T-Zellen und APZ - Ruhr
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Seminar Modellstudiengang (Blut und Immunologie) Freitag 09. November 2012 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 T und B Zellen zirkulieren unablässig durch sekundäre lymphatische Organe T Zelle T Zellen finden Antigen auf Dendritschen Zellen Immunologische Synapse Aktiviert T Zelle T-Zellrezeptor Ähnelt einem membranassoziierten Immunglobulin-Fab-Fragment a-Kette b-Kette Variable Region Kohlenhydrat Konstante Region Zellmembran Disulfidbrücke Zytoplasmatischer Schwanz Genomische Organisation des T-Zellrezeptors Lb1 Vb1 Lb Vb-52 Db1 Jb16 Cb1 Db2 Jb27 Cb2 b-Kette a-Kette La1 Va1 La Va70-80 Ja1-61 Ca Immunglobulin- und T-Zellrezeptorvielfalt Element Immunglobuline H ab-Rezeptoren b a 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 Zellmembran Signalübertragung g e T-Zellrezeptorkomplex und TZell-Marker: Helfer-Zellen CD4 D1 TCR a-Kette b-Kette D2 D3 CD3 e CD3 d Zellmembran Signalübertragung g e D4 T-Zellrezeptorkomplex und TZell-Marker: Zytotoxische-Zellen CD8 TCR a-Kette b-Kette CD3 e a CD3 d Zellmembran Signalübertragung g e b CD4 T-Zellrezeptorkomplex und TZell-Marker: Gedächtnis-Zellen CD45 D1 (RA) oder (RO) TCR a-Kette b-Kette D2 D3 CD3 e CD3 d Zellmembran Signalübertragung g e D4 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) T-Zell Entwicklung T-Zellentwicklung Haut / Schleimhaut Lymphknoten Thymozyt Knochenmark TCR & CD3 T-Zellentwicklung Knochenmark Thymus Antigen-unabhängig Dendritische Zellen im Thymus Keimbahn Stammzelle Gen-Umordnung Pro-T-Zelle Thymus Auto-Antigen-abhängig TCR & CD3 negativer Thymocyt TCR & CD3 positiver Thymocyt Blutbahn, Lymphknoten, Gewebe 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 signaling CD44 adhesion CD25 IL-2 rec. CD3 signaling CD4 CD8 CD24 co-rec. unknown 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) MHC I - T-Zellrezeptorkomplex Zellmembran a3 b2-Mikroglobulin MHC I a1 a2 Peptid TCR Zellmembran CD3 CD3 e g d e APZ Intrazelluläres Antigen (Virus) T-Zell-Peptide MHC 1 T-Zelle 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 Zytosolische Proteine werden von Proteasomen (große multikatalytische Proteasen) zu Peptidfragmenten degradiert TAP leitet ein Peptid weiter, dass an MHC I bindet und dessen Faltung vervollständigt. Dieses MHC I löst sich von TAP und wird exportiert. Figure 5-6 part 2 of 2 MHC II - T-Zellrezeptorkomplex Zellmembran a2 b2 MHC II a1 b1 Peptid TCR Zellmembran CD3 CD3 e g d e 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 Ansäuerung der Vesikeln aktiviert die Proteasen zur Degradierung der Antigene in Peptidfragmente Vesikel mit Peptiden fusionieren mit MHC II enthaltenden Vesikeln. Figure 5-7 part 2 of 2 „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 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 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 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 Pro Tag 100 g Granulozyten (ca. 1011 Zellen) Synoviale A-Zellen 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 PAMPs eines bestimmten Bakteriums binden z. B. an den Mannose-Rezeptor. Dies löst eine Phagozytose aus. Mannose-Rezeptor Umhüllung (Engulfment) des RezeptorBakteriumkomplexes Bildung eines Phagosomen Lysosom (enthält Lysozym) Entstehen eines Phagolysosomen Lysosom (enthält Lysozym) 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 Opsonisierung Antikörper vermittelte Phagozytose Antikörper vermittelte Phagozytose Pathogen Associated Molecular Pattern (PAMPs) Pathogen Pattern Receptors (PPRs) Pathogen Recognition Receptors (PRRs) 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 C-type-lektine auf DCs und LCs Das Ganze erkennen ohne alles zu sehen M.C. Escher „Symmetriezeichnung 66“ .. Makromoleküle sind sich wiederholende Muster Die „Toll Familie“ und PAMPs von Gram-negativen Bakterien Proteine Membran Lipide Nicht-modifizierte Nucleinsäuren TLR9 TLR5 TLR11 TLR3 TLR2/6/1 TLR4 MD-2 Nod1 TLR7 TLR8 Struktur des Respiratorischen Syncytial Virus (RSV) Die „Toll Familie“ und PAMPs von Viren Proteine dsRNA ssRNA Nicht-modifizierte Nucleinsäuren Membran Lipide TLR9 TLR5 TLR11 TLR3 TLR2/6/1 TLR4 MD-2 Nod1 TLR7 TLR8 LPS LBP CD14 TLR4 LPS LBP CD14 TLR4 LPS LBP CD14 TLR4 LPS LBP CD14 TLR4 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 „IRAK-M ist ein negativer Regulator für TLR-signaling“ und so vermittelt er LPS Toleranz (Kobayashi, K. et al. 2002 Cell; 110:191-202) MyD88 unabhängiger Weg über TIRAP und PKR bei TLR4 TIRAP MyD88 PKR IRAK MyD88 TOLLIP IRAK MyD88 IRAK IRAK-m MEKK1 IRAK-m ECSIT IKKa TRAF6 TAK1 TAB2 TAB1 NIK IKKb MEK6 MKK4 MEKK1 MEK3 IKKg JNK1 p38 NFB NFB IB JNK1 AP-1 ELK-1 IB AP-1 ELK-1 Programmierung der T-Zellen Professionelle Antigen-präsentierende Zellen Dendritische Zelle Makrophage B-Zelle 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 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 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) 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 DCs im Lymphknoten Fluoreszenz-Mikroskop Raster-Elektronenmikroskop Dendritische Zellen im Lymphknoten MHCII Subtypen der DCs Myeloide DCs (mDC) Plasmacytoide DCs (pDC) Reifung Phenotyp PPR Co-Stimulation Zytokine mDC = DC1 pDC = DC2 MHC 1 und 2 CD11+ BDCA-1/-3 MHC 1 und 2 CD4 CD123 (IL-3R) BDCA-2/-4 TLR1,2,3,4,8 CD14 (unreif) C-type-lectins TLR7 und 9 C-type-lectins CD40 CD80 (B7) CD86 (B7) OX40L ICOSL IFN-a (niedrig), IL-12, IL-6, IL-10, TNF-a IFN-a (hoch), IL-6 IL-10, TNF-a Antigen Immunisierung Haut / Schleimhaut Dendritische Zelle (APZ) T und B Zellen zirkulieren unablässig durch sekundäre lymphatische Organe T Zelle T Zellen finden Antigen auf Dendritschen Zellen Immunologische Synapse Aktiviert T Zelle 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 ICAM1 b MHC II CD28 TCR a Kostimulation B7 CD4 CTLA4 – Und: OX40L ICOSL CD40… LFA1 b T-Zelle Adhäsion 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 • SLAM Familie... CD40 Ligand CD30 Ligand und und.... CD28 CD28 ICOS Ligand und und.... 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 T Zell Aktivierungs Signale Dendritische Zelle ..und Zytokine ICOSL ICOS T-Zelle B7 CD28 CD40 CD40L 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 lang Th2 T-naive oder niedrige Affinität IL-10 (DC1), IFN-a (pDC2) DC1 + T-naive Treg Efffektor Zellen Th1 T-naive Zelluläre Abwehr, Inflammation 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 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 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? LÖSUNG! • Spezielle Treffpunkte, an denen sich Antigen, Dendritische Zellen, T Helfer Zellen und B Lymphozyten treffen Lymphozyten-Rezirkulation durch die LYMPHKNOTEN
