B-ZELLEN und ANTIKÖRPER Vorlesung 2

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Vorlesung Immunologie 6. Semester Humanmedizin
B-Zellen und Antikörper
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B-ZELLEN und ANTIKÖRPER
Vorlesung 2
Antigen
1. Antigene Determinanten
Begriffe
¾ Antigene sind Moleküle, die von den spezifischen Rezeptoren der B- oder TZellen erkannt werden. Sie unterscheiden sich in Bezug auf ihre
Immunogenität. Diese wird beeinflusst durch : Molekülmasse, Molekülstruktur,
Verweildauer und Prozessierbarkeit des Antigens in APC.
¾ B-Zellepitope liegen bevorzugt in hydrophilen Regionen auf der Oberfläche
nativer Antigene.
T-Zellepitope entstehen erst durch Prozessierung und müssen nicht auf der
Oberfläche eines Antigens lokalisiert sein. Haptene sind inkomplette Antigene.
Isoliert sind sie nicht immunogen, obwohl sie eine antigene Determinante
darstellten, wenn das Hapten an ein größeres immunogenes Träger-Molekül
gekoppelt wird.
2. Sequenz- und Konformations-Epitope
¾ B-Zellepitope können sequenziell definiert sein, oder als KonformationsEpitope vorkommen, die sich erst durch eine räumliche Gruppierung ergeben.
Antikörper
1. Struktur der Immunoglobuline
Domänen
¾ Antikörper gehören zur Molekül-Familie der Immungobuline (Ig).
Ein Molekül besteht aus zwei identischen leichten Ketten (L) und zwei
identischen schweren (H) Ketten.
Jede Kette besitzt eine amino-terminale variable (V) Region, an die sich eine
konstante (C) Region anschließt.
Fragmente
¾ Durch enzymatische Fragmentierung (F) können Antikörper in ihre
Bestandteile zerlegt werden.
Emmrich, 2007
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Differente H- und L-Ketten
¾ Die konstante Region besteht bei jedem Antikörper aus einer von fünf HKetten-Sequenzen (µ, γ, δ, α, ε), den sogenannten Isotypen und einer von
zwei L-Ketten-Sequenzen ( k,l ). Die H-Ketten-Isotypen bestimmen die Klasse
des Antikörpers (IgM,IgG,IgD,IgA,IgE). Bei IgG (IgG1-4) und IgA ( IgA1 und
IgA2) gibt es darüber hinaus Ig-Subklassen. Die H-Ketten von IgM und IgE
besitzen je 5 Domänen, diejenigen von IgG, IgD und IgA jeweils 4.
2. Isotyp, Allotyp, Idiotyp
Jeweils Gesamtheit aller Isotope, Allotope, Idiotope, deren jedes durch einen
monoklonalen Antikörper definiert ist.
¾ Immunglobuline besitzen selbst auch antigene Determinanten, über die sie
charakterisiert werden können. Die Gesamtheit der jeweiligen
Determinanten bildet den „Typ“.
¾ Allotypen finden sich beim Menschen bei allen vier IgG Subklassen, bei der
IgA2-Subklasse und bei der κ–Kette. Die Gm- Allotypen waren früher für
forensische Untersuchungen sehr wichtig.
¾ Idiotope charakterisieren Unterschiede in der variablen Region bei gleichem
Iso- und Allotyp.
3. Antigenerkennung durch den V-Teil
Hypervariable Regionen
¾ Innerhalb der V-Regionen von Antikörper-Molekülen finden sich auffällige
Bereiche, in denen die Aminosäure-Sequenzen stark variieren, hypervariabel
sind. Diese Bereiche determinieren die Bindungseigenschaften des
Antikörpers = CDR complementarity determining region
CDRs
¾ Die Domänen von Immunglobulinen besitzen eine charakteristische
Tertiärstruktur, die sich auch bei vielen Molekülen findet, die keine Antikörper
sind.
¾ Jede H- und jede L-Kette besitzt innerhalb ihrer V-Region drei
complementarity dertermining regions (CDRs), von denen Antigenbindung
und damit die Spezifität des Antikörpers bestimmt werden.
Antigen-infuzierte Konformationsänderung
¾ Antigenbindung löst Konformationsänderungen im Immunglobulin-Molekül
aus.
Emmrich, 2007
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4. Funktionen des konstanten Teils
Aufbau
¾ Die wesentlichen Ig-Klassen unterscheiden sich neben den Isotypen auch im
Vorkommen der hinge-Regionen, die für besondere Flexibilität des Moleküls
sorgen, bei IgE und IgM aber fehlen. IgA (Dimer) und IgM (Pentamer)
kommen als Polymere vor.
Sekretorisches IgA
¾ Täglich werden 5 – 15 g sekretorische IgA in den Schleimhäuten
produziert. Im Jejunum finden sich mehr IgA-sezernierende Plasmazellen als
die Gesamtzahl aller Plasmazellen in Knochenmark, Lymphsystem und Milz
zusammen beträgt.
¾ Sekretorisches IgA besteht aus zwei IgA-Molekülen, die kovalent
miteinander über eine J-Kette verbunden sind und somit ein Dimer bilden. Mit
Hilfe eines Rezeptors für polymeres Immunglobulin (Poly-Ig-Rezeptor,
bestehend aus fünf ig-ähnlichen Domänen) wird IgA (auch ein wenig IgM) an
die
„Innenseite“
von
Schleimhaut-Epithelzellen
gebunden
und
hindurchgeschleust in das Darmlumen, wobei der Rezeptor abgespalten und
als sekretorische Komponente an das nun vollständige „sekretorische IgA“
angefügt wird. Dieses bildet einen Protease-resistenten „Schutzfilm“ im Darm.
Übersicht
IgG
Wichtigste Immunglobulinklasse, als Monomer sezerniert,
plazentagängig, vielfältige Wirkung auf Zellen über Fc-Rezeptoren
IgM
Membranständiger Antigenrezeptor, als Pentamer sezerniert (verknüpft
mit einer J-Kette), wird früh gebildet, effektiver Agglutinator, effiziente
Komplementaktivierung
IgD
Membranständiger Antigenrezeptor und sezerniertes Monomer
IgA
wird hautpsächlich im Darm gebildet und vermittelt die Schleimhautimmunität (Transzytose), in Körpersekreten als Dimer (mit J-Kette),
liegt im Serum hauptsächlich als Monomer vor
IgE
Verschwindend geringe Konzentration, aber wichtig für Aktivierung von
Mastzellen und Basophilen, Typ 1 Allergie- und Parasitenabwehr
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Tabellarische Übersicht der Subklassen
Funktion
IgG
IgG1
IgM
IgG2 IgG3 IgG4
IgA
IgD
IgE
IgA1 ÎgA2
Aktiviert klassischen
Komplementweg
Aktiviert alternativen
Komplementweg
Plazentatransfer
+
+/-
++
-
+++
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+
-
-
-
+
+/-
+
+
-
-
-
-
-
Mucosatransfer
-
-
-
-
+
++
++
-
-
Bindung an FcRezeptoren auf
Phagozyten
Membran-Ig auf
B-Zellen
++
+/-
++
+
-
-
-
-
+/-
-
-
-
-
+
-
-
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+++
Mastzelldegranulation
Antigenrezeptor der B-Zellen
1. Beobachtung des B-Zellrezeptors
¾ Antikörper können als sezernierte Moleküle in Körperflüssigkeit vorkommen,
aber auch membranständig als Antigenrezeptoren der B-Lymphozyten
(Menbran-mIgM/oder mIgD)
2. Aufbau des B-Zellrezeptors
¾ Der B-Zellrezeptor (BCR) für Antigen besteht neben mIgM oder mIgD aus
weiteren nicht-kovalent gebundenen Molekülen (Igα/Igβ), die für die
Signaltransduktion durch ITAM benötigt werden.
Antikörpervielfalt
1. Rezeptor/Antigen-Repertoire
¾ Frühe Ansätze zur Erklärung der Antikörpervielfalt und der Entstehung eines
hinreichend umfassenden Rezeptor-Repertoires haben vor 30 Jahren zwei
Hypothesen hervorgebracht: Keimbahnhypothese und Mutationshypothese.
Von den Hypothesen wurde gefordert, dass sie die Entstehung von mehr als
einer Million unterschiedlicher Antikörper/Rezeptoren zu erklären vermögen.
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2. Genumlagerung erzeugt Diversität
Entdeckung
¾ Prinzip des Schlüsselexperiments (S. Tonegawa) für die Entdeckung der
Immunglobulin-Genumlagerung (rearrangement) auf DNA-Ebene während der
Ontogenese einer B-Zelle.
Beispiel einer L-Kette
¾ Genumlagerung, Transkription mit Spleißen der RNA und Proteinsynthese am
Beispiel der Igκ L-Kette bei der Maus.
Beispiel einer H-Kette
¾ Genumlagerung,
Transkription
mit
Spleißen
Proteinsynthese bei der Igµ H-Kette der Maus
der
RNA
und
Rekombinationsmechanismus
¾ Flankierende Intronsequenzen neben den Gensegmenten werden durch
spezielle Enzyme (Rekombinasen) erkannt, die das schleifenförmige
Auskoppeln unterschiedlich langer Nukleotid-Sequenzen besorgen und die
Gensegmente neu zusammenfügen.
Heptamer-Nonamer-Regel :
1. basengepaartes Heptamer
2. Zwischenstück (Spacer) von 12
3. basengepaartes Nonamer
bzw. 23 einzelnen Basen
3. Diversität durch weitere Mechanismen
Junktionale Diversität
¾ Im gezeigten Beispiel gehen bei der Verbindung („joining“) von V-J KeimbahnGensegmenten einige Nukleotide verloren, so dass unterschiedliche BasenTriplets und entsprechend diverse Aminosäuresequenzen entstehen.
P- und N-Nucleotide
¾ Während der Genumlagerung für das D-J joining bilden sich an den Enden
spezielle Strukturen in Form einer Haarnadel ( hairpin ) aus. Bleiben diese
Enden offen, so ergibt sich die Möglichkeit zur Vervollständigung des
Palindroms sogenannte P-Nukleotide einzufügen.
Darüber hinaus kann die terminale Transferase auch neue Nucleotide (NNukleotide) einfügen.
Emmrich, 2007
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Somatische Hypermutation
¾ Somatische Hypermutation löst eine Affinitätsreifung der B-Zell-Rezeptoren
und Antikörper aus. Dieses Phänomen findet sich im Verlauf der
Immunantwort nur bei B-Zellen, nicht aber bei T-Zellen.
Übersicht Diversitätsmechanismen der B-Zellen
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Kombinatorisches V-(D)-J joining
Junktionale Diversität
P-Nucleotid Einfügung
N-Nucleotid Einfügung
Somatische Hypermutation
Verschiedene Keimbahngene
Kombinatorische Assoziation von H- und L-Ketten
Berechnung der möglichen Diversität
¾ Kalkulation der möglichen Antikörper-Vielfalt (Mensch)
Damit ergeben sich 109 – 1011 verschiedene Varianten.
Entwicklung der B-Zellen
1. Differenzierungsstufen
¾ B-Zellen werden lebenslang im menschlichen Knochenmark aus Stammzellen
gebildet. Die Stammzellen benötigen Kontakt zu Stromazellen und Zytokine
(IL-7) für die Reifung.
B-Zellen sind durch charakteristische Marker wie CD 19, 20, 21 erkennbar.
Man unterscheidet verschiedene Reifungsstufen in Bezug auf die funktionelle
Kompetenz. Frühe B-Zellvorläufer, Frühe Pro-B-Zelle (D-J), späte Pro-B-Zelle
(V-DJ), Prä-B-Zelle (VDJ, intrazellulär µ) unreife B-Zelle (mIgM), reife B-Zelle
(mIgM, mIgD).
¾ Ohne Antigenkontakt durchlaufen die frühen B-Zellformen sequentielle IgGenumlagerungen. Jede intakte Ig-Kette gibt nach ihrem Entstehen der Zelle
ein Signal, die Umordnung des Gensegmentsatzes einzustellen, aus dem sie
selbst stammt (allelic exclusion). Damit sind die Voraussetzungen für klonale
Selektion gegeben, die durch den Kontakt mit Antigen eingeleitet wird.
2. Allele Exklusion
¾ Allele Exklusion beschreibt ein Phänomen, mit dem gesichert wird, dass
eine B-Zelle (und ihre unmittelbaren Nachkommen) nur eine Spezifität
aufweisen.
Unmittelbar nach einer produktiven Genumlagerung von VL-JL oder VH-DH-JH,
d.h. sobald ein Protein entsteht, wird die Genumlagerung auf dem anderen
Chromosom gestoppt. Der Prozess verläuft als Kaskade von L- zu H-Ketten
Genen.
Der Mechanismus liefert die Voraussetzung für die klonale Selektion von
Immunzellen.
Emmrich, 2007
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3. Antigen-unabhängige Reifung
¾ Die Reifung des Immunsystems verläuft in zwei Phasen. Die erste Phase ist
unabhängig von „Fremd“- Antigen und spielt sich in den primären
lymphatischen Organen ab. Die zweite Phase wird bestimmt durch „Fremd“Antigene und die klonale Selektion von Lymphozyten in den sekundären
lymphatischen Organen.
¾ Autoantigene im Knochenmark können zu Inaktivierung (klonale Anergie)
oder Eliminierung (klonale Deletion) von unreifen B-Zellen führen.
Monoklonale Antikörper
1. Herstellung
¾ Zur Herstellung von Hybridomen wird eine immortalisierte B-Zell-Linie
verwendet, die einen enzymatischen Defekt aufweist (HGPRT-). Demzufolge
kann diese Zelle nicht mehr auf den Nebenweg der Nukleotid-Synthese
ausweichen, wenn der Hauptweg „vergiftet“ wird.
Daher können die nicht fusionierten Zellen der HPRT- -Zelllinie nicht
überleben. Es überleben nur fusionierte Zellen, die kloniert und für Spezifität
und verschiedene Eigenschaften selektiert werden.
¾ Monoklonale Antikörper sind weit über das Fach Immunologie hinaus
als „Werkzeuge“ in Diagnostik und Therapie unverzichtbar geworden.
2. Anwendungen
A. Target : Lösliche Moleküle (z.B. Zytokine, Hormone, Enzyme)
1. Diagnostik
- qualitativer Nachweis im Schnelltest
- Konzentrationsbestimmung (RIA, ELISA)
2. Therapie
- Neutralisation
B. Target : Zelloberflächenmoleküle (erstmals möglich geworden)
1. Diagnostik
- Zytoflurometrie
- Histologie
- Imaging
2. Therapie
- Zytotoxizität
- Immunmodulation
VORTEILE
1. Hohe Spezifität für (A) ein Zielmolekül oder (B) ein Ziel-Epitop (besonders wichtig
für Erkennung von Zelloberflächenmolekülen)
2. Bekannte (auswählbare) Affinität
3. Bekannter (auswählbarer) Isotyp
4. Standardisierbare Massenproduktion
Emmrich, 2007
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