Angeborene Immunabwehr Innate immunity
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Biohazard Angeborene Immunabwehr Permanente Angriffe durch diverse Pathogene Bakterien Viren Pilze Protozoen Multizell. Fremd- Parasiten proteine Besiedelung neuer Biotope Innate immunity Das Immunsystem ist unser natürlicher Schutzanzug Probiotisch Toleranz Besiedelung durch Symbionten und Kommensalen von Vorteil Körpereigene und harmlose Substanzen sollten ignoriert werden Pflanzen- Selbst- pollen proteine Haut- und Darmflora ~ 100 Milliarden Bakterien ~ 2 kg Lactobacillus Ciliaten in Kuhmägen Autoimmunerkrankung Allergie 1 Leistung des Immunsystems Immunsystem sichert das Überleben biologischer Systeme Angeborene Immunabwehr Aufrechterhaltung einer dauerhaften Balance Abwehr schädlicher Organismen Toleranz gegenüber nützlichen Organismen Bei allen multizellulären Organismen • Koevolution mit Pathogenen • langsame evolutionäre Adaption • Schnelle Reaktionszeit Adaptive Immunabwehr Ab den Vertebraten angeborene und adaptive Immunabwehr • Entwicklung innerhalb der Lebenszeit • Adaptiv, spezifisch und individuell • Verzögerte Reaktionszeit • Gedächnisfunktion Bedeutung der angeborenen Immunität I Die meisten Pathogene werden permanent und symptomfrei durch das angeborene Immunsystem eliminiert Bedeutung der angeborenen Immunität II Defekte der angeborenen Immunabwehr sind häufig lethal Kein angeborenes Immunsystem Kein adaptives Immunsystem Aktiv innerhalb von Minuten bis Stunden Länger andauernde Infektion aktiviert das adaptive Immunsystem Normales Immunsystem 2 Funktionen der angeborenen Immunabwehr Verhinderung des Eindringens von Pathogenen Detektion von Molekülen und Pathogenen Klassifizierung von Pathogengruppen Eliminierung von Pathogenen Begrenzung der Infektion bis adaptive Immunantwort greift Komponenten der angeborenen Immunabwehr Instruktion des adaptiven Immunsystems Erfüllung dieser Funktionen benötigt eine Vielzahl an Komponenten Komponenten der angeborenen Immunabwehr Komponenten der angeborenen Immunabwehr Pathogene müssen physiko-chemische Barrieren überwinden Hautepithel Flimmerepithel muköse Membran (Lunge) (Darmschleimhaut) Leukozyten im Gewebe und Blut bilden zelluläre Bestandteile des Immunsystems Leukozyten Mechanische Barrierefunktion Temperatur Abtransport von Pathogenen Mukus verhindert Adhäsion Angeborene Immunabwehr • Granulozyten pH-Wert niedriger pH-Wert wirkt bakteriozid Adaptive Immunabwehr • Lymphozyten • Makrophagen • B-Zellen • Dendritische Zellen • T-Zellen • Natürliche Killerzellen (NK) Fieber hemmt mikrobielles Wachstum 3 Zelluläre Komponenten der angeborenen Immunität Neutrophile Granulozyten Eosinophile Granulozyten “clearing” bakterieller Infektionen (Eiter) durch Phagozytose Abtöten von Zellen z.B. Abwehr multizellulärer Parasiten Dendritische Zellen - Antigenaufnahme und Präsentation - Im Lymphgewebe und Peripherie - Instruktion des adaptiven Immunsystems Basophile Granulozyten Aktivierung der Entzündung durch Freisetzung inflammatorischer Substanzen (Histamin) Monozyt/Makrophage Effektormechanismen des angeborenen Immunsystems Phagozytose und Antigenpräsentation Entzündliche Infiltration Phagozytose Zellen und Serumproteine müssen an den Ort der Infektion gelangen • Aktiver Prozess phagozytierender Zellen • Phagozytische Rezeptoren vermitteln den Prozess 4 Phagozytose aktiviert viele Signalwege Antimikrobielle Peptide Schutz muköser Grenzschichten vor mikrobieller Besiedelung • Unterschiedliche Strukturklassen • Kurze kationische Peptide (29-35 Aminosäuren) Abtötung von Pathogenen • Sezerniert oder in Phagolysosomen Prozessierung und Präsentation von Antigenen • Aus Neutrophilen, Makrophagen und Epithelzellen Freisetzung von Mediatoren und freien Radikalen Antimikrobielle Peptide Antimikrobielle Enzyme Enzyme mit antimikrobieller Wirkung - saure Proteasen Wirkmechanismus Zerstörung prokaryotischer Membranen durch Interaktion mit anionischen Phospholipiden - Lipasen - Nukleasen Lysozym - 129 AS mit globulärer Struktur - Im Speichel, Schweiß, Tränenflüssigkeit - Spaltung glykosidischer Bindungen im Peptidoglucangerüst der Bakterienzellwand Antimikrobielles Spektrum humane antimikrobielle Peptide Lactoferrin - Gram-negative Bakterien - Histatin - Gram-positive Bakterien - Cathelicidin = Haut und Lunge - In allen Körperflüssigkeiten (besonders in Milch) - Pilze - Defensine - Sehr hohe Affinität zu Fe3+ - lipidumhüllte Viren = Mundschleimhaut = Epithelien (Lunge) - 700 AS Glykoprotein - Bakterien wird essentielles Eisen entzogen 5 Reaktive Sauerstoff Spezies (ROS) Respiratory Burst - ungepaarte Elektronen in äußerer Schale - reaktive Verbindungen Toxische Komponenten: - starke Oxidationsmittel - sehr kurzlebig - gezielte Freisetzung am Infektionsort Vorteile Nachteile • Schnelle Freisetzung und Diffusion • Schädigung auch eigener Zellen • Nur lokal am Infektionsort wirksam • Keine Resistenzentwicklung • Bereitstellung antioxidativer Mechanismen Stickstoffmonoxid als ROS O2 NADPH Arginin - NADP++ O2 Superoxidanion - H2O2 + 1O2 Hydrogenperoxid, Singlet Sauerstoff 2O2 + H2O2 - OH-+ OH* + 1O2 Hydroxylradikal H2O2 + Cl- H2O +OCl- Hypochlorische Säure NADPH + O2 2O2 + 2H+ NO Wirkung NAD+ NO-Synthase Citrulin + NO• Oxidase • • • • Lipidlöslich Leichte Passage durch Zellmembranen Kurzlebig (wenige Sekunden) Funktionen: - Gefäßdilatator, Neurotransmitter - antimikrobiell Guanylyl Cyclase Peroxynitrit Schädigung von Nukleinsäuren und Proteinen 6 Ziel Zuverlässige Erkennung von Fremdmolekülen Rezeptoren der angeborenen Immunabwehr Problem Angeborenes Immunsystem kann evolutionär nur langsam reagieren „Feinde“ mit kurzer Generationszeit können schnell die Abwehr umgehen Lösung Angeborenes Immunsystem detektiert konservierte Moleküle der Pathogene = PAMPs PAMPs und PRRs Lokalisation von PRRs PAMP = Pathogen Associated Molecular Pattern Zytoplasma Endosomen • Keine oder nur geringe Homologien zu Selbst-Molekülen • Essentielle Moleküle des Pathogens • Evolutionär stark konservierte Strukturen • In ganzen Pathogen-Klassen vorhanden • Ermöglichen Klassifizierung der Pathogene (Bakterien, Viren, Pilze) PRR = Pattern Recognition Receptor Zellmembran Extrazellularraum Evolutionär konserviertes System aus verschiedenartigen Rezeptoren = PRR , die ein breites Spektrum an PAMPs detektieren und klassifizieren 7 Von Fliegen und Menschen Toll Toll-like Drosophila melanogaster Homo sapiens Toll-like Rezeptoren Toll-Rezeptor der Fruchtfliege (Drosophila) ist Schlüsselprotein bei der Immunabwehr gegen Pilze Toll und Toll-like Rezeptoren nutzen homologe Signaltransduktionswege Humane Toll-like Rezeptoren (TLR) sind homolog zum Drosophila Toll-Protein und haben ebenfalls Schlüsselposition bei der Immunabwehr inne Toll-like Rezeptoren und ihre PAMPs Protozoen Pilze Lipoteichonsäure Bakterien Viren Lipoarabinomannan Zymosan (Hefe) Glykolipide (Protozoen) unmethylierte DNA ? TLR8 TLR10 8 Zelluläre Lokalisation der TLRs Bakterielle PAMPs PAMPs in bakteriellen Zellwänden Aufbau der Zellwand gramnegativer Bakterien TLR2/TLR1 Gram-negative Bakterien LPS ein PAMP für gram-negative Bakterien Gram-positive Bakterien Struktur von Lipopolysaccharid (LPS) LPS ist integraler Bestandteil der äußeren Membran gramnegativer Bakterien und wird als PAMP über TLR4 detektiert 9 Detektion von LPS durch TLR4 NOD1 & NOD2 detektieren Peptidoglycan Abbauprodukte gram-negative oder gram-positive Bakterien NOD2 NOD1 gram-negative Bakterien NOD1 und NOD2 sind im Zytosol lokalisiert fMet-Rezeptor detektiert bakterielle Peptide fMet-tRNA Virale PAMPs Problem Der fMet-Rezeptor detektiert formylierte Peptide (z.B. fMetfMet-LeuLeu-Phe = fMLP) fMLP) „Organismus“ wenig komplex => wenige Moleküle zur Auswahl Proteine durch hohe Mutationsraten sehr variabel Lösung Erkennung viraler Genome (DNA, ssRNA, dsRNA) Die N-terminale Aminosäure bakterieller Proteinen ist ein formyliertes Methionin (fMet) fMet-Rezeptor gehört zur Gruppe der Chemokinrezeptoren: PRRs haben sich auf die Detektion viraler Nukleinsäuren spezialisiert • 7 transmembrane Helices • Signaltransduktion über G-Proteine 10 PRRs zur Detektion von Virusinfektionen Erkennungsmerkmale für fremde Nukleinsäuren OAS PKR • Lokalisation der Nukleinsäuren Dicer Risc • Spezifische molekulare Eigenschaften Detektieren Fremd-Nukleinsäuren anhand universeller Merkmale Lokalisation als Erkennungsmerkmal fremder Nukleinsäuren Lokalisation Kern Nukleinsäure Strukturmerkmale fremder Nukleinsäuren CpG-Motive PRR Unmethylierte repetetive CG DNA-Bereiche DNA, RNA Mitochondrien DNA, RNA Selbst Fremd Zytoplasma m mRNA, tRNA, rRNA dsRNA (miRNA) RISC Extrazellulär DNA SR-A Extrazellulär DNA SR-A Endosomen ssRNA, dsRNA, CpG TLR3,7,8,9 Zytoplasma ssRNA, dsRNA Mda5, Rig-I, PKR, OAS Dicer/RISC m m Selbst : GGAGTCGTTCGCGAT Fremd : GGAGTCGTTCGCGAT Bakterielle oder virale DNA Ligand für TLR 9 11 Strukturmerkmale fremder Nukleinsäuren Doppelsträngige RNA (dsRNA) Selbst : Strukturmerkmale fremder Nukleinsäuren Fremd : Freie 5` Triphosphatenden viraler RNA nur kurze dsRNA Abschnitte unterbrochen von ssRNA Bereichen RIG-1 detektiert 3pRNA im Zytoplasma Fremd : während der Replikation von RNA-Viren entstehen längere, lineare dsRNA Intermediate Detektion durch : DICER MDa5 OAS PKR Selbst : TLR3 Schutz zelleigener RNA vor RIG-1 Detektion tRNA 3pRNA RNA im Zytoplasma hat keine freien 5` Triphosphatenden PRRs aktivieren antivirale Abwehr - Abspaltung von 5` Triphosphat - Modifizierte Nukleotide 28 S rRNA >40 Proteine rRNA 18 S rRNA >30 Proteine Schutz durch ribosomale Proteine mRNA 5`- Capping vor Transport ins Zytoplasma 12 Dicer/RISC Komplex als antiviraler PRR Phagozytische PRRs RNA Induced Silencing Complex = RISC Dicer - Vielzahl verschiedener Rezeptoren - In der Zellmembran verankert - Bindung von Pathogenen - Vermittlung der Endozytose C-Typ Lektine als phagozytische PRRs Weitere phagozytische PRRs Scavenger Rezeptoren Eigenschaften Beispiele 11 Mitglieder identifiziert MARCO - Bindung zuckerhaltiger Oberflächenmoleküle von Pathogenen Auf phagozytisch aktiven Zellen - Phagozytose apoptotischer Zellen - Kohlenhydrat erkennende Domänen Erkennung und Aufnahme anionischer Polymere und glykosylierter Proteine - Phagozytose von Bakterien - Ca2+-abhängige Bindung Fc-Rezeptoren Dectin-1: Auf Phagozyten pilzliche Glucane (β-1,3, β-1,6) Binden den konstanten Teil (Fc) der Antikörper DC-Sign: Auf dendritischen Zellen Phagozytose mit Antikörpern opsonierten Pathogenen Endozytose von HIV, H. pylorii, C. albicans, Leishmania Mannose Rezeptor (MR): terminale Mannose, Fucose oder N-Acetylglucosamin auf mikrobiellen Polysacchariden oder Glykoproteinen Makrophage Scavenger (SR-A) - dsRNA, LPS, LTA - polyanionische Moleküle - Schutz gegen HSV, Malaria Beispiele FCαRI => Bindung von IgA FCγRI => Bindung von IgG1 13 Sezernierte PRRs In Körperflüssigkeiten und an Grenzschichten zur Umwelt Akute Phase Proteine, die im Zuge einer Infektion produziert werden Extrazelluläre PRR Opsonisieren von Pathogenen Komplementaktivierung Fikoline Kollektine • Effektorfunktionen durch Kollagen-ähnliche Domänen Bilden ähnliche Komplexe wie die Kollektine • Binden Ca2+-abhängig an Glykostrukturen auf Bakterien, Viren und Pilzen Beispiele für Kollektine Unterschied zu Kollektinen: Kohlenhydratbindung Ca2+-unabhängig SP-A und SP-D: Surfactant Proteine der Lunge MBL: Mannose bindendes Lektin Nachgewiesene Bindung an Candida Aspergillus Allergene HIV RS-Virus E. coli 3 humane Fikoline beschrieben: H-Fikolin: Zuckerspezifität GlcNac, GalNac, Glukose L-Fikolin: Zuckerspezifität GlcNAc M-Fikolin: Zuckerspezifität GlcNAc Aspergillus Mycoplasmen 14 Pentraxine Akute-Phase Proteine und Entzündungsmarker im Serum Mensch: C-reaktives Protein = CRP Maus: Serum Amyloid Protein = SAP CRP und SAP binden an Phosphorylcholin in bakteriellen Zellmembranen • Wirken als Opsonin • Aktivieren Phagozytose 15
