezeptoren; s. Abschnitt 1.5) in den Lymphknoten. Während T-Lymphozyten in die paracortikale Region wandern, wandern B-Lymphozyten in den Cortex und bilden lymphatische Follikel.

Abb. 1.5 Querschnitt durch einen Lymphknoten. Dendritsche Zellen (DC) gelangen über die Lymphe in den Lymphknoten; naive B- und T-Lymphozyten treten über die Venolen mit hohem Endothel (HEV) in den Lymphknoten ein. T-Zellen und DC wandern, durch Cytokine geleitet, in die paracorticale Region, B-Zellen in den Cortex. Im Cortex wird die Ansammlung von B-Zellen als ein Follikel bezeichnet. Kommt es zu einer Aktivierung von B-Zellen, entsteht im Follikel ein Keimzentrum. Ein Follikel mit Keimzentrum wird Sekundärfollikel genannt

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1

Das Immunsystem

Definition

Follikular dendritische Zellen (FDC) Zellen, die sich in lymphatischen Follikeln befinden. Sie besitzen lange dendritische Ausläufer, sind aber keine antigenpräsentierenden Zellen, und können demnach nicht T-Zellen aktivieren. FDC besitzen Rezeptoren für Komplementfaktoren auf ihrer Zelloberfläche sowie den CD40 Liganden. Diese Zellen sind wichtig für die Selektion von affinitätsgereiften B-Lymphozyten. Naive B- und T-Zellen reife B- und T-Lymphozyten, die noch nicht von antigenpräsentierenden Zellen aktiviert worden sind, d.h. noch keinen Antigenkontakt gehabt haben Afferent (lat.) hinführend Efferent (lat.) herausführend Endothel Innenauskleidung von Gefäßen

Ursache für die Wanderung der T-Lymphozyten in die paracortikale Region ist ein Chemokin (Lockstoff), das im Paracortex gebildet wird. Dieses Chemokin bindet an den Chemokinrezeptor CCR7 (chemokine receptor 7), der sich auf auf der Zelloberfläche von T-Lymphozyten befindet. Hingegen wird im Cortex ein Chemokin produziert, das an den Chemokinrezeptor CXCR5 auf der Zelloberfläche von BLymphozyten bindet und diese in den Cortex leitet. Die peripheren Lymphgefäße treten durch die Kapsel in den Lymphknoten ein (Abb. 1.5). Die zugeführte Lymphe fließt durch den Lymphknoten und verlässt den Lymphknoten über die efferenten Lymphgefäße, die in der Markregion beginnen. Über die Lymphe gelangen antigenpräsentierende Zellen (APC), insbesondere dendritische Zellen (DC), in den Lymphknoten. Dendritische Zellen sind darauf spezialisiert, in den peripheren Geweben Antigene aufzunehmen, diese über die Lymphe zu den Lymphknoten zu transportieren, um dort T-Zellen zu aktivieren. Nach dem Eintritt in den Lymphknoten wandern dendritische Zellen in die paracortikale, T-Zell reiche Region des Lymphknotens. Auch hier ist die Ursache für die Wanderung das paracortikale Chemokin. DC besitzen genauso wie T-Lymphozyten CCR7 auf ihrer Zelloberfläche. Die Chemokin-Produktion in unterschiedlichen Teilen des Lymphknotens wird vermutlich durch das Cytokin (immunologischer Botenstoff) Lymphotoxin stimuliert. Durch Chemokine geleitet, gelangen T-Lymphozyten in unmittelbare Umgebung von dendritischen Zellen. Durch die hohe Dichte von T-Lymphozyten zu dendritischen Zellen ist die Wahrscheinlichkeit sehr hoch, dass ein naiver T-Lymphozyt von einer dendritischen Zelle aktiviert werden kann. Auf der anderen Seite ist die Nähe von B-Lymphozyten zu follikulär dendritischen Zellen Voraussetzung für die Affinitätsreifung von B-Zellen. Dieser Mechanismus wird im Kapitel 2.1.2 besprochen. Werden naive T-Zellen im Paracortex von dendritischen Zellen aktiviert, wird die Ordnung im Lymphknoten vorübergehend aufgehoben. T- und B-Zellen wandern aufeinander zu, und es kommt zur Aktivierung von naiven B-Zellen durch

Lymphatische Organe

13

Definition

Proliferation lat. prolis: Nachkomme ; ferre tragen ; eine Folge von Zellteilungen. Im Kontext der B- und T-Zell-Proliferation entstehen hierbei aus einer Zelle viele Nachkommenzellen. Es bildet sich ein Zellklon. Plasmazelle enddifferenzierte B-Zelle; ihre Funktion besteht in der Sekretion großer Mengen von Antikörpern.

die bereits aktivierten T-Zellen. Die aktivierten B-Zellen beginnen daraufhin in der Nähe von follikulär dendritischen Zellen stark zu proliferieren. Ein Keimzentrum entsteht. Ein Follikel mit einem Keimzentrum wird als Sekundärfollikel bezeichnet. Nicht aktivierte Lymphozyten gelangen über den Rand- und Intermediärsinus in den Marksinus und verlassen von dort den Lymphknoten über ein efferentes Lymphgefäß. Aktivierte T-Zellen verlassen ebenfalls den Lymphknoten, nun aber endgültig. Sie haben die Rezeptoren verloren, die ihnen einen Durchtritt aus dem Blut über die HEV in den Lymphknoten ermöglicht haben. Aktivierte B-Zellen, die sich nach ihrer Proliferation zu Antikörper produzierenden Plasmazellen differenziert haben, verbleiben i.d.R. in der Medulla. Von dort aus geben sie die Antikörper in die Lymphe ab. Die Lymphe ergießt sich letztlich über den Ductus Thoracicus in den Blutkreislauf und ermöglicht es den Lymphozyten, einen weiteren Zyklus zu durchlaufen.

1.4.2

Milz Die Milz liegt beim Menschen unter dem linken Zwerchfell im Oberbauch und wiegt etwa 200 Gramm. Eine Bindegewebskapsel hüllt das weiche, schwammige Organ ein. Aus der Kapsel stammende Trabekel bilden das Stützgerüst des Organs. Die Milz dient als Blutspeicher und ist neben den Lymphknoten Ort der Lymphozyten-Aktivierung. Eine weitere Funktion besteht im Abbau von überalterten Erythrozyten. Während der Embryonalentwicklung ist die Milz an der Bildung der roten Blutkörperchen beteiligt. Die Milz besitzt einen offenen Blutkreislauf (Abb. 1.6). Verletzungen der Milz sind nicht heilbar; es besteht die Gefahr des Verblutens. Nach einem Milzriss z.B. in Folge eines Unfalles, muss die Milz daher i.d.R. entfernt werden. Die Milz ist nicht lebensnotwendig. Nach ihrer operativen Entfernung übernehmen Leber und Lymphknoten ihre Funktion. Jeder Mensch hat seine Milz schon gespürt. Bei vermehrtem plötzlichem Sauerstoffbedarf kommt es zu Kontraktionen der Milz, die als Seitenstechen bekannt sind. Das Milzparenchym besteht aus der roten und weißen Pulpa. In der roten Pulpa werden die überalterten Erythrozyten abgebaut und Blut gespeichert. Makrophagen in der roten Pulpa sind darüber hinaus maßgeblich an der Beseitigung von antikörperbedeckten (opsonisierten) Partikeln bzw. Krankheitskeimen (Pathogenen) beteiligt. Menschen, die keine Milz mehr besitzen, zeigen beispielsweise ein erhöhtes

14

1

Das Immunsystem

Abb. 1.6 Weiße Pulpa der Milz. Antigene

gelangen über das Blut in die Milz. Sie treten aus den arteriellen Kapillaren in das Milzparenchym über. Die artiellen Kapillaren enden z.T. blind im Gewebe. Durch Chemokine geleitet, gruppieren sich T-Lymphozyten und antigenpräsentierende Zellen um die Zentralarteriole (periarteriolar lymphoid sheat, PALS Region). B-Lymphozyten wandern an den Rand der PALS Region und bilden einen Milz-Follikel. Kommt es am Rand des Follikels zu einer Aktivierung von B-Zellen, so entsteht ein Keimzentrum im Follikel. Die proliferierenden B-Zellen werden nach außen geschoben und bilden die B-Zell Corona

Risiko für Infektionen mit Bakterien, die eine Kapsel besitzen (Pneumokokken, Meningokokken). Diese Pathogene werden normalerweise durch Antikörper umhüllt und in der Milz durch Makrophagen phagozytiert (gefressen). Die weiße Pulpa ist in der roten Pulpa eingelagert und in Form weißer Knötchen (Milzknötchen, Milzfollikel oder Malphigi Körperchen) mikroskopisch sichtbar. Sie steht ausschließlich im Dienst der Immunabwehr. Hier werden Lymphozyten aktiviert. Das ist auch der Grund, warum bei einer Sepsis (Verschleppung von Bakterien in das Blut) die Milz dramatisch anschwellen kann. Die Lymphozyten werden aktiviert und nehmen in ihrer Anzahl massiv zu. Die Milz wird durch die Milzarterie mit Blut versorgt (Abb. 1.6). Von einer trabekulären Arterie ausgehend, mündet das Blut über eine Zentralarteriole in einen Randsinus der roten Pulpa und von dort in eine trabekuläre Vene. Im Übergangsbereich zwischen Arteriole und Randsinus ist der Blutkreislauf offen. Antigene, Lymphozyten, antigenpräsentierende Zellen und Erythrozyten treten in die Pulpa über. Durch Chemokine geleitet, gruppieren sich T-Lymphozyten und dendritsche Zellen um die Zentralarteriole herum. Diese Struktur wird daher als periarteriolar lymhoid sheat (PALS-Region) bezeichnet. B-Lymphozyten wandern an den Rand der PALS-Region und bilden dort einen Milz-Follikel. T-Zellen, die durch antigenpräsentierende Zellen aktiviert wurden, können nun ihrerseits B-Zellen aktivieren. Aktivierte B-Zellen beginnen zu proliferieren und bilden ein Keimzentrum im Follikel. Die starke B-Zell Vermehrung führt zu einer dichten Region von B-Zellen (B-Zell

Lymphatische Organe

15

Definition

Gedächtnis Lymphozyten langlebige Lymphozyten, die nach einem wiederholten Kontakt mit ihrem Antigen schneller und verstärkter reagieren als bei dem ersten Antigenkontakt. Gedächtnis Lymphozyten entstehen nach der Aktivierung von naiven Lymphozyten. Trabekel lat. trabeculus (Balken); Bindegewebsfaser aus straffem Kollagen Trabekelarterie Arterie mit einem Wandaufbau vom muskulären Typ Parenchym die spezifischen Zellen eines Organs, die dessen Funktion bedingen Pulpa lat. weiche Masse, Fleisch Arterie griech. Schlagader; Blutgefäße, die das Blut vom Herzen wegführen Arteriole kleinste, in Haargefäße (Kapillaren) übergehende Schlagader Randsinus feine Gefäßausläufer

Corona) um das Keimzentrum herum. Wie bei den Lymphknoten auch, wird ein Follikel mit einem Keimzentrum als Sekundärfollikel bezeichnet. Im Gegensatz zu den Lymphknoten ist die Milz nicht an das Lymphgefäßsystem angeschlossen. Antigene gelangen ausschließlich über das Blut in die Milz.

1.4.3

Immunabwehr in der Haut Die Haut ist das größte Organ des Körpers. Sie ist nicht nur eine physikalische, sondern auch eine immunologische Barriere, die ein Mikroorganismus überwinden muss, um in den Körper einzudringen. In der Haut befinden sich Lymphozyten und antigenpräsentierende Zellen, die eine erste zellgebundene, immunologische Front gegen eindringende Mikroorganismen bilden. Im Wesentlichen besteht die Haut aus zwei Schichten; der Epidermis und der Dermis (Abb. 1.7). Die Feinstruktur der Epidermis ist in Abbildug 1.8 dargestellt. Bereits in der Epidermis befinden sich immunologisch wichtige Zellen: Epidermale Langerhans-Zellen (LC, Langerhans cells) und intraepidermale T-Lymphozyten. Epidermale Langerhans-Zellen sind eine spezialisierte Form von dendritischen Zellen und bilden mit ihren langen, dendritischen Ausläufern ein loses Maschenwerk in der Epidermis (Abb. 1.9). Langerhans-Zellen nehmen Mikroorganismen (allg. Antigene), die in die Haut eingedrungen sind auf, und wandern anschließend aus der Epidermis in die Dermis hinein. Von dort aus gelangen sie zu Lymphkapillaren und schließlich über die Lymphe in die regionalen Lymphknoten. Bislang war man der Auffassung, dass die Hauptaufgabe von Langerhans-Zellen darin besteht, in den Lymphknoten naive TZellen gegen die in der Epidermis aufgenommenen Antigene zu aktivieren. Neuere Arbeiten lassen aber vermuten, dass ihre Aufgaben diffiziler sind. In diesem Zusammenhang wurde beschrieben, dass Langerhans-Zellen kontinuierlich (auch in

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1

Das Immunsystem

Abb. 1.7 Das Immunsystem in der Haut. Epidermale Langerhans-Zellen sowie intraepidermale Lymphozyten bilden die erste zellgebundene, immunologische Verteidigungsfront in der Epidermis. Nach Antigenkontakt wandern die LC aus der Epidermis in die Dermis und von dort aus über die Lymphe in die regionalen Lymphknoten. In der Dermis befinden sich neben Makrophagen auch Gedächtnis T-Zellen, die sich in der Umgebung von Blutgefäßen aufhalten

Abwesenheit von Infektionen) aus der Epidermis auswandern und in die regionalen Lymphknoten einwandern. Auch scheint ihre Funktion hinsichtlich der Aktivierung von virusspezifischen CD4 und CD8 positiven T-Zellen kontrovers. Kürzlich wurde berichtet, dass Langerhans-Zellen im Zuge einer viralen Infektion zu keiner Aktivierung von naiven T-Zellen führen. Hingegen scheinen in diesem Kontext hauptsächlich die in tieferen Hautschichten sitzenden, intradermalen dendritischen Zellen verantwortlich zu sein.

Historie

Der Medizin-Student Paul Langerhans entdeckte 1867 bei der Färbung von Hautschnitten nach der Goldchlorid-Technik runde Zellen mit feinen, spindelförmigen Ausläufern. Er ordnete sie dem Nervensystem der Haut zu. Erst Jahre später, 1973, nach der Entdeckung von dendritischer Zellen in Milzzellsuspensionen, konnten die von Paul Langerhans beschriebenen Zellen dem System der dendritischen Zellen zugeordnet werden und wurden nach ihm benannt (engl. Langerhans cells, LC).

Lymphatische Organe

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Abb. 1.8 Schematische Darstellung der Epidermis. Der Epidermis besteht aus vier Schichten: dem

Stratum basale, dem Stratum spinosum, dem Stratum granulosum und dem Stratum corneum. Der Hauptbestandteil der Epidermis sind Keratinozyten. Die erste immunologische Verteidigungsfront wird von epidermalen Langerhans-Zellen sowie intraepidermalen T-Lymphozyten gebildet

Abb. 1.9 Verteilung von Langerhans-

Zellen in der Epidermis. Murines (von der Maus stammend) immunfluoreszenzgefärbtes Epidermispräparat. Epidermale Langerhans-Zellen (LC) sind rot angefärbt, die Zellkerne von Keratinozyten und LC dagegen blau

Der prozentuale Anteil von Langerhans-Zellen an allen epidermalen Zellen beträgt etwa 3 %. Die Menge an intraepidermalen Lymphozyten beträgt etwa 2 %; davon sind die meisten beim Menschen CD8+ T-Zellen, die einen αβ-T-Zell Rezeptor (TCR, t-cell receptor) mit ähnlicher Spezifität besitzen. Die Mehrzahl der intraepidermalen T-Zellen bei der Maus besitzen nicht den αβ-T-Zell Rezeptor, sondern

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1

Das Immunsystem

Definition

Mukosa Schleimhaut (lat. mucus: Schleim). Die Mukosa kleidet innere Hohlräume des Organismus aus. Das Mukosaepithel ist üblicherweise von einer Schleimschicht bedeckt, die einerseits Barrierefunktionen wahrnimmt, andererseits einen Gleitfilm gegenüber dem jeweiligen Hohlorgan bildet. Die Mukosa besteht aus einer oberen Epithelschicht (Lamina epithelialis mucosae) und der darunter befindlichen „Eigenschicht“ (Lamina propria mucosae).

den seltenen γδ-T-Zell Rezeptor. Der γδ-T-Zell Rezeptor ist weitaus weniger variabel, als der αβ-T-Zell Rezeptor. Vermutlich erkennen die intraepidermalen γδ-TCR tragenden T-Lymphozyten konservierte Strukturen auf der Oberfläche von Mikroorganismen, die häufig in die Haut eindringen. Letztlich ist die genaue Spezifität sowie Funktion der γδ-T-Zellen aber noch nicht bekannt. Die Dermis enthält sowohl CD4+ als auch CD8+ T-Zellen. Sie befinden sich bevorzugt in der Umgebung von Blutgefäßen (perivasculare Lokalisierung) und besitzen charakteristische Merkmale von aktivierten T-Zellen sowie von Gedächtnis- (memory) T-Zellen. Es ist bislang nicht klar, ob Gedächtnis-T-Lymphozyten permanent in der Dermis verbleiben oder zwischen Blut und Lymphe zirkulieren. Neben dermalen T-Lymphozyten sind ebenfalls Makrophagen sowie intradermale dendritische Zellen in der Dermis (s.o.) vorhanden. Diese scheinen, neben ihrer Funktion bei der Aktivierung von naiven T-Zellen in regionalen Lymphknoten, in die Epidermis vorzurücken und zu epidermalen Langerhans-Zellen differenzieren zu können.

1.4.4

Immunabwehr in der Mukosa Wie die Haut, so ist auch die Mukosa des Gastrointestinaltraktes und der Atemwege eine Barriere zwischen der Umwelt und dem Körperinneren. Sie ist aber auch ein geeignetes Portal für Mikroorganismen, um in den Körper einzudringen. Daher sind auch diese Epithelien mit antigenpräsentierenden Zellen und Lymphozyten besiedelt, die eine Immunantwort gegen aufgenommene oder inhalierte Antigene einleiten können. In der Darm-Mukosa sind T-Lymphozyten in drei Regionen anzutreffen. Sie befinden sich im Mukosaepithel, in der Lamina propria in Umgebung von Blutkapillaren sowie organisiert in Peyerschen Plaques (Abb. 1.10). Die Hauptmenge der intraepithelialen Lymphozyten wird von T-Lymphozyten gebildet. Beim Menschen sind es überwiegend CD8+ T-Zellen mit einem αβ-T-Zell Rezeptor. Etwa 10 % der intraepithelialen T-Lymphozyten beim Menschen tragen den γδ-T-Zell Rezeptor. Das sind prozentual immer noch deutlich mehr γδ-T-Zellen als in anderen Epithelien des Menschen. Bei der Maus tragen etwa 50% der intraepithelialen T-Zellen den γδ-T-Zell Rezeptor. Sowohl die αβ- als auch die γδ-Rezeptoren der intraepithelialen T-Zellen besitzen eine geringe Variabilität. Vermutlich dienen sie ebenfalls

Lymphatische Organe

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Abb. 1.10 Das Immunsystem in der Mukosa des Gastrointestinaltraktes.Mukosa assoziierte, lymphatische Gewebe in der Lamina propria werden Peyersche Plaques genannt. Sie sind ähnlich wie ein Lymphfollikel aufgebaut. Hier können B-Zellen gegen Antigene aktiviert werden, die vom Intestinaltrakt über M-Zellen in die subraepithelialen Gewebe transportiert werden. Plasmazellen, die aus den Follikeln hervorgehen, sezernieren große Mengen an IgA. Neben Lymphozyten, wird die Lamina propria noch von dendritischen Zellen, Makrophagen und eosinophilen Granulozyten besiedelt

dazu, konservierte Strukturen von häufig eindringenden Mikroorganismen bzw. Antigenen zu erkennen. Die meisten T-Lymphozyten in der Lamina propria sind CD4-positiv (CD4+) und besitzen typische Merkmale von aktivierten T-Zellen. In der Lamina propria befinden sich außerdem Makrophagen, eosinophile Granulozyten, dendritische Zellen und eine große Anzahl von aktivierten B-Zellen sowie Plasmazellen. Mukosa assoziierte dendritische Zellen wandern im Zuge von Infektionen nach Antigenaufnahme in die regionalen Lymphknoten und führen dort zur Aktivierung von antigenspezifischen naiven CD4+ und CD8+ T-Zellen. Neben den verstreut in der Lamina propria liegenden Lymphozyten gibt es organisierte lymphatische Gewebe, die als Peyersche Plaques bekannt sind. Peyersche Plaques sind ähnlich wie ein Lymph- oder Milzfollikel aufgebaut. Diese Mukosa-Follikel besitzen im Inneren eine B-Zell reiche Region, die häufig ein Keimzentrum enthält. Peyersche Plaques enthalten eine geringe Anzahl von interfollikulären CD4+ T-Zellen. Bei Mäusen beträgt die Anzahl von B-Zellen etwa 50 %–70 %, die der T-Zellen 10 %–30 %. Einige der epithelialen Zellen oberhalb der Peyerschen Plaques sind M (Membran)-Zellen (Abb. 1.10). M-Zellen besitzen keine Mikrovilli, können aktiv pinozytieren und

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1

Das Immunsystem

Definition

Mikrovilli fingerförmige, meist unverzweigte Ausstülpungen (100–800 nm; 50–100 nm dick) der Plasmaoberfläche am Resorptionspol bestimmter Epithelzellen (z.B. Enterozyten der Darmwand). Sie sind meist von einer Filament- bzw. Schleimschicht (fuzzy coat: Glykokalix) bedeckt. Durch Vergrößerung der Zelloberfläche verbessern sie die Resorption. Pinozytose Aufnahme kleiner Flüssigkeitsmengen mit darin gelösten Partikeln in Form von Vesikeln in die Zelle. Pinozytotische Vesikel haben einen max. Durchmesser von etwa 150 nm.

transportieren Makromoleküle vom Darmlumen (Intestinaltrakt) in das subepitheliale Gewebe der Lamina propria. Sie spielen vermutlich eine wichtige Funktion bei dem Transport von Antigenen zu den Peyerschen Plaques, sind selbst aber keine antigenpräsentierenden Zellen. Follikel, ähnlich den Peyerschen Plaques, befinden sich außerdem im Atemtrakt. Die Mandeln sind ebenfalls aufgebaut wie Peyersche Plaques. Plasmazellen, die mit Peyerschen Plaques assoziiert vorliegen, sezernieren i.d.R. Antikörper der Klasse IgA.

1.4.5

Thymus Der Thymus, auch Bries genannt, liegt unmittelbar hinter dem Brustbein, über dem Herzbeutel (Perikard). Er wächst bis zur Pubertät, in der er seine größte Ausdehnung erreicht (ca. 40 g) und bildet sich danach kontinuierlich zurück. Beim alten Menschen ist er nur noch als kleiner Geweberest vorhanden. Während der Embryonalentwicklung (Abb. 1.11) entsteht der Thymus aus einer Gewebefalte in der Pharynxregion (griech. Schlund, Rachen) des Embryos. An der Bildung ist das ektodermale Embryonalgewebe der dritten Kiemenspalte und das entodermale Gewebe der dritten Schlundtasche beteiligt. Nach etwa neuneinhalb Tagen der Entwicklung kommt es zur Invagination beider Gewebe, die aufeinander zuwachsen. Die ektodermale Zellschicht umwächst das entodermale Gewebe. Nach etwa elfeinhalb Tagen ist das Entoderm vollständig umwachsen und der unreife Thymus wird isoliert. Das innenliegende, entodermale Gewebe bildet die

Historie

Thymus Die Bedeutung des Thymus für die T-Zell Entwicklung wurde zuerst durch Beobachtung bei Kindern mit schwerer Immunschwächekrankheit entdeckt. Bei Menschen mit dem DiGeorge-Syndrom oder bei Mäusen mit der nude-Mutation (ruft Haarlosigkeit hervor) kann sich der Thymus nicht entwickeln. Es werden zwar B-Lymphozyten gebildet, aber kaum T-Lymphozyten.

Lymphatische Organe

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Abb. 1.11 Embryonalentwicklung des Thymus bei der Maus. Das ektodermale Gewebe der

3. Kiemenspalte umwächst während der Embryonalentwicklung das entodermale Gewebe der 3. Schlundtasche. Dabei wachsen beide Gewebe einwärts und bilden Strukturen, die als Cervicalvesikel (cervical: Hals) bezeichnet werden. Nach etwa 12 Tagen ist das Entoderm vollständig durch das Ektoderm umwachsen und der unreife Thymus wird isoliert

Markregion des Thymus, während das außenliegende, ektodermale Gewebe den Cortex bildet. Der vollständig differenzierte Thymus ist von einer Bindegewebskapsel umgeben. Er besteht aus mehreren Thymuslappen (Lobuli) (Abb. 1.12), die durch Trabekel voneinander getrennt sind. Jeder Thymuslappen besitzt eine innere Markregion und eine äußere Cortexregion. Die Cortexregion besteht aus cortikalen Epithelzellen, die von unreifen Thymozyten umgeben sind. Die Markregion besteht aus medullären (lat. medulla = Mark) Epithelzellen, reifen Thymozyten, Makrophagen und dendritischen Zellen. Makrophagen und dendritsche Zellen wandern aus dem Knochenmark in den Thymus ein und besitzen eine zentrale Funktion für die Differenzierung der Thymozyten. Granuläre Bereiche innerhalb der Markregion werden als Hassal-Körperchen bezeichnet. Sie sind möglicherweise Ort des Abbaus von apoptotischen Zellen. Der Thymus ist das Organ, in dem sich T-Zellen entwickeln. Im Thymus wird jede sich entwickelnde T-Zelle in ihrer Reaktivität auf ein bestimmtes Antigen festgelegt; es entstehen antigenspezifische T-Zellen. Darüber hinaus ist der Thymus eine endokrine Drüse. Er produziert die Hormone Thymosin und Thymopoetin, die Bedeutung für die Differenzierung und Teilungsrate von T-Zellen in den Lymphknoten haben. Mit Einsetzen der Pubertät bildet sich der Thymus zurück (Involution), so dass bei Erwachsenen nur noch ein Thymusrestkörper übrig bleibt, der hauptsächlich aus Fettgewebe besteht. Die verminderte Bildung von antigenspezifischen T-Zellen als Folge einer altersabhängigen Thymusdegeneration führt im Alter zu einer verminderten Leistungsfähigkeit des Immunsystems, so dass ältere Menschen oftmals anfälliger gegenüber Infektionen wie grippale Infekte oder Bronchitis sind. Ebenfalls können

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1

Das Immunsystem

Abb. 1.12 Thymuslappen. Thymozyten wandern in den Thymus ein. Sie vermehren sich im Cortex und wandern anschließend in die Markregion. Hier befinden sich antigenpräsentierende Zellen (APC), die an dem Reifungsprozess der Thymozyten beteiligt sind. Reife Thymozyten verlassen als naive T-Zellen (TZ) den Thymus und gelangen in den Blutkreislauf

veränderte Körperzellen weniger effektiv erkannt und beseitigt werden, so dass die „Tumor-Anfälligkeit“ mit zunehmendem Alter wächst.

1.5

Die Wanderung von Lymphozyten zwischen Blut und Lymphe B- und T-Lymphozyten, die noch keinen Antigenkontakt hatten, wandern zwischen Blut und sekundären lymphatischen Organen hin und her – sie rezirkulieren. Die Rezirkulierung beruht auf spezifischen Wechselwirkungen zwischen Adhäsionsmolekülen auf der Zelloberfläche der Lymphozyten mit Adhäsionsmolekülen auf speziellen Endothelzellen, die bestimmte kleine Venen (die sogenannten

Definition

Endokrine Drüsen Sie geben ihr Sekret in das Blut oder die Lymphe ab. Exokrine Drüsen sondern ihr Sekret nach außen, bzw. in Körperhöhlen ab. Ektoderm und Entoderm Gewebeschichten noch wenig differenzierter Zellen im tierischen und menschlichen Keim, die während der Embryonalentwicklung gebildet werden und aus denen später bestimmte Organsysteme hervorgehen. Sie werden auch als Keimblätter bezeichnet. Zu diesen zählt ebenfalls das Mesoderm.

Die Wanderung von Lymphozyten zwischen Blut und Lymphe

23

postkapillaren Venen) der sekundären lymphoiden Organe auskleiden. Die Adhäsionsmoleküle, die auf der Zelloberfläche von Lymphozyten exprimiert werden und für das Erreichen ihres Bestimmungsortes (homing) verantwortlich sind, werden als Homing-Rezeptoren bezeichnet. Die postkapillaren Venen werden auch als Venolen mit hohem Endothel bezeichnet (vgl. 1.4.1). Die Wechselwirkung der Adhäsionsmoleküle ist so spezifisch, dass von allen Blutzellen, die in Kontakt mit diesen Endothelialzellen kommen, ausschließlich die Lymphozyten vorübergehend haften bleiben und anschließend in den Lymphknoten einwandern. Vermutlich gibt es zwei Wege, auf denen die Lymphozyten in den Lymphknoten einwandern können. Zum einen können sie zwischen den Endothelzellen entlang in den Lymphknoten gelangen. Dieser Weg wird auch als der parazelluläre Weg oder als Peripoloese (gr. peri: herum, polemai: wandern) bezeichnet. Zum anderen gibt es Hinweise, dass naive Lymphozyten ebenfalls durch die Endothelzellen der HEV hindurchwandern können, um in den Lymphknoten einzutreten. Dieser Weg wird als der transzelluläre Weg oder als Emperiploese (gr. em: innen) bezeichnet. Allgemein wird der Durchtritt von Lymphozyten durch das Gefäßendothel Diapedese (gr. dia: hindurch, pedes: zu Fuß) genannt. Während ihrer Rezirkulierung zwischen Blut und Lymphe treffen T-Zellen in den Lymphgeweben täglich auf Tausende von antigenpräsentierenden Zellen. Sobald die Lymphozyten in den Lymphgeweben durch ihr Antigen von antigenpräsentierenden Zellen aktiviert werden, verlieren sie die für die Wanderung durch lymphoide Organe notwendigen Homing-Rezeptoren. Sie beginnen nun solche zu exprimieren, die sie an den Ort bringen, an dem sie gebraucht werden (Entzündungsort). Die wichtigste Gruppe von Adhäsionsmolekülen, die dafür notwendig ist, dass Lymphozyten ihren Bestimmungsort erreichen, sind die Selektine. Sie können auf Leukozyten (L-Selektin -CD62L-) oder auf dem Gefäßendothel (E-Selektin -CD62E-, P-Selektin -CD62P-) exprimiert werden. L-Selektin wird von zirkulierenden T-Lymphozyten exprimiert und leitet sie bei ihrer Wanderung vom Blut in periphere Lymphgewebe. L-Selektin bindet an den Kohlenhydratanteil der Mucin ähnlichen Moleküle vom Typ Lewis, die als vaskuläre Adressine bezeichnet werden. Dazu zählen z.B. CD34 und GlyCAM-1, die auf Venolen mit hohem Endothel zu finden sind. Ein weiteres Adressin, MAdCAM-1, wird auf dem Schleimhautendothel exprimiert und kontrolliert den Eintritt von Lymphozyten in das Schleimhaut assoziierte lymphatische Gewebe, z.B. bei den Peyerschen Plaques im Dünndarm. P- und E-Selektin wird am Infektionsherd auf dem Gefäßendothel exprimiert und leitet aktivierte Lymphozyten dorthin. Dort angekommen, treten die Lymphozyten durch das Gefäßendothel hindurch (Diapedese) und wandern in das entzündete Gewebe ein. Die Diapedese ist mechanistisch betrachtet ein anderer Vorgang als die Emperiploesis. Bei der Diapedese wandern die Lymphozyten zwischen den Endothelzellen hindurch – und nicht durch sie hindurch. Hierbei exprimiert das Gefäßendothel zunächst P-Selektin auf seiner Zelloberfläche. Mit zeitlicher Verzögerung von einigen Minuten bis Stunden wird Selektin-E, CD31 und die Integrine ICAM-1 und VCAM-1 exprimiert. Die Endothelzellen ziehen sich zusammen. Dabei lösen sich die dichten Zell–Zell-Verbindungen zwischen den Zellen auf und die

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1

Das Immunsystem

Definition

CD Cluster of Differentiation bezeichnet Zelloberflächen-Moleküle, die von Antikörpern erkannt werden und dadurch eine Aussage über den Zelltyp und/oder Differenzierungszustand der Zelle ermöglichen. Die CD Nomenklatur wurde 1982 auf dem „1st International Workshop and Conference on Human Leukocyte Differentiation Antigens (HLDA)“ in Paris etabliert. Letztlich besteht der Sinn in der Vergabe einer einheitlichen Nomenklatur für die vielen Oberflächenmoleküle, die von unterschiedlichen Antikörpern erkannt werden. Bei CD71 handelt es sich beispielsweise um den Transferrin Rezeptor. Lektine oftmals pflanzliche Proteine mit hoher Affinität zu spezifischen Zuckerresten. Einige pflanzliche Lektine führen dazu, dass rote Blutkörperchen verklumpen (agglutinieren). Diese Lektine werden auch als Phytohaemagglutinine (PHA; phyton gr. Pflanze) bezeichnet. Vertreter der Lektine besitzen oftmals die Funktion von Adhäsionsmolekülen, wie beispielsweise die Selektine. GlyCAM-1 Glycosylation dependent cell adhesion molecule 1 MadCAM Mucosal addressin cell adhesion molecule-1 ICAM Intercellular adhesion molecule-1 VCAM Vascular cell adhesion molecule-1

Lymphozyten können zwischen ihnen hindurchwandern. Ebenfalls strömt Plasma zusammen mit Serumbestandteilen aus den Gefäßen in das Gewebe ein. Die Entzündungsstelle schwillt an. Die Selektine sorgen zwar für die spezifische Wechselwirkung der Lymphozyten mit ihrem Bestimmungsort, sie befähigen die Zellen aber nicht, die Endothelbarriere zum lymphatischen Gewebe zu überwinden. Dafür sorgen Adhäsionsmoleküle aus der Integrin-Familie sowie der Immunglobulin-Super-Genfamilie. Die Integrine ICAM-1 und VCAM-1 gehören beispielsweise in die Familie der ImmungobulinSuper-Genfamilie. Sie besitzen ebenfalls eine zentrale Funktion bei der nachfolgenden Wechselwirkung der Lymphozyten mit ihren Zielzellen.

1.6

Angeborene und erworbene Immunität Die Mechanismen der angeborenen Immunität (vgl. Kap. 5.2, Kap. 7) sind die ersten aktiven Effektorreaktionen, die nach einer Infektion wirksam werden. Sie dienen dazu, die Verbreitung des Erregers einzudämmen und dadurch Zeit zu gewinnen, bis die Effektorreaktionen der erworbenen Immunität zum Tragen kommen. Der Begriff „erworbene Immunität“ leitet sich letztlich daher ab, dass die entsprechenden Effektormechanismen nicht sofort nach erfolgter Infektion eintreten, sondern sich gewissermaßen erst „entwickeln“ müssen. Die Immunabwehr von pathogenen Keimen durch Phagozytose ist einer der ersten Abwehrmechanismen (Effektormechanismen) die 0–4 h nach einer Infektion

Angeborene und erworbene Immunität

25 Abb. 1.13 Ilja Iljitsch Metschnikow. (Quelle: Courtesy of the National Library of Medicine)

greifen. Für die Entdeckung der Phagozytose als einem wesentlichen Immunabwehrmechanismus wurde Ilja Iljitsch Metschnikow 1908 der Nobelpreis verliehen (Abb. 1.13). Die Effektormechanismen der erworbenen Immunität fangen 4–96 h nach der Infektion an zu wirken, falls voraktivierte Lymphozyten (B- und T-Zellen) vorhanden sind. Stehen diese nicht zur Verfügung, beginnen die Abwehrreaktionen der erworbenen Immunität in etwa 96 h nach der Infektion zu wirken. Zu der angeborenen Immunität zählen zelluläre wie auch humorale Abwehrmechanismen (Abb. 1.14). Zelluläre Abwehrmechanismen werden u.a. durch Makro-

Definition

Phagozytose gr. phagein: fressen; ein dynamischer und energieabhängiger (ATP verbrauchender) Prozess der Aufnahme von Partikeln (> 250 nm) in eine eukaryontische Zelle. Die aufgenommenen Partikel gelangen in Phagosomen, in denen sie im weiteren Verlauf durch Hydrolasen abgebaut werden.

Historie

Ilja Iljitsch Metschnikow (*15. Mai 1845, † Paris 15. Juli 1916, russ. Biologe, ab 1890 Professor am Institut Pasteur in Paris) entdeckte, dass Bakterien durch Leukozyten „aufgefressen“ (phagozytiert) wurden. Er erkannte dies als einen wichtigen Abwehrmechanismus gegen Infektionen und erhielt dafür 1908 zusammen mit Paul Ehrlich den Nobelpreis für Medizin.

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1

Das Immunsystem

Abb. 1.14 Übersicht über die Abwehrmechanismen der angeborenen sowie der erworbenen

Immunität

phagen und polymorphkernige Leukozyten vermittelt. Sie sind in der Lage, Antigene zu phagozytieren und dadurch zu eliminieren. Von ebenso großer Bedeutung sind die natürlichen Killerzellen. Sie können Virus infizierte Zellen aufspüren und eliminieren. Sie haben aber auch eine wichtige Funktion bei der Beseitigung von entarteten Zellen, aus denen ein Tumor entstehen könnte. Zu den humoralen Mechanismen der angeborenen Immunität gehören das Komplementsystem sowie antimikrobielle Substanzen wie Lysozym und Interferone. Allein die angeborene Immunität reicht aber noch nicht aus, um einen ausreichenden Schutz in einer sich ständig verändernden Umwelt zu gewährleisten. Das Immunsystem muss ein Höchstmaß an Flexibilität hinsichtlich der spezifischen Erkennung von möglichen Krankheitskeimen besitzen. Es muß sich bei einem Zweitkontakt mit demselben Krankheitserreger an diesen „erinnern“, um eine schnellere und effektivere Bekämpfung einleiten zu können als bei dem ersten Kontakt. Hierfür haben sich im Laufe der Evolution ebenfalls humorale sowie zelluläre Abwehrmechanismen entwickelt, die als Effektormechanismen der erworbenen Immunität bezeichnet werden (Abb. 1.14). Die Effektorzellen der erworbenen Immunität sind die B- und T-Zellen. B-Zellen vermitteln über Antikörper die humorale Immunität, T-Zellen die zellgebundene Immunität. Die Zellen der angeborenen und erworbenen Immunität arbeiten zusammen. Phagozytierende Zellen der angeborenen Immunität wie die Makrophagen oder dendritischen Zellen sind unerlässlich für die Aktivierung der Effektorzellen der erworbenen Immunität. Umgekehrt können Antigene viel leichter von Phagozyten phagozytiert werden, wenn sie mit Antikörpern umgeben sind.

Angeborene und erworbene Immunität

27

Tafelbild 1

Aufgaben

Beschreiben Sie das Tafelbild

Spezielle Literatur Allan RS, Smith CM, Belz GT, van Lint AL, Wakim LM, Heath WR, Carbone FR (2003) Epidermal viral immunity induced by CD8alpha+ dendritic cells but not by Langerhans cells. Science 301:1925–1928 Cooper EL (2001) Immune Response: Evolution. Encyclopedia of Life Sciences 1–8 Cordier AC, Haumont SM (1980) Development of thymus, parathyroids, and ultimo-branchial bodies in NMRI and nude mice. Am J Anat 157:227–263 Davies DH (2001) Immune System. Nature Encyclopedia of Life Sciences 1–8 Engelhardt B, Wolburg H (2004) Mini-review: Transendothelial migration of leukocytes: through the front door or around the side of the house? Eur J Immunol 34:2955–2963 Hodgson GS, Dunn AR (2001) Bone Marrow. Nature Enyclopedia of Life Sciences 1–10 Kabelitz D, Medzhitov R (2007) Innate immunity – cross-talk with adaptive immunity through pattern recognition receptors and cytokines. Curr Opin Immunol 19:1–3 Kissenpfennig A, Henri S, Dubois B, Laplace-Builhe C, Perrin P, Romani N, Tripp CH, Douillard P, Leserman L, Kaiserlian D, Saeland S, Davoust J, Malissen B (2005) Dynamics and function of

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Das Immunsystem

Langerhans cells in vivo: dermal dendritic cells colonize lymph node areas distinct from slower migrating Langerhans cells. Immunity 22:643–654 Kissenpfennig A, Malissen Β (2006) Langerhans cells – revisiting the paradigm using genetically engineered mice. Trends Immunol 27:132–139 Matzinger P (1994). Tolerance, danger, and the extended family. Ann .Rev Immunol 12:991–1045 Pelayo RR, Welner SS, Perry, Huang J, Baba Y, Yokota T, Kincade PW (2005). Lymphoid progenitors and primary routes to becoming cells of the immune system. Curr Opin Immunol 17:100–107 Reynolds JD, Heng D, Sztukowski I (2001) Lymphoid System. Nature Encyclopedia of Life Sciences 1–7 Shortman K, Caux C (1997) Dendritic cell development: multiple pathways to nature's adjuvants. Stem Cells 15:409–419 Shortman K, Naik SH (2007) Steady-state and inflammatory dendritic-cell development. Nat Rev Immunol 7:19–30 Todd I (2001) Cells of the immune system. Nature Encyclopedia of Life Sciences 1–7 Wolburg H, Wolburg-Buchholz K, Engelhardt B (2004) Involvement of tight junctions during transendothelial migration of mononuclear cells in experimental autoimmune encephalomyelitis. Ernst Schering Res Found Workshop 17–38 Zhao X, Deak E, Soderberg K, Linehan M, Spezzano D, Zhu J, Knipe DM, Iwasaki A (2003) Vaginal submucosal dendritic cells, but not Langerhans cells, induce protective Th1 responses to herpes simplex virus-2. J Exp Med 197:153–162

2

Rezeptoren des Immunsystems

Eine wesentliche Eigenschaft des Immunsystems besteht in der Erkennung von Selbst und Nicht-Selbst, d.h. von körpereigen und körperfremd, sowie der Eliminierung von letzterem. Hierfür haben sich im Laufe der Evolution im Rahmen der angeborenen und erworbenen Immunität Erkennungsstrukturen (Rezeptoren) entwickelt, die zellgebunden oder auch löslich vorliegen können. Kap. 2.1 gibt einen Überblick über die wichtigsten Gruppen von Rezeptoren der angeborenen Immunität.

2.1

Rezeptoren der angeborenen Immunität Toll-like Rezeptoren (TLRs)

Die ersten Effektormechanismen (Verteidigungsmechanismen), die nach dem Eindringen von mikrobiellen Erregern in Gang gesetzt werden, sind die Mechanismen der angeborenen Immunität. Damit die Zellen der angeborenen Immunität ein möglichst breites Repertoire an mikrobiellen Erregern erkennen (binden) können, haben sich Rezeptoren entwickelt, die an stark konservierte Strukturen der Erreger binden. Solche Strukturen werden als pathogenassoziierte mikrobielle Muster (PAMP, pathogen-associated microbial patterns) bezeichnet. Dazu zählen beispielsweise bestimmte Formen von Lipopolysacchariden, Peptidoglykanen, bakterielle Lipoproteine, Flagellin und DNA/RNA von Bakterien bzw. Viren. Die an diese Strukturen bindenden Rezeptoren werden Mustererkennungsrezeptoren (PRR, pattern recognition receptors) genannt (vgl. Kap. 7.2). Zu den PRRs zählen die Mitglieder unterschiedlicher Proteinfamilien wie beispielsweise der Familie der C-Typ Lektine, der C-Typ Lektin ähnlichen Proteine, der NOD-Rezeptor ähnlichen Proteine und der Toll-Rezeptor ähnlichen Proteine. Gerade die Familie der Toll-Rezeptor ähnlichen Proteine (toll-like receptors, TLR) hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen, da sie vermutlich eine evolutive Schlüsselstellung für die Steuerung von angeborener und erworbener Immunität besitzen (Kap. 7.4). TLRs wurden auf der Basis von Sequenzhomologien zu einem Protein (Toll-Protein) der Fruchtfliege Drosophila identifiziert, das während der Fliegenembryogenese für die dorsal/ventral (Rücken-/Bauchseite) Entwicklung notwendig ist, aber auch als Re-

30

2

Rezeptoren des Immunsystems

Definition

Konservierte Strukturen Im biologisch-biochemischen Kontext werden unter konservierten Strukturen solche verstanden, die sich im Laufe der Evolution nicht bzw. kaum verändert haben. Daraus resultiert, dass solche Strukturen art- und speziesübergreifend nahezu identisch geblieben sind. Im mikrobiologischen Kontext gilt das beispielsweise für bestimmte Zuckerstrukturen, die auf der Oberfläche von unterschiedlichen Bakterienstämmen angetroffen werden können.

Tabelle 2.1 Toll-like Rezeptoren 1 bis 9: zelluläre Lokalisation und Funktion. Die Liganden der TLRs 10 und 11 wurden bislang nicht identifiziert

Name

Lokalisation

Funktion

TLR1 TLR2 TLR6

Zelloberfläche

TLR2 bindet eine Reihe von mikrobiellen Lipoproteinen und Lipopeptiden. Auch bindet es an LPS, das nicht bei Enterobakterien vorhanden ist, wie z.B. Helicobacter pyroli. TLR2 bildet funktionelle Heterodimere mit TLR1 und TLR6. Diese Komplexe binden entweder diacylierte oder triacylierte Lipopeptide.

TLR3

Endosomen

TLR3 besitzt eine Funktion bei der Antwort gegen dsRNA (ds = doppelsträngig), die während der Replikation von Viren in einer Zelle gebildet wird. Vermutlich bindet dieser Rezeptor dsRNA Fragmente und trägt dadurch zu einer antiviralen Antwort (Typ-I Interferon Synthese) bei.

TLR4

Zelloberfläche

TLR4 liegt assoziiert mit dem LPS-Rezeptor (Lipopolysaccharidrezeptor, CD14) vor. Bindet LPS von Enterobakterien (gram negative Bakterien) an CD14/TLR4, so wird ein Signal in die Zelle geleitet, das zur Transkription von antibakteriellen Molekülen und Signalmolekülen führt (Kap. 5.6).

TLR5

Zelloberfläche

TLR5 bindet an Flagellin, das den Hauptbestandteil von bakteriellen Flagellen bildet.

TLR7 TLR8

Endosomen

Beide Rezeptoren binden an Guanosin- oder Uracilreiche virale ssRNA, wie sie bei RNA Viren (z.B. Influenza Virus) auftreten. Wirtseigene ssRNA (ss = einzelsträngig) kommt nicht in Endosomen vor.

TLR9

Endosomen

Rezeptor für doppelsträngige DNA (dsDNA). Bindet an synthetische CpG DNA-Motive. Bakterielle DNA enthält nichtmethylierte CpG reiche Abschnitte. Hingegen sind CpG Inseln beim Menschen methyliert. Die Bindung von TLR9 führt u.a. zur Synthese von antimikrobiellen, entzündungsfördernden (inflammatorischen) Cytokinen.

Rezeptoren der angeborenen Immunität

31

zeptor für die Erkennung bestimmter Mikroorganismen dient. Bis heute sind etwa 11 unterschiedliche TLRs in Säugern identifiziert worden. TLRs werden sowohl auf der Zelloberfläche (TLR1, 2, 4 5, 6, 11), als auch intrazellulär in endosomalen Kompartimenten (TLR3, 7, 8, 9) exprimiert (Tabelle 2.1). Je nach Spezifität binden sie an unterschiedliche mikrobielle Strukturen (PAMPs) von Bakterien, Viren oder Pilzen. Die Bindung der TLRs an ihre Liganden führt zur Einleitung eines breiten Spektrums an Effektormechanismen, die zu einer Beseitigung des Erregers beitragen. Zu den Effektorreaktionen zählen beispielsweise das Ausschütten von entzündungsvermittelnden Stoffen (entzündungsfördernde Cytokine und Lipidmediatoren, antimikrobielle Peptide, Sauerstoff- und Stickoxidradikale) sowie das Anlocken und die Aktivierung weiterer Phagozyten. TLRs sind aber auch an der Differenzierung und Aktivierung von dendritischen Zellen beteiligt. Als gemeinsames Strukturmerkmal besitzen Toll-like Rezeptoren im extrazytoplasmatischen Anteil ihres Rezeptors leucinreiche Sequenzwiederholungen (Abb. 2.1). Diese sind für die Rezeptorspezifität verantwortlich. Im zytoplasmatischen Bereich liegt ein Protein-Protein Bindungsmodul. Dieses wird als die TIRDomäne (Toll-Interleukin-1 Rezeptordomäne, Kap. 7.4.1) bezeichnet. Über die TIR-Domäne wird nach Bindung eines entsprechenden Adapterproteins ein Signal in die Zelle geleitet, das zur Genaktivierung und damit zur Effektorreaktion der Zelle führt.

NOD-like Rezeptoren (NLRs)

NLRs bilden eine weitere Klasse von PRRs. Sie liegen (soweit bekannt) zytoplasmatisch vor. In Kombination mit den zellmembrangebundenen und endosomal vor-

Definition

Heterodimer ein Protein, das aus zwei unterschiedlichen Polypeptidketten aufgebaut ist, die nichtkovalent miteinander verbunden sind Enterobakterien Sie sind eine große Gruppe innerhalb der Eubakterien. Viele sind Teil der gesunden Darmflora des Menschen und der Tiere. Sie kommen aber auch im Boden und im Wasser vor. Viele sind Krankheitserreger bei Mensch und Tier. Flagellen (Geißeln) Bei Bakterien extrazelluläre „Fäden“, die mit einem Motorkomplex in der Zellmembran und der Zellwand verankert sind. Sie bestehen vollständig aus Proteinen. Der Motorkomplex setzt einen Konzentrationsunterschied an Protonen (Protonengradient) zwischen den beiden Seiten der inneren Zellmembran in eine Drehbewegung um. Die Drehbewegung wird auf eine Art „Haken“ übertragen, an dem sich der „Faden“ (Filament) anschließt. CpG (Cytosin-phosphatidyl-Guanosin) CpG Inseln sind genomische Regionen, in denen statistisch gehäuft das CpG Motiv auftritt. Beim Menschen werden diese Motive durch Methylgruppen verändert, bei Bakterien nicht.

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2

Rezeptoren des Immunsystems

Abb. 2.1 Vereinfachte Darstellung der allgemeinen Struktur von Toll-like Rezeptoren (TLRs) und

NOD-like Rezeptoren (NLRs) am Beispiel des Toll Rezeptors (Drosophila) und NOD1. Toll Rezeptoren liegen membrangebunden an der Zelloberfläche oder assoziiert mit endosomalen Kompartimenten vor. NOD Rezeptoren liegen zytoplasmatisch vor. Die Bindungsspezifität der beiden Klassen von Mustererkennungsrezeptoren liegt in einem leucinreichen Sequenzwiederholungsmotiv. Im Falle des Toll Rezeptors wird dieses Motiv durch eine N- und C- flankierende, cysteinreiche Region flankiert. Im Anschluss an den Transmembrananteil folgt beim Toll Rezeptor die Toll-Interleukin-1 Rezeptordomäne (TIR). Die TIR-Domäne sowie die CARD-Domäne (Caspase rekrutierende Domäne) dienen als Protein-Protein Bindungsmodule, über die nach Bindung entsprechender Adapterproteine bestimmte Effektorreaktionen in der Zelle eingeleitet werden. Im Falle von NOD1 werden das leucinreiche Sequenzwiederholungsmotiv und die CARD-Domäne durch die NACHT-Domäne sowie eine in NLRs häufig vorhandene NAD-Domäne voneinander separiert

liegenden TLRs bilden sie eine breite „Erkennungsfront“ gegen mikrobielle Keime. NLRs scheinen insbesondere eine Schlüsselfunktion für die Erkennung von bakteriellem Peptidoglykan (NOD1 und NOD2), Flagellin und bakteriellen Toxinen zu besitzen. Bislang sind etwa 30 NLR Proteine im Menschen bekannt. Allerdings konnten bislang nur von wenigen die Liganden identifiziert werden. NLRs besitzen

Rezeptoren der angeborenen Immunität

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einen ähnlichen, modulartigen Aufbau wie TLRs (Abb. 2.1). Am C-Terminus liegt ein leucinreiches Sequenzwiederholungsmotiv (LRR). Ebenso wie bei TLRs liegt in diesem Abschnitt die Ligandenspezifität. Im Anschluss an die LRRs folgt eine Nukleotid bindende NACHT Domäne (s. Definitionsbox). Die NACHT-Domäne ist für eine Oligomerisierung (Zusammenlagerung zu einem Mehrkettenkomplex) von NLRs verantwortlich und für diese Klasse von Mustererkennungsrezeptoren namensgebend: NOD1 steht für Nukleotid bindende Oligomerisationsdomäne-1. Häufig ist neben der NACHT-Domäne noch eine NACHT assoziierte Domäne (NAD) vorhanden. Am N-terminalen Ende liegt die Effektordomäne. Über diese Domäne wird nach der Bindung des Liganden ein Signal in die Zelle geleitet, das zur Einleitung der Effektorreaktion führt. NLRs werden aufgrund ihrer Effektordomäne in zwei Gruppen eingeteilt. Die CARD-Domänen (Caspase rekrutierende Domäne) tragenden NLRs (Abb. 2.1) und die PYD-Domänen (Pyrin-Domäne) tragenden NLRs. NLRs sind im Gegensatz zu TLRs weniger breit im Tier-/Pflanzenreich anzutreffen. Vermutlich treten NLRs erst bei höheren Vertebraten auf. In Drosophila melanogaster und Caenorhabditis elegans (Fadenwurm) wurden bislang keine NLRs identifiziert.

Definition

Extrazytoplasmatisch außerhalb des Zytoplasmas gelegen; diese Bezeichnung wird häufig für Transmembranproteine verwendet, bei denen die Zytoplasmamembran (Zellmembran) einen zytoplasmatischen Bereich von dem Bereich separiert, der außerhalb der Zytoplasmamembran (extrazytoplasmatisch) gelegen ist. NACHT-Domäne Diese Domäne tritt in den Proteinen Naip, CIITA (Transkriptionsfaktor für MHCI und –II Moleküle), HET-E (pflanzfliches Protein „het“) und TP-1 (Telomerase assoziiertes Protein-1) auf. Caspasen Caspasen sind Proteasen mit einem Cysteinrest im aktiven Zentrum; sie gehören in die Familie der Cyteinproteasen. Caspasen sind maßgeblich an der Auslösung des regulierten Zelltods (Apoptose) beteiligt. Eine Fehlsteuerung von Caspasen kann zu schweren Krankheiten, wie z.B. Chorea Huntington führen. Bei dieser Krankheit wird eine Caspase fälschlicherweise aktiviert, und es kommt zum Absterben der Zellen. Durch Caspase-Inhibitoren kann dieser Vorgang unterdrückt werden. C-Typ Lektin Diese Namensgebung wurde ursprünglich für ein Protein eingeführt, von dem eine Calciumabhängigkeit für die Bindung an bestimmte Kohlenhydratstrukturen beobachtet wurde. Insofern ist diese Bezeichnung für eine Proteinfamilie irreführend, da nicht alle Mitglieder dieser Familie calciumabhängig an Kohlendhydratstrukturen binden. Allgemeiner werden heute unter C-Typ Lektinen solche Proteine definiert, die eine C-Typ Lektindomäne besitzen. Diese Domäne wurde als Strukturmotiv zuerst im Mannose-Binde-Lektin (MBL) definiert.

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2

Rezeptoren des Immunsystems

Mannoserezeptor

Der Mannoserezeptor ist ein Mustererkennungsrezeptor aus der Gruppe der C-Typ Lektine. Er wird von Gewebemakrophagen, Subpopulationen von dendritischen Zellen aber auch lymphatischen Endothelzellen exprimiert. Er ist Teil eines effizienten Auffnahmesystems von körpereigenen (endogenen) Glykoproteinen, die beispielsweise im Zuge von entzündlichen Prozessen freigesetzt werden können. Er führt aber auch zur effizienten Aufnahme von mikrobiellen Bestandteilen durch Makrophagen. Der Mannoserezeptor bindet nicht nur an bestimmte Mannose-, Fucose- und N-acteylglucoseamin-haltige Kohlenhydratstrukturen, sondern er bindet auch an sulfathaltige Kohlenhydrate sowie an Kollagen.

Rezeptoren des Komplementsystems

Das Komplementsystem ist ein wichtiger Bestandteil der löslichen (humoralen) Komponente der angeborenen Immunität (Kap. 5.2). Initiale (auslösende) Rezeptoren sind insbesondere die Faktoren C1q sowie die Akute-Phasen-Proteine CRP (C-reaktives Protein) und MBL (Mannose-Binde-Lektin) (Kap. 5.2). Sowohl CRP (ein Lektin ähnliches Protein, bindet an Phosphatidylcholin) als auch MBL (s.o.) zählen zu der Klasse der Mustererkennungsrezeptoren. Ein wichtiges Spaltprodukt der Komplementkaskade ist C3b, das sich auf der Oberfläche von Pathogenen oder Immunkomplexen ablagert und diese opsonisiert (umhüllt, Oberfläche verändert). Phagozytierende Zellen besitzen Rezeptoren für C3b, die zu einer sehr effizienten Aufnahme von C3b opsonisierten Partikeln führen. Erythrozyten besitzen beispielsweise den Komplementrezeptor CR1 (complement receptor-1) auf ihrer Zelloberfläche. Immunkomplexe, die hier binden, werden zu Milz und Leber transportiert und dort abgebaut. Neben CR1 existieren noch eine Reihe weiterer Komplementrezeptoren, die in Kap. 5.2.3 im Kontext der Komplementaktivierung näher erläutert werden.

Definition

LDL Lipoproteine geringer Dichte (low-density) sind die wichtigsten Cholesterintransporter im Blut. Cholesterin ist ein wesentlicher Bestandteil von eukaryontischen Plasmamembranen. Die Funktion von LDL besteht darin, mit der Nahrung aufgenommenes Cholesterin zu peripheren Geweben zu transportieren. Lipoproteine hoher Dichte (high-densitiy, HDL) haben hingegen die Funktion, Cholesterin aus absterbenden Zellen und abgebauten Membranen aufzunehmen und zwecks Abbau zur Leber zu transportieren. LDL wird im Kontext von Arteriosklerose (Arterienverkalkung) häufig als „böses“ Cholesterin“ bezeichnet, HDL hingegen als „gutes Cholesterin“. Bei hoher LDL Konzentration kann Cholesterin an das Blutplasma abgegeben werden und sich an den Gefäßinnenwänden ablagern (Verkalkung).

Rezeptoren der erworbenen Immunität

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Rezeptoren von natürlichen Killerzellen

Natürliche Killerzellen (NK-Zellen, Kap. 5.4) besitzen zwei große Klassen von Rezeptoren: Lyse inhibierende Rezeptoren und Lyse aktivierende Rezeptoren. Lyse inhibierende Rezeptoren gehören zur Immunglobulinsuperfamilie und werden entsprechend als killer cell immunglobulin-like receptors (KIR) bezeichnet. Eine Ausnahme bildet der Komplex aus CD94/NKG2A bzw. B (B ist eine Spleißform) auf humanen NK-Zellen, sowie NKRP1A auf murinen NK-Zellen. Hierbei handelt es sich um C-Typ Lektine. Lyse aktivierende Rezeptoren zählen zu der Familie der C-Typ Lektine.

Scavenger („Aasfresser“) Rezeptoren

Diese Rezeptoren wurden ursprünglich dadurch definiert, dass sie die Endozytose von veränderten (oxidierten oder acteylierten) low-density Lipoproteinen (LDL) auslösten, die von konventionellen LDL-Rezeptoren nicht mehr gebunden werden konnten. Scavenger Rezeptoren auf Makrophagen binden sowohl solche veränderten LDL-Komplexe als auch ein breites Spektrum von Mikroorganismen. Sie sind für die natürliche „Reinigung des Blutes“ notwendig und spielen beim Abbau überalterter Erythrozyten eine Rolle.

2.2

Rezeptoren der erworbenen Immunität Da unser Immunsystem „nicht weiß“, mit welchen antigenen Strukturen es einmal konfrontiert wird, haben sich im Rahmen der angeborenen Immunität Mustererkennungsrezeptoren entwickelt, die aufgrund ihrer breiten Verteilung und ihrer breiten Spezifität eine rasche Effektorreaktion in den Zellen der angeborenen Immunität auslösen können. Was passiert aber, wenn Antigene nur „teilweise“ von den Zellen der angeborenen Immunität erkannt werden oder die eingeleiteten Effektorreaktionen nicht ausreichen, um die Infektion zu besiegen? Mustererkennungsrezeptoren sind keimbahnkodiert (für einen Rezeptor kodiert ein Gen), so dass es für sie keine Möglichkeit gibt, ihre Spezifität zu wechseln, um dadurch neue Antigene binden zu können. Hierfür haben sich im Laufe der Evolution weitere Mechanismen und, damit verbunden, Rezeptoren entwickelt, die eine hochspezifische Erkennung von einer unüberschaubaren Anzahl von vergangenen, aktuellen und zukünftigen Antigenen ermöglichen. Das folgende Kapitel soll eine Übersicht über die wichtigsten Rezeptoren der erworbenen Immunität, ihrer Struktur und Entstehungsweise geben. Einer der wichtigsten Antigenrezeptoren der erworbenen Immunität ist der Antikörper, der membrangebunden auf der Oberfläche von B-Zellen vorkommt, und von diesen als löslicher Rezeptor im Laufe einer Immunantwort in großen Mengen sezerniert werden kann.

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2

Rezeptoren des Immunsystems

2.2.1

Aufbau von Antikörpern Antikörper besitzen drei wesentliche Eigenschaften: Sie wirken opsonisierend (umhüllend, oberflächenverändernd), indem sie ihr Antigen nichtkovalent z.T. so dicht binden, dass ein oberflächlicher Antikörperüberzug entsteht. Im gebundenen Zustand können Antikörper das Komplementsystem und weitere unspezifische Abwehrsysteme aktivieren. Antikörper können aber auch neutralisieren. So kann z.B. ein Virus vor dem Eintritt in die Zelle gehindert werden, wenn Antikörper die für den Eintritt in die Zelle notwendigen Rezeptoren blockieren. Ebenso können Antikörper Toxine (Gifte) neutralisieren. Nach einem Biss von einer giftigen Schlange werden in der Regel Antiseren verabreicht. Die Antikörper binden das Gift und verhindern dadurch, dass es an die entsprechenden zellulären Rezeptoren bindet und damit seine toxische Wirkung entfaltet. Antigene, die mit

Historie:

Entdeckung von Antikörpern Emil Adolph von Behring (* 15. März 1854, † Marburg 31. März 1917) entwickelte 1898 ein Antiserum gegen den Diphtherie-Erreger (Abb. 2.2). Er fand heraus, dass nach Immunisierung von Tieren mit abgetöteten Diphtherie Bazillen im Blut der Tiere Substanzen vorhanden waren, die den Erreger und sein Toxin neutralisieren konnten. Er nannte diese Substanzen Antitoxine. Er konnte zeigen, dass Seren immunisierter Tiere gesunde Tiere vor der Wirkung des Diphtherie Toxins schützen konnten. Für diese Erkenntnis bekam er 1901 den ersten Nobelpreis für Medizin. Ab 1891 war Emil von Behring am Institut für Infektionskrankheiten des Bakteriologen Robert Koch (* 11. Dezember 1843, † Baden Baden 27. Mai 1910) in Berlin tätig. Einer der Assistenten von Robert Koch war Paul Ehrlich (* 14. März 1854, † 20. August 1915, Bad Homburg). Inspiriert von Emil Behrings Antitoxinen entwickelte Paul Ehrlich eine Theorie (Seitenkettentheorie), mit der er die Wirkung von Antitoxinen erklären konnte. Ehrlich vermutete, dass bestimmte Körperzellen Rezeptormoleküle oder Seitenketten auf ihrer Oberfläche besitzen, die sich mit bestimmten Strukturen der Toxine verbinden können. Wenn diese Zellen den Kontakt mit dem Toxin überstehen, dann produzieren sie Seitenketten in großer Zahl. Diese Seitenketten oder Antitoxine werden heute als Antikörper bezeichnet. Mit seiner Theorie legte Ehrlich den Grundstein der modernen Immunologie und bekam dafür zusammen mit Ilja Metschnikow 1908 den Nobelpreis. Es sollte noch etwa 80 Jahre dauern, bis die Struktur eines Antikörpermoleküls aufgeklärt werden konnte. Der Durchbruch gelang 1958. Rodney R. Porter und Gerald M. Edelman isolierten aus dem Urin von Lymphompatienten genügend Antikörpermoleküle, um sie für chemische Analysen einsetzen zu können. Diese Arbeiten endeten 1969 mit der Aufklärung der kompletten Primärsequenz eines Antikörpermoleküls und dem heute noch allgemein anerkannten Modell eines IgG Moleküls.

Rezeptoren der erworbenen Immunität

Abb. 2.2 Paul Ehrlich (links) und Emil von Behring (rechts). (Quelle: Clendening Library

Portrait Collection)

Definition

Dalton Dalton ist die Bezeichnung für eine Masseneinheit. Sie wurde nach dem britischen Chemiker und Physiker John Dalton (1766–1844) benannt. Wegen der geringen Masse kann man einzelne Atome nicht wiegen, man kann allerdings ihre relativen Massen untereinander bestimmen, d.h. man sucht sich ein Element aus und prüft, wie viel mal die anderen Elemente schwerer oder leichter sind. Die relative Atom- bzw. Molekülmasse (Mr) ist dimensionslos. Dalton wählte den Wasserstoff als Bezugselement und konnte feststellen, dass z.B. Kohlenstoff 12-mal schwerer und Sauerstoff 16-mal schwerer als Wasserstoff ist. Heute bezieht man die Massen auf das Kohlenstoff-Atom. Die absolute Atommasse besitzt die Mas12 seneinheit u und entspricht 1/12 der Masse eines C-Atoms in Gramm (Mw Kohlenstoff = 12 g/mol). Die Atommasse 1u entspricht etwa 1Da. Eine Aminosäure hat ein durchschnittliches Molekulargewicht von 110 Dalton (Da). Serum Blutbestandteile, die nach der Blutgerinnung verbleiben Plasma zellfreier Bestandteil des Blutes Nichtkovalent Eine kovalente Bindung ist eine Elektronenpaarbindung. Hier trägt jeweils ein Außenelektron (Valenzelektron) zweier Atome in einer Verbindung zur Ausbildung des gemeinsamen (ko), bindenden Elektronenpaars in einer Verbindung bei. Eine nichtkovalente Bindung beruht auf elektrostatischen Anziehungskräften auf der Basis von Wasserstoffbrückenbindungen oder Van-derWaals Bindungen.

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2

Rezeptoren des Immunsystems

Antikörpern umhüllt sind, können darüber hinaus von Phagozyten sehr effektiv phagozytiert werden. Im Blutserum sind zwei Klassen von Proteinen zu unterscheiden. Die wasserlöslichen Albumine und die salzlöslichen Globuline. Die Fraktion der Globuline enthält die Immunglobuline oder Antikörper. Die Immunglobuline lassen sich in fünf Klassen einteilen: Immunglobulin G (IgG), IgA, IgM, IgD und IgE. Für IgG gibt es beim Menschen die Subklassen IgG1, IgG2, IgG3 und IgG4. Für IgA die Subklassen IgA1 und IgA2. Alle Antikörperklassen können sowohl membranständig als Teil des B-Zell Rezeptors vorkommen sowie von den B-Zellen nach ihrer Aktivierung als lösliche Antikörper sezerniert werden. Antikörper werden nur von B-Zellen produziert. Sie sind die humorale (lösliche) Antwort der erworbenen Immunität im Verlauf einer Infektion. Alle Antikörpermoleküle bestehen aus zwei identischen schweren Polypeptidketten mit einem Molekulargewicht von etwa 50 kDa (ca. 450 Aminosäuren) je Kette sowie zwei identischen leichten Ketten mit einem Molekulargewicht von etwa 25 kDa je Kette (Abb. 2.3). Je eine leichte Kette ist über eine Disulfidbrücke mit einer schweren Kette verknüpft, und die schweren Ketten sind miteinander ebenfalls durch Disulfidbrücken verbunden. Schwere und leichte Polypeptidketten besitzen eine Domänenstruktur. Die Domänen werden als Immunglobulindomänen bezeichnet. Sie besitzen eine Länge von etwa 90 Aminosäuren und enthalten Disul-

Abb. 2.3 Aufbau eines IgG Antikörpers. Dargestellt ist die Röntgenstruktur (pdb accession 1hzh, abgebildet mit ViewerLite5.0, linker Teil der Abbildung) sowie eine schematische Zeichnung eines IgG Antikörpers (rechter Teil der Abbildung). Die schweren Ketten (Röntgenstruktur in lila/blau, rechts in blau) sind im Bereich der Gelenkregion durch Disulfidbrücken (gelb) miteinander verbunden. Je eine leichte Kette (Röntgenstruktur in grün/rot, rechts in rot) ist ebenfalls über Disulfidbrücken an eine schwere Kette (H, heavy chain) gebunden. Schwere und leichte Kette besitzen jeweils eine variable Region (VH, variable heavy chain, VL, variable light chain). Zusätzlich besitzt die schwere Kette drei konstante Regionen (CH1–CH3, constant heavy), die leichte Kette hingegen nur eine konstante Region (CL, constant light). Der Antikörperteil, beginnend unterhalb der Gelenkregion, wird als „fragment crystallizable“ (FC) bezeichnet, ein Antikörperärmchen oberhalb der Gelenkregion als „fragment of antibody binding“ (Fab)

Rezeptoren der erworbenen Immunität

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Abb.2.4 Feinstruktur der variablen Region eines Antikörpers. Sowohl die variable Region der leichten Kette, als auch die der schweren Antikörperkette besitzt drei hypervariable Bereiche (HV1– HV3). Der konservierte Aminosäureabschnitt zwischen den HV-Regionen wird als Gerüstregion (framework region, FR1–FR4) bezeichnet. Die HV-Regionen der leichten und schweren Kette liegen in der Quartärstruktur zusammen und bilden die Antigenbindungsstellen des Antikörpers (complementarity determining regions, CDR1–CDR3)

fidbrücken, die eine Schlaufe mit 56 Aminosäureresten bilden. Schwere und leichte Antikörperketten besitzen je eine Domäne, die als variable Region (VH und VL) bezeichnet wird. Ein Vergleich der Aminosäuresequenz von variablen Regionen unterschiedlicher Antikörper zeigt, dass jede variable Region drei Aminosäurebereiche besitzt, die sich in ihrer Sequenz stark voneinander unterscheiden. Diese Bereiche werden als hypervariable Bereiche (HV) bezeichnet (Abb. 2.4). Im Gegensatz dazu werden die konservierten Aminosäureabschnitte der variablen Domäne Gerüstregionen (framework regions, FR) genannt. Sie sind notwendig, damit die Domänenstruktur erhalten bleibt. Jede variable Region besitzt drei hypervariable Bereiche (HV1–HV3) und vier framework regions (FR1–FR4). Die hypervariablen Bereiche der leichten und schweren Kette lagern sich zusammen und bilden so die Antigenbindungsstellen des Antikörpers. Da die Struktur der Antigenbindungsstellen des Antikörpers komplementär zu den Antigenstrukturen ist, werden sie als komplementaritätsbestimmende Regionen (complementarity determining regions, CDR1–CDR3) bezeichnet. Der Bindungsbereich eines Antikörpers auf seinem Antigen heißt Epitop. Im Anschluss an die variablen Domänen folgen die in ihrer Aminsosäuresequenz nichtvariablen bzw. konstanten Antikörperdomänen. Jede leichte Kette besitzt eine konstante Domäne. Alle schweren Ketten besitzen mit Ausnahme von schwerer IgM und IgE Kette drei konstante Domänen (Abb. 2.3 und 2.7).

Membranständige Antikörper versus lösliche (sezernierte) Antikörper

Jede B-Zelle in der Peripherie besitzt als Teil ihres B-Zell Rezeptorkomplexes membranständige Antikörper mit nur einer einzigen Spezifität. Ein membranständiger Antikörper besitzt im Anschluss an die letzte konstante Domäne eine Transmembranregion, mit der er in der Membran verankert ist, sowie einen kurzen, zytosolischen Anteil. Wird die B-Zelle aktiviert, beginnt sie sich zu vermehren: sie proli-

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2

Rezeptoren des Immunsystems

feriert. Aus den Nachkommenzellen können Plasmazellen differenzieren, die nun den Antikörper in großen Mengen sezernieren (Abb. 2.5). Sezernierte Antikörper werden als lösliche Antikörper bezeichnet. Sie besitzen keine Transmembranregion und auch keine zytosolische Region mehr. Sie werden durch differenzielles Spleißen aus einer prä-mRNA gebildet (vgl. Abb. 2.10). Je nach Antikörperklasse kann die lösliche Form des Antikörpers als Monomer (IgG, IgE, IgD, IgA im Plasma), als Dimer (IgA in Körpersekreten) oder Pentamer (IgM) auftreten (Abb. 2.6a). Nach der B-Zell Aktivierung kann die Antikörperklasse wechseln, jedoch nicht die Spezifität des Antikörpers. Die Antikörperklasse wird allein durch die konstante Region der schweren Immunglobulinkette festgelegt. B-Zellen reifen im Knochenmark. Reife B-Zellen, die das Knochenmark verlassen, besitzen auf ihrer Zelloberfläche Antikörper der Klasse IgM und IgD mit identischer Spezifität. Wird solch eine B-Zelle aktiviert,

Abb. 2.5 Zirkulierende B-Zelle und Antikörper sezernierende Plasmazelle. Reife B-Zellen besitzen als Teil ihres B-Zellrezeptorkomplexes einen membranständigen Antikörper. Kommt es zur Aktivierung der B-Zelle in lymphatischen Geweben, so beginnt die B-Zelle zu proliferieren. Aus den Nachkommenzellen differenziert ein Teil zu Antikörper sezernierenden Plasmazellen. (TM = Transmembranregion, CY = Zytoplasmatische Region)

Rezeptoren der erworbenen Immunität

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Abb. 2.6a,b Antikörperspaltung durch Pepsin und Papain. a Wird ein IgG Antikörper durch Pepsin gespalten, dann entsteht ein F(ab)2 Fragment. Wird der Antikörper hingegen durch Papain gespalten, so entstehen zwei Fab Fragmente und der Fc Anteil des Antikörpers; b Papayafrucht. (Quelle: Jürgen Neumann)

Definition

Zytoplasma Der gesamte Inhalt einer Zelle, der nach außen hin von der Zellmembran umschlossen wird. Zytosol Zellflüssigkeit, in der die Organellen schwimmen.

beginnt sie sich zu vermehren, und die Antikörperklasse kann wechseln, nicht aber die Antikörperspezifität. Die Nachkommen der B-Zelle besitzen dann Antikörper der neuen Klasse auf ihrer Zelloberfläche.

Pepsin und Papain

Antikörper sind wichtige Werkzeuge eines Molekularbiologen. Häufig werden für analytische Zwecke Antikörperfragmente, sogenannte Fab-Fragmente (fragment of antibody binding) und F(ab)2-Fragmente eingesetzt. Solche Antikörperfragmente erhält man, wenn man Antikörper entweder mit der Protease Pepsin oder mit der Protease Papain verdaut (Abb. 2.6b). Pepsin spaltet unterhalb der Disulfidbrücken, durch die beide schwere Antikörperketten miteinander verbunden sind; dabei entstehen F(ab)2 Fragmente. Papain spaltet den Antikörper oberhalb der Disulfidbrücken; das führt zu zwei Fab Fragmenten und dem Fc (fragment crystallizable) Teil. Dieses Spaltungsmuster gilt streng genommen nur für die Antikörperklassen, die eine Gelenkregion besitzen. Bei IgM und IgE gibt es keine Gelenkregion, sondern eine zusätzliche konstante Domäne.

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2

Rezeptoren des Immunsystems

Definition

Pepsin Pepsin ist eine Serinprotease und wird im Schleimhautepithel des Magens in einer inaktiven Vorstufe synthetisiert. Erst im Magenlumen wird es in Folge des sauren pH Wertes (pH 1–3) gespalten und dadurch aktiviert. Papain Diese Protease wurde in der Papayafrucht entdeckt und nach ihr benannt.

2.2.2

Antikörperklassen Antikörper besitzen die Funktion zu opsonisieren, zu neutralisieren und unspezifische Abwehrsysteme über ihren Fc-Anteil zu aktivieren (z.B. Komplement, Phagozytose). Je nach Antikörperklasse (Abb. 2.7) können unterschiedliche Mechanismen in Gang gesetzt werden (Tabelle 2.2). Daneben ist auch die Verteilung der Antikörper im Körper abhängig von ihrer Klasse. Für jede Antikörperklasse gibt es Rezeptoren (Fc-Rezeptoren, FcR), die zelltypspezifisch verteilt sind. Je nach Rezeptorwechselwirkung wird zelltypabhängig ein anderer biologischer Prozess in Gang gesetzt.

IgM

IgM Antikörper sind die ersten Antikörper, die naive B-Zellen nach ihrer Aktivierung sezernieren. Ein IgM Molekül ist ausreichend, um nach Bindung an das Antigen die Komplementkaskade aktivieren zu können. IgM bindet vermutlich an repetitive (sich wiederholende) Epitope, wie sie beispielsweise in Zuckerstrukturen (Glykolipide) auf der Oberfläche von vielen Bakterienstämmen zu finden sind. Dadurch kann ein IgM Antikörper mehrere, aber auch unterschiedliche Bakterien binden und miteinander zu hochmolekularen Immunkomplexen vernetzen. Jeder einzelne Antikörper im Pentamer ist zwar spezifisch für sein Antigen (z.B. die Zuckerstruktur), besitzt aber eine geringe Bindungsstärke (Affinität) im Vergleich zu der Bindungsaffinität nach Klassenwechsel und Affinitätsreifung (s. Kap. 2.2.3). Allerdings wird die Bindung eines IgM Pentamers an sein Antigen erst dann gelöst, wenn alle Antikörper im Pentamer von ihrem Antigen abdissoziieren. Somit ist die Dissoziationsgeschwindigkeit des Pentamers viel geringer als die Dissoziationsgeschwindigkeit für einen einzelnen Antikörper. Das Pentamer hat folglich eine größere effektive Bindungsstärke (= Avidität) gegenüber dem Monomer.

IgG

Diese Antikörper überwiegen mengenmäßig gegenüber den anderen Antikörperklassen im Serum. Beim Menschen gibt es die Unterklassen IgG1, IgG2, IgG3 und

Rezeptoren der erworbenen Immunität

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Abb. 2.7 Membranständiger Antikörper im Vergleich zu seiner löslichen Form. Dargestellt sind die fünf Antikörperklassen IgG, IgM, IgA, IgE und IgD. Transmembranregion (TM), zytosolische Region (CY) und Zellmembran sind eingezeichnet. Lösliches IgM liegt als Pentamer vor. Im Pentamer sind die Monomere durch Disulfidbrücken miteinander verbunden. Die Verknüpfung durch Disulfidbrücken wird durch ein etwa 15 kD Peptid, die J-Kette, gefördert. Lösliches IgA liegt in Körpersekreten als Dimer vor. Die Dimerbildung ist für den Transport durch die Epithelien notwendig. Es findet sich aber auch in geringen Mengen als Monomer im Blut

IgG4. IgG Antikörper binden ihr Antigen meist affiner als IgM Antikörper. Sie können ebenfalls das Komplement aktivieren; allerdings müssen dafür mindestens zwei Antikörper auf der Oberfläche des Antigens in einem bestimmten Abstand zueinander gebunden haben. IgG Antikörper werden durch die Plazenta transportiert und verleihen dem Fötus Schutz vor Infektionen. Für den selektiven Transport des IgG von der Mutter zum Fötus ist ein IgG-Transportprotein (FcRn) in der Plazenta verantwortlich. Zwei Moleküle FcRn binden an den Fc-Anteil eines IgG Antikörpers und schleusen ihn durch die Plazenta.

44

2

Rezeptoren des Immunsystems

Tabelle 2.2 Übersicht über die Antikörperklassen, ihre Funktion und Verteilung. Die Antikörperk-

lassen sind in der Reihenfolge aufgeführt, wie sie auch der genomischen Organisation entspricht. Die Antikörper der Klasse IgG3 und IgG1 können auf Zelloberflächen infizierter Zellen binden und über ihren Fc Anteil die Lyse durch natürliche Killerzellen einleiten. Dieser Vorgang wird als antikörperabhängig-zellvermittelte Zytotoxizität bezeichnet (antibody dependent cell-mediated cytotoxicity, ADCC). Antikörper der Klasse IgA können je nach Lokalisation als Monomer (m) oder als Dimer (d) vorliegen IgM

IgD

IgG3 IgG1

IgA1

IgG2

IgG4

IgE

IgA2

Schwere Kette

µ

δ

γ3

γ1

α1

γ2

γ4

ε

α2

Molekulargewicht (kDa)

970

184

165

146

160

146

146

188

160

Serumspiegel (Mittelwert beim erwachsenen in mg/ml)

1,5

0,03

1

9

3

3

0,5

5x10-5

0,5

Halbwertszeit im Serum (Tage)

10

3

7

21

6

20

21

2

6

Klassischer Weg der Komplementaktivierung

+++

-

+++

++

-

+

-

-

-

Alternativer Weg der Komplementaktivierung

-

-

-

-

+

-

-

-

-

Neutralisierung

+

-

++

++

++

++

++

-

++

Opsonisierung

-

-

++

+++

+

++

+

-

+

Bindung an natürliche Killerzellen (ADCC)

-

-

++

++

-

-

-

-

-

Bindung an Makropha- gen und Phagozyten

-

+

+

+

-

-/+

+

+

Bindung an Mastzellen und basophile Granulozyten

-

-

+

+

-

-

-

+++

-

Reaktivität mit Protein-A aus Staphylococcus aureus

-

-

-/+

+

-

+

+

-

-

Transfer durch die Plazenta

-

-

++

+++

-

+

-/+

-

-

Transport durch das Epithel

+

-

-

-

+++ (d)

-

-

-

+++ (d)

-

+++

+++

++ (m)

+++

+++

+

++ (m)

Diffusion zu extra-/+ vaskulären Stellen (z.B. in Gewebe hinein)

Rezeptoren der erworbenen Immunität

45

IgA

Beim Menschen gibt es die Unterklassen IgA1 und IgA2. IgA Antikörper finden sich in Schleimabsonderungen bzw. Körpersekreten (Darmlumen, Bronchien, Muttermilch, Speichel- und Tränenflüssigkeit). Hier tritt IgA als ein Dimer auf. Die Dimerisierung ist für den Transport durch das Epithel (Transzytose) notwendig, da nur diese Form vom Transportrezeptor (Poly-Ig-Rezeptor) gebunden wird, der sich auf der basolateralen Oberfläche der Epithelzellen befindet. Sobald der Poly-Ig-Rezeptor ein dimeres IgA-Molekül gebunden hat, wird der Komplex in die Zelle aufgenommen, in einem Transportvesikel durch das Zytoplasma an die apikale Seite der Epithelzelle befördert und dort freigesetzt. Anschließend wird der Poly-Ig-Rezeptor enzymatisch gespalten, wobei der extrazelluläre Anteil des Rezeptors freigesetzt wird und mit dem Fc-Anteil des dimeren IgA verbunden bleibt. Dieser Anteil des Poly-Ig-Rezeptors wird als sekretorische Komponente bezeichnet. Im Serum liegt IgA aber als Monomer vor.

IgE

Diese Antikörper finden sich in geringer Konzentration im Serum. Die Konzentration kann bei Allergikern (Atopiker) aber stark zunehmen. IgE Antikörper binden über ihren Fc-Teil hochaffin an Mastzellen und basophile Granulozyten. Mastzellen finden sich in hoher Dichte in den Schleimhautgeweben des Duodenum (Zwölffingerdarm, erster Abschnitt des Dünndarms), des Magens, der Bronchien, der Haut sowie des Uterus. Sie besitzen eine zentrale Funktion bei Wurminfektionen sowie allergischen Reaktionen vom Sofort-Typ.

IgD

Im Gegensatz zu IgM liegen IgD Antikörper im Serum als Monomer vor. Der Serumspiegel von IgM überschreitet allerdings den von IgD um ein Vielfaches. Eine spezielle Funktion der Antikörperklasse IgD ist bislang nicht bekannt.

Definition

Basolateral Polarisierte Zellen besitzen eine basale (lat. Basis, Grund, Unterseite) und eine apikale (lat. zur Spitze hin, Oberseite) Seite. Der basolaterale Bereich (lateral = seitlich) einer Zelle beschreibt alle Teile der Zytoplasmamembran, die nicht apikal liegen. Die apikale Seite einer Epithelzelle ist häufig die dem Lumen zugewandte Seite der Zelle. Extrazellulär der Teil eines Transmembranproteins, der nach außen und damit nicht ins Zellinnere gerichtet ist

46

2

Rezeptoren des Immunsystems

2.2.3

Antikörpervielfalt Das theoretische Antikörperrepertoire eines Menschen wird auf etwa 1011 unterschiedliche Spezifitäten geschätzt. Da der Mensch aber etwa 25.000 Gene besitzt, kann ein Gen unmöglich für eine Immunglobulinkette kodieren.

Kombinatorische Vielfalt

Durch ein einfaches Experiment wurde deutlich, dass während der B-Zell Entwicklung die genomische DNA in dem Bereich neu organisiert wird, der für eine Antikörperkette kodiert. Anfang 1980 wurden Hybridisierungsexperimente durchgeführt (Southern blots), für die genomische DNA aus einem B-Zell Lymphom sowie aus einer nicht lymphoiden Zelllinie verwendet wurden (Abb. 2.8). Die DNA wurde zunächst durch Restriktionsenzyme in große Fragmente gespalten. Diese DNA Fragmente wurden anschließend in einem Gel separiert und auf eine Nylonmembran transferiert. Die Membran wurde anschließend mit zwei radioaktiven DNA Sonden hybridisiert. Die eine Sonde war spezifisch für die variable Region, die andere Sonde für die konstante Region der leichten Immunglobulinkette. Das Ergebnis war überraschend. Bei der DNA, die aus nicht lymphoiden Zellen stammte, hybridisierten die Sonden auf unterschiedlichen DNA Fragmenten. Hier mussten also die Restriktionsenzyme die DNA zwischen den beiden Hybridisierungsstellen geschnitten haben. Bei der DNA, die aus dem B-Zell Lymphom stammte, hybridisierten beide Sonden auf dem gleichen DNA Fragment. Hier konnten die Restriktionsenzyme die DNA zwischen den Hybridisierungsstellen nicht schneiden. Die Hybridisierungsstellen mussten bei dieser DNA also viel näher beieinander liegen, als bei der DNA aus der nicht lymphoiden Zelllinie. Die Erklärung für dieses Ergebnis war, dass durch genomische Umlagerungsreaktionen der konstante Teil näher an

Historie

Für die Entstehung der Antikörpervielfalt bzw. Antikörperdiversität wurden zwei Hypothesen aufgestellt. Nach der Keimbahntheorie gibt es für jede Immunglobulinkette ein Gen. Damit wird das Antikörperrepertoire weitgehend vererbt. Im Gegensatz dazu wurde bei der somatischen Diversifikation davon ausgegangen, dass nur eine begrenzte Anzahl von Genen vererbt wird. Während des Lebens eines Individuums soll es aber im kodierenden Bereich für die Antigenbindungsregion zu Veränderungen kommen, die das hohe Repertoire ermöglichen. Susumu Tonegawa demonstrierte 1978, dass innerhalb der Immunglobulingene eine Umlagerung (rearrangement) stattfindet, wobei je eines von mehreren Gensegmenten für bestimmte Regionen des Antikörpers ausgewählt und zu einem kompletten, funktionsfähigen Immunglobulingen zusammengefügt wird (Abb. 2.8). Er bekam für diese Arbeiten 1987 den Nobelpreis.

Rezeptoren der erworbenen Immunität

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Abb. 2.8 Die Immunglobulingene sind in einer B-Zelle umgelagert. Dargestellt ist eine schematische Zeichnung des historischen Southern-Blot Experimentes, das zum Verständnis der Antikörpervielfalt verhalf. Bei diesem Experiment wurde DNA aus einer nicht lymphoiden Zelllinie (DNA befindet sich in der Keimbahnkonfiguration) sowie DNA aus einem B-Zell Lymphom durch Restriktionsenzyme fragmentiert und in einer Southern-Blot Analyse mit zwei radioaktiven DNA-Sonden detektiert. Die eine Sonde war spezifisch für die V-Region, die andere Sonde für die C-Region der leichten Immunglobulinkette. Die Sonden hybridisierten bei der DNA in Keimbahnkonfiguration auf unterschiedlichen DNA-Fragmenten, während die Sonden bei der DNA aus der Lymphom-Zelllinie auf einem Fragment hybridisierten. Hier mussten die Hybridisierungsstellen für die Sonden also viel näher beieinander liegen als bei der DNA in Keimbahnkonfiguration. Das bedeutete, dass genomische DNA-Umlagerungsreaktionen eine wichtige Rolle bei der Bildung des kodierenden Bereiches für eine Antikörperkette spielen

die variable Region gerückt sein musste und der dazwischen liegende DNA Bereich verloren gegangen ist. Diese Erklärung wurde später durch die Sequenzierung von Immunglobulingenen bestätigt. Es zeigte sich, dass es für die variable Region von leichter und schwerer Immunglobulinkette viele Gensegmente gibt. Während der B-Zell Entwicklung im Knochenmark lagern sich unterschiedliche Gensegmente zusammen und bilden den kodierenden Bereich für die variablen Regionen der leichten bzw. der schweren Antikörperkette. Da die Zusammenlagerung zufällig erfolgt, können durch diese Kombinatorik bereits viele unterschiedliche variable Regionen erzeugt werden. Die variable Region der schweren Immunglobulinkette wird mit etwa 51 variablen Gensegmenten (V-Gensegmenten), 27 diversity (D) Gensegmenten und 6 joining (J) Gensegmenten von einem Genklaster auf Chromosom 14 kodiert (Abb. 2.9). Die genomische Organisation der leichten Immunglobulinkette zeigt hingegen nur Vund J-Gensegmente. Allerdings gibt es zwei Genklaster die jeweils für eine leichte Kette kodieren. Auf Chromosom 2 wird die κ-leichte Immunglobulinkette kodiert, auf Chromosom 22 die λ-leichte Kette. Die variable Region der schweren Immunglobulinkette wird aus der Zusammenlagerung von einem V, D und J-Gensegment gebildet. Die variable Region der leichten Antikörperkette von einem V und einem J Gensegment.

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Rezeptoren des Immunsystems

Abb. 2.9 Genomische Organisation der menschlichen Immunglobulingene. Der Genlokus für die leichte Immunglobulinkette λ liegt auf Chromosom 22 und beinhaltet etwa 30 V-Gensegmente und vier Paare von J- und C-Gensegmenten. Auf Chromosom 2 liegt der Lokus für die κ Kette. Bei etwa der Hälfte der untersuchten Individuen wurde eine Verdopplung der gesamten V Region gefunden. Der Genlokus für die schwere (H) Immunglobulinkette liegt auf Chromosom 14. Die Gene für die konstanten Regionen Cµ bis Cα2 sind farbig dargestellt. Die Exon-, Intron-Struktur ist exemplarisch für Cγ2 dargestellt (CH1–CH3: konstante Domänen 1–3 der schweren Kette; Transmembranregion TM; zytoplasmatische Region Cy). Es kann nur ein IgE Typ hergestellt werden. Pseudogene wurden in der Skizze weggelassen. Vor jedem V-Gensegment liegt der kodierende Bereich für das Signalpeptid (leader peptide), das zu einer Synthese der Immunglobulinkette am endoplasmatischen Retikulum führt. Nach einer V(D)J Umlagerung kommt der Promotor (P) des umgelagerten V-Gensegmentes in die Nähe zu einem Enhancer (E). Dies führt zu einer verstärkten Transkription der DNA

Beide variable Regionen lagern sich während der Bildung eines funktionellen Antikörpers zusammen und bilden die Bindungsstelle für das Antigen. Während der B-Zell Entwicklung im Knochenmark werden zuerst die Gensegmente für die Bildung der variablen Region der schweren Antikörperkette auf einem der beiden homologen Chromosomen (mütterliches oder väterliches Chromosom) umgelagert. Sollten die Umlagerungsreaktionen nicht produktiv sein, dann wird die Umlagerung auf dem zweiten Chromosom begonnen. Sollten diese Umlagerungsreaktionen auch nicht produktiv sein, so stirbt die B-Zelle. Im ersten Schritt der Umlagerungsreaktionen wird ein D-Gensegment mit einem J-Gensegment zu einer DJ-Genkassette verknüpft. Im nächsten Schritt lagert sich ein V-Gensegment an die DJ-Kassette. Damit sind die Rekombinationen für die Bildung der variablen Region der schweren Antikörperkette abgeschlossen. Vor jedem V-Gensegment liegt ein Immunglobulinpromotor. Durch die Bildung der VDJ-

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Historie

Leader-Peptide Günter Blobel hat an der Rockefeller Universität (USA) Anfang der 1970er Jahre die Entdeckung gemacht, dass viele Proteine einen Adressbereich (Signalpeptid) besitzen, der einen Transport durch die Membran von Zellorganellen ermöglicht. Das häufigste Beispiel für eine solche Proteinadressierung ist die Synthese von Proteinen am endoplasmatischen Retikulum (Translation am ER). Zunächst bindet die mRNA an ein freies Ribosom im Zytosol. Wird bei der anschließenden Synthese der Aminosäurekette ein Signalpeptid für den Transport des Proteins in das Lumen des endoplasmatischen Retikulums (ER) gebildet, dann binden kleine Proteine an diesen Adressbereich (Signalpeptid erkennende Proteine oder signal recognition particle SRP). Die SRPs stoppen die Translation im Zytosol und dirigieren den Komplex an das ER. Hier binden die SRPs an sog. docking Proteine; dadurch wird der Block in der Translation aufgehoben, und die Polypeptidekette wird mit dem Signalpeptid voran durch einen Membrankanal in das Lumen des ER synthetisiert. Für diese Entdeckung bekam Günter Blobel 1999 den Nobelpreis.

Genkassette kommt der Promotor in die Nähe zu einem Enhancer, der sich vor dem Gen für die konstante Region der IgM Kette befindet (Abb. 2.9). Dadurch wird die Transkription, ausgehend von dem Promotor, der vor der VDJ-Genkassette liegt, wesentlich verstärkt. Das primäre Transkript, die prä-mRNA, beinhaltet nun den kodierenden Bereich für die variable Region sowie die kodierenden Bereiche für die konstante IgM und IgD Region (Abb. 2.10). Diese prä-mRNA wird alternativ gespleißt, und es entsteht eine mRNA, die entweder für die schwere IgM Antikörperkette oder für die schwere IgD Antikörperkette kodiert. Die Antikörperketten werden schließlich in das Lumen des ER hineinsynthetisiert. Dort werden zwei schwere Ketten (IgM oder IgD) durch Disulfidbrücken verbunden. Nun wird an jede schwere Kette eine Ersatzleichte-Kette (surrogate light chain) über Disulfidbrücken angeknüpft. Dieser Komplex wird auf die Zelloberfläche des B-Lymphozyten transportiert und als prä-B-Zell Rezeptor bezeichnet. An ihn assoziieren zwei weitere Transmembranproteine (Igα und Igβ), die an der Signaltransduktion beteiligt sind. An welche Liganden der prä-B-Zell Rezeptor bindet, ist bislang unbekannt. Er besitzt im Wesentlichen aber zwei Aufgaben: Das von ihm ausgehende Signal führt zu einem Stop der Umlagerungsreaktionen für die schwere Antikörperkette. Dadurch wird sicher gestellt, dass eine B-Zelle immer monospezifisch ist. Zum anderen werden die Umlagerungsreaktionen für die leichte Antikörperkette gestartet. Ebenso wie bei der schweren Immunglobulinkette werden die Umlagerungsreaktionen gestoppt, wenn eine leichte Kette erfolgreich produziert worden ist. Je nach dem welche Umlagerungsreaktion für die leichte Antikörperkette zuerst produktiv ist, wird eine B-Zelle entweder eine λ oder κ leichte Kette synthetisieren (Abb. 2.11). Durch die Kombination von väterlichen oder mütterlichen Gensegmenten zu einer funktionellen variablen Antikörperdomäne sowie der Zusammenlagerung

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Abb. 2.10 Kombinatorische Vielfalt am Beispiel der schweren Immunglobulin-Kette. Vor jedem V-

Gensegment liegt der kodierende Bereich für das Signalpeptid oder leader (L) sowie ein Promotor (P), der als Erkennungsstruktur für die RNA-Polymerase dient. Bei der schweren Immunglobulinkette wird zuerst ein D- Gensegment mit einem J (joining)-Gensegment zu einer DJ-Kassette umgelagert. Anschließend wird eines der V-Gensegmente angelagert. Damit ist die Bildung des kodierenden Bereiches für die variable Region abgeschlossen. Vor jedem V-Gensegment liegt ein Promotor (P). Durch die Anlagerung des V Gensegmentes an die DJ-Kassette kommt der Promotor in die Nähe des Immunglobulin-Enhancers (E). Die Nähe von Promotor und Enhancer ist für eine starke Transkription der DNA notwendig. Vom Promotor ausgehend, wird nun ein RNA Transkript erzeugt, das den kodierenden Bereich für die konstante Region von IgM (Cµ) und IgD (Cδ) beinhaltet. Die konstante Region von IgM umfasst vier konstante Regionen (CH1– CH4), die von IgD drei konstante Regionen. Im Anschluss an die letzte konstante Region folgt der kodierende DNA-Abschnitt für die Transmembranregion (TM) sowie für den zytoplasmatischen Anteil (Cy) des membranständigen Antikörpers. Die membranständigen Antikörper IgM und IgD werden ausgehend von einer prä-mRNA durch differenzielles Spleißen gebildet. Alle anderen Antikörperklassen werden während des Klassenwechsels unter Verwendung der Switch-Regionen (S) durch DNA Umlagerungsreaktionen gebildet. Wird nach B-Zell Aktivierung ein löslicher IgM Antikörper sezerniert, so wurde zuvor der RNA-Abschnitt nach dem Polyadenylierungssignal (pAs) durch differenzielles Spleißen entfernt. Andernfalls wird nach dem Polyadenlyierungssignal für die membranständige Form (pAM) gespleißt

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beider variablen Domänen (von schwerer und leichter Kette) für die Ausbildung der Antikörper-Bindungsstelle und der Tatsache, dass es zwei Genklaster für die leichte Kette (λ und κ) gibt, können bereits etwa 2,6∙106 unterschiedliche Antikörperspezifitäten erzeugt werden (Tabelle 2.3).

Abb. 2.11 Allelic Exclusion während der B-Zell Entwicklung. Eine B-Zelle entsteht im Knochenmark aus einer lymphoiden Vorläuferzelle. Während der Entwicklung durchläuft die B-Zelle unterschiedliche Reifestadien. Im Stadium der Prä-B-Zelle beginnt die Umlagerungsreaktion für die schwere Antikörperkette auf einem der beiden homologen Chromosomen (mütterlich oder väterlich). Verläuft diese produktiv, wird die Umlagerungsreaktion auf dem anderen Chromosom unterbunden, und die Umlagerungsreaktion für die leichte Antikörperkette beginnt. Diese kann ebenso entweder auf dem mütterlichen Chromosom oder auf dem väterlichen Chromosom beginnen

Tabelle 2.3 Antikörperdiversität

κ-leichte-Kette

λ-leichte-Kette

Schwere Kette

Vκ

Jκ

Vλ

Jλ

VH

DH

JH

40

5

30

4

51

27

6

40∙5 = 200

30∙4 = 120

51∙27∙6 = 8262

8262∙(200 + 120) = 2,6∙106 Kombinationsmöglichkeiten für die Bildung einer Antikörper-Bindungsdomäne Unter Berücksichtigung der Verknüpfungsdiversität ergibt sich ein theoretisch mögliches Antikörper-Repertoire von etwa 1011 unterschiedlichen Spezifitäten.

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Allelic exclusion

Ein Allel ist eine alternative Version eines Gens. Da der Mensch den doppelten Chromosomensatz besitzt, hat er für jedes Gen mindestens zwei Allele. Die Bildung eines Antikörpers beginnt mit der Umlagerungsreaktion für den variablen Bereich der schweren Kette auf einem der beiden homologen Chromosomen. Verläuft die Umlagerung nicht produktiv, dann wird die Umlagerung auf dem zweiten Chromosom gestartet. Verläuft diese auch unproduktiv, so geht die B-Zelle zugrunde. Ist hingegen die Umlagerungsreaktion bereits beim ersten Versuch erfolgreich verlaufen, so wird mit der Umlagerung (Rekombination) auf dem homologen Chromosom erst gar nicht begonnen. Dieses Prinzip gilt auch für die leichte Antikörperkette und wird als Allel-Ausschluss (allelic exclusion) bezeichnet (Abb. 2.11).

Verknüpfungsvielfalt

Die Gensegmente werden nicht auf das Nukleotid genau zusammengefügt, sondern die Enden der Segmente werden durch das Anhängen oder Abdauen von Nukleotiden weiter prozessiert. Dadurch wird das Leseraster, d.h. die Folge von Codons, geändert, und es entsteht für jede Umlagerungsreaktion eine andere Aminosäuresequenz (Abb. 2.12). Die Umlagerung bzw. Zusammenlagerung der Gensegmente erfolgt nach einer Regel – der 12/23 Regel. Hinter jedem V Gensegment, flankierend von jedem D Gensegment sowie vor jedem J Gensegment liegt im nicht kodierenden DNA Bereich eine Signalsequenz, die Bindungsstelle für jenes Enzymsystem ist, das die genomischen Rekombinationen katalysiert. Diese Rekombinationsignalsequenz (RSS) besteht aus sieben konserivierten Nukleotiden 5´-CACAGTG-3´ (Heptamer) gefolgt von einem 12 bp oder 23 bp Spacer, dem wiederum neun konservierte Nukleotide 5´-ACAAAAACC-3´ (Nonamer) folgen. Für die Bindung der Enzyme an das RSS Motiv ist es wichtig, dass die Heptamer- und Nonamer-Sequenzen auf einer Seite der DNA Helix liegen. Das wird dadurch gewährleistet, dass die Nukleotidfolge im Spacer zwar variieren kann, die Anzahl der Nukleotide aber konstant bleibt. Die Rekombination wird normalerweise zwischen solchen Gensegmenten eingeleitet, bei denen sich eine RSS Sequenz mit einem 23 bp Spacer einer RSS Sequenz mit einem 12 bp Spacer gegenüber steht. Dies wird als die 12/23 Regel bezeichnet. Allerdings finden sich bei etwa 5% der Antikörper eines Menschen auch direkte D-D Verknüpfungen, die zu einer Vergrößerung des Antikörperrepertoirs beitragen. Der Umlagerungsmechanismus ist bei schwerer und leichter Immunglobulinkette prinzipiell gleich, nur dass bei der schweren Immunglobulinkette eine Rekombination mehr stattfindet (DJ). Das Enzymsystem, das die DNA-Umlagerung katalysiert, wird allgemein als V(D)J-Rekombinase bezeichnet. Hierzu zählen insbesondere die Genprodukte RAG-1 und RAG-2 (Rekombination aktivierende Gene). RAG-1 und RAG-2 wer-

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den während der B-Zell und T-Zell Entwicklung exprimiert und sind für den Rekombinationsapparat essentiell.

Abb. 2.12 Verknüpfungsdiversität. Eingeleitet wird die DNA Umlagerung durch die Bindung von

RAG-1 und RAG-2 an die Rekombinations-Signal-Sequenz (RSS). Sie besteht aus einer konservierten heptameren Sequenz (7), gefolgt von einem 12 oder 23 bp Spacer, sowie einer konserivierten nonameren Sequenz (9). Diese müssen auf einer Seite der DNA-Doppelhelix liegen, damit RAG-1 und -2 binden können. Das ist gewährleistet, wenn ein 12 bp Spacer einer RSS mit einem 23 bp Spacer gegenübersteht. RAG-1 und RAG-2 führen exakt vor der heptameren Sequenz zu einer Öffnung des DNA-Einzelstranges. Dadurch entsteht am 3´-Ende des geschnittenen DNA-Stranges eine freie Hydroxid-Gruppe (OH). Durch einen nukleophilen Angriff der OH-Gruppe auf die Phosphodiesterbindung des Gegenstranges kommt es zur Ausbildung einer Haarnadelstruktur, die durch die Bindung des Proteins „Ku“ stabilisiert wird. Im nächsten Schritt wird die Haarnadelstruktur endonukleolytisch durch einen Schnitt des Einzelstranges geöffnet. Dieser Schnitt wird von Artemis katalysiert und ist variabel. Die Öffnung der Haarnadelstruktur führt i.d.R. zu einem 3´-DNA-Einzelstrang Überhang. Die Nukleotide, die aus der geöffneten Haarnadelstruktur resultieren, werden als P Nukleotide (Palindrom) bezeichent. Am freien 3´-Ende des Einzelstranges werden nun von dem Enzym Terminale-Desoxynukleotidyl-Transferase (TdT) etwa 20 Nukleotide willkürlich angehängt (non template nucleotides; N-Nukleotide). Entsteht ein Bereich, in dem die Einzelstränge miteinander hybridisieren können, so werden die nicht gepaarten Nukleotide durch eine Exonuklease abgebaut. Die Lücke wird anschließend durch das DNA-Reparatursystem mit Nukleotiden aufgefüllt und durch die DNA Ligase IV geschlossen. Diese ligiert ebenfalls den herausgetrennten DNA Abschnitt an den Heptamersequenzen zusammen und es entsteht ein DNACircle. In weiß: P = Promoter, L = Leader, E = Enhancer, S = Switch-Region

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Neben RAG-1 und RAG-2 sind noch weitere DNA modifizierende Enzyme an den Umlagerungsreaktionen beteiligt. Diese werden ubiquitär exprimiert und sind allgemein an der Reparatur und Modifikation von DNA beteiligt. Hierzu zählen die DNA Ligase IV, die DNA-abhängige Proteinkinase (DNA-PK), Ku und Artemis. Ku ist ein Heterodimer (Ku70:Ku80), das an DNA Enden bindet. Über Ku bindet die DNA-PK und wird dadurch zur DNA gelenkt. Artemis ist ein Protein, das zur Öffnung von DNA-Haarnadelstrukturen beiträgt. Das nonamere Sequenzmotiv (Abb. 2.12) innerhalb der RSS wird von RAG-1 erkannt. Über RAG-1 wird RAG-2 gebunden. Durch die Bindung von RAG-1 und RAG-2 an die RSS Sequenzen der zu verknüpfenden Gensegmente wird der dazwischen liegende DNA-Bereich ausgestülpt (looping out, Abb. 2.14). Anschließend wird der DNA-Einzelstrang vor der heptameren Sequenz geöffnet, so dass eine Hydroxid-Gruppe am 3´-Ende des geöffneten Stranges entsteht (Abb. 2.13). Diese greift nukleophil die Phosphodiesterbindung des Gegenstranges an und es kommt zu einer Umesterungsreaktion unter der Ausbildung einer Haarnadelstruktur (Abb. 2.9 und 2.10). Durch die katalytische Funktion von Artemis wird die

Abb. 2.13 Spaltung des DNA Doppelstranges durch RAG-1 und RAG-2. Katalysiert von RAG-1 und RAG-2 wird die Phosphodiesterbindung des 5´-3´-DNA Stranges gespalten, so dass eine freie OH-Gruppe am 3´-Ende verbleibt. Diese greift die Phosphodiesterbindung des Gegenstranges an. Dabei kommt es zu einer Umesterungsreaktion und der Ausbildung einer Haarnadelstruktur. Katalysiert von Artemis wird die Haarnadelstruktur durch einen Schnitt im 3´-5´-DNA Strang wieder geöffnet

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Haarnadelstruktur an einer variablen Position geöffnet und es entsteht am 3´-Ende ein einzelsträngiger DNA Überhang; diese Nukleotide werden als P- (Palindrom) Nukleotide bezeichnet. An die freien 3´-Enden der DNA Überhänge synthetisiert die Terminale-Desoxynukleotidyl-Transferase (TdT) nun willkürlich etwa 20 Nukleotide; diese Nukleotide werden als N-Nukleotide (non template nucleotides) bezeichnet. Zueinander komplementäre Bereiche der Einzelstränge können nun miteinander hybridisieren. Nicht gepaarte Nukleotide werden durch eine Exonuklease entfernt. Die Lücke wird anschließend durch eine DNA Polymerase aufgefüllt und die Phosphodiesterbindung zu den P-Nukleotiden durch die DNA Ligase IV geknüpft. Die herausgetrennte DNA wird ebenfalls durch die DNA Ligase IV an den Enden der heptameren Sequenz zusammen ligiert. Dadurch entsteht ein DNA-Circle mit zueinander umgekehrt orientierten RSS Motiven (Abb. 2.14). N-Nukleotide finden sich nur bei DJ und VD Verknüpfungen der schweren Antikörperkette. Das Enzym TdT wird während den Umlagerungsreaktionen der Vund J-Gensegmente bei der leichten Antikörperkette nicht exprimiert. Die Verknüpfungsdiversität trägt dazu bei, das theoretisch mögliche Antikörperrepertoire von naiven B-Zellen auf etwa 1011 unterschiedliche Spezifitäten zu erhöhen. Die hohe Antikörperdiversität hat aber auch ihren Preis; zwei von drei Umlagerungsreaktionen sind nicht produktiv, und eine B-Zelle, die keine funktionellen Antikörperketten gebildet hat, geht zugrunde. Vermutlich führt dies u.a. dazu, dass beim Menschen tatsächlich nur etwa 106–107 unterschiedliche Antikörperspezifitäten auch exprimiert werden.

Topologie von VJ Rekombinationen: Deletion versus Inversion

Ursprünglich wurde angenommen, dass alle V- und J-Gensegmente in derselben Transkriptionsorientierung vorliegen. Dadurch stehen sich die RSS Sequenzen von V- und J-Gensegmenten gegenüber (Abb. 2.14). Kommt es nun zu der Zusammenlagerung von einem V-Gensegment mit einem J-Gensegment, wird der dazwischenliegende DNA-Bereich herausgeschnitten. Die herausgetrennte DNA wird an den Enden ligiert, und es entsteht ein ringförmiges DNA-Fragment, das zwei umgekehrt orientierte RSS Sequenzen enthält. Dieser Rekombinationsmechanismus wird als Deletion bezeichnet. Es kann aber auch vorkommen, dass ein V-Gensegment in der umgekehrten Transkriptionsorientierung vorliegt (Abb. 2.14). Bei solch einem V-Gensegment besitzt die RSS Sequenz die gleiche Orientierung wie bei einem J-Gensegment. Kommt es zu einer Rekombination zwischen einem V-Gensegment mit umgekehrter Transkriptions-Orientierung und einem J-Gensegment, so wird der DNA Bereich zwischen den beiden Segmenten nicht deletiert, sondern umgedreht (invertiert). Dieser Rekombinationsmechanismus wird entsprechend als Inversion bezeichnet. Da nur wenige V-Gensegmente eine umgekehrte Transkriptions-Orientierung besitzen, kommt es während der Umlagerungsreaktion zwischen einem V-Genund J-Gensegment in der Regel zur Deletion des dazwischen liegenden DNA Bereiches.

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Abb. 2.14 Deletion und Inversion bei der leichten Immunglobulinkette. Kommt es zu einer Rekombination zwischen einem V-Gensegment und einem J-Gensegment, die in gleicher Transkritsionsrichtung (5´-3´) angeordnet sind, so wird der dazwischen liegende DNA-Abschnitt deletiert. Die RSS Sequenzen der beiden Gensegmente stehen sich dabei gegenüber. Bei diesem Vorgang wird die herausgetrennte DNA an den Enden durch die DNA-Ligase IV verbunden und es entsteht ein ringförmiges DNA-Fragment mit doppelter und zueinander umgekehrt orientierter RSS Sequenz (Pfeilrichtung). Kommt es zu einer Rekombination zwischen einem V-Gensegment, das in umgekehrter Transkriptionsrichtung orientiert liegt (3´-5´), und einem J-Gensegment, so wird die zwischen den Gensegmenten liegende DNA umgedreht. Hierbei wird der DNA-Doppelstrang am Beginn der heptameren Sequenz geschnitten. Anschließend werden die heptameren Enden verbunden, und das V-Gensegment mit dem J-Gensegment ligiert. Bei einem V-Gensegment mit umgekehrter Transkriptionsrichtung besitzt die RSS Sequenz die gleiche Orientierung wie bei einem J-Gensegment. Um die Inversion zu verdeutlichen, sind Marker (1 bis 5) eingezeichnet. In weiß: P = Promoter, L = Leader

Klassenwechsel

B-Zellen können durch die Hilfe von T-Zellen zum Klassenwechsel (Isotypwechsel) veranlasst werden. Hierfür ist die Interaktion des CD40L (CD40-Ligand) auf der T-Zelle mit seinem Rezeptor auf der B-Zelle (CD40) erforderlich. Darüber hinaus haben Cytokine einen wesentlichen Einfluss darauf, zu welcher Klasse gewechselt wird. Beispielsweise führt IL4 zu einem Klassenwechsel nach IgE (sowohl

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beim Menschen wie auch bei der Maus), während Interferon-γ (IFN-γ) bei der Maus einen Klassenwechsel in Richtung IgG2a fördert. In Schleimhaut assoziierten lymphatischen Geweben fördert TGF-β den Wechsel zur Antikörperklasse IgA. Der Klassenwechsel findet in Keimzentren der Lymphfollikel statt. Der molekulare Mechanismus, der nach Bindung des CD40L in der B-Zelle zum Klassenwechsel führt, ist bislang noch nicht verstanden. Prinzipiell kommt es aber zu einer somatischen Rekombination zwischen der bereits gebildeteten VDJ-Kassette mit einer der stromabwärts (downstream oder 3´)-gelegenen C-Genregionen unter Deletion des dazwischen liegenden DNA-Bereiches (Abb. 2.15). Dieser somatische Rekombinationsvorgang wird als swich recombination bezeichnet, da konservierte DNA Sequenzen (swich regions) daran beteiligt sind, die im Intron vor jeder C-Genregion liegen (außer vor Cδ). Swich Regionen umspannen etwa 1 bis 10 Kilobasen (Kb) und beinhalten eine hohe Anzahl von konservierten Tandem-Repeats. Mäusen, denen ein oder mehrere swich regions fehlen, sind nicht mehr in der Lage, zu der entsprechenden Klasse zu wechseln.

Somatische Hypermutation

Die somatische Hypermutation führt dazu, dass B-Zellen einen hochaffin bindenden B-Zell Rezeptor (Antikörper) entwickeln. Wenn eine B-Zelle aktiviert wird, beginnt sie sich zu teilen; sie proliferiert. Aus einer B-Zelle entstehen viele B-Zellen mit identischer genetischer Information. Somit besitzen alle Nachkommenzellen die gleiche genetische Information über die Antikörperspezifität.

Definition

Isotyp Existieren auf dem haploiden Chromosomensatz verschiedene Genorte für ein Protein, so werden die Genprodukte als Isotypen bezeichnet. Bei Antikörpern gibt es verschiedene Gene, die für unterschiedliche konstante Regionen der schweren Immunglobulinkette kodieren. Je nach konstanter Region der schweren Kette, werden unterschiedliche Antikörperklassen oder Isotypen unterschieden. Für MHCII Moleküle gibt es drei Genorte auf Chromosom 6: DR, DQ und DP. Die Proteine, die von diesen Genorten kodiert werden (HLA-DR, -DQ und -DP), sind Isotpyen. Allotyp Existieren an einem Genort innheralb einer Population verschiedene Allele, so werden die Genprodukte als Allotypen bezeichnet. Für MHCII Moleküle gibt es innerhalb einer Population an jedem Genort eine hohe Anzahl Allele. Z.B. DR1, DR2, DR3 usw. Die Proteine, die von diesen Allelen kodiert werden (HLA-DR1, HLA-DR2, HLA-DR3), sind Allotypen. Xenotyp Homologe Gene aus unterschiedlichen Species, die für das gleiche Protein kodieren. Tandem-Repeats Repetitive (sich mehrmals hintereinander wiederholende) DNA-Elemente.

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Abb. 2.15 Klassenwechsel. Ausgehend von der genomischen Organisation der schweren Immunglobulinkette kommt es im Verlauf der B-Zell-Entwicklung im Knochenmark zunächst zur VDJ Rekombination (1). Eine reife B-Zelle, die das Knochenmark verlässt, besitzt auf ihrer Zelloberfläche membranständige Antikörper vom Typ IgM und IgD. Diese entstehen durch alternatives spleißen der prä-mRNA (2). Alle anderen Klassen entstehen durch somatische Rekombination. Der Klassenwechsel wird nach Aktivierung einer B-Zelle durch eine T-Helfer-2 (TH2) Zelle in lymphatischen Geweben induziert. Die Richtung des Wechsels ist von Cytokinen abhängig. Ein Klassenwechsel findet immer zwischen zwei DNA- Elementen, den swich regions (S), statt. Wird ein Klassenwechsel nach IgG3 eingeleitet, so kommt es zum looping out (3) des DNA-Abschnitts zwischen dem swich Signal vor Cµ und dem swich Signal for Cγ3. Die beteiligten Enzyme dieses Rekombinationsapparats sind noch nicht bekannt. Der DNA-Abschnitt wird durch Endonukleasen entfernt und geht verloren. Deshalb ist ein Klassenwechsel nicht mehr rückgängig zu machen. Das prä-RNA Transkript enthält nun anstelle der Cµ und Cδ Region das Gen für Cγ3. Nach dem Spleißen der prä-RNA kodiert die mRNA (4) für die schwere Kette eines IgG3 Antikörpers. Da beim Klassenwechsel die VDJ-Kassette nicht verändert wird, bleibt die Spezifität des Antikörpers ebenfalls unverändert. In weiß: P = Promoter, L = Leader, E = Enhancer, S = Switch-Region

Trotzdem werden einige dieser B-Zellen einen Antikörper mit einer höheren Bindungsstärke (Affinität) produzieren. Ursache hierfür sind spontane Punktmutationen im kodierenden Bereich für die variable Antikörperdomäne (VDJ bzw. VJ), den so genannten hypervariablen Regionen. Die Mutationsrate liegt bei etwa 1 Base pro 103 bp. Da der kodierende Bereich für die variable Region von leichter und schwerer Kette etwa 700 Nukleotide umfasst, kommt es statistisch etwa zu einer

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Mutation pro Zellteilung. Diese Mutationsrate ist etwa 103 bis 104 mal höher als die spontane Mutationsrate (etwa 1 Mutation unter 108 Basenpaaren) in anderen Genen. Darum wird die Mutation in Immunglobulin V-Gensegmenten auch als somatische Hypermutation bezeichnet. Es wird geschätzt, dass die Nukleotidsequenz eines IgG Antikörpers nach somatischer Hypermutation bis zu 5% von der ursprünglichen Keimbahnsequenz abweichen kann. Das entspricht bis zu 10 unterschiedlichen Aminosäuren. Damit es zu einer solch hohen Mutationsrate kommen kann, muss ein Selektionsdruck auf die B-Zellen bestehen. Der molekulare Mechanismus, der zur somatischen Hypermutation führt, ist bislang noch unklar. Zu der somatischen Hypermutation kommt es, während die B-Zellen im Keimzentrum proliferieren. Ausschlaggebend ist hierbei die Nähe der B-Zellen zu follikular dendritischen Zellen (FDC). Diese spezialisierten Zellen besitzen Rezeptoren für die Fc Region von Antikörpern sowie für Produkte, die bei der Komplementaktivierung entstehen (C3b, C3d). Über diese Rezeptoren können FDC Immunkomplexe binden. Die B-Zellen konkurrieren nun mit ihrem B-Zell Rezeptor um die Bindung an das Antigen auf den FDC. Hierbei bekommen die B-Zellen von den FDC ein Signal zum Überleben, die mit ihrem Rezeptor binden können. Während der B-Zell-Proliferation entstehen nun Punktmutationen in der VDJ- bzw. VJ-Region. An der Entstehung dieser Punktmutationen ist das Enzym aktivierungsinduzierte Deaminase beteiligt. Es ist denkbar, dass T-Zellen im Keimzentrum durch direkten Zellkontakt oder indirekt, durch das Ausschütten von Cytokinen, einen Einfluss auf die somatische Hypermutation haben. Letztlich führt die somatische Hypermutation zu Veränderungen der Antikörper-Bindungsaffinität. Diese kann gesteigert oder vermindert werden, oder sogar verloren gehen. B-Zellen, die aufgrund der somatischen Hypermutation einen hochaffinen B-Zell Rezeptor entwickelt haben, haben nun einen Vorteil hinsichtlich der Bindung an die FDC gegenüber denjenigen B-Zellen, deren Rezeptoraffinität gleich geblieben bzw. geringer geworden ist. Eine B-Zelle mit einem hochaffin bindenden Rezeptor wird damit eine B-Zelle mit einem niederaffin bindenden Rezeptor von den FDC verdrängen. B-Zellen, die mit ihrem Rezeptor nicht mehr an die FDC binden können, sterben durch Apoptose. Somit selektionieren die FDC gewissermaßen auf B-Zellen, die im Zuge der somatischen Hypermutation einen hochaffinen Rezeptor entwickelt haben. Definition

Immunkomplexe Antigen, das durch Faktoren des Komplementsystems und/ oder Antikörper gebunden vorliegt (Antigen-Antikörperkomplex) Apoptose gr. Niedergang; programmierter Zelltod, der im Gegensatz zur Nekrose von der Zelle selber durchgeführt wird. Dabei werden zelluläre Bestandteile in Membranvesikel verpackt, die DNA wird fragmentiert und die Zelle löst sich schließlich auf. Ohne diesen physiologischen, den Zellen einprogrammierten Tod kann sich ein Organismus weder entwickeln noch kann er leben und gesund bleiben. Die Apoptose spielt nicht nur, wie zuerst vermutet, während der Embryogenese eine zentrale Rolle – sie ist ein biologischer Basisprozess, der bis zum Lebensende von Mensch und Tier weitergeht.

60

2

Rezeptoren des Immunsystems

2.3

Der T-Zell Rezeptor Die humorale oder lösliche Komponente der erworbenen (adaptiven) Immunität haben wir in den vorangegangen Kapiteln kennengelernt. Es sind die Antikörper, die im Verlauf einer Immunantwort von B-Lymphozyten sezerniert werden. Die zweite große Gruppe von Lymphozyten umfasst die T-Zellen. Sie bilden die zelluläre Komponente der erworbenen Immunität. Ähnlich wie B-Zellen besitzen auch T-Zellen einen antigenspezifischen Rezeptor auf ihrer Zelloberfläche. Dieser bindet aber keine freien Antigene, sondern antigene Peptide, die durch Peptidrezeptoren auf der Zelloberfläche von antigenpräsentierenden Zellen den T-Zellen zugänglich gemacht werden. In Kapitel 3 werden wir erfahren, dass diese Interaktion eine wichtige Voraussetzung für die Aktivierung von T-Zellen ist. Da es eine nahezu unbegrenzte Anzahl von möglichen Antigenen gibt, muss der T-Zell Rezeptor (TCR, T-cell receptor) mindestens genauso variabel sein wie der B-Zell Rezeptor. Tatsächlich wird das theoretische Repertoir von T-Zell Rezeptoren auf etwa 1015 unterschiedliche Spezifitäten geschätzt. Ebenso wie bei B-Zellen besitzt jede T-Zelle auch Rezeptoren von nur einer Spezifität. Das legt den Schluss nahe, dass die hohe Variabilität des T-Zell Rezeptors auf die Mechanismen zurückzuführen sind, die ebenfalls zu der hohen Antikörperdiversität führen.

2.3.1

Aufbau des T-Zell Rezeptors Der T-Zell Rezeptor besteht aus zwei Transmembranproteinen – einer alpha- (α) und einer beta- (β) Kette, die über eine Disulfidbrücke miteinander verbunden sind (Abb. 2.16). Eine Subpopulation von T-Zellen besitzt nicht den αβ-TCR, sondern den ebenso aufgebauten γδ-TCR. Dieser ist aber weitaus weniger variabel als der αβ-TCR. Das Repertoire von unterschiedlichen γδ-TCR tragenden T-Lymphozyten wird auf etwa 103 geschätzt. Über diese T-Zellen wird in Kapitel 4 genauer berichtet. Jede Kette des TCR besitzt eine variable und eine konstante Domäne, gefolgt von der Transmembranregion und dem kurzen, zytosolischen Anteil. Betrachten wir den Rezeptor ohne Transmembran- und zytosolische Region, so sieht er aus wie ein Fab Fragment eines Antikörpers.

2.3.2

Die T-Zell Rezeptor Vielfalt Die genomische Organisation der TCR Gene zeigt ein ähnliches Muster wie die der Immunglobulingene (Abb. 2.17). Sowohl alpha- (α)- und gamma (γ)-Kette als auch beta (β)- und delta (δ)-Kette besitzen unterschiedliche V- und J-Gensegmente. Die Diversität der β/δ-Ketten wird durch zusätzliche D-Gensegmente weiter erhöht. Damit entspricht die variable Region der TCR β/δ-Kette im Aufbau der variablen

Der T-Zell Rezeptor

61

Abb. 2.16 Aufbau von B- und T-Zell Rezeptor im Vergleich. Der B-Zell Rezeptor (BCR) ist ein

membranständiges Immunglobulin (z.B. der Klasse IgG). Der T-Zell Rezeptor (TCR) ähnelt dem Fab Fragment. Die variable Region (rot) der β-Kette des TCR besitzt ebenfalls wie die variable Region der schweren Immunglobulinkette neben einem V-Segment ein D- und ein J-Segment. Hingegen fehlt der variablen Region der TCR α-Kette und der leichten Immunglobulinkette das D-Gensegment. Kohlenhydratseitenketten sind nicht eingezeichnet

Abb. 2.17 Genomische Organisation der TCR Gene des Menschen. Integriert im Genklaster der

TCRα-Kette liegt das Genklaster für die TCRγ-Kette. Die kodierenden Bereiche für die konstanten Domänen sind in blau dargestellt. Sie beinhalten ein Exon für die konstante Domäne sowie je ein Exon für den Transmembranbereich und den zytosolischen Anteil. Die DNA-Elemente sind wie folgt bezeichnet. P: Promotor, L: Leader, V: V-Gensegment, D: D-Gensegment, J: J-Gensegment, TM: Transmembrandomäne, Cy: zytosolische Domäne, sil: Silencer, E: Enhancer (sil und E regulieren die TCR Transkription)

62

2

Rezeptoren des Immunsystems

Domäne der schweren Immunglobulinkette, während die variable Domäne der TCR α/γ-Kette der variablen Domäne der leichten Antikörperkette entspricht. Die Keimbahnkonfiguration der TCR Gene ist in Abb. 2.17 dargestellt. Hier fällt auf, dass der Genlokus für die δ-Kette in Mitte des Genlokus der α-Kette liegt. Das hat zur Folge, dass bei Umlagerungsreaktionen der α-Kettensegmente der δ-Kettenlokus verloren geht. Der Rekombinationsmechanismus entspricht dem der Immunglobulingene. Hinter jedem V-Gensegment, vor jedem J-Gensegment und flankierend von den D-Gensegmenten befindet sich eine Rekombinationssignalsequenz (RSS). Diese dient als Erkennungsstruktur für die RAG Rekombinasen, die die Rekombination zwischen zwei Gensegmenten einleiten. Während der Reifung der T-Zellen im Thymus werden die Gene umgelagert. Zuerst wird die Umlagerungsreaktion für die TCRβ-Kette gestartet (Abb. 2.18). Hierbei rekombiniert ein Dβ1-Gensegment mit einem Jβ1-Gensegment oder ein Dβ2-Gensegment mit einem Jβ2-Gensegment. Anschließend wird ein V-Genseg-

Abb. 2.18 Abfolge der DNA Umlagerungsreaktionen die zur Bildung eines funktionellen TCR führen. Die Abbildung zeigt die Abfolge der Umlagerungsreaktionen für die TCRβ- und TCRαKette. Eine erfolgreiche V(D)J-Verknüpfung führt zu einer verstärkten Transkription der DNA (+), da der Immunglublinpromotor (P) in die Nähe seines Enhancers (E) gebracht worden ist. TM: Transmembranregion, Cy: zytosolische Region, Vα: variable Domäne der TCRα-Kette, Cα: konstante Domäne der TCRα-Kette

Der MHC

63

Tabelle 2.4 T-Zell Rezeptor-Diversität

Vα

Jα

Vβ

Dβ

Jβ

Vγ

Jγ

Vδ

Dδ

Jδ

45

55

50

2

12

5

2

2

3

4

45∙55 = 2475

50∙2∙12 = 1200 6

5∙2 = 10

2∙3∙4 = 24

2475∙1200 = 3∙10 Kombinationsmöglichkeiten

10∙24 = 240 Kombinationsmöglichkeiten

inklusive Verknüpfungsdiversität: ca. 1015 theoretisch mögliche Rezeptorspezifitäten

inklusive Verknüpfungsdiversität: ca. 103 theoretisch mögliche Rezeptorspezifitäten

ment angelagert. Dadurch kommt der Immunglobulinpromotor in die Nähe zu seinem Enhancer und die Transkription wird verstärkt. Ist die Umlagerung produktiv, so lagert sich die TCRβ-Kette im ER mit einer nicht variablen prä-TCRα-Kette, die als prä-Tα bezeichnet wird, zusammen. Dieser prä-TCR wird auf die Zelloberfläche transportiert. Das von ihm ausgehende Signal stoppt weitere Umlagerungsreaktionen für die TCRβ-Kette und führt zum Start der Umlagerungsreaktionen für die TCRα-Kette (allelic exclusion). Im Unterschied zu den Umlagerungsreaktionen der Immunglobulingene ist das Enzym TdT (Terminale Desoxynukleotidyl-Transferase) bei den Umlagerungsreaktionen beider TCR Gene aktiv. Dies führt dazu, dass die variable Region der TCRα- und TCRβ-Kette N-Nukleotide besitzt und dadurch die Variabilität des TCR weiter erhöht wird (Tabelle 2.3). Zusätzlich treten häufig bei den Umlagerungsreaktionen für die δ-Kette des γδ-TCR D-D Verknüpfungen auf. Ursache hierfür ist, dass die Dδ-Gensegmente auf der einen Seite mit einer RSS flankiert sind, die einen 12bp Spacer besitzt, auf der anderen Seite einen 23bp Spacer. Somit stehen sich Dδ-Gensegmente mit einem 12bp- und einem 23bp-Spacer für eine Rekombination gegenüber. Tabelle 2.4 gibt nur das theoretisch mögliche Repertoire an unterschiedlichen TCR-Spezifitäten wieder. Tatsächlich wird geschätzt, dass sich das Repertoire an exprimierten Rezeptoren ähnlich wie bei den Immunglobulinen auf etwa 107 beläuft.

2.4

Der MHC Beim Menschen werden auf dem kurzen Arm von Chromosom 6 eine Reihe von Proteinen kodiert, die eine wichtige immunologische Funktion besitzen. Einige dieser Proteine sind Peptidrezeptoren, die dem Immunsystem antigene Fragmente zugänglich machen. Sie besitzen eine allgemeine Funktion für das Immunsystem sowie für die Verträglichkeit von Transplantaten. Daher wurde die Region

64

2

Rezeptoren des Immunsystems

auf Chromosom 6, auf der die Peptidrezeptoren kodiert vorliegen, als der Hauptgewebeverträglichkeitskomplex (MHC, major histocompatibility complex) bezeichnet. Es gibt zwei Klassen von MHC kodierten Peptidrezeptoren: die MHC Klasse-I und Klasse-II Moleküle. Diese werden im MHC in der Klasse-I Region bzw. in der Klasse-II Region kodiert. MHC Klasse-I und -II Moleküle haben eine unterschiedliche biologische Bedeutung, die in Kap. 3 besprochen wird. Peptide, die durch MHC Moleküle auf der Zelloberfläche von antigenpräsentierenden Zellen, wie z.B. dendritischen Zellen, präsentiert werden, sind eine wichtige Voraussetzung für die Aktivierung von T-Zellen.

2.4.1

Die genomische Organisation des MHC Der MHC wird in drei Regionen eingeteilt. In die MHC Klasse-I, -II und -III Region. Die Klasse-I Region ist von der Klasse-II Region durch die Klasse-III Region separiert. In der Klasse-I Region werden beim Menschen die MHC Proteine HLAA, HLA-B und HLA-C kodiert (Abb. 2.19). Die Klasse-I Moleküle HLA-A, -B und C sind hochpolymorph. Innerhalb einer Population gibt es an jedem Locus eine sehr hohe Anzahl von Allelen. Jeder Mensch besitzt aber nur sechs Moleküle. Drei, die von dem väterlichen Chromosom kodiert werden, und drei, die von dem mütterlichen Chromosom kodiert werden. Neben HLA-A, -B und -C gibt es noch weitere, MHC-I ähnliche Proteine die in der Klasse-I Region kodiert vorliegen (u.a. HLA-G, HLA-E; s. Kap. 2.5.2). KlasseI ähnlich bedeutet, dass die Struktur dieser Moleküle sehr ähnlich zu klassischen Klasse-I Molekülen ist, sie in ihrer Aminosäuresequenz aber deutlich voneinander abweichen sowie nicht die „konventionelle“ Funktion im Vergleich zu den klassischen MHC-I Molekülen besitzen (Kap. 2.5.2). Klasse-I ähnliche Proteine sind nicht polymorph. Ähnlich wie in der Klasse-I Region liegen in der Klasse-II Region neben klassischen Klasse-II Molekülen (HLA-DP, -DQ, -DR) nichtklassische oder Klasse-II ähnliche Proteine (HLA-DM, -DO) kodiert vor. Auch hier zeigen die klassischen Klasse-II Moleküle einen sehr hohen Polymorphismus; DM und DO sind hingegen monomorph.

Definition

Polymorphismus Die Klasse-I und -II Moleküle HLA-A, -B, -C, -DR, -DP und -DQ besitzen einen sehr hohen Polymorphismus. Das bedeutet, dass an jedem Genort (A, B, C, DR, DP und DQ) sich innerhalb einer Population eine sehr hohe Anzahl von Allelen befindet. Jedes Individuum besitzt aber nur zwei Allele; eines, das vom mütterlichen Chromosom kodiert wird, und eines, das vom väterlichen Chromosom kodiert wird.

Der MHC

65

Bei der Maus wurde der MHC von Snell und Mitarbeitern auf Chromosom 17 identifiziert. Da er gekoppelt mit dem polymorphen Blutgruppenantigen-II vorlag, wurde der MHC als Histocompatibility-2 (H-2) Lokus bezeichnet. Die Proteine H2-K, H2-D und H2-L werden in der Klasse-I Region kodiert. In der Klasse-II Region, die bei der Maus aus historischen Gründen auch als immune response (Ir oder nur I) Region bezeichnet wird, werden die Klasse-II Moleküle H2-A (I-A) und H2-E (I-E) kodiert. H2-A ist homolog zum menschlichen HLA-DQ und H2-E ist homolog zu HLA-DR.

Abb. 2.19 Der MHC des Menschen. Der Haupthistokompatibilitätskomplex des Menschen liegt auf

Chromosom 6 und ist in die Klasse-II, -I und -III Region unterteilt. An den Klasse-II Genorten DP, DQ und DR werden die klassischen MHC-II Moleküle kodiert. Die Genorte sind durchnummeriert. DRB1 bedeutet, dass es sich um den Genort DRB1 handelt. An jedem Klasse-II Genort wird für eine α- und β-Kette sowie Pseudogene (ψ) kodiert. Ausnahme ist der Genort DRB3: hier wird eine alternative β-Kette kodiert. Daneben finden sich noch Gene für die Klasse-II ähnlichen Proteine DM und DO sowie Gene, die für den TAP-Transporter (transporter associated with peptides) und das Proteasom kodieren. In der Klasse-III Region werden Faktoren für das Komplementsystem (C4, Faktor B, C2) kodiert sowie die Cytokine Lymphotoxin (LT) und TNFα (tumor necrose factor). Darüberhinaus finden sich drei Gene, die für Proteine aus der Hsp70 (heat shock protein) Familie kodieren. Diese sind an der Faltung von Proteinen im Zytosol beteiligt. In der Klasse-I Region sind die α-Ketten für die klassischen MHC-I Moleküle HLA-B, -C und -A kodiert. β2m wird nicht vom MHC kodiert. HLA-E, -J, -H, -G und -F sind Klasse-I ähnliche Proteine. HLA-H hat vermutlich keine immunologische Funktion. Der Übersicht halber sind nicht alle MHC-Gene aufgeführt

66

2

Rezeptoren des Immunsystems

Historie

Die Entdeckung des MHC der Maus Die MHC-Region wurde bei der Maus durch Transplantationsexperimente Mitte 1940 entdeckt. Für die Transplantationsexperimente benutzten George Snell und seine Kollegen spezielle Labor-Mausstämme, sog. Inzuchtstämme. Inzuchtstämme erhält man, wenn man jeweils ein Pärchen der Nachkommentiere (F-Generation) über 20 Generationen miteinander verpaart. Nach der 20-ten Generation sind die Tiere genetisch identisch (syngen) und im Hinblick auf polymorphe Gene homozygot. Wurde nun ein Stück Fell von Mausstamm A auf Mausstamm B transplantiert, so wurde es abgestoßen (Abb. 2.20). Hingegen wurde ein Transplantat von Mausstamm A auf eine andere Maus vom Stamm A nicht abgestoßen. Das deutete darauf hin, dass Produkte von polymorphen Genen die Ursache für die Gewebeunverträglichkeit waren. Um diese Gene näher zu charakterisieren, wurden congene Stämme gezüchtet (Abb. 2.21). Congene Mausstämme haben bis auf einen Genlocus ein identisches Genom. Man erhält sie durch Rückkreuzung einer Maus, die das gewünschte Merkmal aufweist, mit einem Stamm, der den für die congenen Stämme gewünschtgen Genbestand besitzt. Durch erneute Transplantationsexperimente mit congenen Mausstämmen konnten Snell und seine Kollegen einen Genbereich auf Chromosom 17 identifizieren, der maßgeblich für die Transplantatabstoßung verantwortlich war. Darum wurden diese Gene als Histokompatibilitätsgene (Gewebeverträglichkeitsgene) bezeichnet. Der Genlokus war genetisch gekoppelt mit einem Gen, das für das polymorphe Blutgruppenantigen 2 kodierte. Deshalb wurde der Genbereich bei der Maus kurz als Histokompatibilitätsregion-2 (H-2) bezeichnet und die Genprodukte als H-2 Moleküle.

Abb. 2.20 Der MHC ist verantwortlich für die Transplantatverträglichkeit. Ein Hauttransplantat von einer Inzuchtmaus mit MHCa (homozygot) auf eine Inzuchtmaus mit MHCb (homozygot) wird abgestoßen. Hingegen wird ein Hauttransplantat innerhalb eines Inzuchtstammes (syngene Transplantation) nicht abgestoßen

Der MHC Historie

Die Entdeckung des MHC beim Menschen Beim Menschen werden die MHC Moleküle als human leukocyte antigens (HLA) bezeichnet. An deren Entdeckung waren maßgeblich Jean Dausset, Jan van Rood und deren Kollegen beteiligt. Sie beobachteten, dass bei Nierentransplantationen Patienten häufig Antikörper gegen weiße Blutkörperchen aus dem Transplantat entwickelten. Solche Alloseren (gr. allo: andere; allogen: alle Menschen sind zueinander allogen, ausgenommen eineiige Zwillinge; sie sind syngen) wurden von unterschiedlichen Patienten gesammelt. Mit diesen Seren konnten Leukozyten von unterschiedlichen Spendern untersucht werden. Diese Arbeiten führten zu der Identifizierung von einigen polymorphen Genloci auf Chromosom 6. Weil deren Genprodukte von Leukozyten exprimiert und von den Alloseren gebunden wurden, nannte man sie human leukocyte antigens (HLA). Die ersten Gene, die durch diesen serologischen Ansatz identifiziert wurden, waren HLA-A, HLA-B und HLA-C. Zusätzlich zu dem serologischen Ansatz wurden gemischte Leukozyten Reaktionen (MLR, mixed leukocyte reactions) durchgeführt, um weitere Genloci zu identifizieren. Die MLR ist ein in vitro Modell für allogene Transplantatabstoßungsreaktionen. Hierbei werden Leukozyten von zwei unterschiedlichen Spendern zusammengegeben. Ein Ansatz wird bestrahlt, so dass diese Zellen nicht mehr proliferieren können. Kommt es zur Prolifieration der unbestrahlten Leukozyten (Responder-Leukozyten), so haben sie an polymorphe Antigene der bestrahlten Leukozyten gebunden und wurden aktiviert. Der erste Genlocus, der durch diesen Ansatz identifiziert worden ist, lag in der Nähe der serologisch definierten Loci HLA-A bis -C und wurde nach dem Alphabet als HLA-D bezeichnet. Durch serologische Untersuchungen wurde später das Genprodukt identifiziert und als HLA-DR (R, related) bezeichnet. Zwei weitere Gene wurden durch die MLR in unmittelbarer Nähe zu HLA-DR gefunden, deren Genprodukte hohe Homologie zu HLA-DR besaßen. Deshalb wurden die Genloci nach dem Alphabet als DQ und DP bezeichnet. Die Funktion der MHC-Moleküle Nach der Entdeckung der MHC Moleküle dauerte es etwa 20 Jahre, bis die ersten Hinweise auf ihre Funktion gefunden wurden. Baruj Benacerraf, Hugh McDevitt und Kollegen fanden Anfang 1970 heraus, dass Maus-Inzuchtstämme sich in ihrer Fähigkeit unterschieden, gegen synthetische Polypeptide Antikörper zu produzieren (Abb. 2.22). Diese Fähigkeit wurde entsprechend der Mendelschen Regeln dominant vererbt. Die dafür verantwortlichen Gene wurden als immune response (Ir) Gene bezeichnet und konnten durch die Verwendung von congenen Mausstämmen alle im MHC kartiert werden. Heute wissen wir, dass die damals entdeckten Ir Gene tatsächlich den MHC-Molekülen entsprachen und die Funktion besitzen, Peptide zu binden. Die gebundenen Peptide werden auf der Zelloberfläche von antigenpräsentierenden Zellen für die Erkennung durch T-Zellen präsentiert. Für die Entdeckung des MHC sowie die Erkenntnis über seine Bedeutung für die Transplantatabstoßung und Immunantwort wurden 1980 Jean Dausset, George Snell und Baruj Benacerraf mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

67

68

2

Rezeptoren des Immunsystems

Abb. 2.21 Herstellung von congenen Mäusen. In der Parentalgeneration (P) wird ein Tier mit

einem gewünschten genetischen Hintergrund (blaue Maus) verpaart mit einem anderen Tier, dessen Eigenschaft (Verträglichkeit eines Transplantates vom Typ MHCb) gewollt ist (rote Maus). In der Nachkommengerneration (F) wird auf das Tier selektioniert, das die gewünschte Eigenschaft besitzt. Dieses Tier wird anschließend mit dem Tier aus der Parentalgeneration zurückgekreuzt (gelbes X), dessen genetischer Hintergrund gewünscht ist. Mit den Nachkommen wird ebenso verfahren. Nach etwa 20 Zyklen besitzen die Nachkommentiere den gewünschten genetischen Hintergrund und unterscheiden sich nur in der gewollten Eigenschaft (die Verträglichkeit eines Transplantates vom Typ MHCb) voneinander

Abb. 2.22 Der MHC kontrolliert die Immunantwort. Nach der Immunisierung von zwei unter-

schiedlichen Inzuchtmäusen (MHCa bzw. MHCb) mit einem synthetischen Polypeptid zeigte sich, dass die eine Maus Antikörper gegen das Polypeptid produzierte, die andere aber nicht. Durch die Wiederholung des Experimentes mit congenen Tieren, die sich nur im MHC unterschieden, ansonsten jedoch einen gleichen genetischen Hintergrund hatten, konnte die Fähigkeit zur Antikörperantwort auf den MHC zurückgeführt werden

Der MHC

69

Abb. 2.23 Die Struktur von MHC-I und -II Molekülen. MHC-I und -II Moleküle sind Heterodimere.

Sie bestehen aus zwei Untereinheiten (α- und β-Kette), die nicht kovalent miteinander im ER assoziieren. Die α-Kette von MHC-I Proteinen ist ein Transmembranprotein, das drei Domänen besitzt (α1, α2, α3). An die α-Kette bindet ein kleines Polypeptid, das als β2-Mikroglobulin bezeichnet wird und für die Faltung des Moleküls wichtig ist. Die Peptidbindungsgrube wird bei Klasse-I Molekülen von der α1 und α2 Domäne gebildet. Die dritte Domäne ist eine Immunglobulin-Domäne vom konstanten Typ (C-Typ, constant). Die Untereinheiten der MHC-II Moleküle sind beides Transmembranproteine mit jeweils zwei Proteindomänen. Die Bindungsgrube wird von der α1 und β1 Domäne gebildet. Die beiden membrannahen Domänen sind ebenfalls vom Typ einer Immunglobulin-Domäne. Bei dem nicht-klassischen MHC-II Molekül HLA-DM sind die Enden der Grube nahezu geschlossen. Dadurch kann HLA-DM keine Peptide binden. Die α1-Domäne besitzt sowohl bei MHC-I als auch bei -II Molekülen keine Disulfidbrücke. Neben den schematischen Zeichnungen sind die Röntgenstrukturen des Klasse-I Moleküls HLA-B (mit gebundenem Peptid aus dem HIV Protein NEF; pdb accession 1A1N), das Klasse-II Protein HLA-DR3 mit gebundenem Fragment (CLIP) aus der invarianten Kette (pdb accession 1A6A), sowie das MHC-II ähnliche Molekül HLA-DM (pdb accession 1HDM) abgebildet. Kohlenhydratseitenketten sind nicht eingezeichnet. (Die Röntgenstrukturdaten wurden mit dem Programm ViewerLite5.0 dargestellt)

2.4.2

Die Struktur von MHC-I und -II Molekülen An der Strukturaufklärung von MHC-I und -II Molekülen waren maßgeblich Don Wiley, Jack Strominger und Kollegen beteiligt. Sie kristallisierten die Moleküle und konnten durch Röntgenstrukturanalyse die dreidimensionale Struktur ableiten (Abb. 2.23). MHC-I und -II Proteine sind Heterodimere, d.h. sie bestehen aus zwei Untereinheiten (α-Kette, β-Kette). Bei MHC-I Proteinen ist die α-Kette ein Transmembranprotein vom Typ-I, das aus drei Domänen aufgebaut ist. Jede Do-

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2

Rezeptoren des Immunsystems

Definition

β2m Dieses Molekül wurde um 1930 von P. Petterson durch eine elektrophoretische Auftrennung einer Urinprobe eines Patienten mit einer Cadmiumvergiftung entdeckt. Aufgrund der elektrophoretischen Wanderung wurde es als β2 bezeichnet. Wegen der Größe als mikro- und aufgrund des Löslichkeitsverhalten als Globulin. Type-I Transmembranprotein es durchspannt die Membran einmal; von der Zellmembran aus betrachtet, liegt der C-Terminus im Zytosol, der N-Terminus ist nach außen (extrazellulär) orientiert. Typ-II Transmembranprotein wie Typ-I, nur mit umgekehrter Membranorientierung Typ-III Transmembranprotein Dieses durchspannt die Membran mehrmals.

mäne ist etwa 90 AS groß und besitzt eine Disulfidbrücke. Eine Ausnahme bildet bei allen klassischen MHC-I und -II Molekülen die α1-Domäne. Hier ist keine Disulfidbrücke vorhanden. Die ersten beiden Domänen bilden die Bindungsgrube für das Peptid (Abb. 2.23). Hier befinden sich die polymorphen Aminosäuren, die für die Bindungsspezifität verantwortlich sind. Bei MHC-I Molekülen sind die Ränder der Bindungsgrube geschlossen. Das führt dazu, dass Peptide die über MHC-I gebunden werden, eine einheitliche Länge von etwa 9 Aminosäuren haben. Die α3-Domäne ist aufgebaut wie eine konstante Domäne eines Immunglobulins. Solche Domänen werden deshalb auch als Immunglobulin-Domänen bezeichnet. Hier befinden sich keine polymorphen Aminosäuren. Die α-Kette assoziiert im ER über die α3 Domäne mit einem kleinen Molekül (12kD), das als β2-Mikroglobulin (β2m) bezeichnet wird. Dieses besitzt ebenso wie die α3-Domäne eine Immunglobulin-Domäne. Die Bindung von β2m an die α-Kette ist Voraussetzung für eine funktionelle Faltung des Moleküls. MHC-II Moleküle werden von zwei Transmembranproteinen vom Typ-I gebildet, die sich im ER nichtkovalent zusammenlagern. Jede Kette besitzt zwei Domänen, bei denen die zur Membran proximalen Domänen (α2, β2) vom Ig-Typ sind. Die zur Membran distalen Domänen (α1, β1) bilden die Bindungsgrube für das Peptid. Wie bei MHC-I Molekülen, befinden sich hier die polymorphen Aminosäuren, die für die Peptidspezifität maßgeblich sind. Im Unterschied zu der MHC-I Bindungsgrube ist die Bindungsgrube der MHC-II Moleküle an den Rändern geöffnet. Dadurch können Peptide bis zu einer Länge von 15 Aminosäuren binden.

2.4.3

Die Nomenklatur von MHC-I und -II Molekülen Die ersten HLA-Typisierungen wurden durch Antiseren und zelluläre Testsysteme durchgeführt. Diese Methode eignete sich, um Iso- und Allotypen (s. S. 66) voneinander zu unterscheiden. Eine deutlich höhere Auflösung in der HLA Typisierung

Der MHC

71

kam durch den Einsatz der Polymerase-Ketten-Reaktion (PCR), die 1985 von Saiki und Mullis für die Vermehrung des humanen β-Globin-Gens etabliert wurde. Dadurch war es nun möglich, MHC-I und -II Allele individuell zu amplifizieren und deren Nukleotidsequenz zu bestimmen. Die daraus resultierende, hohe Anzahl von neuen Allelen machte eine systematische Nomenklatur notwendig, die 1987 eingesetzt und 1990 erweitert worden ist (Abb. 2.24). Bis 1990 waren beispielsweise ca. 100 Allele für MHC-II Moleküle identifiziert. Durch den Einsatz von molekularbiologischen Methoden (PCR, Southern-Blot), stieg die Anzahl der identifizierten Allele bis heute auf etwa 600. Bei Mäusen werden die Allele mit klein geschriebenen, arabischen Buchstaben (z.B. a, b, c) voneinander unterschieden. Die individuellen MHC Gene werden hier nach dem Mausstamm benannt, in dem sie entdeckt worden sind. So wurde beispielsweise ein Transplantat von Mausstamm k auf Mausstamm d abgestoßen. Das verantwortliche Gen wurde daher als D bzw. K bezeichnet. Daraus resultiert für eine Maus (Stamm k) folgende Nomenklatur für ihre Klasse-I Moleküle: H-2Kk, H2Dk, H-2Lk. H-2 bezeichnet die Region auf Chromosom 17, auf der die Gewebeverträglichkeitsantigene kodiert werden, gefolgt von dem Genlokus und, hochgestellt, dem Haplotyp (die Allele, die von einem Chromosom kodiert werden), den die Maus besitzt. Inzuchtmäuse sind immer homozygot. Die Klasse-II Moleküle einer Inzuchtmaus vom Stamm k werden entsprechend als H-2Ak und H-2Ek bezeichnet.

Abb. 2.24 Nomenklatur der HLA-Allele

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2

Rezeptoren des Immunsystems

Aus historischen Gründen wurde die Klasse-II Region der Maus auch immune response (Ir oder nur I) Region genannt, da die hier kodierten Moleküle die Fähigkeit zur Immunantwort gegen synthetische Polypeptide kontrollierten (Abb. 2.21). Daher werden die Klasse-II Moleküle einer Inzuchtmaus vom Stamm k häufig auch als I-Ak bzw. I-Ek bezeichnet.

2.4.4

Die Bindungseigenschaften von MHC-I und -II Molekülen MHC-I und -II Proteine sind Peptidrezeptoren, die dem Immunsystem antigene Strukturen kenntlich machen. Sie besitzen einen sehr hohen Polymorphismus. Das bedeutet, dass jeder Mensch seine individuelle Ausstattung von Klasse-I und -II Peptidrezeptoren besitzt und damit ein individuelles Spektrum von antigenen Peptiden dem Immunsystem kenntlich macht. Jeder Mensch besitzt damit sein individuelles Immunsystem. Aufgrund welcher strukturellen Eigenschaften ist es aber möglich, dass ein auf wenige Moleküle begrenztes Repertoire an MHC-I und -II Molekülen eines Menschen ein sehr hohes Repertoire an unterschiedlichen Peptiden binden kann? Diese Frage konnte Anfang 1990 durch Hans-Georg Rammensee und seine Mitarbeiter geklärt werden. Sie isolierten die Peptide von ausgewählten MHC-I Allelen und sequenzierten diese. Die erhaltenen Aminosäuresequenzen zeigten, dass viele unterschiedliche Peptide von einem Allel gebunden werden konnten. Eine noch wichtigere Erkenntnis war aber, dass Allel abhängig, die sequenzierten Peptide Aminosäuren mit bestimmten Eigenschaften (z.B. Basizität, Hydrophobizität) an definierten Positionen im Peptid besaßen (Abb. 2.25). Solche Aminosäuren in einem Peptid wurden als Ankeraminosäuren bezeichnet. Weitere Analysen bestätigten, dass je nach Ankeraminosäuren, Peptide allelspezifisch gebunden werden. Durch die Röntgenstruktur von kristallisierten MHC-I und -II Molekülen (Abb. 2.25) wurde schnell deutlich, daß die Bindungsgruben dieser Moleküle Bindungstaschen (pocktes) besitzen. Die Bindungstaschen werden je nach Allel von unterschiedlichen Aminosäuren gebildet. Hier liegt der hohe Polymorphismus der Peptidrezeptoren. Die Aminosäuren, die die Bindungstaschen bilden, werden in dem Zusammenhang auch als polymorphe Aminosäuren bezeichnet. Je nach Spezifität der Bindungstasche können definierte Ankeraminosäuren gebunden werden. Dadurch kann von jedem Allel sein spezifisches Spektrum von Peptiden gebunden werden.

2.4.5

Der MHC-I und -II Prozessierungsweg MHC-I Moleküle werden von allen kernhaltigen Zellen exprimiert, MHC-II Moleküle hingegen nur von antigenpräsentierenden Zellen. Der Unterschied in der zellulären Expression steht in direktem Zusammenhang mit ihrer biologischen Funktion. MHC-I Moleküle binden Peptide, die aus dem Zytosol stammen. Diese

Der MHC

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Abb. 2.25 Peptide binden über Ankeraminosäuren in die Bindungstaschen von MHC-I und MHC-II Peptidrezeptoren. Dargestellt sind die möglichen Ankeraminosäuren, die ein Peptid besitzen muss, um von DRB1*0101 gebunden zu werden. Unten ist die Röntgenstruktur der Bindungsgrube von DR3 mit gebundenem Peptid (CLIP, stammt aus der invarianten Kette) zu sehen. Die Bindungstaschen 1 und 9 sind eingezeichnet. Pdb accession 1A6A

Peptide können im Falle einer viralen Infektion aus dem Abbau von viralen Proteinen stammen (virale Antigene). Sie können aber auch aus dem Abbau von Proteinen stammen, die im Zuge einer Zell-Entartung möglicherweise neugebildet worden sind (Tumorantigene). Da jede kernhaltige Körperzelle prinzipiell durch einen Virus befallen werden oder entarten kann, exprimiert auch nahezu jede kernhaltige Körperzelle MHC-I Moleküle. Antigene Peptide, die über MHC-I gebunden und präsentiert werden, werden auch als endogene Antigene bezeichnet. MHC-II Moleküle binden Peptide, die aus dem proteolytischen Abbau von aufgenommenen, extrazellulären Substanzen wie z.B. Bakterien, stammen. Daher werden antigene Peptide, die über MHC-II präsentiert werden, als exogene Antigene bezeichnet. Durch den MHC-I und MHC-II Präsentationsweg wird sichergestellt, dass dem Immunsystem ein möglichst breites Spektrum von Erregern (intrazelluläre wie auch extrazelluläre) kenntlich gemacht werden kann. Die meisten Peptide, die über MHC-I und -II gebunden werden, sind in der Regel körpereigene Peptide, die aus dem normalen zellulären Protein turn over (Umsatz) stammen. Im Falle der MHC-I Präsentation stammen die Peptide aus Proteinen,

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Rezeptoren des Immunsystems

die durch Ubiquitin zum Abbau durch das Proteasom gekennzeichnet wurden. Das Proteasom ist ein Multi-Proteasenkomplex, der ubiquitinylierte Proteine zu Peptiden abbaut. Die Proteine, die im Zytosol abgebaut werden, können solche sein, die selbst im Zytosol produziert wurden. Es können aber auch Proteine sein, die aus sauren Kompartimenten oder dem ER in das Zytosol transloziert wurden. Kürzlich wurde ein Transportmolekül in der Membran des ER identifiziert (Sec61), das falsch gefaltete Proteine aus dem ER in das Zytosol transportiert, damit sie dort über das Proteasom abgebaut werden können. Werden Zellen mit Interferon-γ (IFN-γ, ein antiviral wirkendes Cytokin) stimuliert, so führt das dazu, dass zwei Untereinheiten des Proteasoms durch die beiden katalytisch wirkenden Untereinheiten LMP-2 und LMP-7 ausgetauscht werden. Diese Untereinheiten bewirken, dass sich die Substratspezifität des Proteasoms ändert. Die Peptide, die nun entstehen, tragen gewöhnlich eine basische oder hydrophobe Aminosäure an ihrem C-Terminus und sind zwischen 6 und 30 Aminosäuren lang. Solche Peptide werden sehr effizient auf MHC-I Moleküle geladen. Zuvor müssen die Peptide aber in das ER hineintransportiert werden. Dafür werden Peptide, die länger als 9 Aminosäuren sind, zunächst im Zytosol durch Aminopeptidasen verkürzt. Anschließend können sie über einen spezialisierten Transporter, der in der ER Membran sitzt, in das Lumen vom ER befördert werden. Der Transporter besteht aus zwei Polypeptiden und nennt sich TAP Transporter (transporter associated with antigen processing). Die TAP Gene, ebenso wie die LMP-2 und LMP-7 Gene, liegen im MHC kodiert vor. Das proteasomale Abbausystem ist ein schönes Beispiel dafür, wie ein zelluläres Abbausystem mit einer spezifischen, immunologischen Funktion verknüpft ist – nämlich mit der Herstellung von Peptiden für die MHC-I Präsentation (Abb. 2.26). Im ER werden schließlich die Peptide auf MHC-I Moleküle beladen. Diese stehen in direktem Kontakt mit dem TAP-Transporter sowie einem weiteren Protein,

Definition

Ubiquitin ist ein kleines Protein, das aus 76 Aminosäuren besteht. Es wird nur in Eukaryonten, nicht aber in Eubakterien oder Archaebakterien gefunden. Ubiquitin ist unter den Eukaryonten hoch konserviert. Das bedeutet, daß die Aminosäuresequenz von Ubiquitin aus unterschiedlichen Spezies kaum variiert. So weicht die Aminosäuresequenz von Ubquitin aus der Hefe nur in drei Aminosäuren von der humanen Sequenz ab. Ubiquitin wird ubiquitär in kernhaltigen Zellen des Tier-/ Pflanzenreichs gefunden. Daher auch der Name. Ubiquitin ist an unterschiedlichen Zellprozessen beteiligt. Eine der wichtigsten Funktion besteht in der Regulation des Proteinabbaus. Proteine, die zum Abbau durch das Proteasom bestimmt sind, werden mit Ubiquitin markiert. Ubiquitinylierte Proteine können an das Proteasom binden und anschließend abgebaut werden. Peptidpräsentation Die Präsentation von Peptiden über MHC-I und –II Moleküle bezieht sich darauf, dass die Peptide im Verbund mit diesen Molekülen auf die Zelloberfläche transportiert werden und dort für die Erkennung von T-Zellen bereitstehen.

Der MHC

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das als Tapasin bezeichnet wird. Tapasin hält die Bindungsgrube der Moleküle solange geöffnet, bis ein affin bindendes Peptid gebunden hat. Anschließend wird das MHC-I Molekül freigegeben und durch den Golgi-Apparat hoch auf die Zelloberfläche transportiert. Peptide, die über MHC-II präsentiert werden, stammen aus dem Abbau von endo-/lysosomalen Proteinen. Hierzu gehören extrazellulär aufgenommene Proteine, mikrobielle Bestandteile aber auch durch Autophagie gebildete, körpereigene Peptide. Für MHC-II Moleküle bedeutet das aber, dass sie erst in endo-/lysosomalen Kompartimenten beladen werden dürfen. Betrachtet man aber den Weg der Biosynthese dieser Moleküle (Abb. 2.26), so fällt auf, dass MHC-II Moleküle

Abb. 2.26 Präsentation von Peptiden über MHC-I und -II. Peptide, die an MHC-I binden und anschließend auf der Zelloberfläche präsentiert werden, stammen aus dem proteasomalen Abbau von zytosolischen Proteinen. Das 26S Proteasom besteht aus einer großen 20S proteolytisch aktiven Untereinheit und einer 19S regulatorischen Kappe. Die hier hergestellen Peptide werden anschließend durch zytosolische Peptidasen getrimmt, und durch den TAP Transporter in das ER transportiert. Dort werden die MHC-I Moleküle mit den zytosolischen Peptiden Tapasin abhängig (nicht eingezeichnet) beladen. MHC-II Moleküle werden als oligomerer (Mehrketten-)Komplex (drei MHC-II Moleküle, drei Moleküle invariante Kette) mit der invarianten Kette (Ii) zu endo-/ lysosomalen Organellen transportiert. Dort wird Ii gespalten. Anschließend wird die Peptidbeladung durch HLA-DM katalysiert. Peptid beladene MHC-I und -II Moleküle werden schließlich auf die Zelloberfläche transportiert und stehen nun für eine Erkennung durch den T-Zell Rezeptor zur Verfügung

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Rezeptoren des Immunsystems

Historie

Die invariante Kette Die invariante Kette (Ii) wurde von Paula Jones Mitte der 80er Jahre durch die ZweiDimensionale-Gelelektrophorese entdeckt. Im Gegensatz zu den hochpolymorphen Klasse-II Proteinen zeigte Ii immer das gleiche oder invariante Punktmuster bei der Separation von unterschiedlichen Klasse-II Molekülen. Da das Molekül im Maussystem entdeckt wurde und es mit Klasse-II I-A und I-E assoziiert vorlag (in der Maus wird die Klasse-II Region als die immune response Region bezeichnet), bekam es die Abkürzung Ii. Manchmal wird es auch als γ-Kette bezeichnet, da es die dritte Kette in dem Klasse-II αβ Komplex ist. Nach der CD-Nomenklatur heißt Ii CD74.

Definition

Proteasen Proteasen sind Enzyme, die Proteine spalten. Die Spaltung wird durch einen nukleophilen Angriff eines freien Elektronenpaares der Protease auf eine Peptidbindung des Zielproteins eingeleitet. Je nach dem, welche chemische Gruppe das Nukleophil bereitstellt, werden die Proteasen in Serinproteasen, Aspartatproteasen, Cysteinproteasen und Metalloproteasen eingeteilt. Beispielsweise wird bei Serinproteasen das Nukleophil von der Hydroxidgruppe eines Serin-Restes bereitgestellt. Bei Metalloproteasen wird für die Bereitstellung des freien Elektronenpaares ein Metall-Ion als Cofaktor benötigt.

ebenso wie Klasse-I Moleküle (und alle anderen Membranproteine) in das Lumen des ER hineinsynthetisiert werden. Im Lumen des ER befinden sich aber Peptide aus zytosolischem Proteinabbau. Folglich muss eine Beladung von MHC-II im Lumen des ER verhindert werden. Diese Aufgabe übernimmt die invariante Kette (Ii). Die invariante Kette ist ein Typ-II Transmembranprotein, das vielfältige Aufgaben besitzt. Ii fördert einerseits den Zusammenbau von MHC-II Molekülen im ER, sie blockiert die Bindungsgrube dieser Moleküle und schützt daher MHC-II vor der Peptidbeladung im ER. Andererseits sorgt sie aufgrund eines Sortierungssignales in ihrem zytoplasmatischen Anteil für einen Transport von MHC-II Molekülen zu endo-/lysosomalen Zellkompartimenten (Abb. 2.26). Der Bereich, mit dem sich Ii in die Bindungsgrube von MHC-II legt, wird als CLIP (class-II associated invariant chain peptid) bezeichet. Die funktionelle Form von Ii ist ein Trimer. In endo-/lysosomalen Zellkompartimenten wird Ii schließlich durch saure Proteasen (CathepsinL, -S, -F) bis auf CLIP gespalten. Ein weiteres Protein (HLA-DM) katalysiert nun die Freisetzung von CLIP aus der Bindungsgrube der MHC-II Moleküle sowie deren Beladung mit einem endo-/lysosomalen Peptid. Deshalb wird DM auch als der Katalysator der Peptidbeladung von MHC-II Molekülen bezeichnet. Anschließend werden die peptidbeladenen MHC-II Moleküle auf die Zelloberfläche der antigenpräsentierenden Zelle transportiert.

Der MHC

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HLA-DO

HLA-DO ist ebenfalls wie HLA-DM ein Klasse-II ähnliches Molekül, das in der Klasse-II Region auf Chromosom 6 kodiert wird. DO und DM sind kaum polymorph. DO wird zelltypspezifisch (hauptsächlich in B-Zellen und thymischen Epithelialzellen) exprimiert. Es bildet pH abhängig einen Komplex mit DM und führt dadurch zu einer Modulation der Antigenpräsentation. Expressionsstudien zeigen, dass das Peptidrepertoire in Gegenwart von HLA-DO ein anderes ist als das Peptidrepertoire in Abwesenheit dieses Modulators der Antigenpräsentation. Die Bedeutung dieser Modulation für die Antigenpräsentation ist bislang noch nicht vollständig geklärt.

Cross-Präsentation (cross-presentation, Kreuzpräsentation)

Cross-Präsentation bedeutet, dass endo-/lysosomale Peptide (exogene Antigene) auch über MHC-I gebunden und präsentiert werden können. Dieses Phenomen wurde hauptsächlich bei dendritischen Zellen beschrieben. Die biologische Bedeutung von Cross-Präsentation liegt in der Aktivierung von naiven CD8+ T-Zellen und damit letztlich in der Rekrutierung von zytotoxischen T-Zellen (Kap. 3.2.1). Die molekularen Mechanismen, die zur Präsentation von exogenen Antigenen über MHC Klasse-I Moleküle führen, sind bislang aber noch unklar. Es gibt Hinweise, dass endosomale Proteine oder Peptide das Organell direkt oder mit Hilfe noch unbekannter Transportmechanismen verlassen können, um über das Proteasom und den TAP Transporter in den MHC-I Präsentationsweg gelangen zu können (Abb. 2.26). Eine andere Möglichkeit könnte in der Fusion von Phagosomen mit dem endoplasmatischen Retikulum (ER) und der anschließenden Bildung so genannter ER-Phagosomen bestehen. Im Zuge einer solchen Fusion könnten endosomale Proteine über einen Transportkanal in der ER Membran (Sec61-Kanal) in das Cytosol zurücktransportiert (retrograd), über das Proteasom zu Peptiden abgebaut und die Peptide über TAP wieder in das ER-Phagosom hineintransportiert werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass Peptide über Zell-Zell Kanäle (gap junctions) von einer Zelle in die nächste transportiert werden könnten. Auf diese Art und Weise könnten Peptide einer infizierten Zelle in das Zytosol einer nicht infizierten Nachbarzelle diffundieren und von dort aus in das ER für eine Beladung von MHC-I gelangen. Durch eine detaillierte Kenntnis der molekularen Prozesse, die eine Cross-Präsentation ermöglichen, könnte modulierend in die T-Zell Aktivierung eingegriffen werden. Dadurch könnten neue Therapeutika bzw. Impfstoffe – beispielsweise für eine Tumorprävention oder -behandlung – geschaffen werden. Umgekehrt zur Präsentation von endosomalen (exogenen) Peptiden über MHC-I, wird auch eine Präsentation von zytosolischen (endogenen) Peptiden über MHC-II beschrieben. Durch einen Mechanismus, der als Autophagie bezeichnet wird, können ganze Zellorganellen von einer Membran umschlossen und anschlie-

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2

Rezeptoren des Immunsystems

Definition

Autophagie ein Prozess, der auch als Autophagozytose bezeichnet wird. Hierbei kommt es zum intrazellulären Abbau von Proteinen und ganzen Zellorganellen. Diese werden durch eine Membran umschlossen. Der Innenraum wird durch die Fusion mit primären Lysosomen angesäuert (Bildung von Autophagosomen), und die Proteine werden letztlich durch Proteasen abgebaut. Der Prozess ist notwendig, um ein Gleichgewicht zwischen der Produktion neuer und dem Abbau alter Zellbestandteile aufrecht zu erhalten. In Leberzellen hat ein Mitochondrium beispielsweise eine durchschnittliche Lebenszeit von etwa 10 Tagen. Autophagie ist aber auch im Rahmen des programmierten Zelltods (Apoptose) von Bedeutung. Sec61-Kanal Dieser Kanal ist Teil des ER Qualitätskontrollapparates (ERAD, ER associated degradation), durch den falsch gefaltete Proteine im ER erkannt und über Sec61 zum Abbau ins Zytosol zurücktransportiert werden. Gap junctions Hierbei handelt es sich um kanalbildende Proteinkomplexe. Sie befinden sich in der Zytoplasmamembran und stellen eine Verbindung zwischen den zytoplasmatischen Räumen benachbarter Zellen her. Sie sind u.a. durchlässig für ATP, cAMP, Ionen und Aminosäuren. Die kanalbildenden Proteine werden Connexine genannt. Je nach Zusammensetzung haben sie einen Einfluss auf den Transport (z.B. die Richtung) der Moleküle. Das Gegenteil zu den gap junctions sind die tigth junctions (Verschlussknoten, Verschlussbänder). Tight junctions verschließen den Zellzwischenraum und stellen so eine Barriere für die Diffusion von Molekülen über das Epithel dar. Dies trägt beispielsweise dazu bei, die Polarität (definierte Ober-/Unterseite) bestimmter Zellen aufrechtzuerhalten.

ßend durch Proteasen abgebaut werden. Die hierbei gebildeten Peptide können über MHC-II gebunden und präsentiert werden. Autophagie ist außerdem ein wichtiger Mechanismus, der im Verlauf des programmierten Zelltodes (Apoptose) von Bedeutung ist.

2.4.6

Die MHC-Restriktion T-Zellen erkennen und reagieren auf ein antigenes Peptid (allgemein: Antigen) nur dann, wenn sie es im Verbund mit dem eigenen MHC Molekül präsentiert bekommen. Sie sind also nicht nur spezifisch für das Antigen, sondern auch für das MHC Molekül, von dem das Antigen gebunden und ihnen präsentiert wird. Diese Eigenschaft wird als T-Zell-Restriktion oder Selbst-Restriktion bezeichnet. Dieser grundlegende Zusammenhang wurde 1975 von Zinkernagel und Doherty entdeckt. Sie infizierten congene Mäuse, die sich genetisch nur in der MHC-I Region unterschieden, mit einem bestimmten Virusstamm (Abb. 2.27). Nach einer Woche

Der MHC

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Abb. 2.27 Zytotoxische T-Zellen erkennen spezfisch ein antigenes Peptid im Verbund mit dem eigenen MHC-I. Cytotoxische T-Zellen einer congenen Maus mit MHC-I Haplotyp b lysieren nur dann Fibroblasten, wenn sie denselben MHC besitzen und von demselben Virus infiziert worden sind. Die Eigenschaft von T-Zellen, ihr Peptid nur im Verbund mit dem eigenen MHC zu erkennen, wird als Selbst-Restriktion bezeichnet

wurde den Mäusen die Milz entnommen und deren T-Zellen zu Fibroblastenzellen gegeben, die a) aus den infizierten Mäusen stammten oder b) aus einem anderen MHC-I congenen Stamm, der mit dem gleichen Virus infiziert wurde oder c) aus dem selben congenen Stamm, der aber mit einem anderen Virus infiziert worden war. Die T-Zellen waren nur in der Lage, die Fibroblasten aus a) zu lysieren. Sie waren also spezifisch sowohl für das Antigen als auch das Klasse-I Molekül, das ihnen die Peptide präsentierte. Für diese Erkenntnis bekamen beide 1984 den Nobelpreis. Die T-Zellen, die in diesem Experiment die Virus infizierten Fibroblasten lysierten, waren zytotoxische T-Zellen. T-Zellen werden in zwei große Klassen eingeteilt. CD4+ und CD8+ T-Zellen. CD4 und CD8 Moleküle werden als Korezeptoren bezeichnet. CD4 bindet an die β2 Domäne von MHC-II Molekülen, während CD8 an die α3 Domäne von MHC-I Molekülen bindet (Abb. 2.28). Dadurch können CD4+ T-Zellen nur an MHC-II Moleküle auf der Zelloberfläche von antigenpräsentierenden Zellen (antigen presenting cells, APC) binden, während CD8+ T-Zellen nur an MHC-I binden können. Zytotoxische T-Zellen besitzen CD8 als Korezeptor auf ihrer Zelloberfläche.

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2

Rezeptoren des Immunsystems

Abb. 2.28 CD8+ T-Zellen sind MHC-I restringiert, CD4+ T-Zellen sind MHC-II restringiert. CD8

und CD4 sind Korezeptoren. Sie binden außen (außerhalb der Bindungsgrube) an ihren jeweiligen MHC Typ

2.5

MHC Klasse-I ähnliche Rezeptoren Neben der gut dokumentierten Funktion von MHC-I Molekülen für die Aktivierung von CD8+ T-Zellen, wurden eine Reihe von MHC-I ähnlichen Proteinen beschrieben, die Teils eine Funktion im Rahmen der angoborenen Immunität besitzen (CD1), aber auch NK-Zell supprimierende Mechanismen auslösen können (HLAG, HLA-E). Daneben wurden kürzlich MHC Klasse-I ähnliche Proteine beschrieben, die als molekularer Teil des vomeronasalen Geruchsorgans vieler Wirbeltiere einen Einfluss auf das Sozial- und Paarungsverhalten haben sollen. Dieses Kapitel soll einen Überblick über die wichtigsten Typen von MHC KlasseI ähnlichen Proteinen geben und dadurch die allgemeine Bedeutung von MHC ähnlichen Peptidrezeptoren über die T-Zell stimulierende Funktion hinaus hin geben.

2.5.1

CD1: Lipidpräsentierende Rezeptoren CD1 ist ein Protein, das auf Aminosäureebene kaum Ähnlichkeiten (Homologien) zu MHC Klasse-I Molekülen besitzt, aber in seiner Struktur MHC Klasse-I Molekülen ähnlich ist. Insofern verhält es sich mit CD1 ähnlich wie mit dem MHC Klasse-II ähnlichen Protein HLA-DM (Kap. 2.4.5). Ebenso wie bei MHC-I assoziiert

MHC Klasse-I ähnliche Rezeptoren

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CD1 mit β2-Mikroglobulin. CD1 Moleküle werden nicht im MHC kodiert, sondern liegen außerhalb des MHCs kodiert vor. CD1 präsentiert keine Peptide, sondern Glykolipide und Lipide, wie sie u.a. in der Membran von Bakterien, Viren, Pilzen und Protozoen vorhanden sind. Es werden aber auch körpereigene Glykolipide und Lipide präsentiert. Es gibt unterschiedliche Isoformen von CD1 Molekülen. Beim Menschen werden sie in zwei Gruppen eingeteilt. Zu der Gruppe-1 zählen die Proteine CD1a, CD1b, CD1c und CD1e. Die Gruppe-2 wird durch CD1d Moleküle definiert. Die Expression von CD1 Moleküle wird auf antigenpräsentierenden Zellen unterschiedlich reguliert. Jedoch ist die Expression von CD1d auf antigenpräsentierenden Zellen konstitutiv. CD1 Moleküle werden von CD1 restringierten T-Zellen erkannt. Hierbei handelt es sich um eine recht heterogene Gruppe von T-Zellen. Es wurden CD4+, CD8+ aber auch doppelt negative (CD4-CD8-) CD1 restringierte T-Zellen beschrieben. Darunter gibt es Populationen mit mehr oder weniger variablen T-Zell Rezeptoren. Eine in den letzten Jahren gut charakterisierte Gruppe von CD1d restringierten T-Zellen sind NK-T-Zellen (NKT-cells). Diese besitzen Oberflächenmoleküle, die auch auf natürlichen Killerzellen (NK-Zellen) vorhanden sind. Sie differenzieren im Thymus durch Kontakt mit CD1d exprimierenden thymischen Epithelialzellen (vgl. Kap. 3.1.3). Der TCR von CD1d restringierten NKT-Zellen ist wenig variabel. Zirkulierende NKT-Zellen besitzen das Potential direkt nach Antigenkontakt reagieren zu können, indem sie inflammatorische Cytokine ausschütten. Diese Cytokine haben in der frühen Phase einer Immunantwort eine wichtige Funktion. Aufgrund der eingeschränkten Variabilität ihres TCRs sowie ihrer Funktion als Effektorzellen in der frühen Phase einer Immunantwort nehmen NKT-Zellen vermutlich eine Zwischenstellung zwischen den Zellen der angeborenen und der erworbenen Immunität ein. Letztlich sind die Effektorreaktionen von NKT-Zellen aber ein wichtiger Bestandteil der Effektorreaktionen der angeborenen Immunität.

2.5.2

HLA-G und HLA-E: Bedeutsam für die Schwangerschaft In der Klasse-I Region werden neben den konventionellen (klassischen) MHC-I Proteinen auch nichtkonventionelle (nichtklassische) MHC-I Proteine kodiert. Zu diesen gehören HLA-G und HLA-E (Abb. 2.19). Beide Moleküle werden auf den Zellen der Plazenta exprimiert und verhindern vermutlich eine Immunantwort gegen den Fötus. Klassische MHC-I Proteine werden von den Zellen der Plazenta nicht exprimiert. Die Plazenta ist ein embryonales Gewebe, das während der Schwangerschaft in die Gebärmutter einwächst und der Versorgung des Fötus mit Nährstoffen und Sauerstoff dient. Da die Hälfte des genetischen Materials vom Vater stammt, kann die Plazenta als körperfremdes Gewebe (Transplantat) angesehen werden, gegen das in diesem Kontext eine Immunantwort sehr wahrscheinlich sein müsste (vgl. Kap. 6.3). Tatsächlich wird in den ersten Schwangerschaftswochen eine Ansammlung von Leukozyten um die Plazenta (an der Decidua) beobachtet. Diese Leukozytenpopulation besteht zu etwa 70% aus natürlichen Killerzellen (NK-Zellen) und zu etwa 10% aus T-Zellen.

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2

Rezeptoren des Immunsystems

Definition

KIR2DL1 killer cell immunglobuli-like receptor mit 2 extrazellulären Immunglobulindomänen und einer langen (long) zytoplasmatischen Domäne

HLA-G und HLA-E werden vom T-Zell Rezeptor nicht erkannt. Der Ligand für HLA-G wird von NK-Zellen exprimiert und gehört in die Gruppe der killerinhibierenden Rezeptoren mit Immunglobulin ähnlichem Aufbau (KIR2DL4; KIR = killer cell immunglobulin-like receptor). HLA-E präsentiert ein sehr eingeschränktes Repertoire von Peptiden. Bei diesen Peptiden handelt es sich um Signalpeptide (leader-peptides) von klassischen MHC Klasse-I Molekülen. HLA-E Moleküle binden an den Lyse inhibitorischen Komplex CD94/NKG2A (C-Typ Lektine). NKG2A ist ein Mitglied aus der NKG2-Familie von Lyse hemmenden Rezeptoren auf der Zelloberfläche von NK-Zellen. Insgesamt ergibt sich nun folgendes Bild: Aufgrund der Abwesenheit von klassischen MHC-I Molekülen auf der Oberfläche der Plazentazellen sind sie kein Ziel für zytotoxische T-Zellen. Die Abwesenheit von klassischen MHC-I Molekülen auf der Oberfläche von Zellen dient normalerweise der „Erkennung“ und im weiteren Verlauf Zerstörung der Zellen durch natürliche Killerzellen. Durch die Expression von HLA-G und HLA-E wird in NK-Zellen aber ein Lyse inhibierendes Signal ausgelöst, das die Zerstörung der Plazentazellen verhindert.

2.5.3

M10 Proteine: Teil eines „intrinsischen Partnervermittlungsapparates“? Das vomeronasale Organ (VNO, Jacobson-Organ) ist ein Geruchsorgan vieler Wirbeltiere, das speziell bei Säugetieren auf die Wahrnehmung von bestimmten Pheromonen (Sexuallockstoffen) spezialisiert ist. In diesem Kontext tragen Pheromone zur Steuerung des Paarungsverhaltens bei. Die Existenz eines Vomeronasalorgans beim Menschen ist umstritten. Die im Folgenden beschriebenen Ergebnisse beziehen sich auf Untersuchungen im Maussystem. Die sensorischen Neurone innerhalb des VNO exprimieren zwei Gruppen von Rezeptoren: V2R und M10 Rezeptoren. Jedes Neuron exprimiert einen von etwa 60 bekannten V2R Rezeptoren und etwa 9 unterschiedliche M10 Rezeptoren. M10 Rezeptoren sind MHC Klasse-I ähnliche Proteine mit einer Sequenzhomologie von etwa 50% zu klassischen MHC-I Proteinen. Sie assoziieren mit β2-Mikroglobulin (β2m), ihre Bindungsgrube ist im Gegensatz zu klassischen MHC-I Proteinen auf einer Seite aber geöffnet. Dies lässt vermuten, dass sie Peptide > 9AS binden können. Eine physikalische Bindung von Peptiden konnte bislang allerdings nicht nachgewiesen werden. M10 Proteine liegen in einem oligomeren (mehrkettigen) Komplex mit V2R Rezeptoren vor. Die genaue stöchiometrische Zusammensetzung dieser hochmolekularen Komplexe ist noch unklar. β2m knock out Mäuse, die keine transportfähigen M10 Proteine herstellen können, besitzen ebenfalls auch keine V2R Rezeptoren auf der Zelloberfläche der vomeronasalen Neurone. Dies legt den Schluss Nahe, dass nur funktionelle Komplexe aus V2R und M10 transportkompetent sind.

MHC Klasse-I ähnliche Rezeptoren

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Seit vielen Jahren ist der Bruce-Effekt bei Mäusen bekannt. Werden Weibchen innerhalb von einigen Stunden nach der Kopulation dem Uringeruch eines fremden Männchens ausgesetzt, so kann sich die befruchtete Eizelle nicht in die Gebärmutterschleimhaut einnisten. Voraussetzung ist ein intaktes Vomeronasalorgan. Die Einnistung der Eizelle kann nur dann erfolgen, wenn das Weibchen mindestens drei Stunden der Stimulation durch die Pheromone des Befruchters ausgesetzt ist. Auf diese Art und Weise wird eine „genetische Prägung“ gewährleistet. Der Bruce-Effekt tritt auch dann auf, wenn sich das fremde Männchen genetisch nur im MHC vom Befruchter unterscheidet. Kürzlich wurde beschrieben, dass MHC-I bindende Peptide die Neuronentätigkeit in V2R exprimierenden Bereichen des Vomeronasalorgans auslösen und im Mausmodell einen Bruce-Effekt auslösen können. In diesem Kontext scheinen MHC-I bindende Peptide die Funktion zu besitzen, die genetische Individualität zu sichern. Die immunologische Individualität ist abhängig von dem hohen Polymorphismus von MHC-I und MHC-II. Eine starke Abweichung in den MHC-Allelen von Individuum zu Individuum innerhalb einer Art bedeutet letztlich einen hohen Grad an genetischer Individualität, die sich strukturell im Spektrum von MHC bindenden Peptiden widerspiegelt. Bislang ist aber noch unklar, in welchem funktionellen Zusammenhang M10 Proteine mit V2 Rezeptoren stehen, welches die tatsächlichen Liganden sind und wie sie gebunden werden. Möglicherweise bilden M10 und V2R eine gemeinsame Plattform für die Bindung von entsprechenden Liganden. Im Falle von Peptiden könnten diese über M10 präsentiert und von V2R gebunden zum Auslösen der Neuronenaktivität führen.

Tafelbild 1

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Tafelbild 2

Tafelbild 3

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Rezeptoren des Immunsystems

MHC Klasse-I ähnliche Rezeptoren

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Möglicherweise steckt hinter dem Sprichwort „ich kann dich nicht riechen“ ein ernstzunehmender und für die Erhaltung und Erweiterung des Genpools notwendiger, molekular immunologischer Mechanismus.

Aufgaben

Beschreiben Sie die Tafelbilder

Spezielle Literatur Bhalla A, Stone PR, Liddell HS, Zanderigo A, Chamley LW (2006) Comparison of the expression of human leukocyte antigen (HLA)-G and HLA-E in women with normal pregnancy and those with recurrent miscarriage. Reproduction 131:583–589 Bogue M, Roth DB (1996) Mechanism of V(D)J recombination. Curr Opin Immunol 8:175–180 Bonneville M, Saulquin X (2005) T-cell Receptors. Nature encyclopedia of life sciences 1–7 Borrego F, Masilamani M, Marusina AI, Tang X, Coligan JE (2006) The CD94/NKG2 family of receptors: from molecules and cells to clinical relevance. Immunol Res 35:263–278 Carroll MC (2004) The complement system in regulation of adaptive immunity. Nat Immunol 5:981–986 Claire M, Labris JD (2005) Complement. Nature encyclopedia of life sciences 1–9 Crotzer VL, Blum JS (2005) Autophagy and intracellular surveillance: Modulating MHC class II antigen presentation with stress. Proc Natl Acad Sci USA 102:7779–7780 Dutronc Y, Porcelli SA (2002) The CD1 family and T cell recognition of lipid antigens. Tissue Antigens 60:337–353 Falk K, Rotzschke O, Rammensee, H-G (1990) Cellular peptide composition governed by major histocompatibility complex class I molecules. Nature 348: 248–251 Fritz JH, Ferrero RL, Philpott DJ, Girardin SE (2006) Nod-like proteins in immunity, inflammation and disease. Nat Immunol 7:1250–1257 Groothuis TA, Neefjes J (2005) The many roads to cross-presentation. J Exp Med 202:1313–1318 Hava DL, Brigl M, van den Elzen P, Zajonc DM, Wilson IA, Brenner MB (2005) CD1 assembly and the formation of CD1-antigen complexes. Curr Opin Immunol 17:88–94 Lanzavecchia A, Sallusto F (2007) Toll-like receptors and innate immunity in B-cell activation and antibody responses. Curr Opin Immunol 19:268–274 Leinders-Zufall T, Brennan P, Widmayer P, PC S, Maul-Pavicic A, Jager M, Li XH, Breer H, Zufall F, Boehm T (2004) MHC class I peptides as chemosensory signals in the vomeronasal organ. Science 306:1033–1037 Lieber M (2001) Immunoglobulin gene rearrangements. Nature encyclopedia of life sciences 1–6 Linehan SA, Martinez-Pomares L, Gordon S (2000) Mannose receptor and scavenger receptor: two macrophage pattern recognition receptors with diverse functions in tissue homeostasis and host defense. Adv Exp Med Biol 479:1–14 McKenzie EJ, Taylor PR, Stillion RJ, Lucas AD, Harris J, Gordon S, Martinez-Pomares L (2007) Mannose receptor expression and function define a new population of murine dendritic cells. J Immunol 178:4975–4983 Meri S, Jarva H (2001) Complement regulatory proteins. Nature encyclopedia of life sciences 1–8 Meylan E, Tschopp J, Karin M (2006) Intracellular pattern recognition receptors in the host response. Nature 442:39–44

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Rezeptoren des Immunsystems

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Entwicklung und Aktivierung von T-Zellen

3.1

Entwicklung von T-Zellen Im Thymus entwickeln sich T-Zellvorläufer zu reifen T-Zellen. Reife T-Zellen sind solche, die einen T-Zell Rezeptor (TCR) entwickelt haben, der potentiell antigenes Peptid im Verbund mit MHC-I bzw. MHC-II (vgl. Kap. 2.4.2) erkennt (bindet). Allgemein werden sich entwickelnde T-Zellen im Thymus als Thymozyten bezeichnet. Während die Zellen reifen (differenzieren), werden solche, die körpereigene Peptide erkennen, ausgesondert. Dieser Mechanismus wird als zentrale Toleranz bezeichnet. Die unterschiedlichen Reife- bzw. Differenzierungsstadien der Thymozyten lassen sich anhand der Oberflächenmoleküle CD4, CD8 (Korezeptoren des T-Zell Rezeptors), CD3 (Teil des T-Zell Rezeptorkomplexes) und der T-Zell Rezeptorketten verfolgen. Da diese Moleküle nur von T-Zellen exprimiert werden, werden sie als „T-Zell Marker“ verwendet. Aus dem Knochenmark wandern Vorläuferzellen aus und gelangen über die Blutbahn in den Thymus (Abb. 3.1). Im Thymus wandern sie in die kortikalen Bereiche. Zu diesem Zeitpunkt exprimieren die Vorläuferzellen weder CD4, CD8, CD3 noch den T-Zell Rezeptor. Da die Thymozyten in diesem Stadium (Pro T-Zell Stadium) negativ für CD4 und CD8 sind, werden sie als doppelt negative Thymozyten bezeichnet. Nun beginnen die doppelt negativen Thymozyten stark zu proliferieren. Während der Zellteilung kommt es zu somatischen Rekombinationsvorgängen im TCR β-Kettengen; damit beginnt das nächste Reifestadium der Thymozyten, das prä-T-Zell Stadium. Die β-Kette wird in Assoziation mit einem nicht-polymorphen (invarianten) Protein, der prä-Tα-Kette, auf der Zelloberfläche zusammen mit CD3 exprimiert. Der Komplex aus TCRβ/prä-Tα und CD3 wird als prä-TCR Komplex bezeichnet. Von dem prä-TCR Komplex wird ein Signal in die Zelle weitergeleitet, das die Umlagerung der β-Ketten Gene stoppt und die der α-Ketten Gene einleitet (allelic exclusion im β-Ketten Lokus). Dieser Vorgang wird auch als β-Selektion bezeichnet. Im Gegensatz zum β-Ketten Lokus findet man kaum allelic exclusion im α-Ketten Lokus. Produktive Umlagerungsreaktionen können auf beiden Chromosomen stattfinden. Die T-Zelle exprimiert dann zwei α-Ketten. Tatsächlich besitzen etwa 30% der reifen T-Zellen in der Peripherie zwei T-Zell Rezeptoren mit unterschiedlicher Spezifität. Die funktionelle Konsequenz ist aber noch unklar. Vermut-

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Entwicklung und Aktivierung von T-Zellen

Abb. 3.1 T-Zell Reifung im Thymus. Aus dem Knochenmark (KM) wandern hämatopoetische

Vorläuferzellen in den Thymus ein und differenzieren zunächst zu CD4, CD8 doppelt positiven Thymozyten. In diesem Stadium durchlaufen sie die Positivselektion an den kortikalen, thymischen Epithelialzellen. Kortikale, thymische Epithelzellen sind antigenpräsentierende Zellen und exprimieren MHC-I und MHC-II Moleküle. Positiv selektionierte Thymozyten stellen die Expression von einem der Marker (CD4, CD8) ein und besitzen anschließend nur noch CD4 oder CD8 auf der Zelloberfläche. In diesem Stadium durchlaufen sie die Negativselektion in der Markregion. Die Negativselektion findet an dendritischen Zellen statt. Diese wandern zum Teil als ausdifferenzierte antigenpräsentierende Zellen nach der Geburt in den Thymus ein; zum anderen werden sie ebenfalls aus hämatopoetischen Vorläuferzellen gebildet. Thymozyten, die die Negativselektion überstanden haben, verlassen als naive T-Zellen den Thymus. Dies sind etwa nur 2%–3% der gebildeten Thymozyten

lich wird durch zwei unterschiedliche T-Zell Rezeptoren die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass ein Thymozyt die Selektionsschritte übersteht. Verlaufen die Umlagerungsreaktionen nicht erfolgreich und es wird kein funktioneller αβ-TCR gebildet, so stirbt die Zelle innerhalb von drei Tagen durch Apoptose. Im nächsten Differenzierungsabschnitt exprimieren die Thymozyten sowohl CD4 als auch CD8. Sie werden nun als doppelt positive Thymozyten bezeichnet. In diesem Stadium treten sie in die Positivselektion ein. Diese findet an den kortikalen, thymischen Epithelial-

Entwicklung von T-Zellen

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zellen statt. Die kortikalen, thymischen Epithelialzellen besitzen neben MHC-I auch MHC-II Moleküle auf ihrer Zelloberfläche; sie sind antigenpräsentierende Zellen (Abb. 3.1). Bei der Positivselektion bekommen diejenigen Thymozyten ein Signal zum Überleben, die mit ihrem TCR MHC-I oder MHC-II binden. Thymozyten, die nicht binden, sterben durch Apoptose (death of neglect = Tod durch Vernachlässigung). Da RAG-1 und RAG-2 noch spät im Stadium eines doppelt positiven Thymozyten aktiv sind, können weitere α-Ketten Rekombinationen zu neuen TCRSpezifitäten führen und nicht MHC-bindende Thymozyten evtl. vor der Apoptose retten. Dieser Vorgang wird auch als αβ-TCR editing bezeichnet. Thymozyten, die positiv MHC-I selektioniert worden sind, stellen die Expression des Korezeptors CD4 ein. Solche, die positiv MHC-II selektioniert worden sind, stellen die Expression von CD8 ein. Die Thymozyten befinden sich nun im einzel-positiven (single positive) Differenzierungsstadium. In diesem Stadium wandern sie in die Medulla (Markregion des Thymus) ein und durchlaufen den letzten Selektionsschritt: die Negativselektion. Die Negativselektion findet an dendritischen Zellen statt, die zum Teil als ausdifferenzierte Zellen nach der Geburt in den Thymus einwandern, zum anderen aber auch aus hämatopoetischen Vorläuferzellen direkt im Thymus gebildet werden. Bei der Negativselektion bekommen die Thymozyten ein Signal zum Sterben, die mit hoher Affinität „ihr“ (= restringiertes) MHC-Molekül im Verbund mit einem Selbstpeptid binden. Solche Thymozyten sind potentiell autoreaktiv und könnten in der Peripherie zu Autoimmunerkrankungen führen. Thymozyten, die beide Selektionsschritte überstanden haben, verlassen den Thymus als naive T-Zellen (naiv, da sie noch keinen Antigenkontakt hatten) und beginnen ihre Wanderung zwischen Blut und Lymphe. Von täglich etwa 5x107 produzierten Thymozyten verlassen etwa nur 2 %–3 % den Thymus. Außerdem wird geschätzt, dass sich durch Positiv- und Negativselektion das T-Zell Rezeptor-Repertoire von 1010–1012 auf 107–108 vermindert. 3.1.1

Thymopoese im Überblick Während der Thymopoese differenzieren hämatopoetische Vorläuferzellen aus dem Knochenmark zu T-Zellen mit einem γδTCR und T-Zellen mit einem αβTCR. Die αβTCR tragenden T-Zellen lassen sich anhand von Oberflächenmarkern in drei große Gruppen unterteilen: CD4+ CD8- αβTCR T-Zellen differenzieren im Verlauf der Aktivierung in lymphatischen Organen zu T-Helferzellen (TH). CD4- CD8+ αβTCR T-Zellen entwickeln sich nach ihrer Aktivierung zu zytotoxischen T-Zellen (CTL). Die dritte Gruppe beinhaltet NKT-Zellen und regulatorische CD25+ TZellen (s. Kap. 3.1.3). Daneben entstehen aus hämatopoetischen Zellen aber auch dendritische Zellen. Alle Differenzierungsschritte werden durch Stromazellen des Thymus kontrolliert. Umgekehrt ist die Entwicklung und Funktion der Stromazellen abhängig von Signalen, die von den Thymozyten ausgehen. So ist die Thymopoese insgesamt als eine Art symbiotischer (gr. symbion: zusammenleben) Prozess zu sehen.

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Entwicklung und Aktivierung von T-Zellen

Definition

Stroma im histologischen Kontext das Stützgewebe eines Organs, das die funktionstragenden Zellen umgibt. Im Thymus wird das Stroma von nicht lymphatischen Zellen gebildet. Sie sind zu einem dichten Maschenwerk organisiert. Die sich im Thymus entwickelnden Thymozyten stehen mit den Stromazellen im engen Kontakt. CD25 systematische Bezeichnung für die Interleukin-Rezeptor alpha-Kette (IL2Rα) Poese gr. poiesis: zweckgebundenes Handeln; im biologischen Kontext die Entwicklung von undifferenzierten Zellen zu funktionstragenden Zellen

3.1.2

Bedeutung von γδ-T-Zellen T-Zellen mit einem γδ-TCR entstehen während des prä-T-Zell Stadiums. Die Signale, die zu einer Umlagerung der γδ-Gensegemente führen, sind bislang unklar. Nach produktiven γδ-Umlagerungsreaktionen entstehen CD25-CD4-CD8-CD44(CD44 ist ein Adhäsionsprotein) Vorläuferzellen. Welche Selektionsschritte diese γδ-Vorläuferzellen im Thymus durchlaufen, ist unklar. Die überwiegende Anzahl dieser Zellen verlassen den Thymus als CD4-CD8- Zellen. Das γδ-TCR Repertoire beträgt in etwa 103. Die genaue Funktion dieser Zellen ist nicht bekannt, jedoch besitzen sie vermutlich eine Funktion bei der ersten Immunabwehr von Mikroorganismen. Während der Maus-Embryogenese entstehen zwei große Wellen von γδ-T-Zellen. Die erste Welle besiedelt die Epidermis. Dort werden sie aufgrund ihrer Morphologie als dendritische epidermale T-Zellen bezeichnet (dETC). Die zweite Welle besiedelt hingegen den Reproduktionstrakt. Die T-Zellen, die nach diesen beiden Wellen produziert werden, tragen überwiegend den αβ-TCR. 3.1.3

NKT-Zellen und regulatorische T-Zellen NKT-Zellen tragen Moleküle auf der Zelloberfläche, die ursprünglich bei natürlichen Killerzellen (NK-Zellen) identifiziert worden sind. NKT-Zellen besitzen einen αβ-TCR mit sehr eingeschränkter Variabilität. Vermutlich entstehen sie im Stadium von doppelt positiven Thymozyten. Sie binden mit ihrem TCR an CD1, einem MHC-I ähnlichem Molekül, das keine Peptide präsentiert, sondern Lipidoder Glykolipidbausteine (Kap. 2.5.1). Haben diese Zellen an mycobakterielle Lipide gebunden, so schütten sie große Mengen an IFNγ und IL4 aus. IFNγ führt zur Aktivierung von Makrophagen (Kap. 5.6) während IL4 ein wichtiger Aktivierungsund Differenzierungsfaktor für B-Zellen ist (Kap. 4.3). Letztlich führen NKT-Zellen

Entwicklung von T-Zellen

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Historie

Regulatorische T-Zellen Die ersten Hinweise auf die Existenz von regulatorischen T-Zellen wurden bereits um 1970 gesammelt. Etwa fünf Jahre später wurde ein Zusammenhang zwischen regulatorischen T-Zellen und der Entstehung von Tumoren postuliert. Im Mausmodell konnte gezeigt werden, dass eine Subpopulation von T-Zellen die Entstehung + + von Tumoren begünstigte. Etwa um 1980 konnte gezeigt werden, dass CD4 CD25 T-Zellen die Abstoßung von Tumoren im Mausmodell verhinderten. Diese Zellen wurden Tumor-Suppressor T-Zellen genannt. Allerdings wurde zu diesem Zeitpunkt die Existenz von regulatorischen T-Zellen noch vielfach angezweifelt. Etwa 1995 konnte um die Arbeitsgruppe von Sakaguchi und Kollegen die Expression der Interleukin-2- Rezeptor α-Kette (IL2Rα, CD25) als Marker für regulatorische TZellen etabliert werden.

zur Aktivierung weiterer Effektorzellen, um die Infektion in der frühen Phase einer Immunantwort effektiv bekämpfen zu können. Dadurch besitzen diese Zellen eine wichtige Funktion im Rahmen der angeborenen Immunität. Arbeiten der letzten Jahre weisen aber auch darauf hin, dass NKT-Zellen vermutlich eine wichtige Rolle bei der Vermeidung von Autoimmunerkrankungen zukommt. Regulatorische T-Zellen bilden eine in sich differenzierte Subpopulation von TZellen, die das Potential besitzen, Immunreaktionen durch Cytokine oder direkte Zell-Zell-Kontakte zu modulieren (i.d.R. zu supprimieren) . Sie besitzen eine wichtige Funktion für die Aufrechterhaltung der peripheren Toleranz (Kap. 6.1), indem sie zu einer Inaktivierung von potentiell autoreaktiven T-Zellen in der Peripherie (außerhalb des Thymus) beitragen. Dadurch schützen Sie den Körper vor der Entstehung von Autoimmunerkrankungen (Kap. 6.5). Bislang wurden zwei Klassen von regulatorischen T-Zellen (Treg) beschrieben: natürliche und induzierte Treg. Natürliche Treg entstehen als eigene Linie während der T-Zell Differenzierung im Thymus. Vermutlich führt die hochaffine Bindung an bestimmte Selbstpeptide dazu, die Differenzierung von Thymozyten zu regulatorischen T-Zellen einzuleiten. Induzierte Treg scheinen unter suboptimalen Aktivierungsbedingungen (geringe Antigenpräsentation und/oder kostimulatorische Signale) während der T-Zell Aktivierung in der Peripherie gebildet werden zu können. Neben CD4+ Treg wurden auch CD8+ Treg beschrieben. Allerdings liegt der Fokus vieler Arbeiten auf natürlichen, CD4+ Treg, da CD4+ T-Zellen eine zentrale Funktion für die Aktivierung von dendritischen Zellen, CD8+ T-Zellen sowie B-Zellen besitzen. Natürliche CD4+ regulatorische T-Zellen besitzen als charakteristischen Marker CD25 (IL-2Rα) auf ihrer Zelloberfläche und exprimieren den Transkriptionsfaktor Foxp3 (forkhead box P3). Sie entstehen im Thymus bereits kurz nach der Geburt. Im Mausmodell konnte gezeigt werden, dass eine Depletion von CD4+CD25+Foxp3+ regulatorischen T-Zellen zu Autoimmunerkrankungen in diesen Tieren führte.

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Entwicklung und Aktivierung von T-Zellen

Definition

Foxp3 Viele Proteine (Transkriptionsfaktoren) aus der Fox (forkhead box) Familie besitzen eine zentrale Funktion für die Regulation der Embryonalentwicklung. Die Fox-Box ist ein DNA bindendes Aminosäuremotiv. Die Expression von Foxp3 + + + in CD25 CD4 T-Zellen führt zu CD25 CD4 T-Zellen, die einen immunsupprimierenden Phänotyp besitzen.

3.1.4

Der T-Zell Rezeptorkomplex Der T-Zell Rezeptor (TCR) liegt nichtkovalent assoziiert mit CD3 und zwei ζ (Zeta) Polypeptiden vor (Abb. 3.2). Die Gesamtheit von TCR, CD3 und Zeta wird als T-Zell Rezeptorkomplex bezeichnet. Bindet der TCR antigenspezifisch – er bindet an „seinen“ MHCII/Peptid Komplex –, so wird ein Signal über CD3 und Zeta in die T-Zelle geleitet. Über eine Signaltransduktionskaskade, an der Protein-Tyrosin Kinasen (Lck) beteiligt sind, werden Transkriptionsfaktoren aktiviert (NF-κB), die zu einer Transkription von Cytokin RNAs führen (Kap. 3.6). CD3 und ζ besitzen an ihrem zytosolischen Teil Rezeptor-Aktivierungsmotive, die als ITAMs (immunoreceptor tyrosine-based activation motifs) bezeichnet werden (Abb. 3.2). Zu Beginn der Signaltransduktionskaskade kommt es, bedingt durch die Konformationsänderung des TCR und seines Korezeptors, zur Aktivierung einer Tyrosin spezifischen Proteinkinase (Lck). Diese phosphoryliert die Tyrosinreste der ITAMs von ζ und CD3. An die phosphorylierten ITAMs der ζ-Polypeptid-Ketten kann eine weitere Proteinkinase binden (ZAP70). Diese führt zur Aktivierung weiterer Enzyme, die das Signal tiefer in die Zelle tragen. 3.2

Aktivierung von CD4+ T-Zellen Naive CD4+ T-Zellen werden durch dendritische Zellen in lymphatischen Geweben aktiviert. In lymphatischen Geweben, wie z.B. den Lymphknoten, ist die Dichte von T-Zellen und dendritischen Zellen am größten. Dadurch ist ebenfalls die Wahrscheinlichkeit am höchsten, dass eine antigenspezifische naive CD4+ T-Zelle auf „ihr“ Antigen trifft, das in Form eines Peptids durch MHC-II auf der Oberfläche von dendritischen Zellen präsentiert wird. Für ein antigenes Peptid gibt es etwa eine antigenspezifische, naive CD4+ T-Zelle unter 1·105 bis 106. Die Aktivierung von naiven CD4+ T-Zellen erfolgt nach dem „Zwei-Signal“ Modell, das bereits 1970 von Bretscher und Cohn postuliert wurde und bis heute noch Gültigkeit besitzt. Nach diesem Modell benötigt eine naive T-Zelle zwei Signale führ ihre Aktivierung. Das erste Signal führt über die Bindung des T-Zell Rezeptors (TCR) an „seinen“ MHC-II/Peptid Komplex auf der Zelloberfläche der dendritischen Zelle (antigenspezifische Bindung). Das zweite Signal wird als kostimula-

Aktivierung von CD4+ T-Zellen

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Abb. 3.2 Der T-Zell Rezeptorkomplex. Mit dem T-Zell Rezeptor (TCR) liegen zwei Polypeptide ζ sowie CD3 nicht kovalent assoziiert vor. Bindet der TCR an „seinen“ MHC/Peptid Komplex (antigenspezifische Bindung), so kommt es zu einer Konformationsänderung und der Aktivierung der Protein-Tyrosin spezifischen Kinasen (Lck), die ITAMs (immunoreceptor tyrosine-based activation motifs) am zytosolischen Teil von CD3 und ζ phosphorylieren. Dadurch entstehen Bindungsmotive für weitere Proteinkinasen (ZAP70), die ihrerseits Zielproteine phosphorylieren und dadurch aktivieren. Dies führt letztlich zur Aktivierung von Transkriptionsfaktoren und der Transkription von IL2 RNA

torisches Signal bezeichnet. In den letzten Jahren wurde deutlich, dass es sich bei dem kostimulatorischen Signal nicht nur um ein singuläres Ereignis handelt, sondern dass die T-Zelle gewissermaßen mit ihrer antigenpräsentierenden Zelle (APC) in einen kostimulatorischen Dialog eintritt, der neben aktivierenden Signalen auch inhibierende Signale beinhaltet. Dieser „Dialog“ ist ein regulatorischer Vorgang, der einer „angemessenen“ T-Zell Aktivierung dient und damit zur Prävention einer Überreaktion von T-Zellen. Das kostimulatorische Signal wird durch die Interaktion von Mitgliedern der B7 Familie (dendritische Zelle) mit Mitgliedern der CD28 Familie (T-Zelle) vermittelt. Der bislang am besten charakterisierte kostimulatorische Weg ist die Interaktion B7-1/B7-2:CD28/CTLA4 (vgl. Kap. 3.2.2). Hierbei ist das initiale kostimulatorische Ereignis die Interaktion von B7-1/B-7:CD28 (kurz: B7:CD28) (Abb. 3.3a).

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Entwicklung und Aktivierung von T-Zellen

Abb. 3.3a,b Aktivierung naiver CD4+ T-Zellen. a Die Aktivierung naiver CD4+ T-Zellen setzt

zwei Aktivierungssignale voraus: das erste Signal über die antigenspezifische Bindung des T-Zell Rezeptors an MHC-II; das zweite, kostimulatorische Signal über die Interaktion B7:CD28. Alle anderen kostimulatorischen Interaktionen sind aus Gründen der Vereinfachung nicht dargestellt. Durch das kostimulatorische Signal induziert, beginnt die T-Zelle den IL2-Rezeptor (IL-2R) und Interleukin-2 (IL-2) zu exprimieren. Anschließend tritt sie in die klonale Expansion ein. Nach der Aktivierung exprimieren alle CD4+ T-Zellen den CD40-Liganden (CD40L). b Wechselseitige Aktivierung von CD4+ T-Zelle und dendritischer Zelle. Nach der Expression des CD40L, kann dieser an CD40 auf der dendritischen Zelle binden. Die CD40:CD40L Interaktion führt zu einer Aktivierung der dendritischen Zelle, die daraufhin verstärkt kostimulatorische Moleküle und Cytokine exprimiert

Haben unreife dendritische Zellen in peripheren Geweben (z.B. epidermale Langerhans-Zellen, Kap. 1.4.3) Antigene im Zuge von mikrobiellen Infektionen aufgenommen, wandern sie aus der Epidermis aus und über die Lymphe in die regionalen Lymphknoten ein. Unreife dendritische Zellen besitzen keine kostimulatorischen Moleküle auf ihrer Zelloberfläche. Dadurch wird sichergestellt, dass sie T-Zellen nur zur rechten Zeit, im Zuge von Infektionen, aktivieren. Durch den Antigenkontakt induziert, reifen die Zellen während ihrer Wanderung zu den regionalen Lymphknoten. Dieser Reifungsprozess ist durch eine massive Antigenpräsentation und Expression von kostimulatorischen Molekülen (B7 Moleküle) charakterisiert. Als reife dendritische Zellen besitzen sie nun das Potential, naive T-Zellen aktivieren zu können. Hat in diesem Kontext eine naive CD4+ T-Zelle das zweite Signal über die Bindung ihres CD28 Liganden an B7 erhalten, exprimiert sie die IL2-Rezeptor alpha-Kette (IL2Rα-Kette) sowie IL2. Die IL2Rα-Kette ist ein Teil des hochaffinen IL2 Rezeptors. IL2 ist ein wichtiger Wachstumsfaktor für T-Zellen. Durch die Bindung von IL2 an seinen hochaffinen Rezeptor wird die klonale Expansion (Abb. 3.4) ausgelöst.

Aktivierung von CD4+ T-Zellen

95 Abb. 3.4 Klonale Expansion. Im Allgemeinen wird

unter einem Klon (gr. Klon: Zweig) ein genetisch identisches Duplikat eines Organismus verstanden. Im immunbiologischen bzw. zellbiologischen Kontext wird unter einem Zellklon eine Annsammlung von genetisch identischen Zellen verstanden, die von einer Zelle abstammen. Als klonale Expansion wird in diesem Sinne die verstärkte Teilung der Ausgangszelle und deren Nachkommenzellen bezeichnet

Der CD40-Ligand (CD40L) ist ein wichtiges Signalmolekül auf der Zelloberfläche von aktivierten CD4+ T-Zellen und wird während ihrer Aktivierung induziert (Abb. 3.3a). Mit Hilfe des CD40L besitzen aktivierte CD4+ T-Zellen das Potential, dendritische Zellen (Kap. 3.2.1), Makrophagen (Kap. 5.6) sowie B-Zellen (Kap. 4.3) aktivieren zu können. Der Rezeptor des CD40-Liganden ist CD40. CD40 wird konstitutiv von dendritischen Zellen, B-Zellen, Monozyten, Makrophagen sowie weiteren Zelltypen (follikulär dendritischen Zellen, Fibroblasten, hämatopoetische Vorläuferzellen, Epi-/Endothelzellen) exprimiert. CD40 und CD40L sind Mitglieder der TNF/TNFR (Tumor-Nekrosefaktor/Rezeptor) Superfamilie. Die Expression des CD40L wird durch die antigenspezifische Bindung des TCR induziert (Abb. 3.4B). In vitro Experimente zeigen, dass die Expression bereits 2 bis 4 Stunden nach Stimulation des T-Zell Rezeptorkomplexes mit anti-CD3 Antikörpern nachzuweisen ist. Nach der Regulation des CD40L auf die Zelloberfläche der CD4+ TZelle kann dieser mit CD40 auf der dendritischen Zelle in Wechselwirkung treten. Die Interaktion CD40L:CD40 führt zu einer Aktivierung der dendritischen Zelle, die daraufhin die Expression von kostimulatorischen Molekülen (B-7 Moleküle) verstärkt sowie Cytokine (IL12) sezerniert, die eine Differenzierung in Richtung T-Helfer-1 Zelle (TH1) fördern (Abb. 3.3b, Abb. 3.13). Die Aktivierung von dendri-

Definition

Der IL2 Rezeptor Der IL2R besteht aus drei Polypeptidketten (Untereinheiten, αβγ). Naive T-Zellen tragen auf ihrer Oberfläche nur die β und γ Untereinheit. -9 Diese Form des Rezeptors hat eine geringe Affinität für IL2 (Kd ∼ 1·10 M). Nach der Aktivierung der naiven T-Zelle durch eine dendritische Zelle wird die IL2Rα Untereinheit gebildet. Diese lagert sich dann an die vorhandenen Untereinheiten -11 an und bildet so den hochaffinen IL2R (Kd ∼ 1·10 M). Die Bindung von IL2 an diesen Rezeptor löst im weiteren Verlauf der T-Zell Aktivierung die klonale Expansion aus.

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Entwicklung und Aktivierung von T-Zellen

tischen Zellen ist eine wichtige Voraussetzung für die Aktivierung von naiven CD8+ T-Zellen (Kap. 3.2.1). CD4+ T-Zellen, die nach der Aktivierung den CD40L exprimieren, werden allgemein als T-Helferzelle (TH) bezeichnet. Nach der klonalen Expansion hat die Anzahl einer antigenspezifischen CD4+ T-Zelle auf etwa eine unter 102 bis 103 zugenommen. Wurde das Antigen eliminiert, nimmt die Anzahl wieder ab und pendelt sich auf eine unter 104 T-Zellen ein. Hierbei handelt es sich nun aber um langlebige Gedächtnis T-Zellen (memory T-cells). Diese müssen bei einem zweiten Kontakt mit demselben Antigen nicht mehr über dendritische Zellen aktiviert werden. Ihre Signaltransduktionsmaschinerie liegt bereits gekoppelt vor. Sie können dadurch „ohne Umweg“ B-Zellen oder Makrophagen innerhalb von 20 bis 30 min aktivieren. 3.2.1

Aktivierung von CD8+ T-Zellen Werden naive CD8+ T-Zellen aktiviert, so differenzieren sie zu zytotoxischen TZellen. Zytotoxische T-Zellen haben das Potential, ihre Zielzelle durch Apoptose („programmierter“ Zelltod) zu töten. Vermutlich ist deshalb die Aktivierung von naiven CD8+ T-Zellen strenger kontrolliert als die von naiven CD4+ T-Zellen. Wie bei naiven CD4+ T-Zellen sind nur dendritische Zellen in der Lage, sie zu aktivieren. Ebenfalls benötigen sie zwei Signale für ihre Aktivierung. Das erste Signal bekommt sie durch die Bindung des TCR an „ihren“ MHC-I/ Peptid Komplex (antigenspezifische Bindung). Anders wie bei naiven CD4+ T-Zellen führt dieses Signal aber nicht zur Expression des CD40L. CD8+ T-Zellen exprimieren weder als naive noch aktivierte Zellen den CD40L. Somit haben CD8+ T-Zellen nicht die Möglichkeit, ähnlich wie bei der Aktivierung von CD4+ T-Zellen, dendritische Zellen zu aktivieren. Das zweite Signal setzt aber eine Aktivierung der dendritischen Zelle voraus. Dendritische Zellen können im Zuge einer akuten mikrobiellen Infektion durch Stimulation ihrer Toll-like Rezeptoren (vgl. Kap. 2.1, Kap. 7.4.2) massiv aktiviert werden (Abb. 3.13). Im Zuge dieser Aktivierung können sie ausreichend kostimulatorische Moleküle exprimieren, die eine Aktivierung von naiven CD8+ T-Zellen ermöglicht. Allerdings können sich im Zuge dieser Aktivierung keine langlebigen CD8+ T-Gedächtniszellen entwickeln. Dafür bedarf es der Aktivierung von dendritischen Zellen über die CD40L:CD40 Interaktion. Dieses Aktivierungssignal können dendritische Zellen entweder im Zuge einer wechselseitigen Aktivierung von naiven CD4+ T-Zellen erhalten (Abb. 3.3b), oder aber durch T-Helferzellen (Abb. 3.5). Eine Aktivierung von naiven CD8+ T-Zellen ist in Abwesenheit einer akuten Infektion und ohne die Hilfe von T-Helferzellen nicht möglich. Umgekehrt bedeutet es aber, dass eine Aktivierung von naiven CD8+ T-Zellen in Abwesenheit von Infektionen nur durch die Hilfe von T-Helferzellen möglich ist. Hat eine naive CD8+ T-Zelle beide Signale bekommen, beginnt sie, Interleukin-2 und die IL2-Rezeptor alpha-Kette (IL-2Rα) zu exprimieren. Daraufhin tritt sie in die klonale Expansion

Aktivierung von CD4+ T-Zellen

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Abb. 3.5 Aktivierung naiver CD8+ T-Zellen. Naive CD8+ T-Zellen brauchen wie naive CD4+ T-Zel-

len zwei Signale für ihre Aktivierung: das erste Signal über die Bindung ihres TCR an MHC-I auf der Zelloberfläche von dendritischen Zellen; das zweite, kostimulatorische Signal über die Bindung von CD28 an B7. Dies wird aber erst dann möglich, wenn die dendritische Zelle zuvor eine naive CD4+ T-Zelle aktiviert oder Kontakt mit einer T-Helfer Zelle gehabt hat. In beiden Fällen führt die Bindung des CD40L an CD40 auf der dendritischen Zelle zu einer verstärkten Expression von B7. Diese ist notwendig, damit sie das Aktivierungspotential für die Aktivierung der naiven CD8+ T-Zelle erreicht kann. Anschließend beginnt die CD8+ T-Zelle mit der autokrinen Produktion von IL2 und tritt in die klonale Expansion ein. Die Zellen, die aus der Proliferation hervorgehen, sind zytotoxische T-Zellen, die das Potential besitzen, virusinfizierte Zellen durch Apoptose zu töten

ein. Nach der klonalen Expansion liegt die Anzahl einer antigenspezifischen CD8+ T-Zelle bei etwa einer von 10 bis 100 CD8+ T-Zellen. Wie bei CD4+ T-Zellen nimmt die Anzahl nach der Eliminierung des Antigens wieder ab und pendelt sich ebenfalls bei einer unter 1∙104 CD8+ T-Zellen ein. Hierbei handelt es sich dann aber um CD8+ T-Gedächtniszellen (Abb. 3.6). Wie ist es aber möglich, dass dendritische Zellen beispielsweise virale Peptide für eine Aktivierung von CD8+ T-Zellen präsentieren können, ohne selbst durch das Virus infiziert worden zu sein? Werden virale Bestandteile oder opsonisierte Viren durch dendritische Zellen phagozytiert, gelangen sie in endosomale-/lysosomale Kompartimente (Phagosomen), in denen sie durch saure Proteasen abgebaut werden. Hier ist aber der Ort, an dem MHC-II Proteine mit Peptiden beladen werden. Wie also können nun endo-/lysosomale Peptide über MHC-I präsentiert werden? Der Mechanismus, der eine Präsentation von exogenen Peptiden über MHC-I ermöglicht, wird als cross-presentation (Kreuzpräsentation) bezeichnet (Kap. 2.4.5). Die molekularen Mechanismen sind allerdings noch unklar.

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3

Entwicklung und Aktivierung von T-Zellen

Abb. 3.6 Kinetik einer CD8 vermittelten T-Zellantwort. Die Graphik zeigt den zeitlichen Verlauf

der Aktivierung und Proliferation von naiven CD8+ T-Zellen nach einer viralen Infektion von Mäusen – beispielsweise mit Listeria monocytogenes, Chorimeningitisvirus, Stomatititsvirus oder dem Vaccinavirus (ein Kuhpocken verwandtes Virus). Unterschiedliche Messungen haben ergeben, dass eine Maus etwa 50 bis 200 naive CD8+ T-Zellen besitzt, die gegen ein bestimmtes Epitop gerichtet sind. Nach einer lag-Phase von etwa 24 h beginnen die Vorläuferzellen stark zu proliferieren (etwa 15 bis 20 Zellteilungszyklen) und erreichen nach ca. 7 bis 8 Tagen eine Anzahl von einigen Millionen. Wurde das Pathogen aus dem Organismus eliminiert, sterben die meisten der zytotoxischen Effektorzellen (CTL). Übrig bleibt ein pool von langlebigen CD8+ T-Gedächtniszellen (memory). (nach Williams et al. (2007))

3.2.2

Die B7/CD28 Familie Im Rahmen der T-Zell Aktivierung wird das kostimulatorische Signal über die Interaktion von Molekülen der B7 Familie mit Molekülen der CD28 Familie gegeben. In den letzten Jahren wurden eine Reihe von kostimulatorischen Molekülen dieser Familien identifiziert, deren Interaktion nicht nur ein Aktivierungssignal auslösen, sondern auch zu einer Hemmung der T-Zell Aktivierung führen können (Abb. 3.7). In diesem Zusammenhang sind die prominentesten Vertreter innerhalb der B7 Familie B7.1 und B7.2. Ihre Rezeptoren sind CD28 und CTLA4. Der Name CTLA4 kommt daher, dass dieses Molekül ursprünglich als vierter Rezeptor auf zytotoxischen T-Zellen (CTL) identifiziert wurde. Anders als bei CD28, führt die Bindung von B7.1 und B7.2 nicht zu einer Aktivierung der T-Zelle, sondern wirkt hemmend auf die T-Zell Aktivierung. Im Gegensatz zu CD28 wird CTLA4 nicht konstitutiv auf naiven T-Zellen exprimiert, sondern zeitlich verzögert nach der B7:CD28 vermittelten Aktivierung induziert. CTLA4 ist ein negativer Regulator der T-Zell Aktivierung. Mäuse, die für CTLA4 gendefizient sind, besitzen einen deutlichen Überschuss an aktivierten T-Zellen und zeigen

Aktivierung von CD4+ T-Zellen

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Definition

Phospatasen Diese Enzyme gehören in die Klasse der Hydrolasen und katalysieren die Abspaltung eines Phosphatrests vom Substrat. Kinasen gehören in die Klasse der Transferasen, da sie den Transfer von einer Phosphatgruppe von ATP auf das Substrat katalysieren. Enzymklassen Um namensbedingte Verwechslungen von Enzymen zu vermeiden, wurde im Jahre 1964 von der Enzymkommission (Enzyme Commission = E.C.) der International Union of Biochemistry eine systematische Nomenklatur vorgeschlagen. Aufgrund dieser Nomenklatur werden die Enzyme nach ihrer Funktion in sechs Hauptklassen eingeteilt: Oxidoreduktasen katalysieren eine Oxidoreduktion zwischen zwei Substraten. Transferasen katalysieren die Übertragung einer Gruppe oder eines Atoms (außer H) von einem Donator auf einen Aktzeptor. Hydrolasen katalysieren hydrolytische Spaltungen. Lyasen katalysieren die Abspaltung von Gruppen nach einem nicht-hydrolytischen Mechanismus. Isomerasen katalysieren alle Typen isomerer Umwandlungen. Ligasen knüpfen neue Bindungen unter Spaltung energiereicher Phosphatbindungen.

systemische Autoimmunerkrankungen. Entsprechend der negativen Regulatorfunktion von CTLA4 auf die Aktivierung von T-Zellen, besitzt dieser Rezeptor an seinem zytoplasmatischen Teil inhibitorische Regulationsmotive (immunoreceptor tyrosine inhibitory motifs, ITIM) (vgl. Kap. 3.6). Nachdem B7 (B7-1 oder B7-2) an CTLA4 gebunden hat, werden Tyrosinreste innerhalb des Motivs phosphoryliert und sind nun Bindungsstelle für eine Phosphatase, die durch die Bindung aktiviert wird und anschließend Zielproteine durch Dephosphorylierung inhibiert. Das Gegenstück zu ITIMs sind die ITAMs (immunoreceptor tyrosine activating motifs). Diese finden sich u.a. im zytosolischen Teil der CD3 Untereinheiten. Werden die Tyrosinreste in diesen Motiven phosphoryliert, bindet keine Phosphatase, sondern eine Kinase. Diese wird anschließend aktiviert und kann nun ihrerseits Zielproteine durch Phosphorylierung aktivieren. Allgemein ist die Aktivierung/Hemmung von Enzymen durch Phosphorylierung/Dephosphorylierung ein gängiges allosterisches Regulationsprinzip, das bei vielen Signaltransduktionswegen in der Zelle von Bedeutung ist. Insgesamt zeichnet sich ein komplexes Netzwerk von kostimulatorischen Interaktionen ab, die einerseits dazu beitragen, eine Überreaktion von T-Zellen zu vermeiden, andererseits vermutlich Einfluss auf die Aufrechterhaltung der peripheren Toleranz besitzen (Kap. 6.1). In diesem Zusammenhang konnte kürzlich gezeigt werden, dass B7-1 und B7-2 doppelt defiziente NOD Mäuse schneller und massiver Diabetes entwickelten als normale (wild-type) NOD Mäuse. Die gendefizienten Mäuse besaßen signifikant weniger CD4+CD25+ regulatorische T-Zellen in der Peripherie als wild-type NOD Mäuse, wodurch die Progression von autoreaktiven T-Zellen begünstigt würde. Die molekularen Ursachen für die reduzierte An-

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3

Entwicklung und Aktivierung von T-Zellen

Abb. 3.7 Ein Überblick über die bekannten Vertreter der B7/CD28 Familien, ihre Interaktionen

und ausgelösten Reaktionen. Alle Mitglieder dieser Familien gehören zur Immunglobulin-Superfamilie. Die Mitglieder der B7 Familie besitzen eine Immunglobulin (Ig) ähnliche Domäne vom C- und V-Typ. Die Vertreter der CD28 Familie hingegen nur eine Ig-ähnliche Domäne vom V-Typ. Die Pfeile zwischen der antigenpräsentierenden Zelle (APC) und der T-Zelle (TZ) kennzeichnen die bislang identifizierten Rezeptor/Ligand Interaktionen. Über B7:CD28 sowie ICOS: (induzierbarer Kostimulator):ICOSL (ICOS-Ligand) wird ein aktivierendes Signal (+) in die T-Zelle vermittelt. Im Falle von B7:CD28 führt dies zur Induktion der IL2 Expression, im Falle von ICOSL:ICOS zur Induktion von IL10. Im Gegensatz zu CD28 wird ICOS erst 24 bis 48 Stunden nach Antigenkontakt auf aktivierten T-Zellen exprimiert. Die Liganden für PD-1 (programmed death 1) sind PD-L1 (PD-ligand 1) und PD-L2. Vermutlich werden PD-L1 und PD-L2 aber noch von weiteren, bislang unbekannten Rezeptoren gebunden (gestrichelte Pfeile)

Definition

NOD (non-obese diabetic) Maus Mäuse dieses Stammes entwickeln spontan einen Diabetes (non-obese = nicht fettleibigen), der beim Menschen Typ-I Diabetes (juveniler Diabetes) entspricht. Typ-I Diabetes ist eine Autoimmunerkrankung, bei der die insulinproduzierenden β-Zellen im Pankreas (Bauchspeicheldrüse) durch autoreaktive zytotoxische T-Zellen zerstört werden (vgl. Kap. 6.5.1). Im NOD-Mausmodell konnte gezeigt werden, dass die autoreaktiven zytotoxischen T-Zellen Peptide erkennen, die aus Insulin stammen.

Gedächtnis T-Zellen

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zahl von regulatorischen T-Zellen in diesen B7 defizienten Mäusen sind allerdings noch unklar. Vermutlich spielt aber die B7:CD28 Interaktion eine wesentliche Rolle für die Induktion sowie die Aufrechterhaltung von regulatorischen T-Zellen in der Peripherie. 3.3

Gedächtnis T-Zellen Nachdem naive T-Zellen durch dendritische Zellen aktiviert worden sind, treten sie in die klonale Expansion ein. Ein Teil der Zellen, die aus der klonalen Expansion hervorgehen, sind langlebige Gedächtnis T-Zellen (memory T-cells) (vgl. Abb. 3.6). Die Signale oder Mechanismen, die zu einer Differenzierung von Gedächtnis TZellen führen, sind im Detail noch nicht bekannt. Jedoch scheint es als gesichert angesehen zu werden, dass für die Etablierung langlebiger T-Gedächtniszellen eine Aktivierung von dendritischen Zellen über die CD40L:CD40 Interaktion unerlässlich ist. Gedächtnis T-Zellen brauchen bei einem zweiten Kontakt mit ihrem Antigen nicht mehr durch dendritische Zellen aktiviert zu werden. Hingegen können CD4+ Gedächtnis T-Zellen direkt B-Zellen oder Makrophagen aktivieren. Entsprechend können CD8+ Gedächtnis T-Zellen ohne Umweg über dendritische Zellen virusinfizierte Zellen in die Apoptose führen. In diesem Zusammenhang konnte gezeigt werden, das die Reaktivierung von Gedächtnis T-Zellen nicht von einer B7:CD28 Interaktion abhängig ist. Es ist aber nicht ausgeschlossen, dass andere kostimulatorische Moleküle eine Rolle bei der Reaktivierung von Gedächtnis T-Zellen spielen. Beispielsweise wird der Rezeptor ICOS (induzierbarer Kostimulator) verstärkt auf Gedächtnis T-Zellen exprimiert. Eine wiederholte Antigenstimulation löst eine rasche klonale Expansion aus. Ohne eine Antigenstimulation können Gedächtnis T-Zellen nicht spontan proliferieren, da sie nicht den hochaffinen IL2-Rezeptor (IL2-Rα Kette) auf ihrer Zelloberfläche besitzen. Ebenfalls besitzen Gedächtnis CD4+ T-Zellen keinen CD40L auf der Zelloberfläche. Dieser wird nach antigenspezifischer Bindung auf die Zelloberfläche reguliert und die Expression von IL-2/IL-2Rα induziert. Dadurch ist die Voraussetzung für den Eintritt der CD4+ T-Gedächtniszelle in die klonale Expansion gegeben. Ebenfalls führt bei CD8+ TGedächtnis-Zellen ein Antigenkontakt zur Expression von IL-2/IL-2Rα und dem Eintritt in die klonale Expansion. Die Langlebigkeit von Gedächtnis T-Zellen ist zwar nicht abhängig von einem wiederholten Antigenkontakt, jedoch benötigen CD8+ Gedächtnis Zellen IL15, um den Pool an Memory-Zellen aufrecht zu erhalten. Für CD4+ Gedächtnis Zellen ist ein vergleichbarer Stimulus bislang nicht nachgewiesen. Es gibt zwei Untergruppen von T-Gedächtniszellen. Die eine Gruppe zeigt eine starke Expression des Chemokinrezeptors CCR7 (CCR7high) auf ihrer Zelloberfläche, die andere Gruppe besitzt dagegen nur wenig CCR7 (CCR7low). Der Ligand für diesen Rezeptor wird bevorzugt in T-Zell Arealen des Lymphknotens exprimiert. Vermutlich führt die starke Expression von CCR7 dazu, dass die eine Untergruppe von Gedächtniszellen sich bevorzugt in T-Zell Arealen von Lymphknoten (Cortex) aufhalten, während die andere Gruppe bevorzugt in Gewebe einwandert.

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3

Entwicklung und Aktivierung von T-Zellen

3.4

Die immunologische Synapse Die Kontaktstelle zwischen T-Zelle und antigenpräsentierender Zelle (APC) wird als eine immunologische Synapse bezeichnet (Abb. 3.8). Bevor der Kontakt zustande kommt, sind die Rezeptoren und Adhäsionsmoleküle sowohl auf der T-Zelle als auch auf der APC über die Membran verstreut. Kommt es zu einer antigenspezifischen Bindung, werden die Rezeptoren in einem definierten Bereich neu angeordnet, der als immunologische Synapse bezeichnet wird. Die Morphologie der Synapse ist abhängig vom Reifestatus (Aktivierungsstatus) der antigenpräsentierenden Zelle sowie den Zellen selbst, die miteinander in Kontakt treten. Immunulogische Synapsen werden nicht nur zwischen T-Zelle und APC (B-Zellen, dendritischen Zellen) ausgebildet, sondern auch zwischen CTLs/ NK-Zellen und ihren Zielzellen. Der ursprünglich entdeckte „Prototyp“ einer immunologischen Synapse wird von einem zentral gelegenen Aktivierungscluster (cSMAC, central supramolecular activation cluster) und einem peripheren, um das cSMAC gelegenen Aktivierungscluster (pSMAC) gebildet. Das cSMAC wird von signalgebenden Molekülen (TCR, CD28) gebildet. Das pSMAC ist durch eine Ansammlung von Adhäsionsmolekülen (insbesondere LFA1) charakterisiert, die in ihrer Zusammensetzung von Zelltyp zu Zelltyp aber stark schwanken können. Die eben beschriebene Form der immunologischen Synapse wird als eine „reife“ immunologische Synapse bezeichnet. Da unterschiedliche Morphologien von immunologischen Synapsen beschrieben worden sind (Abb. 3.8), wird heute unter einer immunologischen Synapse schlicht die Ansammlung von Rezeptoren zwischen der Kontaktstelle zweier Zellen verstanden. Es ist bislang nicht klar, welche spezifischen Funktionen durch die immunologische Synapse vermittelt werden. Vermutlich spielt sie eine Rolle bei der gerichteten (polarisierten) Cytokinsekretion im Verlauf der Zellaktivierung. Es gibt aber auch Hinweise auf eine regulatorische Funktion im Rahmen der T-Zellaktivierung durch APC. 3.5

Adhäsionsmoleküle Adhäsionsmoleküle vermitteln einen engen Zell-Zell Kontakt oder Kontakt von Zellen zur extrazellulären Matrix. Leukozyten besitzen verschiedene Typen von Adhäsionsmolekülen: die Selektine, Integrine und solche, die zur ImmunglobulinSuperfamilie gehören. Insbesondere die Selektine und Integrine vermitteln eine Wanderung von Lymphozyten entlang der Gefäßendothelien und sorgen dafür, dass sie an Orten der Infektion durch das Gefäßendothel hindurch treten können (Diapedese). Die Einwanderung von Lymphozyten in das Gewebe bzw. in den extrazellulären Raum wird als Extravasation bezeichnet. Für die T-Zell Aktivierung ist ein enger Zell-Zell Kontakt notwendig. Dafür sorgen u.a. die Adhäsionsmoleküle ICAM-1, LFA-3 auf der antigenpräsentierenden

Signaltransduktionskaskade

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Abb. 3.8 Die Immunologische Synapse. Bevor eine T-Zelle mit ihrem TCR antigenspezifisch bindet, sind ihre Rezeptoren über die Zelle verstreut. Die spezifische Bindung des TCR führt zu einer Umorganisation der Rezeptoren und Liganden. Es bildet sich die immunologische Synapse (IS). Im Zentrum der immunologischen Synapse (zentrales Aktivierungscluster, cSMAC) befinden sich die Moleküle, die unmittelbar für die Aktivierung der T-Zelle notwendig sind (TCR, CD3 und kostimulatorische Moleküle). In der Peripherie (peripheres Aktivierungscluster, pSMAC) wird der Kontakt zwischen T-Zelle und antigenpräsentierender Zelle (APC) durch Adhäsionsmoleküle verstärkt. Die ursprünglich beschriebene immunologische Synapse wird auch als reife immunologische Synapse bezeichnet. Daneben wurden noch weitere morphologische Formen beschrieben – beispielsweise die multifokale IS sowie eine unstrukturierte Form

Zelle, und LFA-1, CD2 auf der T-Zelle. Während sich die immunologische Synapse formt, wandern diese Moleküle in das periphere Aktivierungscluster (pSMAC) (Abb. 3.8). 3.6

Signaltransduktionskaskade Die ersten biochemischen Ereignisse nach der Bindung des TCRs an „seinen“ MHC/Peptid-Komplex führen zu der Aktivierung von Protein-Tyrosin-Kinasen (PTK) (Abb 3.9). Diese sind mit dem zytosolischen Teil des Korezeptors CD4 oder CD8 assoziiert (Abb. 3.10). Ausgelöst wird die Aktivierung der PTK durch eine Clusterbildung des TCRs mit CD3. Dies geschieht vermutlich im Zuge der Bildung der

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Entwicklung und Aktivierung von T-Zellen

immunologischen Synapse (vgl. Kap. 3.4). Die Clusterbildung führt voraussichtlich zu einer Konformationsänderung in CD4 bzw. CD8, wodurch sich die assoziierte PTK selbst phosphoryliert (autophosphoryliert) und dadurch aktiviert. Die mit CD4/CD8 assoziiert vorliegende PTK nennt sich Lck und gehört in die Familie der Src Protein-Tyrosin-Kinasen (Abb. 3.9). Die Vertreter dieser Familie besitzen charakteristische „Bindungsmodule“ oder „Domänen“, die als SH1 bis SH4 (Src homologe Domänen) bezeichnet werden. SH2 Proteindomänen binden an PhosphoTyrosin-Reste innerhalb von ITAM Motiven. SH3 Domänen binden an prolinreiche Sequenzabschnitte. Ist Lck einmal aktiv, phosphoryliert es Tyrosinreste in den ITAM Motiven (immunoreceptor tyrosine-based activation motifs) von CD3 und der ζ-Kette

Abb. 3.9 Domänenstruktur der Src Familie von Protein-Tyrosin-Kinasen. Die Vertreter der SrcFamilie besitzen vier SH (Src homologe) Domänen. In der SH1 Domäne liegt sowohl die Substratspezifität als auch die Kinase-Aktivität. Die SH2 Domäne bindet an phosphorylierte Tyrosin-Reste und ist für die Bindung an den Rezeptor notwendig. Die SH3 Domäne bindet an prolinreiche Sequenzen und spielt vermutlich ebenfalls bei der Bindung an den Rezeptor eine Rolle. Die SH4 Domäne besitzt ein Myristylierungsmotiv. Die Modifikation mit Myristinsäure führt zu einer Verankerung des zytoplasmatischen Proteins in der inneren Zytoplasmamembran. Die U (unique) Box stellt die Verbindung zwischen SH4 und SH3 Domäne her. Src Kinasen besitzen zwei Tyrosinreste, die eine regulatorische Funktion für das Protein besitzen. Die Autophosphorylierung des Tyrosinrestes in der SH1 Domäne führt zu einer Aktivität des Enzyms. Eine Phosphorylierung des Tyrosinrestes im Tail hingegen zu einer Inaktivierung

Signaltransduktionskaskade

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(Abb. 3.10). Die ITAM Motive in der ζ-Kette besitzen zwei Tyrosinreste. Beide müssen phosphoryliert sein, damit im nächsten Schritt ZAP-70 (ζ-assoziiertes Protein von 70 kD) binden kann. ZAP-70 ist ebenfalls eine Protein-Tyrosin-Kinase (PTK), die aber nicht in die Src Familie gehört. Nachdem ZAP-70 gebunden hat, wird es zum Substrat für Lck. Lck phosphoryliert ZAP-70. Dadurch wird die Kinasefunktion von ZAP-70 aktiviert. ZAP-70 phosphoryliert nun seinerseits Adapterproteine, die für die weitere Signaltransduktion notwendig sind. Zu diesen Adapterproteinen gehört das Transmembranmolekül LAT (linker of activation of T cells). Es besitzt ITAM Motive, deren Tyrosin-Reste durch ZAP-70 phosphoryliert werden. Dadurch entstehen Bindungsseiten für das Adapterprotein Grb-2 und das Enzym Phospholipase-Cγ1 (PLCγ1). Beide Proteine binden an LAT über ihre SH2 und SH3 Proteindomänen und schalten unterschiedliche Signaltransduktionswege ein (Abb. 3.10).

Ras/Rac vermittelte Signaltransduktionskaskade

Ras und Rac gehören in die Familie der „kleinen (small)“ Guanin-Nukleotid Bindeproteine (G-Proteine). Klein deswegen, weil sie aus einer einzelnen Polypeptidkette mit einem Molekulargewicht von etwa 21 kD bestehen. Dadurch unterscheiden sie sich von den Rezeptor assoziierten G-Proteinen, die aus drei Untereinheiten bestehen. G-Proteine sind in der Lage, Guanin-Nukleotide zu binden (Abb. 3.11). Im inaktiven Zustand halten Ras und Rac GDP (Guanosin-Diphosphat) gebunEFO
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(der Name stammt aus der Drosophila Genetik und steht für son of sevenless), kann GDP durch GTP (Guanosin-Triphosphat) ausgetauscht werden. Dadurch kommt es zu einer Konformationsänderung, durch die Ras/Rac in den aktiven Zustand WFSTFU[U
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Aktivatoren von Mitogen aktivierenden Kinasen (MAP-Kinasen). Mitogen aktivierende Kinasen stimulieren über die Aktivierung von Transkriptionsfaktoren wie AP-1 (activator-protein 1) die Zellteilung (Abb. 3.11). Letztlich werden, durch Ras/ Rac ausgelöst, kaskadenförmig Kinasen aktiviert. Eine Kinase aktiviert dabei die nächste durch Phosphorylierung. Die Kinase, die zur Aktivierung der MAP-Kinase führt, wird auch als MAP-Kinase-Kinase bezeichnet. In T-Zellen gibt es drei Haupttypen von MAP-Kinasen. Der Prototyp ist eine MAP-Kinase, die Extrazelluläre-Rezeptoraktivierte-Kinase (extracellular receptoractivated kinase, ERK) genannt wird. Aktivierte ERK phosphoryliert den Transkriptionsfaktor Elk. Dieser bindet nun an die DNA und führt zur Transkription des Proteins Fos. Fos ist ein Bestandteil des Transkriptionsfaktors AP-1. AP-1 wird von den beiden Proteinen Fos und Jun gebildet. Jun wird über den Rac Signalweg phosphoryliert. Dadurch kann es sich mit Fos zum aktiven Transkriptionsfaktor AP-1 zusammenlagern. AP-1 führt zusammen mit den Transkriptionsfaktoren NFAT (nuclear factor of activated T-cells) und NF-κB (nuclear factor kappa B) zur Genexpression von beispielsweise Interleukin-2 (IL-2).

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Entwicklung und Aktivierung von T-Zellen

Abb. 3.10 Frühe Signaltransduktions-Ereignisse bei der T-Zell Aktivierung. Die spezifische Bindung des TCR führt zu Ausbildung der immunologischen Synapse. Dadurch kommt die ProteinTyrosin-Kinase Lck in die Nähe zu CD3 und ζ. Vermutlich aktiviert sich Lck aufgrund einer Konformationsänderung des Korezeptors (CD4/CD8) durch Autophosphorylierung selber. Lck phosphoryliert daraufhin die Tyrosinreste der ITAM Motive von CD3 und ζ. Dadurch entstehen Bindungsseiten für die PTK ZAP-70. Diese wird ebenfalls durch Lck aktiviert. ZAP-70 phosphoryliert ihrerseits nun das Adapterprotein LAT in seinen ITAM Motiven. Dadurch kann das Enzym Phospholipase-Cγ1 (PLCγ1) sowie das Adapterprotein Grb-2 binden. Über PLCγ1 wird der Calcium und Proteinkinase-C abhängige Signaltransduktionsweg eingeschlagen. Dieser führt über die Aktivierung der Proteinkinase-C (PKC) und Calcineurin (eine Phosphatase) zur Aktivierung der Transkriptionsfaktoren NFAT (nuclear factor of activated T-cells) und NF-κB (nuclear factor kappa B). Über Grb-2 wird der Ras und Rac Signaltransduktionsweg eingeschlagen. Dieser führt zur Aktivierung des Transkriptionsfaktors AP-1. Die Transkriptionsfaktoren führen ihrerseits zur Transkription von Genen, die für die T-Zell Aktivierung notwendig sind (z.B. Interleukin-2)

G-Proteine besitzen eine intrinsische (= innewohnende) GTPase Aktivität. Das bedeutet, dass gebundenes GTP durch die GTPase Aktivität zu GDP und freiem Phosphat hydrolysiert wird. Die Hydrolyse wird bei Ras durch das GTPase aktivierende Protein (GAP) um etwas das Hundertfache gesteigert. Durch die Hydrolyse

Signaltransduktionskaskade

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Abb. 3.11 Ras/Rac vermittelte Signaltransduktionskaskade. Wird Grb-2/Sos über phosphoryliertes LAT zur Zellmembran rekrutiert, so können Ras und Rac durch den Guaninnukleotidaustauscher Sos in die aktive, GTP gebundene Form überführt werden. Über aktives Ras/Rac werden Kinasen aktiviert, die letztlich MAP-Kinasen (ERK = extracellular receptor activated kinase; JNK = Jun Nterminal kinase) phosphorylieren und dadurch aktivieren. Über ERK wird der Transkriptionsfaktor Elk aktiviert und führt zur Transkription des Transkriptionsfaktors Fos. Die MAP-Kinase JNK phosphoryliert ihrerseits den Transkriptionsfaktor Jun, der sich daraufhin mit Fos zusammenlagert und den aktiven Transkriptionsfaktor AP-1 bildet. Dieser wandert durch die Kernmembran und führt zusammen mit den Transkriptionsfaktoren NFAT (nuclear factor of activated T-cells) und NFκB (nuclear factor kappa B) zur IL-2 Genexpression

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Entwicklung und Aktivierung von T-Zellen

Definition

AP-1 Der Transkriptionsfaktor AP-1 (activator-protein 1) wird durch die Zusammenlagerung der beiden Proteine Fos und Jun gebildet. Fos und Jun sind ProtoOnkogene. Eine Veränderung der Gene kann zu einer Entartung der Zelle führen. Die veränderten Gene werden dann als Onkogene bezeichnet. Manche Retroviren können wirtseigenes Genmaterial „mitnehmen“, wenn sie sich aus dem Genom mobilisieren. Werden Teile von Proto-Onkogenen mitgenommen, so kann dies bei einer erneuten Infektion von Zellen dazu führen, dass die Zelle durch die veränderten oder „defekten“ Gene (nun Onkogene) entartet. Man spricht auch von einer malignen Transformation der Zelle. Proto-Onkogene tragen oftmals den Namen nach dem Virus, durch den sie transformiert (verändert) worden sind. Fos wurde als transformierendes Gen des FBJ Maus Osteosarcoma Virus entdeckt. Jun wurde als transformierendes Gen des Avian (Hühnchen) Sarcoma Virus 17 entdeckt. Jun kommt aus dem japanischen und bedeutet 17. Ras Ras ist ein kleines G-Protein. Es wurde als transformierendes Gen des Ratten Sarcoma Virus entdeckt. Elk Das transformierende Gen dieses Transkriptionsfaktors (ets-like protein) wurde durch das Avian (Hühnchen) Retrovirus E26 entdeckt. Ets (E26 transformation specific) ist ein Transkriptionsfaktor, der den Eintritt in die Zellteilung fördert. MAP-Kinase Mitogen activated Protein Kinase. Diese phosphorylieren Transkriptionsfaktoren, die daraufhin an die DNA binden und zur Genexpression führen. Die Expression der Gene kann wiederum die Zelle zur Teilung (Mitose) anregen. MAP-Kinasen sind z.B. ERK (extracellular receptor activated kinase) und JNK (c-Jun N-terminal kinase). MAP-Kinase-Kinase (MAPKK) MAPKK wie z.B. MEK (extracellular signal-regulated kinase) phosphorylieren MAP-Kinasen, die dadurch aktiviert werden.

Calcium und Proteinkinase-C abhängiger Signaltransduktionsweg

Über das phosphorylierte Adapterprotein LAT wird neben Grb-2 auch die γ1Isoform der Phospholipase-C (PLCγ1) zur Zellmembran rekrutiert. Durch dieses Enzym wird der Calcium und Proteinkinase-C (PKC) abhängige Signaltransduktionsweg eingeschlagen, der zur Aktivierung der Transkriptionsfaktoren NFAT und NF-κB führt (Abb. 3.12). Hat PLCγ1 an phosphoryliertes LAT gebunden, so wird das Enzym anschließend durch ZAP-70 phosphoryliert und dadurch aktiviert. Das Substrat für PLCγ1 ist das Membranlipid Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (PIP2). Dieses wird durch PLCγ1 in Insositol-1,4,5-triphosphat (IP3) und Diacylglycerin (DAG) gespalten (Abb. 3.12). IP3 diffundiert zum endoplasmatischen Retikulum (ER). Dort bindet es an Rezeptoren und führt zur Freisetzung von Ca2+ aus dem ER in das Zytosol. Dadurch steigt die Ca2+ Konzentration innerhalb von Minuten nach der T-Zellaktivierung auf etwa ihren 10 fachen Wert (von etwa 100 nM auf 1000 nM). Zusätzlich werden

Signaltransduktionskaskade

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Calciumkanäle in der Zellmembran geöffnet, durch die ebenfalls Ca2+-Ionen aus dem extrazellulären Raum in das Zytosol hineinströmen. Freie Ca2+-Ionen binden im Zytosol an ein Protein, das Calmodulin genannt wird. In der Ca2+-gebundenen Form ist es in der Lage, eine Reihe von Enzymen zu aktivieren, darunter eine Phosphatase, die als Calcineurin bezeichnet wird. Calcineurin dephosphoryliert im Zytosol den Transkriptionsfaktor NFAT. Dieser kann daraufhin in den Zellkern dif-

Abb. 3.12 Calcium und Proteinkinase-C vermittelte Signaltransduktion. Phospholipase-C Isoform γ1 (PLCγ1) bindet an das phosphorylierte Adapterprotein LAT (linker of activation of T-cells) und wird ZAP-70 vermittelt phosphoryliert und dadurch aktiviert. PLCγ1 spaltet daraufhin das Membranlipid PIP2 (Phosphatidylinositol-4,5-Bisphophat) in IP3 (Phosphatidylinositol-1,4,5-Triphosphat) und Diacylglycerin (DAG). IP3 bindet an Rezeptoren des endoplasmatischen Retikulums (ER) und führt dadurch zu einem Calzium (Ca2+) Ausstrom aus dem ER in das Zytosol. Ca-Ionen binden an Calmodulin, das daraufhin die Phosphatase Calcineurin bindet und aktiviert. Diese dephosphoryliert den Transkriptionsfaktor NFAT, der dadurch aktiviert wird. PKC bindet auf der anderen Seite an DAG und wird in Kombination mit Ca-Ionen aktiviert. Vermutlich wirkt PKC über mehrere Schritte auf die Aktivierung des Transkriptionsfaktors NF-κB. Dieser Weg könnte über die Aktivierung der IkB (inhibitor of NF-κB) Kinase laufen. Wird IkB phosphoryliert, so fällt es von NF-κB ab. NF-κB kann daraufhin in den Zellkern diffundieren und zusammen mit NFAT und AP-1 zur Genexpression führen

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Entwicklung und Aktivierung von T-Zellen

fundieren und zusammen mit AP-1 und NF-κB die Genexpression verschiedener Signalmoleküle und Wachstumsfaktoren (z.B. IL-2), induzieren (Abb. 3.12). Das zweite Spaltprodukt von PIP2, Diacylglycerin (DAG), führt zusammen mit der erhöhten Calcium-Konzentration im Zytosol zur Aktivierung der Proteinkinase-C (PKC). PKC bindet an DAG, welches hydrophob ist und nach der Spaltung von PIP2 in der Membran verbleibt. In Kombination mit Ca2+-Ionen, kommt es zu einer Konformationsänderung der PKC, die zu einer Aktivierung des Enzyms führt. Die Substrate der PKC sind noch nicht vollständig identifiziert. Vermutlich ist die PKC aber an dem Prozess beteiligt, der zu einer Aktivierung von NF-κB führt. Dies könnte über die Aktivierung der IκB (inhibitor of NF-κB) Proteinkinase führen. IκB bindet im Zytosol an NF-κB, der dadurch inaktiviert wird. Wird IκB phosphoryliert, so verliert er seine Affinität zu NF-κB und gibt diesen frei. NF-κB kann daraufhin in den Zellkern diffundieren und zusammen mit NFAT und AP-1 zur Gen-Expression führen. 3.7

Bedeutung von T-Helfer Zellen und zytotoxischen T-Zellen Naive CD4+ T-Zellen haben die Möglichkeit, nach ihrer Aktivierung durch dendritische Zellen (DC) zu unterschiedlichen Subtypen von T-Helferzellen zu differenzieren (Abb. 3.13). Je nach sezerniertem Cytokinmuster, der Expression bestimmter Oberflächenrezeptoren und Transkriptionsfaktoren, werden heute vier Subtypen von CD4+ T-Helferzellen unterschieden. Jeder Subtyp hat eine für sich definierte Funktion für die Steuerung und Aufrechterhaltung der Immunität. Zu diesen Subtypen zählen T-Helfer-1 Zellen (TH1), T-Helfer-2-Zellen (TH2), regulatorische T-Zellen (Treg, natürliche oder induzierte) sowie ein erst kürzlich definierter Subtyp von IL17 exprimierenden T-Helferzellen, die auch als inflammatorische T-Helferzellen bezeichnet werden (TH17 bzw. THi). Während die ersten beiden CD4+ Zellpopulationen funktionell gut charakterisiert sind, sind die Regulations- und inflammatorischen Mechanismen von Treg und TH17 – gerade im Hinblick auf Autoimmunität und therapeutische Ziele – Gegenstand intensiver Forschung. TH1 Zellen leisten Hilfe bei der Aktivierung von Makrophagen, die mit intrazellulären Erregern wie beispielsweise dem Tuberkulose-Erreger, infiziert worden sind (Kap. 5.6). TH1 Zellen exprimieren den für sie spezifischen Transkriptionsfaktor Tbet (T-box expressed in T-cells). Nach antigenspezifischer Bindung sezernieren sie das für sie charakteristische Cytokin IFNγ. TH2 Zellen werden für die Aktivierung von B-Zellen benötigt (Kap. 4.3). TH2 Zellen exprimieren den für sie spezifischen Transkriptionsfaktor GATA-3 (ein Transkriptionsfaktor, der die Nukleotidfolge GATA bindet) und sezernieren nach Aktivierung die Leitcytokine IL4, IL5 und IL10. Ebenso unterschiedlich wie die Funktion von TH1 und TH2, so unterschiedlich wirken auch die von ihnen gebildeten Cytokine. IL10 wirkt entgegengesetzt zu IFNγ und inhibiert die Differenzierung von CD4+ T-Zellen zu TH1 Zellen. IFNγ fördert über die Induktion von IL12 in Makrophagen die Differenzierung von CD4+ T-Zellen zu TH1, hemmt aber die Differenzierung in Richtung TH2. Vermutlich sind

Bedeutung von T-Helfer Zellen und zytotoxischen T-Zellen

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Definition

Danger-Signale Mit danger-signals werden in erster Linie Stoffe in Verbindung gebracht, die durch Stimulation von Toll-like Rezeptoren eine Immunantwort auslösen. Im Speziellen sind mit danger-signals aber weniger mikrobielle Bestandteile gemeint, sondern vielmehr endogene Stoffe, die unter bestimmten Umständen ebenfalls über TLRs zu einer Immunantwort führen können. Solche endogenen danger-signals können im Zuge nekrotischer Prozesse freigesetzt werden. Kürzlich konnte gezeigt werden, dass Säuger-DNA heat shock Proteine (HSP) und Harnstoffkristalle zu einer Stimulation von TLRs führen können. Harnstoffkristalle scheinen sich nach einer Nekrose von Zellen zu bilden (wenn der Zellinhalt in die extrazelluläre Flüssigkeit entleert wird) und über die Aktivierung von dendritischen Zellen (gewissermaßen als Adjuvans) eine CD4 unabhängige CD8 Antwort zu induzieren. Heat-shock Proteine (HSP) Diese Proteine werden als Antwort auf eine erhöhte Körpertemperatur oder andere „Stressfaktoren“ verstärkt gebildet. HSPs sind Chaperone (Faltungshelfer), die eine wichtige Funktion für die Faltung von Proteinen (Induktion der richtigen Konformation), besitzen, aber auch bei dem Abbau falsch gefalteter Proteine von Bedeutung sind. Ebenfalls helfen Chaperone bei faltungsabhängigen Transportprozessen von Proteinen in der Zelle – beispielsweise beim Transport von Proteinen in die Mitochondrien.

sowohl TH1 als auch TH2 Zellen in der Lage, über die Interaktion von CD40L:CD40 dendritische Zellen zu aktivieren. Natürliche regulatorische T-Zellen entstehen während der Differenzierung von Thymozyten im Thymus. Sie sind durch die Expression von CD4, CD25 und dem Transkriptionsfaktor Foxp3 (Kap. 3.1.3) charakterisiert. Diese Zellen besitzen vermutlich eine Reihe von immunsuppressiven Mechanismen, die teils zellgebunden über CTLA4 oder LAG3 (lymphocyte activation gene 3), ein CD4 assoziiertes und an MHC-II bindendes Adhäsionsmolekül, wirksam werden. Teils scheinen die Mechanismen aber auch durch lösliche Faktoren (IL10, TGFβ) der Tregs ausgelöst zu werden. Letztlich scheinen diese Mechanismen auf der Ebene von dendritischen Zellen, naiven T-Zellen, Effektor-T-Zellen und B-Zellen zu greifen, indem die Aktivierung und Proliferation dieser Zellen gehemmt wird. Kürzlich konnte gezeigt werden, dass einige Toll-like Rezeptoren (TLR2, TLR8) auf Tregs exprimiert werden und, im Falle einer Stimulierung, die Treg vermittelte Immunsuppression verhindern können. TH17 Zellen exprimieren den für sie spezifischen Transkriptionsfaktor RORγτ (orphan nuclear receptor) und sezernieren nach Aktivierung das für sie namensgebende Cytokin Interleukin-17 (IL17). Die Expression von IL17 durch TH17 ist abhängig von IL23. Somit treten beide gekoppelt miteinander auf. IL17 ist ein entzündungsförderndes Cytokin, das die Expression weiterer entzündungsfördernder Cytokine und Differenzierungsfaktoren (IL6, G-CSF, GM-CSF) sowie Adhäsionsmoleküle (ICAM-1) in unterschiedlichen Zelltypen induziert. Es mobilisiert Neutrophile und fördert letztlich die Bildung von Granulozyten im Knochenmark. Es konnte gezeigt

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Entwicklung und Aktivierung von T-Zellen

Abb. 3.13 Modell zur Aktivierung und Differenzierung von naiven CD4+ und CD8+ T-Zellen. Im

Verlauf einer akuten Infektion können dendritische Zellen (DC) in der Peripherie mikrobielle Bestandteile aufnehmen. Mikrobielle Bestandteile besitzen eine Reihe von pathogenassoziierten Mustern (PAMPs), über die es zu einer Stimulation von Mustererkennungsrezeptoren (PRRs), insbesondere Toll-like (TLRs) Rezeptoren, kommt. Die Stimulation über TLRs führt zu einer Aktivierung der Zellen, die daraufhin aus der Peripherie aus- und in die regionalen lymphatischen Gewebe einwandern. Die Aktivierung von DCs über TLRs kann aber auch in Abwesenheit einer akuten Infektion, über die Freisetzung endogener danger-signals, erfolgen. Über TLRs aktivierte DCs sind durch eine massive MHC-I und -II Expression sowie durch eine Expression von kostimulatorischen Molekülen gekennzeichnet. Sie besitzen ein hohes T-Zell stimulatorisches Potential, das ausreicht, naive CD4+ und CD8+ T-Zellen zu aktivieren. Die Aktivierung von naiven CD8+ T-Zellen ohne die Hilfe von CD4+ T-Zellen führt zu einer frühen zytotoxischen (CTL) T-Zell Antwort, induziert aber kein bzw. ein defektes Repertoire an CD8+ Gedächtniszellen, die im Verlauf einer Sekundärinfektion keinen Schutz bieten. Im Verlauf der Aktivierung von naiven CD4+ T-Zellen können diese über eine CD40L:CD40 Stimulation den Aktivierungsstatus der dendritischen Zelle anheben und dadurch die Voraussetzung für ein CTL vermitteltes, immunologisches Gedächtnis schaffen. Der frühe Differenzierungsweg von CD4+ T-Zellen ist u.a. von Cytokinen abhängig. Interferon-γ (IFNγ) führt zu einer Induktion der Transkriptionsfaktoren Tbet und STAT4 (signal transducers and activators of transcription-4), die unter Einfluss von Interleukin-12 (IL12) zu einer Enddifferenzierung in Richtung TH1 führen. Hingegen führen die Transkriptionsfaktoren GATA-3 und STAT6 unter dem Einfluss von IL4 (u.a.) zur Differenzierung von TH2 Zellen. IL6 und TGFβ sind für die Differenzierung in Richtung TH17 notwendig. Nach ihrer Aktivierung sezernieren T-Helferzellen eine Reihe von inflammatorischen Cytokinen, von denen die Wesentlichen angegeben sind

werden, dass IL17 eine bedeutende Rolle bei unterschiedlichen mikrobiellen Infektionen spielt. Neben IL17 produzieren diese Zellen aber auch IL22, das ebenfalls ein entzündungsförderndes Cytokin ist und bei der frühen Immunabwehr in der Haut

Bedeutung von T-Helfer Zellen und zytotoxischen T-Zellen

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von Bedeutung ist. Insgesamt scheint dieser Zelltyp eine wichtige Funktion für die Aufrechterhaltung einer frühen Immunantwort zu besitzen, aber auch bei der Entstehung von Autoimmunerkrankungen von Bedeutung zu sein. Die Differenzierung von CD4+ T-Zellen zu TH17 Zellen ist abhängig von TGFβ und IL6. Möglicherweise stehen aufgrund der TGFβ Abhängigkeit TH17 Zellen und Treg in enger Beziehung zueinander. Welcher Differenzierungsweg von aktivierten CD4+ T-Zellen eingeschlagen wird, ist abhängig von einem komplexen regulatorischen Netzwerk, bestehend aus Cytokinen, Dauer/Intensität des Zell-Zell Kontaktes und vermutlich dem Subtyp der dendritischen Zelle (lymphoide DC, myeoloide DC), durch den die Aktivierung erfolgt. Grob lässt sich jedoch sagen, dass IL12 und IFNγ die Differenzierung in Richtung TH1 bewirken, während IL4, IL5 und IL10 die Differenzierung in Richtung TH2 fördern. Zytotoxische T-Zellen entstehen nach der Aktivierung von CD8+ T-Zellen durch aktivierte dendritische Zellen. Sie besitzen das Potential, virusinfizierte Zellen oder entartete Zellen durch Apoptose zu töten. Neben Perforinen und Granzymen exprimieren sie den Fas-Liganden sowie Interferon-γ und Typ-I Interferone (IFNα, IFNβ). Aufgaben

Beschreiben Sie das Tafelbild

Tafelbild 1

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3

Entwicklung und Aktivierung von T-Zellen

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4

Entwicklung und Aktivierung von B-Zellen

4.1

Entwicklung von B-Zellen B-Zellen werden im Knochenmark aus lymphoiden Vorläuferzellen gebildet. Während die Zellen reifen (differenzieren), werden ihre Immunglobulingene sequenziell umgelagert (somatische Rekombination). Je nach Umlagerungsprodukt, lässt sich die B-Zell Entwicklung in unterschiedliche Reifestadien einteilen. Im Stadium der lymphoiden Vorläuferzelle sind die Immunglobulingene noch nicht umgelagert. Sie befinden sich in der „Keimbahn-Konfiguration“ (Abb. 4.1). Während des Pro-B Zell Stadiums werden die Umlagerungsreaktionen für die schwere Immunglobulinkette gestartet. Im frühen Pro-B Zell Stadium erfolgt zunächst die D-J Umlagerung. Anschließend wird im späten Pro-B Zell Stadium an die DJ-Kassette ein V-Gensegment angelagert. Während dieser Phasen wird das Enzym Terminale-Desoxynukleotidyl-Transferase (TdT) exprimiert, das zur Verknüpfungsdiversität beiträgt. Durch die Umlagerung des V-Gensegments kommt der 5´ vor dem V-Gensegment liegende Promotor in die Nähe seines stromabwärts (3´) gelegenen Enhancers. Die Transkription der schweren Immunglobulinkette beginnt. Sind die Umlagerungsreaktionen produktiv, so wird eine schwere IgM Kette gebildet. Hierbei ist zu beachten, dass die prä-mRNA neben der konstanten Region für die schwere IgM Kette auch die konstante Region für die IgD Kette enthält. Letztere wird aber in diesem Stadium der B-Zell Entwicklung durch RNA-Spleißen entfernt. Die schwere IgM Antikörperkette kann nicht alleine auf die Zelloberfläche transportiert werden. Einige der schweren Ketten lagern sich im endoplasmatischen Retikulum mit einem Protein zusammen, das als Ersatzleichte-Kette (surrogate light chain) bezeichnet wird. Dieses Stadium der B-Zell Entwicklung wird als das Prä-BZell Stadium bezeichnet (Abb. 4.1). Die Ersatzleichte-Kette ist strukturell homolog zur leichten κ oder λ Kette, im Gegensatz zu diesen im variablen Bereich aber nicht variabel, sondern konstant (invariant). D.h., jede B-Zelle besitzt die gleiche Ersatzleichte-Kette mit der gleichen Spezifität. Der Komplex aus schwerer IgM Kette und Ersatzleichter-Kette wird als Prä-B-Zell Rezeptor (Prä-BCR) bezeichnet. Auf der Zelloberfläche liegt der Prä-B Zell-Rezeptor assoziiert mit den beiden Proteinen Igα und Igβ vor. Diese sind an der Signaltransduktion in die Zelle beteiligt. Sie sind später, im Stadium der reifen B-Zelle, ebenfalls mit dem B-Zell Rezeptor assoziiert.

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4

Entwicklung und Aktivierung von B-Zellen

Abb. 4.1 B-Zell Entwicklung im Knochenmark. B-Zellen entstehen im Knochenmark (KM) aus lymphoiden Vorläuferzellen, die ihrerseits von pluripotenten Stammzellen abstammen. Zu diesem Zeitpunkt befinden sich die Immunglobulingene noch in Keimbahnkonfiguration, sind also noch nicht umgelagert. Im ersten Stadium der BZ-Entwicklung, dem pro-BZ Stadium, finden die V(DJ)Rekombinationen statt, die zur schweren IgM Antikörperkette (µ-Kette) führen. Diese bindet im ER an ein Protein, das als Ersatzleichte-Kette bezeichnet wird. Der Komplex aus µ-Kette und Ersatzleichte-Kette (prä-B-Zell Rezeptor) wird auf die Zelloberfläche transportiert und lagert sich dort mit den Proteinen Igα und Igβ zusammen (nicht abgebildet). An welche Strukturen er bindet, ist bislang nicht bekannt. Das Signal, das durch ihn bzw. die mit ihm assoziierten Proteine Igα und Igβ in die Zelle geleitet wird, stoppt die Umlagerungsreaktionen der schweren Kette und leitet die Umlagerungsreaktionen für die leichte Kette ein. Im unreifen Stadium besitzt die B-Zelle nun ein IgM Molekül als BZ-Rezeptor auf ihrer Zelloberfläche. In diesem Stadium werden alle potentiell autoreaktiven B-Zellen durch Apoptose ausgesondert oder funktionell inaktiviert. Anschließend verlassen die B-Zellen das Knochenmark. Sie beginnen nun neben IgM auch IgD zu exprimieren und werden als reife B-Zellen bezeichnet. P = Promoter, L = Leader, E = Enhancer, S = Switch-Region

Es ist bislang nicht geklärt, an welche Strukturen der Prä-BCR bindet. Jedoch führt das Signal, das von ihm ausgeht, dazu, dass weitere Umlagerungsreaktionen der schweren Immunglobulinkette gestoppt werden und die Umlagerungsreaktionen der leichten Immunglobulinkette eingeleitet werden. Als Folge davon besitzt jede der Nachkommen-Zellen die gleiche Spezifität in der schweren Immunglobulinkette. Dieses Phänomen wird als allelic exclusion (vgl. Kap. 2.2.3) bezeichnet. Dies

Der B-Zell Rezeptor Komplex

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trifft ebenfalls für die leichte Immunglobulinkette zu. Eine produktive V-J Umlagerung in einem der beiden Loci (κ oder λ) stoppt weitere Umlagerungsreaktionen. Jede der Nachkommen-Zellen besitzt die gleiche Rezeptorspezifität, entweder mit einer κ oder λ leichten Kette. Eine B-Zelle, die nun leichte und schwere IgM Antikörperketten erfolgreich umgelagert hat, besitzt auf ihrer Zelloberfläche als B-Zell Rezeptor ein IgM Immunglobulin, das mit den Molekülen Igα und Igβ assoziiert vorliegt. Eine solche B-Zelle wird als eine unreife B-Zelle bezeichnet. Bindet eine unreife B-Zelle mit ihrem B-Zell Rezeptor im Knochenmark an körpereigene Strukturen (Selbst-Antigene), so geht sie in die Apoptose. Es ist aber auch möglich, dass sie ihre Rezeptorspezifität ändert und dadurch der Apoptose entgeht. Dieser Mechanismus wird als Rezeptor editing bezeichnet. Selbst-Antigene können im Knochenmark entweder in gebundener Form (auf der Oberfläche von Stromazellen) oder in löslicher Form vorliegen. Letztlich dient dieser durch Apoptose getriebene Selektionsmechanismus dazu, potentiell autoreaktive B-Zellen auszusondern. Dieser Prozess wird als zentrale B-Zell Toleranz bezeichnet. Nachdem die B-Zellen die zentrale Toleranz durchlaufen haben, verlassen sie das Knochenmark und beginnen neben IgM auch IgD auf ihrer Zelloberfläche zu exprimieren. Sie werden nun als reife B-Zellen bezeichnet.

Rezeptor editing

Bei einigen B-Zellen konnte beobachtet werden, dass sie während der Reifung im Knochenmark ihre Rezeptorspezifität veränderten. Dadurch entgingen sie der negativen Selektion durch Apoptose. Dieser Vorgang wird als Rezeptor editing bezeichnet. Bindet eine unreife B-Zelle an ein Selbstantigen, so können die RAG Gene reaktiviert werden. Dies führt dazu, dass erneut Umlagerungsreaktionen für die leichte Immunglobulinkette eingeleitet werden. Oftmals betrifft dies den κ-Genlokus. Die B-Zelle wird dadurch in die Lage versetzt, eine alternative leichte Kette zu exprimieren. Dies führt zu einem alternativen B-Zell Rezeptor. Ist dieser nicht selbstreaktiv, so differenziert die B-Zelle zu einer reifen B-Zelle. Die Expression des selbstreaktiven Rezeptors wird dabei eingestellt.

4.2

Der B-Zell Rezeptor Komplex Reife B-Zellen besitzen als B-Zell Rezeptoren (BCR) membranständiges IgM und IgD. Beide Moleküle liegen nicht kovalent assoziiert mit den beiden Proteinen Igα (Immunglobulin-α) und Igβ vor. Der Komplex aus membranständigem Immunglobulin und Igαβ wird als B-Zell Rezeptorkomplex bezeichnet (Abb. 4.2). Igα und Igβ sind untereinander über Disulfidbrücken verknüpft. Bindet ein Antigen an den B-Zell Rezeptor, so entsteht eine Konformationsänderung, die dazu führt, dass ein Signal über Igαβ in die Zelle weitergeleitet wird. Dieses Signal kann nicht über den zytosolischen Anteil des membranständigen Antikörpers in die Zelle geleitet

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4

Entwicklung und Aktivierung von B-Zellen

Abb. 4.2 Der B-Zell Rezeptorkomplex. Mit dem B-Zell Rezeptor (BCR) liegen die Proteine Igαβ nicht-kovalent assoziiert vor. Sie besitzen, ähnlich wie CD3 und ζ (vgl. Kap. 3.7), ITAM Motive in ihrem zytosolischen Teil. Bindet ein Antigen an den BCR, so kommt es im weiteren Verlauf zu einer Aktivierung von Kinasen aus der Src-Familie. Diese Kinasen (Fyn, Lyn, Blk) sind lose mit dem BCR-Komplex verbunden und phosphorylieren Tyr-Reste in den ITAM Motiven von Igαβ. Dadurch werden Bindungsseiten für die Tyrosin spezifische Kinase Syk geschaffen. Diese kann binden und anschließend Adapterproteine phosphorylieren und dadurch aktivieren

werden, da dieser nur drei Aminosäuren beinhaltet und damit viel zu kurz für eine Signalweiterleitung ist. Igαβ hat damit eine vergleichbare Funktion wie CD3 und ζ. Auch Igαβ besitzen im zytosolischen Teil Aktivierungsmotive (immunoreceptor tyrosine-based activation motifs, ITAM). Bindet ein Antigen an die membranständigen Antikörper-Rezeptoren, so werden die Rezeptoren miteinander vernetzt und wandern zu spezialisierten Bereichen in der Membran. Diese werden als lipid rafts bezeichnet. Auf der zytosolischen Seite der lipid rafts befinden sich viele Adapterproteine und Signalmoleküle. Als Folge der Konformationsänderung des Rezeptors werden Kinasen aktiviert, die lose mit dem BCR-Komplex assoziiert vorliegen. Diese Kinasen (Fyn, Lyn oder Blk) gehören in die Familie der Src Protein-Tyrosin-Kinasen. Sie phosphorylieren Tyr-Reste in den ITAM Motiven von Igαβ. Dadurch entstehen Bindungsseiten für die Tyrosin-Kinase Syk. Sie bindet an die phosphorylierten ITAM Motive und aktiviert nun ihrerseits Adapterproteine durch Phosphorylierung (Abb. 4.2). Syk ist in seiner Funktion vergleichbar mit ZAP-70, das bei der T-Zell Aktivierung ebenfalls Adapterproteine phosphoryliert und dadurch aktiviert.

B-Zell Aktivierung

119

4.3

B-Zell Aktivierung B-Zellen werden durch T-Helfer-2 (TH2) Zellen in lymphatischen Geweben aktiviert. Hier ist die Dichte von B-Zellen und T-Zellen am größten. Dadurch ist ebenfalls die Wahrscheinlichkeit am höchsten, dass eine antigenspezifische B-Zelle auf „ihre“ antigenspezifische TH2 Zelle trifft und von dieser aktiviert wird. B-Zellen können nicht durch naive T-Zellen aktiviert werden. Während B-Lymphozyten zwischen Blut und Lymphe patrouillieren, können sie über ihren B-Zell Rezeptor (BCR) Antigene binden. Diese werden zusammen mit dem Rezeptor in die Zelle aufgenommen. Dieser Vorgang wird als Rezeptor vermittelte Endozytose bezeichnet. Die Antigene gelangen dadurch in die sauren endosomalen-/lysosomalen Zellkompartimente. Hier werden die Antigene durch saure Proteasen zu Peptiden gespalten und mit Hilfe des MHC Klasse-II ähnlichen Proteins HLA-DM auf MHC Klasse-II Moleküle geladen. Die Peptid beladenen MHC-II Komplexe werden anschließend auf die Zelloberfläche transportiert. Trifft nun eine antigenspezifische TH2 Zelle auf die B-Zelle, so kann die B-Zelle durch die TH2 Zelle aktiviert werden. B-Zellen brauchen, ebenso wie T-Zellen, zwei Signale, um aktiviert zu werden. Das erste Signal bekommen sie über die Bindung des T-Zell Rezeptors an ihren MHC-II/Peptid Komplex (Abb. 4.3). Das zweite, kostimulatorische Signal über die Bindung des CD40L (auf der TH2 Zelle) an CD40. B-Zellen exprimieren konstitutiv das kostimulatorische Molekül CD40. Durch beide Signale stimuliert, beginnt die B-Zelle daraufhin sich zu teilen: Sie tritt in die klonale Expansion ein. Das kostimulatorische Signal (CD40L-CD40) führt auch dazu, dass die B-Zelle die Expression von B7 verstärkt. B-Zellen exprimieren als antigenpräsentierende Zellen das für TZellen kostimulatorische Molekül B7. Weiterhin wird die Expression von Interleukin-Rezeptoren (z.B. IL-4R) auf der B-Zelle induziert. Auf der anderen Seite schüttet die TH2 Zelle als Folge der CD40L-CD40 Interaktion Cytokine wie beispielsweise Interleukin-4 (IL-4) aus. IL-4 ist ein Wachstumsfaktor für B-Zellen und regt u.a. einen Klassenwechsel in Richtung IgE an. Am Ende der Expansionsphase entstehen Antikörper sezernierende Plasmazellen sowie B-Gedächtnis Zellen (B memory cells) (Abb. 4.3).

Aktivierungsvorgänge im Lymphknoten

Dendritische Zellen (DC) nehmen in den peripheren Geweben (z.B. Haut) Antigene auf. Sie wandern anschließend aus den Geweben aus und in die umliegenden

Definition

Antigenspezifische T-Zelle Die T-Zelle trägt einen TCR, der spezifisch ein antigenes Peptid im Verbund mit dem körpereigenen MHC erkennt (bindet).

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4

Entwicklung und Aktivierung von B-Zellen

(regionalen) Lymphgefäße ein. Über die Lymphbahnen gelangen sie zu den regionalen Lymphknoten. Hier wandern sie durch Chemokine geleitet in die paracortikalen Bereiche des Lymphknotens, die ebenfalls naive T-Lymphozyten während ihrer Wanderung zwischen Blut und Lymphe passieren. In den paracortikalen Bereichen werden die dendritischen Zellen von den dortigen T-Lymphozyten „abgetastet“: Sie testen gewissermaßen, ob ihr T-Zell Rezeptor (TCR) spezifisch an die MHC/Peptidkomplexe bindet. Hat eine naive CD4+ T-Zelle „ihr“ Antigen im Verbund mit dem MHC-Molekül gebunden, wird sie durch die dendritische Zelle aktiviert. Daraufhin tritt sie in die klonale Expansion ein. Die proliferierenden TZellen schieben sich an den Rand der paracortikalen Region (vgl. Kap. 1.4.1); hier wandern nun aktivierte T-Zellen (T-Helfer Zellen) und B-Zellen aufeinander zu. Die aktivierten T-Zellen durchmustern die B-Zellen, ob sie ihnen „ihr“ Antigen im Verbund mit MHC-II präsentieren. Hat eine aktivierte CD4+ T-Zelle spezifisch an eine B-Zelle gebunden, so wird die B-Zelle durch sie aktiviert (Abb. 4.3); die B-Zelle tritt in die klonale Expansion ein, und es bildet sich ein Keimzentrum im Lymphfollikel des Lymphknotens. Die proliferierenden B-Zellen wandern in die Nähe zu follikulär dendritischen Zellen (FDC), an denen sie affinitätsreifen. Aus den proliferierenden B-Zellen gehen neben B-Gedächtniszellen Plasmazellen hervor, die in die Markregion des Lymphknotens oder in das Knochenmark einwandern und von dort aus ihren Antikörper in die Blutbahn und Lymphe sezernieren. Ihre Lebensdauer beträgt etwa 10–30 Tage.

Aktivierung von B-Zellen durch T-Gedächtniszellenκ

Werden naive T-Zellen durch dendritische Zellen aktiviert, treten sie in die klonale Expansion ein. Nach der Proliferationsphase entstehen aktivierte T-Zellen und Gedächtnis T-Zellen. Aktivierte T-Zellen besitzen den CD40L und können B-Zellen direkt aktivieren (vgl. B-Zell Aktivierung).

Definition

Transport von Antigenen Antigene, die von DCs aufgenommen wurden, werden in ihren sauren Kompartimenten durch Proteasen zu Peptiden abgebaut (prozessiert). Diese werden anschließend auf MHC Klasse-II Moleküle geladen und die MHC-II/Peptidkomplexe daraufhin auf die Zelloberfläche transportiert. Diese Komplexe haben auf der Zelloberfläche von antigenpräsentierenden Zellen eine Halbwertszeit von etwa drei Tagen. Auf diese Weise wird die Information über die aufgenommenen Antigene konserviert, und steht nun bereit, um von antigenspezifischen T-Zellen „gelesen“ zu werden. Ein „Transport von Antigenen“ durch DCs meint deshalb die „Konservierung“ der Antigeninformation in Form von prozessiertem und an MHC-I und -II gebundenem Antigen.

B-Zell Aktivierung

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Der CD40L wird hingegen nicht auf der Zelloberfläche von T-Gedächtniszellen exprimiert. T-Gedächtniszellen brauchen bei einem zweiten Kontakt mit demselben Antigen aber trotzdem nicht von dendritischen Zellen aktiviert zu werden, da ihr Aktivierungspotential gegenüber naiven T-Zellen niedriger liegt. Sie

Abb. 4.3 B-Zell Aktivierung. Nachdem eine B-Zelle das Knochenmark verlassen hat, patrouilliert sie zwischen Blut und Lymphe. Hier hat sie Gelegenheit, über ihren B-Zell Rezeptor Antigene aufzunehmen und im weiteren Verlauf Peptide dieser Antigene im Verbund mit MHC-II auf ihrer Zelloberfläche zu präsentieren. Trifft sie nun in lymphatischen Organen (z.B. Lymphknoten) auf eine aktivierte CD4+ T-Zelle, die mit ihrem T-Zell Rezeptor spezifisch an den MHC-II/Peptid-Komplex bindet, so wird die B-Zelle durch die T-Zelle aktiviert. Hierfür benötigt die B-Zelle zwei Signale: das erste Signal bekommt sie über die Bindung des TCR an ihren MHC-II/Peptid Komplex; das zweite Signal ist ein kostimulatorisches Signal, das ihr die T-Zelle durch die Bindung des CD40L an CD40 gibt. Dieses Signal führt dazu, dass B7 auf der B-Zelle verstärkt exprimiert wird. Dadurch stellt die B-Zelle genügend B7 bereit, um Gedächtnis T-Zellen aktivieren zu können. Gedächtnis T-Zellen exprimieren keinen CD40L. Durch die Bindung von CD28 an B7 wird die Expression des CD40L in T-Gedächtniszellen erneut induziert. Nachdem die B-Zelle das kostimulatorische Signal (CD40L-CD40) erhalten hat, tritt sie in die klonale Expansion ein. Es entstehen Antikörper produzierende Plasmazellen und B-Gedächtniszellen. Auf der T-Zell Seite führt die Bindung des CD40L zu einer Produktion von Cytokinen, die zu einem Klassenwechsel beitragen können

122

4

Entwicklung und Aktivierung von B-Zellen

können nun auch von B-Zellen oder Makrophagen aktiviert werden bzw. in einem wechselseitigen Prozess sich gegenseitig aktivieren. Kommt es zu einem antigenspezifischen Kontakt zwischen CD4+ T-Gedächtniszelle und B-Zelle, so wird, ebenso wie bei der Aktivierung von naiven CD4+ T-Zellen (Kap. 3.2,) der CD40L auf die Zelloberfläche der T-Gedächtniszelle reguliert. Dieser kann nun an CD40 auf der B-Zelle binden. Durch die CD40L:CD40 Interaktion bekommt die B-Zelle das kostimulatorische Signal, das sie für ihre Aktivierung benötigt.

Affinitätsreifung von B-Zellen an follikulär dendritischen Zellen

Nachdem B-Zellen im Parakortex an der Grenze des B-Zell Follikels aktiviert worden sind, wandern sie tief in den Follikel hinein und treten anschließend in die klonale Expansion ein. Es entsteht ein Keimzentrum im B-Zell Follikel. In den Keimzentren sind auch einige wenige aktivierte T-Zellen enthalten, die durch wiederholte Aktivierung der B-Zellen die Proliferation aufrechterhalten. Die Verdopplungszeit der Zellen liegt hier bei etwa 6 bis 12 Stunden. Damit entstehen innerhalb von fünf Tagen aus einer einzelnen, aktivierten B-Zelle ungefähr 5000 Zellen. Jedes Keimzentrum wird in der Regel ausgehend von einer bis wenigen aktivierten B-Zellen gebildet. In unmittelbarer Umgebung zu den Keimzentren befinden sich follikulär dendritische Zellen (FDC). Der Ursprung von FDC ist bislang nicht geklärt. Sie stammen weder von Zellen aus dem Knochenmark ab, noch sind sie mit dendritischen Zellen vergleichbar. Außerdem befinden sie sich ausschließlich in lymphatischen Follikeln. Mit ihren langen Zellausläufern bilden sie ein loses Maschenwerk um die Keimzentren. FDC besitzen Komplementrezeptoren (complement receptor, CR1, CR2, CR3) und Fc-Rezeptoren, aber keine MHC-II Moleküle. Komplementrezeptoren und FcRezeptoren sind an der Affinitätsreifung von B-Zellen beteiligt. Affinitätsreifung ist ein Prozess, der zu einer höheren Spezifität des membranständigen Antikörpers für sein Antigen führt. Ursache für die Affinitätsreifung ist ein Mechanismus, der als somatische Hypermutation bezeichnet wird (vgl. Kap. 2.2.3, Abschnitt „Somatische Hypermutation“). Hierbei kommt es zu einem gehäuften Auftreten von spontanen Punktmutationen in einem begrenzten Bereich der Immunglobulingene. Dieser Bereich wird auf Proteinebene als die hypervariable Region bezeichnet. Dadurch entstehen letztlich B-Zellen mit veränderten Antikörperbindungsaffinitäten. Diese können gesteigert oder vermindert sein – oder sogar verloren gehen. Darum müssen im Anschluss an die somatische Hypermutation die B-Zellen mit einem hochaffinen Antikörper-Rezeptor selektioniert werden. Dies geschieht an den FDC, die über ihre Komplement-/Fc-Rezeptoren Antigene in Form von Immunkomplexen gebunden halten. B-Zellen, die durch somatische Hypermutation einen hochaffinen Rezeptor entwickelt haben der antigene Bereiche dieser Immunkomplexe bindet, bekommen von den FDC ein Signal zu überleben. Solche, die durch Mutation des Antikörper-Rezeptors nicht mehr an die FDC binden, sterben durch Apoptose.

B-Zell Aktivierung

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Antikörper sezernierende Plasmazellen

Während eine B-Zelle zu einer Plasmazelle differenziert, wird die Produktion von membranständigen Antikörpern auf lösliche Antikörper umgestellt. Die biochemischen Vorgänge, die dazu führen, sind im Detail noch nicht bekannt. Letztlich ist die Ursache für das Auftreten eines membranständigen Antikörpers, bzw. seiner löslichen Variante, differenzielles Spleißen der zugrunde liegenden prä-RNA (Abb. 4.4). Wird ein membranständiger Antikörper produziert, so wird die prä-mRNA der schweren Kette nach dem Polyadenylierungssignal gespleißt, das nach dem kodierenden Bereich für die zytoplasmatische Region folgt. Nachdem sich eine B-Zelle zur Plasmazelle differenziert hat, werden lösliche Antikörper in großen

Abb. 4.4 Differenzielles Spleißen von Antikörper RNA: Differenzierung zu ruhender B-Zelle bzw.

Plasmazelle. Differenziert eine B-Zelle zu einer Plasmazelle, so wird die Produktion von membranständigen Antikörpern auf die Produktion von löslichen Antikörpern umgestellt. Die genauen Signale die dazu führen, sind noch nicht bekannt. Nach der Transkription der schweren µ-Kette, wird im Falle eines membranständigen Antikörpers nach dem Exon für die zytoplasmatische Region (CY) differenziell gespleißt und das Polyadenylierungssignal, das nach dem Exon folgt, verwendet (pAm). Umgekehrt wird im Falle eines löslichen Antikörpers nach dem Exon für die letzte konstante Domäne gespleißt und das Polyadenylierungssignal verwendet, das hier im Anschluss folgt (pAs). Der erste, lösliche Antikörper, der nach einer Aktivierung von naiven B-Zellen produziert wird, ist ein IgM Antikörper

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4

Entwicklung und Aktivierung von B-Zellen

Definition

Polyadenylierungssignal Nach der Transkription durch die RNA Polymerase wird eine „vorläufige“ RNA (prä-mRNA) gebildet. Diese enthält bei tierischen und pflanzlichen Zellen Exon und Introns. Die Introns werden im weiteren Verlauf entfernt (Spleißen), und es entsteht die „Überbringer oder Boten“ RNA (messenger RNA, mRNA). Nach der Transkription wird die mRNA weiter modifiziert. An ihrem 5´-Ende wird eine „Kappenstruktur“ durch 7-Methyl-Guanosin eingeführt. Am 3´-Ende wird eine Folge von Adenosin-Nukleotiden angeheftet. Die geschilderten Vorgänge laufen alle im Zellkern ab. Der Protein-/Enzymapparat, der die Polyadenylierung katalysiert, erkennt eine Erkennungssequenz im 3´-untranslatierten Bereich der mRNA. Diese Erkennungssequenz wird als Polyadenylierungssignal (poly-(A) Stelle) bezeichnet. Das poly-A Ende hat vermutlich einen Einfluss auf die Effizienz der Translation sowie einen Einfluss auf die Stabilität der mRNA gegenüber Hydrolasen (Rnasen).

Mengen produziert. Hierbei wird die prä-mRNA nach dem Polyadenylierungssignal gespleißt, das nach dem kodierenden Bereich für die letzte konstante Domäne folgt. Der erste Antikörper, der nach Antigenkontakt produziert wird, ist ein IgM Antikörper.

Primäre und sekundäre Antikörper vermittelte Immunantwort

Bis eine erste Antikörper vermittelte Immunantwort voll zum Tragen kommt, vergehen etwa sieben Tage (Abb. 4.5). Während dieser Zeit werden naive antigenspezifische B-Zellen aktiviert; sie proliferieren und differenzieren zum Teil zu Plasmazellen. Diese produzieren überwiegend IgM Antikörper. IgM Antikörper sind im Vergleich zu affinitätsgereiften Antikörpern weniger affin für ihr Antigen, besitzen aber aufgrund der pentameren Struktur des IgM Antikörpers eine höhere Avidität (= die Summe aller Bindungen, die gelöst werden müssen, damit der Antikörper von seinem Antigen abdissoziiert). Aus den primär aktivierten B-Zellen differenzieren im weiteren Verlauf B-Gedächtniszellen (memory B-cells) sowie einige lang-

Definition

Langlebige und kurzlebige Plasmazellen Nach der B-Zell Aktivierung führt der Weg zur Plasmazelle über das Stadium des Plasmablasten. Aus einem Plasmablasten kann eine kurzlebige (ca. 3 Tage) Plasmazelle differenzieren. Diese produziert i.d.R. IgM Antikörper. Ein anderer Differenzierungsweg führt Keimzentrum abhängig zu einer langlebigen Plasmazelle (10 bis 30 Tage), die i.d.R. einen affinitätsgereiften Antikörper sezerniert.

B-Zell Aktivierung

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lebige Plasmazellen, die im Knochenmark verbleiben. Gedächtnis-Zellen treten etwa 2–4 Wochen nach dem ersten Kontakt mit dem Antigen auf (Abb. 4.5). Diese haben in der Regel ihre Antikörperklasse gewechselt und eine Affinitätsreifung durchlaufen.

Abb. 4.5 Kinetik der humoralen Immunantwort nach einem Erst- und Zweitkontakt mit dem

gleichen Antigen. Bei einem Erstkontakt mit einem Erreger (Antigen) müssen naive B-Zellen in lymphatischen Geweben durch die Hilfe von CD4+ T-Zellen aktiviert werden. Die CD4+ T-Zellen müssen dafür zunächst selber durch dendritische Zellen aktiviert worden sein. Aufgrund der geringen Vorläuferfrequenz von antigenspezifischen T- Zellen (etwa 1 unter 1 Mio.) und der Zeit, die für die Aktivierungsvorgänge benötigt wird, kommt eine Antikörper vermittelte Primärantwort etwa 7 Tage nach Beginn der Infektion zum Tragen. Während des Erstkontaktes werden aber schon Gedächtnis B- und T-Lymphozyten gebildet. Bei einem Zweitkontakt mit dem gleichen Erreger können die CD4+ T-Gedächtniszellen vorhandene B-Gedächtniszellen direkt aktivieren, ohne zuvor von dendritischen Zellen aktiviert werden zu müssen. Dies führt dazu, dass die B-Gedächtniszellen bei einem Zweitkontakt schneller aktiviert werden. Daher kommt bei einem Zweitkontakt die humorale Immunantwort bereits nach etwa drei Tagen voll zum Tragen

126

4

Entwicklung und Aktivierung von B-Zellen

Bei einem erneuten Kontakt mit dem gleichen Antigen kommen nun mehrere Effekte zum Tragen. Die Anzahl an antigenspezifischen B- und T-Zellen ist höher als beim Erstkontakt, da bereits Gedächtniszellen vorhanden sind. T-Gedächtniszellen können ohne „Umweg“ und damit ohne „Zeitverlust“ antigenspezifische B-Zellen aktivieren, bzw. aktivieren sich „ping-pong“-artig gegenseitig. Letztlich führen die B- und T-Gedächtniszellen dazu, dass etwa drei Tage nach einem Zweitkontakt große Mengen an affinitätsgereiften Antikörpern produziert werden. Auch nach einem Zweitkontakt entstehen nach etwa 2–4 Wochen langlebige Plasmazellen sowie B-Gedächtniszellen. Dadurch wird der humorale Schutz vor einer Infektion mit dem gleichen Erreger (Antigen) weiter ausgebaut.

4.3.1

Thymus abhängige und Thymus unabhängige Antigene Antigene mit polyvalenten (repetierenden) Epitopen, wie z.B. Polysaccharide, Lipide und Nukleinsäuren, können B-Zellen ohne die Hilfe von T-Zellen aktivieren (Abb. 4.6). Solche Antigene werden als Thymus unabhängige Antigene (thymus independent antigens) bezeichnet. Hingegen setzt eine B-Zell Aktivierung gegen Protein-Antigene in der Regel die Hilfe durch CD4+ T-Zellen (TH2-Zellen) voraus. Solche Antigene werden als Thymus abhängige Antigene bezeichnet (thymus dependent antigens). Die Hilfe durch TH2-Zellen führt dazu, dass die B-Zellen ihre Antikörperklasse wechseln, affinitätsreifen und zu B-Gedächtniszellen differenzieren können. Antikörper, die als Folge der Aktivierung durch Thymus unabhängige Antigene entstehen, sind von geringer Affinität und überwiegend IgM Antikörper. Bei wenigen Thymus unabhängigen Antigenen ist bekannt, dass sie auch zu einem Klassenwechsel nach IgG führen können. Diese werden von einigen Autoren auch als Thymus unabhängige Antigene-2 (TI-2) bezeichnet. Der Mechanismus ist allerdings noch unklar. So wird z.B. durch ein Polysaccharid, das in der Kapsel von Pneumokokken vorkommt, ein Klassenwechsel von IgM nach IgG2 induziert. Solche Polysaccharide führen oftmals dazu, dass ein lang anhaltender humoraler Schutz gegen sie vorhanden ist. Die Ursache hierfür könnte sein, dass Polysaccharide in lymphatischen Geweben nur ineffizient abgebaut werden und dadurch naive B-Zellen über einen langen Zeitraum stimuliert bzw. aktiviert werden können. Hingegen ist unklar, ob langlebige Gedächtnis B-Zellen im Verlauf einer Aktivierung durch Thymus unabhängige Antigene induziert werden können. Vermutlich trifft dies nur für wenige Polysaccharide zu. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Thymus unabhängige Antigene nur selten zu einem Klassenwechsel führen, in wenigen Fällen die Differenzierung zu Gedächtnis B-Zellen induzieren und nur selten affinitätsgereifte Antikörper entstehen lassen. Die polyvalenten Epitope von Thymus unabhängigen Antigenen führen zu einer maximalen Kreuzvernetzung der B-Zell Rezeptoren (Abb. 4.6). Als Folge davon werden die B-Zellen aktiviert. Oft binden zusätzlich Faktoren des Komplementsystems (C3d) an Thymus unabhängige Antigene. Durch die Bindung entsprechender Komplementrezeptoren bekommt die B-Zelle ein weiteres Signal, das zu einer verstärkten Aktivierung der Zelle führt (s. Kap. 4.4).

B-Zell Aktivierung

127

Abb. 4.6 Thymus abhängige und Thymus unabhängige B-Zell Aktivierung. Antigene, gegen die

eine B-Zelle nur nach Aktivierung durch T-Zellen Antikörper produzieren kann, werden als Thymus abhängige Antigene bezeichnet. Hier führt die Hilfe der T-Zellen dazu, dass die B-Zellen einen Klassenwechsel durchlaufen können, zu Gedächtnis B-Zellen differenzieren und affinitätsgereifte Antikörper bilden. Antigene, durch die eine B-Zelle auch ohne die Hilfe einer T-Zelle aktiviert werden kann, werden als Thymus unabhängige Antigene bezeichnet. Thymus unabhängige Antigene besitzen polyvalente (mehrmals sich wiederholende) Epitope. Mit diesen können sie eine maximale Kreuzvernetzung der B-Zell Rezeptoren erreichen. Das führt zu einer Aktivierung der B-Zelle. Die Antikörper, die als Folge der Aktivierung durch Thymus unabhängige Antigene entstehen, sind in der Regel niederaffin bindende IgM Antikörper. Nur in seltenen Fällen wird ein Klassenwechsel induziert und die Differenzierung zu Gedächtniszellen sowie die Bildung von affinitätsgereiften Antikörpern angeregt

Natürliche Antikörper

Als natürliche Antikörper werden solche bezeichnet, die durch Thymus unabhängige Antigene (i.d.R. Polysaccharide) induziert werden, ohne dass eine Infektion vorliegt. Sie werden z.B. von B-Zellen in den lymphatischen Geweben des Darmes gebildet, die durch Polysaccharide von Bakterien der Darmflora stimuliert worden sind. Natürliche Antikörper zirkulieren im Blut. Zu ihnen zählen beispielsweise auch solche, die gegen Glykolipide von Blutgruppen-Antigenen gerichtet sind. Natürliche Antikörper tragen zu einem ersten Schutz gegen weit verbreitete mikrobielle Antigene bei.

128

4

Entwicklung und Aktivierung von B-Zellen

4.4

Signaltransduktion durch Thymus abhängige Antigene Bindet ein Antigen an die B-Zell Rezeptoren, so werden sie kreuzvernetzt und wandern in bestimmte Membran-Areale, die als lipid rafts bezeichnet werden. Hier befinden sich viele Signal- und Adaptermoleküle. Durch die Kreuzvernetzung der B-Zell Rezeptoren werden Kinasen aktiviert, die lose mit dem B-Zell Rezeptorkomplex (BCR-Komplex) assoziiert vorliegen (Abb. 4.7). Die Kinasen gehören in die Familie der Src Protein-Tyrosin-Kinasen (Lyn, Blk, Fyn). Diese phosphorylieren Igα und Igβ an ihren ITAM Motiven. Igα und Igβ sind in der B-Zelle das Äquiva-

Abb. 4.7 Signaltransduktion über den B-Zell Rezeptorkomplex. Die Bindung eines Antigens an die B-Zell Rezeptoren führt dazu, dass sie kreuzvernetzt werden. Dies wiederum aktiviert Protein-Tyrosin-Kinasen (Fyn, Blk, Lyn), die mit dem B-Zell Rezeptor lose assoziiert vorliegen. Die aktivierten Kinasen phosphorylieren Igαβ in ihren ITAM Motiven. Dadurch kann eine weitere Protein-Tyrosin-Kinase (Syk) über ihre SH2-Domänen binden und wird aktiviert. Syk wiederum phosphoryliert das Adapterprotein SLP65. An phosphoryliertes SLP65 können nun PhospholipaseCγ1 (PLCγ1), die Protein-Tyrosin-Kinase Blk und Grb-2 binden. PLCγ1 und Grb-2/Sos führen letztlich dazu, dass die Transkriptionsfaktoren NFAT, NF-κB und AP-1 bereitgestellt werden. Diese tragen dazu bei, die Zellteilung einzuleiten

Komplementrezeptor vermittelte Signaltransduktion in B-Zellen

129

lent zu CD3 und ζ in der T-Zelle. Durch die Phosphorylierung der ITAM Motive von Igαβ werden Bindungsstellen für eine weitere Protein-Tyrosin-Kinase (Syk) geschaffen (Abb. 4.7). Syk ist vergleichbar mit ZAP-70 in T-Zellen. Syk wird durch die Bindung an Igαβ aktiviert. Die Aktivierung wird vermutlich durch zusätzliche Phosphorylierungen der B-Zell Rezeptor assoziierten Kinasen verstärkt. Aktiviertes Syk phosphoryliert anschließend eine Reihe von Signal- und Adaptermolekülen, die für die weitere Signaltransduktion essentiell sind. Eines der Adaptermoleküle ist SLP65 (SH2-binding leukocyte phosphoprotein of 65 kD), das ein Gerüst für die Bindung von weiteren Adapterproteinen (Grb-2) und Enzymen (PLCγ1, Protein-Tyrosin-Kinase Blk) bildet. Über die Bindung der Phospholipase-Cγ1 wird der Ca2+ und Protein-Kinase-C (PKC) abhängige Signaltransduktionsweg eingeschlagen (Kap. 3.7). Dieser führt dazu, dass die Transkriptionsfaktoren NFAT und NF-κB aktiviert werden. Auf der anderen Seite führt die Bindung von Grb-2 an SLP65 dazu, dass der Guanosinnukleotid Austauschfaktor Sos binden kann. Über Sos wird die Ras/Rac abhängige Signaltransduktionskaskade aktiviert, die zur Bildung des Transkriptionsfaktors AP-1 führt (Kap. 3.7). Die Transkriptionsfaktoren führen ihrerseits nun dazu, dass Moleküle transkribiert werden, die in der B-Zelle die Zellteilung auslösen.

4.5

Komplementrezeptor vermittelte Signaltransduktion in B-Zellen B-Zellen können Thymus unabhängig durch polyvalente Antigene aktiviert werden (Kap. 4.3.1). Sie können aber auch durch nicht polyvalente Antigene Thymus unabhängig aktiviert werden, wenn das Antigen über den B-Zell Rezeptor sowie den Komplementrezepter-2 (CR2) bindet (Abb. 4.8). Das Komplementsystem besteht aus einer Reihe von hitzelabilen Proteinen im Blutplasma, die sich in Form einer Kaskade gegenseitig aktivieren und deren aktive Fragmente u.a. zur Lyse von Mikroorganismen führen (Kap. 5.2). Einer der wichtigsten Faktoren des Komplementsystems ist der Faktor C3 (C = complement). Wird C3 gespalten, so entsteht ein Spaltprodukt, das als C3b bezeichnet wird. C3b hat die Eigenschaft, an Kohlenhydratstrukturen (Hydroxylgruppen) zu binden, die sich reichlich auf der Oberfläche von Bakterien, aber auch auf Immunkomplexen befinden. Hat sich C3b auf einer Antigenoberfläche abgelagert, kann es weiter zu C3d gespalten werden. Für C3d gibt es auf der Zelloberfläche von B-Zellen einen passenden Rezeptor, den Komplementrezeptor-2. Bindet beispielsweise ein C3d besetztes Antigen an den B-Zell Rezeptor und CR2, so kann die B-Zelle aktiviert werden (Abb. 4.8). Durch die Interaktion von CR2 mit C3d bekommt die B-Zelle ein zusätzliches Signal, das zu einer verstärkten Aktivierung der Zelle führt. CR2 wird auf der Zelloberfläche zusammen mit den Molekülen CD19 und CD81 exprimiert. Der Komplex aus CR2-CD19-CD81 wird auch als B-Zell Korezeptorkomplex bezeichnet. Die Quervernetzung der B-Zell Rezeptoren führt dazu, dass die mit dem B-Zell Rezeptor assoziiert vorliegenden Protein-Tyrosin-Kinasen aus der Src-Familie (Fyn, Lyn, Blk) (Kap. 3.7) Igαβ an ihren ITAM Motiven phosphorylie-

130

4

Entwicklung und Aktivierung von B-Zellen

Abb. 4.8 Signaltransduktion über den B-Zell Korezeptorkomplex. Wird ein C3d opsonisiertes An-

tigen über den B-Zell Rezeptor (BCR) und CR2 gebunden, so kann die B-Zelle aktiviert werden. CR2 ist Teil des B-Zell Korezeptorkomplexes (CR2-CD19-CD81) und bindet an C3d. Die Bindung des Antigens an den BCR und CR2 führt dazu, dass Igαβ durch die Protein-Tyrosin-Kinasen Fyn, Blk und Lyn an seinen ITAM Motiven phosphoryliert wird. Anschließend kann die Protein-Tyrosin-Kinase Syk binden und phoshphoryliert ihrerseits CD19, das durch die Antigenbindung in die Nähe des BCR gelangt ist. Die Phosphorylierung von CD19 führt zu einer Bindung der Phosphatidyl-Inositol-Triphosphat Kinase (PI3-Kinase). Diese führt im weiteren Verlauf der Signalweiterleitung dazu, dass MAP-Kinasen aktiviert werden. Aktivierte MAP-Kinasen tragen dazu bei, dass der Transkriptionsfaktor AP-1 bereitgestellt wird. Dieser ist für die Transkription von CytokinGenen notwendig. Daneben führt Syk zu einer Aktivierung der Phospholipase-Cγ1 (PLCγ1), die wiederum für die Aktivierung der Transkriptionsfaktoren NFAT und NF-κB notwendig ist

ren. An die phosphorylierten ITAM Motive kann anschließend die Protein-Tyrosin-Kinase Syk binden. Sie wird ebenfalls durch eine der Protein-Tyrosin-Kinasen (Fyn, Lyn, Blk) phosphoryliert und dadurch aktiviert. Durch die Bindung von CR2 an C3d wird CD19 in die Nähe von Syk gebracht. Durch Syk katalysiert wird CD19 an Tyrosin-Resten seiner ITAM Motive phosphoryliert. Dadurch entsteht eine Bindungsseite für die Phosphatidyl-Inositol-Triphoshphat Kinase (PI3-Kinase). Diese aktiviert über verschiedene Zwischenstufen MAP-Kinasen, die im weiteren Verlauf

B1 B-Lymphozyten

131

Definition

Der Komplementrezeptor CR2 CR2 ist der Rezeptor, über den das Ebstein-BarrVirus (EBV) in die B-Zelle eintritt. Das EBV Virus gehört in die Familie der Herpes Viren. Mit einer weltweiten Durchseuchungsrate von etwa 90% ist es eines der erfolgreichsten Viren. Die Ansteckung erfolgt oft bereits im Kindesalter. Der Krankheitsverlauf kann asymptomatisch bis hin zu schwerer Mononukleose (Pfeiffersches Drüsenfieber) verlaufen. Das Virus persistiert nach einer Infektion lebenslang. Auch wird es mit dem Auftreten von verschiedenen Tumoren in Verbindung gebracht.

dazu beitragen, dass Transkriptionsfaktoren wie AP-1 rekrutiert werden. Zusätzlich werden über Syk Adapterproteine phosphoryliert, die dazu beitragen, dass die Phopholipase-Cγ1 aktiviert wird. Dadurch werden weitere Transkriptionsfaktoren wie NFAT und NF-κB bereitgestellt. NFAT und NF-κB führen u.a. dazu, dass die BZelle in die Mitose (Zellteilung) eintritt.

4.6

B1 B-Lymphozyten B1-Zellen bilden eine Untergruppe von B-Zellen, mit der Fähigkeit, sich selbst zu erneuern. Das bedeutet, dass diese Untergruppe von B-Zellen ohne die Hilfe von T-Zellen in die Zellteilung eintreten kann. B1-Zellen werden beim Menschen insbesondere in der Bauch-Höhle (Peritoneum) gefunden. Nur etwa 5%–10% dieser Zellen kommen im Blut bzw. in lymphatischen Organen vor. Sie besitzen als charakteristisches Markerprotein CD5 (Ly-1) auf ihrer Zelloberfläche. B1-Zellen entstehen früher in der Ontogenese als konventionelle B-Zellen. Dafür besitzen sie eine eingeschränkte Spezifität aufgrund geringer Variabilität der B-Zell Rezeptoren. Dies liegt unter anderem daran, dass die Verknüpfungsdiversität nicht in dem Ausmaß stattfindet, wie bei herkömmlichen B-Zellen. Interessant ist, dass bei der chronischen lymphatischen Leukämie alle betroffenen B-Zellen CD5+ sind. Sie stammen damit voraussichtlich von einer B1-Zelle ab. Außerdem sezernieren B1-Zellen spontan Antikörper, die häufig gegen Polysaccharide oder Lipide von Mikroorganismen gerichtet sind. Möglicherweise wird die Produktion durch Polysaccharide oder Lipidkomplexe stimuliert, die Thymus unabhängig zu einer Antikörperproduktion führen können. B1-Zellen sind eine wichtige Quelle für „natürliche Antikörper“ (Kap. 4.3.1, Abschnitt: Natürliche Antikörper), da sie spontan, d.h. ohne dass eine Infektion vorliegt, gebildet werden. Jeder Mensch besitzt diese Antikörper im Blut. B1-Zellen sind vergleichbar mit γδ-T-Zellen. Auch bei diesen ist die RezeptorVariabilität eingeschränkt. Beide Zellpopulationen bieten einen ersten Schutz gegen häufig auftretende Mikroorganismen in der frühen Phase einer Immunantwort.

132

4

Entwicklung und Aktivierung von B-Zellen

4.7

Toll-like Rezeptoren und B-Zell Aktivierung Toll-like Rezeptoren (TLRs) (Kap. 2.1, Kap. 7.4) werden sowohl auf den Zellen der angeborenen wie auch erworbenen Immunität (Kap. 1.6) exprimiert. Arbeiten der letzten Jahre zeigen, dass diese Sorte von Mustererkennungsrezeptoren (PRRs) eine Schlüsselstellung für die Regulation der Immunität besitzen (Kap. 7.5). Kürzlich wurden auf B-Zellen eine Reihe von TLRs identifiziert (Tabelle 4.1), deren Bedeutung für die Aktivierung, Klassenwechsel, Etablierung eines B-Zell Gedächtnisses sowie ihrer Beteiligung bei der Entstehung von Autoimmunerkrankungen (Kap. 6.4) Gegenstand intensiver Forschung sind. TLR7 und TLR9 sind intrazellulär (endosomal) vorliegende Rezeptoren mit einer Spezifität für einzelsträngige RNA bzw. CpG-reiche DNA mikrobiellen, aber auch endogenen, körpereigenen Ursprungs. In diesem Kontext ist es möglich, dass eine B-Zelle mit Spezifität für körpereigene DNA entsprechende Protein/DNA Komplexe über ihren B-Zellrezeptor aufnimmt und in endosomalen Kompartimenten ein Aktivierungssignal über TLR9 ausgelöst wird. In diesem Zusammenhang konnte kürzlich in Mäusen gezeigt werden, dass IgG gebundene Chromatinfragmente autoreaktive B-Zellen über den Kontakt mit dem B-Zellrezeptor und TLR9 aktivieren können.

Tabelle 4.1 Expression von Toll-like Rezeptoren auf menschlichen B-Zellen

Expression von Toll-like Rezeptoren auf humanen B-Zellen Rezeptor TLR1

Naive BZ

Aktivierte BZ

+

++

TLR2

+/-

+/-

TLR3

+/-

+/-

TLR4

+/-

+/-

TLR5

+/-

+/-

TLR6

+

+++

TLR7

+

+++

TLR8

+

+++

TLR9

+

++++

TLR10

+

++++

TLR11

n.b.

n.b.

Relative Expression von TLRs, angegeben in ++++ sehr starke Expression, +++ starke, ++ moderate Expression, + schwache aber deutliche Expression, +/- kaum nachweisbare Expression. N.b. = nicht bestimmt

Toll-like Rezeptoren und B-Zell Aktivierung

133

Definition

Ontogenese gr. Entstehung; im biologischen Kontext die Entwicklung eines Individuums (Individualentwicklung ) aus der befruchteten Eizelle bis hin zum ausgewachsenen Lebewesen

Im Hinblick auf die Aktivierung von B-Zellen durch Thymus unabhängige (TI) Antigene, scheint ein Weg der B-Zell Aktivierung über zusätzliche TLR vermittelte Signale (evtl. TLR4) abzulaufen. B-Gedächtniszellen exprimieren konstitutiv TLR2, TLR6, TLR7, TLR9 und TLR10. Hier ist eine erleichterte Aktivierung der B-Zellen im Zuge einer Sekundärinfektion durch zusätzliche stimulierende Signale ihrer TLRs denkbar.

Aufgaben

Beschreiben Sie die Tafelbilder

Tafelbild 1

134

4

Entwicklung und Aktivierung von B-Zellen

Tafelbild 2

Spezielle Literatur Bondada S, Chelvarajan, RL, Gururajan M (2005) B Lymphocytes. Encyclopedia of life sciences. 1–8 DeFranco AL (2000) B-cell activation. Immunol Rev 176:5–9 Fearon DT, Carroll MC (2000) Regulation of B lymphocyte responses to foreign and self-antigens by the CD19/CD21 complex. Annu Rev Immunol 18:393–422 Hardy RR (2006) B-1 B cells: development, selection, natural autoantibody and leukemia. Curr Opin Immunol 18:547–555 Holers VM, Kulik L (2007) Complement receptor 2, natural antibodies and innate immunity: Inter-relationships in B cell selection and activation. Mol Immunol 44:64–72 Klaus GGB (2001) Lymphocyte Development. Nature Encyclopedia of life sciences 1–8 Kurosaki T (2002) Regulation of B-cell signal transduction by adaptor proteins. Nat Rev Immunol 2:354–363 Lanzavecchia A, Sallusto F (2007) Toll-like receptors and innate immunity in B-cell activation and antibody responses. Curr Opin Immunol 19:268–274 Nemazee D (2006) Receptor editing in lymphocyte development and central tolerance. Nat Rev Immunol 6:728–740 Peng S. L. (2005) Signaling in B cells via Toll-like receptors. Curr Opin Immunol 17:230–236

Toll-like Rezeptoren und B-Zell Aktivierung

135

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5

Effektorreaktionen von angeborener und erworbener Immunität

5.1

Allgemeines Die Effektorreaktionen von angeborener und erworbener Immunität werden von löslichen sowie zellulären Komponenten vermittelt. Zu den zellulären Komponenten der angeborenen Immunität zählen Phagozyten (Granulozyten, Makrophagen, dendritische Zellen) sowie natürliche Killerzellen und Mastzellen (vgl. Kap. 1, Abb. 1.12). Phagozyten besitzen Rezeptoren auf ihrer Zelloberfläche, mit denen sie an ein breites Spektrum von Mikroorganismen binden, um sie anschließend phagozytieren zu können. Natürliche Killerzellen besitzen das Potential, virusinfizierte Zellen sowie entartete Zellen zu zerstören. Mastzellen sind von besonderer Bedeutung bei Wurminfektionen. Diese Zellen besitzen intrazelluläre Speichervesikel, die mit Botenstoffen (insbesondere Histamin) gefüllt sind und auf einen entsprechenden Stimulus hin ausgeschüttet werden können, um ihre inflammatorische (entzündungsfördernde) Wirkung zu entfalten. Zu den löslichen Abwehrkomponenten der angeborenen Immunität zählen insbesondere das Komplementsystem sowie antimikrobielle Peptide, Phagozyten aktivierende Cytokine und Lysozym. Die Effektorreaktionen der erworbenen Immunität werden insbesondere durch T (thymus)- und B (bone marrow)-Zellen vermittelt. Während T-Zellen die Träger der zellvermittelten Effektorreaktionen sind, wird der lösliche (humorale) Schutz durch Antikörper vermittelt, die von B-Zellen produziert werden. Zu den zellvermittelten Effektorreaktionen zählt die Aktivierung von B-Zellen durch T-Helfer Zellen. Sie aktivieren aber auch Makrophagen, die mit intrazellulären Erregern (Prokaryoten oder Protozoen) infiziert sind. Aktivierte Makrophagen produzieren eine Reihe von bakteriziden Substanzen, durch die intrazelluläre Erreger abgetötet werden können. Darüber hinaus aktivieren T-Helfer Zellen auch dendritische Zellen. Aktivierte dendritische Zellen sind in der Lage, naive CD8+ T-Zellen zu aktivieren. Im Verlauf der Aktivierung differenzieren aus diesen Zellen zytotoxische T-Zellen. Zytotoxische T-Zellen besitzen, ähnlich wie natürliche Killerzellen, die Funktion, virusinfizierte Zellen oder entartete Zellen aufzuspüren und zu zerstören. Die Effektorreaktionen der angeborenen und erworbenen Immunität sind miteinander vernetzt. Diese Vernetzung wird insbesondere durch dendritische Zellen,

138

5

Effektorreaktionen von angeborener und erworbener Immunität

Definition

Protozoe Protozoon (sing.): Urtier; Einzeller mit Zellkern, aber ohne Zellwand

Makrophagen, natürliche Killerzellen und Cytokine vermittelt. Es gibt auch Zelltypen, die aufgrund ihrer Entstehung zu Zellen der erworbenen Immunität gezählt werden können, die aber aufgrund ihrer breiten antimikrobiellen Wirkungsspezifität vermutlich eine Brückenstellung zwischen der angeborenen und erworbenen Immunität einnehmen. Zu diesen Zellen zählen NKT-Zellen, γδ-T-Zellen (Kap. 3.1.2) sowie B1-Lymphozyten (Kap. 4.6). 5.2

Das Komplementsystem Das Komplement besteht aus einer Reihe von löslichen, hitzelabilen Proteinen im Serum (u.a. C1 bis C9, C = Komplement; engl. complement). Die Komplementfaktoren C1 bis C9 werden in der Leber gebildet und von ihr in die Blutbahn sezerniert. In Gegenwart von mikrobiellen Keimen kommt es zu einer kaskadenförmigen Aktivierung der einzelnen Faktoren. Die aktiven Bestandteile besitzen unterschiedliche biologische Funktionen (Abb. 5.1). Zu diesen Funktionen zählen: a) opsonisieren, b) Zytolyse und c) die Aktivierung weiterer Zellen. Die Aktivierung erfolgt i.d.R. durch eine proteolytische Spaltung der Faktoren. Im Falle der Faktoren C2 bis C5 entsteht dabei jeweils ein großes Spaltprodukt, das sich auf der Oberfläche des Erregers ablagert, sowie ein kleines, lösliches Spaltprodukt. Die großen Spaltprodukte werden von vielen Autoren mit dem Bustaben „b“ versehen (z.B. C2b, C3b), die kleinen Spaltprodukte mit dem Buchstaben „a“ (s. Box Definition).

Historie

Die ersten Hinweise auf das Komplementsystem wurden um 1890 durch Jules Bordet am Pasteur Institut in Paris gesammelt. Er konnte zeigen, dass ein Antiserum gegen den Cholera Erreger (Vibrio cholerae) zu einer Zerstörung (Lyse) der Bakterien führte. Wurde hingegen das Antiserum auf 56°C erhitzt, verlor es die Fähigkeit zur Lyse der Bakterien. Erstaunlicherweise wurden die Bakterien auch dann lysiert, wenn er zu dem erhitzten Serum frisches Serum gab, das keinerlei Antikörper gegen Vibrio cholerae enthielt und für sich allein zu keiner Zerstörung der Bakterien führte. Aus diesen Experimenten schloss er, dass es im Serum hitzelabile Faktoren geben musste, die Antikörper abhängig zu einer Lyse des Cholera Erregers führten. Für diese Entdeckung bekam er 1919 den Nobelpreis. Die Faktoren wurden von Paul Ehrlich als Komplement bezeichnet, weil sie die „Aufgabe von Antikörpern zum Ende“ bringen (to complete the function of antibodies). Bordet entwickelte ein einfaches Testsystem, mit dem er das Komplement nachweisen konnte. Hierfür setzte er Schafserythrozyten ein, die nach Zugabe von Serum lysiert wurden.

Das Komplementsystem

139

Abb. 5.1 Die Hauptfunktionen des Komplementsystems. Wichtige Funktionen des Komplement-

systems sind die Opsonisierung von belebten oder unbelebten, körperfremden Bestandteilen durch den Komplementfaktor C3b (gelbes Quadrat). C3b opsonierte Bestandteile können durch Phagozyten, beispielsweise Makrophagen, phagozytiert werden. Die Phagozytose wird durch die Bindung des Komplementrezeptors CR1 (grün) an C3b eingeleitet. Weitere Funktionen des Komplementsystems bestehen in der Zytolyse von Mikroorganismen durch den Membran-Angriff-Komplex (membrane attack complex, MAC) (rote Zylinder) sowie der Aktivierung weiterer Zellen durch die Spaltprodukte C3a, C5a, C4a (Kreise)

Der Komplementfaktor C3 überwiegt in seiner Konzentration deutlich gegenüber den restlichen Komplementfaktoren im Serum (Tabelle 5.1). Dessen Spaltprodukt C3b wirkt als Opsin und ist in der Lage, belebte oder unbelebte körperfremde Bestandteile zu opsonisieren. C3b opsonisierte Bestandteile können sehr effizient durch aktivierte Phagozyten phagozytiert werden. Diese besitzen einen Rezeptor auf ihrer Zelloberfläche (Komplementrezeptor CR1), der an C3b bindet. Dieser Rezeptor ist ebenfalls auf der Zelloberfläche von Erythrozyten vorhanden. Hier dient er dazu, Immunkomplexe an Erythrozyten zu binden und über diese zu Milz und Niere transportieren zu lassen, wo sie abgebaut bzw. ausgeschieden werden. Das Komplementsystem führt durch die Ausbildung des sogenannten Membran-Angriff-Komplexes (MAC) direkt zu einer Zerstörung von Mikroorganismen durch Zytolyse (Abb. 5.1). Hierbei wird durch Komplementproteine eine Pore in die Membran des Mikroorganismus „gebohrt“. Dadurch kommt es zur Komplement vermittelten Lyse der Zelle. Die leichten Spaltprodukte, die im Zuge der Aktivierung der Komplementfaktoren C3, C4 und C5 entstehen (C3a, C4a, C5a), führen zu einer Erweiterung der Blutgefäße, locken Phagozyten zum Infektionsherd und aktivieren diese für eine verstärkte Phagozytose von C3b opsonisierten Komplexen.

140

5

Effektorreaktionen von angeborener und erworbener Immunität

Definition

Opsonisieren Veränderung der Oberfläche durch die Ablagerung bestimmter Substanzen; der opsonisierende Faktor des Komplementsystems ist C3b. Opsin eine Substanz, die durch Anlagerung an eine Oberfläche diese nach außen hin verändert Zytolyse Zerstörung der Zelle durch Lyse der Zellwand Immunkomplexe Komplexe aus Antikörper und Antigen, die während Entzündungsreaktionen gebildet werden Die Nomenklatur der Komplementfaktoren Die Faktoren des klassischen Weges sind durchnummeriert und beginnen alle mit einem C für complement. Leider entspricht die Nummerierung nicht der Reihenfolge ihrer Entdeckung (C1, C4, C2, C3, C5 bis C9). Die großen Spaltprodukte der Komplementfaktoren werden mit einem „b“ gekennzeichnet (z.B. C3b), während die leichten Spaltprodukte mit einem „a“ gekennzeichnet werden. Hier muss aber darauf hingewiesen werden, dass aus historischen Gründen das Spaltprodukt C2b von manchen Autoren als C2a benannt wird. Die Faktoren des alternativen Weges werden mit großen Buchstaben (B, D, P) bezeichnet. Aber auch hier werden die großen Spaltprodukte mit einem zusätzlichen „b“, die kleinen Spaltprodukte mit einem zusätzlichen „a“ gekennzeichnet.

5.2.1

Aktivierung des Komplementsystems Die Komplementkaskade kann über drei Wege ausgelöst werden. Über den klassischen Weg, den Lektin-Weg und den alternativen Weg.

Der klassische Weg

Der klassische Weg der Komplementaktivierung wird durch Antikörper ausgelöst, die an ihre Antigene gebunden haben müssen. Prinzipiell reicht ein gebundenes IgM Molekül aus, um das Komplement zu aktivieren. Im Blut findet über IgM keine Aktivierung statt, da es im Blut eine planare (in einer Ebene liegende) Konformation einnimmt. Bindet IgM aber an sein Antigen, so kommt es zu einer Konformationsänderung im Molekül, aufgrund derer die Fc Anteile für die Bindung des ersten Komplementfaktors (C1, complement-1) zugänglich werden. Hingegen kann über IgG das Komplement nur dann aktiviert werden, wenn mindestens zwei IgG Mo-

Tabelle 5.1 Konzentration der Komplementfaktoren im Serum

Komplementfaktoren und deren Serumkonzentration (µg/ml) C1q

C1r C1s

C4

C2 C3

75–150

50

300–600

20

50

C5

1000–1200 80

C6 C7 C8 C9 B

D

45

1–2 25

90

60

60

200

P

Das Komplementsystem

141

leküle in einem bestimmten Abstand zueinander auf der Oberfläche des Antigens gebunden haben. Nur dann kann der Faktor C1 binden. C1 ist vergleichbar mit der Form eines „Tulpenstraußes“. Dieser Faktor besteht aus sechs Untereinheiten „q“, aus zwei Untereinheiten „s“ und aus zwei Untereinheiten „r“ (C1q6r2s2) (Abb. 5.2). Die Köpfe der „q“ Untereinheiten binden an die Fc Anteile der am Antigen gebundenen Antikörper. Dadurch kommt es zu einer Konformationsänderung. Die Konformationsänderung der Untereinheiten „q“ führt dazu, dass die Untereinheiten „r“ (C1r) aktiviert werden. Im aktiven Zustand besitzen die „r“ Untereinheiten eine Serinproteaseaktivität. Anschließend werden die Untereinheiten „s“ (C1s) durch C1r gespalten und dadurch aktiviert. Auch sie besitzen im aktiven Zustand eine Serinproteaseaktivität. An den aktiven Untereinheiten C1s erfolgt im nächsten Schritt die Spaltung des Faktors C4 in C4b und C4a. C4b bindet kovalent auf der Oberfläche des Antigens, während C4a als lösliches Spaltprodukt davon diffundiert (Abb. 5.2). An C4b lagert sich anschließend der Faktor C2 an und wird daraufhin durch C1s in C2b und C2a gespalten. Das Spaltprodukt C2b besitzt ebenfalls eine Serinproteaseaktivität. C2a ist löslich und diffundiert davon. Der Komplex aus C4bC2b wird als C3-Konvertase (lat. convertere: umwandeln) bezeichnet, weil an ihm der Faktor C3 in C3b und C3a gespalten wird. Die Spaltung wird durch die Serinproteaseaktivität von C2b katalysiert. C3b lagert sich kovalent auf der Oberfläche des Antigens ab. Da C3 im Vergleich zu den restlichen Komplementfaktoren in hoher Konzentration im Serum vorhanden ist (Tabelle 5.1), kann viel C3 gespalten werden. Als Folge davon wird das Antigen durch das große Spaltprodukt (C3b) opsonisiert. Mit der Bildung der C3-Konvertase ist die frühe Phase der Komplementaktivierung abgeschlossen. Durch die Spaltung von C3 beginnt die späte Phase der Komplementaktivierung, die in der Ausbildung des Membran-Angriff-Komplexes gipfelt.

Der Lektin-Weg

Während der frühen Phase einer Infektion kommt es häufig zu Veränderungen in der Konzentration von bestimmten Serumproteinen im Blut (akute Phase der Immunantwort). Verursacht wird diese Veränderung durch die Cytokine IL1, IL6 und TNFα, die von Makrophagen produziert werden und in der Leber u.a. die Produktion und Freisetzung der beiden Akute-Phase-Proteine MBL (Mannan-BindeLektin) und CRP (C-reaktives Protein, C (engl. complement) bewirken. MBL ist ein Lektin, das an Mannosereste und bestimmte Zuckerstrukturen bindet, die sich auf der Oberfläche von vielen Mikroorganismen befinden. Hat MBL an Pathogene gebunden, so kann es das Komplement aktivieren. Das C-reaktive Protein bindet hingegen an Phosphatidylcholin, einem wichtigen Lipid in der Biomembran. CRP wirkt wie MBL opsonisierend und kann im gebundenen Zustand ebenfalls das Komplementsystem aktivieren. Es ist kein Lektin, hat aber Lektin ähnliche Eigenschaften. MBL ist ähnlich wie der Komplementfaktor C1 aufgebaut und erinnert an einen Tulpenstrauß. Über seine sechs „Tulpenköpfe“ bindet MBL an Zuckerstrukturen des Antigens. Der Faktor besitzt jeweils zwei weitere Untereinheiten MASP-1 (MBL

142

5

Effektorreaktionen von angeborener und erworbener Immunität

Abb. 5.2 Aktivierung des Komplementsystems. Die Komplementkaskade kann über drei Wege aktiviert werden: 1) Der klassische Weg. Er wird durch die Bindung von Antikörpern auf der Oberfläche von Antigenen eingeleitet. 2) Der Lektin-Weg. Er wird durch das Mannan-Bindende-Lektin (MBL) ausgelöst. 3) Der alternative Weg. Dieser Weg läuft spontan durch die hydrolytische Spaltung von C3 im Plasma und die anschließende Bildung einer löslichen C3 Konvertase (C3H2OBb) ab. Alle drei Wege führen in der frühen Phase der Komplementaktivierung zu der Bildung einer am Antigen gebundenen C3-Konvertase. C4bC2b ist die C3-Konvertase des klassischen Wegs und des Lektin-Wegs. C3bBb ist die C3-Konvertase des alternativen Wegs. Durch die Spaltung von C3 beginnt die späte Phase der Komplementaktivierung, die zur Bildung einer C5 Konvertase und schließlich zur Ausbildung des Membran-Angriff-Komplexes (MAC) führt. Mit * sind die Faktoren gekennzeichnet, die eine Serinproteaseaktivität besitzen

assoziierte Serinprotease) und MASP-2, die mit den Untereinheiten C1r und C1s vergleichbar sind. Die Bindung von MBL führt zu einer Konformationsänderung, aufgrund derer die Untereinheiten MASP-1 Serinproteaseaktivität erhalten. Die Untereinheiten aktivieren nun die Untereinheiten MASP-2, die ihrerseits nun Serinproteaseaktivität erlangen. Im nächsten Schritt werden die Komplementproteine C4 und C2 durch MASP-2 gespalten, und es kommt ebenfalls wie beim klassischen Weg zur Bildung der C3-Konvertase (C4bC2b). Definition

Serinprotease Bei der Klasse der Serinproteasen stellt die Hydroxylgruppe eines Serinrests das freie Elektronenpaar für einen nukleophilen Angriff auf die Peptidbindung des Proteins zur Verfügung.

Das Komplementsystem

143

Der alternative Weg

Nachdem der klassische Weg der Komplementaktivierung beschrieben worden war, wurde ein zweiter (alternativer) Weg entdeckt. Der alternative Aktivierungsweg ist im Vergleich zum klassischen Weg als der phylogenetisch ältere Weg der Komplementaktivierung zu betrachten. Er ist bereits in seinen Gründzügen auch bei vielen niederen Wirbeltieren (Vertebraten) und Nicht-Wirbeltieren (Invertebraten) realisiert (Kap. 7). Die Komplementaktivierung erfolgt hier „spontan“, ohne die Beteiligung eines initialen Proteins, wie z.B. Antikörper, MBL oder das C-reaktive Protein. Der alternative Weg wird durch eine spontane Hydrolyse der Thioesterbindung im Faktor C3 ausgelöst (Abb. 5.2). Dabei entsteht eine Form, die als C3H2O bezeich-

Abb. 5.3 Ablagerung von C3b. Die Komplementfaktoren C4, C2, C3 und B besitzen eine im Molekül

verborgene Thioesterbindung. Durch die Spaltung dieser Faktoren wird die Thioesterbindung von außen her zugänglich. Sind nun freie Hydroxylgruppe auf der Oberfläche von Pathogenen zugänglich, kommt es zu einer spontanen Umesterungsreaktion. Dadurch werden die schweren Spaltprodukte kovalent an die Pathogen-Oberfläche gebunden. Sind keine Pathogene in der Nähe, so wird die Thioesterbindung durch hydrolytische Spaltung inaktiviert. C3b opsonisierte Pathogene können sehr effizient von Phagozyten phagozytiert werden, wenn diese zuvor durch den löslichen Faktor C5a aktiviert worden sind. C5a steigert die Expression von Komplementrezeptoren (CR) auf der Oberfläche von neutrophilen Granulozyten und Makrophagen

144

5

Effektorreaktionen von angeborener und erworbener Immunität

net wird. Diese ist zugänglich für den Faktor B des alternativen Weges. Die Bindung von B ermöglicht es dem Faktor D zu binden. Faktor D besitzt eine Serinproteaseaktivität und spaltet B zu Bb und Ba. Bb besitzt ebenfalls Serinproteaseaktivität und bleibt an C3H2O gebunden. Beide bilden zusammen den löslichen Komplex C3H2OBb. Dieser Komplex ist eine lösliche C3-Konvertase (Abb. 5.2). Obwohl nur wenig lösliche C3-Konvertase gebildet wird, können, aufgrund der großen Menge von C3 im Serum, viele C3 Moleküle zu C3b und C3a gespalten werden (Tabelle 5.1). Ein Großteil der gebildeten C3b Moleküle wird durch Hydrolyse inaktiviert. Jedoch besteht prinzipiell die Möglichkeit, dass einige C3b Moleküle auch kovalent an die Oberfläche von Pathogenen binden können (Abb. 5.3). Hat C3b kovalent gebunden, so kann Faktor B an C3b binden. In gebundener Form ist dieser nun Substrat für den löslichen Faktor D. Faktor D spaltet gebundenen Faktor B zu Bb und Ba. Bb bildet nun zusammen mit C3b die zellgebundene C3-Konvertase des alternativen Wegs (C3bBb). Diese Konvertase wird durch einen weiteren Faktor des alternativen Weges, den Faktor P (Properdin), stabilisiert (Abb. 5.2). Damit ist die frühe Phase der Komplementaktivierung durch den alternativen Weg abgeschlossen.

Ausbildung des Membran-Angriff-Komplexes

Der erste Schritt zur Ausbildung des Membran-Angriff-Komplexes (MAC) ist die Bildung der C5-Konvertase. Bindet C3b an die C3-Konvertase C4bC2b, so entsteht die C5-Konvertase des klassischen Wegs und des Lektin-Wegs (C4bC2bC3b). Bindet C3b an die C3 Konvertase C3bBb, so entsteht die C5-Konvertase des alternativen Wegs (C3bBbC3b). An die C5-Konvertasen kann nun der Faktor C5 binden. C5 wird anschließend durch die Serinproteaseaktivität von C2b bzw. Bb zu C5b und C5a gespalten (Abb. 5.2). Während C5b auf der Zelloberfläche des Pathogens kovalent bindet, diffundiert C5a davon. Über C5b wird die Zusammenlagerung der folgenden Komplementfaktoren und deren Einbau in die Zellmembran eingeleitet: Zunächst bindet C6 an C5b. An diesen C5bC6 Komplex lagert sich C7 an. Durch die Bindung verändert C7 seine Konformation. Dadurch wird ein hydrophober BeDefinition

TNFα Tumor-Nekrose-Faktor alpha. Dieser Faktor bekam seinen Namen aufgrund der Entdeckung, dass er eine Nekrose von Tumorzellen in vivo auslösen konnte. Später stellte sich allerdings heraus, dass dies nur aufgrund von unphysiologisch hohen Konzentrationen der Fall war. TNFα wird von Makrophagen während einer Infektion mit gram(-) Bakterien ausgeschüttet. Es steigert die Durchlässigkeit (Permeabilität) der Blutgefäße, aktiviert das Endothel und Leukozyten. TNFα ist ein Vermittler von Entzündungsreaktionen und wird deshalb auch als inflammatorisches (entzündungsförderndes) Cytokin bezeichnet. Vertebraten (lat. Vertebrata): Wirbeltiere; sie bilden einen Unterstamm der Chordata (Rückenseitentiere). Die Chordata besitzen ein im Rücken gelegenes Achsenoder Stützskelett.

Das Komplementsystem

145

Definition

Hydrophob gr. hydro: Wasser; fobos: Furcht: Wasser abweisend Heterodimer ein Zweikettenkomplex, der von zwei unterschiedlichen Polypeptidketten gebildet wird; demgegenüber wird ein Homodimer durch die Zusammenlagerung zweier identischer Polypeptidketten gebildet. Allgemein wird ein Zweikettenkomplex als Dimer bezeichnet. –9 nm Ein nm (Nanometer) sind 10 m.

reich im Molekül nach außen verlagert. Dieser schiebt sich in die Membran des Pathogens. Als nächstes bindet der Faktor C8 an C5b des C5bC6C7 Komplexes. C8 besteht aus drei Polypeptidketten (α,β,γ), von denen sich αγ zu einem Heterodimer zusammenlagern. Während die β-Untereinheit an C5b bindet, schiebt sich das αγHeterodimer ebenfalls in die Membran des Pathogens. Das αγ Heterodimer katalysiert schließlich die Polymerisation von 10 bis 15 C9 Molekülen, die eine Pore in der Membran des Pathogens bilden. Durch die Pore wird bei Prokaryonten der Protonentransport über die Membran entkoppelt. Es entsteht eine Art „Kurzschluss“ und damit verbunden ein Energieverlust für das Pathogen, da kein ATP mehr durch den Protonen-Gradienten gebildet werden kann. Vermutlich wird aber auch der Ionenhaushalt durch den Einstrom von Ca2+-Ionen in das Pathogen verändert. In der Summe führen die Folgen des MAC letztlich zum Tod des Erregers. Der MAC Komplex hat etwa einen Durchmesser von 10 und eine Höhe von 15 nm.

Mechanismus der Ablagerung der großen Spaltprodukte

Durch die Spaltung der Komplementfaktoren C4, C2, C3, C5 und B wird eine hochreaktive Thioesterbindung nach außen hin zugänglich. Sind freie Hydroxylgruppen (-OH), wie sie beispielsweise reichlich in Zuckern auf der Zelloberfläche von Mikroorganismen vorkommen, für die Thioesterbindung zugänglich, kommt es zu einer Umesterungsreaktion. Dadurch werden die großen Spaltprodukte kovalent auf der Oberfläche des Pathogens gebunden (Abb. 5.3). Sind keine freien OH-Gruppen auf der Zelloberfläche von Pathogenen für die Thioesterbindung der großen Spaltprodukte zugänglich, wird diese sehr schnell durch Wassermoleküle hydrolytisch gespalten. Durch eine hydrolytische Spaltung der Thioesterbindung werden die großen Spaltprodukte inaktiviert. 5.2.2

Anaphylatoxine Die leichten Spaltprodukte C4a, C3a und C5a sind biologisch aktiv (Tabelle 5.2) und können eine Entzündung auslösen. Von den Dreien ist C5a am stabilsten und besitzt die stärkste Aktivität. Alle drei führen zu einer organspezifischen Kontrak-

146

5

Effektorreaktionen von angeborener und erworbener Immunität

Tabelle 5.2 Physiologische Wirkung der Anaphylatoxine

Effektorreaktion

C4a

C3a

C5a

Kontraktion der glatten Muskulatur

X

X

X

Erhöhung der Gefäßpermeabilität

X

X

X

Anlocken von neutrophilen Granulozyten und Monozyten

X

X

Aktivierung des Gefäßendothels (Adhäsionsmoleküle)

X

X

Aktivierung von Mastzellen (Degranulation)

X

Aktivierung von neutrophilen Granulozyten und Monozyten (Adhäsionsmoleküle, Komplementrezeptoren werden auf die Zelloberfläche reguliert; Phagozytose wird induziert)

X

tion der glatten Muskulatur. Sie steigern die Gefäßpermeabilität (Durchlässigkeit) der Blutgefäße, indem sie zu einer Kontraktion der Endothelzellen führen und sich dadurch Lücken zwischen den Zellen bilden. In diesen Bereichen kann es nun zu einem erleichterten Durchtritt (Diapedese) von Phagozyten, Lymphozyten sowie einem verstärkten Ausstrom von Plasma in das umliegende Gewebe (Plasma-Extravasation) kommen (Abb. 5.4). Das Einwandern von Leukozyten in das Gewebe wird auch als Extravasation bezeichnet. Durch den verstärkten Ausstrom von Plasma schwillt das Gewebe an. Auf der anderen Seite wird durch den verstärkten Flüssigkeitseinstrom in das Gewebe die Auswanderung von dendritischen Zellen aus dem Gewebe, hinein in die umliegenden Lymphgefäße, begünstigt. Die dendritischen Zellen gelangen über die Lymphgefäße in die umliegenden Lymphknoten und können dort eine Immunantwort (adaptive Immunantwort) einleiten. Die Anaphylatoxine C3a und C5a wirken außerdem als Chemokine und locken Phagozyten zum Ort der Infektion (Tabelle 5.2, Abb. 5.4). Sie induzieren die Expression von Adhäsionsmolekülen auf Endothelzellen und Phagozyten. Blutgefäße werden innen von Endothelzellen ausgekleidet. Durch die Adhäsionsmoleküle wird die Haftung der Phagozyten am Gefäßendothel verstärkt und schließlich der Durchtritt in das Gewebe ermöglicht. Zusätzlich steigert C5a die Expression der Komplementrezeptoren CR1 und CR3 auf der Zelloberfläche von Phagozyten und aktiviert diese für die Phagozytose von C3b opsonisierten Partikeln (Abb. 5.1 und 5.4). C5a aktiviert auch Mastzellen, die daraufhin Histamin und TNFα ausschütten (Abb. 5.4). Diese Substanzen verstärken den Effekt von C3a und C5a, indem sie die Permeabilität der Blutgefäße erhöhen. Histamin zählt zu den biogenen Aminen, da es durch Decarboxylierung der Aminosäure Histidin (Abb. 5.5) in Mastzellen gebildet wird. TNFα führt zusätzlich zu einer verstärkten Expression von Adhäsionsmolekülen auf den Endothelzellen. In der Summe führen die Anaphylatoxine dazu, Phagozyten zu rekrutieren um die Infektion einzudämmen. Dadurch wird Zeit gewonnen, bis die Effektorreaktionen der erworbenen Immunität greifen.

Das Komplementsystem

147

Definition

Anaphylatoxine Anaphylatoxine sind Substanzen, die eine allergische Reaktion auslösen können. Der Begriff leitet sich von dem griechischen Wort Anaphylaxie (= allergische Reaktion) ab. Entzündung) lat. inflammation; sie ist die Immunantwort auf einen Reiz, die dazu führt, diesen Reiz zu beseitigen. I.d.R. sind es körperfremde Substanzen, die dazu führen, das inflammatorische Cytokine oder Anaphylatoxine (C5a, C3a, C4a) ausgeschüttet werden. Diese führen zu einer lokal begrenzten Erweiterung der Blutgefäße und damit zu einem erleichterten Übertritt von Plasma und Phagozyten in das infizierte Gewebe. Sie locken Phagozyten und Lymphozyten zum Ort der Infektion, können damit verbunden aber auch zu einer lokalen Gewebeschädigung führen. Glatte Muskulatur ein kontraktiles Gewebe vieler Hohlorgane, Blut- und Lymphgefäße. Die Kontraktion unterliegt im Gegensatz zur quergestreiften Muskulatur keiner willentlichen Kontrolle, sondern wird durch lösliche Mediatoren reguliert, die organspezifisch die Muskulatur kontrahieren, bzw. dilatieren (erschlaffen) lassen.

5.2.3

Komplementrezeptoren Die Hauptaufgabe des Komplementsystems ist die Zerstörung von Pathogenen. Dies kann durch Zytolyse oder Phagozytose der opsonisierten Pathogene geschehen. Für die Phagozytose sind Komplementrezeptoren (CR) notwendig, die sich auf der Zelloberfläche der Phagozyten befinden. Die bislang charakterisierten Komplementrezeptoren binden überwiegend an C3b und seine Derivate. C3b kann durch regulatorische Mechanismen auf der Zelloberfläche der Pathogenen in unterschiedliche Derivate gespalten werden. Diese Derivate können zwar nicht mehr zu einer funktionsfähigen C3-Konvertase führen, aber dennoch das Pathogen opsonisieren. Die Komplementrezeptoren sind je nach Funktion zelltypspezifisch verteilt (Tabelle 5.3). Ein wichtiger Rezeptor ist der Komplementrezeptor-1 (CR1). Er bindet an C3b und befindet sich z.B. auf der Zelloberfläche von Erythrozyten und Makrophagen. Er besitzt eine besondere Bedeutung für die Beseitigung von Immunkomplexen. C3b opsonisierte Immunkomplexe können über diesen Rezeptor an Erythrozyten binden. Sie werden über die Erythrozyten zu Milz und Niere transportiert, wo sie abgebaut oder ausgeschieden werden. CR2 und CR3 sind Rezeptoren, die Derivate von C3b erkennen. Zu diesen Derivaten gehört iC3b (inaktives C3b) und C3d. CR2 befindet sich auf der Zelloberfläche von B-Zellen. Dieser Rezeptor besitzt eine besondere Bedeutung für die B-Zell Aktivierung. Antigene, die an den B-Zell Rezeptor binden und zusätzlich mit C3d opsonisiert sind, können zu einer B-Zell Aktivierung führen (s. 4.4.1). CR2 ist außerdem der Rezeptor, über den das Ebstein-Barr-Virus in die B-Zelle eintritt.

148

5

Effektorreaktionen von angeborener und erworbener Immunität

Abb. 5.4 Wirkung der Anaphylatoxine. Die leichten Spaltprodukte der Komplementfaktoren C4, C3 und C5 sind biologisch aktiv. Sie führen zur Kontraktion der glatten Muskulatur und erweitern die Blutgefäße. Die Spaltprodukte C3a und C5a wirken außerdem als Chemokine und locken Phagozyten zum Ort der Infektion. Sie induzieren die Expression von Adhäsionsmolekülen auf Endothelzellen und Phagozyten. Die Adhäsionsmoleküle sind notwendig, damit die Phagozyten am Endothel haften bleiben und es am Ort der Infektion durchqueren können. Die stärkste Wirkung besitzt C5a. Es führt zusätzlich zu einer verstärkten Expression von Komplementrezeptoren (CR1, CR3) auf Phagozyten und aktiviert sie für eine Phagozytose von C3b opsonisierten Partikeln. Daneben aktiviert C5a Mastzellen, die daraufhin Histamin ausschütten. Histamin führt ebenfalls dazu, dass sich die Blutgefäße erweitern

Abb. 5.5 Decarboxylierung von Histidin zu Histamin

Das Komplementsystem

149

Tabelle 5.3 Funktion und Verteilung von Komplement inaktivierenden Faktoren

Verteilung

Spezifität

Funktion

CR1

Erythrozyten, Makrophagen/ Monozyten, Granulozyten, B- und T-Zellen, Follikulär dendritische Zellen

C3b, C4b, iC3b

stimuliert die Phagozytose; Beseitigung von Immunkomplexen durch Erythrozyten; fördert die Dissoziation der C3 Konvertase durch Spaltung von C3b und C4b

CR2

B-Zellen, Follikulär dendritische Zellen

iC3b

Teil des B-Zell Korezeptorkomplexes; Rezeptor für EBV

CR3

Makrophagen/Monozyten, Granulozyten, NK-Zellen

iC3b

stimuliert die Phagozytose

CR4

Makrophagen/Monozyten, Granulozyten, dendritische Zellen, NK-Zellen

iC3b

stimuliert die Phagozytose

Definition

iC3b C3b ist eine Schlüsselkomponente in der Komplementkaskade und kann durch regulatorische Mechanismen in inaktives C3b (iC3b) gespalten werden, das am Antigen haften bleibt und zur Opsonisierung beiträgt.

Zu erwähnen bleibt, dass iC3b opsonisierte Immunkomplexe von Phagozyten phagozytiert werden können, ohne dass diese zuvor aktiviert werden müssen (z.B. durch C5a). 5.2.4

Komplementproteine werden auf körpereigenen Zellen inaktiviert Die Aktivierung der Komplementkaskade muss reguliert werden, damit es nicht zu einer Schädigung von körpereigenen Zellen kommt (Tabelle 5.4). Wurde das Komplement im Verlauf einer Infektion aktiviert, so muss ebenfalls verhindert werden, dass körpereigene Zellen durch reaktive Spaltprodukte geschädigt werden. Diese Kontrollfunktionen werden durch eine Reihe von regulatorischen Proteinen ausgeführt, die einerseits im Blut zirkulieren, andererseits zellgebunden auf der Oberfläche von körpereigenen Zellen vorkommen. Die regulatorischen Proteine führen u.a. dazu, dass keine aktive C3 oder C5 Konvertase auf körpereigenen Zellen gebildet werden kann. In der späten Phase der Komplementaktivierung kann die Bildung des MAC Komplexes auf körpereigenen Zellen durch regulatorische Proteine verhindert werden. t
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von C1r und C1s inhibiert. Dieser Serinprotease Inhibitor wird von C1s als Substrat gebunden, dessen proteolytische Aktivität aber anschließend inhibiert.

150

5

Effektorreaktionen von angeborener und erworbener Immunität

Tabelle 5.4 Komplement inhibierende Faktoren

Konz. (µg/ml)

Verteilung

Ziel

Funktion

C1 Inhibitor (C1 INH)

200

Plasma

C1r, C1s

Serinprotease Inhibitor, der C1r und C1s inhibiert.

Faktor H

480

Plasma

C3b

löst Bb von C3b

Faktor I

35

Plasma

C4b, C3b

Serinprotease; spaltet C3b und C4b nach Bindung an einen Kofaktor (Faktor H, MCP, C4BP, CR1)

300

Plasma

C4b

löst C2b von C4b

Membran-KofaktorProtein (MCP)

Blutzellen, Endo- und Epithelzellen

C3b, C4b

spaltet C3b und C4b

Zerfall-Beschleunigungs-Faktor (DAF)

Blutzellen, Endo- und Epithelzellen

C4b2b, C3bBb

Dissoziation der C3 Konvertase (löst C2b von C4b, sowie Bb von C3b)

CD59

Blutzellen, Endo-und Epithelzellen

C7, C8

verhindert die Polymerisation von C9)

C4-binde Protein (C4BP)

t
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'BLUPS
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decay-accelerating factor) liegt zellgebunden vor und zerstört die C3 Konvertase, indem er C2b von C4b bzw. C3b von Bb löst. t
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nur in Gegenwart weiterer regulatorischer Proteine wie MCP, Faktor H, CR1 oder C4BP aktiv. Die C3 Spaltprodukte können keine C3 oder C5 Konvertase mehr bilden, können aber als Opsin wirken und werden von Komplementrezeptoren auf der Zelloberfläche von Phagozyten gebunden. t
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indem es sich an C7C8 anlagert und die Polymerisation von C9 Molekülen verhindert. 5.3

Cytokine Cytokine sind lösliche Polypeptide, die von Zellen der angeborenen Immunität (Tabelle 5.6) sowie von Zellen der erworbenen Immunität (Tabelle 5.7) sezerniert wer-

Cytokine

151

den. Ihre Funktionen sind vielfältig und beeinflussen z.B. das Wachstum und die Differenzierung von hämatopoetischen Zellen oder sind an Effektorreaktionen als Antwort gegen pathogene Keime beteiligt. t

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XFSEFO
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TPOdern nach Aktivierung der Zellen neu synthetisiert. Die Synthese ist ein zeitlich begrenztes Ereignis, das durch Transkriptionsfaktoren wie NFAT, NF-κB oder AP1 reguliert wird. t

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unterschiedliche Zelltypen und lösen dadurch je nach Zielzelle unterschiedliche, biologische Funktionen aus. t

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Zellen in ihrer unmittelbaren Nähe; Cytokine können aber auch systemisch (über den ganzen Körper) wirken, indem sie durch das Blut im Körper verteilt werden (Tabelle 5.5). t

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Aufnahme von Antigenen, beeinflusst werden. Beispielsweise nimmt die Expression von Cytokinrezeptoren auf B-Zellen zu, wenn diese über ihren B-Zell Rezeptor Antigene aufgenommen haben.

Tabelle 5.5 Lokal und systemisch wirkende Cytokine der angeborenen und erworbenen Immu-

nität Angeborene Immunität

Erworbene Immunität

IFNγ, TNFα, IL1, IL12

IFNγ, IL2, IL4, IL5

Produzent

Makrophagen, NK-Zellen

T-Zellen

Stimulus für die Produktion

Lipopolysacharide (LPS), virale RNA, IFNγ

Protein-Antigene

Menge

im Serum nachweisbar

gering; im Serum normalerweise nicht nachweisbar

Lokale oder systemische Wirkung

lokal und systemisch

lokal

Bedeutung bei Krankheiten

septischer Schock

lokale Entzündung des Gewebes

Inhibitoren der Cytokinsynthese

Corticosteroide

Cyclosporine

Cytokin

152

5

Effektorreaktionen von angeborener und erworbener Immunität

Tabelle 5.6 (Fortsetzung) Cytokine der angeborenen Immunität

Cytokine der angeborenen Immunität Cytokin

Quelle

Physiologische Funktion und Zielzellen

TNFα (TumorNekroseFaktor)

Makrophagen, T-Zellen

Endothel, Neutrophile: Aktivierung Hypothalamus: Fieber Leber: Synthese von Akute-Phase-Proteinen Muskel-/Fettgewebe: Abbau wirkt in hohen Konzentrationen auf viele Zelltypen apoptotisch; Allgemein: Entzündungsvermittler

Type I Interferone (IFNα, IFNβ)

IFNα: Makrophagen IFNβ: Fibroblasten

Alle Zellen: antiviraler Status wird induziert; MHC Klasse-I wird exprimiert NK-Zellen: Aktivierung

Type II Interferon (IFNγ)

NK-Zellen, T-Zellen (TH1, und CD8+)

Makrophagen: Aktivierung B-Zellen: Klassenwechsel in Richtung IgG T-Zellen: führt zu TH1-Differenzierung Verschiedene Zellen: verstärkte Expression von MHC Klasse-I und Klasse-II Molekülen; verstärkte Antigen-Prozessierung und Präsentation; Allgemein: Entzündungsvermittler

Chemokine (z.B. IL8)

Makrophagen, Endothelzellen, T-Zellen, Fibroblasten, Blutplättchen

Leukozyten: Aktivierung, Chemotaxis, Wanderung in das infizierte Gewebe

IL1

Makrophagen, Endothelzellen, einige Epithelzellen

Endothelzellen: Aktivierung (Adhäsionsmoleküle werden induziert) Hypothalamus: Fieber Leber: Synthese von Akute-Phase-Proteinen Allgemein: Entzündungsvermittler

IL6

Makrophagen, Endothelzellen, T-Zellen

Leber: Synthese von Akute-Phase-Proteinen

IL10

Makrophagen, T-Zellen (hauptsächlich TH2)

Makrophagen, dendritische Zellen: inhibiert die Produktion von IL12, die Expression von kostimulatorischen Molekülen sowie von MHC Klasse-II Molekülen

IL12

Makrophagen, dendritische Zellen

T-Zellen: führt zur Differenzierung von TH1 Zellen. NK-Zellen und T-Zellen: Synthese von IFNγ NK-Zellen: verstärkt das cytolytische Potential Allgemein: Entzündungsvermittler

Cytokine

153

Tabelle 5.6 (Fortsetzung) Cytokine der angeborenen Immunität

Cytokine der angeborenen Immunität Cytokin

Quelle

Physiologische Funktion und Zielzellen

IL15

Makrophagen

NK-Zellen: Proliferation T-Zellen: Fördert die Proliferation von Gedächtnis CD8+ T-Zellen

IL18

Makrophagen

NK-Zellen und T-Zellen: Synthese von IFNγ

Tabelle 5.7 Cytokine der erworbenen Immunität

Cytokine der erworbenen Immunität Cytokin

Quelle

Physiologische Funktion und Zielzellen

IL2

T-Zellen

T-Zellen: Proliferation, verstärkte Cytokin Produktion NK-Zellen: Aktivierung (verstärkt das zytolytische Potential) und Proliferation B-Zellen: Proliferation

IL4

CD4+ T-Zellen (TH2), Mastzellen

B-Zellen: Klassenwechsel zu IgE T-Zellen: Differenzierung zu TH2 -Zellen Makrophagen: inhibiert die IFNγ vermittelte Makrophagenaktivierung

IL5

CD4+ T-Zellen (TH2)

Eosinophile: Aktivierung; fördert die Differenzierung von Eosinophilen im Knochenmark B-Zellen: Proliferation, Klassenwechsel zu IgA

TGFβ (transforming growth factor-β)

T-Zellen (Treg) T-Zellen: inhibiert die Proliferation und deren Effektorreaktionen Makrophagen B-Zellen: inhibiert die Proliferation; Klassenwechsel zu IgA Makrophagen: Inhibiert die Aktivierung von Makrophagen

LT (Lymphotoxin)

T-Zellen

Endothelzellen: Aktivierung (verstärkt die Expression von Adhäsionsmolekülen) Neutrophile: Aktivierung Lymphatische Organe: ist an der Entstehung von lymphatischen Strukturen (Organogenese) beteiligt

IL13

CD4+ T-Zellen (TH2)

IL17

CD4+ T-Zellen (TH17)

B-Zellen: Klassenwechsel zu IgE Epithelzellen: verstärkt die Schleimproduktion Makrophagen: inhibiert die Aktivierung von Makrophagen Mobilisierung von Neutrophilen; Bildung von Granulozyten im Knochenmark; Induktion von IL6, G-CSF, GM-CSF sowie Adhäsionsmolekülen in unterschiedlichen Zelltypen

154

5

Effektorreaktionen von angeborener und erworbener Immunität

Die Assoziation und Dissoziation eines Cytokins an seinem Rezeptor entspricht chemisch betrachtet einer Gleichgewichtsreaktion, auf die sich das Massenwirkungsgesetz (MWG) anwenden lässt (Abb. 5.6). Die Dissoziationskonstante (Kd) liegt gewöhnlich zwischen 10–10 bis 10–12 M. Je kleiner Kd, umso stärker liegt das Gleichgewicht auf der Seite der Edukte (Ausgangsstoffe). Der kleine Kd Wert bedeutet hier, dass das Cytokin eine hohe Affinität für seinen Rezeptor besitzt. Eine geringe Cytokinkonzentration reicht damit aus, um die Rezeptoren auf den Zielzellen zu binden und eine biologische Reaktion hervorzurufen. Im Vergleich dazu binden Antikörper ihr Antigen mit Kd Werten zwischen 10–7 M und 10–11 M, MHC Moleküle ihr Peptide mit Kd Werten von etwa 10–6 M. 5.3.1

Cytokinrezeptoren Es werden zwei Klassen von Cytokinrezeptoren unterschieden. Die beiden Klassen unterscheiden sich hinsichtlich der Architektur der Rezeptoren: t

%JF
3F[FQUPSFO
TJOE
BMMF
VOUFSTDIJFEMJDI
BVGHFCBVU
4JF
CFTJU[FO
LFJOF
HFNFJOsame Untereinheit (Tabelle 5.8) t

*OOFSIBMC
FJOFS
3F[FQUPSGBNJMJF
TJOE
EFO
3F[FQUPSFO
CFTUJNNUF
1PMZQFQUJELFUten (Untereinheiten) gemeinsam (Tabelle 5.9). Die Cytokinspezifität wird durch das Anlagern einer Cytokin bindenden Untereinheit erreicht Jede Klasse wird zusätzlich aufgrund einer charakteristischen Domänenstruktur ihrer Mitglieder in Familien von Cytokinrezeptoren unterteilt. Die Aufgabe der Rezeptoren ist es, nach der Bindung ihres Cytokins ein Signal in die Zelle zu leiten, das letztlich zur Genaktivierung und damit verbunden zur Induktion von weiteren Effektorreaktionen führt.

Abb. 5.6 Dissoziationskonstante von Cytokin/Rezeptor Komplexen. Die Bindung von Cytokinen an ihren Rezeptor ist eine Gleichgewichtsreaktion, für die das Massenwirkungsgesetz formuliert werden kann. Demnach ergibt sich die Dissoziationskonstante als Quotient (Massenwirkungsquotient) von der Konzentration der Produkte (Endstoffe) geteilt durch die Konzentration der Edukte (Ausgangsstoffe)

Cytokine

155

Tabelle 5.8 Übersicht über die Cytokinrezeptor-Familien ohne gemeinsame Untereinheit

Cytokinrezeptoren ohne gemeinsame Untereinheiten Familie

Cytokin

Typ-I (besitzen ein WSXWS Motiv)

IL2, IL3, IL4, IL5, IL6, IL7, IL9, IL11, IL12, IL13, IL15, GM-CSF, G-CSF

Typ-II

IFNα/β, IFNγ, IL10

TNF Rezeptorfamilie

TNF, LT, CD40L, Fas, OX-40L

Immunglobulin-Superfamilie von Cytokinrezeptoren

IL1, M-CSF, Stammzellen Faktor (stem cell factor)

Rezeptorfamilie mit sieben Transmembrandomänen

Chemokinrezeptoren

Tabelle 5.9 Übersicht über die Cytokinrezeptor-Familien mit gemeinsamer Untereinheit

Cytokinrezeptoren mit gemeinsamen Untereinheiten Familie

Cytokin

IL2 Rezeptorfamilie (gemeinsame γ-Untereinheit)

IL2, IL15, IL4

GM-CSF Rezeptor Familie (gemeinsame β-Untereinheit)

GM-CSF, IL5

IL6 Rezeptorfamilie (gemeinsame Untereinheit ist das Glykoprotein gp 130)

IL6, IL11

Cytokinrezeptoren ohne gemeinsame Untereinheit (Tabelle 5.8)

Typ-I Cytokinrezeptoren werden auch als Hämopoetin-Rezeptoren bezeichnet. Sie besitzen eine oder mehrere Proteindomänen mit zwei konservierten Paaren von Cysteinresten und ein charakteristisches Aminosäuremotiv (WSXWS; X = beliebige Aminosäure) in der zur Membran angrenzenden (proximalen) Domäne. Hingegen fehlt bei Typ-II Cytokinrezeptoren das WSXWS Motiv. Die extrazellulären Proteindomänen der Cytokinrezeptoren aus der Immunglobulin-Superfamilie entsprechen in ihrer Struktur einer konstanten Immunglobulindomäne. Aufgrund der Immunglobulin ähnlichen Domänenstruktur bekam diese Familie von Cytokinrezeptoren ihren Namen. In dieser Klasse sind Cytokinrezeptoren vertreten, die die Membran siebenmal durchspannen. Dieser Rezeptortyp wird auch als Serpentin-Rezeptor bezeichnet. Serpentin (gewunden) ist dabei der bildliche Vergleich mit den Serpentinen (Windungen) einer sich um den Berg schlängelnden Straße. Mit diesen Rezeptoren liegen G-Proteine assoziiert vor, die an der Signalweiterleitung in die Zelle beteiligt sind.

156

5

Effektorreaktionen von angeborener und erworbener Immunität

Signaltransduktion

Typ-I und Typ-II Cytokinrezeptoren (Tabelle 5.8) leiten ihr Signal über den JAK/ STAT Signaltransduktionsweg in die Zelle weiter (Abb. 5.7). Dieser Signalweg ist gut untersucht und wurde ursprünglich bei Untersuchungen zur Funktion von IFNγ entdeckt. JAK (Januskinasen) sind Protein-Tyrosin-Kinasen mit zwei Kinasen-Domänen, von denen aber nur eine aktiv ist. Aufgrund der beiden Kinase-Domänen haben sie ihren Namen nach dem römischen Gott Janus (Gott der Tore, des Ein- und Ausgangs) bekommen, der mit seinen beiden Gesichtern nach vorne und hinten schauen konnte.

Abb. 5.7 IFNγ vermittelter JAK/STAT Signalweg. IFNγ bindet als Dimer an zwei IFNγ-Rezeptoren

und bringt sie dadurch in unmittelbare Nähe zueinander. JAK1 und JAK2 liegen lose assoziert mit dem Rezeptor vor. Hat IFNγ gebunden, so können sich die beiden Kinasen aufgrund der räumlichen Nähe zueinander selber phosphorylieren und dadurch aktivieren. Anschließend phosphorylieren sie Tyrosinreste der Rezeptorketten, wodurch Bindungsstellen für STAT1 entstehen. STAT1 bindet über seine SH2 Domänen und wird daraufhin durch die Januskinasen phosphoryliert. Die phosphorylierten STATs bilden ein Dimer und können nun in den Zellkern wandern und zur Genaktivierung führen

Natürliche Killerzellen (NK-Zellen)

157

Januskinasen liegen lose assoziiert mit der zytoplasmatischen Region ihrer Rezeptoren vor. Durch die Bindung des Cytokins werden zwei Rezeptoren in unmittelbare Nähe zueinander gebracht. Das führt dazu, dass sich die Januskinasen gegenseitig phosphorylieren und dadurch aktivieren. Danach phosphorylieren sie Tyrosinreste in der zytoplasmatischen Region ihres Rezeptors und schaffen dadurch die Voraussetzung, dass die Transkriptionsfaktoren „signal transducers and activators of transcription“ (STAT) über ihre SH2 Domänen binden können. Haben die STATs gebunden, werden sie ebenfalls durch die Januskinasen phosphoryliert und können nun miteinander dimerisieren. STAT Dimere können in den Zellkern wandern. Dort binden sie im Promotorbereich von Cytokingenen und führen letztlich zur Transkription des Gens. Wie wird nun die spezifische Funktion eines Cytokins gewährleistet? Einerseits gibt es eine Reihe von unterschiedlichen JAKs und STATs. Andererseits führen vermutlich geringe Sequenzunterschiede im zytoplasmatischen Anteil der Rezeptoren dazu, dass nur ganz bestimmte JAKs und STATs binden können, was letztlich dazu führt, das Cytokin abhängig unterschiedliche Gene in der Zelle aktiviert werden. 5.4

Natürliche Killerzellen (NK-Zellen) Natürliche Killerzellen besitzen unter bestimmten Voraussetzungen die Fähigkeit, virusinfizierte Zellen oder entartete Zellen töten zu können. Anders als bei zytotoxischen T-Zellen müssen NK-Zellen nicht erst aktiviert werden: sie werden im Knochenmark aus einer lymphoiden Vorläuferzelle gebildet und haben direkt zytolytisches Potential. Durch Homing-Rezeptoren geleitet, rezirkulieren Lymphozyten zwischen Lymphe und Blut; davon beträgt der Anteil an NK-Zellen etwa 5–10%. In den peripheren Geweben sind etwa 3% NK-Zellen vorhanden, etwa weitere 3% in lymphatischen Geweben. NK-Zellen, die in periphere Gewebe einwandern, stellen die Expression von Homing-Rezeptoren ein, die zum Einwandern in lymphatische Gewebe benötigt werden. Umgekehrt exprimieren NK-Zellen, die sich in lymphatischen Geweben aufhalten, keine Homing-Rezeptoren, die zum Einwandern in periphere Gewebe benötigt werden.

Erkennung und Zerstörung von Zielzellen

Es gibt zwei Wege, wie NK-Zellen ihre Zielzellen erkennen und anschließend zerstören. Ein Weg führt über Lyse aktivierende (AR, aktivierende Rezeptoren) und Lyse inhibierende Rezeptoren (KIR, killer cell immunglobulin-like receptor) (Kap. 2.1), die sich auf der Zelloberfläche von NK-Zellen befinden (Abb. 5.8). Der zweite Weg führt über die Antikörper abhängige, zellvermittelte Zytotxizität (antibody dependent cellular cytotoxicity, ADCC) (Abb. 5.9).

158

5

Effektorreaktionen von angeborener und erworbener Immunität

Abb. 5.8 Lyse von virusinfizierten Zellen durch NK-Zellen. NK-Zellen besitzen zwei Sorten von Rezeptoren auf ihrer Zelloberfläche: die killerhemmenden Rezeptoren (KIR) und die Lyse aktivierenden Rezeptoren (AR). KIR Rezeptoren binden an MHC Klasse-I Moleküle und führen zu einem Lyse hemmenden Signal in die NK-Zelle. Hingegen führt die Bindung der AR Rezeptoren zu einem Lyse stimulierenden Signal. Wird die Summe der Bindungen zu Gunsten der AR Rezeptoren verschoben, so degranuliert die NK-Zelle und schüttet Perforine und Granzyme aus. Perforine polymerisieren in der Membran der Zielzelle zu einer Pore. Durch die Poren gelangen die Granzyme in die Zelle und lösen dort die Apoptose aus. Manche Viren und einige Parasiten oder Bakterien können den Transport oder die Synthese von MHC Klasse-I Molekülen hemmen. Das führt dazu, dass die NK-Zelle mehr Signale über die Lyse aktivierenden Rezeptoren erhält und degranuliert

NK-Zellen binden mit ihren Lyse inhibierenden Rezeptoren an MHC Klasse-I Moleküle, die auf allen kernhaltigen Zellen exprimiert werden. Über diese Interaktion wird ein Signal in die NK-Zelle hinein vermittelt, das die Lyse der Zielzelle inhibiert. Hingegen löst die Bindung der Lyse aktivierenden Rezeptoren ein Signal aus, das die Lyse stimuliert. Ob nun die Zielzelle durch die NK-Zelle zerstört wird oder nicht, hängt letztlich von der Summe der Signale ab, die durch die Lyse inhibierenden bzw. aktivierenden Rezeptoren vermittelt werden. Lyse aktivierende Rezeptoren gehören in die Familie der C-Typ Lektine, die ein breites Spektrum von Kohlenhydratliganden erkennen. Die Infektion einer Zelle mit bestimmten Viren, wie z.B. dem Herpes simplex (HSV1) Virus, führt zu einer verminderten Expression von MHC Klasse-I Molekülen auf der infizierten Zelle. Das hat zur Folge, dass NK-Zellen in der Summe ein Lyse aktivierendes Signal bekommen und die infizierte Zelle töten (Abb. 5.8). Aber auch bei Infektionen mit intrazellulär parasitierenden Protozoen (z. b. Leishmanien) oder mit intrazellulären Bakterien (z. B. Listeria monozytogenes), sind NK-Zellen

Natürliche Killerzellen (NK-Zellen)

159

Abb. 5.9 Antikörper abhängige zellvermittelte Zytotoxizität (ADCC). NK-Zellen besitzen FcγRIII

Rezeptoren auf ihrer Zelloberfläche, mit denen sie an IgG opsonisierte Pathogene binden können. Die Bindung führt dazu, dass die Zellen degranulieren und IFNγ sezernieren. Die Granula von NK-Zellen enthalten Perforine und Granzyme, die zur Apoptose der Zielzelle führen. Eosinophile binden über FcεRI Rezeptoren an IgE opsonisierte Parasiten. Auch hier führt die Bindung dazu, dass die Zellen degranulieren, nun aber basische Proteine ausschütten, die zu einer Schädigung des Parasiten führen

von Bedeutung. Sie bekämpfen die Infektion in ihrer Anfangsphase und halten dadurch die Erreger in Schach, damit sich die Effektormechanismen der erworben Immunität ausbilden können. Wird die Zerstörung der Zielzelle eingeleitet, so degranuliert die NK-Zelle und schüttet Perforine und Granzyme aus. Perforin ist ein Protein, das in der Zellmembran der Zielzelle polymerisiert und Poren bildet. Durch die Poren können Wasser und Salze in die Zelle eindringen, die daraufhin Apoptose (programmierten Zelltod) begeht. Granzyme sind Serinproteasen, die ebenfalls Apoptose auslösen, wenn sie durch die Poren in das Zytoplasma der Zielzelle gelangen. Wird eine Körperzelle durch ein Virus infiziert, so schüttet sie i.d.R. antivirale Cytokine (IFNα, IFNβ = Typ-I Interferone) aus. Diese bewirken bei den benachbarten Zellen eine Zunahme der MHC Klasse-I Expression, führen aber auch dazu, dass die Proteintranslation gehemmt wird. Zusätzlich wird durch die Interferone die zytolytische Empfindlichkeit von NK-Zellen bis zu 100-mal verstärkt. Ein weiteres Cytokin, das in der frühen Phase einer Immunantwort von Makrophagen gebildet wird, ist IL12. Es aktiviert NK-Zellen, indem es zu einer verstärkten zytolytischen Empfindlichkeit dieser Zellen führt und darüber hinaus die Synthese von IFNγ (Typ-II Interferon) in den Zellen induziert (Abb. 5.7).

160

5

Effektorreaktionen von angeborener und erworbener Immunität

Definition

Typ-I Interferone Zu dieser Gruppe von Interferonen gehören IFNα und IFNβ. Während IFNα überwiegend von Phagozyten als Antwort auf eine Virusinfektion produziert wird, synthetisieren die meisten anderen Zellen (insbesondere Fibroblasten) IFNβ. Die Synthese der beiden Interferone wird durch kurze, doppelsträngige RNA ausgelöst, die während einer viralen Replikation in der Zelle gebildet wird. Beide Interferone binden bei der Zielzelle an den gleichen Rezeptor. Das Signal, das anschließend von dem Rezeptor in die Zelle geleitet wird, induziert eine Reihe von Enzymen, die z.B. die virale Replikation inhibieren oder die Translation durch die Phosphorylierung des Translationsfaktors eIF2 (Elongations-Initiationsfaktor-2) hemmen. Außerdem wird die Synthese von MHC Klasse-I Molekülen verstärkt. In der Summe führen diese Vorgänge zu dem sogenannten antiviralen Status einer Zelle.

Antikörper abhängige zellvermittelte Zytotoxizität (ADCC)

NK-Zellen und andere Leukozyten – beispielsweise eosinophile Granulozyten – können über ihre Fc-Rezeptoren Pathogene binden, die mit Antikörpern opsonisiert sind und diese anschließend töten (Abb. 5.9). Binden NK-Zellen über ihren FcγRIII Rezeptor an IgG opsonisierte Erreger, so schütten sie ihre Granula aus, die mit Perforinen und Granzymen gefüllt sind. Perforine und Granzyme führen zum Tod des Erregers. Zusätzlich beginnen sie, IFNγ zu sezernieren, das zu einer Aktivierung von umliegenden Makrophagen führt. Der FcγRIII Rezeptor ist ein niederaffin bindender Rezeptor. Er bindet keine zirkulierenden (freien) IgG Antikörper, sondern nur auf dem Erreger im Cluster gebundene IgG Antikörper. Dadurch wird sichergestellt, dass NK-Zellen nicht durch freie IgG Antikörper im Serum aktiviert werden. Eosinophile Granulozyten besitzen auf ihrer Zelloberfläche FcεRI Rezeptoren, über die sie an IgE opsonisierte Parasiten, beispielsweise Helminthen (Würmer), binden und daraufhin ihre Granula entleeren. Die Granula von Eosinophilen enthalten basische Proteine, die zu einer Schädigung des Wurms führen. 5.5

Aktivierung von Makrophagen durch LPS Bakterielles Lipopolysaccharid (LPS) (Abb. 5.10) ist Bestandteil der äußeren Membran von gramnegativen Bakterien. Es führt zu einer Aktivierung von Makrophagen und dendritischen Zellen. LPS wird auch als das Endotoxin von gramnegativen Bakterien bezeichnet, da es von intakten Bakterien nicht abgegeben wird und erst nach deren Zerfall freigesetzt wird. LPS aktivierte Makrophagen produzieren eine Reihe von Cytokinen, die eine Entzündung auslösen (Abb. 5.11). Bei epidermalen Langerhans-Zellen (spezielle Form von unreifen dendritischen Zellen in der Epidermis; Kap. 1.4.3) löst ein Kontakt mit LPS die Migration (Auswanderung)

Aktivierung von Makrophagen durch LPS

161

Abb. 5.10 Aufbau von Lipopolysaccharid (LPS). Das Lipid A bildet den inneren Bereich von LPS und verankert zugleich LPS über Fettsäurereste in der äußeren Membran von gramnegativen Bakterien. Lipid A ist verantwortlich für die Wirkung als Endotoxin und kann je nach Bakterienart unterschiedlich aufgebaut sein. Die Kernzone (Kernregion) besteht im Wesentlichen aus einer zuckerähnlichen Komponente, Ketodesoxyoctonsäure (KDO) und einem Zucker (Heptose). Auch die Kernzone kann bei verschiedenen Bakterienarten unterschiedlich sein. O-spezifische Seitenketten (Polysaccharidketten) bilden den dritten Bereich von LPS. Auch dieser Teil ist je nach Bakterienart unterschiedlich und kann zur Unterscheidung der Bakterien (z.B. pathogene von nichtpathogenen) verwendet werden

aus der Epidermis aus. Sie wandern in die regionalen Lymphknoten ein. Während ihrer Wanderung differenzieren sie zu reifen dendritischen Zellen und exprimieren nun alle kostimulatorischen Moleküle, die sie für eine Aktivierung von naiven TZellen benötigen (Kap. 3.2). Der innere Bereich von LPS (Lipid A) ist für die toxische Wirkung verantwortlich. Lipid A wird von dem LPS Rezeptorkomplex gebunden. Der LPS Rezeptorkomplex wird von den Molekülen CD14 (LPS Rezeptor), TLR4 (toll-like receptor 4) und MD2 gebildet. Neben Makrophagen und dendritischen Zellen wird der LPS Rezeptorkomplex noch von weiteren Zelltypen exprimiert. CD14 ist ein Glykoprotein, das über einen „Lipidanker“ (Glycosylphosphatidylinositol-Anker, kurz GPIAnker) in der Zytoplasmamembran verankert ist, aber auch löslich vorliegen kann. Eine Bindung von CD14 an LPS wird erst durch das accessorisch (helfend) wirkende Serumprotein LBP (LPS bindende Protein) ermöglicht. Dieses wirkt vermutlich als Löslichkeitsvermittler, indem es Mizellen aus LPS aufbricht und dadurch LPS Moleküle für eine Bindung an CD14-MD2-TLR4 zugänglich macht. Die Bindung von CD14 an LPS führt zur Dissoziation von LBP. An CD14 gebundenes LPS kann nun an MD2-TLR4 binden. MD2 liegt assoziiert mit den leucinreichen Sequenzwieder-

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5

Effektorreaktionen von angeborener und erworbener Immunität

Abb. 5.11 Die Wirkung von LPS. Makrophagen werden durch Lipopolysaccharide (LPS) von

gramnegativen Bakterien aktiviert und schütten daraufhin IL1, IL6, IL8, IL12, IL18 und TNFα aus. Interleukin-1, IL6 und TNFα wirken als endogene Pyrogene (gr. pyros: Feuer) auf den Hypothalamus, der daraufhin die Solltemperatur des Körpers anhebt. Dadurch wird Fieber induziert. Außerdem induzieren sie in der Leber die Produktion von Akute-Phase-Proteinen. IL8 ist ein Chemokin, das Leukozyten zum Ort der Infektion lockt. IL12 und IL18 aktivieren natürliche Killerzellen (NKZellen) und T-Zellen, die daraufhin IFNγ ausschütten, das zu einer Aktivierung von Makrophagen führt. IL1 und TNFα induzieren zusätzlich die Expression von Adhäsionsmolekülen auf den Endothelzellen der Blutgefäße und bewirken auf diese Weise, dass Leukozyten am Gefäßendothel haften bleiben. Weiterhin erhöht TNFα die Gefäßpermeabilität, sodass Leukozyten leichter durch die Gefäßwände wandern können (Diapedese)

holungsmotiven (vgl. Kap. 2.1) von TLR4 vor. Der genaue Bindungsmechanismus ist aber noch unklar. Nach der Bindung von LPS an den LPS Rezeptorkomplex, wird ein Aktivierungssignal über TLR4 in die Zelle geleitet. Am Ende der Signaltransduktionskaskade werden in Makrophagen Gene transkribiert, die für IL1, IL6, IL8, IL12, IL18 und TNFα kodieren (Abb. 5.11). Diese Cytokine werden sezerniert und setzen eine Reihe von Prozessen in Gang die dazu dienen, die Infektion einzudämmen. Dadurch wird Zeit gewonnen, damit sich die Effektorreaktionen der erworbenen (adaptiven) Immunität ausbilden können.

Aktivierung von Makrophagen durch LPS

163

Definition

Gram-Färbung eine Färbemethode, nach der Bakterien aufgrund des Aufbaus ihrer Zellwand unterschieden werden können. Die Methode wurde Ende des 19. Jahrhunderts von dem dänischen Arzt und Bakteriologen Hans Christian Gram entwickelt. Grampositive Bakterien erscheinen nach der Färbung violett/blau; demgegenüber werden gramnegative Bakterien nicht angefärbt.

Definition

Mizellen lat. mica : Klümpchen; Aggregate aus amphiphatischen Lipiden, die sich in einem polaren Lösungsmittel (z.B. Wasser) spontan bilden. Amphiphatische Lipide besitzen eine polare (hydrophile) Kopfgruppe und ein unpolares (hydrophobes) Rückgrad.

IL1

IL1 aktiviert das Gefäßendothel, das daraufhin Adhäsionsmoleküle (Selektine und Liganden für Integrine) exprimiert. Sie sind notwendig, damit Leukozyten am Gefäßendothel haften bleiben und die Gefäßwände für ihre Wanderung zum Ort der Infektion hin durchdringen können. IL1 wirkt auf den Hypothalamus, der daraufhin die Körpertemperatur hochreguliert (Fieber). Darum zählt IL1, ebenso wie IL6 und TNFα, zu den endogenen (von innen, aus dem Körperinnern heraus wirkend) Pyrogenen (gr. pyros: Feuer). LPS wird in diesem Kontext auch als exogenes (von außen wirkendes) Pyrogen bezeichnet. Außerdem trägt IL1 zur Induktion der Synthese von Akute-Phase-Proteinen in der Leber bei.

IL6

Il6 induziert Fieber und die Synthese der Akute-Phase-Proteine in der Leber.

TNFα

induziert die Expression von Adhäsionsmolekülen auf Endothelzellen (Selektine und Liganden für Integrine) und führt dazu, dass die Endothelzellen sich kontrahieren. Dadurch entstehen Lücken zwischen den Zellen, und Leukozyten können leichter durch die Gefäßwände hindurch treten (Diapese). Es induziert Fieber sowie die Synthese der Akute-Phase-Proteine durch die Leber. Darüber hinaus fördert TNFα die Bildung von winzigen Blutgerinnseln in den Gefäßen (intravaskuläre Blutgerinnung) indem es die Synthese des Gewebefaktors

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5

Effektorreaktionen von angeborener und erworbener Immunität

Definition

Nekrose Das Absterben der Zellen im pathologischen Sinne wird als Nekrose bezeichnet. Im Zuge der Nekrose werden die Zellbestandteile freigesetzt und können lokal zu einer Entzündung führen. Die Nekrose ist von der Apoptose abzugrenzen. Die Apoptose kann als physiologischer Zelltod betrachtet werden, der als Folge bestimmter Stimuli aktiv von der betroffenen Zelle durchgeführt wird. Hierbei werden die Zellbestandteile in Membranvesikel „verpackt“ und im Zuge der Zellauflösung freigesetzt. Dadurch entsteht keine lokale Entzündung.

(tissue factor) verstärkt. Der Gewebefaktor dient als Auslöser der Blutgerinnung. Die intravaskuläre Blutgerinnung kann die Endothelzellen schädigen und bis hin zu einer Nekrose der Zellen durch Thrombosen führen. Physiologisch gesehen verhindert die intravaskuläre Blutgerinnung eine weitere Verbreitung von Erregern im Zuge der Infektion. Bei sehr hohen Konzentrationen im Blut die beispielsweise im Zuge einer Sepsis (Verschleppung von Bakterien in das Blut) erreicht werden können, kann TNFα zu einer Schwächung der Herzkontraktion führen – der Blutdruck fällt ab; die Freisetzung von Glukose durch die Leber wird gemindert; es entsteht eine Hypoglykämie, die bis zum Koma führen kann.

IL8

wirkt chemotaktisch auf Neutrophile, Basophile und T-Zellen, die dadurch zum Ort der Infektion gelockt werden.

IL12

stimuliert die Produktion von IFNγ durch natürliche Killerzellen (NK-Zellen) und T-Zellen. IFNγ wiederum aktiviert Makrophagen, phagozytierte Mikroorganismen zu töten. Es fördert die Differenzierung von CD4+ T-Zellen zu IFNγ produzierenden TH1-Zellen und hebt das zytolytische Potential von zytotoxischen T-Zellen sowie NK-Zellen an.

IL18

wirkt synergistisch mit IL12 auf die Freisetzung von IFNγ durch NK-Zellen. Durch die von Makrophagen produzierten Cytokine werden Leukozyten zum Ort der Infektion gelockt und aktiviert; sie beginnen nun selbst Cytokine zu produzieren und verstärken dadurch die Entzündungsreaktion. Die Gefäßpermeabilität wird durch die Cytokine gesteigert, und es kommt zu einem Einstrom von Plasma in das Gewebe. Nicht zuletzt werden Fieber und die Produktion von Akute-PhaseProteinen induziert. Die Akute-Phase-Proteine werden von der Leber gebildet und

Aktivierung von Makrophagen durch LPS

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dienen dazu, Mikroorganismen zu opsonisieren und das Komplement zu aktivieren.

Akute-Phase-Proteine

Während der Akute-Phase-Reaktion ändert sich die Konzentration von bestimmten Proteinen, die von der Leber in das Blutplasma abgegeben werden. Bei einigen Proteinen sinkt die Konzentration, andere (die Akuten-Phase-Proteine) werden hingegen verstärkt produziert. Zu den letzteren zählen das C-reaktive Protein (CRP), das Mannan-Bindende-Lektin (MBL), Fibrinogen und das SerumAmyloidprotein-A. CRP bindet an bestimmte Lipopolysaccharide, die sich in der Zellwand von Bakterien und Pilzen befinden, und umhüllt (opsonisiert) diese. Im opsonisierten Zustand können die Mikroorganismen sehr effektiv von Phagozyten aufgenommen werden. Eine weitere Eigenschaft des CRP besteht darin, Faktor C1q zu binden; dadurch kann das Komplement aktiviert werden. MBL bindet an Mannose reiche Kohlenhydrate, die sich reichlich auf der Zelloberfläche von Mikroorganismen befinden, und führt in gebundenem Zustand zu der Aktivierung

Definition

Fieber Die Fieber induzierende Wirkung von IL1, IL6 und TNFα beruht darauf, dass diese Cytokine die Expression des Enzyms Cyclooxygenase-2 (COX-2) in den Gefäßzellen des Hypothalamus induzieren. Cyclooxygenase-2 fördert die Synthese von Prostaglandinen (PGE), insbesondere PGE-E2. Prostaglandine sind lokal wirkende Hormone, die Entzündungsreaktionen auslösen können. PGE-E2 beeinflusst als lokal wirkendes Hormon die Aktivität des Hypothalamus in der Weise, dass Mechanismen ausgelöst werden, die zu einer Anhebung der Körpertemperatur führen (Gefäßverengung, Muskelzittern, reduzierte Schweißbildung). Acetylsalicylsäure (Aspirin) inhibiert Cyclooxygenase-2 und wirkt dadurch entzündungshemmend und Fieber senkend. Aufgrund der Fieber induzierenden Wirkung werden die Cytokine IL1, IL6 und TNFα auch als endogene (von innen heraus) Pyrogene (gr. pyros: Feuer) bezeichnet. Hingegen wird LPS als Auslöser für die Produktion der endogenen Pyrogene auch als exogenes (von außen wirkend) Pyrogen bezeichnet. LDL und HDL Cholesterin (ein wichtiger Bestandteil von Biomembranen) und Lipide werden in Form von Lipoproteinen zu ihren Zielorten transportiert. Je nach Dichte werden unterschiedlich Formen von cholesterinreichen Transportkomplexen unterschieden. Zwei Formen sind Lipoproteinkomplexe geringer Dichte (low densitiy lipoproteins, LDL) sowie Lipoproteinkompexe mit hoher Dichte (high density lipoproteins, HDL). Die Funktion der LDL-Partikel besteht darin, Cholesterin zu peripheren Geweben zu tranportieren und dort die de novo Synthese von Cholesterin zu kontrollieren. Hingegen ist die Hauptfunktin von HDL-Komplexen, Cholesterin von absterbenden Zellen aufzunehmen und über Transferproteine an LDL weiterzugeben.

166

5

Effektorreaktionen von angeborener und erworbener Immunität

des Komplementsystems (Lektin-Weg). Fibrinogen führt dazu, dass Erythrozyten kleine „Stapel“ bilden und dadurch schneller absinken (sedimentieren) als freie Erythrozyten. Über die Sedimentationsgeschwindigkeit der Erythrozyten kann recht einfach bestimmt werden, ob eine systemische Entzündungsreaktion vorliegt. Während einer systemischen Entzündungsreaktion wird Apolipoprotein-A der Lipoproteinkomplexe mit hoher Dichte (HDL) durch das Serum-Amyloidprotein-A ersetzt. Das führt dazu, dass die Komplexe nun nicht mehr von der Leber aufgenommen werden, sondern von Makrophagen, die diese Komplexe als Energiequelle nutzen können. Eine systemische Entzündungsreaktion kann beispielsweise dann eintreten, wenn Bakterien in das Blut verschleppt werden (Sepsis). In solch einem Fall werden über den ganzen Körper (systemisch) inflammatorische (entzündungsfördernde) Cytokine freigesetzt. Als Folge davon können Organschädigungen und Herz-/Kreislaufversagen eintreten. 5.6

Aktivierung von Makrophagen durch TH1-Zellen (Effektorreaktion von TH1-Zellen) Nicht alle pathogenen Bakterien oder Protozoen liegen außerhalb der Zellen (extrazellulär) vor. Es gibt auch manche, die sich innerhalb von Phagozyten, in Phagosomen oder Phagolysosomen vermehren können. Zu diesen intrazellulär in Phagosomen oder Phagolysosomen persistierenden Mikroorganismen zählen beispielsweise die Erreger der Tuberkulose (Mycobakterium tuberkulosis), der Lepra (Mycobakterium leprae) oder Protozoen wie Leishmanien. Diese spezielle Lebensweise gewährt den Erregern einen Schutz vor einer Antikörper vermittelten (humoralen) Immunabwehr. Wie aber wehrt sich der Organismus vor einer Infektion mit intrazellulären, in Phagosomen oder Phagolysosomen persistierenden Erregern? Experimente im Mausmodell ließen nähere Rückschlüsse auf die Art der Immunantwort gegen solche intrazellulären Erreger zu. So führte eine Infektion von Mäusen des Inzuchtstammes Balb/c mit Leishmania major zum baldigen Tod der infizierten Tiere. Hingegen überlebten Mäuse des Stammes C57BL/6 die Infektion. Die Resultate dieser Tierexperimente haben gezeigt, dass der Verlauf einer Leishmanieninfektion (Leishmaniose) stark von der Art der Immunantwort abhängt. Während die Infektion mit L. major bei Balb/c Mäusen eine frühe und dominante humorale Immunantwort (Antikörper vermittelte TH2-Immunantwort) auslöste, wurde bei C57BL/6 Mäusen eine zellvermittelte und gegen diesen Erreger protektive Immunantwort (TH1-Immunantwort) induziert. Durch weitere Experimente wurde deutlich, dass insbesondere die Cytokine IL4 und IL10, die im Verlauf einer TH2-Immunantwort von TH2-Zellen, aber auch Mastzellen und Basophilen gebildet werden, die Differenzierung von CD4+ T-Zellen in Richtung TH1 inhibieren und dadurch die Ausbildung einer TH1-Immunantwort reprimieren. Die Ausbildung einer frühen und dominanten TH2-Immunantwort bei Balb/c Mäusen wird außerdem dadurch begünstigt, dass diese Mäuse eine Defizienz in der Produktion von IL12 besitzen. IL12 ist ein Cytokin, dass die Differenzierung von CD4+ T-Zellen

Aktivierung von Makrophagen durch TH1-Zellen (Effektorreaktion von TH1-Zellen)

167

Abb. 5.12 Aktivierung von Makrophagen durch T-Helfer-1 Zellen. Werden Makrophagen von

intrazellulär persistierenden Mikroorganismen infiziert, so müssen sie durch TH1-Zellen aktiviert werden, damit sie die intrazellulär vorliegenden Erreger zerstören können. TH1-Zellen binden über ihren TCR und CD40L an MHCII und CD40 auf dem Makrophagen. Die Bindung führt dazu, dass die TH1-Zellen INFγ ausschütten. IFNγ führt zu einer Aktivierung des Makrophagen. Neben INFγ werden aber noch IL3, GM-CSF und MCF von der T-Zelle sezerniert. Diese Cytokine sorgen für eine Nachproduktion von Phagozyten im Knochenmark und locken sie zum Ort der Infektion (MCF, Makrophagen chemotaktischer Faktor). Aktivierte Makrophagen steigern massiv die Expression von B7, MHCII und MHCI Molekülen auf ihrer Zelloberfläche. Gleichzeitig produzieren sie reaktive Sauerstoff- und Stickstoffverbindungen, bakterizide Peptide und inflammatorische Cytokine. Durch die reaktiven Verbindungen sowie bakterizide Peptide werden die intrazellulären Mikroorganismen zerstört; die inflammatorischen Cytokine führen dazu, die Produktion von IFNγ in NK-Zellen zu induzieren und die T-Zell Differenzierung in Richtung TH1 zu lenken (IL12). IL1 und TNFα induzieren u.a. die Expression von Adhäsionsmolekülen auf den Endothelzellen. Zusätzlich steigert TNFα die Gefäßpermeabilität und fördert dadurch den Einstrom von Plasma und Leukozyten in das infizierte Gewebe

168

5

Effektorreaktionen von angeborener und erworbener Immunität

Definition

Phagolysosom Dieses Zellkompartiment entsteht durch die Verschmelzung eines Phagosoms mit einem Lysosom. Werden Mikroorganismen phagozytiert, so bilden sich zunächst Phagosomen. Diese bilden sich dadurch, dass sich die Zellmembran während der Aufnahme des Mirkoorganismus einstülpt, den Mikroorganismus umhüllt und anschließend von der restlichen Zellmembran abschnürt. Fas und FasL Der Fas Rezeptor wird von vielen Zellen exprimiert. Durch die Interaktion mit dem Fas Liganden (FasL), der sich beispielsweise auf der Zelloberfläche 1 von TH -Zellen sowie zytotoxischen T-Zellen befindet, kann Apoptose ausgelöst werden. Nach der CD Nomenklatur wird der Fas Rezeptor als CD95 bezeichnet, FasL als CD95L. Antigenbeladenes MHCII MHCII Moleküle sind Peptidrezeptoren (Kap. 2.4.2). Hat ein Peptid, das aus dem proteolytischen Abbau eines Erregers (Pathogen) stammt, an diesen Rezeptor gebunden, so wird das MHCII Molekül als antigenbeladenes MHCII Molekül bezeichnet. Monozyt Monozyten sind die Vorläufer von Makrophagen. Sie werden im Knochenmark aus einer myeloiden Stammzelle gebildet und anschließend in das Blut abgegeben. Monozyten befinden sich reichlich an den inneren Gefäßwänden, die von Endothelzellen ausgekleidet werden. Monozyten, die in Gewebe einwandern, differenzieren dort zu Gewebemakrophagen, die je nach Gewebe unterschiedliche Namen tragen. In der Leber werden sie beispielsweise als Kupfer´sche Sternzellen bezeichnet, in der Lunge als Aveolarmakrophagen.

in Richtung TH1 fördert (Abb. 5.12), hingegen die Differenzierung in Richtung TH2 inhibiert. Letztlich führt ein Ungleichgewicht der frühen Cytokinproduktion (IL4, IL10 > IL12) in Balb/c Mäusen dazu, dass sie keine protektive zellvermittelte TH1Immunantwort ausbilden können und deshalb an den Folgen der Leishmaniose verenden. Die in diesem Mausmodell gewonnen Erkenntnisse lassen einen wichtigen Rückschluss über die gebildeten Cytokine und deren Einfluss auf die Art der Immunantwort zu. Streng genommen gilt das extreme Ungleichgewicht der Cytokinproduktion aber nur in diesem Modellsystem, in dem noch weitere Faktoren, wie beispielsweise die mangelnde Produktion von IL12 bei Balb/c Mäusen, zum Phänotyp der infizierten Mäuse beitragen. Träger der adaptiven, zellvermittelten Immunantwort sind CD4+ TH1-Zellen und zytotoxische CD8+ T-Zellen (CTL). TH1-Zellen aktivieren Makrophagen durch direkten Zell-Zell Kontakt (Abb. 5.12). Aktivierte Makrophagen produzieren eine Reihe von inflammatorischen Cytokinen und rekrutieren dadurch Phagozyten und Lymphozyten zum Ort der Infektion; sie beginnen aber auch reaktive Sauerstoff-/Stickstoffverbindungen und bakterizide Peptide zu bilden, die dazu beitragen, die intrazellulären Mikroorganismen abzutöten (Abb. 5.12). Chronisch infizierte Makrophagen können aber auch durch TH1-Zellen „Fas“ Rezeptor abhängig in die Apoptose geführt werden.

Aktivierung von Makrophagen durch TH1-Zellen (Effektorreaktion von TH1-Zellen)

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Zell-Zell Kontakt zwischen Makrophage und TH1-Zelle

Trifft eine TH1-Zelle auf einen beispielsweise mit Leishmanien infizierten Makrophagen, so kann der Makrophage durch sie aktiviert werden. Voraussetzung dafür ist, dass die T-Zelle einen antigenspezifischen (Leishmanien-spezifischen) Rezeptor besitzt. Das bedeutet, dass der T-Zell Rezeptor an MHCII auf der Zelloberfläche des Makrophagen binden muss, das mit einem Peptid aus dem proteolytischen Abbau des Erregers beladen ist. Eine solche TH1 Zelle wird in diesem Kontext als antigenspezifisch (Leishmanien-spezifisch) bezeichnet. Hat der TCR gebunden, bindet im nächsten Schritt der CD40L auf der T-Zelle an CD40 auf dem Makrophagen. Durch diese Interaktion stimuliert, beginnt die T-Zelle IFNγ auszuschütten. Durch IFNγ wird der Makrophage aktiviert. Außerdem führt die Bindung des CD40L an CD40 dazu, dass der Makrophage verstärkt B7 exprimiert und nun in der Lage ist, CD4+ Gedächtnis T-Zellen zu aktivieren (Kap. 4.3). Neben IFNγ produziert die TH1-Zelle aber noch weitere Cytokine wie Interleukin-3, GM-CSF (Granulozyte-macrophage colony stimulating factor) und MCF (macrophage chemotactic factor). IL3 steigert die Produktion von myeloiden Vorläuferzellen im Knochenmark, während GM-CSF die Differenzierung zu dendritischen Zellen und Monozyten fördert. MCF ist ein Chemokin, das Monozyten zum Ort der Infektion lockt (Abb. 5.12).

ROIs und iNOS

Aktivierte Makrophagen und Neutrophile (= neutrophile Granulozyten) bilden aus molekularem Sauerstoff reaktive Sauerstoffverbindungen (reactive oxygen intermediates, ROIs), die stark oxidierend wirken und zu einer Schädigung von intrazellulär in Phagosomen oder Phagolysosomen persistierenden Mikroorganismen führen. Die Sauerstoffradikale werden von einem Oxidase-Komplex gebildet, zu dem mehrere Enzyme gehören. Dieser Oxidase-Komplex kann durch IFNγ, TLRs (Toll-like Rezeptoren) (Abb. 5.13) und vermutlich noch andere Stimuli induziert werden. Insgesamt wird die Bildung von reaktiven Sauerstoffverbindungen als oxidative oder respiratorische Entladung (respiratory burst) bezeichnet. Zusätzlich zu den reaktiven Sauerstoffverbindungen werden reaktive Stickstoffverbindungen, wie z.B. Stickoxide, gebildet. Die reaktiven Stickstoffverbindungen werden von einer Synthase produziert, die im Zytosol vorliegt und während der Aktivierung des Makrophagen induziert wird (inducible nitric oxide synthase, iNOS). Die reaktiven Verbindungen sind leicht flüchtig und werden bei einer länger andauernden Produktion durch die aktivierten Phagozyten auch in den extrazellulären Raum abgegeben und können dort zu einer Schädigung von gesundem Gewebe führen. Bei der Aktivierung von Makrophagen über LPS und IFNγ werden unterschiedliche Signaltransduktionswege eingeschlagen (Abb. 5.13). Über TLR4 wird der Transkriptionsfaktor NF-κB aktiviert. Hingegen werden über IFNγ STATs aktiviert, die im weiteren Verlauf zur Cytokinexpression führen (Abb. 5.7, Abb. 5.12). Die Induktion des Transkriptionsfaktors CIITA (class-II transactivator) ist für die starke MHCII Expression verantwortlich.

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5

Effektorreaktionen von angeborener und erworbener Immunität

Abb. 5.13 Effektorreaktionen von aktivierten Makrophagen. Makrophagen, die durch LPS und

IFNγ aktiviert werden, beginnen reaktive Sauerstoff- und Stickstoffverbindungen zu bilden. Inflammatorische Cytokine werden produziert und die Expression von MHCI und MHCII Molekülen verstärkt. Der Signalweg über den Toll-like Rezeptor-4 (TLR4) führt zur Aktivierung des Transkriptionsfaktors NK-κB. Über NF-κB werden weitere Gene aktiviert, die für die Effektorreaktionen notwendig sind. Ein wichtiges Adaptorprotein im TLR4 Signaltransduktionsweg, sowie vielen anderen TLR abhängigen Aktivierungswegen, ist das Protein MyD88, das über seine Toll/ IL1-Rezeptor homologe Domäne (TIR) an den zytoplasmatischen Anteil von TLR4 bindet. Der IFNγ Signaltransduktionsweg verläuft hingegen über den JAK (Janus-kinase) STAT (signal transducer of activated T-cells) Weg. Die verstärkte Expression von MHCII Molekülen wird über den Transkriptionsfaktor CIITA (class-II transactivator) reguliert

5.7

Effektorreaktion von zytotoxischen CD8+ T-Zellen TH1-Zellen können Makrophagen aktivieren und sie dadurch in die Lage versetzen, intrazellulär in Phagosomen oder Phagolysosomen persistierende Mikroorganismen zu töten. Werden Makrophagen hingegen mit Mikroorganismen infiziert, die sich im Zytoplasma vermehren (meist Viren), so können sie i.d.R. nicht durch TH1Zellen aktiviert werden.

Effektorreaktion von zytotoxischen CD8+ T-Zellen

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Die Ursache dafür ist die fehlende Präsentation von antigenen Peptiden über MHCII. Eine Antigenbeladung von MHCII Molekülen kann nur in antigenpräsentierenden Zellen (APC) stattfinden (nur APC exprimieren MHCII Moleküle) und nur in sauren, endo-/lysosomalen Zellkompartimenten (Kap. 2.4.5). Prinzipiell kann aber jede kernhaltige Zelle durch einen Virus infiziert werden. Für das Immunsystem besteht die einzige Möglichkeit einer effektiven Bekämpfung von viralen Infektionen darin, die infizierten Zellen zu töten. Diese Aufgabe besitzen zytotoxische T-Zellen. Der Mechanismus, durch den CTLs infizierte Zellen töten, lässt sich in drei Phasen untergliedern: 1. Antigen spezifische Erkennung der infizierten Zelle durch direkten Zell–Zell Kontakt 2. Töten durch Apoptose 3. Aufhebung des Zell–Zell Kontaktes In der ersten Phase überprüft die CTL ihre Zielzelle hinsichtlich einer Infektion, indem sie die MHC-I Moleküle mit ihrem T-Zell Rezeptor (TCR) „durchmustert“ (Abb. 5.14). Wenn bei diesem Prozess der TCR an MHC-I Moleküle bindet, die mit Peptiden beladen sind, die aus dem Abbau von Proteinen des intrazellulären Erregers stammen (vgl. Kap. 2.4.5), so wird die zweite Phase eingeleitet. Der ZellZell Kontakt zwischen CTL und Zielzelle wird durch Adhäsionsmoleküle wie LFA1 (CTL) und ICAM-1 (Zielzelle) verstärkt. Es bildet sich eine immunologische Synapse (Kap. 3.4), in der die Signalmoleküle in Clustern vorliegen. Als nächstes tritt eine Veränderung des Cytoskeletts der zytotoxischen T-Zelle ein, die dazu führt, dass Granula an die Zellmembran transportiert werden und mit der Membran verschmelzen. Dadurch werden die Inhaltsstoffe der Granula, Perforine und Granzyme, freigesetzt, die zum Tod der Zielzelle durch Apoptose führen (Abb. 5.14). Perforine und Granzyme werden ebenfalls von NK-Zellen ausgeschüttet, wenn diese ihre Zielzelle töten. Perforin ist ein Monomer, das in der Membran der Zielzelle zu einer Pore polymerisiert. Durch diese Poren können die Granzyme in die Ziel-

Definition +

CTL (cytotoxic T-Lymphozytes) Bei diesen Zellen handelt es sich um CD8 TZellen, die zuvor durch dendritische Zellen in lymphatischen Geweben aktiviert worden sind. CD8 ist der Corezeptor, der außen am MHC-I Molekül (α3-Domäne) bindet und dadurch den Kontakt zwischen T-Zell Rezeptor und dem MHC-I Molekül verstärkt. Cytoskelett Das Cytoskelett ist ein aus Proteinen bestehendes „Stützgerüst“ im Zytoplasma jeder Zelle das fadenförmige Strukturen (Filamente) bildet, die dynamisch auf- und abgebaut werden können. Granzyme Serinproteasen, die in der Zielzelle zur Spaltung von Caspasen (Cysteinproteasen) führen. Die Spaltung der Caspasen führt zu deren Aktivierung und im weiteren Verlauf zur Apoptose der Zelle.

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5

Effektorreaktionen von angeborener und erworbener Immunität

Abb. 5.14 Effektorreaktion von zytotoxischen T-Zellen (CTL). Der Hauptmechanismus durch den

CTLs ihre Zielzelle töten, führt über Perforine und Granzyme. Hat eine CTL über ihren T-ZellRezeptor eine virusinfizierte Zelle erkannt, so degranuliert sie und schüttet Perforine und Granzyme aus. Perforine führen zu Poren in der Zellmembran, durch die die Granzyme in die infizierte Zelle diffundieren können um dort Apoptose auszulösen. Voraussetzung für die Zerstörung der Zelle ist die antigenspezifische Erkennung der infizierten Zelle, d.h. die Bindung des T-Zell Rezeptors an die antigenbeladenen MHC-I Moleküle

zelle gelangen und dort Caspasen aktivieren, die zur Apoptose der Zielzelle führen. Außerdem führen die Poren dazu, dass Wasser in die Zelle einströmt und der Ionenhaushalt gestört wird. Anschließend löst sich die zytotoxische T-Zelle von ihrer Zielzelle und beginnt mit der „Durchmusterung“ der benachbarten Zellen. Für den gesamten Prozess benötigen zytotoxische T-Zellen nur wenige Minuten. Haben sie ihre Granula entleert, stirbt die Zielzelle innerhalb von 2 bis 6 Stunden. Ähnlich wie NK-Zellen und TH1-Zellen haben aber auch zytotoxische T-Zellen die Möglichkeit, ihre Zielzelle Fas abhängig zu töten. CTLs exprimieren den FasLiganden (FasL) auf ihrer Zelloberfläche. Über die Bindung des Fas-Liganden an Fas, das von vielen Zellen exprimiert wird, werden ebenfalls Caspasen aktiviert, die Apoptose in der Zelle auslösen.

Infektion und Bekämpfung: CD4+ T-Zellen im Überblick

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5.8

Infektion und Bekämpfung: CD4+ T-Zellen im Überblick Dringen Pathogene in die äußeren Gewebe (Haut, Schleimhäute) ein, so treffen sie auf epidermale Langerhans-Zellen sowie tiefer gelegene intrademerale dendritische Zellen. Epidermale Langerhans-Zellen sind antigenpräsentierende Zellen und gehören zu dem System der dendritischen Zellen (Kap. 1.3). Dendritische Zellen sind in fast allen Körperepithelien anzutreffen. In der Epidermis wurden Sie nach ihrem Entdecker, Paul Langerhans, als Langerhans-Zellen bezeichnet. In der Epidermis formen Langerhans-Zellen mit ihren langen Zellausläufern (Dendriten) ein loses Maschenwerk und bilden so eine erste immunologische Front gegen Mikroorganismen die versuchen, über die Haut in den Organismus einzutreten. Im Zuge von Infektionen nehmen Langerhans-Zellen und intradermale dendritische Zellen mikrobielle Keime durch Phagozytose auf. Die Antigenaufnahme führt zu einer Aktivierung der Zellen, die daraufhin aus der Epidermis aus- und in die regionalen (nächstgelegenen) Lymphgefäße einwandern (Abb. 5.15). Über die Lymphgefäße gelangen Langerhans-Zellen schließlich zu den regionalen Lymphknoten und können dort naive T-Zellen aktivieren. In lymphatischen Geweben wie den Lymphknoten, ist die Dichte von T-Zellen und dendritischen Zellen am größten, und damit auch die Wahrscheinlichkeit am höchsten, dass eine antigenspezifische CD4+ T-Zelle auf die dendritische Zelle trifft, die ihr antigene Peptide aus dem aufgenommenen Erreger über MHCII präsentiert. Ist das der Fall, so wird die naive CD4+ T-Zelle durch die dendritische Zelle aktiviert. Dafür benötigt sie zwei Signale. Das erste Signal bekommt sie durch die Bindung ihres TZell Rezeptors (TCR) an MHCII auf der dendritischen Zelle. Das zweite oder kostimulatorische Signal erfolgt über die Bindung von CD28 an B7 auf der dendritischen Zelle (Abb. 5.15). Durch beide Signale wird die Zellteilung ausgelöst: die T-Zelle tritt in die klonale Expansion ein. Während der Expansionsphase produzieren die T-Zellen den Wachstumsfaktor IL2 und exprimieren den hochaffinen IL2-Rezeptor auf ihrer Zelloberfläche. Am Ende der Expansionsphase stehen aktivierte CD4+ TZellen, die den CD40L exprimieren. Ob eine CD4+ T-Zelle in Richtung TH1 oder TH2 differenziert, hängt davon ab, durch welchen Typ von dendritischer Zelle sie aktiviert worden ist, und welches Cytokinmuster sie empfangen hat. Haben die T-Zellen ihre Proliferationsphase beendet, so wird vorübergehend die Ordnung im Lymphknoten aufgehoben, T-Zellen und B-Zellen wandern aufeinander zu. Trifft nun eine aktivierte CD4+ T-Zelle (TH2) auf eine antigenspezifische BZelle, so wird die B-Zelle durch die T-Zelle aktiviert. Das setzt allerdings voraus, dass die B-Zelle mit dem gleichen Erreger Kontakt gehabt haben muss, gegen den die CD4+ T-Zelle zuvor aktiviert worden ist. Sie muss also das gleiche Antigen über ihren B-Zell Rezeptor (membranständiger Antikörper) aufgenommen (enodzytiert) haben und Peptide aus dem endozytierten Antigen über MHCII präsentieren. Dann ist gewährleistet, dass sie von der TH2 Zelle aktiviert werden kann. Durch die Aufnahme des Antigens über den membranständigen Antikörper wird sichergestellt, dass die B-Zelle antigenspezifisch ist, d.h. nach ihrer Aktivierung einen Antikörper produziert, der an den Erreger bindet. Das Antikörperepitop auf dem Erreger ist

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5

Effektorreaktionen von angeborener und erworbener Immunität

Abb. 5.15 Übersicht über die Aktivierung von CD4+ T-Zellen und B-Zellen. Treten Mikroorganismen über die Haut in das Gewebe ein, so werden sie zunächst durch die Mechanismen der angeborenen Immunität bekämpft. Das Komplementsystem wird aktiviert und die Mikroorganismen durch antigenpräsentierende Zellen (dendritische Zellen) phagozytiert. Die Zellen wandern anschließend aus dem Gewebe aus und über die Lymphe in die regionalen Lymphknoten ein. Dort aktivieren sie antigenspezifische CD4+ T-Zellen. Aktivierte CD4+ T-Zellen aktivieren nun ihrerseits antigenspezifische B-Zellen. Diese müssen zuvor das Antigen rezeptorvermittelt endozytiert haben und Peptide aus dem proteolytischen Abbau dieser Antigene im Verbund mit MHCII präsentieren. Ein Teil der aktivierten B-Zellen differenziert zu Plasmazellen, die in die Markregion des Lymphknotens wandern und von dort aus ihren Antikörper in Blut und Lymphe sezernieren

aber ein anderes als das Peptid, das nach dem lysosomalen Abbau des Erregers über MHCII der T-Zelle präsentiert wird. Die Aufnahme des Erregers durch Rezeptor vermittelte Endozytose kann in der Peripherie stattgefunden haben, kann sich aber auch erst im Lymphknoten ereignen, falls der Erreger oder Erregerbestandteile über die Lymphe in die Lymphknoten transportiert worden sind. Ebenso wie die T-Zelle benötigt die B-Zelle zwei Signale für ihre Aktivierung. Das erste Signal bekommt sie durch die antigenspezifische TCR:MHCII Interak-

Infektion und Bekämpfung: CD8+ T-Zellen im Überblick

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tion. Das zweite oder kostimulatorische Signal über die Bindung von CD40 an den CD40L der T-Zelle (Abb. 5.15). Daraufhin wird in der B-Zelle die Zellteilung ausgelöst, und sie tritt nun ihrerseits in die klonale Expansionsphase ein. Durch die Bindung des CD40L stimuliert, produziert die T-Zelle Cytokine, die für die Proliferation aber auch den Klassenwechsel der B-Zellen von Bedeutung sind. Zusätzlich wird in der B-Zelle durch die Bindung des CD40L die Expression der kostimulatorischen Moleküle B7.1 und B7.2 (allgemein: B7) induziert. Die proliferierenden B-Zellen bilden ein Keimzentrum im Lymphfollikel, aus dem Antikörper produzierende Plasmazellen hervorgehen. Diese wandern in die Markregion des Lymphknotens und sezernieren ihren Antikörper in Blut und Lymphe. Manche wandern aber auch in das Knochenmark ein und sezernieren von dort aus ihren Antikörper in das Blut. Über das Blut werden schließlich die Antikörper zum Ort der Infektion transportiert und können dort an die Erreger binden. 5.9

Infektion und Bekämpfung: CD8+ T-Zellen im Überblick Jede kernhaltige Körperzelle kann prinzipiell durch einen Virus infiziert werden. Darum exprimieren auch alle kernhaltigen Körperzellen MHC-I Moleküle, über die virale Peptide präsentiert werden können. Durch die Präsentation von viralen Peptiden wird dem Immunsystem die Infektion durch einen Virus kenntlich gemacht. Ebenso wichtig ist aber auch die Präsentation von Peptiden, die aus Proteinen stammen, die im Verlauf der Entwicklung einer normalen Körperzelle zu einer Tumorzelle zusätzlich exprimiert werden können. Hierbei kann es beispielsweise zur Expression von Proteinen kommen, die zuvor nur während der Embryonalentwicklung benötigt wurden und deren Gene später abgeschaltet worden sind. Werden solche Gene in Tumorzellen reaktiviert, so bezeichnet man die Proteine als Tumor spezifische Antigene. Durch die Präsentation von Peptiden aus Tumorantigenen können ebenfalls Tumorzellen dem Immunsystem kenntlich gemacht werden. Die einzige Möglichkeit der effektiven Bekämpfung von virusinfizierten Zellen oder Tumorzellen besteht darin, die Zellen zu töten. Diese Aufgabe übernehmen neben natürlichen Killerzellen die zytotoxischen T-Zellen. Infiziert ein Virus die äußeren Epithelien (Haut, Schleimhäute), so kann es je nach Virus zu einem Einbau der viralen DNA in das Wirtsgenom kommen (lysogener Zyklus), oder das Virus vermehrt sich und führt schließlich zur Lyse der Zelle (zytophatischer Effekt). Durch die Lyse der Zelle wird das Virus freigesetzt und kann weitere Zellen infizieren. Freigesetzte Viren oder virale Bestandteile führen zu einer Aktivierung des Komplementsystems und können durch Antikörper opsonisiert (neutralisiert) werden. Opsonisierte Viren oder virale Bestandteile können von dendritischen Zellen phagozytiert werden, die daraufhin aus dem Epithel auswandern und über die Lymphe in die regionalen Lymphknoten gelangen. Dort wandern sie, durch Chemokine geleitet, in die T-Zell-reichen cortikalen Regionen und aktivieren virusspezifische (antigenspezifische) CD4+ und CD8+ T-Zellen.

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Effektorreaktionen von angeborener und erworbener Immunität

Die Aktivierung von CD8+ T-Zellen durch dendritische Zellen setzt voraus, dass antigene Peptide, die aus dem lysosomalen Abbau der phagozytierten Virusbestandteile stammen, auch über MHC-I gebunden und präsentiert werden. Der Mechanismus, der in dendritischen Zellen die Peptidbeladung von MHC-I Molekülen durch lysosomale Peptide gewährleistet, wird Kreuzpräsentation (crosspresentation) genannt (Kap. 2.4.5. Abschnitt Cross-Präsentation).

Abb. 5.16 Übersicht über die Aktivierung und Effektorreaktion von CD8+ T-Zellen. Infizieren

Viren Epithelzellen, so vermehren sie sich in ihnen und führen zur Lyse der Zellen. Frei werdende Viren und virale Bestandteile können das Komplementsystem aktivieren. Opsonisierte Virusantigene werden durch dendritische Zellen phagozytiert. Die dendritischen Zellen wandern daraufhin aus dem Epithel über die Lymphgefäße in die regionalen Lymphknoten ein. Dort aktivieren sie virusspezifische naive CD4+ und CD8+ T-Zellen. Aktivierte CD4+ T-Zellen leisten Hilfe bei der Aktivierung von CD8+ T-Zellen, indem sie die Expression der kostimulatorischen Moleküle B7.1 und B7.2 auf der dendritischen Zelle verstärken. Die verstärkte Expression von kostimulatorischen Molekülen ist für die Entwicklung von langlebigen CD8+ T-Gedächtniszellen notwendig. Aktivierte CD8+ T-Zellen beginnen zu proliferieren. Anschließend wandern sie aus dem Lymphknoten aus und differenzieren zu zytotoxischen T-Zellen (CTL). Diese wandern durch Chemokine geleitet am Gefäßendothel hin zum Ort der Infektion. Dort werden die infizierten Zellen von den CTL Perforin vermittelt in die Apoptose geführt

Infektion und Bekämpfung: CD8+ T-Zellen im Überblick

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Ebenso wie die Aktivierung von naiven CD4+ T-Zellen benötigen naive CD8+ T-Zellen zwei Signale für ihre Aktivierung. Das erste Signal über die antigenspezifische TCR:MHC-I Interaktion, das zweite Signal durch die Interaktion von kostimulatorischen Molekülen (B7:CD28). Das kostimulatorische Signal setzt aber eine Aktivierung der dendritischen Zelle voraus. Diese kann in der Peripherie im Zuge einer akuten Infektion über ihre Toll-like Rezeptoren ausreichend stark aktiviert werden, um genügend kostimulatorische Moleküle für eine frühe Aktivierung von naiven CD8+ T-Zellen bereitstellen zu können (Kap. 3.2.1). Im Zuge dieser Aktivierung können sich aber keine langlebigen CD8+ T-Gedächtniszellen entwickeln (Kap. 3.7). Dafür bedarf es der zusätzlichen Stimulation der dendritischen Zellen über CD40:CD40L. Im Rahmen der Aktivierung von naiven CD4+ T-Zellen können sich dendritische Zellen und CD4+ T-Zellen gegenseitig aktivieren. Hat die dendritische Zelle das Signal über CD40:CD40L durch CD4+ T-Zellen bekommen, so führt dies zu einer Verstärkung der Expression von kostimulatorischen Molekülen. Werden naive, virusspezifische CD8+ T-Zellen nun durch dendritische Zellen aktiviert, die zuvor durch virusspezifische CD4+ T-Zellen (T-Helferzellen) aktiviert worden sind (Abb. 5.16), so entwickelt sich ein Teil der aktivierten CD8+ T-Zellen zu langlebigen T-Gedächtniszellen. Nach ihrer Aktivierung verlassen die CD8+ T-Zellen den Lymphknoten und differenzieren zu zytotoxischen T-Zellen. Durch Chemokine geleitet, wandern sie am

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Effektorreaktionen von angeborener und erworbener Immunität

Infektion und Bekämpfung: CD8+ T-Zellen im Überblick

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Effektorreaktionen von angeborener und erworbener Immunität

Gefäßendothel entlang zum Ort der Infektion. Dort sind sie in der Lage, nach antigenspezifischer Bindung (TCR:MHC-I/Peptid) virusinfizierte Zellen in die Apoptose zu führen (Abb. 5.16). Zytotoxische T-Zellen können die Apoptose Perforin/ Granzym vermittelt in der Zielzelle auslösen, sie können aber auch virusinfizierte Zellen durch eine FasL:Fas vermittelte Interaktion töten. Aufgaben

Beschreiben Sie die Tafelbilder Spezielle Literatur Andersen MH, Schrama D, Thor SP, Becker JC (2006) Cytotoxic T cells. J Invest Dermatol 126:32–41 Awasthi A, Mathur RK, Saha B (2004) Immune response to Leishmania infection. Indian J Med Res. 119:238–258 Bordet J, Gengou O (1909) Sur l’existence des substances sensibilatrices dans la plupart des sérums antimicrobiens, Ann l’Inst Pasteur, 1901, translated as On the existence of sensitising substances in the majority of antimicrobial sera. In: Gay FP (eds) Studies in immunity by Professor Jules Bordet and his collaborators. Wiley, New York, pp 217–227 Drozina G, Kohoutek J, Jabrane-Ferrat N, Peterlin BM (2005) Expression of MHC II genes. Curr Top Microbiol Immunol 290: 147–170 Hamerman JA, Ogasawara K, Lanier LL (2005) NK cells in innate immunity. Curr Opin Immunol 17:29–35 Loch S, Tampe R (2005) Viral evasion of the MHC class I antigen-processing machinery. Pflugers Arch 451:409–417 Louis JA, Conceicao-Silva F, Himmelrich H, Tacchini-Cottier F, Launois P (1998) Anti-leishmania effector functions of CD4+ Th1 cells and early events instructing Th2 cell development and susceptibility to Leishmania major in BALB/c mice. Adv Exp Med Biol 452:53–60 Miller SI, Ernst RK, Bader MW (2005) LPS, TLR4 and infectious disease diversity. Nat Rev Microbiol 3:36–46 Monu N, Trombetta ES (2007) Cross-talk between the endocytic pathway and the endoplasmic reticulum in cross-presentation by MHC class I molecules. Curr Opin Immunol 19:66–72 Murray PJ (2007) The JAK-STAT signaling pathway: input and output integration. J Immunol 178:2623–2629 Pedersen AE (2001) Immunity to infection. Nature Encyclopedia of life sciences. 1–8 Rawlings J.S, Rosler KM, Harrison DA (2004) The JAK/STAT signaling pathway. J Cell Sci 117:1281–1283 Rot A, von Andrian UH (2004) Chemokines in innate and adaptive host defense: basic chemokinese grammar for immune cells. Annu Rev Immunol 22:891–928 Rus H, Cudrici C, Niculescu F (2005) The role of the complement system in innate immunity. Immunol Res 33:103–112 Wajant H, Pfizenmaier K, Scheurich P (2003) Tumor necrosis factor signaling. Cell Death Differ 10:45–65

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Toleranz, Transplantatabstoßung, Allergie, Autoimmunität, HIV und AIDS

Eine wesentliche Voraussetzung für die Funktionalität unseres Immunsystems ist die Fähigkeit, zwischen körpereigenen und körperfremden Strukturen unterscheiden zu können – eine Eigenschaft, die letztlich im Kontext von Transplantationen für Abstoßungsreaktionen verantwortlich ist. Da unser Immunsystem aber „nicht weiß“, mit welchen antigenen Strukturen es einmal konfrontiert wird, haben sich im Laufe der Evolution Mechanismen herausgebildet, die ein sehr hohes Repertoire von unterschiedlichen B- und T-Zell Rezeptorspezifitäten, und damit spezifischen Erkennungsstrukturen, gewährleisten (Kap. 2.2.1, 2.3.1). Aufgrund des zufälligen Repertoires von unterschiedlichen Rezeptorspezifitäten ist die Wahrscheinlichkeit sehr groß, dass auch solche Antikörper oder T-Zellen entstehen, die gegen körpereigene Strukturen gerichtet sind. Tatsächlich kann es zu einer Schädigung von körpereigenen Strukturen durch das Immunsystem kommen. Die damit verbundenen Krankheiten werden als Autoimmunerkrankungen bezeichnet. Glücklicherweise sind Autoimmunerkrankungen die Ausnahme: dafür sorgen die Mechanismen der zentralen und peripheren Toleranz. Selbstreaktive B- und T-Zellen werden während ihrer Reifung in den primären lymphatischen Organen (Knochenmark, Thymus) durch die Mechanismen der zentralen Toleranz ausgeschaltet. Daneben existieren aber auch Mechanismen, die in der Peripherie (außerhalb von Knochenmark und Thymus) potentiell autoreaktive T-Zellen unterdrücken und „Überreaktionen“ des Immunsystems im Verlauf von Infektionen regulieren. Zusammenfassend nennt man sie die Mechanismen der peripheren Toleranz. Überreaktionen können aber auch gegen „harmlose“ Substanzen wie z.B. Pollen, das Gift von Insekten, chemische Substanzen wie Penicillin oder Metalle, entstehen, und geben Anlass zu Überempfindlichkeitserkrankungen bzw. Allergien.

6.1

Zentrale und periphere T-Zell Toleranz Bei T-Zellen richtet sich die zentrale Toleranz gegen Thymozyten, die während ihrer Reifung im Thymus mit hoher Affinität an Selbstpeptide binden, die ihnen von dendritischen Zellen präsentiert werden. Binden Thymozyten mit hoher Af-

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Toleranz, Transplantatabstoßung, Allergie, Autoimmunität, HIV und AIDS

Abb. 6.1 Mechanismen von zentraler und peripherer Toleranz im Überblick. Bei T-Zellen vollzieht

sich die zentrale Toleranz durch die negative Selektion an antigenpräsentierenden Zellen in der Markregion des Thymus. Selbstreaktive (autoreaktive) Thymozyten werden hier deletiert. Hingegen gibt es während der Reifung von B-Zellen im Knochenmark noch die Möglichkeit, dass selbstreaktive B-Zellen ihre Rezeptorspezifität wechseln (receptor editing). Autoreaktive T- und B-Zellen können auch in der Peripherie ausgeschaltet werden. Binden sie ihr Antigen, ohne dass sie kostimulatorische Aktivierungssignale bekommen, so werden sie anerg (II); sie verlieren die Fähigkeit gegen ihr Antigen zu reagieren. Regulatorische T-Zellen (Treg) können autoreaktive TZellen durch Cytokine suppremieren (I). Bei wiederholtem Antigenkontakt (in kurzen Abständen) exprimieren T-Zellen beide Todesrezeptoren (Fas, FasL, auch Apoptose induzierende Rezeptoren genannt) und führen sich gegenseitig in die Apoptose (aktivierungsinduzierter Zelltod) (IV). Der aktivierungsinduzierte Zelltod ist ein genereller Mechanismus zur Regulation der Immunantwort. Anerge B-Zellen vermindern die Expression des Chemokinrezeptors CXCR5, der für eine Wanderung in Lymphfollikel notwendig ist (Lymphfollikel-Ausschluss). Bekommen T-Zellen in der Peripherie ein Signal über die Interaktion CD28 mit CTLA4 auf der Zelloberfläche von antigenpräsentierenden Zellen (APC), so führt dieses Signal nicht zu einer Kostimulation sondern zu einer Inhibition (III)

finität an Selbstpeptide, so bekommen sie ein Signal für die Apoptose; sie werden deletiert (Negativselektion) (Abb. 6.1). Manche Thymozyten, die mit hoher Affinität Selbstpeptide binden, werden aber nicht deletiert, sondern differenzieren zu regulatorischen T-Zellen, die eine wichtige Funktion für die Aufrechterhaltung der peripheren Toleranz besitzen.

Periphere T-Zell Toleranz

Als periphere Toleranz werden die Mechanismen bezeichnet, die dazu führen, dass T-Zellen, die in der Peripherie Selbstantigene erkennen, zum Schutz vor Autoimmunerkrankungen inaktiviert werden. Zu diesen Mechanismen zählen in er-

Zentrale und periphere T-Zell Toleranz

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Historie

Mechanismen der Toleranz: Erkenntnisse durch transgene Mäuse. Es war sehr schwierig, die Mechanismen zu untersuchen, die dafür sorgen, dass keine autoreaktiven Lymphozyten in gesunden Menschen und Tieren entstehen. Zunächst ist es kaum möglich, selbstreaktive Lymphozyten zu isolieren, da sie normalerweise ja deletiert werden. Weiterhin gab es keine Technik, mit der man die Quantität, Gewebeverteilung und Struktur von potentiellen Autoantigenen bestimmen kann, gegen die evtl. autoreaktive Lymphozyten entstehen könnten. Einfacher gesagt, man kannte den Gegner nicht, seinen Erscheinungsort und seine Anzahl, gegen die autoreaktive Lymphozyten gebildet werden könnten. Dieses Problem konnte jedoch durch die Herstellung von transgenen Mäusen umgangen werden. Durch diese Technik wurde es möglich, ein beliebiges Protein im Mäuseorganismus zu exprimieren. Die DNA, die für das Protein kodiert, integriert dabei in das Mäusegenom und wird an die Nachkommen weitergegeben. Der Ort der Expression des Proteins im Mäuseorganismus hängt nun davon ab, welcher Promotor vor den kodierenden Bereich des Proteins gesetzt wurde. Dies kann ein Promotor sein, der eine ubiquitäre Expression des Proteins zulässt; es kann aber auch ein Promotor sein, der nur in bestimmten Zellen aktiv ist und dadurch zu einer Gewebe oder zelltypspezifischen Expression des Proteins führt.

ster Linie die Anergie sowie die Suppression von autoreaktiven T-Zellen (Abb. 6.1). T-Zellen werden anerg, wenn sie ihr Antigen von antigenpräsentierenden Zellen (APC) ohne ausreichendes kostimulatorisches Signal präsentiert bekommen. Das führt dazu, dass die Zellen zwar überleben, aber nicht mehr durch „ihr Antigen“ aktiviert werden können. Wird eine T-Zelle wiederholt (in kurzen Abständen) aktiviert, exprimiert sie die „Todesrezeptoren“ Fas und FasL (Fas Ligand, auch Apoptose induzierende Rezeptoren genannt). Durch die Bindung von FasL an Fas können sich die T-Zellen gegenseitig in die Apoptose führen; es kommt zum aktivierungsinduzierten Zelltod. An der Immunsuppression sind regulatorische T-Zellen (Treg) (Kap. 3.1.3) beteiligt. Regulatorische T-Zellen bilden eine in sich differenzierte Subpopulation, von denen die natürlichen, während der T-Zell Differenzierung im Thymus gebildeten CD4+ T-Zellen gut charakterisiert sind. Diese tragen als charakteristischen Marker CD25 (IL2R-alpha-Kette) auf ihrer Zelloberfläche und exprimieren den Transkriptionsfaktor Foxp3 (forkhead box P3). Die Suppression kann über Cytokine, insbesondere TGF-β (transforming growth factor-β) und IL10, erfolgen. Vermutlich spielen aber auch direkte Zell-Zell Kontakte eine Rolle. TGF-β inhibiert die Proliferation von T- und B-Zellen. Hingegen inhibiert IL10 die Aktivierung von Makrophagen sowie die Differenzierung von CD4+ T-Zellen zu T-Helfer-1 (TH1) Zellen. Im Kontext der Tumorgenese (Tumorentstehung) spielen Treg auch eine wichtige Rolle. Da ihre Aufgabe darin besteht, selbstpeptidspezifische T-Zellen in ihrer Funktion zu hemmen, können sie vermutlich ebenfalls zu einer Hemmung von tumorspezifischen T-Zellen führen. Tumorantigene, die über MHC-I von Tumorzellen präsentiert werden, sind i.d.R. Selbstpeptide.

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Toleranz, Transplantatabstoßung, Allergie, Autoimmunität, HIV und AIDS

Definition

Transgen Bezeichnung für ein Gen, das entfernt zu seinem homologen Gen im Genom integriert. Das Transgen kann bei der Herstellung von transgenen Tieren zufällig auf dem gleichen Chromosom integrieren, kann aber auch auf einem anderen Chromosom integrieren (in trans). Es integriert aber nicht am gleichen Genort wie sein Homolog. Bei Mäusen die ein Transgen besitzen, wird allgemein von transgenen Mäusen gesprochen. Durch diese Technik wurden beispielsweise transgene Mäuse hergestellt, die einen T-Zell Rezeptor (TCR) besaßen, der spezifisch ein Peptid aus dem H-Y Antigen erkannte, das im Verbund mit dem Klasseb I Molekül H2-D präsentiert wurde (Abb. 6.2). Wenn eine Maus hergestellt wird, der die kodierende Sequenz (cDNA) für einen T-Zell Rezeptor unter der Kontrolle des TCR-Promotors „eingepflanzt“ wird, so werden nahezu alle T-Zellen diesen Rezeptor exprimieren, da die „fertig umgelagerte“, rekombinante DNA die Umlagerungsreaktionen für den endogenen T-Zell Rezeptor stoppen (allelic exclusion). Das H-Y Antigen ist ein Protein, das auf dem Y-Chromosom kodiert vorliegt und demnach nur von Männchen exprimiert wird. Anti H-Y TCR- transgene Weibchen zeigten nun im Vergleich zu normalen (wild type) Weibchen keinen Unterschied in der Anzahl von T-Zellen in der Peripherie, da sie das H-Y Antigen nicht expri+ mierten. Hingegen besaßen transgene Männchen kaum noch CD8 T-Zellen. Diese wurden im Thymus deletiert, weil sie mit ihrem transgenen T-Zell Rezeptor hochaffin ein Peptid aus dem H-Y Antigen erkannten, das ihnen über MHC-I präsentiert wurde. Durch diese Experimente wurde deutlich, dass autoreaktive T-Zellen während ihrer Differenzierung im Thymus zugrunde gehen. Knock out Mäuse Durch die Technik der homologen Rekombination ist es möglich, ein Gen gezielt auszuschalten. Dabei wird das Gen durch ein nicht-funktionsfähiges, homologes Gen ersetzt. Bei Mäusen spricht man dann von gendefizienten Mäusen oder knock out Mäusen. cDNA (copy-DNA) wird durch reverse Transkription aus der mRNA hergestellt. Sie besitzt demnach keine Introns. Apoptose in Lymphozyten Wird der Zelltod eingeleitet, werden Enyzme aktiviert, die als Caspasen bezeichnet werden. Caspasen sind Cysteinproteasen und befinden sich in einer inaktiven Form im Zytosol der meisten Zellen. Nach einem initialen Stimulus, der entweder über eine FasL:Fas Interaktion oder eine veränderte Permeabilität der Mitochondrien erfolgen kann, kommt es zu einer kaskadenförmigen Aktivierung der Caspasen (eine aktiviert die nächste). Letztlich führen die Caspasen dazu, dass zelleigene Proteine sowie die genomische DNA fragmentiert werden. Wird die Apoptose in Lymphozyten aufgrund einer in kurzen Abständen erfolgenden Restimulation FasL:Fas abhängig ausgelöst, so wird dies als ein „aktivierungsabhängiger“ Zelltod bezeichnet. Wird der Zelltod durch eine Veränderung der Permeabilität der Mitochondrien eingeleitet, spricht man vom „passiven“ Zelltod.

Im Kontext der Transplantatabstoßung (Kap. 6.3) rücken CD4+CD25+FoxP3+ Treg ebenfalls zunehmend in den Vordergrund. Durch die Verabreichung von spenderspezifischen Treg an den Empfänger, könnte zunehmend eine Toleranz gegen-

Zentrale und periphere B-Zell Toleranz

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Abb. 6.2 Zentrale Toleranz bei T-Zell Rezeptor (TCR) anti H-Y transgenen Mäusen. Männliche Mäuse (keine Weibchen!) exprimieren ein Protein das als H-Y Antigen (histocompatibility Y-antigen) bezeichnet wird. Wird eine Maus hergestellt die einen transgenen TCR exprimiert der gegen ein Peptid aus dem H-Y Antigen gerichtet ist das im Verbund mit dem MHC-I Molekül H2-Db präsentiert wird, so werden die meisten CD8+ Thymozyten in den männlichen Tieren deletiert (Negativselektion). In weiblichen Tieren hingegen nicht. Da ein transgener TCR die Expression der endogenen T-Zell Rezeptoren verhindert, besitzen nahezu alle T-Zellen der Tiere den transgenen TCR. Aufgrund der Negativselektion von CD8+ T-Zellen im Thymus der transgenen Männchen, besitzen diese in der Peripherie nahezu nur CD4+ T-Zellen

über dem Transplantat erreicht werden. In diesem Zusammenhang könnten spenderspezifische Treg alloreaktive T-Zellen des Empfängers (T-Zellen, die gegen das Transplantat reagieren) in ihrer Funktion inhibieren und dadurch die Transplantatverträglichkeit verbessern.

6.2

Zentrale und periphere B-Zell Toleranz Experimente mit transgenen Mäusen führten zu der Beobachtung, dass unreife B-Zellen (IgM+, IgD-), die im Knochenmark mit hoher Affinität an Selbstantigene gebunden hatten, deletiert wurden oder ihre Rezeptorspezifität durch einen Mechanismus veränderten, der als Rezeptor editing (s. Kap. 4.1) bezeichnet wird (Abb. 6.3).

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Toleranz, Transplantatabstoßung, Allergie, Autoimmunität, HIV und AIDS

Abb. 6.3 B-Zell Toleranz in Immunglobulin anti HEL transgenen Mäusen. Werden Mäuse

verpaart (X), die einerseits für einen B-Zell Rezeptor transgen sind, der spezifisch gegen Hühnereiweißlysozym (HEL) gerichtet ist (Y), und andererseits mit Mäusen, die HEL als Transgen exprimieren (b) (s), so werden die Nachkommen aus der Verpaarung (F1 Mäuse) beide Transgene besitzen (Yb), (Ys). Wird nun für die Verpaarung eine HEL transgene Maus verwendet, die HEL zellgebunden exprimiert (b), so werden bei den Nachkommen die unreifen B-Zellen im Knochenmark deletiert. Sie binden mit hoher Affinität an das zellgebundene HEL, das von Stromazellen im Kochenmark exprimiert wird. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass sie ihre Rezeptorspezifität noch einmal wechseln, um der Apoptose zu entgehen. Wird hingegen für die Verpaarung eine HEL transgene Maus verwendet, die HEL als lösliches Protein exprimiert (s), so werden die B-Zellen im Knochenmark nicht deletiert. Sie binden das lösliche HEL mit geringer Affinität. Allerdings besitzen die B-Zellen in der Peripherie nur noch wenige Antikörperrezeptoren auf ihrer Zelloberfläche

Neben der Deletion und Änderung der Rezeptorspezifität scheint es aber noch einen weiteren Mechanismus zu geben, der unreife B-Zellen, die ihr Selbstantigen mit geringer Affinität binden, noch zu reifen B-Zellen differenzieren lässt. Diese besitzen aber nur noch wenige Antikörperrezeptoren auf ihrer Zelloberfläche und können in der Peripherie nicht mehr gegen das Selbstantigen aktiviert werden. Diese Beobachtung stammte von Mäusen, die einen transgenen Immunglobulinrezeptor exprimierten, der gegen HEL (Hühnereiweiß-Lysozym) gerichtet war (Abb. 6.3). Wurde den B-Zellen dieser Mäuse HEL zellgebunden angeboten, so zeigten die

Transplantatabstoßung

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Zellen eine hohe Bindungsaffinität über ihren Rezeptor; die Bindungsaffinität war hingegen deutlich vermindert, wenn HEL löslich vorlag. Um beide Phänomene im Mäuseorganismus untersuchen zu können, wurde eine anti-HEL Ig-Rezeptor transgene Maus mit einer HEL transgenen Maus gepaart, die HEL als Selbstantigen entweder löslich oder zellgebunden exprimierte. Die Nachkommen zeigten, dass im Falle des zellgebundenen HEL, die unreifen B-Zellen im Knochenmark deletiert wurden. Hingegen verließen bei denjenigen Mäusen die B-Zellen das Knochenmark, die HEL in löslicher Form exprimierten. Die B-Zellen dieser Tiere besaßen aber nur noch wenige Ig-Rezeptoren auf ihrer Zelloberfläche und konnten in der Peripherie nicht mehr gegen HEL aktiviert werden (Abb. 6.3).

B-Zell Toleranz in der Peripherie

Binden autoreaktive B-Zellen in der Peripherie an ein Selbstantigen und bekommen keine Aktivierungshilfe (kostimulatorische Signale) durch CD4+ T-Zellen, so werden sie anerg (funktionell inaktiv). Sie sind im anergen Zustand nicht mehr in der Lage, gegen ihr Antigen zu reagieren. Treffen anerge B-Zellen auf eine antigenspezifische CD4+ T-Zelle, so können sie durch die T-Zelle Fas abhängig in die Apoptose geführt werden. Bei Mäusen, die Mutationen in Fas oder FasL tragen, funktioniert dieser Weg nicht mehr. Vermutlich wird die Entstehung von Autoimmunerkrankungen durch eine fehlerhafte FasFasL Signalgebung begünstigt. Zusätzlich verlieren anerge B-Zellen die Fähigkeit, in Lymphfollikel einzuwandern, da sie die Expression des Chemokinrezeptors CXCR5 stark reduziert haben (Abb. 6.1). Vermutlich werden viele Autoimmunerkrankungen durch Autoantikörper vermittelt, deren Entstehung auf eine Fehlregulation während der B-Zell Aktivierung zurückzuführen ist. In diesem Zusammenhang erschien ein gängiges Prinzip für die Aktivierung autoreaktiver B-Zellen über die Hilfe durch autoreaktive T-Helferzellen zu führen. In Mausmodellen konnte entsprechend die Koexistenz von autoreaktiven B- und T-Zellen nachgewiesen werden. Diese ist aber für sich betrachtet nicht ausreichend, um zum Ausbruch einer Autoimmunkrankheit zu führen. Durch Arbeiten der letzten Jahre wurde deutlich, dass hierfür Ereignisse eintreten müssen, die zu einem Versagen der Toleranzmechanismen führen. Hierbei spielen Regulationsmechanismen eine wichtige Rolle, die über regulatorische T-Zellen ausgeübt werden. In diesem Kontext gewinnen aber auch Toll-like Rezeptor vermittelte Aktivierungsmechanismen von dendritischen Zellen sowie B-Zellen zunehmend an Bedeutung (Kap. 6.5).

6.3

Transplantatabstoßung In einer mittelalterlichen Legende des Jakob von Voragine ist ein Wunderbericht nachzulesen. In diesem Bericht wird von der Verpflanzung eines Mohrenbeines auf einen weißhäutigen Menschen durch die Ärzte Kosmas und Damian berichtet.

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Toleranz, Transplantatabstoßung, Allergie, Autoimmunität, HIV und AIDS

Von dieser Geschichte wird gerne im Kontext der „ersten Transplantation“ berichtet. Diese Legende hat ein gutes Ende; doch eine tatsächlich durchgeführte, vergleichbare Transplantation würde zu einer Abstoßung des Transplantates führen. Warum aber wird mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Transplantat eines Menschen auf einen anderen Menschen abgestoßen? Die Transplantatabstoßung ist eine immunologische Reaktion, die hauptsächlich von T-Zellen vermittelt wird. Das Ziel der immunologischen Abwehrreaktion konnte durch eine Reihe von Transplantationsexperimenten im Mausmodell identifiziert werden (Kap. 2.4). Durch Hauttransplantationen an congenen Mausstämmen wurde deutlich, dass die Ursache der Abstoßungsreaktionen auf einen bestimmten Genbereich von Chromosom 17 zurückzuführen war, der daraufhin als Gewebeverträglichkeitslokus (histocompatibility oder H2-Lokus) bezeichnet wurde. Beim Menschen liegt dieser Bereich auf Chromosom 6 und wird Hauptgewebeverträglichkeitskomplex (major-histocompatibility complex) oder kurz MHC, genannt. In diesem Kontext wird oft anstelle des H2-Lokus der Maus auch vom MHC der Maus gesprochen. Die hauptsächlich für die Transplantatabstoßung verantwortlichen Gene innerhalb der MHC Region sind die hochpolymorphen MHC-I und MHC-II Gene, bzw. ihre Genprodukte, die MHC-I und MHC-II Moleküle (Kap. 2.4.2). Jeder Mensch (mit Ausnahme von eineigen Zwillingen) unterscheidet sich in diesen Genen. Die Funktion der MHC-I und -II Moleküle liegt darin, antigene Peptide zu binden und über antigenpräsentierende Zellen dem Immunsystem (T-Zellen) kenntlich zu machen. Indem jeder Mensch seine individuelle Ausstattung von MHC-I und -II Molekülen besitzt, wird bei jedem Menschen ein individuelles Spektrum von Peptiden präsentiert. Als Folge davon werden bei Infektionen mit den gleichen Erregern bei jedem Menschen unterschiedliche T-Zellklone aktiviert. Aus diesem Grund trägt der MHC Polymorphismus dazu bei, dass es in Zeiten von immunologischen Katastrophen (Epidemien, Pandemien) mit hoher Wahrscheinlichkeit Individuen geben wird, die diese Katastrophen überstehen. Im Kontext von Transplantationen bedeutet es aber, dass Spender und Empfänger in ihren MHC-I und -II Genen weitestgehend übereinstimmen sollten, um Abstoßungsreaktionen vorzubeugen. Da eine absolute Übereinstimmung in den seltensten Fällen gegeben ist, sind häufig nach Transplantationen immunsuppressive Medikamente wie beispielsweise Cyclosporin notwendig, um eine vorzeitige Abstoßung des Transplantates zu verhindern. Insgesamt werden drei unterschiedliche Mechanismen der Transplantatabstoßung unterschieden: die MHC-I und -II gebundene akute Transplantatabstoßung, die langsame Abstoßungsreaktionen aufgrund von Nebengewebeverträglichkeitsantigenen (minor histocompatibility antigens), sowie die hyperakute Transplantatabstoßung.

Definition

Cyclosporin A Dieser Stoff verhindert die Ausschüttung von inflammatorischen Cytokinen (u.a. IL2) durch T-Zellen. Dadurch wird die T-Zell Aktivierung gehemmt. Cyclosporin A wird aus Schlauchpilzen gewonnen.

Transplantatabstoßung

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6.3.1

Die hyperakute Transplantatabstoßung Die hyperakute Transplantatabstoßung beruht auf natürlichen Antikörpern (hauptsächlich IgM) (Kap. 4.3.1) des Empfängers, die gegen Blutgruppenantigene oder polymorphe Bereiche von MHC-Molekülen auf Zellen des Spenderorgans gerichtet sind. Blutgruppenantigene befinden sich auf der Oberfläche von Erythrozyten und Epithel-/Endothelzellen. Die Antikörper (Alloantikörper) führen im Falle einer Bluttransfusion (= Gewebetransplantation von kernlosen Zellen) zur Verklumpung (Agglutination) von Erythrozyten oder binden im Falle eines Spenderorgans an das Gefäßendothel innerhalb des Organs. Im gebundenen Zustand führen sie zur Aktivierung des Komplementsystems sowie der Blutgerinnungskaskade. Als Folge davon kommt es zum Gefäßverschluss und dem Absterben des Spenderorgans bzw. des Spendergewebes. Dieser Vorgang kann bereits innerhalb von Minuten nach der Transplantation zur Abstoßung des Organs oder des Gewebes führen. Darum ist es beispielsweise notwendig, vor einer Bluttransfusion die Blutgruppen von Spender und Empfänger zu bestimmen. Die Blutgruppenantigene sind chemisch gesehen Zuckerstrukturen, die an membranständige Lipide (Glykolipide) oder Proteinen (Glykoproteine) gebunden sind. Beschrieben wurde das AB0-System (Abb. 6.4) 1901 von Karl Landsteiner. Zu jeder Blutgruppe (A, B und 0) gibt es ein Allel. Ein Allel ist eine Genvariante. Im Kontext der Blutgruppen bedeutet das, dass im Laufe der Evolution durch Mutationen in einem ursprünglichen „Blutgruppengen“ insgesamt drei Varianten entstanden sind: das A-Allel, das B-Allel und das 0-Allel. Diese Allele kodieren für Proteine (Glykosyltransferasen), die bestimmte Zuckermoleküle miteinander verknüpfen können. Im Gegensatz zu den Allelen A und B ist das Allel 0 stumm: d.h. von diesem Allel wird kein funktionsfähiges Protein kodiert. Glykolipide und Glykoproteine der Erythrozyten von Menschen mit der Blutgruppe 0 besitzen nur eine Grundglykosylierung (GalNAc-Gal-GlcNAc-Gal)-Fuc die unabhängig von den Allelen A, B und 0 ist (Abb. 6.4). Der endständige Fukoserest wird hierbei durch das Produkt (ebenfalls eine Glykosyltransferase) des so genannten Gen H an den Galaktoserest der Grundglykosylierung angehängt. Diese Grundglykosylierung dient bei den Blutgruppen A und B als „Vorläuferglykosylierung“, an die je nach Blutgruppe ein bestimmter Zuckerrest angeknüpft wird. Menschen mit der Blutgruppe A exprimieren eine „A“ Glykosyltransferase, aber keine „B“ Glykosyltransferase und umgekehrt. Das Produkt von Allel A katalysiert die Verknüpfung des Galaktoserests der Grundglykosylierung mit einem N-Acetylgalaktosamin-Zuckermolekül. Die Glykosyltransferase, die von Allel B kodiert wird, katalysiert hingegen die Verknüpfung des Galakto-

Definition

Alloantikörper im Kontext der Transplantatabstoßung: Antikörper gegen Antigene eines Transplantates von einem Spender der gleichen Art

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Toleranz, Transplantatabstoßung, Allergie, Autoimmunität, HIV und AIDS

Abb. 6.4 Das AB0 System. Die Blutgruppen sind chemisch gesehen Zuckerstrukturen (Kohlen-

hydratstrukturen) von membranständigen Lipiden und Glykolipiden, wie sie beispielsweise in der Membran von Erythrozyten, aber auch Endothelzellen vorhanden sind. Die Blutgruppe 0 wird aufgrund eines Gendefekts nicht ausgebildet. Glykolipide und Glykoproteine von Menschen mit der Blutgruppe 0 besitzen nur eine Grundglykosylierung (GalNAc-Gal-GlcNAc-Gal-Fuc). Der Fukoserest wird durch die Wirkung des Genprodukts H (eine Glykosyltransferase) an den Galaktoserest angehängt. Dieses Glykosylierungsmuster bildet die Basis für die Blutgruppen A und B, die entweder durch die Verknüpfung des Galaktoserests mit einem N-Acetylgalaktosamidmolekül (Blutgruppe A) oder eines weiteren Galaktosemoleküls (Blutgruppe B) gebildet werden. Die beteiligten Glykosyltransferasen sind die Produkte der Blutgruppenallele A bzw. B. Die Blutgruppen A und B werden kodominant vererbt und exprimiert. Ein Mensch mit der Blutgruppe AB besitzt demnach Glykolipide und Glykoproteine die beide Kohlenhydratmodifikationen zeigen. Menschen mit der Blutgruppe A, B oder AB können Blut eines Spender mit der Blutgruppe 0 erhalten (Pfeile geben die Richtung der Blutgruppenverträglichkeit an). Menschen mit der Blutgruppe AB können Blut von Spendern mit der Blutgruppe 0, A und B erhalten. Ein umgekehrter Weg ist aufgrund des Vorhandenseins von Alloantikörpern (in diesem Fall natürliche Antikörper) nicht möglich

serests mit einem weiteren Galaktosemolekül. Menschen mit der Blutgruppe AB besitzen beide Blutgruppenallele, A und B. Demnach besitzen die Erythrozyten der Menschen mit Blutgruppe AB Glykolipide und Glykoproteine, die beide Zuckermodifikationen aufweisen. Im Kontext von Bluttransfusionen bedeutet das aber, dass Menschen mit der Blutgruppe 0 bereits Antikörper gegen die Blutgruppen A und

Transplantatabstoßung

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B besitzen. Sie können also kein Blut von einem Spender mit der Blutgruppe A, B, oder AB bekommen. Umgekehrt sind sie idealer Spender für diese Menschen, da die Blutgruppe 0 gewissermaßen in den Blutgruppen A und B enthalten ist (Abb. 6.4). Menschen mit der Blutgruppe A, B oder AB besitzen also keine Antikörper gegen die Blutgruppe 0 in ihrem Blut, da es sich um eine körpereigene Struktur handelt und potentiell autoreaktive B-Zellen während ihrer Reifung ausselektiert worden sind. Ein großes Problem bei Organtransplantationen ist nicht zuletzt die Verfügbarkeit von entsprechenden Organen. Hier könnten xenogene Organe (von Schweinen) Abhilfe schaffen. Allerdings verläuft die Abstoßung von xenogenen Transplantaten meist infolge einer hyperakuten Reaktion (Abb. 6.5). Neben der Blutgruppeninkompatibilität besteht hier zusätzlich das Problem der MHC-Inkompatibilität

Zusatzinformation

Vererbung der Blutgruppen Die Blutgruppen A und B verhalten sich zueinander kodominant. Das bedeutet, dass im Falle der Blutgruppe AB auch beide Genprodukte (Glykosyltransferasen) exprimiert, und dadurch beide Glykosylierungsstrukturen gebildet werden. Die Blutgruppe 0 ist letztlich auf einen Gendefekt zurückzuführen. Dadurch kann kein funktionsfähiges Protein (Glykosyltransferase) gebildet werden. Menschen mit der Blutgruppe A besitzen genotypisch die Allele (= unterschiedliche Ausprägungsformen eines Gens) A0 oder sind homozygot für A (= AA). Menschen mit der Blutgruppe B besitzen entweder die Allele B0 oder sind homozygot für B (= BB). Menschen mit der Blutgruppe AB besitzen entsprechend die Allele AB. Menschen mit der Blutgruppe 0 besitzen homozygot das Allel 0 (= 00). Rhesus-Faktor Karl Landsteiner und Solomon Wiener entdeckten 1940 ein weiteres Blutgruppenantigen bei ihren Untersuchungen an Rhesusaffen. Sie bezeichneten das Antigen mit Rh. „R“ steht für Rhesusaffe und „h“ für das Antiserum, mit dem sie das Antigen identifiziert hatten. Bei diesem Antigen handelt es sich um ein Proteinantigen, gegen das keine natürlichen Antikörper im Blut vorhanden sind. Diesem Faktor kommt eine besondere Bedeutung bei der Schwangerschaft – + zu. Bekommt eine rhesus-negative (Rh ) Frau ein rhesus-positives (Rh ) Kind, so entwickelt die Frau bei der ersten Schwangerschaft Antikörper gegen den Rhesusfaktor. Diese primäre Sensibilisierung tritt i.d.R. bei der Geburt ein, wenn Erythrozyten des Kindes in den mütterlichen Blutkreislauf gelangen. Bei der zweiten Schwangerschaft besitzt die Frau nun bereits Antikörper gegen den Rhesusfaktor. Diese können z.T. die Plazenta passieren (IgG1, IgG3) und in den Blutkreislauf des Fötus gelangen. Dort binden sie an die fötalen Erythrozyten. Allerdings ist der Abstand des Rhesusantigens auf den Erythrozyten zu groß, um über gebundene IgG Antikörper das Komplement aktivieren zu können. Ebenfalls kommt es zu keiner Agglutination der Erythrozyten. Allerdings werden die mit IgG besetzten Erythrozyten in der Leber des Fötus durch Makrophagen und Granulozyten abgebaut. Dadurch erleidet der Fötus eine Blutarmut (Anämie), die bis zum Tode führen kann. Diese Form der Erkrankung des Fötus wird als Erythroblastosis fetalis bezeichnet.

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Toleranz, Transplantatabstoßung, Allergie, Autoimmunität, HIV und AIDS

(s. nächster Abschnitt). Hinsichtlich der Blutgruppenunverträglichkeit gibt es bereits Ansätze, Schweine zu züchten, die gendefizient für bestimmte Glykosyltransferasen sind und dadurch keine Blutgruppenantigene mehr ausbilden können.

Abb. 6.5 Transplantationsvarianten und Abstoßungsreaktionen. Bei syngenen (genetisch iden-

tischen) Transplantationen, wie beispielsweise zwischen eineiigen Zwillingen, erfolgt keine Transplantatabstoßung. Stimmen die MHC-Moleküle von Spender und Empfänger nicht überein (allogen, da genetisch unterschiedlich, aber von der gleichen Art), kommt es zu einer akuten Transplantatabstoßung durch CD4+/CD8+ T-Zellen des Empfängers. Diese werden durch antigenpräsentierende Zellen (APC) aus dem Spendertransplantat aktiviert. Stimmen bei Spender und Empfänger die MHC-Moleküle überein, so kommt es zu einer langsamen CD4+/CD8+ vermittelten Transplantatabstoßung. Hier werden die T-Zellen des Empfängers durch Peptide von polymorphen Proteinen (= Nebenhistokompatibilitätsantigene) des Spenders aktiviert, die durch APC aus dem Spendertransplantat präsentiert werden. Im Falle von xenogenen (andere Spezies, z.B. Schwein) Transplantationen sind im Empfänger bereits Antikörper gegen Blutgruppenantigene des xenogenen Gewebes enthalten. Diese binden an Blutgruppenantigene auf dem Gefäßendothel des Spenderorgans und führen dort zu einer Aktivierung des Komplements und der Blutgerinnungskaskade. Als Folge davon wird das xenogene Transplantat hyperakut innerhalb von Minuten bis Stunden abgestoßen. Solche Blutgruppen spezifischen Antikörper gehören in die Klasse der natürlichen Antikörper und sind gegen Kohlenhydratstrukturen und polymorphe Bereiche von MHCMolekülen gerichtet. Es ist nicht ausgeschlossen, dass im Falle von allogenen Transplantationen bereits Alloantikörper gegen Blutgruppenantigene des Spenders vorhanden sind (*). Deshalb muss vor jeder Transplantation der Empfänger hinsichtlich reaktiver Alloantikörper gegen den Spender getestet werden

Transplantatabstoßung

193

Warum sind bereits Antikörper gegen Blutgruppenantigene im Blut vorhanden? Vermutlich werden sie im Zuge von Immunreaktionen gegen bakterielle Keime oder Umweltantigene (beispielsweise Lektine von Pflanzen) gebildet. Kohlenhydratstrukturen von Bakterien oder pflanzliche Lektine können als Thymus unabhängige Antigene wirken und die Produktion der Antikörper (natürliche Antikörper) induzieren (Kap. 4.3.1). Vermutlich spielen aber auch Immunreaktionen gegen Darmbakterien eine Rolle.

6.3.2

Die T-Zell vermittelte, akute Transplantatabstoßung Durch Transplantationsexperimente an Mäusen wurde deutlich, dass das Hauptziel der T-Zell vermittelten akuten Transplantatabstoßung die MHC-Moleküle des Spendertransplantates sind. Tatsächlich ist die Anzahl von T-Zellen sehr groß, die insbesondere gegen MHC-I aber auch MHC-II Moleküle des Spendertransplantates der gleichen Art ( = allogene MHC-Moleküle) oder einer anderen Spezies ( = xenogene MHC-Moleküle), gerichtet sind (Abb. 6.5). Die Abstoßungsreaktion erfolgt hier nach einigen Tagen bis Wochen. Welches sind die initialen Ereignisse, die dazu führen, dass ein allogenes, im MHC nicht übereinstimmendes Transplantat, T-Zell vermittelt abgestoßen wird? In der Regel sind in Spendergeweben bzw. Organen antigenpräsentierende Zellen enthalten. Diese wandern aus dem Transplantat in die Lymphe ein. Von dort gelangen sie zu den regionalen Lymphknoten. In den regionalen Lymphknoten führen sie zur Aktivierung zahlreicher naiver CD4+ als auch CD8+ T-Zellen. Die aktivierten T-Zellen (zytotoxische T-Zellen, TH1-Zellen) gelangen über das Blut zurück zum Transplantat, führen dort zu Entzündungsreaktionen und letztlich zur Abstoßung des Transplantates. Hierbei führen zytotoxische T-Zellen direkt zur Lyse der Zellen des Spendertransplantates, während TH1-Zellen Makrophagen und Monozyten aktivieren (Kap. 5.6), die sich im Gewebe bzw. am Endothel der Gefäße (Monozyten) befinden. Diese sezernieren daraufhin inflammatorische Cytokine (IL1, TNFα u.a.), die weitere Phagozyten und Lymphozyten zum Ort des transplantierten Gewebes locken und in hohen Konzentrationen die Zellen direkt schädigen können (TNFα). Letztlich entsprechen die Abstoßungsmechanismen denen, die bereits im Rahmen der Effektormechanismen von TH1-Zellen (Kap. 5.6) und zytotoxischen CD8+ T-Zellen (Kap. 5.7) beschrieben worden sind. Der Unterschied besteht aber darin, dass im Falle einer Transplantatabstoßung gegen allogene MHC-Moleküle, die TZellen unabhängig vom präsentierten Peptid binden und aktiviert werden.

6.3.3

Die T-Zell vermittelte, langsame Transplantatabstoßung Stimmen bei allogenen Transplantationen Spender und Empfänger in ihren MHC-Molekülen überein, so wird es dennoch zu einer, wenn auch langsameren, Abstoßungsreaktion kommen. Ursache dafür sind polymorphe Proteine, die in

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Toleranz, Transplantatabstoßung, Allergie, Autoimmunität, HIV und AIDS

diesem Kontext als Nebenhistokompatibilitätsantigene (Nebengewebeverträglichkeitsantigene) bezeichnet werden. Polymorphe Proteine sind Produkte von Allelen. Als Allele werden Varianten ein und desselben Gens bezeichnet. Beispielsweise handelt es sich bei den Blutgruppen um drei Allele. Ihre Genprodukte (mit Ausnahme von Allel 0) sind Glykosyltransferasen. Sie unterscheiden sich aber an einigen Stellen in ihrer Aminosäuresequenz. Diese zwischen den Proteinen der Individuen unterschiedlichen Sequenzabschnitte werden als polymorphe Aminosäureabschnitte bezeichnet. Werden nun durch antigenpräsentierende Zellen des Spenders gerade solche polymorphe Sequenzabschnitte präsentiert, so werden T-Zellen des Empfängers gegen diese aktiviert. Im Falle der Aktivierung von CD8+ T-Zellen entspricht der Aktivierungsmechanismus letztlich dem, der Aktivierung von CD8+ T-Zellen gegen virale Peptide (Kap. 3.2.1). Die Abstoßungsreaktion verläuft im Vergleich zur akuten Transplantatabstoßung deswegen langsamer, weil die Anzahl an spezifischen T-Zellen gegen polymorphe Aminosäureabschnitte deutlich geringer ist, als die Anzahl alloreaktiver T-Zellen (T-Zellen die gegen allogene MHC Moleküle reagieren). Da bei allogenen Transplantationen Spender und Empfänger nie in allen Nebenhistokompatibilitätsantigenen übereinstimmen werden, ist die Gabe von immunsupprimierenden Medikamenten nach den meisten Transplantationen (die Hornhaut bildet beispielsweise eine Ausnahme) notwendig.

6.3.4

Reaktionen des Transplantates gegen den Empfänger: graft versus host disease „Wehrt“ sich das Transplantat gegen seinen Empfänger, so liegt der umgekehrte Fall einer Transplantatabstoßung vor. Diese Gefahr besteht bei Knochenmarkstransplantationen, die bei Patienten mit bestimmten Formen von Leukämien durchgeführt werden müssen. Im Falle einer Leukämie müssen vor einer Knochenmarkstransplantation alle Stammzellen und damit teilungsfähigen Zellen im Knochenmark des Empfängers zerstört werden. Unter diesen befinden sich die Leukämiezellen. Wurden nicht alle reifen T-Zellen aus dem Spenderknochenmark entfernt, so können diese im Empfänger zu schweren Entzündungen der inneren Organe führen. Auch bei dieser Form der Transplantatreaktion spielen Nebenhistokompatibilitätsantigene eine wichtige Rolle. Von den heranreifenden T-Zellen aus dem Spenderknochenmark geht kaum eine Gefahr aus. Im Thymus des Empfängers werden die autoreaktiven T-Zellen herausselektiert (zentrale Toleranz).

6.4

Allergie und Autoimmunität Kommt es zu einer Immunantwort gegen harmlose Stoffe wie beispielsweise Pollen, Lebensmittelbestandteile, das Gift von Insekten oder chemische Substanzen wie Pe-

Allergie und Autoimmunität

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nicillin, so werden diese Formen von Erkrankungen als Allergien bezeichnet, die Auslöser als Allergene. Reagiert unser Immunsystem gegen körpereigene Strukturen, so spricht man von Autoimmunerkrankungen. Die Mechanismen der Immunantwort gegen Allergene oder körpereigene Strukturen unterscheiden sich nicht von den Mechanismen der Immunantwort gegen pathogene Keime, wie Bakterien oder Viren. Allgemein wird bei Allergien oder Autoimmunerkrankungen von einer Hypersensitivität des Immunsystems oder von Hypersensitivitätserkrankungen gesprochen, da das Immunsystem gegenüber harmlosen Substanzen „überreagiert“, gegen die es normalerweise nicht sensitiv sein sollte. Die klinische und pathologische Ausprägung von Allergien und Autoimmunerkrankungen hängt von der Art der Immunantwort (Effektormechanismus) sowie der Beschaffenheit des auslösenden Stoffes und dessen Auftreten im Organismus ab. Aufgrund der Effektormechanismen werden vier Typen (Typ I bis Typ IV) von Hypersensitivitätsreaktionen (Überempfindlichkeitsreaktionen) unterschieden (Abb. 6.6). Bei Typ I bis Typ III handelt es sich um Antikörper vermittelte Effektorreaktionen. Bei Type IV um T-Zell vermittelte (TH1-Zellen, CTL) Effektorreaktionen. Bei allen Reaktionstypen muss hinsichtlich der klinischen Symptome ein Erstkontakt mit dem Allergen vom Zweitkontakt unterschieden werden. Beim ersten

Abb. 6.6 Hypersensitivitätsreaktionen werden nach ihrem Effektormechanismus in Typ I bis Typ IV unterteilt

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Kontakt wird das Immunsystem sensitiviert. Das bedeutet, es müssen erst allergenspezifische naive T-Zellen durch dendritische Zellen aktiviert werden (Einleitung einer primären Immunantwort). Im Fall von Typ I bis Typ III führen anschließend allergenspezifische aktivierte CD4+ T-Zellen zu einer Aktivierung von allergenspezifischen B-Zellen. Bis die Antikörperproduktion einsetzt, ist das Allergen oftmals nicht mehr vorhanden. Darum bleibt der erste Kontakt mit dem Allergen i.d.R. symptomlos. Diese stellen sich aber umso schneller ein, wenn ein zweiter Kontakt mit dem Antigen vorliegt, da dann Gedächtnis Lymphozyten sowie allergenspezifische Antikörper bereits vorhanden sind. Auch bei Autoimmunerkrankungen kommt es immer zuerst zu einer Aktivierung von naiven B- und T-Zellen. Da die Autoantigene aber kontinuierlich vorliegen, ist mit einem raschen Zweitkontakt und dadurch bedingt mit einer raschen klinischen Zunahme der Symptome zu rechnen. Die Bedeutung von Toll-like Rezeptoren (Kap. 2.1) für die Aktivierung von allergenspezifischen B- und T-Zellen wird gegenwärtig intensiv erforscht. Typ I von Hypersensitivitätsreaktionen wird durch IgE Antikörper vermittelt und richtet sich gegen lösliche Allergene. Dieser Typ wird auch als Allergie vom Soforttyp bezeichnet, da sich unmittelbar nach Allergenkontakt die Symptome einstellen. Die bekannteste Form der Allergie vom Soforttyp ist der Heuschnupfen. Ursache für die schnelle Reaktion sind allergenspezifische IgE Antikörper, die über ihren Fc Anteil Mastzellen und Basophile besetzen. An die IgE Antikörper kann nun das Allergen binden, wodurch die Mastzellen oder Basophilen veranlasst werden, ihre Granula auszuschütten. In den Granula sind vasoaktive Substanzen (Histamin) gespeichert, die zur unmittelbaren Symptomatik nach Antigenkontakt führen. Dieser Mechanismus wird im Folgenden noch genauer besprochen. Bei Typ II der Hypersensitivitätsreaktionen werden IgM oder IgG Antikörper gebildet, die an zellassoziierte Antigene binden. Manche Antibiotika – beispielsweise Cephalosporin, Streptomycin und Penicillin – können an bestimmte Oberflächenproteine von Erythrozyten binden und dadurch die Proteine chemisch und/oder in ihrer Konformation verändern. Werden die roten Blutkörperchen nun durch phagozytierende (antigenpräsentierende) Zellen in der Milz abgebaut, so können aus den veränderten Proteinen neue T-Zell Epitope

Definition

Hypersensitivität des Immunsystems Der Begriff Hypersensitivität bezeichnet eine Überreaktion unseres Immunsystems gegen harmlose oder körpereigene Substanzen und leitet sich von dem Begriff der Sensitivität ab, durch den das Immunsystem ursprünglich charakterisiert wurde: nämlich als ein System im Körper, das gegenüber pathogenen Keimen sensitiv (empfindlich) reagiert. Allergie frei aus dem Griechischen übersetzt: Reaktion gegen fremd; Fremdreaktion Vasoaktive Substanzen Diese Substanzen haben einen Einfluss auf die Gefäßmuskulatur. Je nach Substanz oder gebundenem Rezeptor, kann eine Entspannung der Gefäßmuskulatur ausgelöst werden (die Gefäße erweitern sich), oder eine Kontraktion (die Gefäße verengen sich).

Allergie und Autoimmunität

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entstehen. Gegen diese Epitope können im Rahmen des Erstkontaktes allergenspezifische naive CD4+ T-Zellen aktiviert werden. Die aktivierten T-Zellen können nun ihrerseits allergenspezifische B-Zellen aktivieren. In diesem Fall sind allergenspezifische B-Zellen solche, die mit ihrem B-Zell Rezeptor spezifisch an die veränderten Oberflächenproteine binden. Werden die veränderten Oberflächenproteine nun im Rahmen eines Zweitkontaktes durch allergenspezifische Antikörper gebunden, so können diese das Komplement aktivieren. Spaltprodukte des Komplements (C5a) aktivieren Makrophagen, die daraufhin sehr effizient die mit Antikörpern besetzen Erythrozyten phagozytieren können (Abb. 6.6). Allerdings können gegen Antibiotika auch IgE (Typ I) allergische Reaktionen ausgebildet werden (s. 6.4.1). Ein weiteres Beispiel für diesen Reaktionstyp ist die Erkrankung Erythroblastosis fetalis. Bei dieser Erkrankung erleiden Föten eine Blutarmut (Anämie), die durch mütterliche Antikörper verursacht wird, die an den Rhesusfaktor auf der Oberfläche der fötalen Erythrozyten binden und dadurch eine Phagozytose der Antikörper besetzten Erythrozyten in der Leber des Fötus auslösen (s. 6.3.1., Box Zusatzinformation). Ursache für die Symptome der Hypersensitivitäterkrankungen des Typs III sind Ablagerungen von Immunkomplexen an bestimmten Stellen im Gewebe oder in Gefäßen. Gebildet werden die Immunkomplexe durch IgM oder IgG Antikörper, die an lösliche Allergene bzw. Antigene binden. Immunkomplexe werden bei jeder Infektion gebildet und normalerweise durch Phagozyten beseitigt, oder an Erythrozyten gebunden und zum Abbau zu Leber und Niere transportiert. Werden Immunkomplexe aber in sehr hohem Überschuss gebildet, so können diese nicht mehr effizient beseitigt werden. Sie lagern sich in Blutgefäßen ab und führen dazu, dass Komplement und Phagozyten über die Fc Anteile der gebundenen Antikörper aktiviert werden. Die aktivierten Zellen schütten daraufhin Entzündungsmediatoren wie Cytokine, Prostaglandine oder auch reaktive Sauerstoffverbindungen aus, die das Gewebe schädigen und die Entzündung durch das Anlocken weiterer Phagozyten verstärken (Abb. 6.6). Werden beispielsweise bei einer chronischen Entzündung wie einer viralen Hepatitis ständig neue Antigene produziert, so werden fortwährend Immunkomplexe gebildet, die aufgrund ihres Überschusses abgelagert werden und zu einer Schädigung von kleinen Blutgefäßen vieler Organe, aber auch von Nervenzellen führen können. Ähnliches geschieht bei der Autoimmunerkrankung des Systemischen Lupus erythematodes. Bei dieser Erkrankung werden Autoantikörper gegen DNA Bestandteile gebildet. Sterben Zellen ab und ihre DNA wird frei, so können Immunkomplexe in sehr großen Mengen entstehen. Die Symptome der Hypersensitivitätserkrankungen, die durch Antikörper verursacht werden, treten relativ schnell zu Tage, sofern antigenspezifische Antikörper bereits vorhanden sind. Dagegen sind die Symptome bei der Hypersensitivitätserkrankung des Typs IV erst mit Verzögerung (24h bis 72h) erkennbar, da bei diesem Reaktionstyp T-Zellen (TH1-Zellen, CTLs) aktiviert werden müssen. Diese wandern daraufhin zum Ort der Allergenfreisetzung und führen dort zu einer Schädigung des Gewebes (Abb. 6.6, vgl. Abb. 6.17). Darum wird Typ IV auch als Hypersensitivitätserkrankung vom verzögerten Typ (delayed type hypersensitivity disease, DTH) bezeichnet. Allergenspezifische TH1-Zellen aktivieren Makrophagen, die daraufhin eine Reihe von entzündungsfördernden Cytokinen und Chemokinen ausschütten.

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Diese verstärken die Entzündung und locken weitere Phagozyten zum Entzündungsort. Allergenspezifische zytotoxische T-Zellen (CTL) führen zu einer Lyse der Allergen präsentierenden Zellen. Allergien, die sich dem Typ IV zuordnen lassen, sind beispielsweise Kontaktallergien.

6.4.1

Typ-I Hypersensitivität Die häufigsten Formen von Hypersensitivitätserkrankungen werden durch eine IgE vermittelte Freisetzung von vasoaktiven Substanzen und Entzündungsmediatoren durch Mastzellen und Basophilen verursacht. Sie zählen zum Typ I der Hypersensitivitätsreaktionen; betroffene Menschen werden als Allergiker oder Atopiker bezeichnet. In Deutschland sind allein vom Heuschnupfen etwa 12% der 13–14-jährigen Jugendlichen betroffen. Bei den Geburtenjahrgängen 1962 bis 1971 liegt die Zahl der Heuschnupfen Erkrankten bereits bei 26,8% (Westdeutschland) und 14,7% (Ostdeutschland) (Zahlen des Bundesinstituts für Risikobewertung, Stand August 2006). Haben Atopiker Kontakt mit ihrem Allergen, produzieren sie große Mengen an IgE Antikörpern. Ob ein Mensch sich zum Atopiker entwickelt, hängt unter anderem von genetischen Faktoren ab, aber auch sozioökonomische Faktoren spielen eine Rolle. Allergene besitzen zwei charakteristische Merkmale. Zum einen lösen sie bei vielen Menschen die Reaktion nach wiederholtem Kontakt aus; zum anderen wird das angeborene Immunsystem nicht durch sie stimuliert, was zu einer Produktion von IL12 und IL18 durch Makrophagen führen würde. Diese beiden Cytokine fördern die Differenzierung von CD4+ T-Zellen zu TH1-Zellen, während allergische Reaktionen von TH2-Zellen abhängig sind. Strukturelle Merkmale sind bislang noch nicht bekannt, aufgrund derer manche Umweltsubstanzen zu Allergenen werden. Nicht nur natürlich in der Umwelt auftretende Stoffe können als Allergen wirken. Auch chemische Verbindungen wie Antibiotika (z.B. Penicillin) können eine IgE vermittelte Allergie auslösen. Chemische Verbindungen können an lösliche, körpereigene Proteine binden und Hapten-Carrier Komplexe bilden, durch die allergenspezifische TH2-Zellen stimuliert werden (Abb. 6.7).

Information

Hapten-Carrier Haptene sind kleine chemische Moleküle, beispielsweise Nitrophenole, gegen die alleine keine Immunantwort hervorgerufen werden kann. Wird das Hapten hingegen an einen Proteinträger (Carrier) gekoppelt, so können Antikörper gegen das Hapten gebildet werden. Karl Landsteiner konnte durch die Verwendung von Haptenen nachweisen, dass Antikörper hochspezifisch sind.

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Durch die Bindung des Haptens (hier: der chemischen Verbindung wie z.B. Penicillin) könnte das körpereigene Protein in seiner Struktur verändert werden. Dies hätte zur Folge, dass neue T-Zell Epitope entstehen, gegen die CD4+ T-Zellen aktiviert werden könnten. Diese könnten dazu führen, Penicillin spezifische B-Zellen zu aktivieren und einen Klassenwechsel in Richtung IgE einzuleiten (Abb. 6.7).

Abb. 6.7 Aktivierung einer Penicillin spezifischen B-Zelle. Kleine chemische Verbindungen wie z.B. Penicillin können zwar durch den B-Zell Rezeptor spezifisch gebunden werden, sie können aber nicht von MHCII Molekülen präsentiert werden. MHCII Moleküle können nur Peptide präsentieren. Bindet Penicillin hingegen an ein körpereigenes Protein, so kann dessen Struktur verändert werden. Wird dieser Carrier-Hapten Komplex nun von B-Zellen aufgenommen, so können Peptide aus dem Carrier durch MHCII präsentiert werden. Aufgrund der veränderten Struktur des körpereigenen Proteins können bei dem Abbau in lysosomalen Kompartimenten andere Peptide entstehen als bei dem Abbau des unveränderten Proteins. Die „neuen“ Peptide können als antigene T-Zell Epitope von allergenspezifischen T-Zellen erkannt werden. Bindet eine allergenspezifische TH2-Zelle an solch einen MHCII/Peptidkomplex auf der Zelloberfläche einer Penicillin spezifischen B-Zelle, so kann sie die B-Zelle aktivieren. Bei Atopikern kommt es zum Klassenwechsel in Richtung IgE; die Antikörper besetzen anschließend Fcε Rezeptoren von Mastzellen und basophilen Granulozyten

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Heuschnupfen

Bei dem ersten Kontakt mit dem Allergen (z.B. Birkenpollen) kommt es zu einer primären Immunantwort, in deren Verlauf allergenspezifische, naive CD4+ T-Zellen durch dendritische Zellen aktiviert werden (Abb. 6.8): Sobald Pollenkörner mit der feuchten Schleimhaut in Berührung kommen, treibt innerhalb von Sekunden der Pollenschlauch aus. Dabei werden allergene Stoffe freigesetzt, die von dendritischen Zellen phagozytiert werden. Anschließend wandern sie aus dem Epithel aus und gelangen über die umliegenden Lymphgefäße zu den regionalen Lymphknoten. Dort aktivieren sie naive CD4+ T-Zellen, die anschließend zu TH2-Zellen differenzieren und allergenspezifische B-Zellen aktivieren. Das Hauptallergen von Birkenpollen nennt sich BetV1. Gegen BetV1 reagieren viele Menschen allergisch. Bei Allergikern kommt es zu einem Klassenwechsel in Richtung IgE, der insbesondere durch die hohe IL4 Produktion der TH2-Zellen ausgelöst wird. Normalerweise ist die Serumkonzentration von IgE sehr gering und liegt bei etwa 1µg/ ml. Bei einer Wurminfektion oder bei Allergikern liegt die Serumkonzentration bei etwa 1000 µg/ml. Die IgE Antikörper gelangen über Blut und Lymphe zu Gewebemastzellen, Basophilen und Eosinophilen. Dort besetzen sie deren hochaffine FcεRezeptoren (FcεRI). Die Affinität dieser Rezeptoren ist höher als die Affinität aller anderen Fc Rezeptoren. Die Dissoziationskonstante (Kd) für die Gleichgewichtsreaktion liegt bei 1·10–10 M. Aufgrund der hohen Rezeptoraffinität werden die FcεRI Rezeptoren selbst bei normaler und damit vergleichsweise geringer Serumkonzentration von IgE nahezu vollständig abgesättigt. Gewebemastzellen sind normalerweise bei allen Menschen mit IgE Antikörpern besetzt. Bei Atopikern sind die Rezeptoren aber nahezu nur mit IgE Antikörpern besetzt, die gegen das Allergen gerichtet sind. Diese Antikörper stammen zwar von unterschiedlichen, allergenspezifischen B-Zellen; deren Epitope liegen aber alle auf dem gleichen Allergen, so dass schon geringe Allergenkonzentrationen ausreichen, um die Fcε Rezeptoren miteinander kreuzvernetzen zu können. Bei Nichtatopikern sind die Mastzellen mit IgE Antikörpern besetzt, die alle unterschiedlicher Spezifität sind. Sollten sich darunter einige allergenspezifische IgE Antikörper befinden, so reichen diese nicht aus, um in Anwesenheit des Allergens zu einer Kreuzvernetzung

Definition

Dissoziationskonstante Die Dissoziation von AB zu A + B entspricht einer Gleichgewichtsreaktion: AB ← →A+B [A] [B] auf die das Massenwirkungsgesetz angewendet werden kann: K d = [AB] Je kleiner Kd, umso stärker liegt das Gleichgewicht auf der linken Seite, umso stärker ist die Affinität des Rezeptors zu seinem Liganden (im Kontext einer Rezeptor/ Ligand Wechselwirkung).

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Definition

Histamin-Rezeptoren Es gibt vier Histamin-Rezeptoren (H1–H4), die gewebespezifisch verteilt sind und unterschiedliche Funktionen besitzen. Eine Aktivierung der H1 Rezeptoren ist hauptverantwortlich für die durch Histamin ausgelösten allergischen Reaktionen. Dazu zählen Juckreiz, Schmerz, Kontraktion der glatten Muskulatur in Bronchien und die Steigerung der Gefäßpermeabilität kleinerer Blutgefäße. Die Permeabilitätssteigerung kann aufgrund des Ausstroms von Plasma zu Hautrötungen bis hin zu Nesselsucht führen.

Abb. 6.8 Reaktion gegen Birkenpollen. Bei dem ersten Kontakt mit dem Allergen aus Birkenpollen (BetV1) werden B-Zellen sensibilisiert, d.h. es werden B-Zellen zum ersten Mal gegen das Allergen aktiviert. Dendritische Zellen im Schleimhautepithel nehmen das Allergen auf und wandern zu den regionalen Lymphknoten. Hier aktivieren sie allergenspezifische T-Zellen. Diese differenzieren zu TH2-Zellen und aktivieren allergenspezifische B-Zellen. Bei Atopikern kommt es anschließend zu einem Klassenwechsel in Richtung IgE. Die Antikörper besetzen Fcε Rezeptoren von Mastzellen und Basophilen. Bei einem zweiten Kontakt kann nun das Allergen direkt an IgE besetzte Mastzellen binden. Dadurch werden die Igε Rezeptoren kreuzvernetzt und die Mastzellen beginnen zu degranulieren (Sofort-Reaktion). In den Granula ist Histamin enthalten, das auf Endothelzellen von Blutgefäßen, auf die glatte Muskulatur von Bronchien und des Intestinaltraktes wirkt. Gleichzeitig wird die Synthese von Cytokinen und Lipidmediatoren induziert, die zu einer Entzündungsreaktion (Spät-Reaktion) führen

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der Rezeptoren führen zu können. Durch die Kreuzvernetzung der Fcε Rezeptoren wird eine Degranulation der Zellen ausgelöst und damit verbunden Histamin freigesetzt (Abb. 6.8). Histamin ist ein vasoaktives Amin, das an Rezeptoren auf Gefäßendothelzellen und der glatten Muskulatur von Bronchien und des Intestinaltraktes bindet (Abb. 6.8). Dort führt es zu einer Kontraktion der Zellen. Ziehen sich die Gefäßendothelzellen zusammen, so rücken die Zellen weiter auseinander, und es kann Plasma leichter in das Gewebe einströmen. Durch den Flüssigkeitseinstrom kommt es zum Anschwellen und zu einer Rötung der entsprechenden Hautpartien. Weiterhin führt Histamin allgemein zu einer Aktivierung von Drüsenzellen (z.B. in der Nasenschleimhaut, Tränendrüsen), und es kommt in Verbindung mit einer verstärkten Durchblutung des Gewebes zum „Laufen der Nase“. Die Kontraktion der glatten Muskulatur der Bronchien kann zum allergisch bedingten Asthma beitragen. Neben Histamin spielen aber noch weitere Entzündungsmediatoren wie Leukotriene eine wichtige Rolle (s. nächster Abschnitt). Eine Kontraktion der glatten Muskulatur im Intestinaltrakt regt die Darmperistaltik an, und in Verbindung mit erweiterten Blutgefäßen kommt es zu einem stärkeren Einstrom von Flüssigkeit in das Darmlumen. Die Wirkung von Histamin ist kurzzeitig. Histamin wird über spezielle Transportmechanismen schnell aus dem Serum entfernt. In einer zweiten bzw. späten Reaktion schütten aktivierte Mastzellen Cytokine und Lipidmediatoren aus, die eine Entzündung hervorrufen (Abb. 6.8). Bis die späte Reaktion einsetzt, vergehen etwa 5 bis 6 Stunden, da die Cytokine und Lipidmediatoren erst synthetisiert werden müssen. Histamin liegt hingegen gespeichert in den Granula der Zellen vor.

Cytokine der späten Reaktion

Mastzellen und Basophile schütten während der späten Reaktion eine ganze Reihe von Cytokinen aus. Dazu zählen TNFα, IL1, IL3, IL4, IL5, IL6, IL13, MIP-1α, MIP-1β (macrophage inflammatory protein-1) und GM-CSF (Granulozyte-macrophage colony stimulating factor). Einige der Cytokine wie IL13, IL4 und IL5 werden auch von infiltrierenden (einwandernden) TH2-Zellen sezerniert. TNFα fördert die Infiltration des Gewebes mit Granulozyten, indem es das Endothel aktiviert. Aktivierte Endothelzellen exprimieren Adhäsionsmoleküle, die notwendig sind, damit Granulozyten am Endothel haften bleiben und in das Gewebe einwandern können. MIP-1α und MIP-1β sind Chemokine, die Leukozyten (T-Zellen, dendritische Zellen, Monozyten, NK-Zellen) zum Ort des Allergenkontaktes locken. IL3 und GM-CSF sorgen für den Nachschub an Monozyten und Granulozyten, indem sie im Knochenmark die Proliferation von myeloiden Vorläuferzellen fördern und zu deren Differenzierung zu Granulozyten und Monozyten führen. IL13 regt insbesondere die Lungenepithelzellen zu einer gesteigerten Schleimproduktion an. Es wirkt antagonistisch zu IFNγ, aber synergistisch zusammen mit IL4 auf die Differenzierung von T-Zellen zu TH2-Zellen. IL13 wirkt vermutlich aber auch als negativer Regulator der Mastzellaktivierung (negativer Rückkopplungsmechanismus).

Allergie und Autoimmunität

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Definition

MIP-1α und MIP-1β Die Rezeptoren für MIP-1α/β sind die Chemokinrezeptoren CCR1 und CCR5. MIP-1β bindet nur an CCR5. Diese Rezeptoren werden unter anderem auf T-Zellen exprimiert. CCR5 ist der Corezeptor, den das HIV Virus benötigt, um T-Zellen zu infizieren.

Interleukin-5, das hauptsächlich von TH2-Zellen gebildet wird, fördert im Knochenmark die Differenzierung von Vorläuferzellen zu eosinophilen Granulozyten und stimuliert deren Aktivierung. Eosinophile sitzen im Schleimhautgewebe des Gastrointestinaltraktes, der Atemwege und des Urogenitalbereiches. Eosinophile enthalten Granula, die mit basischen Proteinen gefüllt sind. IL5 führt zusammen mit einer Kreuzvernetzung der Fcε Rezeptoren zu einer raschen Degranulation der Zellen. Normalerweise kommt Eosinophilen eine wichtige Bedeutung bei der Bekämpfung von parasitären Infektionen, wie beispielsweise Wurminfektionen, zu (Kap. 5.4, ADCC). Die Inhaltsstoffe ihrer Granula wirken toxisch auf den Parasiten, führen bei allergischen Reaktionen aber zu einer Schädigung des Gewebes. Aktivierte Eosinophile produzieren wie Mastzellen und Basophile Lipidmediatoren (PAF, Prostaglandine, Leukotriene) und Cytokine. Erstere besitzen eine besondere Bedeutung für die pathologische Entwicklung von Allergien, indem sie an der Entstehung von allergischem Asthma maßgeblich beteiligt sind.

Lipidmediatoren der späten Reaktion

Lipidmediatoren, die von Mastzellen nach ihrer Aktivierung synthetisiert und freigesetzt werden, wirken insbesondere auf Gefäßendothelzellen, die glatte Muskulatur von Bronchien und des Gastrointestinaltraktes, sowie auf Leukozyten. Die wichtigsten Lipidmediatoren werden aus Arachidonsäure unter dem Einfluss der Enzyme Cyclooxygenase und Lipooxygenase gebildet (Abb. 6.9). Das Hauptprodukt des Cyclooxygenaseweges, Prostaglandin D2 (PGD2), führt zu einer Erschlaffung der Gefäßmuskulatur und dadurch zu einer Erweiterung der Blutgefäße (Vasodilatation); hingegen führt es bei der glatten Muskulatur der Bronchien zu einer Bronchokonstriktion, also einem Zusammenziehen der Bronchienmuskulatur. Außerdem wirkt es chemotaktisch auf Neutrophile und führt zu deren Anreicherung am Ort der Mastzellaktivierung. Das Hauptprodukt des Lipooxygenaseweges sind Leukotriene, insbesondere Leukotrien-4 (LTC4) und seine beiden Abbauprodukte LTD4 und LTE4. Leukotriene binden ebenfalls an Rezeptoren der glatten Muskulatur und lösen eine lang anhaltende Bronchokonstriktion aus. Vermutlich sind sie hauptverantwortlich für die Entstehung des allergischen Asthmas. Acetylsalicylsäure (Aspirin) wirkt schmerz- und entzündungshemmend, indem es die Cyclooxygenase inhibiert (Abb. 6.9). Durch die Hemmung dieses Enzyms werden zwar auf der einen Seite weniger entzündungsfördernde Prostaglandine ge-

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Ab. 6.9 Synthese von Leukotrienen und Prostaglandinen. Leukotriene und Prostaglandine werden

ausgehend von Arachidonsäure synthetisiert. Über den Lipoxygenaseweg werden Leukotriene gebildet; über den Cyclooxygenaseweg entzündungsfördernde Prostaglandine und die gerinnungsfördernden Thromboxane. Das Enzym (E) Cyclooxygenase wird durch Acetylsalicylsäure (Aspirin) inhibiert. Dadurch wird die Synthese von Prostaglandinen und Thromboxanen gehemmt. Aufgrund der Inhibierung des Enzyms Cyclooxygenase wirkt Aspirin entzündungs- und gerinnungshemmend

bildet, auf der anderen Seite aber die Synthese von Leukotrienen verstärkt. Darum sollte Aspirin nicht bei Asthma verwendet werden, weil dann aufgrund der gesteigerten Leukotrienproduktion mit einer Verschlimmerung der Beschwerden zu rechnen ist. Hingegen wird bei schwerem Asthma bzw. einer chronischen allergischen Entzündung der Lunge Cortison inhaliert, welches die Bildung der Arachidonsäure als gemeinsame Vorstufe von Prostaglandinen und Leukotrienen hemmt. Da durch Acetylsalicylsäure ebenfalls die Synthese der gerinnungsfördernden Thromboxane inhibiert wird, wirkt Acetylsalicylsäure auch gerinnungshemmend.

Definition

Eiter Der Hauptbestandteil von Eiter sind abgestorbene neutrophile Granulozyten.

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Definition

Aspirin Namensgebend für den Wirkstoff Acetylsalicylsäure waren die Weidengewächse (lat. Salicaceae), in denen Salicylsäure natürlich vorkommt und bereits von den Germanen und Kelten durch Kochen der Weidenbaumrinde als Schmerzmittel gewonnen wurde. 1874 wurde Salicylsäure bereits als Medikament eingesetzt; seine Modifikation Acetylsalicylsäure ab 1897. Der Wirkungsmechanismus wurde 1971 von John Robert Vane aufgeklärt.

Neben diesen Lipdmediatoren gibt es noch einen dritten Faktor, der von aktivierten Mastzellen und aktivierten Basophilen produziert wird: den Blutplättchen aktivierenden Faktor (platelet-activating factor, PAF). PAF wird aus Phospholipiden synthetisiert, die ein wichtiger Bestandteil von Zellmembranen sind. PAF wirkt ähnlich wie PGD2 entspannend auf die glatte Gefäßmuskulatur, führt aber zur Konstriktion der glatten Bronchienmuskulatur. Außerdem aktiviert PAF infiltrierende Granulozyten und verstärkt dadurch die Entzündungsreaktion. Neben aktivierten Mastzellen, Basophilen und Eosinophilen wird PAF auch von Endothelzellen produziert, die durch Histamin aktiviert worden sind.

Weitere Inhaltsstoffe der Granula von Mastzellen, Basophilen und Eosinophilen

Neben Histamin sind in den Granula von Mastzellen auch Proteasen enthalten. Hierzu zählen die neutralen Serinproteasen Tryptase und Chymase, die ebenfalls zu einer Schädigung des Gewebes beitragen können. Tryptase wird nur von Gewebemastzellen produziert und wird als Marker verwendet, um eine Aussage über den Grad der Aktivierung von Mastzellen machen zu können. Chymase wird nur von bestimmten Mastzellen produziert und wird benutzt, um die unterschiedlichen Sorten von Mastzellen zu charakterisieren. Tryptase spaltet Fibrinogen und aktiviert Kollagenase, wodurch es zu einer Schädigung von gesundem Gewebe kommen kann. Chymase spaltet unter anderem Angiotensin-I zu Angiotensin-II und stimuliert die Schleimproduktion durch Lungenepithelzellen. Neutrale Proteasen sind ebenfalls in den Granula von Basophilen und Eosinophilen enthalten. Zu charakteristischen Proteasen der Eosinophilen zählen das major-basic-protein sowie eine Lysophospholipase. Histamin und Proteasen liegen in den Granula von Mastzellen und Basophilen eingebetten in einer Matrix aus Proteoglykanen vor. Proteoglykane bestehen aus einem Peptidrückgrad, das stark glykosylierte, aber unverzweigte Glykosaminoglykan-Seitenketten trägt, die eine stark negativ geladene Matrix formen (s. Box). In dieser Matrix liegen die positiv geladenen (kathionischen) Effektormoleküle eingebettet vor, wodurch die restlichen Zellkomponenten vor ihrer Wirkung geschützt werden.

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Definition

Angiotensin-I und -II Angiotensin-I ist ein Peptidmediator bestehend aus 10 Aminosäuren, der für die Regulation des Blutdrucks sowie des Wasserhaushalts notwendig ist. Durch Abspaltung von zwei Aminosäuren entsteht AngiotensinII. Angiotensin-II wirkt kontrahierend auf die Blutgefäßmuskulatur. Es besitzt eine Schlüsselfunktion für die Regulation des Blutdrucks. Angiotensin-I wird u.a. in der Leber aus der Vorläufersubstanz Angiotensinogen proteolytisch gebildet. Neutrale Proteasen Diese Enzyme besitzen ihr pH-Optimum im neutralen Bereich. Proteoglykan Proteine, die stark glykosyliert sind. Sie bestehen aus einem Kernprotein, das an Serinresten eine bis über hundert Glykosaminoglykanketten (Kohlenhydratketten) kovalent gebunden trägt. Diese Klasse von Glykoproteinen ist ein wichtiger Bestandteil der extrazellulären Matrix. Proteoglykane werden nach ihren Glykosaminoglykanketten in verschiedene Gruppen eingeteilt: die Heparansulfat-, Keratansulfat-, Chondroitinsulfat- und Dermatansulfat-Proteoglykane. Sie sind negativ geladen und stark hydratisiert.

Verteilung von Mastzellen

Es gibt zwei Hauptklassen von Mastzellen, die sich hinsichtlich ihrer Verteilung im Organismus sowie im Inhalt ihrer Granula unterscheiden. Eine Klasse besiedelt beim Menschen die Schleimhäute der innerern Organe und ist in der Umgebung von Lungenbläschen zu finden (Schleimhaut assoziierte Mastzellen), die andere Klasse besiedelt beim Menschen die Haut und die tiefen Schleimhautschichten von inneren Organen (Bindegewebe assoziierte Mastzellen). Die Besiedlung von Schleimhäuten durch Schleimhaut assoziierte Mastzellen ist abhängig von T-Zellen. Vermutlich ist die Differenzierung von Schleimhaut assoziierten Mastzellen IL3 abhängig, das von T-Zellen in den Geweben sezerniert wird. So ist es z.B. möglich, in Gegenwart von IL3 aus Knochenmarkszellen von Nagern, Schleimhaut assoziierte Mastzellen zu erzeugen. Die Granula von Schleimhaut assoziierten Mastzellen enthalten als charakteristische Protease Tryptase. Die Bindegewebe assoziiert vorliegenden Mastzellen sind hingegen in ihrer Differenzierung kaum abhängig von T-Zellen und besitzen in ihren Granula neben Tryptase auch Chymase sowie Cathepsin G (ebenfalls eine neutrale Serinprotease) und Carboxypeptidase, wodurch sie von den Schleimhaut-Mastzellen unterschieden werden können. Die Differenzierung zu der einen oder anderen Klasse ist vermutlich von Cytokinen und Wachstumsfaktoren abhängig. In der Zellkultur (in vitro) ist es beispielsweise möglich, aus Knochenmark generierten Schleimhaut assoziierten Mastzellen, in Gegenwart von Fibroblasten, Bindegewebe assoziierte Mastzellen zu erzeugen.

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Anaphylaxie

Systemische (über den ganzen Körper verteilt) Hypersensitivitätsreaktionen vom Typ I werden als Anaphylaxien bezeichnet. Das Bild von anaphylaktischen Reaktionen reicht von leichten Hautirritationen bis hin zum kompletten Kreislaufversagen. Die Ausprägung der klinischen Symptome ist davon abhängig, wie stark es zu einer systemischen Aktivierung von Mastzellen und Basophilen kommt, und der damit verbundenen systemischen Freisetzung von Entzündungsmediatoren (Histamin, Cytokine, Prostaglandine, Leukotriene, PAF). Die Entzündungsmediatoren lösen unterschiedliche Reaktionen aus. Blutgefäße werden systemisch weitgestellt, indem die glatte Gefäßmuskulatur erschlafft (Vasodilatation). Zusätzlich wird die Gefäßpermeabilität gesteigert, indem sich die Endothelzellen kontrahieren und dadurch die Zellzwischenräume größer werden. Die gesteigerte Gefäßpermeabilität führt zu einem verstärkten Ausstrom von Plasma in das Gewebe. Die glatte Muskulatur der Bronchien kontrahiert sich (Bronchokonstriktion) und es kommt zum allergischen Asthma. Als Folge der Vasodilatation und der gesteigerten Gefäßpermeabilität nimmt der Blutdruck massiv ab, und es kann zu einem anaphylaktischen Schock kommen. Ein anaphylaktischer Schock muss sofort behandelt werden, da akute Lebensgefahr durch Herz-Kreislaufversagen besteht. Als Gegenmaßnahme wird Adrenalin intravenös verabreicht, das zu einer Verengung der Blutgefäße und damit verbunden zu einer Erhöhung des Blutvolumens führt. Die glatte Bronchienmuskulatur entspannt sich, die Herzfrequenz wird gesteigert und der Stoffwechsel allgemein angeregt.

Epidemiologie

Allergien zählen zu den häufigsten Erkrankungen in Deutschland (vgl. erster Abschnitt 6.4.1). Epidemiologische Studien des Robert Koch-Instituts belegen bereits 1994 einen eindeutigen Anstieg von Allergien in der Bevölkerung. Obwohl eine genetische Veranlagung für die Entwicklung von Allergien besteht, kann der Anstieg an allergischen Erkrankungen nicht allein auf die genetische Disposition zurückgeführt werden. Vermutungen, die zunehmende Luftverschmutzung könnte für den Anstieg von Allergien verantwortlich sein, wurden durch erstaunliche Ergebnisse von Studien, die nach der Wiedervereinigung von Deutschland durchgeführt worden sind, widerlegt. Hier ergab sich die Möglichkeit, zwei genetisch sehr ähnliche Bevölkerungsgruppen zu vergleichen, die mehr als vierzig Jahre lang unterschiedlichen Umweltbedingungen ausgesetzt waren. Obwohl die Luftverschmutzung in den alten Bundesländern wesentlich größer war als in den neuen, belegen die Studien deutlich weniger allergische Erkrankungen in den alten Bundesländern als in Westdeutschland. Diese Beobachtung sprach weniger für den Faktor Schmutz als Auslöser von Allergien, als vielmehr für einen unterschiedlichen Lebensstil, der die Entstehung von allergischen Krankheiten begünstigte. Die Untersuchungen ließen weiterhin den Schluss zu, dass während der Entwicklung des Immunsystems in

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der Kindheit Faktoren wirken, die einen sensibilisierenden Einfluss haben. Diese Faktoren könnten die Häufigkeit von Infektionen sein, die während der Kindheit durchlaufen werden. Es wird vermutet, dass eine häufige Auseinandersetzung mit Erregern in der Kindheit vor allergischen Erkrankungen schützt. Während dieser Phase scheint dass Immunsystem zu „lernen“, wie es seine Effektorreaktionen zu regulieren hat, damit Überreaktionen gegen harmlose Stoffe vermieden werden können.

Immuntherapie (Desensibilisierung)

Um die Entstehung von Allergien zu verhindern, gibt es verschiedene Ansätze, die das Ziel haben, die allergenspezifische IgE Produktion zu vermindern oder bestehende IgE Antikörper zu neutralisieren. Ein weit verbreiteter, empirisch ermittelter Ansatz, ist die Desensibilisierung. Bei diesem Ansatz werden in regelmäßigen Abständen (Wochen bis Monate) aufsteigende Konzentrationen des Allergens verabreicht. Als Folge davon nimmt oftmals die allergenspezifische Konzentration von IgE ab, die Konzentration von allergenspezifischen IgG Antikörpern hingegen zu. Die neu gebildeten IgG Antikörper können nun an das Allergen binden und dieses neutralisieren. Der genaue Mechanismus, der zu dieser Klassenverschiebung führt, ist unklar. Es ist auch denkbar, dass T-Zell Toleranz induziert wird, indem sich die Immunreaktion von einer TH2 Antwort zu einer TH1 Antwort verschiebt. Die Desensibilisierung scheint den größten präventiven Erfolg bei akuten Allergien zu zeigen, wie beispielsweise bei Allergien gegen Insektengifte oder gegen Penicillin. Neuere Ansätze beschäftigen sich mit der Herstellung von humanisierten, anti-isotypischen Antikörpern gegen IgE. Seit kurzem wird dieser Therapieansatz bei Patienten angewendet, die unter schwerem allergischen Asthma leiden.

Definition

Schock Es kommt es zu einer akuten und generalisierten (systemischen) Minderversorgung der inneren Organe mit Sauerstoff. Akutes Herz-Kreislaufversagen kann die Folge sein. Adrenalin Adrenalin bindet an unterschiedliche Rezeptoren (α1, α2 und β-Adrenorezeptoren), die gewebespezifisch exprimiert werden. Durch die unterschiedlichen Rezeptoren löst Adrenalin verschiedene physiolgische Reaktionen aus. Die aktive Form von Adrenalin wird als Epinephrin bezeichnet. Adrenalin wurde bereits Anfang des 19. Jahrhunderts entdeckt.

Entstehung von Autoimmunerkrankungen

209

6.5

Entstehung von Autoimmunerkrankungen Autoimmunerkrankungen entstehen dann, wenn die Mechanismen der zentralen und peripheren Toleranz durchbrochen werden. Dadurch kann es zu einer Aktivierung von autoreaktiven T- und B-Zellen kommen. Ob und wann die Toleranzmechanismen durchbrochen werden, hängt von der genetischen Veranlagung (Disposition) sowie von Umwelteinflüssen (z.B. Infektionen) ab; Autoimmunerkrankungen sind in der Regel multifaktoriell bedingt.

Genetische Disposition

Die meisten Autoimmunerkrankungen lassen sich nicht auf ein fehlerhaftes oder polymorphes Gen zurückführen. Liegt eine genetische Disposition vor, so ist sie in der Regel polygen, liegt also assoziiert mit verschiedenen Genen vor, die in ihrer Summe zu einem erhöhten Anfälligkeitsrisiko führen. Liegt eine genetische Disposition vor, so bedeutet das nicht, dass die Krankheit auch tatsächlich ausbricht. Auch sind die krankheitsassoziierten Gene bei weitem nicht alle in ihrer Funktion bekannt. Vielmehr sind es häufig Chromosomenabschnitte, die assoziiert mit der Autoimmunerkrankung vererbt werden. Solche Chromosomenabschnitte können wenige bis Hunderte von Genen beinhalten. Es wird jedoch vermutet, dass viele der Genprodukte einen Einfluss auf die Entwicklung von Toleranz haben. Eine der ersten Gengruppen, die assoziiert mit Autoimmunerkrankungen identifiziert wurden, waren MHC-I und -II Gene. Sie sind auch die Gengruppe, die unter den bislang mit Autoimmunerkrankungen assoziierten Genen die stärkste Assoziation zeigen. Das bedeutet aber nicht, dass bei einem vorhandenen, autoimmunerkrankungsassoziierten MHC-Allel, die Krankheit auch tatsächlich ausbricht. Das Allel ist vielmehr nur ein Faktor, der den Ausbruch der Krankheit begünstigen kann. Nur bei sehr wenigen MHC-Allelen ist mit einem hohen Risiko zu rechnen, wie beispielsweise bei dem MHC-I Allel B27, das assoziiert mit der Autoimmunerkrankung Morbus Bechterew auftritt (Tab. 6.1). Historie

Horror Autotoxicus Paul Ehrlich (1854–1915) war einer der Begründer der Immunologie als Wissenschaft. Er erkannte, dass es im Blut Proteine gibt, die nach einer Infektion von Zellen abgegeben werden und spezifisch an die Erreger binden und diese dadurch neutralisieren können. Paul Ehrlich äußerte bereits 1905 die Vermutung, dass diese „Abwehrproteine“ auch körpereigene Strukturen binden könnten und dadurch die Entstehung bestimmter Erkrankungen ausgelöst werden könnte. Er gab seiner richtigen Vermutung einen Namen. Den Namen „Horror Autotoxicus“ – der Angst vor einer Reaktion des Körpers gegen sich selbst.

210 Tabelle 6.1

6

Toleranz, Transplantatabstoßung, Allergie, Autoimmunität, HIV und AIDS

Beispiele für HLA assoziierte Autoimmunerkrankungen

Erkrankung

HLA-Allel

Relatives Risiko*

Spondylitits ankylosans (Morbus Bechterew)

B27

87,4

IDDM (Typ-I Diabetes)

DR3 oderDR4 DR3 und DR4

5 25

Rheumatische Arthritis

DR4 (DRB1*0401,0404)

4 (> 10) 14

Geschlechter -verhältnis (w:m) 0,3 < 0,5 3

Pemphigus vulgaris

DR4

Myasthenia gravis

DR3

2,5

unbekannt

Systemischer Lupus erythematodes (SLE)

DR2/DR3

5

10–20

Multiple Sklerose

DR2

4

10

1

Die starke Assoziation von MHC-Allen mit Autoimmunerkrankungen spiegelt die grundlegende Funktion dieser Moleküle wieder: nämlich die, antigene Strukturen in Form von Peptiden dem Immunsystem (speziell T-Zellen) kenntlich zu machen. Da jeder Mensch seine individuellen MHC-Allele besitzt, ist das Spektrum von Peptiden, die gebunden und präsentiert werden, bei jedem Menschen individuell und damit auch die T-Zellen, die aktiviert werden. Im Kontext von Autoimmunität bedeutet das aber, dass letztlich die Präsentation von Selbstantigenen individuell unterschiedlich ist und entsprechend der MHC Ausstattung Peptide präsentiert werden können, für die es möglicherweise eine Präferenz hinsichtlich der Aktivierung von autoreaktiven T- und B-Zellen gibt.

Infektionen und Autoimmunität

Es wurde beobachtet, dass dem Ausbruch einer Autoimmunerkrankung häufig eine Infektion vorausging, oder die Autoimmunerkrankung während der Infektion begann. Dadurch wurde deutlich, dass Infektionen Auslöser für Autoimmunerkrankungen sein können oder diese verschlimmern. Infektionen können durch Molecular Mimicry (Abb. 6.10) bestimmter pathogener Strukturen oder Bystander Aktivierung von autoreaktiven T-Zellen (Abb. 6.11) zum Ausbruch oder der Verschlimmerung einer bestehenden Autoimmunerkrankung führen. Arbeiten im Mausmodell belegen, dass offenbar autoreaktive B- und T-Zellen nebeneinander koexisitieren können, ohne dass es zu einer gegenseitigen Aktivierung kommt. Im Zuge von akuten Infektionen kann diese Balance aber durchbrochen werden. In den letzten Jahren wurde deutlich, dass in diesem Zusammenhang Toll-like Rezeptoren

Entstehung von Autoimmunerkrankungen

211

Abb. 6.10 Modell zur Aktivierung von myosinspezifischen, autoreaktiven B-Zellen durch molecu-

lar mimicry. Eine Streptokokken-A Infektion führt zur Aktivierung von Streptokokken-A spezifischen T-Zellen. Unter diesen können auch CD4+ T-Zellen sein, die gegen das M-Protein dieses Erregers gerichtet sind (initiales Ereignis). Das M-Protein besitzt verglichen mit Myosin, einem Protein aus Herzmuskelzellen, ähnliche Aminosäureabschnitte. Aktivierte CD4+ T-Zellen differenzieren zu TH2-Zellen und können nun (a) M-Protein spezifische B-Zellen aktivieren, die mit Myosin kreuzreagieren. D.h. diese B-Zellen produzieren Antikörper, die sowohl mit dem M-Protein als auch mit Myosin reagieren. Die aktivierten T-Zellen könnten sich aber auch kreuzreaktiv gegenüber Myosin verhalten (b). Existieren bereits Myosin spezifische, autoreaktive B-Zellen, so könnten diese durch Myosin kreuzreaktive, M-Protein spezifische TH2-Zellen aktiviert werden. Das bedeutet: Myosin kreuzreaktive TH2-Zellen erkennen einerseits spezifisch Peptide im Verbund mit MHCII, die aus dem Abbau des M-Proteins stammen. Andererseits binden sie spezifisch an ähnliche Peptide, die aus dem Abbau von Myosin stammen, und ihnen durch autoreaktive B-Zellen im Verbund mit MHCII präsentiert werden. Myosin autoreaktive Antikörper verursachen eine Entzündung des Herzmuskels (Endocarditis)

(TLRs) (Kap. 2.1) offenbar eine wesentliche Funktion zukommt. Durch die Bindung ihrer Liganden können antigenpräsentierende Zellen massiv aktiviert werden. Sie exprimieren daraufhin eine Reihe von kostimulatorischen Molekülen, die dazu beitragen, autoreaktive T-Zellen aktivieren zu können (Kap. 3.2.1 und 3.7). In diesem Kontext wird eine Beteiligung von Toll-like Rezeptoren bei der Entstehung von Autoimmunerkrankungen zurzeit intensiv erforscht.

212

6

Toleranz, Transplantatabstoßung, Allergie, Autoimmunität, HIV und AIDS

Abb. 6.11 Aktivierung von autoreaktiven T-Zellen gegen gewebespezifische Antigene. Im Verlauf

einer Entzündung werden antigenpräsentierende Zellen aktiviert, die kostimulatorische Signale für eine Aktivierung von T-Zellen bereitstellen. Durch die Infektion können gewebespezifische Antigene frei werden, die zusammen mit mikrobiellen Bestandteilen von APCs aufgenommen werden. Das kann dazu führen, dass nicht nur Erreger spezifische T-Zellen aktiviert werden, sondern auch autoreaktive T-Zellen, die gegen Gewebeantigene (= Autoantigene) gerichtet sind

Molecular Mimicriy

Erreger können Proteine besitzen, die körpereigenen Proteinen in ihrer Aminosäuresequenz teilweise ähnlich sind. Diese Übereinstimmungen können dazu führen, dass im Verlauf der Infektion T- und B-Zellen gegen diese Bereiche aktiviert werden und sich damit ihre Effektorreaktion gegen den Erreger, aber auch gegen die körpereigene Struktur richtet (Abb. 6.10). Antikörper, die von solch einer aktivierten B-Zelle produziert werden, sind kreuzreaktiv mit der körpereigenen Struktur. Beispielsweise können während einer Infektion mit bestimmten Streptokokken (A-Streptokokken; verursachen normalerweise eine Mandelentzündung) Antikörper gegen das M-Protein dieses Erregers gebildet werden. Das M-Protein besitzt Ähnlichkeiten mit einem Herzmuskelprotein (Myosin). Die im Zuge der Infektion gegen das M-Protein gebildeten Antikörper können nun mit Myosin kreuzreagieren und eine Entzündung des Herzens (Endocarditis) verursachen (Abb. 6.10 a). Wie häufig es tatsächlich zu einer Autoimmunerkran-

Entstehung von Autoimmunerkrankungen

213

kung in Folge eines molecular mimicry des Erregers kommt, ist unklar. Vermutlich ist es aber ein sehr seltenes Ereignis. Dafür sprechen transgene Mausmodelle, bei denen molecular mimicry eines Antigens eher dazu führt, die Anzahl bereits vorhandener autoreaktiver Zellen zu erhöhen (Abb. 6.10 b).

Bystander Aktivierung autoreaktiver T-Zellen

Durch die Entzündung von peripheren Geweben können körpereigene Zellen zerstört und gewebespezifische Antigene freigesetzt werden, die sonst nicht auftreten würden. Solche Selbstantigene können zusammen mit dem Erreger von dendritischen Zellen phagozytiert, prozessiert und über MHCII präsentiert werden (Abb. 6.11). Durch die Infektion veranlasst, wandern dendritische Zellen in die regionalen Lymphknoten und können hier neben erregerspezifischen, naiven T-Zellen auch gewebespezifische (autoreaktive), naive T-Zellen aktivieren. Die aktivierten T-Zellen werden, durch Chemokine geleitet, zum Ort der Infektion gelockt, und führen dort einerseits zur Bekämpfung des Erregers, andererseits zur Schädigung des Gewebes. Da in diesem Modell die Infektion dazu beiträgt, dass nicht nur erregerspezifische T- und B- Zelle aktiviert werden, sondern auch autoreaktive Zellen, wird diese Art der Aktivierung von autoreaktiven T-Zellen Bystander-Aktivierung genannt (Abb. 6.11). Beispielsweise kann im Mausmodell eine T-Zell vermittelte autoimmune Encephalomyelitis (experimentelle Autoencephalomyelitis, EAE, Abb. 6.18) dadurch ausgelöst werden, wenn den Mäusen das Autoantigen (myelin-basic-protein, MBP) zusammen mit einem starken Adjuvans injiziert wird. Das Adjuvans sorgt dafür, dass APCs aktiviert werden und dadurch genügend kostimulatorische

Definition

Komplette Freundsche Adjuvans (CFA) Dieses Adjuvans besteht aus abgetöteten Mykobakterien in Mineralöl. Früher wurde es verwendet, um in Tieren Antikörper gegen Proteine zu induzieren. Da Proteine für sich alleine nach einer Immunisierung oftmals nur wenig immunogen sind, wurden sie bei der ersten Immunisierung zusammen mit CFA gespritzt. Durch die Mykobakterien wird eine starke Entzündung gesetzt, die zu einer Aktivierung von APCs führt. Das Mineralöl sorgt für einen Depoteffekt, damit Mykobakterien und das Protein nicht zu schnell resorbiert werden. Bei nachfolgenden Booster-Immunisierungen wurde das Protein anschließend mit inkomplettem Freundschen Adjuvans (IFA) injiziert. Bei IFA handelte es sich lediglich um Mineralöl ohne Mykobakterien. Durch Booster-Immunisierungen wird der Antikörpertiter erhöht, indem die Anzahl von aktivierten B-Zellen/Plasmazellen zunimmt. Zusätzlich werden die nach den Booster-Immunisierungen gebildeten Antikörper infolge ihrer Affinitätsreifung affiner. Heute werden andere Adjuvanzien verwendet, die speziell an Toll-like Rezeptoren wie TLR9 binden, und dadurch zu einer Aktivierung von APCs führen.

214

6

Toleranz, Transplantatabstoßung, Allergie, Autoimmunität, HIV und AIDS

Moleküle bereitstellen, damit MBP spezifische T-Zellen aktiviert werden können. Auch in diesem Zusammenhang wird die Funktion von Toll-like Rezeptoren (TLRs) immer deutlicher. Durch das Adjuvans werden eine Reihe von TLR-Liganden bereitgestellt, die nach Stimulation ihrer TLRs auf antigenpräsentierenden Zellen zu einer massiven Aktivierung dieser Zellen führen.

6.5.1

Beispiele für Autoimmunerkrankungen Systemischer Lupus erythematodes (SLE)

Der SLE ist eine Autoimmunerkrankung, von der viele Organe (Niere, Haut, Gelenke, Lunge, Herz, Gehirn) betroffen sein können (Abb. 6.12). Je nach Schweregrad besteht die Gefahr eines Multi-Organversagens. Der Name SLE leitet sich von einem schmetterlingsförmigen Hautausschlag im Gesicht ab, der die Menschen früher an einen Wolfsbiss (lat. lupus: Wolf; griech. erythema: Röte) erinnerte und häufig bei SLE Patienten zu beobachten ist. Die Erkrankung tritt hauptsächlich bei Frauen zwischen dem 20. bis 60. Lebensjahr mit einer Häufigkeit von 1 unter 700 auf. Frauen sind etwa zehnmal häufiger betroffen als Männer. Im Blut von SLE Patienten sind häufig viele unterschiedliche Autoantikörper vorhanden. Unter ihnen dominieren Autoantikörper, die gegen DNA-Bestandteile oder DNA assoziierte Proteine (z.B. Histone) gerichtet sind. Je nach Anzahl und Ziel der Autoantikörper werden große Mengen an Immunkomplexen gebildet, die nicht mehr über Erythrozyten abtransportiert und durch phagozytierende Zellen beseitigt werden können. Oft lagern sich die Immunkomplexe am Ort ihrer Entstehung und in feinen Blutgefäßen ab. Dort führen sie zu Entzündungsreaktionen, durch die das entsprechende Organ geschädigt wird. Nervenschädigungen, eine Herzbeutelentzündung (Pericarditis), Gelenkentzündung (Arthritis), Lungenentzündung (Pneumonie), eine Entzündung der Niere (Nephritis), Entzündungen der Gefäße (Vaskulitis) und der Haut können die Folge sein (Abb. 6.12). Gerade die Haut ist häufig betroffen, da durch UV-Bestrahlung Hautzellen absterben und DNA-Bestandteile freigesetzt werden, die Ziel der Autoimmunantwort sind. Im Mausmodell konnte gezeigt werden, dass an der Entstehung der Krankheit autoreaktive CD4+ T-Helfer Zellen beteiligt sind, die gegen Peptide aus DNA-assoziierten Proteinen gerichtet sind. Sie können autoreaktive B-Zellen aktivieren, die für DNA-Bestandteile oder DNA-assoziierte Proteine spezifisch sind (Abb.6.12). Es scheint aber auch, dass Toll-like Rezeptoren (TLRs) bei der Entstehung des SLE beteiligt sein könnten. TLR9 liegt in endosomalen Kompartimenten vor und bindet unmethylierte CpG DNA, aber auch andere DNA Motive. Kürzlich wurde berichtet, dass im Mausmodell eine TLR9 Signalgebung für die Bildung von nukleosomenspezfischen (Komplexe aus DNA und RNA) Antikörpern verantwortlich ist. In diesem Zusammenhang scheint neben der Aktivierung von autoreaktiven B-Zellen durch autoreaktive T-Zellen, eine T-Zell unabhängige TLR vermittelte Aktivierung von autoreaktiven B-Zellen denkbar.

Entstehung von Autoimmunerkrankungen

215

Abb. 6.12 Systemischer Lupus erythematodes (SLE). Im Mausmodell konnte gezeigt werden, dass diese Autoimmunerkrankung hauptsächlich von autoreaktiven TH2-Zellen abhängt, die gegen DNA Bestandteile gerichtet sind. Solche autoreaktiven TH2-Zellen sind in der Lage, autoreaktive B-Zellen zu aktivieren, die ebenfalls gegen DNA Bestandteile gerichtet sind. Die autoreaktiven B-Zellen durchlaufen nach ihrer Aktivierung einen Klassenwechsel und produzieren in großen Mengen Autoantikörper. Werden DNA Bestandteile durch absterbende Zellen (z.B. in der Haut unter dem Einfluss von UV-Licht) freigesetzt, so können die Autoantikörper binden. Es kommt zur Bildung von großen Mengen an Immunkomplexen. Diese werden teilweise in den Blutgefäßen der betroffenen Organe abgelagert und führen dort zu Entzündungsreaktionen. Im Kontext von Toll-like Rezeptoren (TLRs) gibt es im Mausmodell erste Hinweise, dass TLR9 einen Einfluss auf die Aktivierung autoreaktiver B-Zellen besitzt

Myasthenia gravis

Die Myasthenie ist eine Muskelschwäche. Ursache dieser Autoimmunerkrankung sind Autoantikörper, die gegen den Acetylcholinrezeptor gerichtet sind. Der Acetylcholinrezeptor befindet sich auf Muskelzellen im Bereich der motorischen Endplatte. Die Autoantikörper führen zu einer gestörten Signalweitergabe von Nervenzelle an Muskelzelle. Dadurch kann die Kontraktionsfähigkeit des Muskels gehemmt werden. Lähmungserscheinungen können die Folge sein (Abb. 6.14).

216

6

Toleranz, Transplantatabstoßung, Allergie, Autoimmunität, HIV und AIDS Abb. 6.13 Acetylcholin-Synthese. Acetylcholin wird in der Zelle aus Cholin und Acetyl-Coenzym-A (Acetyl-CoA) gebildet. Diese Reaktion wird durch die Acetylcholin-Synthase katalysiert

Die motorische oder neuromuskuläre Endplatte ist der Ort, an dem die Erregungsübertragung von einer Nervenzelle auf die Muskelzelle stattfindet. Hier endet die Nervenzelle mit einem mikroskopisch sichtbaren Synapsenendköpfchen. Es enthält Acetylcholin (Abb. 6.13), das in Vesikeln gespeichert vorliegt. Zwischen dem Endköpfchen und der Muskelzelle befindet sich ein etwa 50 nm breiter Spalt, der als synaptischer Spalt bezeichnet wird. Gegenüber der synaptischen Endplatte, getrennt durch den synaptischen Spalt, befindet sich die postsynaptische Membran der Muskelzelle. Hier sitzen die Acetylcholinrezeptoren. Durch einen elektrischen Impuls werden die Speichervesikel der Endköpfe in den synaptischen Spalt entleert. Acetylcholin diffundiert durch den synaptischen Spalt und bindet an die Acetylcholinrezeptoren der postsynaptischen Membran. Die Bindung führt zu einer Öffnung von Ionenkanälen und dadurch bedingt zur Depolarisierung der Muskelmembran. Durch die Depolarisation werden spannungsabhängige Ca2+ Kanäle geöffnet und es kommt zu einem Ca2+ Einstrom in die Muskelzelle. In Folge dieser Ereignisse werden Ca2+ Kanäle in der sarkoplasmatischen Membran des sarkoplasmatischen Retikulums (eine Sonderform des endoplasmatischen Retikulums in Muskelzellen) geöffnet, und weitere Ca2+ Ionen strömen in das Zytosol. Die hohe Ca2+ Konzentration im Zytosol ist eine wichtige Voraussetzung für die Muskelkontraktion. Je nach Autoantikörpern kann die Bindung der Antikörper an die Acetylcholinrezeptoren eine unterschiedliche Wirkung zeigen. Die Ionenkanäle können trotz Anwesenheit von Acetylcholin geschlossen bleiben; die Antikörper können aber auch die Ionenkanäle lange Zeit geöffnet halten. Bleiben die Ionenkanäle geschlossen, so kann die zytosolische Ca2+ Konzentration nicht ansteigen; eine Muskelkontraktion kommt nicht zustande. Umgekehrt kann sich der Muskel nicht mehr richtig entspannen, weil sich die Muskelfilamente (Aktin und Myosin) nicht mehr voneinander lösen können; eine Muskelkontraktion ist ebenfalls nicht mehr möglich. Myasthenia Patienten besitzen häufig hängende Augenlieder, oder sie können die Augenlieder nicht mehr richtig schließen. Die Erkrankung kann in jedem Lebensalter auftreten. Schwere und Verlauf der Krankheit sind oft von Patient zu Patient unterschiedlich.

Entstehung von Autoimmunerkrankungen

217

Abb. 6.14 Myasthenia gravis. Damit es zur Bildung von Acetylcholinrezeptor spezifischen Antikörpern kommen kann, müssen autoreaktive B-Zellen vermutlich durch autoreaktive TH2-Zellen aktiviert werden. Eine Beteiligung von TLRs bei der Aktivierung und/oder Klassenwechsel ist ähnlich wie beim SLE denkbar. Die produzierten Autoantikörper binden an den Acetylcholinrezeptor auf der postsynaptischen Membran. Das führt entweder dazu, dass Ionenkanäle trotz Anwesenheit von Acetylcholin verschlossen bleiben, oder auf Dauer geöffnet werden. In beiden Fällen kommt die Muskelkontraktion zum erliegen

Definition

Acetylcholinrezeptoren Es gibt zwei Sorten von Acetylcholinrezeptoren, die aufgrund ihrer – durch Nicotin und Muscarin verursachten – pharmakologischen Wirkung unterschieden werden können: Der nicotinische Acetylcholinrezeptor ist ein kationenspezifischer Kanal in postsynaptischen Membranen. Er wird hier allgemein als Acetylcholinrezeptor bezeichnet. Der muscarinische Rezeptor ist ein Transmembranprotein, das die Membran siebenmal durchspannt. Die Signalweiterleitung erfolgt hier durch die Aktivierung eines G-Proteins, das mit dem Rezeptor assoziiert vorliegt. Ähnlich aufgebaute Rezeptoren sind der β-adrenerge Rezeptor und Rhodopsin.

218

6

Toleranz, Transplantatabstoßung, Allergie, Autoimmunität, HIV und AIDS

Basedowsche Krankheit

Morbus (lat. morbus: Krankheit) Basedow wurde nach dem Erstbeschreiber Carl Adolph von Basedow benannt. Im englischsprachigen Raum wird sie auch häufig als Graves disease bezeichnet. Bei dieser Krankheit kommt es zu einer Schilddrüsenüberfunktion. Sie wird durch Autoantikörper verursacht, die an Rezeptoren für das Schilddrüsen stimulierende Hormon (Thyroxin stimulating hormone, TSH), auch Thyreotropin genannt, binden. TSH wird von dem Hypophysenvorderlappen (Adenohypophyse) ausgeschüttet (Abb. 6.15). Die Ausschüttung von Hormonen durch den Hypophysenvorderlappen wird durch releasing Hormone des Hypopthalamus gesteuert, der über den Hyphophysenstiel mit dem Hypophysenhinterlappen (Neurohypophyse) verbunden ist.

Abb. 6.15 Morbus Basedow. Bei dem Basedowschen Syndrom werden Autoantikörper gebildet, die an den Rezeptor für das Thyreotrophe Hormon (TSH) binden. Dadurch wird eine TSH unabhängige Thyroxinproduktion induziert, die durch den negativen Rückkopplungsmechanismus (-) von Thyroxin auf die Produktion von TSH nicht durchbrochen werden kann

Entstehung von Autoimmunerkrankungen

219

Bindet TSH an die TSH Rezeptoren auf der Schilddrüse, so schüttet die Schilddrüse das Hormon Thyroxin (gr. thyriodes: schildartig) aus. Thyroxin steigert die Stoffwechselfunktionen. Dadurch wird der Energieumsatz gesteigert und der Körper an Kälte und Aktivität angepasst. Auf der anderen Seite hemmt Thyroxin die Produktion von TSH durch die Adenohypophyse; diese negative Rückkopplung schützt den Körper vor einer Überproduktion an Thyroxin und den damit verbundenen Folgen für den Körper. Bei Patienten, die an Morbus Basedow leiden, stimulieren Autoantikörper die ständige Produktion von Thyroxin, indem sie an die TSH-Rezeptoren binden. Das gebildete Thyroxin hemmt zwar die TSH Produktion; dies hat aber keinen Einfluss auf die Thyroxin Produktion, da diese ja unabhängig von TSH durch die Autoantikörper induziert wird. Typische Symptome sind hervortretende Augen, hoher Blutdruck, Schlafstörungen, Depressionen, Hunger, Durst, schwitzen, Zittern in den Händen, Herzrythmus- und Zyklusstörungen.

Typ 1 Diabetes mellitus

Typ 1 Diabetes mellitus (gr. diabetes: Durchgang; lat. mellitus: honigsüß), auch Insulin abhängiger Diabetes (IDDM, insulin dependent diabetes mellitus) genannt, wird durch eine Zerstörung der Insulin produzierenden β-Zellen im Pankreas (Bauchspeicheldrüse) gekennzeichnet (Abb. 6.16). Wahrscheinlich tragen mehrere Mechanismen zu der Zerstörung der Zellen bei. Dazu zählen TNFα und IFNγ produzierende CD4+ TH1-Zellen, zytotoxische T-Zellen und Autoantikörper, durch die eine Entzündung verursacht wird. Bei Patienten mit Typ-1 Diabetes wurden im Pankreas neben nekrotischen Zellen Lymphozyten-Infiltrate nachgewiesen, die CD4+ und CD8+ T-Zellen enthielten. Im Mausmodell wird Typ-1 Diabetes durch T-Zellen verursacht, die gegen Proteine (Insulin, Glutaminsäuredecarboxylase) aus den β-Zellen des Pankreas gerichtet sind. Werden T-Zellen einer erkrankten Maus auf eine gesunde Maus des gleichen Stammes übertragen, so entwickelt sie ebenfalls die Krankheitssymptome. Diese Art von Experiment wird adoptives T-Zell Transferexperiment genannt. Zu den typischen, schweren Symptomen beim Menschen zählen Sehstörungen, Konzentrationsstörungen, Lähmungen, Krämpfe und Halluzinationen. Unbehandelt kommt es zu irreversiblen Schädigungen von feinen Blutgefäßen wie sie in der Netzhaut vorhanden sind und dadurch bedingt im weiteren Verlauf zu Durchblutungsstörungen und Organschädigungen (Erblindung, Nierenschädigungen). Durch Druckstellen am Fuß können beispielsweise Gefäße geschädigt werden; in Folge der schlechten Durchblutung kommt es zur Nekrose des Gewebes (diabetischer Fuß). Bei sehr hohen Zuckerwerten im Blut besteht die Gefahr des diabetischen Komas (Zuckerkoma). Hier können Zuckerwerte bis 1000 mg/dl auftreten (der normale Wert liegt bei 60–120 mg /dl). Die Ursache für die in hohen Konzentrationen bedingten Schädigungen durch Zucker (Glukose), liegt in den chemischen Eigenschaften dieses Stoffes. Glukose ist ein reduzierendes Monosaccharid (Abb. 6.17).

220

6

Toleranz, Transplantatabstoßung, Allergie, Autoimmunität, HIV und AIDS

Abb. 6.16 Typ-1 Diabetes mellitus. Der erste Schritt zum Ausbruch dieser Autoimmunerkrankung ist die Aktivierung von autoreaktiven CD4+ und CD8+ T-Zellen. Diese infiltieren anschließend das Pankreasgewebe und führen über die Aktivierung von Makrophagen (TH1-Zellen) sowie der direkten Zelllyse (CTL) zu einer Zerstörung der Insulin produzierenden β-Zellen

Durch seine reduzierenden Eigenschaften kann Glukose mit Proteinen in der Zellmembran von Endothelzellen Verbindungen eingehen, die letztlich zu einer Schädigung der Zelle führen.

Multiple Sklerose (MS)

Bei dieser Autoimmunerkrankung treten Entzündungen im Gehirn und Knochenmark auf. Ziel der Entzündung ist die Myelinscheide von Nervenzellen. Durch die Entzündungen wird die Myelinscheide zerstört und die Zellen geschädigt. Dadurch treten typische Symptome wie Kribbeln, Spastik, Lähmung, Sehstörungen und schnelle Ermüdbarkeit auf. MS ist neben der Epilepsie die zweithäufigste neurologische Erkrankung von jungen Erwachsenen zwischen dem 20. und 40. Lebensjahr.

Entstehung von Autoimmunerkrankungen

221

Abb. 6.17 Gleichgewichtseinstellung zwischen α- und βForm der D-Glukose. In wässriger Lösung kommt die offene Struktur der D-Glukose praktisch nicht vor. Die Glukose geht durch innermolekulare Anlagerung einer OH-Guppe an die Aldehyd-Gruppe in die energieärmere sechsgliedrige Ringstruktur über (Bildung eines Halbacetals). Vom Milieu abhängig, stellt sich ein Gleichgewicht zwischen der α- und β-Form der Glukose ein, das über die offene Struktur verläuft. Dieses Gleichgewicht wird als Mutarotation bezeichnet. Aufgrund der Aldehydgruppe am C1-Atom gehört Glukose zu den reduzierenden Monosacchariden

Im Tiermodell kann eine zu MS sehr ähnlich verlaufende Krankheit induziert werden. Sie wird als experimentelle Encephalomyelitis (EAE) bezeichnet (Abb. 6.18). Werden Mäuse mit dem Hauptprotein aus der Myelinscheide von Nervenzellen (myelin-basic-protein, MBP) zusammen mit einem Adjuvans (z.B. abgetötete Mykobakterien in Mineralöl) immunisiert, so entwickeln die Mäuse eine Encephalomyelitis (vgl. Kap. 6.5, Infektion und Autoimmunität). Diese Encephalomyelitis ist dadurch charakterisiert, dass es zu einer Infiltration des Gehirns durch aktivierte CD4+ TH1-Zellen kommt. Vermutlich besitzen die Tiere in der Peripherie bereits naive, MBP spezifische CD4+ T-Zellen. Diese werden durch dendritische Zellen aktiviert. Nach ihrer Aktivierung wandern sie in das Gehirn ein und werden vermutlich nach antigenspezifischer Bindung an MHCII exprimierende Mikrogliazellen zur Ausschüttung von Cytokinen stimuliert. Aktivierte T-Zellen sind aufgrund der Expression von bestimmten Adhäsionsmolekülen viel leichter in der Lage, die BlutHirn-Schranke zu überwinden als naive T-Zellen. Aktivierte TH1-Zellen sezernieren insbesondere IFNγ, IL2 und Chemokine, die vermutlich Makrophagen zum Einwandern in das Gehirn veranlassen. Makrophagen und Mikrogliazellen werden durch IFNγ aktiviert und exprimieren daraufhin verstärkt MHCII. Aktivierte Makrophagen und Mikrogliazellen schütten TNFα aus, das zu einer weiteren Schädigung der Nervenzellen beiträgt. Zellbestandteile, die von geschädigten und absterbenden (nekrotisierenden) Nervenzellen freigesetzt werden, können von Makrophagen und Mikrogliazellen phagozytiert werden. Dadurch könnten neben MBP spezifischen T-Zell Epitopen weitere Selbstantigene präsentiert werden, gegen die eine zusätzliche Aktivierung von TH1-Zellen denkbar ist. EAE wird ausschließlich durch T-Zellen ausgelöst. Die Erkrankung kann bei Mäusen durch einen Transfer von CD4+ T-Zellen von einer EAE kranken Maus auf eine

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6

Toleranz, Transplantatabstoßung, Allergie, Autoimmunität, HIV und AIDS

Abb. 6.18 Experimentelle Encephalomyelitis (EAE). Bei Mäusen kann eine zu Multipler Sklerose

sehr ähnlich verlaufende Erkrankung ausgelöst werden. Dazu wird Mäusen das Hauptprotein aus der Myelinscheide von Nervenzellen, das myelin-basic-protein (MBP), zusammen mit abgetöteten Mykobaktieren (Adjuvans), injiziert. Diese Mäuse besitzen vermutlich MBP spezifische CD4+ TZellen in der Peripherie, die durch dendritische Zellen aktiviert werden. Als aktivierte T-Zellen (TH1-Zellen) können sie die Blut-Hirn-Schranke leicht überwinden. Im Gehirn werden sie vermutlich durch MHCII exprimierende Gliazellen zur Produktion von Cytokinen stimuliert. Antigenstimulierte TH1-Zellen sezernieren INFγ, IL2 und Chemokine, durch die Makrophagen angelockt und aktiviert werden. Durch aktivierte Makrophagen wird die Entzündung verstärkt. Es kommt zu einer Zerstörung der Myelinscheide und damit verbunden zur Schädigung der Nervenzellen

gesunde Maus übertragen werden. Die Mechanismen entsprechen den Mechanismen, die zu einer Allergie vom verzögerten Typ (Typ IV) führen (Kap. 6.3). Vermutlich spielen bei der Entstehung von EAE TH17-Zellen (Kap. 3.7) eine Rolle. Kürzlich konnte gezeigt werden, dass Interleukin-23 (IL23) defiziente Mäuse einen Block in der Entwicklung von TH17-Zellen besitzen. Die Abwesenheit von TH17-Zellen führte aber zu einem signifikanten Schutz der Tiere vor der Entwicklung von EAE.

HIV und AIDS

223

6.6

HIV und AIDS Die erworbene Immunschwächekrankheit AIDS (acquired immune deficiency syndrome) manifestiert sich durch eine Reihe von Sekundärinfektionen (opportunistische Infektionen) und Tumoren, die infolge der Zerstörung des Immunsystems durch den Erreger, das HI-Virus, zum Tode führen. Da das Virus zu einer Zerstörung des körpereigenen Immunsystems führt, bekam es den Namen MenschlichesImmunschwäche-Virus (human immune deficiency virus, HIV).

Historie

Die Arbeitsgruppen um Robert C. Gallo, Leiter des Tumorvirus-Labors am NIH (National Institutes of Health), und Luc Montagnier, Direktor des Instituts Pasteur in Paris, beschrieben unabhängig voneinander 1983 ein Retrovirus als Erreger der erworbenen Immunschwäche AIDS (acquired immune deficiency syndrome). Dieses Virus bekam von der Arbeitsgruppe am NIH den Namen humanes T-Zell Leukämie Virus-III (HTLV-III), von der Arbeitsgruppe um Luc Montagnier die Bezeichnung Lymphadenopathie-Virus (LAV). Bald stellte sich heraus, dass beide beschriebenen Retroviren identisch waren. 1986 wurde diesem Erreger der offizielle Name HIV (human immunodeficiency virus) durch das International Committee on Taxonomy of Viruses zugewiesen. Ebenfalls 1986 wurde ein zweites HI-Virus entdeckt, das prinzipiell einen ähnlichen klinischen Krankheitsverlauf verursachte, bei dem die Infektion insgesamt aber etwas langsamer verlief. Die beiden HIV Typen wurden daraufhin als HIV-1 und HIV-2 bezeichnet. Die älteste als gesichert angesehene HIV Infektion konnte bislang in einer Blutprobe aus dem Jahr 1959 nachgewiesen werden, die von einem Einwohner Kinshasas (Demokratische Republik Kongo) stammte. Hinsichtlich der Herkunft der HI-Viren wurde bereits seit längerem vermutet, dass eine Übertragung vom Affen auf den Menschen stattgefunden hatte. Primaten können durch ein HIV ähnliches Virus infiziert werden, das als simian immunodefiency virus (SIV) bezeichnet wird. SIV ruft beim Primaten ähnliche Symptome wie HIV beim Menschen hervor. Für HIV-2 konnte bereits 1989 gezeigt werden, dass es seinen Ursprung in einem SIV hat, das in den Scooty Mangabe Affen gefunden wurde. 1999 gelang Wissenschaftlern der Universität von Alabama in Birmingham der Nachweis, dass HIV-1 ebenfalls seinen Ursprung im Primaten besitzt. Sie konnten in der Schimpansenart Pan troglodytes troglodytes ein Retrovirus nachweisen, das eine starke genetische Homologie zum menschlichen HIV-1 Virus aufwies. Diese Schimpansen leben in Gebieten, in denen HIV-1 Infektionen weit verbreitet sind. Vermutlich hat das Virus die Artgrenze zum Menschen durch den Verzehr des infizierten Schimpansenfleisches übersprungen.

224

6

Toleranz, Transplantatabstoßung, Allergie, Autoimmunität, HIV und AIDS

6.6.1

Epidemiologie Das Virus ist weltweit verbreitet. Seine Verbreitung verlief nicht wie bei den meisten Viren gleichmäßig, sondern kontinental sehr unterschiedlich. Während in den USA bereits 1985 die Epidemie ausbrach, schienen andere Länder wie Osteuropa und Asien von dem Virus verschont geblieben zu sein. Doch dann wurden auch sie Mitte 1990 in hoher Geschwindigkeit durch das Virus erobert. Gerade Osteuropa und Asien zeigen im Vergleich zu 2004 einen sprunghaften Anstieg an Neuinfektionen von etwa 70% mit einem Anteil von etwa 30% an Frauen (älter als 15 Jahre). Die HIV Prävalenz kann somit über Jahre stabil bleiben und dann sprunghaft ansteigen. Auch scheint es keine Obergrenze in der HIV Prävalenz zu geben. So sind beispielsweise über alle Altersgruppen hinweg gesehen etwa 59% der Menschen, die im Jahr 2006 mit HIV in Afrika südlich der Sahara leben, Frauen. In der Bundesrepublik Deutschland betrug die Zahl an HIV-infizierten Menschen Ende 2006 etwa 56.000, davon 47.000 Männer und 8.500 Frauen sowie ca. 400 Kinder. Von ihnen leben etwa 8700 mit AIDS (Zahlen von UNAIDS und WHO; Tabelle 6.2).

Definition

Prävalenz Krankheitshäufigkeit. Sie ist eine Kennzahl, die angibt, wie viele Menschen einer bestimmten Gruppe (Menschen innerhalb einer Population) an einer bestimmten Krankheit erkrankt sind.

Tabelle. 6.2 Gobale Übersicht über HIV-Positive, -Neuinfektionen und AIDS-Tote im Jahre 2006

(alle Zahlen von UNAIDS und WHO) Globale Übersicht über die AIDS-Epidemie (Dezember 2006) Anzahl der HIV-Positiven 2006 Gesamt

39,5 Millionen (34,1–47,1 Mio.)

Erwachsene

37,2 Millionen (32,1–44,5 Mio.)

Frauen

17,7 Millionen (15,1–20,9 Mio.)

Kinder unter 15 Jahren

2,3 Millionen (1,7–3,5 Mio.)

HIV-Neuinfektionen 2006 Gesamt

4,3 Millionen (3,6–6,6 Mio.)

Erwachsene

3,8 Millionen (3,2–5,7 Mio.)

Kinder unter 15 Jahren

530.000 (410.000–660.000)

AIDS-Tote 2006 Gesamt

2,9 Millionen (2,5–3,5 Mio.)

Erwachsene

2,6 Millionen (2,2–3,0 Mio.)

Kinder unter 15 Jahren

380.000 (290.000–500.000)

HIV und AIDS

225

6.6.2

Aufbau des HI-Virus Das HI-Virus ist ein kugelförmiges Retrovirus mit einem einzelsträngigen (single stranded, ss) RNA-Genom mit positiver Polarität ( (+)ssRNA) (Abb. 6.19). Positive Polarität bedeutet, dass die Basenabfolge des RNA-Genoms der Basenabfolge der späteren mRNA entspricht. Zu der Familie der Retroviren (Retroviridae) zählen sieben Gattungen (α-, β-, γ-, δ-Retroviren sowie Lentiviren und Spumaviren). Die Unterteilung erfolgte anhand morphologischer und genetischer Unterschiede der Viren sowie Besonderheiten während der Infektion und den durch sie verursachten Erkrankungsformen. Das

Abb. 6.19 Aufbau des HI-Virus und Organisation seines Genoms. Das Virus besteht aus einer

von der Zytoplasmamembran abgeleiteten Lipoproteinhülle, in der neben viralen Proteinen (gp41, gp120) auch zelluläre Proteine eingelagert sind. Unterhalb der Hüllmembran folgt ein Netzwerk von Matrixproteinen, die mit der Hüllmembran verbunden sind. Im Inneren des Partikels liegt das Viruskapsid. Es umschließt das mit p7 assoziiert vorliegende Nukleokapsuläre RNA-Genom (NC, nucleocapsid). Zusätzlich befinden sich innerhalb des Kapsids die Enzyme Reverse Transkriptase, Integrase und virale Proteasen. Das Genom des Virus besteht im Wesentlichen aus den retroviralen Genen gag, pol und env (rot dargestellt) zuzüglich der sechs HIV spezifischen Gene vpu, vpr, vif, nef, rev und tat (grau dargestellt). Bei tev handelt es sich ein Mischprodukt aus tat, env und rev, das bislang nur bei einigen HIV-1 Isolaten beschrieben worden ist. Die Exons der regulatorisch aktiven Proteine, die von gespleißten mRNAs translatiert werden, sind durch Striche miteinander verbunden. Die LTR-Regionen (long terminal repeates) der RNA-Enden sind in blau dargestellt. Diese Wiederholungseinheiten bestehen aus den Regionen U3 (unique Region am 3´-Ende) und U5 (unique Region am 5´-Ende) sowie der dazwischen liegenden R-Region (redundant). HI-Viren können entweder T-Zellen über CD4/CXCR4 infizieren (T-trope Viren) oder Zellen des monozytären Systems sowie aktivierte T-Zellen über CD4/CCR5 (M-trope Viren)

226

6

Toleranz, Transplantatabstoßung, Allergie, Autoimmunität, HIV und AIDS

HI-Virus gehört in die Gattung der Lentiviren, zu der ebenfalls das Affenimmundefizienzvirus (simian immune deficiency virus, SIV), das Rinderimmundefizienzvirus (bovine immune deficiency virus, BIV) sowie das Katzenimmundefizienzvirus (feline immune deficiency virus, FIV) zählen. Das HI-Virus hat einen Durchmesser von etwa 100 nm. Es besitzt eine äußere Hüllmembran, die von der Zytoplasmamembran abgeleitet ist. In ihr ist das virale Transmembranprotein gp41 (Glykoprotein mit einem Molekulargewicht von 41 kD) eingelagert, das mit dem viralen Glykoprotein gp120 assoziiert vorliegt (Abb. 6.19). Beide Proteine besitzen eine zentrale Funktion für die Infektion der Zielzellen. Unterhalb der äußeren Hülle befinden sich die Matrixproteine (p17), die mit ihrem aminoterminal angefügten Myristinsäurerest mit der Innenseite der Hüllmembran verbunden sind. Die Matrixproteine bilden eine netzähnliche Proteinschicht, die den Virionen ihre isometrische Struktur verleiht. Weiter im inneren des Viruspartikels folgt das Viruskapsid oder Core (engl. Kern), das von einer zylindrischen Gestalt ist. Das Kapsid bietet dem Virus in erster Linie Schutz vor RNA-spaltenden Enzymen (RNAsen). Im Inneren des HIV Kapsids befindet sich das virale Genom, das aus zwei identischen RNA Strängen besteht. Die RNA ist mit den Nukleokapsidproteinen (NC) p7 komplexiert. HI-Viren besitzen demnach sowohl ein Kapsid als auch ein Nukleokapsid (Abb. 6.19). Zusätzlich befinden sich die Enzyme Reverse Transkriptase, Integrase sowie Proteasen im Inneren des Viruskapsids. Sie werden in der frühen Phase der Infektion für ein Umschreiben der RNA in DNA sowie deren Integration in das wirtseigene Genom benötigt (Abb. 6.21).

Definition

Virion Viruspartikel, der außerhalb der Zelle vorliegt Isometrisch von gleicher Länge Nukleokapsid Nur ein Kapsid, das direkt mit der Nukleinsäure assoziiert ist, ist auch ein Nukleokapsid.

Historie

Retroviren Retroviren wurden bereits um 1910 in Arbeiten von P. Rous, V. Ellermann und O. Bang beschrieben. Sie stellten zellfreie Extrakte aus Tumorzellen von Hühnern her, durch die sie die Tumorerkrankung nach Injektion auf gesunde Hühner übertragen konnten. Für die Entdeckung dieses „Tumorvirus“ (Retrovirus) erhielt Peyton Rous 1966 den Nobelpreis. Das Virus wurde nach ihm als Rous-Sarkomvirus benannt. 1970 machten Howard M. Temin, S. Mituzami und David Baltimore die Entdeckung, dass diese Viren ein Enzym besitzen, das den üblichen genetischen Informationsfluss von DNA über RNA umkehren kann. Dieses Enzym wurde Reverse Transkriptase genannt. Nach der Funktion dieses Enzyms wurden diese Viren Retroviren genannt.

HIV und AIDS

227

6.6.3

Genomische Organisation Das HIV-Genom besteht wie das Genom aller Retroviren aus zwei identischen RNA-Molekülen. Diese besitzen die für eukaryontische mRNAs typischen Merkmalsstrukturen: Eine am 5´-Ende gelegene 7-Methylguanin-Kappe (5´-Cap Struktur) sowie einen am 3´-Ende gelegenen poly(A)-Schwanz (Polyadenylierung). Das HIV-Genom hat eine Größe von etwa 9000 Basen und kodiert für die bei allen infektiösen Retroviren vorhandenen Genprodukte Gag (gruppenspezifische An-

Tabelle 6.3 HIV-Genomabschnitte und deren Bedeutung

LTR

(long terminal repeats): Diese Kontrollsequenz wird in die U5- (unique 5´-Ende), R- (redundant) sowie U3- (unique 3´-Ende) Region unterteilt und liegt an den viralen Genomenden in gleicher Orientierung vor. U5 bzw. U3 sind nach ihrer Lage im Genom bezeichnet. Das LTR enthält wichtige Basenfolgen für die Integration sowie Promotor und Enhancer-Elemente, welche die retrovirale Genexpression kontrollieren. Eine wichtige Sequenzfolge im U3-Bereich des HIV Genoms ist die Bindungsstelle für den zellulären Transkriptionsfaktor NFκB. Jede Stimulierung des Immunsystems durch eine zusätzliche Infektion führt über NFκB zu einer Expression der HIV-Gene und damit zu einer Mobilisierung der Viren. Daneben gibt es aber noch weitere Bindungsstellen für zelluläre Transkriptionsfaktoren. Am Ende der R-Region befindet sich ein poly(A)-Abschnitt mit etwa 200 Adenosin-Nukleotiden.

Gag

(group specific antigen): Nukleokapsidproteine sowie Matrixproteine

Pol

(polymerase): Reverse Transkriptiase, Proteasen, Integrase und Ribonukleasen

Env

(envelope): Hüllproteine gp41 und gp120; vermitteln die Bindung an CD4 und Chemokinrezeptoren sowie die Membranfusion des Virus mit der Wirtszelle

Vif

(virion infectivity factor): verstärkt die Infektiosität der Viruspartikel

Vpr

(viral protein rapid): wird für den Transport der viralen DNA in den Zellkern benötigt; führt zu einem Block in der G2-Phase des Zellzyklus

Tat

(transactivation of transcription): wird für die Elongation von viralen Transkripten durch die zelluläre RNA-Polymerase II benötigt

Rev

(regulator of virion): wird für den Transport von viraler mRNA aus dem Zellkern in das Zytoplasma benötigt

Vpu

(viral protein out): führt zu einer Down-Regulation von CD4 und verstärkt die Freisetzung von Viren aus der Wirtszelle

Nef

(negative factor): führt zu einer Down-Regulation von MHC Klasse-I Molekülen sowie von CD4; verstärkt die Freisetzung von Viren aus der Wirtszelle

Tev

wurde bislang nur in einigen HIV-1 Isolaten identifiziert; Fusionsprotein, das aus Teilen von Tat, Env und Rev gebildet wird. Es zeigt einige Eigenschaften von Tat. Die genaue Funktion ist bislang nicht bekannt.

228

6

Toleranz, Transplantatabstoßung, Allergie, Autoimmunität, HIV und AIDS

tigene), Pol (Proteine mit enzymatischer Aktivität) und Env (Glykoproteine) (Tabelle 6.3). Zusätzlich werden von dem HIV-Genom noch sechs weitere regulatorische und akzessorische Proteine kodiert. Diese werden von mehrfach gespleißten mRNAs translatiert. Die kodierenden Regionen werden am 5´- bzw. 3´-Ende der RNA von regulatorisch wichtigen Kontrollsequenzen (LTR, long terminal repeats) flankiert. Sie besitzen eine essentielle Funktion für die reverse Transkription, die Integration der gebildeten doppelsträngigen DNA in das Wirtsgenom sowie für die virale Genexpression.

6.6.4

Der virale Lebenszyklus Die Voraussetzung für die Adhäsion von HI-Viren ist die Expression von CD4 und einem der beiden Chemokinrezptoren CXCR4 bzw. CCR5 auf der Oberfläche der Zielzelle. CD4 dient T-Zellen als Korezeptor für die Bindung an MHC Klasse-II auf der Oberfläche von antigenpräsentierenden Zellen (s. Kap. 2.4.6). Die genaue Funktion der beiden Chemokinrezeptoren CXCR4 und CCR5 ist bislang noch nicht geklärt. Jedoch konnten die von zytotoxischen T-Zellen (CTL) gebildeteten Chemokine MIP-1α (macrophage inhibitory protein), MIP-1β und Rantes (regulated upon activation T-cell expressed and secreted) als Liganden für CCR5 identifiziert werden. SDF-1 (stromal cell derived factor) ist ein natürlicher Ligand für CXCR4. Die Bindung der natürlichen Chemokinrezeptor-Liganden kompetiert bzw. blockiert die Adsorption des Virus und wirkt dadurch replikationshemmend. CXCR4 wird insbesondere von naiven CD4+-T-Zellen, aber auch von TH2-Zellen exprimiert, CCR5 hingegen von Zellen des monozytären Systems (Monozyten, Makrophagen, monozytäre dendritische Zellen) sowie TH1- und memory T-Zellen. Je nachdem, ob ein HIV-Isolat bevorzugt CXCR4 exprimierende T-Zellen bzw. CCR5 exprimierende Zellen des monozytären Systems infiziert, werden die HI-Viren als T-trope HI-Viren bzw. M-trope HI-Viren bezeichnet oder als X4 (für CXCR4) oder R5 (für CCR5) HIV-Isolate klassifiziert (Abb. 6.20). In vielen HIV-Isolaten infizierter Menschen ist überdies eine Veränderung der Bindungsspezifität von Virusisolaten zu beobachten. Viele Isolate zeigen zu Beginn der Infektion eine Präferenz für CCR5, später im Infektionsverlauf eine Bindungsspezifität für CXCR4. Offenbar kommt es im Verlauf einer HIV Infektion zu einer Verschiebung von anfänglich M-tropen HI-Viren hin zu T-tropen HI-Viren. Es gibt Hinweise darauf, dass HIV noch weitere zelluläre Rezeptoren für eine Adhäsion und Eintritt in die Zelle benutzen kann, jedoch scheinen in vivo CCR5 und CXCR4 die bedeutsamsten Korezeptoren zu sein. Die Bedeutung von CCR5 für die Replikation des Virus wird auch dadurch deutlich, dass Menschen mit einem genetischen Defekt im Gen für CCR5 weitgehend resistent gegenüber einer Infektion mit HIV sind. In vitro konnte gezeigt werden, dass Lymphozyten dieser Merkmalsträger durch M-trope HIV-Isolate nicht mehr infiziert werden konnten. Sie waren jedoch sensitiv gegenüber einer Infektion mit T-tropen HIV-Isolaten.

HIV und AIDS

229

Abb. 6.20 T-trope und M-trope HI-Viren. T-trope (X4) HIV-Isolate infizieren T-Lymphozyten über CD4 und CXCR4, während M-trope (R5) HIV-Isolate eine Präferenz für die Infektion von Zellen über CD4 und CCR5 zeigen. CXCR4 wird insbesondere auf naiven T-Zellen sowie T-Helfer-2 Zellen (TH2-Zellen) exprimiert, CCR5 hingegen auf Zellen des monozytären Systems sowie aktivierten T-Zellen (TH1-Zellen) und memory T-Zellen

Membranfusion

Die Fusion der Virusmembran mit der Zytoplasmamembran der Zielzelle wird vereinfacht folgendermaßen erklärt: Das HIV Hüllprotein gp120 bindet mit hoher Affinität an CD4 auf der Zielzelle. Hierfür liegt gp120 vermutlich als trimerer Komplex vor. Die Bindung an CD4 verursacht eine Konformationsänderung in gp120, wodurch variable Bereiche von gp120 für die Bindung an den zellulären Korezeptor zugänglich werden. Je nach Virusisolat (T-trope oder M-trope HIV Isolate) besitzen die nun zugänglichen variablen Bereiche von gp120 eine Bindungsspezifität für den Korezeptor CXCR4 oder CCR5. Nach der Bindung der variablen Bereiche von gp120 an seinen Korezeptor kommt es nun vermutlich zu einer Konformationsänderung in dem viralen Transmembranprotein gp41. Diese Konformationsänderung äußert sich dadurch, dass der zunächst im Protein verborgene aminoterminale Bereich in Richtung der Wirtsmembran vorschnellt und in diese eindringt. Nach der Insertion des aminoterminalen Endes von gp41 in die Zytoplasmamenbran der Zielzelle verschmelzen die beiden Membranen miteinander und der Viruskern (Viruskapsid) wird in das Zytoplasma der Zelle entlassen (Abb. 6.21).

230

6

Toleranz, Transplantatabstoßung, Allergie, Autoimmunität, HIV und AIDS

Abb. 6.21 Lebenszyklus von HI-Viren. Die Infektion der Wirtszelle beginnt mit der Adhäsion des Virus an CXCR4 und CD4 (T-tropes Virus) bzw. CCR5 und CD4 (M-tropes Virus). Nach der Membranfusion wird der Viruskern in das Zytoplasma der Wirtszelle freigesetzt. Hier beginnt die Umwandlung des viralen RNA-Genoms in die provirale, doppelsträngige DNA. Nach der Aktivierung der T-Zelle erfolgt die Integration der proviralen DNA in das wirtseigene Genom (katalysiert durch das Enzym Integrase) mit anschließender Transkription des Provirus. Hierbei entstehen mehrfach gespleißte mRNA-Moleküle, von denen ein Teil zu regulatorischen Proteinen (Tat, Rev, Nef) translatiert wird, während ein anderer Teil die Strukturproteine und gruppenspezifischen Antigene (Gag, Pol, Env) ergibt. Nach dem Zusammenbau (assembly) der Virusbestandteile wird der Viruskern von der Zelle ausgeschleust. Dabei erhält das Virus seine äußere Hülle (Teil der Zytoplasmembran). Nach der Freisetzung erfolgt die Reifung der Viren. Hierbei kommt es zur Aktivierung von viralen Enzymen durch Proteasen, die im Viruskapsid enthalten sind. Das Virus wird infektiös

Replikation des Virusgenoms

Nachdem das Viruskapsid in das Zytoplasma der Wirtszelle gelangt ist, beginnt die reverse Transkription des viralen RNA-Genoms (Abb. 6.21). Hierbei bleibt die Struktur des Kapsids weitgehend erhalten (s. copy-choice Rekombination).

HIV und AIDS

231

Definition

Copy choice-Rekombination Alle infektiösen Retroviruspartikel enthalten zwei RNA-Genome. Dies deutet auf intermolekulare Wechselwirkungen der reversen Transkriptase mit beiden RNA-Strängen während des reversen Transkriptionsprozesses hin. Dafür spricht ebenfalls, dass nach Freisetzung des Viruskerns in das Zytoplasma der Zelle, die Kapsidstruktur weitgehend erhalten bleibt und somit eine enge räumliche Nähe beider RNA-Stränge zu der Reversen Transkriptase gegeben ist. Bei der Neusynthese der DNA-Stränge kann die Reverse Transkriptase vermutlich zwischen beiden RNA-Strängen hin- und herwechseln, und so Mosaikstränge von aufeinander folgenden Abschnitten der Ausgangsgenome bilden (copy choice-Rekombination). Es wird vermutet, dass dieser Vorgang für die Entstehung neuer Virustypen mitverantwortlich ist.

Die Reverse Transkriptase besitzt keine Korrekturlesefunktion, die während der DNA-Synthese falsch gepaarte Basen durch die passenden Basen austauscht. Das führt dazu, dass die Reverse Transkriptase etwa 1 falsche Base unter 103 bis 104 Basen in die provirale DNA einbaut. Dieser Vorgang trägt zu der bei Retroviren beobachteten hohen Mutationsrate (etwa 10 Fehler pro viralem Genom) bei. Dadurch entsteht eine Vielzahl an genetischen HIV-Varianten, unter denen der hohe Selektionsdruck des Immunsystems sowie der antiviralen Medikamente auf immer neue, resistente Viren selektioniert. Insgesamt scheint die reverse Transkription im Zytoplasma der Wirtszelle ein kritischer Schritt im Lebenszyklus des HI-Virus zu sein. Wird eine ruhende T-Zelle durch das Virus infiziert, so wird zunächst nur eine unvollständige provirale DNA gebildet, die kaum in das Wirtsgenom integriert. Erst die T-Zell Aktivierung ermöglicht nach Transport der proviralen DNA in den Zellkern die Integration in das wirtseigene Genom. Für den Integrationsprozess ist das virale Enzym Integrase verantwortlich. Erst nach der Integration in das Wirtsgenom kann die Transkription der viralen DNA erfolgen. Hierfür ist der zelluläre Transkriptionsfaktor NFκB mitverantwortlich. Er wird im Zuge der T-Zell Aktivierung (vgl. Kap. 3.7) in seine aktive Form überführt und kann nun an entsprechende Sequenzen der LTR Bereiche des Provirus binden. In vivo kann die Aktivierung der T-Zellen beispielsweise durch zusätzliche Infektionen mit opportunistischen Erregern erfolgen. HI-Viren replizieren in ruhenden T-Zellen nur langsam. Eine Ursache dafür ist der zelluläre Transkriptionsfaktor NFκB, der in ruhenden T-Zellen überwiegend inaktiv gehalten wird, für eine effiziente Virusreplikation aber benötigt wird. Kürzlich wurden weitere zelluläre Proteine identifiziert, die an einer Replikationshemmung von HI-Viren in ruhenden T-Zellen eine Rolle zu spielen scheinen. APOBEC3G (apolipoprotein B mRNA editing enzyme, catalytic polypeptide-like 3G) ist eine zelluläre Deaminase, die zu einer Deaminierung von Cytosin zu Uracil in der DNA führt. Im Zuge der DNA-Replikation wird an dieser Stelle im Gegen-

232

6

Toleranz, Transplantatabstoßung, Allergie, Autoimmunität, HIV und AIDS

strang ein Thyminnukleotid eingebaut. Letztlich führt APOBEC3G zu einer G/C → A/T Transition und damit zu einer Punktmutation in der DNA. In diesem Kontext konnte gezeigt werden, dass APOBEC3G in ruhenden CD4+ T-Zellen in einer aktiven Form vorliegt, die zu einer gesteigerten Deaminierung des reversen Transkriptionsproduktes (cDNA, provirale DNA) führt. Hingegen liegt APOBEC3G in aktivierten CD4+ T-Zellen überwiegend in einer inaktiven Form vor. Die unter dem Einfluss von APOBEC3G neu synthetisierte provirale DNA scheint gegenüber einem nukleolytischen Abbau besonders empfindlich zu sein. Allerdings konnte gezeigt werden, dass Vif mit ABOBEC3G komplexiert und dadurch die Funktion von ABOBEC3G blockiert. Wie hoch die intrazelluläre Konzentration von ABOBEC3G sein muss, damit es trotz Gegenwart von Vif zu einem Abbau des reversen Transkriptionsproduktes kommen kann, ist unklar. Murr1 ist ein zelluläres Protein, das im Kupferstoffwechsel von Bedeutung ist. Für Murr1 wurde nachgewiesen, dass es mit aktivem NFκB interferiert und dadurch die basale, aber auch die Cytokin induzierte NFκB Mobilisierung inhibiert. Wurde Murr1 in ruhenden T-Zellen durch die Verwendung von siRNA ausgeschaltet, so konnte eine gesteigerte Replikation von HIV beobachtet werden. Vermutlich tragen APOBEC3G und Murr1 zu der langen, asymptomatischen Phase (Kap. 6.6.5) einer HIV Infektion bei. Die Transkription des Provirus erfolgt durch die zelluläre RNA-Polymerase II. Dieses Enzym besitzt ebenfalls wie die Reverse Transkriptase keine Korrekturlesefunktion. Ihre zelluläre Funktion besteht in der Transkription von proteinkodierenden Genen. Fehler, die in der zellulären mRNA entstehen, werden nicht weitervererbt. Hingegen manifestieren sich Fehler in der viralen mRNA der Nachkommenviren, die von der infizierten Zelle freigesetzt werden. Damit trägt die zelluläre RNA-Polymerase II ebenfalls zu der hohen Anzahl an HIV-Varianten (Quasispezies) bei, die in HIV infizierten Menschen beobachtet werden. Nach der Transkription der integrierten proviralen DNA (Provirus) wird diese mehrfach gespleißt. Die Spleißvarianten werden aus dem Zellkern in das Zytoplasma exportiert und dort in die entsprechenden regulatorischen und strukturgebenden viralen Proteine translatiert. Ein Teil der regulatorischen Proteine wie Tat, Rev und Nef wandern wieder in den Zellkern zurück und verstärken dort z.T. den Transkriptionsprozess (Abb. 6.21). Hingegen bilden die Strukturproteine zusammen mit viralen Enyzmen und zwei einzelsträngigen RNA-Genomen unreife Viruspartikel, die durch Knospung von der Zelloberfläche freigesetzt werden. Die anschließende Reifung der Viruspartikel erfolgt über die Spaltung der Gag- und Pol-Vorläuferproteine in Gegenwart viraler Proteasen.

Definition

Provirus Virus, dessen DNA in das Genom der Wirtszelle integriert ist. Die provirale Form ist Teil des normalen Lebenszyklus von Retroviren.

HIV und AIDS

233

Abb. 6.22a,b Prinzipieller klinischer Krankheitsverlauf der (a) unbehandelten sowie (b) HAART behandelten HIV-Infektion. a Während des Krankheitsverlaufes können drei Phasen unterschieden werden. In der akuten Phase kommt es zu einem vorübergehenden Absinken der Menge an CD4+ T-Zellen, gleichzeit zu einem Anstieg der Virusmenge. Am Ende der akuten Phase sinkt die Virusmenge wieder deutlich und die Anzahl der CD4-Zellen steigt an. In der sich anschließenden, meist mehrjährigen asymptomatischen Phase (chronische Phase, Latenzphase), nimmt die Anzahl der CD4-Zellen nun langsam, aber kontinuierlich wieder ab, die Viruslast hingegen zu. Die letzte Phase (AIDS) ist durch ein Absinken der CD4-Zellen auf einen Wert unter 200 Zellen pro Mikroliter (µl) Blut gekennzeichnet. Hier erliegen die Patienten meist Erkrankungen durch opportunistische Erreger. b Einfluss der hochaktiven antiviralen Therapie (HAART) auf den Krankheitsverlauf. Nach Beginn der Therapie fällt die Virenkonzentration im Blut innerhalb der ersten zwei Wochen rapide ab. Nach etwa 1–4 Monaten liegt die Konzentration unter der Nachweisgrenze durch RT-PCR (reverse transkription polymerase chain-reaction) Analysen. Die Menge an CD4-Zellen nimmt zu, opportunistische Infektionen nehmen ab (nicht eingezeichnet). Jedoch persistiert das Virus weiterhin im Organismus und die Virenkonzentration würde nach absetzen der Therapie wieder dramatisch ansteigen. (nach Siliciano et al. (2001))

234

6

Toleranz, Transplantatabstoßung, Allergie, Autoimmunität, HIV und AIDS

Definition

Viruslast (viral load) Menge eines im Blut gefundenen Virus. Die Menge wird als Konzentration der Genome (bei DNA-Viren) oder Genomäquivalenten (bei RNAViren) pro Milliliter angegeben. Der Nachweis erfolgt durch die Polymerasekettenreaktion (PCR).

6.6.5

Klinischer Verlauf einer unbehandelten HIV-Infektion Der Verlauf der HIV-Infektion lässt sich in drei Stadien unterteilen (Abb. 6.22): Im ersten Stadium findet die Primärinfektion statt. Diese Phase dauert etwa 8 bis 12 Wochen. Hier zeigen ca. 20 bis 30 Prozent der Patienten grippeähnliche Symptome die mit einer Lymphknotenschwellung einhergehen. Während dieser Phase lassen sich große Mengen von bis zu 108 Viruspartikeln pro Milliliter Blut nachweisen. Die Anzahl an CD4+ T-Zellen kann vorübergehend auf etwa 500 Zellen pro Mikroliter absinken. Anschließend sinkt die Viruslast im Blut und es folgt oft eine symptomfreie, mehrjährige Latenzphase (chronische Phase, asymptomatische Phase). Während dieser Phase sind HIV-spezifische Antikörper im Blut der Patienten nachweisbar. Während dieser Phase sinkt die Anzahl an CD4+ T-Zellen langsam und kontinuierlich. Hingegen beginnt die Viruslast langsam zu steigen. Liegt die Viruslast unter 103 Genomäquivalenten pro Milliliter (entspricht 1000 Viren pro Milliliter), so deutet das auf eine sehr lange asymptomatische Phase hin. Liegt der Wert hingegen bei 104 oder mehr Genomäquivalenten pro Milliliter, dann ist das Latenzstadium häufig von mittlerer bis kurzer Dauer. Nach der Latenzphase folgt die dritte Phase der Infektion. Sie ist gekennzeichnet durch ein Absinken der Menge an CD4+ T-Zellen auf Werte unter 200 pro Mikroliter; die klinischen Symptome von AIDS treten auf. Die HIV-Erkrankung wurde hinsichtlich der Menge an CD4+ T-Zellen während des klinischen Verlaufes nach den Kriterien der Centers for Disease Control (CDC) in die Stadien 1 bis 3 unterteilt. Zu Stadium CDC-1 werden alle Patienten gezählt, die mehr als 500 CD4+ T-Zellen pro Mikroliter im Blut aufweisen; zu Stadium CDC-2 alle Patienten, die 200 bis 499 CD4+ T-Zellen pro Mikroliter im Blut besitzen, und zu Stadium CDC-3 alle Patienten, bei denen weniger als 200 CD4+ T-Zellen pro Mikroliter im Blut nachweisbar sind. Zusätzlich wurden die zu den Phasen des klinischen Verlaufes typischen „Markerinfektionen“ von der CDC in die Kategorien A, B und C unterteilt (Tabelle 6.4).

6.6.6

HIV Pathogenese Das Virus gelangt durch Verletzungen der Haut oder Schleimhäute in den Körper. Vermutlich sind die ersten Zellen, die durch das Virus in den äußeren Epithelien

HIV und AIDS

235

Tabelle 6.4 Klassifikation der HIV Infektion nach den Kriterien der Centers for Disease control

(CDC) Klinische Kategorien der HIV Infektion nach der CDC-Klassifikation Kategorie A

Asymptomatische HIV-Infektion t
"LVUF
)*7*OGFLUJPO t
"LVUF
QSJNÊSF
)*7*OGFLUJPO
NJU
4ZNQUPNFO t
1FSTJTUJFSFOEF
HFOFSBMJTJFSUF
-ZNQIBEFOPQBUIJF
-"4

Kategorie B

Krankheiten und Symptome, die nicht in die AIDS-definierte Kategorie C fallen, die aber ursächlich mit der HIV-Infektion verbunden sind oder auf eine Störung der zellulären Immunabwehr schließen lassen t
#B[JMMÊSF
"OHJPNBUPTF t
$BOEJEB*OGFLUJPOFO
EFT
0SPQIBSZOY t
$ISPOJTDI
WFSMBVGFOEF
PEFS
TDIXFSF
WVMWPWBHJOBMF
$BOEJEB*OGFLUJPOFO t
$FSWJDBMF
%ZTQMBTJFO
PEFS
$BSDJOPNB
in situ t
"OEBVFSOEFT
'JFCFS
àCFS
 ¡$ t
%VSDIGÊMMF
EJF
MÊOHFS
BMT
WJFS
8PDIFO
BOEBVFSO t
0SBMF
)BBSMFVLPQMBLJF t
3F[JEJWJFSFOEFS
)FSQFT
[PTUFS
(àSUFMSPTF

t
1FSJQIFSF
/FVSPQBUIJF

Kategorie C

AIDS-definierte Erkrankungen t
1OFVNPDZUJT
DBSJOJJ-Pneumonie t
5PYPQMBTNBEncephalitis t
$BOEJEBInfektionen des Ösophagus, der Bronchien, der Luftröhre und der Lunge t
$ISPOJTDIF
)FSQFTTJNQMFY*OGFLUJPOFO
NJU
6MDFSBUJPOFO
Herpesbronchitis, Herpespneumonie, Herpesösophagitis t
(FSOFSBMJTJFSUF
$ZUPNFHBMPWJSVTJOGFLUJPOFO
$ZUPNFHBMPWJSVTSFUJOJUT t
&YUSBQVMNPOBMF
$SZQUPDPDDFOJOGFLUJPOFO t
%JTTFNJOJFSFOEF
PEFS
FYUSBQVMNPOBMF
5VCFSLVMPTF
UZQJTDIF
VOE
atypische Mykobakterien; Mycobacterium avium oder M. kansasii) t
,BQPTJ4BSLPN t
.BMJHOF
-ZNQIPNF
#VSLJUU-ZNQIPN
JNNVOPCMBTUJTDIFT
oder primäres cerebrales Lymphom) t
*OWBTJWF
$FSWJYLBS[JOPNF t
)*7&ODFQIBMPQBUIJF t
8BTUJOH4ZOESPN

infiziert werden, Makrophagen, epidermale Langerhans Zellen sowie dermale und submukosale dendritische Zellen. In diesem Zusammenhang konnte gezeigt werden, dass HIV-1 und -2 über gp120 an DC-SIGN binden, das von dermalen und submukosalen dendritischen Zellen exprimiert wird. DC-SIGN ist ein C-Typ Lektin, das die Adhäsion zwischen dendritischer Zelle und T-Zelle verstärkt.

236

6

Toleranz, Transplantatabstoßung, Allergie, Autoimmunität, HIV und AIDS

Definition

Pathogenese griech. pathos: Leiden(schaft), Sucht; griech. genesis: Entstehung, Geburt; naturwissenschaftliche Beschreibung über die Entstehung und den Verlauf einer Krankheit

Bei der HIV-Primärinfektion handelt es sich wahrscheinlich um M-trope, CCR5-spezifische HI-Viren. Dafür spricht zum einen, dass Menschen die einen z.T. deletierten CCR5 Rezeptor exprimieren, weitgehend resistent gegenüber einer Infektion mit HIV sind. Zum anderen konnte bei HIV-Patienten eine Verschiebung von anfänglich M-tropen HIV-Isolaten hin zu T-tropen HIV-Isolaten nachgewiesen werden. Die infizierten antigenpräsentierenden Zellen (APC) wandern über die afferenten Lymphbahnen in die regionalen lymphatischen Gewebe ein. Hier werden virusspezifische T-Zellen durch die APCs aktiviert. Durch die T-Zell Aktivierung ist eine ideale Voraussetzung für die Infektion und Replikation des Virus in CD4+ T-Zellen gegeben (s. Kap. 6.6.4). Eine Reihe von Studien haben gezeigt, dass es in der Frühphase einer HIV-Infektion zu einer massiven Depletion von CD4+CCR5+ Gedächtniszellen (memory T-cells) kommt. Diese befinden sich bevorzugt in mukosaassoziierten lymphatischen Geweben. Aber auch in anderen Bereichen lymphatischer Gewebe wie Milz und Tonsillen findet eine ausgeprägte Virusreplikation statt. Insgesamt stammt die in der Frühphase gebildete hohe Virusmenge hauptsächlich von aktivierten T-Zellen und Makrophagen, die entweder durch das Virus zu Grunde gehen, aber auch im Zuge des aktivierungsinduzierten Zelltodes (vgl. Kap. 6.1, Abb. 6.1) die Viren freisetzen. Parallel zu der frühen Infektionsphase kommt es zur Ausbildung einer HIV spezifischen Immunantwort, die zu einer Senkung der hohen Viruslast führt (Abb. 6.22). Die Lymphknoten bilden während der sich anschließenden Latenzphase das Virusreservoir. Hier werden Viruspartikel durch follikulär dendritische Zellen (FDC) in Form von Immunkomplexen festgehalten. Makrophagen und latent infizierte CD4+ T-Zellen dienen ebenfalls als Quelle für die potentielle Weitergabe des Virus an nicht-infizierte Zellen. Insgesamt führen die Immunkomplexe auf den FDC sowie chronisch infizierte Makrophagen und CD4+ T-Zellen zu einer latenten Stimulation von Lymphozyten. Dadurch entsteht im Lymphknoten ein ideales Mikromilieu für die Replikation und Persistenz der Viren. Während in der Latenzphase im peripheren Blut nur wenige HIV infizierte Zellen nachzuweisen sind, ist die Anzahl an infizierten Zellen in Keimzentren von Lymphknoten massiv erhöht. Letztlich führt die ständige Virusreplikation in den lymphatischen Geweben zu einer Zerstörung der Gewebestruktur. Die fortschreitende Schädigung von CD4+ T-Zellen, Makrophagen und dendritischen Zellen führt ebenfalls zu einem Ausfall von CD8+ T-Zellen, die in ihrer Aktivierung von CD4+ T-Zellen und dendritischen Zellen abhängig sind. Durch den Ausfall insbesondere von zytotoxischen T-Zellen, können die HI-Viren nun nicht mehr in Schach gehalten werden. Opportunistische Infektionen nehmen zu und begünstigen die Infektion und Zerstörung der noch verbleibenden CD4+ T-Zellen durch HI-Viren. Die dritte Phase der Infektion ist er-

HIV und AIDS

237

reicht: AIDS bricht aus (Abb. 6.22). Durch den Zusammenbruch der körpereigenen Immunabwehrmechanismen gewinnen opportunistische Erreger die Oberhand.

6.6.7

Therapie Bislang gibt es drei therapeutische Ziele, gegen die verschiedene Medikamente gerichtet sind. Ein therapeutischer Angriffspunkt ist die reverse Transkription durch die Reverse Transkriptase. Hier gibt es die Medikamentengruppe der nukleosidischen und nichtnukleosidischen Hemmstoffe. Die nukleosidischen Hemmstoffe kompetitieren mit den zellulären Nukleotiden um die Bindung am aktiven Zentrum der reversen Transkriptase. Wird ein Nukleosid- bzw. Nukleotidanalogon dieser Medikamentengruppe in den wachsenden DNA-Strang eingebaut, so führt dies zum Kettenabbruch und damit zu einem Block der viralen DNA-Synthese. Die Gruppe der nichtnukleosidischen Hemmstoffe ist direkt gegen das Enzym Reverse Transkriptase gerichtet. Diese Wirkstoffe binden an funktionelle Domänen des Enzyms und inhibieren dadurch dessen Funktion. Eine weiterer therapeutischer Angriffspunkt sind virale Proteasen. Hier werden Medikamente eingesetzt, deren Wirkstoffe ähnlich wie bei den nichtnukleosidischen Hemmstoffen am aktiven Zentrum um die Bindungsstelle am Substrat (Vorläuferproteine von Gag und Pol) konkurrieren. Das dritte therapeutische Ziel ist es, die Fusion des Virus mit der Zielzelle zu verhindern. In der therapeutischen Anwendung werden die unterschiedlichen Medikamentengruppen miteinander kombiniert, um möglichst viele unabhängige Funktionen des Virus zu hemmen. Die hochaktive antiretrovirale Therapie (HAART) hat das Ziel, während der Therapie das Auftreten von resistenten Virentypen zu verfolgen und im gegebenen Fall

Definition

Intrakin ein intrazelluläres Zytokin; hier: Durch gentechnische Verfahren wurde im Mausmodell gezeigt, dass der Zytokinrezeptor CXCR4 durch ein intrazellulär exprimiertes Protein, das Intrakin, gebunden wurde und dieses den Transport von CXCR4 an die Zelloberfläche verhinderte. Lymphozyten dieser Mäuse konnten durch T-trope HI-Viren nicht mehr infiziert werden. siRNA (small interference RNA) Es handelt sich um kurze RNA Fragmente, die komplementär zu entsprechenden mRNA Sequenzen sind. Durch die Bindung der kurzen antisense RNA Fragmente wird die zelluläre Expression der entsprechenden Proteine gehemmt. Als RNA Interferenz (RNAi, RNA interference) wurde ein natürlicher Mechanismus in eukaryontischen Zellen beschrieben, der die Genexpression auf transkriptioneller Ebene reguliert. Für diese Entdeckung bekamen die beiden US-Wissenschaftler Andrew Z. Fire und Craig C. Mello 2006 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.

238

6

Toleranz, Transplantatabstoßung, Allergie, Autoimmunität, HIV und AIDS

Abb. 6.23 Mögliche Strategien zu Hemmung der CCR5 Expression. Ein möglicher Ansatz für die

Hemmung einer HIV Infektion könnte in einer Blockade der Expression des Chemokinrezeptors CCR5 bestehen. Denkbar wäre hierfür der Einsatz von CCR5 bindenden Liganden, monoklonalen Antikörpern, Intrakinen oder siRNA

den Medikamentencocktail hinsichtlich der Wirksamkeit gegen die neuen Virenmutanten anzupassen. Die Identifikation von neuen, gegen bestimmte Wirkstoffe resistenten Virenmutanten im Patienten erfolgt durch die Polymerasekettenreaktion (PCR). Mit HAART wird möglichst früh während der asymptomatischen Latenzphase begonnen. Mit HAART ist es möglich, die Virenkonzentration im Blut bis unter die Nachweisgrenze zu bringen und die Lebenserwartung deutlich zu verlängern (Abb. 6.22). Eine Heilung in dem Sinne, dass die virale Erbinformation aus dem zellulären Genom entfernt wird, ist bislang nicht möglich. Auch die klassische Entwicklung von präventiv wirkenden Impfstoffen ist bislang gescheitert. Grund hierfür ist die hohe Mutationsrate im viralen Genom und die damit verbundene hohe Variabilität der viralen Proteine (insbesondere gp120). Die hohe Variabilität der Proteine gestattet dem Virus, den induzierten Antikörpern und zytotoxischen T-Zellen durch immer neue Virusvarianten bzw. Quasispezies zu entkommen.

HIV und AIDS

239

Je besser man die molekularen Mechanismen versteht, die zu einer Infektion und Replikation des Virus in seiner Zielzelle führen, umso größer ist die Wahrscheinlichkeit, noch wirksamere Therapeutika entwickeln zu können. Ein Ziel für neue Medikamente könnte beispielsweise der Zytokinrezeptor CCR5 sein. Menschen, die eine Deletion in diesem Rezeptor besitzen, sind weitgehend resistent gegenüber einer Infektion mit HIV (M-trope Viren). Eine Blockade dieses Rezeptors durch entsprechende Liganden, Antikörper, Intrakine oder siRNA (Abb. 6.23) könnte das Risiko einer Infektion deutlich senken. Letztlich ist die genaue Funktion von CCR5 aber noch nicht geklärt, so dass die Folgen einer Blockade bislang nicht abgeschätzt werden können.

Aufgaben

Beschreiben Sie die Tafelbilder

Tafelbild 1

240

Tafelbild 2

Tafelbild 3

6

Toleranz, Transplantatabstoßung, Allergie, Autoimmunität, HIV und AIDS

HIV und AIDS

Tafelbild 4

Tafelbild 5

241

242

6

Toleranz, Transplantatabstoßung, Allergie, Autoimmunität, HIV und AIDS

Spezielle Literatur Adams TE (1990) Tolerance to self-antigens in transgenic mice. Mol Biol Med 7:341–357 Chiu YL, Soros VB, Kreisberg JF, Stopak K, Yonemoto W, Greene WC (2005) Cellular APOBEC3G restricts HIV-1 infection in resting CD4+ T cells. Nature 435:108–114 Cramer DV (2000) Natural antibodies and the host immune responses to xenografts. Xenotransplantation 7:83–92 de Bie P, van de Sluis B, Burstein E, Duran KJ, Berger R, Duckett CS, Wijmenga C, Klomp LW (2006) Characterization of COMMD protein-protein interactions in NF-kappaB signalling. Biochem J 398:63–71 Ferry H, Leung JC, Lewis G, Nijnik A, Silver K, Lambe T, Cornall and RJ (2006) B-cell tolerance. Transplantation 81:308–315 Fleming SD (2006) Natural antibodies, autoantibodies and complement activation in tissue injury. Autoimmunity 39:379–386 Ganesh L, Burstein E, Guha-Niyogi A, Louder MK, Mascola JR, Klomp LW, Wijmenga C, Duckett CS, and Nabel GJ (2003) The gene product Murr1 restricts HIV-1 replication in resting CD4+ lymphocytes. Nature 426:853–857 Goudy KS, Tisch R (2005) Immunotherapy for the prevention and treatment of type 1 diabetes. Int Rev Immunol 24:307–326 Harris RS, Liddament MT (2004) Retroviral restriction by APOBEC proteins. Nat Rev Immunol 4:868–877 Hoglund P (2006) Induced peripheral regulatory T cells: the family grows larger. Eur J Immunol 36:264–266 Hori S, Nomura T, Sakaguchi S (2003) Control of regulatory T cell development by the transcription factor Foxp3. Science 299:1057–1061 Jiang S, Golshayan D, Tsang J, Lombardi G, Lechler RI (2006) In vitro expanded alloantigen-specific CD4+CD25+ regulatory T cell treatment for the induction of donor-specific transplantation tolerance. In .Immunopharmacol 20;6:1879–1882 Jordan MS, Boesteanu A, Reed AJ, Petrone AL, Holenbeck AE, Lerman MA, Naji A, Caton AJ (2001) Thymic selection of CD4+CD25+ regulatory T cells induced by an agonist self-peptide. Nat Immunol 2:301–306 Kanwar JR (2005) Anti-inflammatory immunotherapy for multiple sclerosis/experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) disease. Curr Med Chem 12:2947–2962 Lanzavecchia A, Sallusto F (2007) Toll-like receptors and innate immunity in B-cell activation and antibody responses. Curr Opin Immunol 19:268–274 Lechler RI, Sykes M, Thomson AW, Turka LA (2005) Organ transplantation – how much of the promise has been realized? Nat Med 11:605–613 Milland J, Sandrin MS (2006) ABO blood group and related antigens, natural antibodies and transplantation. Tissue Antigen. 68:459–466 Nemazee D (2006) Receptor editing in lymphocyte development and central tolerance. Nat Rev Immunol 6:728–740 O´Shea JJ Immunoregulation. (2001) Nature Encyclopedia of life sciences 1–10 Picca CC, Larkin J, Boesteanu A, Lerman MA, Rankin AL, Caton AJ (2006) Role of TCR specificity in CD4+ CD25+ regulatory T-cell selection. Immunol Rev 212:74–85 Sakaguchi S, Ono M, Setoguchi R, Yagi H, Hori S, Fehervari Z, Shimizu J, Takahashi T, Nomura T (2006) Foxp3+ CD25+ CD4+ natural regulatory T cells in dominant self-tolerance and autoimmune disease. Immunol Re 212:8–27

HIV und AIDS

243

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7

Das Immunsystem der Invertebraten

7.1

Zelluläre Bestandteile des Immunsystems der Invertebraten Invertebraten besitzen kein erworbenes (adaptives) Immunsystem. Viele der Abwehrmechanismen sind denen des angeborenen Immunsystems beim Menschen (Kap. 1.6, 5.2) ähnlich. Das Immunsystem der Invertebraten beinhaltet, ebenso wie das angeborene Immunsystem des Menschen, zelluläre und lösliche EffektorKomponenten. Zu den zellulären Effektorzellen des Invertebraten-Immunsystems gehören phagozytotische Zellen die je nach Invertebratenstamm synonyme Bezeichnungen besitzen können. Insgesamt werden die immunologisch aktiven Zellen der Invertebraten als Immunozyten bezeichnet. Immunozyten zählen zu einer Gruppe der Hämozyten (Blutzellen). Aufgrund der Morphologie lassen sich verschiedene Typen von Hämozyten unterscheiden. Die Bezeichnung „Hämozyten“ steht also nicht für einen einheitlichen Zelltyp, sondern ist der Überbegriff für eine Gruppe von morphologisch und funktionell unterschiedlichen Zellen in der Hämolymphe („Blut“) von Invertebraten (Tabelle 7.1). Hämozyten können beispielsweise bei Insekten bis zu einem Sechstel der gesamten Hämolymphmenge ausmachen. Allerdings besitzen nicht alle Insekten auch Hämozyten in ihrer Hämolymphe. Die

Historie

Ilja Iljitsch Metschnikow (1845–1916) war ein russischer Zoologe, Anatom und Bakteriologe. Etwa ab 1882 begann er seine Forschungsarbeiten über Phagozyten, die 1908 in der Überreichung des Nobel-Preises für seine Entdeckung der Phagozytose als einen wichtigen Mechanismus der Immunabwehr gipfelten. Seine epochale Entdeckung der Phagozytose wird in etwa folgendermaßen beschrieben: Er nahm winzige Dornen eines Mandarinenbaumes und führte sie in Seesternlarven ein. Nach einiger Zeit bemerkte er eine Ansammlung von beweglichen Zellen um die Dornen herum, die ihn an Eiter erinnerten. Aufgrund dieser Beobachtungen vermutete er, dass weiße Blutkörperchen, die sich im Verlauf einer Entzündung am Entzündungsort ansammeln, die Funktion besitzen, Bakterien zu phagozytieren. 1883 publizierte er diese Ergebnisse, die im weiteren Verlauf für die Wissenschaft der Immunologie wegweisend sein sollten.

246

7

Das Immunsystem der Invertebraten

Tabelle 7.1 Hämozyten und ihre Funktion

Hämozyt

Funktion

Prohämozyten

Stammzelle. Alle Hämozytentypen entstehen aus Prohämozyten.

Plasmatozyten

zytoplasmareiche Zellen. Sie können Pseudopodien ausbilden und sich damit amöbenartig fortbewegen. Sie sind zur Phagozytose befähigt.

Granulozyten

Hauptklasse der Immunozyten. Sie können aus Plasmatozyten entstehen und Pseudopodien ausbilden. Sie werden aufgrund ihrer Morphologie und der Ausstattung an Zelloberflächenrezeptoren in zwei bis drei weitere Klassen unterteilt.

Adipohämozyten

besitzen viele Vakuolen, die mit Lipiden gefüllt sind

Önozytoide Zellen

Ihre Funktion ist unklar.

Sphärulazellen

Diese Zellen besitzen bei einigen Stachelhäutern (Echinodermata) eine Funktion bei der Wundheilung.

Cyanozyten

Zellen, die Hämocyanin enthalten. Sie wurden bislang bei Schwämmen (Porifera), Weichtieren (Molluska) und einigen Gliederfüßern (Arthropoda) beschrieben.

Eleozyten

große Zellen (ca. 40 µm im Durchmesser), die Lipidtröpfchen oder Hämoglobinkristalle enthalten können

Sonstige

-Makrophagen (mobile und phagozytotisch aktive Zellen) -Erythrozyten ähnliche Zellen -Crystal cells (bei Stachelhäutern (Echinodermata) und Spinnentieren (Arachnida) beschrieben)

Definition

Invertebraten (Wirbellose) Tiere ohne Wirbelsäule. Zu dieser Gruppe zählt die Mehrzahl aller bekannten Tierarten. Bei dieser Klassifizierung handelt es sich um ein Formtaxon. Die Wirbellosen bilden keine natürliche Verwandtschaftsgruppe. Neben allen Nichtchordaten (Chorda dorsalis = rückenseitig liegender Stützstab bzw. inneres Achsenskelett) zählen auch einige Chordata wie beispielsweise Manteltiere (Tunicata oder Urochordata = Unterstamm der Chordata) oder die Schädellosen (Cephalochordata oder Acrania) zu den Invertebraten. Coelom gr. coiloma: Hohlraum; sekundäre Leibeshöhle; ein flüssigkeitsgefüllter Hohlraum, der von einem mesodermalen Epithel umgeben ist. Das Coelom übernimmt bei vielen Protostomia (Urmünder) als Flüssigkeitspolster die Funktion eines Hydroskeletts. Zu den Protostomia zählen die Tierstämme, bei denen während der Embryonalentwicklung der „Urmund“ des Darms (erste Einstülpung während der Embryonalentwicklung) zum späteren Mund wird, und die Afteröffnung sekundär durchbricht.

Immunozyten: Zelluläre Effektorreaktionen

247

Seidenraupe Aleurodes ist beispielsweise durch eine zellfreie Hämolymphe gekennzeichnet. Invertebraten besitzen nicht alle die gleiche Ausstattung an Hämozyten. Je nach dem, um welchen Invertebraten es sich handelt, kann die Zusammensetzung der Hämolymphe an Hämozyten unterschiedlich sein (Tabelle 7.2). Zu den Immunozyten unter den Hämozyten zählen insbesondere die Granulozyten, Plasmatozyten und Makrophagen. In Acoelomaten, beispielsweise im Tierstamm der Schwämme (Porifera) und Plattwürmer (Plathelminthes), wurden immunologisch kompetente Zellen bislang nicht näher charakterisiert. Höhere Coelomaten unter den Invertebraten, beispielsweise die Ringelwürmer (Annelida), besitzen in ihrer Hämolymphe Granulozyten und Eleozyten. Weichtiere (Molluska) besitzen Granulozyten, Plasmatozyten und Cyanozyten. Bei Insekten werden sechs verschiedene Typen von Hämozyten angetroffen (Tabelle 7.2), von denen die Granulozyten und die Plasmatozyten immunologisch aktiv sind.

Tabelle 7.2 Verteilung von Hämozyten in unterschiedlichen Tierstämmen. Die Tabelle zeigt die Verteilung von bestimmten Hämozyten in einigen Tierstämmen. (PR, Proähmozyten; GR, Granulozyten; PL, Plasmatozyten, SP, Sphärulazyten; OE, Önocytoide Zellen; AD, Adipohämozyten; CYN, Cyanozyten; EL, Eleozyten; Sonstige, MA (Makrophagen), CR Crystal cells)

Hämozyten Stamm (Phylum)

PR

GR

PL

SP

OE

AD

CYN

Annelida (Polychaeta)

+

Onychophora

+

+

+

Molluska

+

+

+

Arthropoda

+

+

+

+

+

+

+

Arachnida

+

+

+

+

+

+

+

Myriapoda

+

+

+

+

+

+

Insecta

+

+

+

+

+

+

Echinodermata

+

+

+

+

EL

Sonstige

+ +

MA + CR

7.2

Immunozyten: Zelluläre Effektorreaktionen 7.2.1

Phagozytose Die Phagozytose durch Immunozyten ist einer der wesentlichen Verteidigungsmechanismen von Invertebraten gegen mikrobielle Keime. Sie lässt sich in die folgenden Schritte unterteilen:

248

7

Das Immunsystem der Invertebraten

Definition

Fucose eine Methylpentose; nicht zu verwechseln mit Fruktose

Erkennung des Antigens

Bevor es zu einer Phagozytose von Antigenen kommen kann, muss es zu einer Erkennung des Antigens durch die phagozytierende Zelle kommen. Wie die Erkennung von Antigenen bei allen phagozytotisch aktiven Zellen der Invertebraten im Detail funktioniert, ist bislang noch nicht geklärt. Im Wesentlichen sind aber für die Erkennung der Antigene bestimmte Zelloberflächenrezeptoren und Adhäsionsproteine verantwortlich. Diese Rezeptoren werden auch Mustererkennungsrezeptoren (PRRs, pattern recognition receptors) genannt, da sie an stark konservierte Strukturen von Pathogenen binden – die so genannten pathogenassoziierten mikrobiellen Muster (PAMPs, pathogen-associated microbial patterns) (vergl. Kap. 2.1). Die Bindung der PRRs an ihre PAMPs löst eine Signaltransduktionskaskade aus, die den Immunozyten zu seiner entsprechenden Effektorreaktion, wie z.B. der Phagozytose (Abb. 7.1), veranlasst. Zu den häufigsten Rezeptoren zählen Lektine, die an Fucose, Mannose, Galaktose, N-Acetylgalktosamin und N-Acetylneuraminsäure binden. Auf eine weitere wichtige Gruppe von PRRs, die Toll-like Rezeptoren, wird weiter unten detailliert eingegangen (Kap. 7.4). Neben den PRRs spielen bei Immunozyten aber auch chemotaktische Rezeptoren eine wichtige Rolle, da sie für die Kontrolle der Mobilität der entsprechenden Zellen essentiell sind. Diese Rezeptoren sind in der Lage, u.a. N-Formylmethionen tragende Peptide zu binden, Interleukin-1 (IL-1), IL-2, IL-6, Tumor-Nekrose-Faktor (NGF), Leukotrien-B4 und den Komplementfaktor C5a. Beispielsweise führt IL-1 bei Mollusken und Echinodermaten zu einer verstärkten Phagozytoseaktivität ihrer Immunozyten. Ähnliche Rezeptoren werden bei Vertebraten u.a. von neutrophilen Granulozyten exprimiert und kontrollieren dort die Zellmobilität oder andere immunologischen Reaktionen.

Veränderungen im Zytoskelett

Das Zytoskelett ist für die Form und Mobilität der Zelle verantwortlich. Es wird von Aktinfilamenten, Mikrotubuli und Intermediärfilamenten gebildet, die je nach Funktion bzw. Aktivierungszustand der Zelle dynamisch auf- und abgebaut werden. Das Zytoskelett ist über ein dichtes Netzwerk von Aktinfilamenten mit der zytosolischen Seite der Zytoplasmamembran verbunden (Abb. 7.1). Es stabilisiert nicht nur die äußere Form der Zellen, sondern hält auch die Membranproteine an ihrem Platz. Wird ein Immunozyt aktiviert und es kommt zur Phagozytose, so führen Veränderungen im Zytoskelett zu der Ausbildung von Plasmaausläufern (Pseudopodien = Scheinfüßchen), die das Pathogen „umfließen“ und einschließen. Zu den Veränderungen im Zytoskelett gehört beispielsweise die Polymerisation von globu-

Immunozyten: Zelluläre Effektorreaktionen

249

Abb. 7.1 Ablauf der Phagozytose. Die Phagozytose lässt sich im Wesentlichen in drei Teilschritte

unterteilen: Der Phagozyt erkennt über seine Mustererkennungsrezeptoren (PRRs) antigene Strukturen. Die Bindung der Reeptoren führt zu einer Veränderung im Zytoskelett des Phagozyten. Das Antigen wird durch die Plasmamembran des Phagozyten umflossen. Im letzten Schritt wird das umschlossene Antigen von der Zytoplasmamembran als Phagosom in das Zellinnere des Phagozyten abgeschnürt. Dort fusioniert es mit Lysosomen, die saure Hydrolasen enthalten. Es bildet sich ein Phagolysosom. Im Zuge der Aktivierung des Phagozyten kann es zur Bildung von Sauerstoffradikalen sowie Stickstoffoxidradikalen kommen

lärem Aktin (G-Aktin) unter der Bildung von filamentösem Aktin (F-Aktin). Nachdem das Pathogen oder das Partikel durch die Zytoplasmamembran umschlossen worden ist, kommt es zur Abschnürung des umhüllten Partikels in das Innere der Zelle (Phagosom) und im weiteren Verlauf durch Verschmelzung des Phagosoms mit Lysosomen zur Bildung eines Phagolysosoms (Abb. 7.1).

Definition

Filament eine dünne, fadenförmige Zellstruktur

250

7

Das Immunsystem der Invertebraten

Respiratorische Entladung (oxidative or respiratory burst)

Mit der Phagozytose ist häufig die Bildung von Sauerstoff- (ROIs, reactive oxygen intermediates) und Stickoxidradikalen assoziiert. Diese unterstützen das Abtöten von phagozytierten Pathogenen. Oxidative burst wurde bei Immunozyten von Mollusken und Arthropoden nachgewiesen und ist mechanistisch vergleichbar mit dem oxidative burst bei Granulozyten von Säugern (Kap. 5.6). Beispielsweise konnte in der Schnecke Lymnaea stagnalis nachgewiesen werden, dass ein Kontakt von Zymosan (Partikel aus Hefezellwänden) mit der Zellmembran ihrer Immunozyten ein membrangebundenes Enzymsystem aktiviert, das zur Bildung von Sauerstoffradikalen führt. Diese wurden solange in den extrazellulären Raum abgegeben, bis die vollständige Internalisierung der Partikel stattgefunden hatte. Anschließend konnte die Bildung von Sauerstoffradikalen in den Phagosomen gemessen werden. Daneben konnte in Mollusken und Arthropoden das Enzym Stickstoffoxid-Synthase (NOS) nachgewiesen werden, das die Bildung von Stickstoffmonoxid aus L-Arginin katalysiert. 7.2.2

Kapselbildung durch Immunozyten Sind die mikrobiellen Keime bzw. Pathogene zu groß, um phagozytiert werden zu können, so werden sie durch Immunozyten (Granulozyten/ Plasmatozyten) eingekapselt. An diesem Prozess sind maßgeblich Adhäsionsproteine und Cytokine dieser Zellen beteiligt. Die Verkapselung (encapsulation) kann in folgende Stadien unterteilt werden:

Antigenerkennung und Exozytose

Die Erkennung von Pathogenen erfolgt ebenso wie bei der Phagozytose durch Oberflächenrezeptoren (Pathogen assoziierte Mustererkennungsrezeptoren, PRRs). Dadurch wird die Exozytose von Koagulations- sowie Opsonisierungsfaktoren und dem Enzym Phenoloxidase (vgl. Kap. 7.3.3) ausgelöst.

Bildung von Zellschichten um das Pathogen und Melanisierung.

Nachdem die Immunozyten degranuliert haben, beginnen sich Zellschichten von Immunozyten um das Pathogen herum anzuordnen. Diese zellulären Kapseln können zwischen 20–75 Zellschichten dick sein. Innerhalb der Zellschichten ist Melanin (schwarzes Farbpigment) eingelagert (Abb. 7.2). Definition

Koagulation allgemein: Verklumpung, Zusammenballung; im medizinischen Kontext: Blutgerinnung; im biochemischen Kontext: eine Denaturierung von Proteinen

Immunozyten: Zelluläre Effektorreaktionen

251

Abb. 7.2 Aktivierung der Phenoloxidase. Prophenoloxidase wird von Granulozyten exprimiert. Das Enzym liegt in den Granula der Zellen vor, vermutlich aber auch assoziiert mit der Zytoplasmamembran. Werden Granulozyten im Verlauf einer Infektion aktiviert (z.B. über LPS), so degranulieren die Zellen, und das Enzym wird in die Hämolymphe freigesetzt. Dort kann das Proenzym durch Serinproteasen unter Abspaltung von Peptiden in seine aktive Form, die Phenoloxidase, überführt werden. Phenoloxidase katalysiert die Oxidation von o-Diphenolen und es kommt über mehrere enzymatische Schritte zur Bildung von Melanin. Melaninisierung ist in nahezu allen Formen von Verkapselungen zu beobachten

Zerstörung des eingekapselten Pathogens

Die exozytierte Phenoloxidase führt zur Bildung von Chinonen aus Phenolsubstraten. Die Quelle der Phenolsubstrate ist noch nicht geklärt, doch gibt es Hinweise, dass die Immunozyten neben der Phenoloxidase auch entsprechende Substrate im Zuge ihrer Aktivierung sezernieren. Vermutlich entstehen in einer Reihe von nichtenzymatischen Schritten aus den Chinonen Melanin, das eine antimikrobielle, zytotoxische Wirkung besitzt. Daneben tragen weitere exozytierte Enzyme der Phagozyten zur Abtötung der eingekapselten mikrobiellen Keime bei.

252

7

Das Immunsystem der Invertebraten

7.2.3

Bildung von Granulomen Die Bildung von Granulomen oder „Knötchen“ ist ein ähnlicher Prozess wie die Einkapselung von Pathogenen. Morphologisch kann ein Granulom in etwa wie eine Kapsel beschrieben werden, mit dem Unterschied, dass sich Zellen aus den Zellschichten lösen, in die Pathogene innerhalb des Granuloms einwandern und dort phagozytotisch aktiv sind. Sowohl Einkapselung als auch Granulombildung können im selben Tier und als Reaktion auf dasselbe Pathogen erfolgen. Darum ist es oft schwierig, zwischen beiden Reaktionen genau zu unterscheiden. 7.3

Humorale Effektormoleküle des Immunsystems der Invertebraten Invertebraten reagieren mit zellulären und humoralen Effektorreaktionen gegen mikrobielle Infektionen. Im Zuge einer Infektion können von Immunozyten, aber auch vom Fettkörper (wie beispielsweise bei Insekten), lösliche (humorale) Faktoren gebildet und in die Hämolymphe abgegeben werden. Sie tragen dazu bei, die infektiösen Keime zu beseitigen. Strukturell handelt es sich bei den humoralen Faktoren häufig um antimikrobiell wirkende Polypeptide mit einem breiten Wirkungsspektrum. Agglutinine, Cytokine, Neuropeptide und Komplement ähnliche Proteine tragen ebenfalls zu einer effektiven Bekämpfung von mikrobiellen Infektionen bei.

7.3.1

Antimikrobielle Polypeptide Cecropin ist beispielsweise ein antimikrobiell wirkendes Polypeptid. Von Cecropin A wurde berichtet, dass es in Zellkulturen zu einer Hemmung der HIV Replikation führen kann. Weitere, antimikrobiell wirkende Polypeptide sind die Defensine. Sie werden auch beim Menschen als lösliche Faktoren der angeborenen Immunität produziert. Sie finden sich beim Menschen insbesondere auf Schleimhautoberflächen und können von neutrophilen Granulozyten im Zuge entzündlicher Reaktionen ausgeschüttet werden. Ihr Anteil an den Proteinen in den Granula dieser Zellen be-

Definition

Amphiphilie Adjektiv: amphiphatisch; amphiphatische Stoffe besitzen sowohl lipophile („fettliebende“) als auch hydrophile („wasserliebende“) Bereiche. Ein amphiphatischer Stoff ist sowohl in polaren als auch unpolaren Lösungsmitteln löslich.

Humorale Effektormoleküle des Immunsystems der Invertebraten

253

trägt etwa 30 %. Defensine besitzen viele kationische und hydrophobe Aminosäurereste. Aufgrund dieses amphiphatischen Charakters können diese Peptide an negativ geladene Gruppen der Erregermembran binden und mit ihren hydrophoben Bereichen in die Membran des Erregers eindringen, bzw. diese durchdringen. Im Inneren des Erregers können sie nun mit negativ geladenen Molekülen, beispielsweise DNA oder RNA, interagieren. Insgesamt ist der molekulare Wirkungsmechanismus aber noch nicht vollständig aufgeklärt. Daneben gibt es noch eine Reihe weiterer, antimikrobiell wirkender Polypeptide wie beispielsweise Attacin, Gloverin, Thanatin, Drosocin, Diptericin und Drosomycin.

7.3.2

Agglutinine Diese Gruppe von Proteinen gehört zu den Lektinen. Lektine sind Kohlenhydrat bindende Proteine, die ubiquitär bei Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen vorhanden sind. Beispielsweise führt das Hämagglutinin des Influenzavirus zu einer Verklumpung (Agglutination) von roten Blutkörperchen – eine Eigenschaft, aufgrund derer es seinen Namen bekam. Strukturell handelt es sich bei Hämagglutinin um ein Glykoprotein. Über Hämagglutinin bindet das Virus an Neuraminsäurereste auf der Oberfläche seiner Wirtzzelle. Diese Bindung ist notwendig für die Membranfusion und damit für den Eintritt des Virus in die Zelle. Agglutinine werden bei Invertebraten sowohl von Immunozyten als auch vom Fettkörper exprimiert und teilweise sezerniert. Insgesamt sind die Funktionen der Agglutinine vielfältig. Sie dienen als Rezeptoren für die Erkennung von mikrobiellen Substanzen, sie wirken als Opsine und spielen bei der Proliferation von Immunozyten eine Rolle. Außer von Immunozyten und Fettkörper können Agglutinine aber auch gewebespezifisch gebildet werden, beispielsweise in den Speicheldrüsen einiger Moskitoarten (Aedes taeniorhynchus, Anopheles quadrimaculatus). Hier tragen sie zu einer Verkapselung des Erregers sowie zur Aktivierung des Prophenoloxidase aktivierenden Systems (s. 7.3.3) bei.

7.3.3

Das Prophenoloxidase aktivierende System Prophenoloxidase (ProPo) ist ein Enzym, das von Granulozyten exprimiert wird. Werden die Zellen im Zuge einer mikrobiellen Infektion aktiviert, so wird ProPo durch Exozytose freigesetzt und im weiteren Verlauf durch Serinproteasen in seine aktive Form, die Phenoloxidase (Po), überführt (Abb. 7.2). Serinproteasen befinden sich in der Hämolymphe von Invertebraten. Das Enzym Phenoloxidase führt über die Bildung von Chinonen zu Melanin, das eine antimikrobielle Wirkung besitzt und bei der Zerstörung von eingekapselten Mikroorganismen beteiligt ist (s. 7.2.2).

254

7

Das Immunsystem der Invertebraten

7.3.4

Cytokine, Neuopeptide und Opioide Immunozyten von Anneliden, Mollusken, Arthropoden und Echinodermaten können nach ihrer Aktivierung Cytokin ähnliche Proteine sezernieren, die entzündungsfördernde Eigenschaften besitzen. Zu diesen zählen Proteine mit hoher Homologie zu IL-1, IL-2, IL-6 und TNF. Sie werden deshalb auch als IL-1 ähnliches (IL-1 like) bzw. IL-2, IL-6 und TNF ähnliches Cytokin bezeichnet. Das Auftreten dieser Cytokin ähnlichen Moleküle bei Invertebraten deutet darauf hin, dass diese Moleküle während der Evolution hochkonserviert geblieben sind. Bei Säugern besitzen IL-1, IL-2, IL-6 und TNF eine inflammatorische (entzündungsfördernde) Funktion (Kap. 5.5). Ähnliche Eigenschaften konnten bei Immunozyten von Mollusken nachgewiesen werden. Hier scheinen diese Cytokine u.a. die Freisetzung von biogenen Aminen zu fördern, einen Einfluss auf die Zellmigration und Phagozytose zu besitzen und die Stickstoffoxid-Synthase zu aktivieren. Daneben sind bei Insekten noch weitere Cytokin ähnliche Faktoren beschrieben worden, beispielsweise der Phagozytose stimulierende Faktor sowie Hämokinin (auch Entzündungsfaktor genannt). Es gibt Hinweise darauf, dass das neuroendokrine System und das Immunsystem der Invertebraten auf der Basis von löslichen Mediatoren miteinander interagieren. Das Opioid-Derivat DAMA (D-Ala2-Met5-enkephalinamid), ein Neuropeptid, wurde als ein solcher Mediator beschrieben. DAMA induziert Phagozytose im Regenwurm Lumbricus terrestris. Weitere Pro-Opiomelanocortinderivate (PDPs) wurden bei Mollusken, Arthropoden und Echinodermaten beschrieben, ebenso PDP ähnliche Moleküle wie beispielsweise das ACTH-like Molekül (adrenocorticotrophes ähnliches Hormon). ACTH führt zu einer verstärkten Phagozytose des Bakteriums Staphloyococcus aureus durch die Süßwasserschnecke Planorbarius corneus und die Fliege Calliphora vomitoria. ACTH- und TNF-ähnliche Moleküle werden sowohl von Plasmatozyten als auch Granulozyten gebildet.

7.3.5

Komplement ähnliche Faktoren Das Komplementsystem der Säuger besteht aus einer Reihe von löslichen, hitzelabilen Proteinen im Serum (Kap. 5.2). Die Aktivierung der Faktoren erfolgt kaskadenförmig. Die aktivierten Bestandteile führen zu einer Opsonisierung von antigenen Bestandteilen, zu einer Aktivierung weiterer Zellen des Immunsystems und zu einer Zerstörung von mikrobiellen Keimen durch Zytolyse. Komplement ähnliche Moleküle sowie Inhibitoren des Komplementsystems von Säugern werden auch bei Anneliden, Mollusken, Arthropoden und Echinodermaten gefunden. Beispielsweise können Granulozyten des Regenwurms Lumbricus terrestris (Annelida) Proteine sezernieren, die eine Spaltung von C3 zu C3b inhibieren und dadurch die Ausbildung der C3 Konvertase verhindern (vgl. Kap. 5.2.4). Bei der Weinbergschnecke Helix pomatia (Tierstamm: Molluska) wurden in der Hämolymphe Komplement ähnliche Proteine beschrieben, die einerseits

Toll und die Evolution des angeborenen Immunsystems

255

Definition

Pentraxine Der Name weist darauf hin, dass es sich bei Mitgliedern dieser Familie um Proteine handelt, die aus fünf identischen Untereinheiten aufgebaut sind. Das C-reaktive Protein (CRP) ist eines der bekanntesten Pentraxine und dient der Erkennung von mikrobiellen Keimen. Makroglobuline allgemein: hochmolekulare Proteine mit einem Molekulargewicht von etwa 1 000 000 Da; sie zählen zur Serumfraktion der Globuline (salzlösliche Proteine, in Wasser unlöslich).

als Opsonin wirken, andererseits das Komplement über den alternativen Weg aktivieren können. Das C-reaktive Protein (CRP) führt bei Säugern zu der Aktivierung des Komplementsystems über den klassischen (C1q vermittelten) Weg. Es bindet an bestimmte Kohlenhydratstrukturen auf der Zelloberfläche von mikrobiellen Keimen. CRP gehört in die Familie der Pentraxine. Bei dem Pfeilschwanzkrebs Limulus polyphemus wurde ein CRP ähnliches Protein gefunden, das ebenfalls zu der Familie der Pentraxine zählt. Insgesamt wurden bei L. polyphemus drei Gene kloniert, die für CRPs kodieren. Eines dieser drei Gene besitzt im kodierenden Bereich eine Übereinstimmung von 25 % mit dem humanen CRP. Daraus lässt sich schließen, dass vermutlich vor 400 bis 500 Millionen Jahren ein gemeinsames Vorläuferprotein existiert hat, aus dem die beiden heutigen CRPs entstanden sind. α2-Makroglobulin ist ein Protein, das ebenso wie CRP zu den Akute-PhaseProteinen (Kap. 5.5) beim Menschen zählt und Serinproteasen inhibiert. α2Makroglobuline werden sowohl von Anneliden, Mollusken, Echinodermaten und Arthropoden synthetisiert. In ihrer Aminosäuresequenz besitzen sie teilweise eine Homologie mit den Faktoren C3, C4 und C5 des Komplementsystems. α2Makroglobulin von L. polyphemus zeigt einige charakteristische Übereinstimmungen mit dem menschlichen α2-Makroglobulin, beispielsweise eine interne Thioesterbindung. Außerdem besitzt es auf Aminosäureebene eine Sequenzhomologie von etwa 29 %. Es scheint, dass bereits früh in der Evolution Komplement ähnliche Proteine und Komplement-Inhibitoren bzw. Komplement-Regulatoren entstanden sind, die funktionelle Gemeinsamkeiten mit Komplementproteinen von Säugern zeigen und möglicherweise aus gemeinsamen Vorläuferproteinen entstanden sind.

7.4

Toll und die Evolution des angeborenen Immunsystems Das angeborene Immunsystem hat seinen Ursprung vermutlich in frühen, eukaryontischen Einzellern. Amöben (griech. amoibos: wechselnd) sind eukaryontische Einzeller mit einer sich ständig verändernden Körperform. Sie leben in stehenden Gewässern oder Tümpeln. Sie bewegen sich aufgrund der Ausbildung von Plasmafortsätzen, die

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7

Das Immunsystem der Invertebraten

Historie

Etwa 1988 wurde das Protein Toll in der Fruchtfliege Drosophila melanogaster beschrieben, das während der Fliegen-Embryogenese für die dorsal/ventral (Rücken-/Bauchseite) Entwicklung notwendig ist. Fliegen, die ein defektes Toll-Gen besitzen, entwickeln sich „unnatürlich, verrückt“ oder „toll“, eine Bezeichnung die C. Nüsslein-Volhard diesem Gen gegeben hat. Im Zusammenhang mit der FliegenEmbryogenese konnte gezeigt werden, dass über Toll der Transkriptionsfaktor Dorsal reguliert wurde. Der Transkriptionsfaktor Dorsal ist die „Fliegenvariante“ zu dem humanen Transkriptionsfaktor NFκB. 1996 wurde eher zufällig erkannt, dass Fliegen mit einem defekten Toll-Gen sehr anfällig gegenüber Pilzinfektionen waren. Dies ließ vermuten, dass Toll zusätzlich einen Einfluss auf die Immunabwehr von mikrobiellen Keimen in der Fliege besaß. Mitte 1990 wurden in D. melanogaster NFκB abhängige Promotoren beschrieben, deren nachgeschaltete Gene für antimikrobielle Peptide kodieren (Abb. 7.4). Etwa 1994 wurde in Pflanzen ein Protein beschrieben, das eine Resistenz gegenüber dem Tabakmosaikvirus bewirkte. Sequenzanalysen zeigten, dass dieses Protein homologe Abschnitte zu Toll sowie dem Typ-I Interleukin-1 Rezeptor (IL-1RI) besaß. 1997 wurde das erste humane Toll (hToll) Protein entdeckt, das heute als TLR4 bezeichnet wird. 1998 wurde das zum menschlichen Toll homologe Protein in LPS (Lipopolysaccharid) resistenten Mausstämmen beschrieben. Diese Mäuse waren nicht mehr in der Lage, auf bakterielles LPS zu reagieren. Das dafür verantwortliche Gen wurde als homologes Gen zu hToll (TLR4) identifiziert. Die Signalgebung durch TLR4 führt ebenfalls zur Aktivierung von NFκB. Insgesamt wurde deutlich, dass Toll ähnliche Rezeptoren in allen drei Organismengruppen – den Invertebraten, Vertebraten und Pflanzen – zu wichtigen Rezeptoren des Immunsystems zählen, und dass der durch sie ausgelöste Signalweg über NFκB vermutlich ein sehr alter Signalweg in der Evolution ist.

auch als Scheinfüßchen oder Pseudopodien bezeichnet werden (s. Abschnitt 7.2.1). Aufgrund ihrer Bewegung ist ihre Körperform einem ständigen Wandel unterworfen. Amöben ernähren sich von Bakterien oder anderen Einzellern, indem sie diese mit ihren Pseudopodien umfließen und sie anschließend in Form von Nahrungsvakuolen in ihr Zellinneres abschnüren – kurz: sie phagozytieren. In den Nahrungsvakuolen erfolgt der Abbau bzw. der „Verdau“ ihrer aufgenommenen Beute. Diese Lebensweise erinnert an Makrophagen, die ebenfalls Bakterien durch Phagozytose aufnehmen und anschließend in ihrem Zellinneren abbauen. Möglicherweise sind Makrophagen im Laufe der Evolution aus solchen Einzellern hervorgegangen. Aus dem Beispiel über die Lebensweise der Amöbe wird deutlich, dass sie bereits über Mechanismen verfügen muss, mit denen sie zwischen ihrer Beute und ihren Artgenossen unterscheiden kann, bzw. zwischen körpereigen und körperfremd. Könnte sie das nicht, so würden sich die Amöben gegenseitig phagozytieren und dadurch vernichten. Im Hinblick auf die Entwicklung des Immunsystem bedeutet das aber, dass bereits auf der Stufe einfacher Einzeller Erkennungsstrukturen (Rezeptoren) existieren, die eine Unterscheidung zwischen körpereigen und kör-

Toll und die Evolution des angeborenen Immunsystems

257

perfremd ermöglichen, eine Eigenschaft, die eine wichtige Voraussetzung für die Funktionalität des Immunsystems ist. Ein solcher Rezeptor ist der Toll-Rezeptor (vgl. Kap. 2.1), der ursprünglich in der Fruchtfliege Drosophila melanogaster beschrieben wurde und eine wesentliche Funktion bei der Erkennung und Beseitigung von Pilzinfektionen besitzt. Später wurden Toll ähnliche Rezeptoren (Toll-like receptors, TLRs) sowohl in Vertebraten als auch in Pflanzen beschrieben. Sie sind ebenfalls an der Erkennung und Auslösung von immunologischen Reaktionen gegen mikrobielle Bestandteile beteiligt. Aufgrund ihrer grundsätzlichen Funktion für die Erkennung und Signalauslösung im Rahmen von mikrobiellen Infektionen, gehört diese Gruppe von Rezeptoren zu einer der am Besten charakterisierten Klassen von Pathogen assoziierten Mustererkennungsrezeptoren (PRR) (Kap. 2.1). Aufgrund der Tatsache, dass in allen drei Organismengruppen, den Invertebraten, Vertebraten und Pflanzen, Toll abhängige und ähnliche Signalwege gefunden wurden, ist anzunehmen, dass sich die ersten immunologischen Erkennungs- und Abwehrmechanismen bereits in frühen eukaryontischen Zellen zu einem Zeitpunkt vor der Aufspaltung in das Reich der Pflanzen und Tiere entwickelt haben.

7.4.1

Toll und der Interleukin-1 Rezeptor Der Toll Rezeptor in D. melanogaster und der Typ-I Interleukin-1 Rezeptor (IL1RI) besitzen einen ähnlichen, über NFκB laufenden Signaltransduktionsweg (Abb. 7.3). Die Protein–Protein Wechselwirkungen werden im Rahmen dieses Signaltransduktionsweges über Proteine hergestellt, die eine TIR-Domäne (TollIL1-Rezeptordomäne) als Bindungsmodul enthalten. Nach der Entdeckung von Toll in D. melanogaster wurde die Ähnlichkeit zu dem IL-1RI Signalweg deutlich. Der IL-1RI abhängige Signalweg führt zu einer Aktivierung des Transkriptionsfaktors NFκB. Der Toll abhängige Signalweg läuft über Dorsal und Dif, zwei NFκB ähnliche Transkriptionsfaktoren. Mitte 1990 wurden in D. melanogaster NFκB abhängige Promotoren beschrieben, deren nachgeschaltete Gene für antimikrobielle Peptide kodieren. Etwa 1994 wurde in Pflanzen ein Protein beschrieben, das eine Resistenz gegenüber dem Tabakmosaikvirus bewirkte. Interessanterweise besaß dieses Protein homologe Abschnitte zu Toll sowie dem IL-1RI. Aufgrund dieser Tatsache wurde eine neue Domänenbezeichnung eingeführt: Die Toll-IL1-Rezeptordomäne (TIR). Es zeigte sich, dass diese Domäne ebenfalls in dem historisch im Anschluss entdeckten humanen Toll Protein (TLR4) sowie dem in der Maus homologen Toll Protein vorhanden war (s. Box Historie). Alle bislang beschriebenen TLRs besitzen als gemeinsame Strukturmotive die TIR-Domäne in ihrem zytoplasmatischen Anteil, sowie ein leucinreiches Sequenzwiederholungsmotiv (leucine-rich repeats, LRRs) im extrazytoplasmatischen Anteil. Expressionsanalysen zeigten, dass die Überexpression eines Fusionsproteins, bestehend aus einer TIR-Domäne und CD4, zur Aktivierung von NFκB führen. Die

258

7

Das Immunsystem der Invertebraten

TIR-Domäne scheint damit ein Bindungsmodul für die Herstellung von ProteinProtein Wechselwirkungen zu sein, während die LRRs im extrazytoplasmatischen Anteil zu der jeweiligen Bindungsspezifität des Rezeptors an die entsprechende mikrobielle Struktur beitragen. Vermutlich besitzen beide Domänen eine zentrale Funktion in der Evolution des Immunsystems, da beide in Proteinen von Invertebraten, Vertebraten und Pflanzen auftreten und an der Erkennung bzw. Einleitung einer Immunantwort gegen mikrobielle Strukturen beteiligt sind.

7.4.2

Signaltransduktion durch Toll und dem Interleukin-1 Rezeptor Die Signalwege über Toll und Interleukin-1 sind stark konserviert und führen zur Aktivierung von NFκB in Menschen und Maus, sowie NFκB homologen Transkriptionsfaktoren in D. melanogaster (Abb. 7.3).

Toll und die Evolution des angeborenen Immunsystems

259

◄ Abb. 7.3 Signaltransduktion durch Toll, TLR4 und IL-1RI. Die Abbildung zeigt den hohen Grad

an Ähnlichkeit zwischen dem Toll Signalweg sowie dem IL-1RI Signalweg und die Verknüpfung des letzteren mit dem TLR4 vermittelten Signalweg auf der Basis von IL-Iβ. Aus Gründen der Vereinfachung wurden nur die wichtigsten Schritte eingezeichnet. Wird Toll auf der Zelloberfläche von Phagozyten aktiviert, so kommt es zur Induktion von antimikrobiellen Peptiden in D. melangoaster. Wird im Säuger hingegen TLR4 durch seinen Liganden (LPS) aktiviert, so kommt es zur Induktion von IL-1β. IL-1β führt in Phagozyten zur Induktion von PEG2 (Prostaglandin-2), das entzündungsfördernd und fieberauslösend wirkt. Toll und TLR4 besitzen im extrazellulären Teil ihres Rezeptors leucinreiche Sequenzwiederholungen (LRRs). Diese LRRs sind für alle TLRs charakteristische Strukturmerkmale, die zu der jeweiligen Bindungsspezifität des Rezeptors führen. Hingegen wird die Bindungsspezifität des IL-1RI Rezeptors nicht durch LRRs bestimmt, sondern durch Immunglobulindomänen (Ig). Im zytoplasmatischen Anteil besitzen Toll, TLR4 und IL-1RI jeweils eine TIR Domäne, die als Protein-Bindungsmodul für die Interaktion mit Adapterproteinen (MyD88, Mal (MyD88 adapter like)) sorgt. Über das Adapterprotein wird im Toll Signalweg die Proteinkinase Pelle aktiviert, im TLR4 und IL-1RI Signalweg das homologe Protein IRAK (Interleukin-1-Rezeptor assoziierte Kinase). Über den Signalkomplex aus MyD88 und IRAK wird das Adapterprotein TRAF (Tumor-Nekrose-Faktor Rezeptor assoziierter Faktor) aktiviert, über den im weiteren Verlauf die IκB-Kinase (IKK) bzw. die in der Fliege homologe Kinase Cactus aktiviert wird. Die Phosphorylierung von IκB (Inhibitor von NFκB) über IKK führt zu dessen Dissoziation von NFκB. NFκB, bzw. das in der Fliege homologe Dimer (Dif/Relish) wandert in den Zellkern und trägt dort zur Aktivierung von antimikrobiellen Peptiden bzw. IL-1β und PEG2 bei. In der Fliege kann es über Toll ebenfalls zur Aktivierung des NFκB homologen Transkriptionsfaktors Dorsal kommen. Dieser spielt allerdings keine Rolle für die Immunabwehr, sondern vielmehr eine wichtige Funktion bei der Fliegenentwicklung

Der erste Schritt in der Signaltransduktion durch Toll und IL-1RI ist die Bindung eines Adapterproteins mit der Bezeichnung MyD88 (dMyD88 in D. melanogaster; homologes Protein zum humanen MyD88). Die Bindung wird über die TIR-Domäne vermittelt, die sowohl in den Rezeptoren als auch in MyD88 vorhanden ist. Im nächsten Schritt der Signaltransduktion bindet eine Kinase an MyD88. Diese Kinase trägt im Toll-Signalweg den Namen Pelle, im IL-1RI Signalweg den Namen IL-1-Rezeptor assoziierte Kinase (IRAK). Beide Kinasen sind zueinander homologe Proteine (Abb. 7.3). Der weitere Verlauf der Signaltransduktion verläuft im IL-1RI Weg über die IκBKinase (IKK), im Toll-Signalweg über die Cactus-Kinase. Diese führen durch Phosphorylierung von IκB einerseits, bzw. Cactus andererseits, zu einer Aktivierung der

Historie

MyD88 Etwa 1997 wurde ein Protein in Assoziation mit dem IL-1RI isoliert und als das Protein MyD88 identifiziert. Es besitzt ebenso wie IL-1RI eine TIR-Domäne, die die Assoziation der beiden Proteine vermittelt. Das Gen zu MyD88 (myeloid differentiation primary response gene 88) wurde 1989 als ein Gen identifiziert, das bei der Differenzierung von myeloiden Zellen aktiv ist.

260

7

Das Immunsystem der Invertebraten

Definition

Pelle In der Drosophilagenetik führen Gendefekte häufig zu auffälligen Veränderungen im äußeren Erscheinungsbild der Fliege (Phänotyp). Wird ein Gen identifiziert, das für einen bestimmten Phänotyp verantwortlich ist, so bekommt es häufig einen Namen, der den Phänotyp beschreibend wiedergibt. Homologe Proteine Diese Proteine stammen von einem gemeinsamen Vorläuferprotein ab und besitzen in unterschiedlichen Spezies die gleiche Funktion (funktionshomologe Proteine). Im Gegensatz dazu stammen funktionsanaloge Proteine in der Evolution von unterschiedlichen Proteinen ab, besitzen aber wie funktionshomologe Proteine die gleiche Funktion.

Transkriptionsfaktoren NFκB bzw. Dif/Relish, einem in D. melanogaster zu NFκB homologen Transkriptionsfaktor, die wiederum zur Genaktivierung von Cytokinen bzw. mikrobiellen Peptiden beitragen. Das Adapterprotein MyD88 wird nicht von allen bislang bekannten TLRs gebunden. So führt beispielsweise die Induktion von Interferon-β (IFN-β) durch TLR3 nicht über MyD88. Offensichtlich liegt die Spezifität der Signalgebung durch TLRs darin, welche Adapterproteine gebunden werden. Es wird deutlich, das TLRs einerseits unterschiedliche Bindungsspezifitäten für mikrobielle Strukturen besitzen, andererseits je nach Adapterprotein unterschiedliche Effektorreaktionen in der Zelle auslösen (Tabelle 7.3). Im Hinblick auf die angeborene Immunität bedeutet das aber, dass sie bei weitem nicht so unspezifisch ist, wie bislang angenommen wurde, sondern dass je nach aktiviertem TLR eine spezifische, gegen das Pathogen gerichtete Immunreaktionen ausgelöst wird.

Tabelle 7.3 TLRs, ihre Liganden, mikrobielle Zielgruppen, verwendete Adapterproteine und ihre mögliche Assoziation mit Krankheiten beim Menschen. Nicht aufgeführt sind die TLRs 10-13: die Liganden dieser TLRs wurden noch nicht identifiziert

TLR

Ligand

mikrobielle Zielgruppe der Immunantwort

TLR1

triacylierte Lipopeptide

Mykobakterien

TLR2

Lipo-Teichonsäure Peptidoglykane, GPI-verankerte Glykoproteine, bestimmte LPS-Formen, bestimmte Lipoproteine, Zymosan

grampositive Bakterien Trypanosomen gramnegative Bakterien Mykobakterien Pilze

mögliche Krankheitsassoziation

Adapterprotein MyD88

Sepsis, Rheumatische Arthritis, Reizdarm

MyD88, Mal

Toll und die Evolution des angeborenen Immunsystems

261

Tabelle 7.3 (Fortsetzung) TLRs, ihre Liganden, mikrobielle Zielgruppen, verwendete Adapterproteine und ihre mögliche Assoziation mit Krankheiten beim Menschen. Nicht aufgeführt sind die TLRs 10-13: die Liganden dieser TLRs wurden noch nicht identifiziert

TLR

Ligand

mikrobielle Zielgruppe der Immunantwort

mögliche Krankheitsassoziation

TLR3

doppelsträngige (ds) RNA

Viren

TLR4

LPS

gramnegative Bakterien

Sepsis, Rheumatische Arthritis, Reizdarm, Asthma

MyD88, Mal, Trif, Tram

TLR5

Flagellin

breites Bakterienspektrum

Reizdarm, Legionärskrankheit

MyD88

TLR6

diacylierte-Lipopeptide, Zymosan

Mykobakterien

Adapterprotein Trif

MyD88

Pilze TLR7

Einzelstrang (ss)-RNA

breites Virenspektrum

MyD88

TLR8

ssRNA

breites Virenspektrum

MyD88

TLR9

Herpesvirus-DNA

Herpesvirus

Systemischer Lupus erythematodes (SLE)

MyD88

Definition

GPI-Anker Der Glykosylphosphatidylinositol-Anker besitzt die Aufgabe, Glykoproteine mit der Zytoplasmamembran zu verankern. GPI verankerte Glykoproteine besitzen eine erhöhte Beweglichkeit an der Membran. Von besonderer Bedeutung ist der GPI-Anker bei dem Erreger der Schlafkrankheit (Trypanosoma brucei). Seine genomische Ausstattung von etwa 1000 verschiedenen VSG-Genen (variantenspezifisches Glykoprotein) ermöglicht diesem Protozoen den Wechsel seiner GPI gebundenen VSG-Proteine. Durch den Wechsel dieser Oberflächenproteine kann T. brucei einer Antikörper vermittelten Immunabwehr teilweise entkommen. Legionärskrankheit Der Erreger, ein stäbchenförmiges Bakterium (Legionella pneumophilia), kann zu einer Lungenentzündung führen. Dieser Erreger wurde erstmals 1976 beschrieben. Den Namen bekamen diese Bakterien aufgrund des Ausbruchs der Krankheit bei einem Treffen von US-Kriegsveteranen in einem Hotel in Philadelphia. Von den 200 Teilnehmern starben 34. Der Erreger wurde durch die Klimaanlage verbreitet.

262

7

Das Immunsystem der Invertebraten

7.5

Toll Rezeptoren: Regulatoren von angeborener und erworbener Immunität Begonnen bei der Entdeckung der Phagozytose als einem wichtigen Abwehrmechanismus des angeborenen Immunsystems, konnten in den letzten Jahren Toll-like Rezeptoren (TLRs, vgl. Kap. 2.1) als Schlüsselrezeptoren für die Steuerung von angeborenen und erworbenen (adaptiven) Effektormechanismen identifiziert werden (Abb. 7.4). Das folgende Kapitel soll eine Zusammenfassung über die bislang bekannten und wichtigsten TLR vermittelten Regulationswege geben, die zu einer koordinierten Aktivierung von angeborenen und erworbenen Effektormechanismen beitragen.

Abb. 7.4 Von der Beschreibung der Phagozytose bis zu Toll: Eine Zeitspirale. Auf der Zeitspirale sind die historischen Meilensteine des Erkenntnisgewinns eingetragen, die zu einem tieferen Verständnis der Regulation des Immunsystems bzw. Immunantworten von angeborener und erworbener Immunität durch Toll-like Rezeptoren führten

Toll Rezeptoren: Regulatoren von angeborener und erworbener Immunität

263

TLRs werden von vielen immunologischen und nichtimmunologischen Zelltypen exprimiert und besitzen unterschiedliche Ligandenspezifitäten (Tabelle 7.3). Die Bindungsspezifitäten reichen von mikrobiellen Kohlenhydratstrukturen bis hin zu viraler, aber auch eukaryontischer DNA. TLR 1, 2, 4, 5 und 6 scheinen auf die Erkennung von bakteriellen Strukturen spezialisiert zu sein, die im prokaryontischen Reich hochkonserviert geblieben sind, im vorliegenden Organismus aber nicht exprimiert werden. Hingegen scheinen TLR 3, 7, 8 und 9 für die Erkennung von viralen Strukturen prädestiniert zu sein. Letzteres spiegelt sich in der Lokalisation dieser TLRs in endosomalen Kompartimenten wider. Hier muss allerdings berücksichtigt werden, dass nach einer viralen Infektion virale Bestandteile normalerweise nicht in diesen Kompartimenten vorhanden sind. Im Zuge von Infektionen können aber virale Bestandteile durch apoptotische Zellen freigesetzt werden, bzw. opsonisierte Virusbestandteile von Phagozyten aufgenommen werden, und dadurch zu einer Aktivierung von virusspezifischen TLRs führen. In diesem Kontext ist ebenfalls die Aufnahme von körpereigenen Nukleoproteinkomplexen oder Ribonukleoproteinkomplexen möglich, die TLR vermittelt zu einem Bruch in der Balance zwischen Toleranz und Autoimmunität beitragen können. Durch die Verwendung von Adapterproteinen wird die Information über den gebundenen Liganden in eine TLR spezifische Signaltransduktionskaskade translatiert (Kap. 7.4.2). Dies führt je nach mikrobiellem Keim zu bestimmten Mustern von aktivierten TLRs, deren biologische Auswirkungen in der Summe noch nicht vollständig verstanden sind.

TLR vermittelte Rekrutierung von Effektorzellen zum Ort der Infektion

Es gibt grundsätzlich zwei Möglichkeiten, wie Effektorzellen zum Ort der Infektion gelangen können: zum einen im Rahmen der normalen Homöostase, d.h. der regulären und passiven Verteilung von hämatopoetischen Zellen im Organismus; zum anderen durch eine induzierte und aktive Migration zum Ort der Infektion. Letzteres wird im Rahmen von Infektionen durch a) Chemokine und b) Adhäsionsmoleküle induziert. Die Induktion der Zellmigration ist ein serieller Prozess. Der Auslöser ist die Aktivierung von TLRs auf den Zellen der angeborenen Immunität. Beispielsweise führt die Aktivierung von TLR4 auf Makrophagen u.a. zur Ausschüttung der entzündungsfördernden Cyto- und Chemokine TNFα und IL8, die einerseits Gefäßendothelzellen zur Expression von bestimmten Adhäsionsmolekülen induzieren, andererseits Phagozyten zum Ort der Infektion locken (Kap. 5.5). Endothelzellen können aber auch durch direkte Stimulation ihrer TLRs mit mikrobiellen Strukturen zur Expression von Adhäsionsmolekülen aktiviert werden.

TLR vermittelte Aktivierung von Leukozyten und Stromazellen

Die meisten Körpergewebe sind mit Makrophagen, dendritischen Zellen und Mastzellen besiedelt. Sie bieten einen ersten Schutz vor mikrobiellen Keimen, die in den Körper einzudringen versuchen. Kommt es zu einer Infektion, so werden die Zellen TLR vermittelt aktiviert und rekrutieren weitere entzündungsvermittelnde Leuko-

264

7

Das Immunsystem der Invertebraten

zyten zum Ort der Infektion (s. vorangegangener Abschnitt). Durch Chemokine und Adhäsionsmoleküle vermittelt, werden im Rahmen von akuten Infektionen häufig Infiltrate von Zellen der angeborenen Immunität (Monozyten, Granulozyten, NKZellen) beobachtet. Gerade neutrophile Granulozyten und NK-Zellen besitzen eine wichtige Funktion für die Beseitigung von mikrobiellen Keimen durch Phagozytose bzw. Perforin vermittelte Effektormechanismen. Analysen zur Expression von TLRs in unterschiedlichen Leukozytenpopulationen belegen auf mRNA Ebene die Expression eines breiten Spektrums von TLRs, deren mögliche Signalgebungen in der Summe aber noch nicht verstanden sind. So lassen sich beispielsweise NK-Zellen trotz der Expression von TLR9 nicht durch CpG DNA (künstlicher TLR9 Ligand) aktivieren. Vermutlich sind für eine TLR9 vermittelte Effektorreaktion plasmazytoide dendritische Zellen (pDC, DC lymphoiden Ursprungs) prädestiniert (s. nächster Abschnitt). Neben der TLR vermittelten Aktivierung von Leukozyten werden aber auch nichtlymphatische Zellen TLR abhängig aktiviert. Körperepithelien bilden die erste mechanische Barriere gegen das Eindringen von pathogenen Keimen. Viele epitheliale Zellen des Intestinaltraktes, des respiratorischen Traktes und des Urogenitaltraktes exprimieren TLRs, die nach Stimulation die Zellen zu einer Produktion von Cytokinen, Chemokinen sowie antimikrobiellen Peptiden veranlassen; sie senden gewissermaßen ein SOS Signal an die Zellen des Immunsystems.

TLR vermittelte Aktivierung von dendritischen Zellen und Regulation der T-Zell Differenzierung

Dendritische Zellen (DCs) sind darauf spezialisiert, in peripheren Geweben Antigene aufzunehmen, zu regionalen Lymphknoten zu wandern und dort naive CD4+ und CD8+ T-Zellen zu aktivieren (Kap. 3.2). Sie nehmen Einfluss auf die Differenzierung von CD4+ T-Zellen zu TH1- bzw. TH2-Zellen und sind entscheidend an der Etablierung eines langlebigen T-Zell Gedächtnisses beteiligt. Sie stehen am Anfang einer adaptiven Immunantwort. Als unreife DCs besitzen sie in der Peripherie kaum kostimulatorische Moleküle auf ihrer Oberfläche. Nach ihrer Aktivierung im Zuge akuter Infektionen ändert sich aber dieser Phänotyp. Sie sind nun durch eine massive Expression von MHC-Molekülen sowie kostimulatorischen Molekülen charakterisiert, die in der Summe ausreichen, um naive T-Zellen zu aktivieren. Die Aktivierung von DCs im Zuge von akuten Infektionen wird durch ihre Expression von TLRs ermöglicht. Je nach DC Subtyp, wurde ein unterschiedliches Expressionsmuster von TLRs beschrieben, das wiederum zur Expression eines charakteristischen Cytokinmusters Anlass gibt (Abb. 7.5). Beispielsweise schütten plasmazytoide DCs nach Stimulation ihrer TLR7 und TLR9 Rezeptoren im Zuge von viralen Infektionen große Mengen an Typ-I Interferonen (IFNα, IFNβ) aus. Dieser Effekt lässt sich in vitro durch die Gabe von künstlichen TLR9 Liganden (CpG DNA) simulieren. Hingegen führt die Stimulation von myeloiden DCs zur Sekretion von IL12. Typ-I Interferone lösen nicht nur einen antiviralen Status in Zellen aus, sondern besitzen auch Effektorfunktionen für die erworbene Immunität. Sie fördern die Proliferation von T-Gedächtniszellen und hemmen die Apoptose

Toll Rezeptoren: Regulatoren von angeborener und erworbener Immunität

265

Abb. 7.5 Distinkte TLR Expressionsmuster in dendritischen Zellen. Menschliche Blutmonozyten

und Subpopulationen von dendritischen Zellen (DC) exprimieren distinkte Muster von Toll-like Rezeptoren (TLRs) mit Spezifität für bakterielle, virale und fungale, mikrobielle Strukturen. Monozyten können im Zuge von mikrobiellen Infektionen zu myeloiden DCs (mDCs) differenzieren. Dieser Schritt ist durch eine Downregulation von TLR4 sowie einer Induktion von TLR3 begleitet. Nach Antigenkontakt wird je nach TLR Expressionsmuster ein entsprechendes Cytokinmuster von den Zellen sezerniert. (ssRNA, single stranded (einzelsträngige) RNA; ds, double stranded (doppelsträngige) RNA)

von aktivierten T-Zellen. Sie führen zu einer Induktion der IFNγ Expression durch CD8+ T-Zellen in der Maus und CD4+ T-Zellen im Menschen. Es gibt Hinweise auf eine verstärkte Cross-Präsentation (Kap. 2.4.5) von DCs in Gegenwart von Typ-I Interferonen. Nicht zuletzt tragen sie zu einem Klassenwechsel in B-Zellen sowie der Differenzierung zu Plasmazellen bei. Sie fördern die Aktivierung von natürlichen Killerzellen. Insgesamt wird durch die Sekretion von Typ-I Interferonen (über die Induktion von IFNγ) und IL12 im Zuge von viralen Infektionen die Differenzierung von CD4+ T-Zellen in der frühen Phase ihrer Aktivierung in Richtung TH1 gefördert (vgl. Kap. 3.7, Abb.6.13).

266

7

Das Immunsystem der Invertebraten

Definition

Antiviraler Status Hemmung der Virusreplikation durch die Stimulation infizierter Zellen mit Typ-I Interferonen. Durch die Interferone werden eine Reihe von Enzymen induziert, wie beispielsweise die 2´,5´-Oligoadenylatsynthase. Dieses Enzym führt zur Hemmung der viralen Transkription und Replikation. Zusätzlich wird in den infizierten Zellen selbst die Produktion von Typ-I Interferonen induziert.

TLRs: Schlüsselrezeptoren für die Steuerung des Immunsystems

Im Zuge von akuten Infektionen werden TLR vermittelt die ersten zellvermittelten Effektorreaktionen der angeborenen Immunität ausgelöst. Diese beinhalten die Phagozytose von mikrobiellen Keimen, die Produktion von Cytokinen, Chemokinen sowie die Cytokin induzierte Expression von Adhäsionsmolekülen auf Endothelzellen. Diese Mechanismen rekrutieren und aktivieren Leukozyten zum und am Ort der Infektion. Eine besondere Bedeutung kommt hierbei dendritischen Zellen zu. Je nach Subtyp besitzen dendritische Zellen ihre spezielle Ausstattung von TLRs, die nach Aktivierung einerseits zu einer massiven Antigenpräsentation und Induktion von kostimulatorischen Molekülen führt, und andererseits nach Stimulation zur Induktion eines subtypspezifischen Cytokinmusters beiträgt. Hier wird die regulatorische Schlüsselfunktion von TLRs für die adaptive Immunantwort deutlich. Im Zuge einer Infektion ist eine Aktivierung von naiven T-Zellen nur über ein massives kostimulatorisches Signal von dendritischen Zellen möglich. Diese kostimulatorische Kapazität erreichen dendritische Zellen erst nach einer TLR abhängigen Aktivierung. Andersherum, vereinfacht formuliert: Im Rahmen von Infektionen ist eine Aktivierung von naiven T-Zellen ohne eine TLR vermittelte Aktivierung von dendritischen Zellen kaum möglich. Der zweite regulatorische Einfluss auf die adaptive Immunantwort besteht in dem TLR vermittelten Cytokinmuster, das je nach DC Subtyp sezerniert wird. Dieses hat gerade im Hinblick auf plasmazytoide DCs sowie myeloide DCs einen wichtigen Einfluss auf die Differenzierung von CD4+ T-Zellen in Richtung TH1, und damit einen entscheidenden Einfluss auf die Ausbildung einer zellvermittelten adaptiven Immunantwort. Nicht zuletzt wurde die Expression von TLRs in B-Zellen, und kürzlich auch auf T-Zellen nachgewiesen. Bei Letzteren scheinen TLRs einen kostimulatorischen Effekt auf die Proliferation und Cytokinexpression zu besitzen. Im Kontext von Toleranz und Autoimmunität scheint es möglich, dass es im Zuge von akuten Infektionen zu einer TLR vermittelten Aktivierung von autoreaktiven B-Zellen in Abwesenheit einer T-Zell Hilfe kommen kann. Möglicherweise ist die starke TLR vermittelte Aktivierung von antigenpräsentierenden Zellen im Zuge von akuten Infektionen das „Zünglein an der Waage“, das zu einer Verschiebung des Gleichgewichts zwischen Toleranz und Autoimmunität führen kann. Kürzlich wurde über einen immunsupprimierenden Einfluss einer TLR-Stimulation auf natürlichen, CD4+CD25+FoxP3+ regulatorischen T-Zellen (Treg) berichtet. Die Hauptfunktion dieser Zellen scheint in der Suppression von autoreaktiven T-Zellen zu liegen – und damit in der Aufrechterhaltung einer peripheren Toleranz. Im Zuge

Invertebraten und der Ursprung der adaptiven Immunität

267

von akuten Entzündungen könnte eine TLR vermittelte Funktionshemmung dieser Zellen die Aktivierung autoreaktiver T-Zellen begünstigen. Insgesamt rücken TLRs immer stärker in das Visier für mögliche therapeutische Ziele. Wenn es möglich wird, TLRs durch Therapeutika in ihrer Aktivität zu beeinflussen, so könnte dies dazu beitragen, entzündliche Prozesse effektiver therapieren, und möglicherweise Einfluss auf die Progression von Autoimmunerkrankungen, Allergien und das Wachstum von Tumoren nehmen zu können. TLRs sind wichtige Sentinels des Immunsystems. Sie sind maßgeblich an der Informationstranslation über das Eindringen von mikrobiellen Keimen in Effektorreaktionen von angeborener und erworbener Immunität beteiligt. Sie sind eine essentielle Säule für die Aufrechterhaltung der eingangs beschriebenen Funktion des Immunsystems: „to detect and protect against danger“ (Kap. 1).

7.6

Invertebraten und der Ursprung der adaptiven Immunität Die Sequenzierung der Genome von Invertebraten lässt vermuten, dass sich Vorläufermoleküle zu Schlüsselkomponenten der adaptiven Immunität bereits in dieser Organismengruppe entwickelt haben. Wann und wie hat sich die erworbene Immunität entwickelt? Das ist eine der grundsätzlichen Fragen in der Immunologie. Schlüsselmoleküle der adaptiven Immunität, wie umgelagerte Antigenrezeptoren oder MHC Moleküle, konnten bislang in Invertebraten bis hin zu den Kieferlosen (Agnatha) nicht identifiziert werden. Im Gegensatz dazu besitzen bereits Knorpelfische, die älteste Form von kiefertragenden Fischen (Gnathostomata), T-Zell-Rezeptoren und Immunglobuline sowie die Fähigkeit zur adaptiven Immunantwort. Aufgrund dieser Tatsache ist eine gängige Hypothese die, dass sich das adaptive Immunsystem durch einen „immunologischen Urknall“ in einem Vorfahren der kiefertragenden Fische entwickelt hat. Tatsächlich konnte nachgewiesen werden, dass die für die genomischen Umlagerungsreaktionen notwendigen Rekombinasen von prokaryotischen Transposons abstammen. Damit gibt es keinen Zweifel mehr, dass der in T- und B-Zellen operierende Rekombinationsapparat die Folge eines bakteriellen Transpositionsereignisses ist und der „immunologische Urknall“ im Integrationsereignis eines prokaryotischen Transposons in das Genom zu sehen ist. Aufgrund neuerer Befunde stellt sich allerdings die Frage, ob das Integrationsereignis tatsächlich auf der Stufe früher kiefertragender Fische stattfand, oder alternativ bereits in Invertebraten. Letzteres könnte bedeuten, dass die Entwicklung der adaptiven Immunität mit ihren Schlüsselmolekülen kein spontanes Ereignis war, sondern vielmehr die Konsequenz aus Ereignissen wie Genverlust, Genduplikation und damit ein kontinuierlicher Prozess im Zuge der Evolution. Hierfür sprechen Arbeiten aus jüngster Zeit, in denen über das Auftreten von DNA-Sequenzen in Invertebraten und Kieferlosen berichtet wird, die Homologien zu Sequenzen von Schlüsselmolekülen der adaptiven Immunität besitzen. Kürzlich wurde ein zu Rag1/2 vermutlich homologes Genpaar (SpRag1L, SpRag2L) in dem Seeigel Strongylocentrotus purpuratus (Stammgruppe: Deuterostomata = Neumünder, Stamm: Echinodermata = Stachelhäuter) identifiziert.

268

7

Das Immunsystem der Invertebraten

Diese Gene werden während seiner Entwicklung aber auch im ausgewachsenen Tier exprimiert. Rekombinant exprimierte Moleküle formen ebenso einen stabilen Komplex wie Rag1/2 aus unterschiedlichen Vertebraten. In diesem Zusammenhang wird vermutet, dass es sich bei SpRag1L/2L um Vorläufermoleküle zu Rag1/2 handelt, die bereits im Genom eines der gemeinsamen Vorfahren der heute lebenden Deuterostomata vorhanden waren, und dass sich ihre Funktion für die adaptive Immunität erst in kiefertragenden Fischen entwickelt hat. Daneben wurde über das Auftreten weiterer Vorläufersequenzen für die heutigen Schlüsselmoleküle der adaptiven Immunität im Genom von Invertebraten und kieferlosen Fischen berichtet. Beispielsweise wurden im Neunauge der Gattung Lampetra (Überklasse der Kieferlosen) eine Reihe von homologen Genen zur adaptiven Immunität in Lymphozyten ähnlichen Zellen dieser Tiere beschrieben. Über das Auftreten eines Chitin bindenden Proteins im Lanzettfisch Amphioxus wird berichtet, dass es eine zur variablen Antikörperdomäne ähnliche Region besitzt. Die Sequenzierung des Genoms der Seescheide Ciona intestinalis (Invertebrat) gibt ebenfalls Hinweise für das Auftreten von möglichen Vorläufersequenzen heutiger Schlüsselmoleküle der adaptiven Immunität. Letztlich ist die Frage nach dem Ursprung der adaptiven Immunität noch nicht geklärt. Offenbar schlummern in den Genomen mancher Invertebraten noch Geheimnisse, deren Entschlüsselung die Immunologie vielleicht näher an den Ursprung der adaptiven Immunität herankommen lässt.

Aufgaben

Beschreiben Sie das Tafelbild.

Tafelbild 1

Invertebraten und der Ursprung der adaptiven Immunität

269

Spezielle Literatur Carmody RJ, Chen YH (2007) Nuclear Factor-kappaB: Activation and Regulation during Toll-Like Receptor Signaling. Cell Mol Immunol 4:31–41 Deane JA, Bolland S (2006) Nucleic acid-sensing TLRs as modifiers of autoimmunity. J Immunol 177:6573–6578 Fugmann SD, Messier C, Novack LA, Cameron RA, Rast JP (2006) An ancient evolutionary origin of the Rag1/2 gene locus. Proc Natl Acad Sci USA 103:3728–3733 Gupta AP (2001) Immunology of Invertebrates: Humoral. Encyclopedia Of Life Sciences 1–6 Gupta AP (2002 ) Immunology of Invertebrates: Cellular. Encyclopedia Of Life Sciences 1–9 Holl TM, Kelsoe G (2006) Outside influence: TLRs direct hematopoietic cell fates. Immunity 24:667–669 Iwasaki A, Medzhitov R (2004) Toll–like receptor control of the adaptive immune responses. Nat Immunol 5:987–995 Kabelitz D (2007) Expression and function of Toll-like receptors in T lymphocytes. Curr Opp Immunol 19:39–45 Kasahara M, Suzuki T, Pasquier LD (2004) On the origins of the adaptive immune system: novel insights from invertebrates and cold-blooded vertebrates. Trends Immunol 25:105–111 Kirk P, Bazan JF (2005) Pathogen recognition: TLRs throw us a curve. Immunity. 23:347–350 Lund J, Sato A, Akira S, Medzhitov R, Iwasaki A (2003) Toll-like receptor 9-mediated recognition of Herpes simplex virus-2 by plasmacytoid dendritic cells. J Exp Med 198:513–520 O’Neill LA (2004) TLRs: Professor Mechnikov, sit on your hat. Trends Immunol 25:687–693 Wittwer D, Franchini A, Ottaviani E, Wiesner A (1999) Presence of IL-1- and TNF-like molecules in Galleria mellonella (Lepidoptera) haemocytes and in an insect cell line Fromestigmene acraea (Lepidoptera). Cytokine 11:637–642 Yu C, Dong M, Wu X, Li S, Huang S, Su J, Wei J, Shen Y, Mou C, Xie X, Lin J, Yuan S, Yu X, Yu Y, Du J, Zhang S, Peng X, Xiang M, Xu A (2005) Genes “waiting” for recruitment by the adaptive immune system: the insights from amphioxus. J Immunol 174:3493–3500

Literaturverzeichnis

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Biochemie und Organische Chemie

Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L (2003) Biochemie. 5. Aufl. Spektrum, Heidelberg Voet D, Voet JG, Pratt CW, Beck-Sickinger AG, Hahn U (2002) Lehrbuch der Biochemie. 1. Aufl. Wiley VCH, Weinheim Vollhardt KPC, Schore NE, Peter K (2005) Organische Chemie. 4. Aufl. Wiley VCH, Weinheim

Genetik

Lewin B (2007) Genes IX. Jones & Barlett, Boston, Toronto, London, Singapore Knippers R (2006) Molekulare Genetik. 9. Aufl. Thieme, Stuttgart

272

Literaturverzeichnis

Virologie

Modrow S, Falke D, Truyen U (2003) Molekulare Virologie. 2. Aufl. Spektrum, Heidelberg

Anhang A

Lösungen

➢ Für diejenigen, die es genauer wissen möchten:

Kap. 1

Auf diesem Bild sind zwei Sachverhalte dargestellt: 1. Ausschnitt aus der weißen Pulpa der Milz (vgl. Abb. 1.4): – offener Blutkreislauf – PALS (periarteriolar lymphoid sheat)-Region mit B-Zell Follikel – Lymphozyten gruppieren sich um die Zentralarteriole ➢ Diskutieren Sie die Folgen und Heilungsaussichten eines Milzrisses! 2. Stark vereinfachter Blut- und Lymphe-Kreislauf (vgl. Abb. 1.6). – Antigene treten in peripheren Geweben in die Lymphkapillare über. – Über die Lymphe gelangen Antigene in die Lymphknoten. – Die Lymphgefäße münden überwiegend in das Haupt-Lymphgefäß (Ductus thoracicus). – Der D. thoracicus mündet in die linke Unterschlüsselbeinvene. ➢ Diskutieren Sie die Bedeutung der Lymphe für immunologische und nichtimmunologische Zellen!

Kap. 2

Bild 1: Somatische Umlagerungsreaktionen, die zur Bildung der schweren Immunglobulinkette führen (vgl. Abb. 2.10) Bild 2: Somatische Umlagerungsreaktionen, die zur Bildung der T-Zell Rezeptor alpha-Kette führen (vgl. Abb. 2.18). – alpha- und beta-Kette sind über eine Disulfidbrücke miteinander verbunden. Bild 3: Struktur von MHCI, MHCII, HLA-DM und der invarianten Kette (Ii) (vgl. Abb. 2.23) – Alle α1-Domänen besitzen keine Disulfidbrücke.

274

Anhang A

– Die invariante Kette ist ein Typ-II Transmembranprotein. Sie besitzt im Gegensatz zu Typ-I Membranproteinen eine umgekehrte Membranorientierung. Der N-Terminus ragt in das Cytosol, während der C-Terminus luminal oder extrazytoplasmatisch ausgerichtet ist. ➢ Diskutieren Sie die Gemeinsamkeiten und die Unterschiede von Bild 1 und Bild 2! ➢ Beschreiben Sie den funktionellen Zusammenhang, in dem sich die abgebildeten Moleküle von Bild 3 befinden!

Kap. 3

Auf diesem Bild sind vier Zusammenhänge angedeutet: 1. die genomische Organisation und die umgelagerten TCRα-Kettengene (vgl. Abb. 2.18). 2. der TCR-Komplex (vgl. Abb. 3.2) 3. die Ähnlichkeit des T-Zell Rezeptors mit einem Fab Fragment eines Antikörpers (vgl. Abb. 2.16) 4. die Aktivierung einer naiven CD8+ T-Zelle im Rahmen einer Wechselseitigen Aktivierung von naiver CD4+ T-Zelle und dendritischer Zelle („ping-pong“ Mechanismus) (vgl. Abb. 3.4, 3.5) ➢ Diskutieren Sie die möglichen Aktivierungswege von dendritischen Zellen im Hinblick auf die Aktivierung von naiven CD8+ T-Zellen!

Kap. 4

Bild 1: B-Zell Reifung (genomische Organisation der Immunglobulingene; umgelagerte Gensegmente) und B-Zell Aktivierung (vgl. Abb. 4.3): – Die ersten Antikörper die nach der B-Zell Aktivierung gebildet werden, sind IgM Antikörper. Die Klasse kann sich aber im weiteren Verlauf der B-Zell Aktivierung ändern (z.B. nach IgG). Bild 2: B-Zell Aktivierung und genomische Organisation der schweren Immunglobulingene nach somatischer Umlagerung (vgl. Abb. 4.3) ➢ Diskutieren Sie die Unterschiede und Gemeinsamkeiten beider Tafelbilder!

Kap. 5

Bild 1: Makrophagenaktivierung durch LPS; Zielstrukturen der entzündungsfördernden Cytokine; Aktivierung des Komplementsystems (vgl. Abb. 5.2, 5.5 und 5.11) – Eiter besteht hauptsächlich aus neutrophilen Granulozyten. Bild 2: Aktivierung von naiven CD8+ T-Zellen (vgl. Abb. 5.16) Bild 3: Aktivierung des Komplementsystems über den klassischen, den alternativen und den Lektin-Weg (vgl. Abb. 5.2)

Anhang A

275

Bild 4: Funktion von natürlichen Killerzellen (vgl. Abb. 5.8) – Ly49 bezeichnet eine Familie von killerhemmenden (KIR) und killeraktivierenden Rezeptoren der Maus. In dieser Abbildung ist ein killerhemmender Rezeptor in Kombination mit einem killeraktivierenden Rezeptor (NK-RP1, muriner Rezeptor) dargestellt. Bild 5: Aktivierung von infizierten Makrophagen durch TH1-Zellen (vgl. Abb. 5.12) – Chronisch infizierte Makrophagen können Fas vermittelt durch TH1-Zellen in die Apoptose geführt werden. ➢ Ordnen Sie die Bilder begründet hinsichtlich der Zugehörigkeit zur angeborenen bzw. erworbenen Immunität. ➢ Diskutieren Sie die Aussagekraft und die Tragweite der dargestellten Zusammenhänge auf den Bildern!

Kap. 6

Bild 1: Modellvorstellung zum Systemischen Lupus-Erythematodes (vgl. Abb. 6.12) – Der Mechanismus zählt zum Typ-III von Hypersensitivitätsreaktionen. – Immunkomplexe werden u.a. durch Erythrozyten abtransportiert und können in großen Mengen eine Nephritis auslösen. – Neue Ergebnisse liefern erste Hinweise auf eine TLR abhängige, aber T-HelferZell unabhängige Aktivierung von autoreaktiven B-Zellen in der Maus. Bild 2: Heuschnupfen (vgl. Abb. 6.8): – PALP (PLP, Pyridoxalphosphat, Vitamin B6) ist ein Koenzym, das im Stoffwechsel für Decarboxylierungsreaktionen benötigt wird. – Ebenso wie durch Birkenpollen können durch Penicillin (Struktur rechts oben im Bild) spezifische B-Zellen aktiviert werden (Hapten-Carrier Komplex) und einen Klassenwechsel nach IgE durchlaufen (vgl. Abb. 6.7). Bild 3: Heuschnupfen (vgl. Abb. 6.8): – Dargestellt ist erster und zweiter Kontakt mit dem Pollenallergen. – Diskutieren Sie die Unterschiede zu Bild 2! Bild 4: Morbus Basedow (vgl. Abb. 6.15): – Der Mechanismus zählt zum Typ-II von Hypersensitivitätsreationen. Bild 5: EAE (vgl. Abb. 6.18) ➢ Diskutieren Sie die Aussagekraft und die Tragweite der dargestellten Zusammenhänge auf den Bildern!

Kap. 7

In diesem Bild sind verschiedene Sachverhalte dargestellt: 1. Phagozytose von mikrobiellen Erregern durch Phagozyten in der Fruchtfliege (vgl. Abb. 7.1) ➢ Diskutieren Sie in diesem Zusammenhang die Bedeutung von TLR4 für Makrophagen!

276

Anhang A

2. vereinfachter schematischer Aufbau der Zytoplasmamembran ➢ Diskutieren Sie in diesem Zusammenhang die Bedeutung der Membranstruktur für die Phagozytose! 3. Aktivierung von Genen über einen NFkB homologen Transkriptionsfaktor (vgl. Abb. 7.3) ➢ Stellen Sie in diesem Zusammenhang die Unterschiede und Gemeinsamkeiten zwischen dem Toll-Signalweg und dem Interleukin-1 vermittelten Signalweg heraus. 4. Bildung von antimikrobiellen Peptiden ➢ Diskutieren Sie in diesem Zusammenhang die möglichen Wirkungsmechanismen dieser Peptide!

Anhang B

Nobelpreise für immunologische Forschung Jahr

Preisträger

Land

Forschungsgebiet

1901

Emil von Behring

Deutschland

Serum Antitoxine

1905

Robert Koch

Deutschland

Zelluläre Immunität gegen Tuberkulose

1908

Elie Metchnikoff, Paul Ehrlich

Russland, Deutschland

Die Rolle der Phagozytose (Metchnikoff) und Antitoxine (Ehrlich) für die Immunität

1913

Charles Richet

Frankreich

Anaphylaxe

1919

Jules Bordet

Belgien

Komplement-vermittelte Bakteriolyse

1930

Karl Landsteiner

USA

Entdeckung der menschlichen Blutgruppen

1951

Max Theiler

Süd-Afrika

Entwicklung eines Impfstoffs gegen Gelbfieber

1957

Daniel Bovet

Schweiz

Antihistamine

1960

F. Macfarlane Burnet, Peter Medawar

Australien, Großbritannien

Entdeckung der immunologischen Toleranz

1972

Gerald Edelmann, Rodney Porter

USA, Großbritannien

Chemische Struktur der Antikörper

1977

Rosaly Yalow

USA

Entwicklung des Radioimmunassays

1980

George Snell, Jean Dausset, Baruj Benacerraf

USA, Frankreich, USA

Haupthistokompatibilitätskomplex (MHC)

1984

George Köhler, Cesar Milstein, Niels Jerne

Deutschland, Großbritannien, Dänemark

Monoklonale Antikörper

1987

Susumu Tonegawa

Japan

Rearrangement von Genen bei der Antikörperproduktion

1991

E. Donnall Thomas, Joseph Murray

USA, USA

Transplantationsimmunologie

1996

Rolf Zinkernagel, Peter Doherty

Schweiz, Australien

MHC Restriktion

1997

Stanley Prusiner

USA

Entdeckung von Prionen

2005

Barry Marshall, Robin Warren

Australien, Australien

Entdeckung des Magenbakteriums Helicobacter pylori

2006

Andrew Fire, Craig Mello

USA

RNA-Interferenz

Index

2m 70 12/23 Regel

52

A

Acetylcholinrezeptoren 217 Acetylsalicylsäure 203 Acoelomaten 247 ADCC 160 – antibody dependent cellular cytotoxicity 157 Adhäsionsmoleküle 102 Adipohämozyten 246 Adrenalin 208 Afferent 12 Affinitätsreifung 122 Agglutinine 253 Agnatha 267 AIDS 223 Akute-Phase-Proteine 165 Albumine 38 Allel 52 Allelelic exclusion 52, 116 Allergene 195 Allergie 195 Alloantikörper 189 Amphiphilie 252 Anaphylatoxine 145 Anaphylaxie 207 Angeborene Immunität – Rezeptoren 29 Angiotensin 206 Annelida 247 Antigene 7 – Thymus abhängige u. unabhängige 126

Antigenpräsentierende Zellen – APC 7 Antikörper – Aufbau 36 – Geruestregionen FR1 bis FR4 39 – IgE 196 – Schwere u. Leichte Ketten 38 – Variable Region 39 Antikörperklassen 42 Antikörpervielfalt 46 Antimikrobielle Peptide 252 Antiviraler Status 266 AP-1 108 Apoptose 59, 96 – in Lymphozyten 184 Arachidonsäure 203 Arterie 15 Arteriole 15 Aspirin 203 Asthma – allergisches 203 Attacin 253 Autoimmunerkrankungen – Entstehung 209 – genetische Disposition 209 – und Infektion 210 Autophagie 78 Autoreaktive T-Zellen – bystander Aktivierung 213 B

B1 B-Lymphozyten 131 B7 93 B7/CD28 Familie 98 Basedowsche Krankheit 218

280

Basolateral 45 Behring 36 Benacerraf 67 B-Gedächtnis Zellen 119 Blutgefäßssystem 10 Blutgruppen – ABO-System 189 Blut-Hirn-Schranke 221 Blutmonozyten 8 Blutplasma 9 Blutplättchen 6 B-Zell Aktivierung 119 – TLR vermittelt 132 B-Zelle 5 – reife 117 – unreife 185 B-Zelle Entwicklung 115 B-Zell Toleranz 117 C

C1 bis C9 140 C1 Inhibitor 150 Caspasen 33, 172 Cathepsin-L, -S, -F 76 CD 24 CD1 80 CD3 87, 92 CD4 87 CD4 T-Zellen 173, 175 CD5 131 CD8 87 CD8 T-Zellen 175, 177, 179 CD14 8, 161 CD19 129 CD25 90, 183 CD28 93 CD40 95 CD40L 95 CD59 150 CD81 129 CDR1-CDR3 39 Cecropin 252 Chemokine 146 Cholesterin 165 Chymase 205

Index

CIITA – class-II transactivator 169 CLIP – class-II associated invariant chain peptid 76 Coelom 246 CR2 131 C-reaktive Protein 141, 255 Cross-Präsentation 77, 97 cSMAC 102 CTLA4 93, 99 C-Typ Lektin 33 Cyanozyten 246 Cyclooxygenase 203 Cyclosporin A 188 Cytokine 150 – angeborene Immunität 152, 153 – erworbene Immunität 153 Cytokinrezeptoren 154 – Typ-I, Typ-II 156 Cytosin-phosphatidyl-Guanosin – CpG-Motiv 31 Cytoskelett 171 D

DAF 150 Dalton 37 DAMA 254 Danger-Signale 111 Dausset 67 DCs – konventionelle DCs, cDCs 7 – Vorläufer-DCs, pre-DCs 7 Defensine 252 Delayed type hypersensitivity disease 197 Dendritische Zellen 6 – Aktivierung durch TLRs 96 Desensibilisierung 208 D-Gensegmente 47 Diabetes mellitus 219 diabetischen Komas 219 Diacylglycerin – DAG 108 Diapedese 23, 146

Index

Diptericin 253 Dissoziationskonstante – Rezeptoraffinität 154 Doherty 78 Drosocin 253 Drosomycin 253 Drosophila melanogaster 256 Ductus thoracicus 10

281

Filament 249 FIV – feline immune deficiency virus 226 Flagellen 31 Follikel 13 follikulär dendritische Zellen – FDC 11, 122 Foxp3 91, 183 Fucose 248

E

Edelman 36 Effektorreaktionen – angeborene u. erworbene Immunität 137 Effektorzellen 4 efferent 12 Ehrlich 36 Eiter 204 Ektoderm und Entoderm 22 Eleozyten 246 Elk 108 Encephalomyelitis 221 endogene Antigene 73 Endothel 12 Enterobakterien 31 Entzündung 147 Epidemie 3 Epidermis 17 Epitop 39 Ersatzleichte-Kette – surrogate light chain 115 Erworbenen Immunität – Rezeptoren 35 Erythroblastosis fetalis 197 Erythrozyten 6 exogene Antigene 73 experimentelle Encephalomyelitis – EAE 221 Extravasation 146 F

Faktor H 150 Fas 168 FasL 168 Fieber 165

G

gap junctions 77 Gastrointestinaltrakt 19 Gedächtnis Lymphozyten 15 Gedächtnis T-Zellen – memory T-cells 96 Globuline 38 Gloverin 253 GlyCAM-1 24 Gnathostomata 267 gp41 226 gp120 226 GPI-Anker 261 G-Proteine 106 graft versus host disease 194 Gram-Färbung 163 Granula von Mastzellen – Inhaltsstoffe 205 Granulom 252 Granulozyten 246 – eosinophile, basophile, neutrophile 4 Graves disease 218 H

HAART – hochaktive antiretrovirale Therapie 237 hämatopoetischer Stammbaum Hämokinin 254 Hämozyten 245 Hapten-Carrier 198 Haut 15 HDL 165 Heterodimer 31, 145

4

282

Index

Heuschnupfen 200 Histamin 146, 202 Histamin-Rezeptoren 201 HIV – Aufbau 225 – genomische Organisation 227 – human immune deficiency virus 223, 252 – therapeutische Ziele 237 HLA-DM 76 HLA-DO 77 HLA-E 81 HLA-G 81 Homing-Rezeptoren – homing von Lympozyten 23 Horror Autotoxicus 209 H-Y Antigen 185 Hypersensitivitätsreaktionen – Typ I bis IV 195 Hypervariable Region 39 I

iC3b 147 ICAM 24 ICAM-1 102 ICOS 100, 101 IgA 45 IgD 45 IgE 45 IgG 42 IgM 42 Ig-Rekombination – Deletion 55 – Inversion 55 IL1 163, 202 IL2 Rezeptor 95 IL3 202 IL5 202 IL6 163, 202 IL8 164 IL12 164 IL13 202 IL18 164 Immunantwort – primär, sekundär

Immune response region – Ir-Region 67 Immunglobulin- 117 Immunglobulingene – genomische Organisation 48 Immunkomplexe 7, 59 Immunologische Synapse 102 Immunozyten 245 Immunsystem 1 Infektion – opportunistisch 3 iNOS 169 insulin dependent diabetes mellitus – IDDM 219 Interferone – Typ-I 113, 160 Interleukin-1 Rezeptor 257 Intrakin 237 invariante Kette 76 Invertebraten 246 IP3 108 ITAM 92 – immunoreceptor tyrosine-based activation motif 118 ITIM 99 J

Januskinasen 156 J-Gensegmente 47 K

124

Kapsel 250 Keimzentrum 13 – somatische Hypermutation Kieferlose – Agnatha 267 Klassenwechsel 56 Knock out Mäuse 184 Kombinatorische Vielfalt 46 Komplementaktivierung – alternativer Weg 143 – klassischer Weg 140 – Lektin-Weg 141 Komplementkaskade – Regulation 149

59

Index

Komplementrezepter-2 – CR2 129 Komplementrezeptoren 147 – CR1, CR3 146 Komplementsystem 138 – Rezeptoren 34 komplette Freundsche Adjuvans 213 konstante Antikörperdomänen 39 Kontaktallergie 198 Ku70\ – Ku80 54 L

LAG3 111 Lamina propria 19 Langerhans-Zellen 15 LAT 105 LDL 34, 165 Leader-Peptide 49 Legionärskrankheit 261 Lektine 24 Leukotriene 203 Leukozyten 5 LFA-3 102 lipid rafts 118 Listeria monozytogenes 158 LMP-2 74 LMP-7 74 LPS 160 – Rezeptorkomplex 161 Lupus erythematodes 197 lymphatischen Organen 8 Lymphgefäße 9 Lymphknoten 11 lymphoid 5 M

M10 Proteine 82 MadCAM 24 major-basic-protein 205 Makroglobuline 255 Makrophagenaktivierung – LPS vermittelt 160 – T-Helfer-1 vermittelt 166, 167, 169

283

Mannan-Binde-Lektin – MBL 141 Mannoserezeptor 34 MAP-Kinasen – Mitogenaktivierende Kinasen 105 Mastzellen 202 – Cytokine der spaeten Reaktion 202 – Gewebeverteilung 206 Mäuse – congene 78 MD2 161 Medulla 89 Melanin 250 Membran-Angriff-Komplex 144 – MAC 139 Metschnikow 245 MHC – Antigenprozessierungsweg 72 – Entdeckung bei der Maus 66 – genomische Organisation 64 – Haupthistokompatibilitätskomplex 63 – Nomenklatur 70 – Peptidbindungseigenschaften 72 – Struktur von MHC-I/II 69 MHC Klasse-I ähnliche Rezeptoren 80 MHC-Restriktion 78 Mikrovilli 20 Milz 13 Milzparenchym 13 MIP-1 202 Mizellen 163 Molecular Mimicry 210 Morbus Bechterew 209 Mukosa 18 Multiple Sklerose 220 Myasthenia gravis 215 myelin-basic-protein – MBP 221 myeloid 5 N

NACHT-Domäne 33 Naive B- und T-Zellen 12

284

natürliche Antikörper 127, 131 natürliche Killerzellen – NK-Zellen 157 – Rezeptoren 35 Nebenhistokompatibilitätsantigene – minor histocompatibility antigens 194 Nekrose 164 NFAT 105 NF-κB 105 NKT-Zellen 90 NOD-like Rezeptoren – NLRs 31 NOD Mäusen 99 O

önozytoide Zellen 246 Ontogenese 133 Opsin 140 Opsonin 36 opsonisieren 140 P

PALS-Region 14 Pandemie 3 Papain 41 Parenchym 15 Pathogenassoziierte mikrobielle Muster – PAMPs 29, 248 Pathogenassoziierte Mustererkennungsrezeptoren – PRRs 29, 248 Paul Ehrlich 209 Pentraxine 255 Pepsin 41 Perikard 20 Periphere B-Zell Toleranz 187 peripheren Toleranz 91 Peripoloese 23 Peyersche Plaques 19 Phagolysosom 168, 249 Phagozytose 25, 247 Phenoloxidase 250 Phospatasen 99 Phospholipase-C1 105

Index

Physisch 3 Pimäre Immunantwort 6 Pinozytose 20 PIP2 108 Plasma 37 Plasmatozyten 246 Plasmazelle 13, 123 plasmzytoide DCs 264 Polyadenylierungssignal 124 Polymorphismus 64 Porter 36 Prä-B-Zelle 115 Primäre Immunantwort 7 Pro-B Zelle 115 Prohämozyten 246 Proliferation 13 Promotor – Immunglobulin 63 Prophenoloxidase 253 Prostaglandine 203 Proteasen 76 Proteinkinase-C – PKC 110 Protein-Tyrosin-Kinasen – PTK 103 Proteoglykane 205 Protozoe 138 Pseudopodien 256 – Scheinfüßchen 248 pSMAC 102 Pulpa 15 – weiße-, rote- 14 R

Rag1/2 – Homologe in Invertebraten 267 Randsinus 15 Ras/Rac 105 reaktive Sauerstoffverbindungen 169 Regulatorische T-Zellen – Treg 91 Rekombination-Signal-Sequenz – RSS 52 Respiratorische Entladung 250 Retroviren 226

Index

Rezeptor Editing 117 Rezeptoren – des Immunsystems 29 Rezirkulation – von Lymphozyten 22 Rhesus-Faktor 191 Ringelwürmer 247 ROI 169 S

Scavenger-Rezeptor 35 Schilddrüsenüberfunktion 218 Schock 208 Sec61-Kanal 78 Selektine 23 Serpentin-Rezeptoren 155 Serum 37 severe combined immunodeficiency – SCID 1 Signaltransduktionsweg 156 Sinusoid 8 siRNA – small interference RNA 237 Snell 67 somatische Hypermutation 57, 122 Southern blot 46 Spezifität 7 Sphärulazellen 246 Src homologe Domänen – SH1 bis SH4 104 Stammzellen 4 STAT – signal transducers and acitivators of transcription 157 Stickstoffoxid-Synthase – NOS 250 Stroma 90 swich regions 57 Systemischer Lupus erythematodes – SLE 214 T

Tabakmosaikvirus 256 TCR 60

285

TCR Gene – genomische Organisation 61 Terminale-DesoxynukleotidylTransferase – TdT 55 TH17 Zellen 113 Thanatin 253 Thymopoese 89 Thymus 20 Thymusdegeneration 21 TI-2 126 TIR-Domäne 257 TLR4 259 TNF 146, 163, 202 Toleranz – periphere 182 – zentrale 87 Toll-like Rezeptoren – TLRs 29 Toll-Rezeptor – Evolution 255 Toll Rezeptoren – Immunregulatoren 262 Trabekel 15 Trabekelarterie 15 transgene Mäuse 183 Transkriptionsfaktoren – Dorsal 257 – MyD88 259 – Pelle 260 Transmembranprotein – Typ-I bis Typ-III 70 Transplantatabstoßung 187 – akute 193 – hyperakute 189 – langsame 193 Tryptase 205 Tumorgenese 183 Typ-I Interferone 160, 265 T-Zell Aktivierung – bystander Aktivierung 210 T-Zelle 5 T-Zellen – alloreaktive 185 – CD4/CD8 positive 110

286

– CD4 T-Zell Aktivierung 92, 93, 95, 97, 99 – CD4 u. CD8 79 – CD8 Gedächtniszellen 96 – CD8 T-Zell Aktivierung 96 – Entwicklung im Thymus 87 – naive 6, 89 – Treg und Toll 266 – γδ-T-Zellen 90 T-Zell Entwicklung – Negativselektion 89 – Positivselektion 88 T-Zell Reifung – prä-T-Zell Stadium 87 – RAG-1 und RAG-2 89 – TCR editing 89 T-Zell Rezeptor 60 – Aufbau 60 T-Zell Rezeptorkomplex 92 T-Zell Rezeptor Vielfalt 60 U

unreife B-Zelle 117

Index V

Vasoaktiv 196 Vasodilatation 203 VCAM 24 V(D)J- Rekombinasen – RAG-1 und RAG-2 52 Venolen mit hohem Endothel – HEV 23 Verknüpfungsvielfalt 52 V-Gensegmente 47 Vomeronasalorgan 83 W

Wirbellose 246 Z

ZAP-70 105 Zellen – angeborene-/erworbene Immunität 25 zentrale Toleranz 181 Zinkernagel 78 Zytolyse 140 Zytoskelett 248 Zytotoxische T-Zellen – CTL 170, 171