Grundlagen der Immunologie

Grundlagen der
Immunologie
3-4.Vorlesung
Entwicklung und Funktionen der Zellen des
Immunsystems
Definition der Antigene
Moleküle der Immunologischen Erkennung:
Antikörper, B-Zell und T-Zell-Rezeptoren
Entwicklung und Funktionen der
Zellen des Immunsystems
Die Zellen des Immunsystems
Natürliches/Angeborenes:
Adaptives (Spezielles):
•  Granulozyten (Neutrophile,
Eosinophil, Basophile)
•  B-Lymphozyten (PlasmaZellen)
•  Monozyten, Makrophagen
•  T-Lymphozyten:
helfer T-Zellen,
zytotoxische T-Zellen,
regulatorische T-Zellen
•  Dendritische Zellen /
Langerhans Zellen
•  Follikuläre dendritische
Zellen (FDC)
•  NK-Zellen
Stammbaum der Zellen
des Immunsystems
Omnipotente
Knoc he nma rks-­‐
Sta mmzelle
(Ste m C e ll )
Myeloide
Vorlä uferzelle
Knochenmark
Plurip ote nte
Sta mmzelle
Lymphoide
Vorlä ufe rzelle
B-­‐Lymp hozyt T-­‐Lymp hozyt
Erythroide
C FU
Blut
Me g a ka ryozyt Ba sop hile
C FU
Eosinophile
C FU
NK-­‐Zelle
G ra nulozytär-­‐m onozytä re
C FU
Peripherale
Lymphorgane
Ma stze lle
Erythrozyte n Thrombozyte n Ba so phile
G ra nulozyte n
Eosinop hile De ndritisc he Neutro phile Monozyte n
G ra nulozyten
G ra nulozyten Ze lle n Monozyt / DC Differenzierung
Lymphozytendifferenzierung
Peripherale Lymphozytendifferenzierung
B-Zelle Aktivierung
Ruhende B-Zelle
Antigenerkennung
Aktivierte B-Zelle
Klonale Vermehrung
Plasmazelle
Lymphozyten
Typen der αβTcR+ T-Zellen
1.  CD8+ zytotoxische T-Zellen (CTL)
A.  tötet virusinfizierte Zellen
B.  tötet Tumorzellen
C.  tötet Zellen mit intrazellulären Bakterien
im Zytosol
2.  CD4+ T-Helferzellen (Th)Zytokinproduktion
A.  T-Helferzelle (Th2): aktiviert die BZellen um Antikörper zu bilden
B
entzündliche T-Zelle (Th1): aktiviert
Makrophagen, um intrazelluläre
Bakterien zu töten
Definition der Antigene
Definition der Antigene
László Detre: Antikörper-Generator = ANTIGEN
-
Ursprüngliche (alte) Definition: Antigen ist eine fremde
Substanz, die eine Immunantwort induzieren kann.
- 
Heutige Definition: Antigen ist eine Substanz, die von
T-Zell- und B-Zell-Rezeptoren erkannt wird und eine
aktive spezifische Immunantwort oder Toleranz
auslöst, die von MHC-Molekülen bestimmt wird.
Grundlegende Begriffe
•  Immunogen: Substanz, die in einem Organismus eine
spezifische Immunantwort auslösen kann
•  Epitop (Antigendeterminant): ein kleiner Abschnitt des
Antigens, der von einem Antikörper, BcR oder TcR
erkannt wird.
•  Hapten: eine niedermolekulare Substanz, die selbst
nicht immunogen ist, aber wenn sie an einen Träger
(Carrierprotein) gebunden wird, induziert sie die Bildung
haptenspezifischer Antikörper.
•  Carrier (Träger): ein unspezifisches Trägerprotein, das
Haptene koppeln kann, um sie immunogen zu machen.
Epitop (Antigendeterminant): ein kleiner
Abschnitt des Antigens, der von einem
Antikörper erkannt wird
Das komplexe Antigen löst eine polyklonale
Immunantwort aus, die zur Bildung verschiedener
Antikörper führt
Epitope eines Antigens
Hapten ist selbst nicht immunogen
Immunantwort gegen Hapten-Carrier
Komplex
Eigenschaften von Antigenen beeinflussen
deren Immunogenizität
1.  Physikochemische Eigenschaften von Antigenen
(Immunogen Molekülen):
2.  Molekülgröße > 100 kDa
3.  Chemische Komplexität, Struktur des Antigens
4.  „Foreigness”- phylogenetische Unterschied zwischen
Antigen und körpereigenen Proteinen
5.  Antigendosis
6.  Lokalisation – anatomische Ort
Klassifizierung der Antigene
1. nach ihrer Herkunft
a. natürlich vorkommende Antigene
b. künstliche Antigene
Proteine, Kohlenhydrate, Nukleinsäuren,
bakterielle Toxine, Blut-und
Gewebezellen
Dinitrophenylierte Proteine und
Kohlenhydrate
c. syntetische Antigene
Polyaminosäuren, Polypeptide
2. nach chemischen Gesichtspunkten
a. 
Proteine
b. 
Kohlenhydrate
c. 
Nukleinsäuren
d. 
Konjugierte Antigene
e. 
Polypeptide
f. 
Lipide
Hormone, Enzyme, Serum,-Ei,-Milchproteine
Dextran, Lävan, Blutgruppensubstanzen
DNS, RNS
Dinitrophenylierte Proteine
Polymere von Aminosäuren
Cholesterin, Lezithin
Klassifizierung der Antigene
3. Nach der genetischen Beziehung
zwischen Spender und Empfänger
a. 
Autoantigene (autologes)
stammen aus dem eigenen Organismus
b. 
Isoantigene
stammen aus einem genetisch
identischen (syngen) Spender
c. 
Alloantigene (allogenes)
stammen aus einem nicht verwandten
Spender derselben Spezies
d. 
Xenoantigene (xenogen)
stammen aus einem Spender einer
anderen Spezies
B- und T-Zellen erkennen unterschiedliche Epitope
Antig e n-­‐
d e te rm ina nte n
Ha p te n
Trä g e r
Trä g e r
Erke n nung d urc h B-­‐Ze lle n
Erke n nung d urc h T-­‐Ze lle n
B-Zelle
T-Zelle
B-Zellen erkennen lineare- und
Konformationsepitope
Charakteristische Eigenschaften der
Antigenerkennung durch T-und B-Zellen
B-Zelle
T-Zelle
Vorliegen des
Antigens
In löslicher Form, oder
an der Oberfläche von
Partikeln oder Zellen
An eigenem MHC-Molekül
gebunden auf der
Zelloberfläche
Natur des
Antigens
native Proteine,
Kohlenhydrate, Lipide,
Metalle usw.
Peptide
Ligand
konformationelle oder
lineare Determinante
MHC-Peptid-Komplex
Rezeptor
BcR- bivalent
Hapten-spezifisch
TcR –monovalent
MHC+Peptid-spezifisch
Mitwirkung
anderer Zellen
-
Antigenpräsentierende
Zelle (APC)
Antigen
prozessierung
-
Enzymatischer Abbau und
Peptidtransport in der APC
Korezeptoren
CD19, CD21, CD22,
CD40
CD4, CD8, CD28/ CTLA4,
CD2, CD45, CD38
Unterschiede zwischen B- und T-Zellen in der
BcR - TcR
Antigenerkennung
B-Zellen erkennen Antigene
in Lösung bzw an Zelloberflächen
Antigen
B-Zelle
T-Zellen erkennen prozessierte
und im Kontext der
MHC-Moleküle
Peptid
presäntierte Antigene
T-Zelle
Antigenspezifische Erkennung
Moleküle der Immunologischen
Erkennung: Antikörper, B-Zell und TZell-Rezeptoren
Antigenspezifische Erkennungsmoleküle
– 
– 
– 
– 
Immunoglobuline (Ig = Antikörper)
B-Zell-Rezeptor (BcR = sIg)
T-Zell-Rezeptor (TcR)
MHC-Klasse-I und –Klasse-II
Antigenrezeptoren – Ig-Superfamilie
Antikörper - BcR
transmembrane
Region
T-Zell-Rezeptor
zytoplasmatischer
Schwanz
MHC-Molekülen
Domän-Struktur
Die genetisch konservierten 110 Aminosäuresequenzen werden durch eine
intramolekulare Disulfidbrücke zu größeren globulären Strukturen verbunden.
„Immunglobulin-Superfamilie”
antigenspezifische
Erkennungsmoleküle
akzessorische Moleküle:
Korezeptoren und
Adhäsionsmoleküle
B-Zell-Antigenrezeptor = BcR = sIg
B-Zell-Antigenrezeptor = BcR = sIg
variabler Abschnitt (V) - Antigenbindung
Kohlenhydrat-Seitenketten
konstanter Abschnitt (C)
Die Struktur des Ig-Moleküls und des
B-Zell-Rezeptors
= BcR
leichte Kette schwere Kette
variabler Abschnitt (V)
Scharnierregion =
konstanter Abschnitt (C) –
Effektorfunktionen
transmembraner
Abschnitt
Domäne
zytoplasmatischer
Abschnitt
Fragmente nach der enzymatischen
Spaltung mit Papain und Pepsin
Antigenbindung des
Immunoglobulinmoleküls
Leichte Kette
Antigen
Variable Region
Variable
CDR
(complementarity
determining Region)
Fragment Fab
Konstant
Konstante Region
Isotyp
Fragment Fc
Antikörper
Schwere Kette
Die Antigenbindungsstelle wird von den
CDRs gebildet
CDR = hypervariable Abschnitte
V le ic hte Ke tte
C DR1
C DR2
C DR3
AN TIG ENDETERMIN ANTE
(=EPITOP)
C DR1
V
sc hwere Ke tte
nicht-kovalente Bindung:
- elektrostatische Kräfte
- Wasserstoffbrücken
- Van-der-Waals-Kräfte
- hydrophobe
Interaktionen
C DR2
C DR3
Varibilität
Variabilität der Aminosäuren in der hypervariablen Region
der L-Ketten des Immunoglobulins:
CDR1
CDR2
Die Position der Aminosäuren nummeriert von N-Terminus
Idiotyp
Individuelle Determinante in
den variablen Regionen (V),
charakteristisch für jeden
spezifischen Antikörper,
synthetisiert durch einen
bestimmten B-Zellklon.
Synonyme
CDR,
hypervariable Region,
antigenbindende Region der
Fab
Immunglobulin G
Immunglobulin Isotypen = Ig-Klassen
•  Benannt nach der konstanten Struktur (C) von schweren (H) und
leichten (L) Ketten
•  Immunglobulinklassen (Isotypen) sind nach der schweren Kette
(CH) benannt : γ, µ, α, ε, δ àIgG, IgM, IgA, IgE und IgD.
• 
• Alle Isotypen sind in einem normalen Serum vorhanden, bis auf
IgD, das nur in membrangebundener Form existiert
•  Leichte-Kette (CL) hat zwei isotypische Formen: kappa (κ) und
lambda (λ), die sich mit allen schweren Ketten Isotypen verbinden
können.
Charakter der Immunoglobuline
•  Monofunktionaler Charakter vor der
Antigenbindung à BcR
spezifische Antigenerkennung und –bindung
•  Polyfunktionaler Charakter nach der
Antigenbindung à sekretorische Immunglobulin
1. Aktivierung des Komplementsystems,
2. Signaltransduktion,
3. Bindung an unterschiedliche immunologische
Effektorzellen durch Fc-Rezeptoren, usw.
Schwere
Kette
(H)
Leichte
Kette
(L)
γ1
γ2
γ3
γ4
α1
α2
µ
ε
δ
Κ oder λ
Κ oder λ
Κ oder λ
Κ oder λ
Κ oder λ
Κ oder λ
Κ oder λ
Κ oder λ
Κ oder λ
ImmunglobulinKlassen
IgG
IgA
IgM
IgE
IgD
ImmunglobulinSubklassen
IgG1
IgG2
IgG3
IgG4
IgA1
IgA2
IgM
IgE
IgD
IgG-Untergruppen (Subklassen)
Fc
Funktione der Ig-Klassen
Serumproteine – Serum ELFO
Funktion der IgG-Klasse
IgG (Mw 150 kD)
-  80% des zirkulierenden Immunglobulins im
Blut, der Körperflüssigkeit und der
Lymphe.
-  die längste Halbwertszeit: ~ 3 Wochen
- Nur IgG mütterlichen Ursprungs können die
Plazentawand durchdringen - FcRn
-  Neutralisierung der Giftstoffe und Viren,
-  Bindung an Fc-Rezeptoren der
Phagozyten
-  Komplementaktivierung
-  Antikörper-abhängige zellvermittelte
Zytotoxizität = ADCC
Funktion der IgA
IgA (Mw 150-600 kD,
- Monomere Form in Serum (IgA1)
- dimere Struktur – sekretorische IgA
-  Schleimhaut-Oberfläche, MALT,
Muttermilch, Blut
- Funktion: Neutralisierung
- Komplementaktivierung
- FcαR-Bindung  Phagozytose
Funktionen der IgM
IgM Mw 900 kD
- pentamere Struktur - Blut, Lymphe
- auf der Zelloberfläche: monomere Struktur,
existiert als B-Zell-Rezeptor
- bei der primären Immunantwort zuerst
erscheinender Antikörper
Funktion:
- Neutralisierung (agglutination)
-  Komplementaktivierung,
-  Schutz der Schleimhäute
IgE (Mw 190 kD)
- Blut und Lymphe (bindungsfähig an Basophyle oder Mastzellen)
- Abwehr gegen Parasiten
- verursacht allergische Reaktionen
Immunglobulin E
Die Bindungsstelle für
Mastzellen und Basophylen
Antigenbindungsstellen
Kohlenhydrat
Regionen
Konstante
(C)Regionen
DisulfidBrücken
IgD (Mw 150 kD)
– exprimiert nur auf naiver B-Zelloberfläche
als Antigenerkennungsrezeptor
Kinetik der Antikörperproduktion
Später
7 Tage
Aufbau von T-Zell-Rezeptorkomplex
(TCR)
Antigenerkennungs-Ketten:
α, β oder γ, δ Heterodimere
Domain
Signalübertragungs-Ketten:
CD3 γ, δ, ε, ζ
ITAMs:Immunorezeptor Tyrosine
Activation Motifs
TCR ~ 30 000/Zelle
T-Zell-Rezeptorkomplex
Antigenspezifische Ketten: TcR-αß (97% der T-Zellen)
Funktion: MHC-Peptid-Erkennung
TcR-γδ (3% der T-Zellen)
Funktion: Peptid-, Lipid- ,
Kohlenhydraterkennung
Akzessorische Moleküle: CD3 gamma, delta, epsilon, zeta,
eta Ketten
Funktion: Signalisierungà Transportsignale für die TCRantigenspezifischen Ketten (beide αß, γδ TcR) von der Zelloberfläche
Korezeptoren: CD4 oder CD8 (TcR-αß T-Zellen)
Funktion: MHC-Restriktion, Signalisierung
Unterschiede zwischen Th- und Tc- Zellen in der
MHC-abhängigen Antigenerkennung
T-Zell-Antigenrezeptor-Komplex
CD3-Komplex:
-  regulatorische
Funktionen
-  Signaltransduktion
ITAMs = Immunrezeptor
Tyrosine-basiert
Aktivierungssequenzen
bei Ligand-Rezeptorbindungen wird
es phosphoryliert und gibt das Signal
an eine Kaskade von ÜbermittlerMolekülen weiter
T-Zell Korezeptoren