Immunogenetik

Immunogenetik
Berit Jungnickel
Institut für Klinische Molekularbiologie und Tumorgenetik
GSF-Forschungszentrum für Umwelt und Gesundheit München
[email protected]
Übersicht:
Das Immunsystem
Angeborenes und adaptives Immunsystem
Angeborenes Immunsystem:
erste Welle der Verteidigung
unspezifische, vorgeformte Zellen/Moleküle
Adaptives Immunsystem:
spezifische Antwort auf Pathogen
Zellen mit spezifischen Antigenrezeptoren
Etablierung von immun. Gedächtnis
Zellen des adaptiven Immunsystems
Antigenpräsentierende Zellen: nehmen Antigen auf, prozessieren es
präsentieren Antigen(fragmente)
z.B. dendritische Zellen
T-Lymphozyten:
B-Lymphozyten:
produzieren Antikörper
können Antigen
präsentieren
werden durch Antigen aktiviert
können Zellen vernichten (CD8+ T-Zellen)
können B-Zellen aktivieren (CD4+ T-Helfer-Zellen)
Antigenrezeptoren / Antikörper
B-Zellrezeptor
/ Antikörper
T-Zellrezeptor
Übersicht: T-Zellentwicklung und Selektion
Übersicht: B-Zellentwicklung und Selektion
Entwicklung des primären
Repertoires:
V(D)J-Rekombination
Organisation der Immunglobulingene
human immunoglobulin loci
L: leader - V: variable - D: diversity - J: joining - C: constant
V(D)J-Rekombination
Rekombinationssignalsequenzen
12-RSS: 12 bp spacer oder 23-RSS: 23 bp spacer
„12/23 rule“: es werden nur 12/23-Kombinationen rekombiniert
RAG-Proteine / Rekombination
Verknüpfung der Enden
Prozessierung der Enden: Artemis
Artemis ist strukturspezifische Endonuklease
spaltet u.a. hairpin-Strukturen, wie z.B. in coding ends
= Auflösung der coding ends, überhängende Enden
Prozessierung der Enden: TdT
??!!
P-Nukleotide (Palindrom): durch assymetrische Aufspaltung des Hairpins
N-Nukleotide: durch Einfügen von Nukleotiden (Terminale deoxynukleotidyltransf.)
Severe combined immunodeficiency (SCID)
Immundefekt:
Keine B-und T-Zellen
Oder aber wenige...
Tw. Signalling-Defekte
Tw. Rekombinationsdefekte
Chromosomentranslokationen bei V(D)J-Rekombination
z.B. bcl-2 Translokation im Follikulären Lymphom
im Immunglobulingen: Bruch durch V(D)J-Rekombination
dereguliert bcl-2 Expression durch Immunglobulinenhancer
bcl-2 = antiapoptotisches Gen, verhindert Zellsterben
führt zu langem Überleben der Tumorzellen
5´-UT
3´-UT
Bcl2-ORF
Fused transcript
IgH
Bcl2-ORF
IgH
AAA(A)n
RAG und Transposition
Katalytischer Mechanismus der RAG-Enzyme ähnelt Transposition
Transpositionsmechanismus kann Chromosomentranslokationen erklären
Positive Selektion: Funktionelle Antigenrezeptoren
VDJH
productive
DJH
DJH
50 %
~
50 %
DJH
(1/3)
VDJ
VDJHH
productive
(2/3)
non-productive
~
VDJ
VDJHH
DJH
VDJH
(1/3)
(2/3)
non-productive
VDJ
VDJHH
VDJ
VDJHH
-> cell death
ausserdem negative Selektion:
Zellen mit autoreaktiven Antigenrezeptoren machen „receptor editing“
(weitere V-J-Rekombination auf Leichtkettenlokus) oder Apoptose
Entwicklung des sekundären
Antikörper-Repertoires:
Die Keimzentrumsreaktion
B-Zellaktivierung
Kontakt mit Antigen und T-Zellen
„Stimulation and Costimulation“
aktiviert B-Zellen (Proliferation)
nur 1 Signal: Anergie / Apoptose
Keimzentren
in sekundären lymphoiden Organen (Tonsillen, Lymphknoten)
Plasmazellen: Produktion optimierter Antikörper
Memoryzellen: Langfristiger Schutz
Genetische Ereignisse in Keimzentren
Klassenwechselrekombination
Naive B-Zellen:
(vor Antigenkontakt)
Memory B-Zellen/
Plasmazellen:
(nach Antigenkontakt)
switch-Regionen
repetitive Sequenzen
sehr G/C-reich
bilden bei Transkription
R-loop mit Transkript
d.h. RNA-DNA-Hybrid
und einen DNA-Einzelstrang
Aktivierungsinduzierte Cytidindeaminase (AID)
hochexprimiert in Keimzentrumszellen und aktivierten B-Zellen
essentiell für Klassenwechselrekombination (und Hypermutation)
kann Klassenwechselrekombination (+Hypermutation) induzieren
wirkt bei Überexpression mutagen und kanzerogen
deaminiert Cytidin in einzelsträngiger DNA in Transkriptionsblasen
AID und Basenexzisionsreparatur beim Klassenwechsel
normale BasenExzisionsreparatur:
beim Klassenwechsel:
Hyper-IgM-Syndrome
Hyper-IgM: Immundefekt
hoch IgM, keine IgG, IgA, IgE
Therapie: Ig-Präparate von Spendern
HyperIgMSyndrom
HyperIgMSyndrom
HyperIgMSyndrom
HyperIgMSyndrom
HyperIgMSyndrom
1: CD40L-Defekt
2: AID-Defekt
3: CD40-Defekt
4: UNG-Defekt
5: NEMO-Defekt
Hyper-IgM-2:
Mutationen im AID-Gen
kein Klassenwechsel
keine Hypermutation
grosse Keimzentren
Chromosomentranslokationen beim Klassenwechsel
Burkitt-Lymphom:
Translokation von c-myc
in Immmunglobulinlocus
X
Deregulation von c-myc
durch Ig-enhancer dereguliertes Wachstum
IgH-Gen 14;q32
5`
JH
Sµ
Eµ
8
(12%)
Cµ Cδ
22
(32%)
Sγ
Cγ
13
(19%)
3`
Sα
Cα
25
(37%)
Somatische Hypermutation
Mutationen nur in der variablen Region
Mutationsrate 10(-3) / bp / Zellteilung
Zufällige Mutationen, Selektion nötig für Affinitätsreifung
Letztendlich fokussiert auf CDRs (Antigenbindung)
Hypermutationstargeting: Transkription
Transkription der variablen Regionen ist wichtig
Aber: gesamte konstante Region wird auch transkribiert, mutiert nicht
Mutationsdomäne: 1-2 kb „downstream of promotor“
Immunglobulin-Enhancer (intronischer und 3‘-Enhancer) sind entscheidend
Position (aber nicht Art) des Promotors ist wichtig
Normales Targeting:
bei „transplatiertem“ Promotor:
AID-Funktion bei der somatischen Hypermutation
SHM
C
G
Phase 1
Phase 1A
T
A
C
G
SHM
AID
DNA synthesis
U
G
transitions
Phase 2
Msh2
UNG
patch repair
introducing
mutations at
A/T pairs
Phase 1 B
C
G
T
A
A
T
G
C
transitions and
transversions
DNA synthesis
G
AP-endonuclease
G
AP-Lyase
polymerase
ligase
C
G
repair
Mehrere parallele
Mutagenesewege
Frage: Warum???
(noch unklar)
Fehlerhafte DNA-Polymerasen bei der Hypermutation
•
•
•
Polymerase ι: Fehlerrate 10-4;
Polymerase ζ: Fehlerrate 10-2;
Polymerase η: Fehlerrate 10-1;
•
•
Defekt in XPV-Patienten: weniger A/T-Mutationen
D.h. verschiedene Polymerasen wirken redundant
„Fehl“targeting der Hypermutation: Lymphome
Diffuse large B cell lymphoma
(DLCL):
eine Reihe von Onkogenen
trägt Mutationen im Bereich
1-2 kb nach dem Promotor
im selben Bereich
findet man auch
Translokationen
in diesen Genen
B-Zelllymphome im Menschen
Immunogenetik und Lymphomentstehung
Immunglobulin-Genkonversion
Ig-Genkonversion:
Reparatur AID-induzierter Brüche
durch homologe Rekombination
mit „upstream pseudogenes“ –
Transfer von Sequenzstücken
Ig-Genkonversion und
Hypermutation
können parallel ablaufen,
oder aber
je nach Spezies oder
Entwicklungsstand
der B-Zelle getrennt
AID-Funktionen bei der sekundären Immunantwort
SHM
C
G
Phase 1
Phase 1A
T
A
C
G
SHM
AID
DNA synthesis
U
G
transitions
Phase 2
Msh2
UNG
patch repair
introducing
mutations at
A/T pairs
Phase 1 B
C
G
T
A
A
T
G
C
transitions and
transversions
DNA synthesis
G
AP-endonuclease
G
Klassenwechsel
Ig-Genkonversion
AP-Lyase
polymerase
ligase
C
G
repair
Rada et al. 2004
Proteine der APOBEC-Familie
- Apobec-1: mRNA-editierendes Enzym
6666
C
A
apoB100 mRNA
Translation
CF
Cholesterol
Carrier
Protein
APO
BEC
-1
6666
U
apoB48 mRNA
- AID: DNA-deaminierendes Enzym
Klassenwechsel, Hypermutation, Genkonversion
- Apobec-3G: DNA-deaminierendes Enzym
Abwehrfaktor bei der HIV-Infektion
Triglycerid
Carrier
Protein
APOBEC3G und die HIV-Infektion
Apobec-3G ist in T-Zellen
exprimiert, bei HIV-Infektion
deaminiert es bei der reversen
Transkription die cDNA Zweitstrangsynthese führt zu
vielen Mutationen...HIV defekt
Vif = viral infectivity factor
HIV-Protein, das die
APOBEC-3G- Funktion
blockiert...produktive
Infektion ist möglich
Mechanismen der Antigenrezeptordiversifizierung (Übersicht)