T-Zellen, T-Zell Rezeptor und MHC - Ruhr
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Seminar Modellstudiengang (Blut und Immunologie) Donnerstag10. November 2011 8:15-9:45 / 10:15-11:45 T-Zellen und APZ (Antigen präsentierende Zellen) Albrecht Bufe www.ruhr-uni-bochum.de/homeexpneu T-Zellen, T-Zell Rezeptor und MHC 1 T und B Zellen zirkulieren unablässig durch sekundäre lymphatische Organe T Zelle T Zellen finden Antigen auf Dendritschen Zellen Immunologische Synapse Aktiviert T Zelle 2 T-Zellrezeptor Ähnelt einem membranassoziierten Immunglobulin-Fab-Fragment a-Kette b-Kette Variable Region Kohlenhydrat Konstante Region Zellmembran Zytoplasmatischer Schwanz Disulfidbrücke Genomische Organisation des T-Zellrezeptors Lb 1 Vb 1 Lb Vb -52 Db1 Jb1 6 Cb1 Db2 Jb2 7 Cb2 b-Kette a-Kette La 1 Va 1 La Va 70-80 Ja 1-61 Ca 3 Immunglobulin- und T-Zellrezeptorvielfalt ab-Rezeptoren b a Immunglobuline H Element V-Segmente 51 69 52 ~ 70 D-Segmente ~ 30 0 2 0 selten - oft - J-Segmente 5 5 13 61 Verknüftungen mit N- und PNukleotiden 2 (1) 2 1 D-Segmente, in drei Rastern gelesen Anzahl der V-Genpaare 3519 3640 Verknüpfungsvielfalt ~ 1013 ~ 1013 Gesamtvielfalt ~ 1016 ~ 1016 T-Zellrezeptorkomplex TCR a-Kette b-Kette CD3 e CD3 d g e Zellmembran Signalübertragung 4 T-Zellrezeptorkomplex und TZell-Marker: Helfer-Zellen CD4 D1 TCR a-Kette b-Kette D2 D3 CD3 e CD3 d g e D4 Zellmembran Signalübertragung T-Zellrezeptorkomplex und TZell-Marker: Zytotoxische-Zellen CD8 TCR a-Kette b-Kette CD3 e a b CD3 d g e Zellmembran Signalübertragung 5 CD4 T-Zellrezeptorkomplex und TZell-Marker: Gedächtnis-Zellen CD45 D1 (RA) oder (RO) TCR a-Kette b-Kette D2 D3 CD3 e CD3 d g e D4 Zellmembran Signalübertragung Signaltransduktion D1 D2 D3 e d g e D4 Zellmembran Lck (Tyrosinkinase) Fyn Cluster Aktivierung Calcineurin ZAP-70 Transkriptionsfaktor NF-B Aktivierung RAS Ca2+ Zellkern Aktivierung IP3 (Inositoltriphosphat) 6 T-Zell Entwicklung T-Zellentwicklung Haut / Schleimhaut Lymphknoten Thymozyt Knochenmark TCR & CD3 7 T-Zellentwicklung Knochenmark Thymus Antigen-unabhängig Dendritische Zellen im Thymus Keimbahn Gen-Umordnung Stammzelle Pro-T-Zelle Thymus TCR & CD3 negativer Thymocyt TCR & CD3 positiver Thymocyt Blutbahn, Lymphknoten, Gewebe Auto-Antigen-abhängig MHC-abhängig Zytokin und DC-abhängig CD3,CD4,CD8-Thymozyt SELEKTION CD3 + CD4 oder CD8 T-Lymphozyt - SELEKTION Th1 oder Th2 / Tc1 oder Tc2 Aktivierung Selbstantigene MHC I oder II DC und Zytokine T-Zellentwicklung, Genarrangement und Signaling Doppelt positiv Doppelt negativ CD44+ CD25- CD44+ Pre TCR CD25+ CD3 CD8 CD4 Einfach positiv TCR CD8+ CD4+ D- Jß V- DJß V- Ja CD2 C-kit CD44 signaling adhesion CD25 IL-2 rec. CD3 signaling CD4 CD8 CD24 co-rec. unknown 8 Thymus Corticoepitheliale Zellen Thymozyten Niedrige Affinität, Überleben, Positive Selektion MHC I & II Cortex Keine oder hohe Affinität, Apoptose, Negative Selektion MHC I & II Niedrige Affinität, Überleben, Positive Selektion Medulla + Autoantigene Hohe Affinität, Apoptose, Negative Selektion Reifer Lymphozyt Dendritische Zellen MHC (Major Histocompatibility Complex) oder HLA (Human Leucocyte Antigen) 9 MHC I - T-Zellrezeptorkomplex Zellmembran a3 b2-Mikroglobulin MHC I a1 a2 Peptid TCR CD3 CD3 e g d e Zellmembran APZ Intrazelluläres Antigen (Virus) T-Zell-Peptide MHC 1 T-Zelle 10 Peptide des MHC MHC I MHC II MHC I - Peptide Peptide werden über unveränderliche und variable Kontaktstellen stabil an die MHC-Moleküle gebunden Teilweise gefaltetes MHC I a Kette bindet an Calnexin bis ß2-Mikroglobulin bindet MHC I a:ß2 Komplex löst sich von Kalnexin, bindet einen Komplex aus ChaperonProteinen (Calreticulin, Erp57) und bindet an TAP via Tapsin. Figure 5-6 part 1 of 2 11 TAP leitet ein Peptid weiter, dass an MHC I bindet und dessen Faltung vervollständigt. Dieses MHC I löst sich von TAP und wird exportiert. Zytosolische Proteine werden von Proteasomen (große multikatalytische Proteasen) zu Peptidfragmenten degradiert Figure 5-6 part 2 of 2 MHC II - T-Zellrezeptorkomplex Zellmembran a2 b2 a1 b1 MHC II Peptid TCR CD3 CD3 e g d e Zellmembran 12 APZ Extrazelluläres Antigen T-Zell-Peptide MHC 2 T-Zelle Antigen wird in ein intrazelluläres Vesikel aufgenommen In frühen Endosomen mit neutralem pH sind die Proteasen inaktiv. Figure 5-7 part 1 of 2 13 Ansäuerung der Vesikeln aktiviert die Proteasen zur Degradierung der Antigene in Peptidfragmente Vesikel mit Peptiden fusionieren MHC II Figure 5-7 partenthaltenden 2 of 2mitVesikeln. „Invariant chain“ (Ii) formt einen Komplex mit MHC II, blockiert die Bindung von Peptiden und miss-gefalteten Proteinen. Ii wird in einem sauren Endosom gespalten, lässt kurze Peptid-Fragmente zurück, CLIP, die immer noch an MHC II gebunden sind. Figure 5-10 part 1 of 2 14 Das endozytierte Antigen wird im Endosom ebenfalls zu Peptiden fragmentiert, CLIP-Peptide blockieren die Bindung der Antigen-Peptide. HLA-DM bindet an MHC II, dadurch Freisetzung von CLIP. Jetzt können andere Peptide, sprich AntigenPeptide binden. Transport des MHC II zur Zellmembran. Figure 5-10 part 2 of 2 Peptide an MHC II MHC I 15 Verteilung der MHC-Expression Gewebe MHC I MHC II T-Zellen +++ +++ B-Zellen +++ +++ Makrophagen +++ ++ Andere APZ +++ +++ Thymusepithelzellen +++ +++ Neutrophile +++ - ++ - - - Alle kernhaltigen Zellen Erytrozyten Antigen Immunisierung Haut / Schleimhaut Dendritische Zelle (APZ) Phagozytose 16 Phagozyten Makrophagen (im Gewebe (einkernig)) (Entwicklung) Monozyten (im Blut) • langlebig • bei Aktivierung werden Neutrophile Granulozyten = PMN=polymorphkernige neutrophile Leukozyten (nur im Blut, nicht im Gewebe) • kurzlebig Cytokine* und andere Mediatoren freigesetzt, die u.a. neutrophile Granulozyten anlocken *wichtig für lokale Entzündungsreaktionen und Vermittlung der induzierten, nichtadaptierten Reaktion Monozyten-/ MakrophagenSystems Gehirn MikrogliaZellen Alveolarmakrophagen Milzmakrophagen Blutmonozyten Leber KupfferStern- Zellen Niere Mesangiale Phagozyten Lymphdrüse residente und umlaufende Makrophagen Vorläufer im Knochenmark Osteoklasten Synoviale A-Zellen Pro Tag 100 g Granulozyten (ca. 1011 Zellen) 17 Pluripotente hämatopoetische Stammzelle KM Aktivierter Makrophage Blut Gewebe Myeloide Vorläuferzelle Monozyt Makrophage IFN-g (aus T-Zellen: CD4 und CD8; NK-Zellen) Neutrophile Zelle CSF and G-CSF M-CSF (aus Fibroblasten, Endothel- und Epithelzellen) (aus Fibroblasten, Endothel- und Epithelzellen) Phagozytose 18 PAMPs eines bestimmten Bakteriums binden z. B. an den Mannose-Rezeptor. Dies löst eine Phagozytose aus. Mannose-Rezeptor Umhüllung (Engulfment) des RezeptorBakteriumkomplexes 19 Bildung eines Phagosomen Lysosom (enthält Lysozym) Entstehen eines Phagolysosomen Lysosom (enthält Lysozym) 20 Lysozym verdaut Bakterienwand und die übrigen Anteile der Bakterienzelle durch saure Hydrolyse Intrazellulärer Verdau der Pathogene durch: Ansäuerung Toxische O2-Derivate Toxische Stickoxide Antimikrobielle Peptide Enzyme pH = 3,5-4, bakteriostatisch und bakterizid O2-(Superoxid), H2O2(Wasserstoffperoxid), 02(Singletsauerstoff), OH(Hydroxylradikal), OCl - (Hypohalit) Stickstoffoxid NO Defensine, kationische Proteine Lysozym - löst Zellwand einiger grampositiver Bakterien auf Saure Hydrolasen – zerkleinern Bakterien weiter Kompetitoren Laktoferrin – bindet Fe, Vitamin-B12-bindendes Protein 21 Opsonisierung Antikörper vermittelte Phagozytose 22 Antikörper vermittelte Phagozytose Pathogen Associated Molecular Pattern (PAMPs), Pathogen Pattern Receptors (PPRs) 23 Zwei Signalmodell Gefahrensignal (z.B. LPS) Antigen APC Naive T-Zelle PPR (pathogen pattern receptors) auf Makrophagen binden bakterielle und virale (Oberflächen)-Moleküle. (PAMPs = pathogen associated molecular pattern) Mannose-Rezeptor LPS-Rezeptor (CD14) CD11c/CD18 Toll-like-Rezeptoren Glykan-Rezeptor scavenger-Rezeptor Sialinsäure-Ligand 24 Toll-like Rezeptoren (und Signaltransduktion) C-type-lektine auf DCs und LCs 25 Eigenschaften der C-type-lektine auf DCs und LCs PAMPs sind: • Endotoxin (Lipopolysaccharid = LPS) auf gram-negativen Bakterien • Lipoteichonsäure auf gram-positiven Bakterien • Peptidoglykan in allen Zellwand tragenden Bakterien • Glykopeptan aus Mykobakterien • CpG-Nukleotide von bakterieller DNA • Doppelsträngige RNA (dsRNA) aus Viren 26 Architektur der Gram-negativen Zellhülle Lipopolysaccharid OmpA [LPS; ´Endotoxin´] OmpF/C FhuA Kapselpolysaccharide [ Enterobacterial Common Antigen Polysaccharide Surface Layer ´Lipoglycane´ Äußere Membran Phospholipid Periplasma Peptidoglycan Lipoprotein Innere Membran Phospholipid Proteine Cytoplasma Holst, O. et al. FZ-Borstel (2003) Struktur des Respiratorischen Syncytial Virus (RSV) 27 LPS LBP CD14 TLR4 LPS LBP CD14 TLR4 28 LPS LBP CD14 TLR4 LPS LBP CD14 TLR4 29 LPS LBP CD14 TLR4 IL-1 IL-8 TNF-a IL-6 IL-12 Fieber, T-Zell und Makrophagenaktivierung Anlocken von Neutrophilen und T-Zellen Lokale Entzündung, Gefäßerweiterung, Adhäsion von Thrombozyten Akute Phase Proteine, Wachstum B- und T-Zellen Differenzierung T-Zellen; Aktivierung NK-Zellen Komplementsystem 30 Antigenaufnahme Antigen Haut / Schleimhaut Dendritische Zelle (APZ) Komplementkaskade klassischer Weg Lektin Weg alternativer Weg Antigen-Antikörper Komplex Lektin bindet Mannose auf der Pathogenoberfläche Pathogenoberfläche C1, C4, C2 MBL-MASP, C4, C2 C3, B, D C3-Konvertase C4a, C3a, C5a C3b Entzündungsvermittelnde Peptide, Anlocken von Phagozyten Bindet an Komplementrezeptoren auf Phagozyten Opsonierung von Pathogenen Terminale Komplementfaktoren: C5b, C6, C7, C8, C9 Membranangreifender Komplex (MAK) Lyse bestimmter Phagozyten und Zellen Entfernung von Immunkomplexen 31 klassischer Weg Lektin Weg alternativer Weg Antigen-Antikörper Komplex Lektin bindet Mannose auf der Pathogenoberfläche Pathogenoberfläche C1, C4, C2 MBL-MASP, C4, C2 C3, B, D C3-Konvertase Terminale Komplementfaktoren: C5b, C6, C7, C8, C9 C4a, C3a, C5a C3b Entzündungsvermittelnde Peptide, Anlocken von Phagozyten Bindet an Komplementrezeptoren auf Phagozyten Opsonierung von Pathogenen Membranangreifender Komplex (MAK) Lyse bestimmter Phagozyten und Zellen Entfernung von Immunkomplexen Der Klassische Weg des Komplementsystems C1q C1s 32 Der klassische Weg des Komplementsystems C2a C2 C1q C3a C2b C4 C4a C4b C3 C1s C4b C2b C3b C3- Konvertase Der klassische Weg des Komplementsystems C2a C2 C1q C3a C2b C4 C4a C4b C3 C1s C4b C2b C3- Konvertase C3b 33 Klassischer Aktivierungsweg C1s C1s C2 spaltet C2a C4a spaltet C4b C4b C2 C4b C4 C2b C3-Konvertase Der alternative Weg des Komplementsystems C3a Faktor D Faktor B C3 C3b Bb, C3b C3- Konvertase C3b 34 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 Alternativer Aktivierungsweg (2) C3 (H2O) Bb spaltet Faktor D spaltet C3 Ba Faktor B C3a C3b Faktor B C3b C3b Bb C3-Konvertase des alternativen Aktivierungsweges 35 36 Anaphylatoxine • C3a • C4a • C5a Rezeptoren des Komplementsystems Erhöhung der Gefäßpermeabilität Kontraktion glatter Muskeln Erhöhung der Gefäßpermeabilität Kontraktion glatter Muskeln, Aktivierung von Mastzellen Erhöhung der Gefäßpermeabilität Kontraktion glatter Muskeln, Aktivierung von Mastzellen, Erhöhung der Adhärenz von Monozyten/Makrophagen an Gefäßwände und deren Migration ins Gewebe Rezeptor CR1 CR2 (CD21) Spezifität Funktionen Zelltypen C3b Zerfall von C3b und C4b, stimuliert Phagozytose Erytrocytentransport von Immunkomplexen Teil des B-Zell-Korezeptors Rezeptor für EBV Stimuliert Phagozytose Erytrocyten, Makrophagen Monocyten Leukozyten B-Zellen FDC C3b, EBV CR3 (CD11b/CD18) iC3bi CR4 (CD11b/CD18) iC3bi Stimuliert Phagozytose Cq1 C1q Bindung von Immunkomplexen an Phagozyten B-Zellen FDC Monocyten Makrophagen Leukozyten Monocyten Makrophagen Leukozyten B-Zellen Monocyten Makrophagen Blutplättchen Endothelzellen 37 Programmierung der T-Zellen Professionelle Antigen-präsentierende Zellen Dendritische Zelle Makrophage B-Zelle 38 Professionelle Antigen-präsentierende Zellen Dendritische Zelle Makrophage B-Zelle Professionelle Antigenpräsentierende Zellen • Professionelle Antigen-Präsentierende Zellen: – Aktivieren naïve T-Zellen • Dendritische Zellen • “Semi”-professionelle AntigenPräsentierende Zellen: – Werden von aktivierten T-Zellen selbst aktiviert • B Zellen – MHCII T Zell Hilfe • Makrophagen 39 Professionelle Antigen-präsentierende Zellen Dendritsche Zelle Makrophagen B-Zelle Wozu professionelle Antigen-präsentierende Zellen? • Naive T Zellen sollen nicht mit „Jedem“ interagieren • Daher haben wir Dendritische Zellen, die.. – wissen was schlecht ist • Aktivieren selektiv – wissen was zu tun ist • Programmieren T-Zelle 40 Beispiel: Zytotoxische T Zellen (CTL) Killer Zellen TATSACHE: - (Fast) jede Körperzelle präsentiert PeptidMHCI Moleküle - Nicht jede Körperzelle soll getötet werden. Antigen Immunisierung Haut / Schleimhaut Dendritische Zelle (APZ) 41 Dendritische Zellen (inaktiv) Fluoreszenz-Mikroskop Raster-Elektronenmikroskop Dendritische Zellen in der Haut MHCII Aktivierte (migrierende) DCs Fluoreszenz-Mikroskop Raster-Elektronenmikroskop Dendritische Zellen im Lymphfluss MHCII 42 DCs im Lymphknoten Fluoreszenz-Mikroskop Raster-Elektronenmikroskop Dendritische Zellen im Lymphknoten MHCII Subtypen der DCs Myeloide DCs (mDC) Plasmacytoide DCs (pDC) Reifung 43 Die Immunologische Synapse Adhäsions Moleküle T Zelle TCR CD4 CD28 MHC:Peptid Immunologische Synapse Dendritische Zelle IL-12 Spezifische Aktivierung Adhäsion ICAM1 a B7 LFA1 CD28 ICAM1 b MHC II TCR a Kostimulation B7 CD4 CTLA4 – Und: OX40L ICOSL CD40… LFA1 b Adhäsion T-Zelle 44 Das war noch nicht kompliziert genug! Kostimulatorische Moleküle APZ • TNF - T Zelle TNF-R Familie CD40 CD30 • B7 Familie B7.1 und B7.2 ICOS CD40 Ligand CD30 Ligand und und.... CD28 CD28 ICOS Ligand und und.... • SLAM Familie... Kostimulatorische Moleküle Manche sind konstitutiv exprimiert: z. B. CD28 auf T Zellen Manche werden induziert nach Aktivierung: ... und vermitteln positive Signale z. B. CD30, OX40 auf T Zellen z. B. CD40 auf dendritischen Zellen ... oder vermitteln negative Signale z. B. CTLA-4 auf T Zellen 45 T Zell Aktivierungs Signale Dendritische Zelle ..und Zytokine ICOSL ICOS B7 CD40 CD40L CD28 T-Zelle Immunologische Synapse und T-Zellen Cytokine milieu Co-stim. MHC-TCR IL-12 (DC1), IFN-a (pDC2) DC1 CD40, CD80 Th1 + T-naive kurz oder hohe Affinität IL-10 (DC1) DC2 CD86, OX40L, ICOS-L Th2 + lang T-naive oder niedrige Affinität IL-10 (DC1), IFN-a (pDC2) DC1 + T-naive Treg 46 Efffektor Zellen Zelluläre Abwehr, Inflammation Th1 T-naive Th2 Humorale Abwehr, Inflammation Treg Toleranz, Anti-inflammation T-naive T-naive T-Zellsubtypen und Funktionen Tc1-Zelle Cytotoxine TNFRezeptor Virusinfizierte Zelle Th1-Zelle Th2-Zelle Cytokine TNFRezeptor CD40 Intrazelluläre Bakterien Antigen-spezifische B-Zelle 47 T-regulatorische Zellen Treg T-naive IL-10 und TGFß Inhibition Th1 Th2 Th17 Zellen IL-1ß/TGFß/IL23 Th17 T-naive IL-17, IL-21 und IL22 Neutrophiler Granulozyt 48 Der Beginn einer Immunantwort (Beispiel: Antikörper Antwort) • Antigen-spezifische CD4 T Helfer Zellen werden auf dendritischen Zellen aktiviert – MHCII Antigen-Präsentation durch Dendritische Zelle • Aktivierte T Helfer Zellen aktivieren antigen-spezifische B Lymphozyten – MHCII Antigen-Präsentation durch B Zelle PROBLEM! • Höchstens jeder 10 000ste Lymphozyt erkennt das Antigen! • Wie können seltene aufeinander passende Zellen miteinander interagieren? 49 LÖSUNG! • Spezielle Treffpunkte, an denen sich Antigen, Dendritische Zellen, T Helfer Zellen und B Lymphozyten treffen Lymphozyten-Rezirkulation durch die LYMPHKNOTEN 50
