Das Komplementsystem - Ruhr
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Das Komplementsystem Monika Raulf-Heimsoth Institut für Prävention und Arbeitsmedizin der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung, Institut der Ruhr-Universität Bochum (IPA) Vorlesung 18.05.2011 Komplementsystem Teil der angeborenen Immunantwort • mehr als 30 Proteine im Blutplasma gelöst bzw. zellgebunden • komplementieren (ergänzen und verstärken) die Wirkung von Antikörpern • dient der Abwehr von Mikroorganismen (Opsonisierung) • auch zellzerstörende Eigenschaften* • viele Komplementproteine sind Proteasen, die durch proteolytische Spaltung aktiviert werden (Zymogene) *müssen reguliert werden 2 Entdeckung des Komplementsystems 1890, Jules Bordet (Paris) • Vibrio cholerae + Antiserum = ? • Vibrio cholerae + frisches nicht-immunes Serum =? • Vibrio cholerae + hitzebehandeltes Antiserum =? • Vibrio cholerae + hitzebehandeltes Antiserum + frisches nicht-immunes Serum = ? Antikörper Bakteriolytische Aktivität hitzelabile Substanz 3 nach P. Ehrlich hitzestabile Substanzen = Antikörper hitzelabile Substanzen = Komplement* Bordet und Genou 1901 Komplementbindungsreaktion von Wassermann 1908 Wassermann-Reaktion zur Syphilisdiagnostik *komplementiert die antibakterielle Aktivität von einigen Antikörpern 4 Das Komplementsystem schützt vor einer Infektion 1. Erzeugung von aktivierten Komplementproteinen, die kovalent an Pathogene binden und diese „opsonisieren“, so dass eine Aufnahme durch Phagozyten, die CR tragen, erleichtert wird. 2. Kleinere C-Fragmente wirken als Chemoattraktoren (locken Phagozyten an und aktivieren diese). 3. Zerstörung von Pathogenen durch Porenbildung. 5 Drei Wege führen zur Aktivierung des Komplementsystems ⇒ abhängig von unterschiedlichen Molekülen, durch die sie jeweils ausgelöst wurden, doch erzeugen sie denselben Satz von Effektormolekülen (Produkt aller Wege ist eine C3-Konvertase⊕) 1. Klassischer Weg 2. Alternativer Weg 3. Lektin Weg 6 Schematischer Überblick über die Komplementkaskade Klassischer Weg MB-Lektin-Weg Alternativer Weg Antigen-AntikörperKomplex Lektin bindet an die Oberfläche des Pathogens Pathogenoberflächen Komplementaktivierung Anlocken inflammatorischer Zellen Opsonisierung von Pathogenen Zerstörung von Pathogenen 7 Klassischer Weg MB-Lektin-Weg Alternativer Weg Antigen: Antikörper-Komplexe (Pathogenoberflächen) mannanbindendes Lektin bindet Mannose auf der Pathogenoberfläche Pathogenoberflächen C1q, C1r, C1s, C4, C2 MBL, MASP-1, MASP-2, C4, C2 C3, B, D Wirkung Regulation Erkennung Wesentliche Komponenten und Effektorwirkungen des Komplementsystems C3-Konvertase C4a*, C3a, C5a C3b Terminale Komplementkomponenten C5b, C6, C7, C8, C9 entzündungsvermittelnde Peptide, Anlocken von Phagocyten bindet an Komplementrezeptoren auf den Phagocyten membranangreifender Komplex, Lyse bestimmter Pathogene und Zellen Opsonisierung von Pathogenen Entfernung von Immunkomplexen 8 Komplementsystem triggered-enzymeKaskade Vorstufenzymogene sind überall im Körper ohne schädliche Wirkung - am Infektionsherd: lokale Aktivierung und lösen Entzündungsreaktionen aus Vorstufe aktives Komplementenzym A Substrat aktiviertes KEB (Komplementzymogen B) KZC KEC usw. Regulationsmechanismen für die unkontrollierte Aktivierung 9 Nomenklatur der Komplementproteine „C“ = alle Komponenten des klassischen Komplementweges und des membranangreifenden Komplexes Native Komponente sind durchnummeriert, z.B. C1, C2 allerdings in der Reihenfolge ihrer Entdeckung und nicht der Reihenfolge ihrer Reaktionen, welche lauten: C1, C4, C2, C3, C5, C6, C7, C8, C9 Produkte der Spaltreaktionen mit kleinen Buchstaben b = größeres Fragment (aktive Serinprotease) a = kleineres Fragment (löslicher Mediator) z.B. C4 C4b C4a 10 Klassischer Weg*1 „Bildung der C3-Konvertase des klassischen Weges“ C1 → → erstes Protein des klassischen Weges Komplex aus C1q, C1r und C1s C1q Zymogene besteht aus 6 gleichen UE mit globulären Köpfen und langen kollagenähnlichen Schwänzen (Ca2+-abhängiges, Zuckerbindendes Protein = Kollektin-Proteinfamilie C1s C1r C1-Komplex: C1q: C1r2: C1s2 → *1wichtig die Köpfe (mindestens 2) (C1q) binden an die konstanten Domänen von Immunglobulinen*2 oder direkt an die Oberfläche von Pathogenen ⇒ Konformationsänderung von C1r, das dann das C1s-Zymogen spaltet und aktiviert (es entsteht eine aktive Serinprotease) sowohl bei der angeborenen als auch bei der *2erworbenen Immunität 11 Klassischer Aktivierungsweg C1s C1s C2 C4a spaltet C4b C4 spaltet C2a C4b C2 C4b C2b C3-Konvertase 12 Aktiviertes C1s-Protein 2 1 spaltet spaltet C4 C2 C4a C4b C2a C2b bindet an bindet an die Oberfläche von Mikroben = aktive Proteasekomponente der C3-Konvertase bindet an die Mikrobenoberfläche und hüllt sie ein oder an die C3-Konvertase *bis zu 1000 spaltet viele* C3-Moleküle C3b C3a Entzündungsmediator 13 Faktoren der unterschiedlichen Komplementaktivierung (klassischer Weg) native Komponenten C1 (C1q: C1r2:C1s2) C4 C2 C3 aktive Form C1q Funktion der aktiven Form bindet direkt an Pathogenoberflächen oder indirekt an pathogengebundenen Antikörper, ermöglicht so Autoaktivierung von C1r C1r C1s wandelt C1s in aktive Protease um C4b bindet kovalent an den Krankheitserreger und opsonisiert ihn; bindet C2 für die Spaltung durch C1s C4a Peptid-Entzündungsmediator (schwache Aktivität) C2b aktives Enzym der C3/C5-Konvertase des klassischen Weges; spaltet C3 und C5 C2a Vorstufe des vasoaktiven C2-Kinins C3b viele Moleküle binden an die Pathogenoberfläche und wirken opsonierend; initiiert Verstärkung über den alternativen Weg; bindet C5 für die Spaltung durch C2b C3a Peptid-Entzündungsmediator (mittlere Aktivität) spaltet C4 und C2 14 Alternativer Komplementweg • kann an den Oberflächen zahlreicher Mikroorganismen ablaufen, ohne dass ein spezifischer Antikörper vorhanden sein muss. • • es entsteht ein andere C3-Konvertase (C3b, Bb) das Auslösen des alternativen Weges hängt nicht von einem Protein ab, das an ein Pathogen bindet → stattdessen: Start durch spontane Hydrolyse von C3 Wichtig: Aktivierungsweg schreitet nur an der Oberfläche von Krankheitserregern fort 15 Komponenten des alternativen Weges Faktoren B, C und D (nicht nummeriert) B Bb (größeres Fragment) Ba (kleineres Fragment) 16 Proteine des alternativen Weges der Komplementaktivierung native Komponenten aktive Fragmente Funktion C3b bindet an Pathogenoberfläche, bindet B für die Spaltung durch D, C3b,Bb ist eine C3- und C3b2Bb eine C5-Konvertase Ba kleines B-Fragment, Funktion unbekannt Bb Bb ist das aktive Enzym der C3-Konvertase C3b,Bb und der C5-Konvertase C3b2Bb Faktor D (D) D Plasmaserinprotease, spaltet B, wenn es an C3b gebunden ist, in Ba und Bb Faktor P (Properdin) P Plasmaprotein mit Affinität zur C3b,BbKonvertase auf Bakterienzellen C3 Faktor B (B) 17 C3 (in großen Mengen im Plasma) spontan C3b spontane Hydrolyse der Thioesterbindung im C3 ⇒ C3 (H2O) C3 (H2O) mit veränderter Konformation bindet Plasmaprotein Faktor B B, C3 (H2O) Plasmaprotease Faktor D spaltet B Ba + Bb bleibt an C3 (H2O) gebunden C3 (H2O) Bb-Komplex = C3-Konvertase in der flüssigen Phase 18 C3 (H2O) Bb-Komplex spaltet C3-Moleküle in C3b ⇐ zum größten Teil inaktiviert durch Hydrolyse C3a aber einige binden jedoch kovalent über ihre reaktive Thioestergruppe an die Oberflächen von Körperzellen oder an Pathogene gebundenes C3b heftet sich an Faktor B (C3b-B) Faktor D spaltet Ba + Protease Bb → C3b, Bb = C3-Konvertase des alternativen Weges 19 Bildung von C3b,Bb-Komplex spaltet mehr Verstärkungsschleife*1 C3 zu C3b bindet an Krankheitsoder erreger (Wirkung als Opsonin) setzt Komplementweg erneut in Gang *1 läuft nur an der Oberfläche von Pathogenen ab und nicht an einer Körperzelle 20 Alternativer Aktivierungsweg (1) C3 C3 spontan (H2O) Faktor B Faktor D C3 (H2O) Faktor B Ba spaltet C3 (H2O) Bb C3-Konvertase in der flüssigen Phase 21 Alternativer Aktivierungsweg (2) C3 (H2O) Bb spaltet Faktor D spaltet C3 Faktor B C3a Ba C3b Faktor B C3b C3b Bb C3-Konvertase des alternativen Aktivierungsweges 22 C3-Konvertase C3 1,2 mg/l im Plasma; häufigstes Komplementprotein C3a ⇒ Hauptfunktion: große Mengen von C3b an der Oberfläche von Pathogenen C3b → bindet über Thioesterbindung an benachbarte Moleküle des Pathogens 1000 C3b-Moleküle in der Nähe der C3-Konvertase 23 C5-Konvertase Klassischer und MB-Lektin Weg Alternativer Weg spaltet C4b C2b C2b Bb C3b Opsonisierung spaltet spaltet C3b C5 C3b C5-Konvertase C3b C3a C3b C4b spaltet C3 Bb C3b C5a C5b C5-Konvertase 24 Spaltung von C5 durch den C5-Konvertasekomplex C3-Konvertase (C4b, C2b bzw. C3b, Bb) entsteht beendet C3b C5-Konvertase (C4b, C2b, C3b bzw. C3b, Bb) C5 bindet an C3b-Komponente der C5-Konvertase C5b C5a Spaltung von C5 durch C2b oder Bb 25 Terminale Komplementproteine C5b, C6, C7, C8, C9 C5b C7 C6 C5b C7 MAC-Komplex C8 C6 C7C5b C6 C7C5b C8 10 - 16 x C5b C8 C6 C9 C6 C9 26 Die terminalen Komplementkomponenten, die den membranangreifenden Komplex bilden native Proteine aktive Komponenten Funktion C5a kleiner Peptid-Entzündungsmediator (hohe Aktivität) C5b regt die Bildung des membranangreifenden Komplexes an C6 C6 bindet C5b, bildet Anlagerungsstelle für C7 C7 C7 bindet C5b,C6, amphiphiler Komplex integriert in die Lipiddoppelschicht C8 C8 bindet C5b,6,7, löst die Polymerisierung von C9 aus C9 C9n polymerisiert and C5b,6,7,8 und bildet so membrandurchspannenden Kanal; Zelllyse C5 27 Mannan-Bindungs-Lektin-Weg • Aktivierungsprotein: mannanbindendes Lektin (MBL) → Strukturähnlichkeit zu C1q • Zymogene: MASP-1 und MASP-2 ((Mannan-BindungsLektin-assoziierte Serin-Proteasen) Serinproteasen) → homolog zu C1r und C1s • Durch Bindung von MBL an Pathogenoberfläche werden Zymogene zur Spaltung von C2 und C4 aktiviert • C3-Konvertase aus C4b und C2b (Klassischer Weg) 28 MB-Lektin-Weg (besonders wichtig während der Kindheit) MBL = mannanbindendes Lektin, wie C1q ein Kollektin (da bei Vertebratenzellen Mannosereste durch Sialsäure verdeckt sind, ist die Bindung pathogen spezifisch) → Komplementaktivierung wird eingeleitet durch MBL an die Oberfläche von Pathogenen MBL im normalen Plasma nur in geringer Konzentration, wird in der Leber während der akuten Phase der angeborenen Immunantwort verstärkt gebildet Komplex: MBL + MASP1 + MASP2 Aussehen wie ein „Tulpenstrauß“ wie C1q Zymogene (MBL-assoziierte Serinproteasen) MBL bindet an Pathogene → Aktivierung der Serinproteasen und C4 und C2 spalten und aktivieren (→ C3-Konvertase entsteht) 29 Kontrolle ist wichtig, denn Zerstörung von Mikroorganismen Balance Schutz der körpereigenen Gewebe insbesondere über den alternativen Weg kann das Komplementsystem überall und jederzeit eingeschaltet werden: → daher Regulatoren: lösliche oder zellgebundene z.B. Komplementrezeptor 1 (CR1), DAF = Decay Accelerating factor (CD55) MCP = Membran-Kofaktor-Protein (CD46) zellgebunden Konkurrieren an der Zelloberfläche mit Faktor B um Bindung and C3b und ersetzen Bb in der Konvertase. Spaltung von C3b zum inaktiven iC3b verhindert ebenfalls die Bildung der Konvertase. 30 Faktor H = komplementregulatorisches Protein im Plasma • bindet an C3b und konkurriert mit Faktor B und ersetzt Bb in Konvertase • bindet bevorzugt an Vertebratenzellen, da es Affinität für Sialsäurest auf diesen Zellen besitzt im Gegensatz dazu kann sich die C3b,Bb-Konvertase an Oberflächen von Krankheitserregern bilden und dort verbleiben, weil dort die regulatorischen Proteine und Sialsäurereste nicht vorhanden sind Faktor P = Properdin = positiver Regulationsfaktor = stabilisiert die Konvertase 31 Ausnahme: Faktor D (Serinprotease) des alternativen Weges (kein Gegenpart in den beiden anderen Wegen) ist als einzige eine aktivierende Protease des Komplementsystems, die als aktive Enzym zirkuliert und nicht als Zymogen Faktor D bindet nur an Faktor B als Substrat, wenn dieser an C3b gebunden ist. 32 Kontrollproteine des klassischen und des alternativen Weges Name (Symbol) Rolle bei der Regulierung der Komplementaktivierung C1-Inhibitor (C1INH) bindet an aktiviertes C1r,C1s und trennt es von C1q C4-bindendes Protein (C4BP) bindet an C4b und ersetzt dabei C2b; Cofaktor für C4b-Spaltung durch I Komplementrezeptor 1 (CR1) bindet an C4b und ersetzt dabei C2b oder an C3b und ersetzt Bb; Cofaktor für I Faktor H (H) bindet an C3b und ersetzt Bb; Cofaktor für I Faktor I (I) Serinprotease, die – unterstützt von H, MCP, C4BP oder CR1 – C3b und C4b spaltet decay-accelerating factor (DAF) Membranprotein, das Bb von C3b und C2b von C3b verdrängt Membran-Cofaktor-Protein Membranprotein, das die Inaktivierung von C3b und C4b durch I stimuliert (MCP) CD59 (Protectin) Verhindert Bildung des Membranangreifenden Komplexes auf autologen oder allogenen Zellen; in Membranen weit verbreitet 33 Verteilung und Funktion von Rezeptoren für Komplementproteine auf der Oberfläche von Zellen Rezeptor Spezifität Funktionen Zelltypen CR1 (CD35) C3b, C4b iC3b regt Zerfall von C3b und C4b an, stimuliert die Phagozytose; Erythrozytentransport von Immunkomplexen Erythrozyten, Makrophagen, Monozyten, polymorphkernige Leukozyten, B-Zellen, FDC# CR2 (CD21) C3d, iC3b, C3dg, Epstein-BarrVirus Teil des B-ZellCorezeptors, Rezeptor des Epstein-Barr-Virus B-Zellen, FDC Stimuliert die Phagozytose Makrophagen, Monozyten, polymorphkernige Leukozyten CR3 (CD11b/CD18)* * = Integrine; iC3b #= follikuläre dendritische Zellen 34 Verteilung und Funktion von Rezeptoren für Komplementproteine auf der Oberfläche von Zellen Rezeptor Spezifität Funktionen Zelltypen CR4 (gp150,95) (CD11c/CD18)* iC3b Stimuliert die Phagozytose Makrophagen, Monozyten, polymorphkernige Leukozyten, dendritische Zellen C5a-Rezeptor C5a Bindung von C5a aktiviert G-Protein Endothelzellen, Mastzellen, Phagozyten C3a-Rezeptor C3a Bindung von C3a aktiviert G-Protein Endothelzellen, Mastzellen, Phagozyten * = Integrine 35 Wirkung der kleinen Komplementproteine C3a, C4a, C5a a) lokale Entzündungsreaktionen: wirken auf Blutgefäße und erhöhen die Gefäßpermeabilität und die Zahl der Adhäsionsmoleküle größerer Austritt von Flüssigkeit, Ig und Komplementfaktoren aus den Gefäßen Wanderung der Mo, PMN und Lym nimmt zu und ihre antibakteriellen Aktivitäten 36 Freisetzung von größeren Mengen systemische Reaktion ⇒ anaphylaktischer Schock C3a, C5a*, C4a = Anaphylatoxine C5a und C3a vermitteln ihre Signale über Transmembranrezeptoren, die G-Proteine aktivieren zurzeit vergleichbar mit der Wirkung von Chemokinen *sehr stabil, hat die höchste biologische Aktivität 37 Darstellung der Wirkung der verschiedenen Komplementfaktoren, die bei der Komplementaktivierung entstehen 38 Immunologische Prozesse bei einer Infektion 2 Adhäsion an das Epithel •normale Flora •lokale chemische Faktoren •Phagozytose (besonders in der Lunge) Lokale Infektion, Durchquerung des Epithels •Wundheilung •antibakterielle Proteine und Peptide •Phagozyten • γ-δ T-Zellen • B1-Zellen Lokale Infektion des Gewebes •Komplement (alternativer Weg) • Phagozyten • Cytokine • NK-Zellen Aktivierung von Makrophagen Ausbreitung im Lymphsystem •Phagozyten (Einfangen von Antigenen) • NK-Zellen Adaptive Immunantwort •Spezifische Antikörper •T-Zell abhängige Aktivierung der Makrophagen •Cytotoxische T-Zellen 39 Hinter der ersten Barriere wachen spezialisierte Zellen (z.B. Makrophagen), die entweder überall im Gewebe ... 40 ... oder im Blut patrouillieren ... 41 ... oder nur in bestimmten Geweben zu finden sind (z.B. γ/δ T-Zellen). 42 γδ-T-Zellen TCR γ-Kette δ-Kette CD3 CD3 ε γ δ ε Zellmembran Es gibt 2 Typen von γδ-T-Zellen: 1. In den Lymphgeweben (diverse Rezeptoren) 2. In den Epithelien (geringe Rezeptor-Diversität), die Zellen verbleiben in den Epithelien γδ-T-Zellen erkennen Antigene direkt (nicht MHC+Peptid); evtl. erkennen sie Antigene, die Zusammenhang mit Pathogenen auftreten, aber nicht von diesen stammen. 43 B1-Zellen • • • • B1-Zellen (CD5-B-Zellen) + Antikörper treten innerhalb von 48h auf B1-Zellen v.a. in der Bauchfellhöhle benötigen keine T-Zell-Hilfe, allerdings IL-5 binden an bakterielle Kapselpolysaccharide oder Zellwand-Bestandteile 44 Weitere seltene Zellen NK1.1+-T-Zellen • • • • • • das IL-4, das zur Bildung von Th2-Zellen benötigt wird, stammt möglicherweise aus dieser spezialisierten Untergruppe der CD4-T-Zellen tragen weitgehend immer denselben α:β-T-Zell-Rezeptor im Gegensatz zu anderen CD4+-T-Zellen hängt die Entwicklung der NK1.1+-T-Zellen nicht von der Expression von MHC-Klasse II-Molekülen ab T-Zellen erkennen das CD1, das nicht vom MHC codiert wird Mäuse: 2 CD1-Gene (CD1.1 und CD1.2) Menschen: 5 (CD1a-e) CD1-Moleküle werden von Thymozyten, pAPC sowie von Darmepithelzellen exprimiert 45
