T-ZELLEN, ANTIGENPRÄSENTATION und MHC Vorlesung 3

Vorlesung Immunologie 6. Semester Humanmedizin
T-ZELLEN, ANTIGENPRÄSENTATION UND MHC
1/4
T-ZELLEN, ANTIGENPRÄSENTATION und MHC
Vorlesung 3
MHC--Restriktion bei T-Zell-Immunreaktionen
1. Erklärendes Beispiel
¾ Die antigenspezifische Abtötung von Virus-infizierten Zielzellen durch
zytotoxische T-Zellen (Tc) ist auf den MHC-Haplotyp des infizierten Tieres
beschränkt (restringiert), von dem die Zellen stammten. Dies gilt für sämtliche
T-Zell-Immunraktionen.
2. Darstellung des Prinzips
¾ Der T-Tellrezeptor (TCR) erkennt Antigen nur in Form von Peptiden, die ihm
gemeinsam mit Molekülen „präsentiert“ werden, die vom eigenen MHC(Gen)komplex kodiert werden.
Haupt-Histokompatibilitäts-Komplex (MHC)
1. Genomische Organisation
¾ Der major histocompatibility complex (MHC) umfasst eine Kette eng
miteinander gekoppelter Gene (cross-over Frequenz nur 0,5 %), die für
Proteine kodieren (MHC-Moleküle), die bei Antigenpräsentation und
Antigenerkennung durch T-Zellen wichtig sind. Die genomische Organisation
der Loci des MHC bei Mensch und Maus ist gut bekannt. Der Komplex wird
speziesspezifisch HLA (Mensch) bzw. H-2 (Maus) genannt. Er wurde durch
systematische Auswertung von Hauttransplantaten bei Inzuchtmäusen
gefunden.
2
Alleler Polymorphismus
¾ Der MHC-Komplex ist poly-genisch, d.h. es existieren mehrere Genorte (Loci).
¾ MHC-Gene sind polymorph, d.h. für jeden Gen-Locus existieren viele Allele.
¾ Wegen der engen Kopplung der Gene werden die meisten Allel Kombinationen als „set“ (genannt Haplotyp ) vererbt.
¾ Alle Allele werden ko-dominant vererbt und die Nachkommen sind für die
meisten Loci heterozygot, so dass ihre Zellen beide Allele exprimieren.
3. MHC I und II – Moleküle
¾ Klasse I Moleküle bestehen aus einer Glycoprotein-Kette mit drei extrazellulären Domänen und einem Transmembran-Segment. β2-Microglobulin ist
nicht-kovalent als einzelne Domäne assoziiert.
¾ Klasse II Moleküle bestehen aus zwei nicht-kovalent assoziierten Glycoproteinen (α undβ), die durch separate Gene kodiert werden.
¾ Auch MHC-Moleküle zeigen hypervariable Regionen in den distalen
Domänen.
4. Bindung von Peptiden
¾ Konservierte Peptid-„Motive“ sind für die Bindungseigenschaften der Peptide
in den distalen „Bindungsgruben“ der MHC Klasse I und II Moleküle
verantwortlich.
Emmrich, 2007
Vorlesung Immunologie 6. Semester Humanmedizin
T-ZELLEN, ANTIGENPRÄSENTATION UND MHC
2/4
Intrazelluläre Antigenprozessierung
1. Zelluläre Transportvesikel
¾ Man unterscheidet:
Endogene (cytosolische) Antigene/Pathogene
Alle Viren und einige Bakterien, Autoantigene.
Exogene (endosomale/vesikuläre) Antigene/Pathogene
In angesäuerten Vesikeln sind die meisten Erreger nicht lebensfähig.
Aufgenommen werden auch Bruchstücke extrazellulärer Erreger.
Innerhalb angesäuerter Vesikel lebens- und vermehrungsfähig sind einige
Bakterien und Parasiten z.B. Mycobakterien und Leishmanien.
2. Peptidtransport endogener Antigene
¾ Endogen synthetisierte Proteine (einschließlich viral kodierter Antigene)
werden nach ihrer Degradation (durch Proteasome) über selektive
Transportersysteme (TAP) in das ER geschleust und an MHC Klasse I Moleküle gebunden („eingelagert“), bevor sie an die Zelloberfläche
transportiert werden. TAP = Transporter associated with Antigen Processing.
3. Degradation und Transport exogener Antigene
¾ Exogen internalisierte Antigen-Proteine werden im sauren Milieu der
Endosome zu Peptiden degradiert, die im Austausch gegen die invariante
Kette, assistiert von HLA-DM, in MHC Klasse II-Moleküle eingelagert und mit
ihnen an die Zelloberfläche transportiert werden.
4. Antigenprozessierung/Übersicht
¾ Der T-Zellrezeptor erkennt ein Antigenpeptid, das mit MHC-Molekülen ein
gemeinsames Peptid/MHC-Epitop auf der Oberfläche von Antigenpräsentierenden Zellen (APC) bildet.
¾ Antigenpeptide stabilisieren die MHC-Moleküle. Wegen ihrer relativ niedrigen
Affinität (KD = 10-6 M) sind sie gegen ähnliche „Passstücke“ austauschbar.
¾ Entsprechend der Herkunft der Antigenproteine unterscheiden sich die
intrazellulären Wege der Zerlegung (Prozessierung) und AntigenPräsentation.
Antigenrezeptor der T-Zellen
1. Aufbau des T-Zellrezeptors
¾ Struktur
Der T-Zellrezeptor (TCR) für Antigen besteht neben den Ig-ähnlichen Ketten α
und β mit je zwei Domänen aus weiteren nicht-kovalent gebundenen
Molekülen (γ, δ, ε, ξ), die für die Signaltransduktion durch ITAM benötigt
werden.
¾ Genomische Organisation
Die genomische Organisation der beiden Ketten des TCR gleicht sehr dem
BCR.
¾ Genumlagerung
Die mögliche Rezeptorvielfalt ist für TCR größer als für BCR.
Emmrich, 2007
Vorlesung Immunologie 6. Semester Humanmedizin
T-ZELLEN, ANTIGENPRÄSENTATION UND MHC
3/4
Antigenpräsentation für T-Zellen
1. MHC-restringierte Antigenerkennung
¾ Prinzip
Der Antigenrezeptor der T-Zellen ist (im Gegensatz zum BCR) nicht in der
Lage, natives Antigen zu erkennen. Sein Epitop wird gebildet durch Anteile
eines Antigenpeptids und eines MHC-Moleküls.
¾ Bindungszonen
Das Epitop wird durch kurze Antigen-Peptidsequenzen gebildet, die nur im
Zusammenhang mit weiteren Bindungszonen auf der Oberfläche von
autologen MHC-Molekülen (Klasse I oder II) erkannt werden. TCR α- und βKette, MHC-Molekül und Peptidantigen bilden einen Komplex bei der
Antigenerkennung.
¾ Die erste und zweite hypervariable Region (CDR1,2) des TCR tritt mit den αHelices der MHC-Moleküle in Kontakt, die Region mit der größten Variabilität
(CDR 3) mit dem Antigenpeptid.
¾ Peptid und Nicht-Peptid-Antigene
Selbst Metallionen (z.B.Nickel), die an Proteine angelagert werden und diese
modifizieren, können auf diese Weise T-Zellepitope erzeugen (Nickelallergie) !
2. MHC und Korezeptoren CD4/CD8
¾ CD4 besitzt Affinität für MHC II – Moleküle. Daher erkennt der T-Zell-rezeptor
von CD4+-T-Zellen Peptid/MHC Klasse II - Epitope, seine Erkennungsfunktion
ist MHC II-“restringiert“.
¾ CD8 besitzt Affinität für MHC I – Moleküle. Daher erkennt der T-Zell-rezeptor
von CD8+-T-Zellen Peptid/MHC Klasse I - Epitope, seine Erkennungsfunktion
ist MHC I-“restringiert“.
¾ T-Zellen exprimieren außer den Korezeptoren CD4 und CD8 weitere
Membranmoleküle wie CD2, LFA – 1, CD 28 und CD45, die Hilfsfunktionen
bei der Zell-Triggerung übernehmen.
3. Peptid/MHC und TCR-Interaktion
¾ Für die Stimulation einer T-Zelle sind nur wenige T-Zellrezeptoren erforderlich
(ca. 100 oder weniger, obwohl ca. 5 x 104 Rezeptoren pro Zelle vorhanden
sind) und dementsprechend wenige Peptid/MHC-Epitope auf der Antigenpräsentierenden Zelle.
¾ Die Affinität des T-Zellrezeptors ist sehr gering und die Bindung von T-Zelle
und APC erfordert daher Ko-Rezeptoren und weitere akzessorische Moleküle.
4. Antigen-präsentierende Zellen (APC)
¾ B-Zellen
¾ Monozyten, Makrophagen
¾ Dendritische Zellen (beste APCs) [Interdigitierende und Langerhans DC]
¾ Auch andere Zellen könnten unter Umständen Antigen präsentieren, wenn sie
aktiviert werden und HLA-Klasse-II-Moleküle exprimieren. Dies kann zu
Autoimmunkrankheiten führen.
¾ Zelltypische MHC-Expression
Alle kernhaltigen Zellen tragen MHC-I Moleküle. Am stärksten ist die
Expression auf hämatopoetischen Zellen. MHC-Klasse II-Moleküle kommen
nur auf wenigen Zelltypen vor, können jedoch bei einigen durch Zytokine (z.B.
Interferon γ) aufreguliert werden.
Emmrich, 2007
Vorlesung Immunologie 6. Semester Humanmedizin
T-ZELLEN, ANTIGENPRÄSENTATION UND MHC
4/4
Entwicklung der T-Zellen
1. Differenzierung im Thymus
¾ Immunkompetente TCR+, CD4+ oder CD8+ T-Zellen
Im Thymus erwerben unreife T-Vorläufer-Zellen den T-Zell-Rezeptor-komplex
(TCR/CD3) und die Differenzierungsmarker CD4 und CD8. Allerdings
verlassen weniger als 5% der entstandenen Zellen den Thymus als reife TZellen. Sie werden demnach in gewisser Weise selektiert.
¾ Zwei wichtige Fragen
Wie ist das Phänomen der MHC-Restriktion für T-Zell-Immun-Reaktionen
erklärbar ?
Und warum werden wir nicht alle angesichts dieser physiologischen
„Selbstreaktivität“ massiv von Autoimmunkrankheiten geplagt?
¾ Der Thymus als T-Zellsieb
Man nimmt an, dass der Thymus wie ein Sieb für reife T-Zellen wirkt und nur
bestimmte Zellen in die Peripherie entlässt. Das Sieb könnte zweistufig sein,
so dass zunächst nur Zellen passieren, die ein MHC-restringiertes Repertoire
ausgebildet haben (positive Selektion). Dann müssen allerdings noch
diejenigen Zellen ausgesiebt werden, die autologe Peptide erkennen
(negative Selektion).
2. Positive und negative Selektion
¾ Wahrscheinlicher Ablauf
Positive Selektion. Alle T-Zellrezeptoren die Peptid/MHC-Epitope im Thymus
erkennen, geben ihren T-Zellen damit ein (positives) Überlebenssignal. Alle
nicht derart ausgewählten T-Lymphozyten sterben im Thymus ab. Es entsteht
auf diese Weise ein MHC-restringiertes Repertoire, wobei nur Antigenpeptide
beteiligt sind, die im Thymus vorkommen.
Negative Selektion. Um die Überzahl der ausgewählten autoreaktiven und
daher potenziell gefährlichen T-Zellen zu eliminieren, werden sie - ebenfalls
im Thymus - selektiert. Es wird angenommen, dass hochaffin ligierte T-Zellen
eliminiert werden und nur niedrigaffin erkennende in die Peripherie gelangen.
Das MHC-restringierte Repertoire ist weitgehend von autoreaktiven Zellen
gesäubert.
CD4+-T-Zellen sind zumeist Helferzellen,
CD8+-T-Zellen überwiegend Killerzellen.
¾ Abschließende Betrachtung
Die Eigenschaft von CD4+ T-Zellen stets immer MHCII-restringiert zu
erkennen und von CD8+ T-Zellen immer MHCI-restringiert zu erkennen, wird
festgelegt, sobald der T-Zellrezeptor auf der Zelloberfläche erscheint und
Antigen-Peptid entweder zusammen mit MHC Klasse II - oder zusammen mit
MHC Klasse I - Molekülen erkennt.
Viele Immunologen gehen davon aus, dass die positive Selektion zuerst, d. h.
beim Eintritt der T-Zellen in die Thymusrinde (Cortex) durch Kontakt mit
Epithelzellen und die negative Selektion anschließend beim Durchwandern
des Markes (Medulla) durch Kontakt mit Knochenmark-abhängigen Zellen
stattfindet.
Emmrich, 2007