B-Zellen und Antikörper

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B-Zellen und Antikörper
Bakk-Modul Immunologie
Prof. Dr. Albert Duschl
Überblick
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B-Zellen gehören zu den
Lymphozyten. Sie
entstehen im Knochenmark
und werden durch Kontakt
ihres B-Zell Rezeptors mit
einem hochaffin bindenden
Antigen stimuliert.
Ihre Hauptfunktion ist die
Produktion von Antikörpern.
Als Antikörperproduzierende, aktivierte
Zellen nennt man sie auch
Plasmazellen.
© Abbas: Cellular and Molecular Immunology
B-Zell Gedächtnis
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B-Zellen reifen in den B-Zell
Follikeln, strukturierten
Regionen der Lymphknoten
in denen B-Zellen aktiviert
werden und proliferieren.
Memory-B-Zellen können
bereits in den Follikeln
entstehen, oder später als
langlebige Plasmazellen.
Unabhängig vom
Entstehungsort gilt: Stark
stimulierte B-Zellen werden
später zu Memory-Zellen.
Man weiß dass diese im
Menschen mindestens 90
Jahre bestehen können.
© Kurosaki et al., Nature Reviews Immunology 15:149-159 (2015) doi:10.1038/nri3802
T-B connection
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B-Zellen werden von T-Helferzellen
aktiviert. Antigenbindung alleine
genügt für eine naive (naïve) B-Zelle
also meist nicht zur Aktivierung: Es
könnte sich um Self handeln.
Ähnlich wie T-Zellen proliferieren BZellen nach Aktivierung (klonale
Expansion) und differenzieren dabei
in Antikörper-produzierende
Plasmazellen.
Sie haben 108-1011 unterschiedliche
B-Zellen (Schätzungen schwanken
stark), also sogar etwa eine Größenordnung mehr als T-Zellen. Frage:
Warum haben Sie nicht von beiden
1020? Wäre das besser?
Wofür das ganze?
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Antikörper wurden zuerst als „Antitoxine“
beschrieben, weil man durch bakterielle
Toxine eine starke humorale Immunantwort
herorrufen konnte. 1891: Erste erfolgreiche
Diphterietherapie mit Schaf-Serum.
Sie können Pathogene u.a. durch
Neutralisierung, Opsonisierung und
Complement-Aktivierung angreifen.
© Janeway: Immunobiology
© Deutsche Bundespost, 1954
Biochemistry reloaded
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Antikörper bestehen aus 4 Protein-Untereinheiten
(Ketten), gehören also zu jenen Proteinen die nur im
Komplex funktionell sind und daher eine Quartärstruktur
besitzen.
Zwei schwere Ketten (heavy chains) und zwei leichte
Ketten (light chains) bilden einen kompletten Antikörper.
Die beiden schweren und leichten Ketten eines
Antikörpers sind jeweils identisch.
Die vier Ketten des Antikörpers werden durch
intermolekulare Disulfidbrücken zusammengehalten.
Die Struktur ist aus Domänen aufgebaut. Der abgebildete
Antikörper hat vier Domänen pro schwere Kette (es gibt
auch welche mit fünf) und zwei Domänen pro leichte
Kette. Die einzelnen Domänen werden durch
intramolekulare Disulfidbrücken stabilisiert.
© Janeway et al: Immunobiology
Biochemistry reloaded II
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Die Domänen der Antikörper sind untereinander alle
ähnlich. Die Tertiärstruktur ist von ß-Faltblättern
dominiert. Jede Domäne besteht aus einem „Sandwich“
von zwei ß-Faltblättern.
Domänen haben oft etwas mit einer konservierten
Funktion zu tun. Die hier vorhandene Art von Domäne
findet sich vorwiegend in Proteinen die mit
Protein/Protein-Wechselwirkung zu tun haben. Die von
Antikörpern erkannten Antigene sind überwiegend
Proteine.
Antikörper sind recht stabile Proteine (energetisch
günstige Eigenschaften der ß-Faltblätter, Disulfidbrücken).
Eine flexible Region (Hinge) lässt Y-förmige oder Tförmige Gestalten zu.
© Janeway et al: Immunobiology
Klassengesellschaft 1
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Die fünf Antiköperklassen (alphabetisch):
IgA, IgD, IgE, IgG, IgM
Alle Antikörper haben die gleiche Grundstruktur,
beachten Sie aber folgende Besonderheiten:
IgM kann als Pentamer vorliegen. Die 5
einzelnen Antikörpermoleküle werden dabei von
einer J-Kette zusammengehalten. IgM hat in
diesem Zustand also 10 Antigenbindungsstellen.
IgA kann als Dimer vorliegen. Auch hier gibt es
eine spezielle J-Kette.
IgE und IgM haben jeweils eine zusätzliche
Domäne im konstanten Teil, also 4 konstante
Domänen, nicht 3 wie bei IgG, IgD und IgA.
© Wood: Understanding Immunology
Klassengesellschaft 2
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Die schweren Ketten werden mit den
griechischen Buchstaben bezeichnet,
wobei es von g 4 und von a 2 Varianten
gibt.
Die leichten Ketten sind k oder l, aber
beide Typen assoziieren sich mit jeder
beliebigen schweren Kette.
Grosse Unterschiede gibt es bei den
Serumkonzentrationen: IgG und vor
allem IgG1 sind in der grössten
Konzentration vorhanden. IgE ist bei
weitem der am wenigsten produzierte
Antikörper.
© Wood: Understanding Immunology
B-Zell-Rezeptor
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Der B-Zell-Rezeptor (BCR) ist eine
membrangebundene Form des Antikörpers
den die Zelle – in Bezug auf ihre
Antigenspezifität – produzieren kann:
Ein Ausbund ihrer Fähigkeiten.
IgM und IgD können beide diese Rolle
übernehmen. IgM spielt danach in der
primären Immunantwort eine entscheidende
Rolle weil es rasch, in grossen Mengen und
mit günstigen Bindungseigenschaften
(Pentamer!) produziert werden kann.
Die Bedeutung von löslichem IgD ist unklar:
Es kommt in geringen Mengen vor, wird
rasch abgebaut und ist nach der primären
B-Zell-Aktivierung nicht mehr wichtig.
Die Signalübertragung des BCR ist ähnlich
zu der des TCR.
© Wood: Understanding Immunology
Membran /Serum
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Als BCR muß IgM eine
Transmembrandomäne besitzen. Daneben
gibt es noch einen sehr kurzen
intrazellulären Anteil.
Durch differenzielles Splicing der hnRNA
werden unterschiedliche mRNAs hergestellt:
Nach Zellaktivierung wird der
Transmembrananteil herausgespleißt und
ein kurzer C-terminaler Anteil angefügt der
sich für die lösliche Form eignet.
Das Membranprotein und die lösliche Form
haben die gleiche Antigenbindungsdomäne.
Nicht verwechseln: Antikörper als
Membranprotein ≠ Antikörperrezeptor in der
Membran.
© Wood: Understanding Immunology
Class act
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B-Zellen erhalten von TH nicht nur das
Proliferations- und Aktivierungssignal,
sondern auch spezifische Signale die
bestimmen welche Klasse von
Antiköpern gebildet wird.
T und B lagern sich eng zusammen
(immunologische Synapse),
rearragieren ihr Cytoskelett (gezeigt
durch das Cytoskelettprotein Talin) und
die Sekretion über den Golgi-Apparat
verläuft gerichtet zur Synapse.
Im gezeigten Fall lässt sich in der
Synapse IL-4 nachweisen das von TH
produziert wird. IL-4 ist eines der
Cytokine das Klassenwechsel induziert,
in diesem Fall wäre es zu IgE.
© Janeway: Immunobiology
Class act
© Paul: Fundamental: Immunology
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Hinter dem Genabschnitt der für die (variable) Antigenbindungsdomäne codiert
liegen die Gene für die konstanten Teile der schweren Ketten aufgereiht.
Die ψ-Gene sind Pseudogene.
Die schweren Ketten von Maus und Mensch sind nicht immer homolog. Dem Maus
IgG1 entspricht am ehesten das IgG4 des Menschen, nicht das IgG1.
Der Klassenwechsel von einem Isotyp zum anderen erfolgt nicht durch differentielles
Splicing. Das ist hier ein ganz anderer Vorgang als beim Wechsel von Membran-IgM
zu löslichem IgM. Nicht verwechseln!
Class switching
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Zwischen den Genen für die schweren
Ketten liegen Switch (S) Sequenzen mit dem
Konsens (GAGCT)n(GGGGT) wobei „n“
meist bei 2-5 liegt, aber auch bis 17 gehen
kann.
Bei Aktivierung des Switch Mechanismus
durch geeignete Cytokine und Cosignale
(wieder mal das 2-Signal Prinzip) kommt es
zur chromosomalen Rekombination.
Switching (hier zu IgE) bedeutet daß die
dazwischen ligenden DNA-Abschnitte
chromosomal herausgeschnitten werden.
Dabei entsteht ein ringfömiges DNA Produkt
das abgebaut wird. Eine B-Zelle kann
mehrfach switchen, aber nie zurück: Wenn
eine Zelle IgE produziert kann sie nicht zu
IgG zurückgehen: Die betreffenden DNAAbschnitte sind weg.
© Paul: Fundamental: Immunology
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Die Vielfalt der antigenbindenden
Domänen entsteht während der
Differenzierung im Knochenmark durch
die Rekombination von jeweils vielfach
vorhandenen V, D und J Abschnitten
(variable, diversity, joining). Bis auf
jeweils eine ausgewählte Kopie gehen
die anderen Abschnitte chromosomal
verloren.
Die VDJ Rekombination erfolgt zufällig.
Die Zelle „weiß“ nicht wie ein Antigen
aussieht: Die meisten Antikörper werden
nie an ein Antigen binden.
Die am nächsten zu VDJ liegenden
Ketten sind µ und d: Von der Funktion als
BCR her verständlich.
TCR Variabilität wird über ähnliche
Mechanismen erreicht.
© Abbas: Cellular and Molecular Immunology
RAG, TdT
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Es gibt weitere Methoden zur Herstellung von Diversität:
Der RAG Proteinkomplex (Recombination Activating Proteins)
spaltet den Hairpin (der als Vorstufe des Kreises entsteht) an
Zufallsstellen. Damit können zusätzliche Nukleotide erhalten
bleiben die ursprünglich in der DNA zueinander komplementär
waren und daher ein Palindrom bilden (P-Nukleotide).
Terminale Deoxynucleotidyl Transferase (TdT) fügt zufällige
Nukleotide am Ende von einzelsträngigen Segmenten an
(N-Nukleotide).
Beide Mechanismen können Frameshifts hervorrufen. In diesem
Fall kann kein funktioneller Antikörper hergestellt werden und
die B-Zelle wird während der Differenzierung im Knochenmark
in Apoptose geschickt.
© Janeway: Immunobiology
Adaptation
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Aktivierte B-Zellen entwickeln sich
weiter:
Somatische Hypermutation der V
Regionen: Es entstehen während der
Immunantwort neue Varianten.
Affinity Maturation: Überleben der am
stärksten Antigen-bindenden B-Zellen.
Klassenwechsel: Anpassung an die
spezifische Pathogensituation.
Man muß sich halt ständig weiter
entwicklen.
© Errol Fuller: Extinct Birds
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