Immunologie
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Immunologie Lehrbuch: Janeway: Immunbiologie, 6./7. Auflage Dr. Andreas Krueger Inst. f. Immunologie [email protected] 1 „The physician of the future will be an immunisator“ Almroth Wright 3 4 210 Jahre Vakzinierung 1798 Immunisierung gegen Pocken mit Vaccinia-Virus (Jenner) 1880 Pasteurella multocida (Pasteur) 1881 Anthrax (Pasteur) 1885 Tollwut (Pasteur) 1886 Typhus 1896 Cholera 1897 Pest 1960er Polio (Salk, Sabin), MMR 5 Die Ausrottung der Pocken durch die Schutzimpfungen Anzahl der Länder mit einem oder mehreren Fällen pro Monat 6 Fehlen von effektiven Impfstoffen Tote/Jahr Malaria 1.2 Mio Schistosomiasis 15,000 Intestinale Wurminfestation 12,000 Diarrhöe 1.8 Mio Atemwegsinfektionen 3.9 Mio HIV/AIDS 2.8 Mio Tuberkulose 1.5 Mio 7 Charakteristika effektiver Impfstoffe 1802... 8 Charakteristika effektiver Impfstoffe ...und 2009 9 10 Immunology Textbook: Immunobiology “Janeway” 5th/ 2001 6th/ 2005 7th/ 2008 11 • Komponenten und Aufbau des Immunsystems • Initiation von Immunantworten • lymphatische Organe • Erkennungsmechanismen • Lymphozytenentwicklung • Entstehung und Verlauf adaptiver Immunantworten 12 Komponenten und Aufbau des Immunsystems 1) Zelltypen 2) angeborene und erworbene Immunität 3) humorale und zelluläre Immunfunktion 13 Neutrophiler Eosinophiler Neutrophiler Lymphozyt Basophiler Monozyt 14 Hämatopoese - klassisch Lymphoid T NK B Gr Neu Eos Baso Mono Myeloid Thrombo Ery 16 Hämatopoese - klassisch Lymphoid T NK B Gr HSC Hämatopoetische Stammzelle Neu Eos Baso Mono Myeloid Thrombo Ery 18 Hämatopoese - klassisch Lymphoid Thymus T pro-T NK CLP Common Lymphoid Progenitor B pro-B HSC Hämatopoetische Stammzelle Gr Neu Eos Baso GMP Granulocyte/Monocyte Progenitor Mono CMP Progenitor Common Myeloid Myeloid Thrombo MkEP Megakaryocyte/Erythroid Progenitor Ery 20 Klassisches Modell Myeloid-basiertes Modell 21 22 23 24 Komponenten und Aufbau des Immunsystems 1) Zelltypen 2) angeborene und erworbene Immunität 3) humorale und zelluläre Immunfunktion 25 Abwehrmechanismen, die die Invasion von Pathogenen unterbinden 26 Abwehrmechanismen, die die Invasion von Pathogenen unterbinden mechanisch: • epitheliale Barrieren • Luft-/Flüssigkeitsstrom 27 Abwehrmechanismen, die die Invasion von Pathogenen unterbinden Enzyme pH pH Enzyme mechanisch: • epitheliale Barrieren • Luft-/Flüssigkeitsstrom chemisch: • pH • Enzyme 28 Abwehrmechanismen, die die Invasion von Pathogenen unterbinden mechanisch: • epitheliale Barrieren • Luft-/Flüssigkeitsstrom Darmflora chemisch: • pH • Enzyme mikrobiologisch: • Darmflora 29 Pathogene können über diverse Wege in den Körper gelangen 30 Pathogene können über diverse Wege in den Körper gelangen 31 32 Antigenmenge angeboren adaptiv Zeit 33 angeboren lebensnotwendig erworben gut es zu haben 34 angeboren erworben aus: Martin, F et al. (2001), Curr. Opin. Immunol.,13: 195-201 angeboren erworben lebensnotwendig gut es zu haben „ready to go“ braucht etwas mehr Zeit 36 Eosinophiler Neutrophiler n e r o b e Monozyt/Macrophage g n a Basophiler Lymphozyt it v p a d a 38 39 40 angeboren erworben lebensnotwendig gut es zu haben „ready to go“ braucht etwas mehr Zeit Zellen besitzen Effektorfunktion (Phagozyten) Keine basale EffektorFunktion (Lymphozyten) 41 Basale Aufgabe eines Immunsystems kontolliert Selbst Immunsystem Fremd zerstört Wie unterscheidet das Immunsystem Freund und Feind? 43 Fremderkennung - angeborenes Immunsystem angeborenes Immunsystem Pattern Recognition Receptors PRR Janeway, 1989 Fremd Pathogen-Associated Molecular Patterns PAMPs 44 Fremderkennung - angeborenes Immunsystem Drosophila Toll 45 Fremderkennung - angeborenes Immunsystem - 46 Mannose-bindendes Lectin erkennt bakterielle Oberflächen anhand von typischen Verteilungsmustern 47 Ignoranz angeborenes Immunsystem Muster PRR - PAMP PRR: genetisch festgelegt. Selbst Selektion im Laufe der Evolution. Fremd 48 angeboren erworben lebensnotwendig gut es zu haben „ready to go“ braucht etwas mehr Zeit Zellen besitzen Effektorfunktion (Phagozyten) Keine basale EffektorFunktion (Lymphozyten) Erkennung über „PAMPs“ hoch variable Erkennungsrezeptoren 49 Komponenten und Aufbau des Immunsystems 1) Zelltypen 2) angeborene und erworbene Immunität 3) humorale und zelluläre Immunfunktion 50 humorale Funktionen Zelluläre Funktionen „anti-microbials“ Phagozyten MBL Innate immune system „innate like“ Komplement Lymphozyten Interferone adaptive immune system Effektor Antikörper Lymphozyten 51 Anti-mikrobielle Subtanzen z.B. Defensine, Lysozym… 52 Überblick: Komplementkaskade 53 Klassischer Weg: Initiiert durch C1 54 Klassischer Weg: Generierung von C3-Konvertase (=C4bC2b) Protease-Kaskade: Signal-Amplifikation (vgl. Blutgerinnung) Regulation: Aktiv nur an Oberflächen körpereigene Zellen tragen Regulatoren 55 Spaltung des C5 Leitet die späte Kaskade ein. In C5-Spaltung konvergieren die 3 Wege der Komplementkaskade. Anaphylatoxine: Chemotaxis Aktivierung des „membrane attack complex“ 57 Der fertige „membrane-attack“-Komplex erzeugt ein Loch in der Zellmembran 58 Überblick: Komplementkaskade, die wichtigsten Komponenten und Aktivitäten 59 60 humorale Funktionen Zelluläre Funktionen „anti-microbials“ Phagozyten MBL Innate immune system „innate like“ Komplement Lymphozyten Interferone adaptive immune system Effektor Antikörper Lymphozyten 62 • Komponenten und Aufbau des Immunsystems • Initiation von Immunantworten • lymphatische Organe • Erkennungsmechanismen • Lymphozytenentwicklung • Entstehung und Verlauf adaptiver Immunantworten 63 64 65 Makrophagen werden durch Pathogenkontakt aktiviert, nehmen diese auf und leiten eine Entzündungsreaktion ein PRR 67 Lösliche Mediatoren I: Antibakterielle Substanzen angeboren pH-Absenkung H2O2, O2, OH,OClNO anti-mikrobielle Peptide Lysozym, saure Hydrolasen Kompetitoren (Fe, Vit B12) aus: Martin, F et al. (2001), Curr. Opin. Immunol.,13: 195-201 erworben „Respiratory burst“ = explosionsartige Zunahme des oxidativen Stoffwechsels in Makrophagen und Neutrophilen Septische Granulomatose: Wegen einer defekten NADPH-Oxidase können keine Sauerstoffradikale und –radikalverbindungen gebildet werden => von Phagozyten aufgenommene Bakterien und Pilze werden nicht abgetötet, uU im ganzen Organismus disseminiert (Sepsis); besonders schwere Infektionsverläufe. 69 Lösliche Mediatoren II: Zytokine/Chemokine angeboren IL-1 IL-6 IL-8 (CXCL8) IL-12 TNFα Rekrutierung von Neutrophilen/Lymphozyten Akute-Phase-Proteine Entzündungsreaktion adaptive Immunantwort erworben aus: Martin, F et al. (2001), Curr. Opin. Immunol.,13: 195-201 angeboren Rekrutierung von Neutrophilen/Lymphozyten Akute-Phase-Proteine Entzündungsreaktion adaptive Immunantwort erworben aus: Martin, F et al. (2001), Curr. Opin. Immunol.,13: 195-201 Die Zytokine TNFα, IL-1 und IL-6 haben vielfältige Wirkung und helfen so, die Immunantworten auf Infektionen zu koordinieren 72 CRP 73 Zytokine lassen sich in wenige Untergruppen einteilen, die strukturell identische Merkmale aufweisen. Dies gilt auch für die Zytokinrezeptoren 74 Rekrutierung von Leukozyten an den Ort der Entzündung 75 Phagozyten adhärieren an Gefäßendothel mittels Integrinen LAD (Leukozyten-Adhäsions-Defizienz): Klassische Form betrifft Integrin β2-Expression; nicht auf Zelloberfläche, weswegen LFA-1 und CR3 nicht exprimiert sind => mangelhafte Leukozytenadhäsion => Sehr suszeptibel für bakterielle Infektionen und Defekte in der Wundheilung. 76 http://www.orpha.net/data/patho/GB/uk-LeucocyteAdhesionDeficiency.pdf Neutrophile verlassen den Blutkreislauf und wandern zu Infektionsherden 77 angeboren vs. adaptiv 78 Eine Infektion und die darauf ausgelöste Immunantwort kann in mehrere Stadien eingeteilt werden 79 Die wesentlichen Funktionen der Entzündung sind… • Rekrutierung zusätzlicher Effektorzellen (und damit der von ihnen synthetisierten löslichen Mediatoren) sowie weiterer löslicher Effektormoleküle wie Antikörper und Komplementproteine, mit dem Ziel, Pathogene möglichst vor Ort schon zu vernichten. • Aufbau einer physikalischen Barriere (mikrovaskuläre Koagulation) mit dem Ziel, Pathogenverbreitung einzudämmen. • Einleitung der Wundheilung mit dem Ziel, zusätzliche pathogene Belastung zu verhindern. • => Die Gefahren einer Infektion unterbinden oder wenigstens eindämmen und gleichzeitig eine adaptive Immunantwort initiieren. 80 Dendritische Zellen starten eine adaptive Immunantwort unreife dendritische Zellen halten sich in peripheren Geweben auf dendritische Zellen wandern über afferente Lymphgefäße zu regionalen Lymphknoten reife dendritische Zelle im inneren Cortexbereich Lymphatischer Antigen-spezifischer Lymphozyt Follikel Makropinsom Reife dendritische Zelle regionaler Lymphknoten naiver Lymphozyt innerer Cortexbereich Mark 81 82 humorale Funktionen Zelluläre Funktionen angeborenes Immunsystem Dendritische Zellen adaptives Immunsystem 83 84 Der Verlauf einer typischen Antikörperantwort Sekundärantwort Primärantwort Antikörper (μg ml-1 Serum) LagPhase Immunologisches Gedächtnis Reaktion auf Antigen A Reaktion auf Antigen B Antigen A Anti gene A +B Tage 86 • Komponenten und Aufbau des Immunsystems • Initiation von Immunantworten • lymphatische Organe • Erkennungsmechanismen • Lymphozytenentwicklung • Entstehung und Verlauf adaptiver Immunantworten 88 Die Verteilung der lymphatischen Gewebe im Körper Rachenmandel (Polyopen) Gaumenmandeln rechte subklavikuläre Vene Lymphknoten Linke klavikuläre Vene Thymus Herz Ductus thoracicus Niere Milz Peyersche Platten im Dünndarm Blinddarm Lymphgefäße Dickdarm Knochenmark 89 angeboren vs. adaptiv 90 Lymphknoten 91 Lymphgefäße • Ca. 1012 αβT-Zellen im Menschen viel! • Nur ca. 6000 spezifisch für ein best. Epitop, z.B. Influenza Virus HA wenig • Influenza-infizierte Person mehrere Million Viruspartikel praktisch nichts! 92 • Lymphozyt - Durchmesser: ~ 10 µm = 10x10-6 m • Lymphozyt - Volumen: 5x10-13 m3 • Körpervolumen (100 kg): 0.1 m3 • Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Lymphozyten: 1:500 Mrd. • bei 6000 identischen Lymphozyten: 1:314 Mio. 93 94 Lymphknoten 95 Lymphgefäße 4 Hauptphasen der Lymphozytenadhäsion Rollen Aktivierung Adhäsion Diapedese 96 T-Zellen in efferenter Lymphe Retention von T-Zellen im Lymphknoten Figure 10-8 im Zuge der Aktivierung Zeit nach Infektion (Tage) 97 angeboren vs. adaptiv 98 • Komponenten und Aufbau des Immunsystems • Initiation von Immunantworten • lymphatische Organe • Erkennungsmechanismen • Lymphozytenentwicklung • Entstehung und Verlauf adaptiver Immunantworten 100 Ehrlichs Seitenkettentheorie… 101 Ehrlichs Seitenkettentheorie „….Er nimmt an, daß ein Bakteriengift auf den Organismus nur dann wirken kann, wenn es an bestimmte Zellen des Organismus gebunden wird,….was mittels bestimmter Atomgruppen dieser Zellen geschieht. Diese Atomgruppen nennt er Seitenketten oder in neuerer Zeit Receptoren. Infolge der Schädigung nun, die die Zelle durch diese Bindung erfährt, wird sie angeregt, die betreffenden Atomgruppen neu zu bilden, und zwar thut sie dies…im Übermaß. Dadurch, daß nun durch neu eingeführtes Gift die Receptoren wieder besetzt werden, wird die Zelle immer wieder zur Bildung derselben angehalten und gleichsam daraufhin trainiert. Schließlich … werden die Receptoren von der Zelle abgestoßen und werden zum Schutzstoff, indem sie das Gift in der Blutbahn neutralisieren.“ Ehrlich unterscheidet diese antitoxischen Sera von den bakteriziden Sera. „….Diese bestehen aus zwei Komponenten. Von diesen ist die eine, von Ehrlich als Immunkörper bezeichnete, für jede Krankheit specifisch….die andere, von Ehrlich Komplement genannt, nicht specifisch. Mittels des Immunkörpers wird das Komplement an das Bakterium gebunden und bringt dies zur Auflösung.“ Aus: Brockhaus Konversationslexikon, Stichwort Immunität, 14. Auflage (1902) Immunglobulinmolekühle bestehen aus zwei verschiedenen Arten von Polypeptidketten, den schweren Ketten und den leichten Ketten leichte Ketten Disulfidbrücken schwere Ketten 103 spezifische Antikörper bakterielle Toxine Zelle mit Toxinrezeptoren Neutralisierung Bakterien im extrazellulären Raum Antikörper können auf drei Arten an der Immunabwehr beteiligt sein Bakterien im Plasma Makrophage Opsonisierung Aktivierung des Komlementssystems Komplement 104 105 106 107 Die Antikörperarme sind durch ein flexibles Gelenk verbunden Winkel zwischen den Armen 0° Winkel zwischen den Armen 60° Winkel zwischen den Armen 90° 108 Das Y-förmige Immunoglobulin kann durch Protease-Spaltung funktionell aufgespalten werden proteolytische Spaltung mit Papain proteolytische Spaltung mit Pepsin 109 In den variablen Domänen gibt es definierte hypervariable Bereiche V-Region der leichten Ketten Variabilität Variabilität V-Region der schweren Ketten Aminosäure Aminosäure 110 Antigene können in Taschen, Gruben oder an ausgedehnten Oberflächen innerhalb der Bindungsstellen von Antikörpern binden 111 Der T-Zell-Rezeptor ähnelt einem membrangebundenem FabFragment Antigenbindungsstelle Antigenbindungsstelle Antikörper Antigenbindungsstelle T-ZellRezeptor T-Zelle 112 Die Struktur des T-Zell-Rezeptors Kohlenhydrat α-Kette β-Kette variable Region (V) konstante Region (V) Gelenk (H) Transmembranregion Cytoplasmatischer Schwanz Disulfidbrücke 113 Unterschiede in der Antigenerkennung zwischen Immunglobulinen und T Zell Rezeptoren Oberflächen Immunglobuline innere Strukturen TCR 115 Zwei Hauptgruppen von T-Zellen erkennen Peptid, das an Proteinen von zwei unterschiedlichen Klassen von MHC Molekülen gebunden ist 116 MHC-Moleküle präsentieren die Peptidfragmente von Antigenen auf der Zelloberfläche MHC-Klasse I MHC-Klasse II Peptid Zellmembran 117 MHC-I-Molekül präsentieren Antigene, die aus Proteinen im Zytosol stammen Im Zytosol werden virale Proteine synthetisiert Virus infiziert eine Zelle endoplasmatisches Reticulum MHC-I bindet Peptidfragmente viraler Proteine im ER Zellkern MHC-I transportiert gebundene Peptide and die Zelloberfläche 118 Bakterium infiziert Makrophagen und dringt in Vesikel ein; Peptidfragmente entstehen MHC-II bindet bakterielle Fragmente in den Vesikel MHC-II transportiert gebundene Fragmente an die Zelloberfläche an B-Zell-Rezeptor gebundenes Antigen Antigen wird aufgenommen und zu Peptidfragmente abgebaut Fragmente binden an MHC-II und werden an die Oberfläche transportiert MHC Klasse II Moleküle präsentieren Antigen aus intrazellulären Vesikeln Antikörper B-Zelle 119 Grundzüge der Strukturen der CD4- und CD8-Corezeptormoleküle 120 Cytotoxische T-Zellen erkennen Antigene, die von MHC-I-Molekülen präsentiert werden, und töten die Zelle ab Cytotoxische T-Zelle erkennt Komplex aus viralem Fragment und MHC-I und tötet infizierte Zelle tötet CD8 MHCKlasse-I 122 TH1- und TH2-Zellen erkennen Antigene, die von MHC-II-Molekülen präsentiert werden TH1-Zelle erkennt Komplex aus bakteriellem Fragment und MHC-II und aktiviert Makrophagen aktiviert CD4 MHCKlasse-II TH2-Helferzelle erkennt Komplex aus antigenem Fragment und MHC-II und aktiviert die B-Zelle T-Helferzelle aktiviert CD4 MHCKlasse-II 124 Die Expression von MHC-Molekülen unterscheidet sich in verschiedenen Geweben Gewebe MHC-Klasse I MHC-Klasse II Lymphatisches Gewebe T-Zellen B-Zellen Makrophagen andere antigenpräsentierende Zellen (z.B. Langerhans-Zellen) epitheliale Zellen des Thymus andere kernhaltige Zellen Neutrophile Zellen Hepatocyten Niere Gehirn kernlose Zellen rote Blutkörperchen 125 Der T-Zell-Rezeptor-Komplex besteht aus Proteinen, die das Antigen erkennen, und unveränderlichen Proteinen, die Signale aussenden Erkennung 126 Signalgebung Die Aggregation des T-Zell-Rezeptors und eines Corezeptors setzt die Verbreitung von Signalen in der Zelle in Gang in ruhenden T-Zellen sind die ITAMs nicht phosphoryliert Bindung des Liganden an den Rezeptor führt zur Phosphorylierung der ITAMs durch rezeptorassoziiete Kinasen ZAP-70 bindet an die phosphorzlierten ITAMs der ζKette; es wird durch Lck phosphoryliert und aktiviert, sobald der Corezeptor an den MHC-Liganden gebunden hat antigenpräsentierende Zelle T- Zelle 127 128 angeboren erworben lebensnotwendig gut es zu haben „ready to go“ braucht etwas mehr Zeit Zellen besitzen Effektorfunktion (Phagozyten) Keine basale EffektorFunktion (Lymphozyten) Erkennung über „PAMPs“ hoch variable Erkennungsrezeptoren 129 Gene der variablen Regionen werden aus Gensegmenten aufgebaut leichte Ketten schwere Ketten Keimbahn-DNA Somatische Rekombinatione DJ-verknüpfte umgeordnete DNA Somatische Rekombinatione VJ- oder VDJ-verküpfte umgeordnete DNA Primäres RNA-Transkript Spleißen mRNA Polypeptidkette 130 Die Anzahl funktioneller Gensegmente für die variablen Regionen der schweren und leichten Ketten in menschlicher DNA Zahl der funktionsfähigen Gensegmente in menschlichen Immunglobulinloci Segment leichte Ketten schwere Kette V-Segmente D-Segmente J-Segmente 131 Die Anzahl funktioneller Gensegmente für die variablen Regionen der schweren und leichten Ketten in menschlicher DNA Zahl der funktionsfähigen Gensegmente in menschlichen Immunglobulinloci Segment leichte Ketten schwere Kette 200 V-Segmente D-Segmente J-Segmente 132 Die Anzahl funktioneller Gensegmente für die variablen Regionen der schweren und leichten Ketten in menschlicher DNA Zahl der funktionsfähigen Gensegmente in menschlichen Immunglobulinloci Segment leichte Ketten schwere Kette 120 V-Segmente D-Segmente J-Segmente 133 Die Anzahl funktioneller Gensegmente für die variablen Regionen der schweren und leichten Ketten in menschlicher DNA Zahl der funktionsfähigen Gensegmente in menschlichen Immunglobulinloci Segment leichte Ketten schwere Kette 320 V-Segmente D-Segmente J-Segmente 134 Die Anzahl funktioneller Gensegmente für die variablen Regionen der schweren und leichten Ketten in menschlicher DNA Zahl der funktionsfähigen Gensegmente in menschlichen Immunglobulinloci Segment leichte Ketten schwere Kette 10530 V-Segmente D-Segmente J-Segmente 135 Die Anzahl funktioneller Gensegmente für die variablen Regionen der schweren und leichten Ketten in menschlicher DNA Zahl der funktionsfähigen Gensegmente in menschlichen Immunglobulinloci Segment V-Segmente leichte Ketten schwere Kette 10530 x 320 = 3.4 x 106 D-Segmente J-Segmente 136 Die genomische Organisation der Loci für die schweren und leichten Immungloblinketten in der Keimbahn des Menschen Locus der leichten λ-Kette Locus der leichten κ-Kette Locus der schwerenKette 137 Rekombinations-Signal-Sequenzen - Die 12/23-Regel 138 Gensegmente für variable Regionen werden durch Rekombination verknüpft 139 Die Einführung von P- und N-Nucleotiden an den Verknüpfungen zwischen Gensegmenten während der Immunglobulingenumlagerung Anfügen von N-Nucleotiden durch TdT RAG-Komplexe binden und spalten Rekombinationssignalsequenzen, sodass eine DNA-Haarnadelstruktur ensteht Paarung der Stränge die RAG-vermittelte Spaltung der Haarnadelstruktur erzeugt palindromartige P-Nucleotide Durch Exonucleasespaltung, DNA-Synthese und DNA-Ligation ensteht die codierende Verknüpfungssequenz 140 Die Organisation der Loci für α− und β−Κetten des T-Zell-Rezeptors des Menschen in der Keimbahn Locus der α-Kette Locus der β-Kette 141 Umordnung und Expression der Gene für die α- und β-Kette des T-Zell-Rezeptors Keimbahn-DNA Rekombination umgeordnete DNA Transkription Spleißen Translation Protein (T-Zell-Rezeptor) Transkription Spleißen Translation umgeordnete DNA Rekombination Keimbahn-DNA 142 Die Anzahl der menschlichen T-Zell-Rezeptor-Gen-Segmente und die Ursachen der T-Zell-Rezeptor-Vielfalt im Vergleich zu den Immunglobulinen Immunglobulin α:β - Rezeptoren Element V-Segmente D-Segmente D-Segmente, in drei Rastern gelesen selten oft J-Segmente Verknüpfung mit N- und PNucleotiden 50% der Verknüpfungen Anzahl der V-Genpaare junktionale Diversität Gesamtvielfalt 143 Die genomische Organisation der Loci für die schweren und leichten Immungloblinketten in der Keimbahn des Menschen Locus der leichten λ-Kette Locus der leichten κ-Kette Locus der schwerenKette 146 Der Aufbau der wichtigsten menschlichen Immunglobulinisotypen 147 IgM- und IgA-Moleküle können Multimere bilden IgM-Pentamer J-Kette IgA-Dimer J-Kette 148 Veränderungen in den Immunglobulin- und T-Zell-Rezeptor-Genen, die während der B-Zell- und T-Zell-Entwicklung und –Differenzierung erfolgen Vorgang erfolgt in Vorgang Art der Änderungen B-Zellen T-Zellen somatische Rekombination von DNA irreversibel ja ja junktionale Diversität unpräzise Verknüpfungen, Insertion von N-Sequenzen in die DNA irreversibel ja ja transkriptionelle Aktivierung Aktivierung des Promotors durch Nähe zum Enhancer irreversibel, aber reguliert ja ja IsotypwechselRekombination somatische Rekombination von DNA irreversibel ja nein Somatische Hypermutation DNA-Punktmutation irreversibel ja nein IgM-, IgD-Expressionen auf der Oberfläche Differenzielles Spleißen von RNA reversibel, reguliert ja nein Membrangebundene oder sezernierte Form Differenzielles Spleißen von RNA reversibel, reguliert ja Ereignis Zusammensetzung der VRegionen nein 149 • Komponenten und Aufbau des Immunsystems • Initiation von Immunantworten • lymphatische Organe • Erkennungsmechanismen • Lymphozytenentwicklung • Entstehung und Verlauf adaptiver Immunantworten 151 Basale Aufgabe eines Immunsystems kontrolliert Selbst Immunsystem Fremd zerstört Wie unterscheidet das Immunsystem Freund und Feind? 152 Ignoranz angeborenes Immunsystem Muster PRR - PAMP PRR: genetisch festgelegt. Selbst Selektion im Laufe der Evolution. Fremd 153 Ignoranz angeborenes Immunsystem Muster PRR - PAMP Selbst Antigenrezeptoren: ZUFÄLLIGE somatische Rekombination. Selektion adaptives Immunsystem Fremd potentiell alles 155 Ignoranz angeborenes Immunsystem Muster PRR - PAMP Selbst Antigenrezeptoren: ZUFÄLLIGE somatische Rekombination. Fremd Erkennung jeglicher Form von Antigen. Genetisch festgelegte Ignoranz ist keine Option. adaptives Immunsystem Selektion potentiell alles 156 Immunologische Toleranz ...haben wir darauf hingewiesen, dass der Organismus über Einrichtungen verfügt, die verhindern, dass in ihm die Immunitätsreaction, die so leicht durch die allerverschiedensten Zellarten ausgelöst wird, sich gegen die eigenen Elemente richtet und dass Autotoxine entstehen..., so dass man gewissermassen berechtigt wäre, von einem Horror autotoxicus des Organismus zu sprechen. 157 - Autoimmunität der Preis des adaptiven Immunsystems 158 B- und T-Zell-Entwicklung 1. Positive Selektion: Selektion funktioneller AntigenRezeptoren (erfolgreiche Rekombination „in frame“) 2. Negative Selektion: Eliminierung von Klonen mit autoreaktivem Antigen-Rezeptor 159 B-Zell-Entwicklung 160 Die frühen Stadien der B-Zell-Entwicklung sind von den Stromazellen des Knochenmarks abhängig Stammzelle / frühe lymphatische Zelle frühe Pro-B-Zelle späte Pro-B-Zelle Prä-B-Zelle unreife B-Zelle Stromazelle im Knochenmark 161 Die Korrelation von Stadien der B-Zell-Entwicklung mit der Umordnung der Immunglobulingensegmente und der Expression von Zelloberflächenproteinen Stammzelle frühe ProB-Zelle späte ProB-Zelle große BZelle kleine BZelle unreife BZelle Umordnung + Selektion: schwere Kette 163 Zentrale Toleranz - B-Zellen Avidität: hoch Avidität: gering Avidität: gering 164 T-Zell-Entwicklung 165 Location, location, location 166 Location, location, location JFAP Miller, The Lancet 167 Der zelluläre Aufbau des menschlichen Thymus corticale Epithelzelle Kapsel Trabekel Cortex subkapsuläres Epithel Corticomedulläre Grenze Medulla HassallKörperchen Thymocyt (aus dem Knochenmark) medulläre Epithelzelle dendritische Zelle (aus dem Knochenmark) Makrophage (aus dem Knochenmark) 168 Die epithelialen Zellen des Thymus bilden ein Netzwerk, das die sich entwickelnden Thymocyten umgibt 169 FACS erlaubt es einzelne Zellen anhand ihrer Oberflächenentigene zu erkennen und zu sortieren 170 Der Thymus ist von entscheidender Bedeutung für das Heranreifen von T-Zellen aus Knochenmarksvorläufern Stammzellen aus dem Knochenmark Lymphocytendefekt Thymusdefekt Rudimentärer Thymus Thymustransplantat transplantierte Zellen besiedeln den normalen Thymus normale Zelle besiedeln den transplantierten Thymus Analyse von Milzzellen Zellzahl vor dem Transplantat NichtT-Zellen nach dem Transplantat T-Zellen Analyse von Milzzellen Zellzahl vor dem Transplantat NichtT-Zellen nach dem Transplantat T-Zellen 171 Die Korrelation von Entwicklungsstadien der α:β – T-Zellen mit der Umordnung der T-Zell-Rezeptor-Gene und der Expression von Zelloberflächenproteinen doppelt negativ doppelt positiv einfach positiv Umordnung + Selektion: β-Kette („β-Kette-Selektion“) 173 Kontrollpunkte intrathymischer T-ZellDifferenzierung 3 x 105 3 x 106 3,000 2x 106 1-2 x 108 1 x 107 20,000 200 174 Definierte Migration von Thymocyten während der Differenzierung 175 MHC-Restriktion, Michael Bevan 1977 Figure 7-28 part 1 of 2 bestrahlter Empfänger des MHC-Typs a bestrahlter Empfänger des MHC-Typs b 176 MHC-Restriktion, Michael Bevan 1977 Messung der Reaktion immunisierter F1-T-Zellen auf das Antigen, das von APCs des MHCTyps a und b präsentiert wird T-Zellen reagieren auf ein Antigen, das von APCs des MHC-Types a präsentiert wird T-Zellen reagieren auf ein Antigen, das von APCs des MHC-Types b präsentiert wird 177 Figure 5-17 178 Die positive Selektion bestimmt die Korezeptorexpression 179 Positive Selektion im Thymuscortex normale Expression von MHC-Klasse-II-Molekülen Mutante ohne MHC-Klasse-IIMolekülen CD8- und CD4-Zellen reifen heran nur CD8-Zellen reifen heran Mutante, deren MHC-KlasseII-Transgen nur im Thymusepithel exprimiert wird Mutante, in der ein MHCKlasse-II-Transgen exprimiert wird, das nicht mit CD4 interagieren kann CD8- und CD4-Zellen reifen heran nur CD8-Zellen reifen heran Bare lymphocyte syndrome II/Klasse II Defizienz: Rezessive Erkrankung, in der die Expression von MHCII aufgrund von Transkriptionsfaktor-Defekten unterbleibt. Sehr wenige CD4 T Zellen in den Patienten 180 Negative Selektion - der HY-TCR Alle T-Zellen spezifisch für H. von Boehmer, 1988 181 Die „anderen“ Zellen im Thymus mTEC 183 Wie findet der Thymozyt das „Selbst“? Promiskuitive Genexpression in mTEC durch AIRE 184 Bei der positiven Selektion muss die Spezifität oder Affinität eine andere sein als bei der negativen Selektion Positive und negative Selektion haben dieselbe Spezialität oder Avidität Positive und negative Selektion haben unterschiedliche Spezialität oder Avidität unreife Thymocyten positive Selektion negative Selektion Reife periphere T-Zellen 185 186 188 • Komponenten und Aufbau des Immunsystems • Initiation von Immunantworten • lymphatische Organe • Erkennungsmechanismen • Lymphozytenentwicklung • Entstehung und Verlauf adaptiver Immunantworten 189 Dendritische Zellen starten eine adaptive Immunantwort unreife dendritische Zellen halten sich in peripheren Geweben auf dendritische Zellen wandern über afferente Lymphgefäße zu regionalen Lymphknoten reife dendritische Zelle im inneren Cortexbereich Lymphatischer Antigen-spezifischer Lymphozyt Follikel Makropinsom Reife dendritische Zelle regionaler Lymphknoten naiver Lymphozyt innerer Cortexbereich Mark 190 T-Zellen gelangen über Venolen mit hohem Endothel in den Cortex der Lymphknoten T-Zellen, die nicht auf ihr spezifisches Antigen treffen, verlassen den Lymphknoten über die Lymphbahnen T-Zellen überprüfen, welche Antigene die Makrophagen und dendritische Zellen präsentieren Naive T-Zellen treffen während ihrer Wanderung durch die peripheren Lymphorgane auf Antigene T-Zellen, die auf ihr spezifisches Antigen treffen, proliferieren und entwickeln sich zu Effektorzellen 191 Vorübergehende Verbindungen zwischen T-Zellen und antigenpräsentierenden Zellen werden durch eine spezifische Antikenerkennung stabilisiert T-Zellen binden zuerst über LFA1:ICAM die anschließende Bindung der TZell-Rezeptoren bewirkt ein Signal an LFA-1 durch eine Konformationsänderung von LFA-1 erhöht sich die Affinität und verlängert sich der Kontakt zwischen den Zellen 192 Vorübergehende Verbindungen zwischen T-Zellen und antigenpräsentierenden Zellen werden durch eine spezifische Antikenerkennung stabilisiert „Immunologische Synapse“ 193 Figure 8-22 partdie 1 of 2 Wieviel Antigen braucht T-Zelle? • 1 - 10 MHC Klasse II - PeptidKomplexe in Anwesenheit von CD4 195 Die Aktivierung naiver T-Zellen erfordert zwei voneinander unabhängige Signale Spezifisches Signal und Costimulator 196 Auf antigenpräsentierenden Zellen werden als costimulierende Signale vor allem B7-Moleküle exprimiert, die an das T-Zell-Protein CD28 binden 197 durch Quervernetzung von CD28 wird bei der Aktivierung naiver T-Zellen ein costimulierendes Signal ausgesandt und die Expression von CTLA-4 (CD152) ausgelöst Die T-Zell-Aktivierung über den T-Zell-Rezeptor und CD28 führt zu einer erhöhten Expression von CTLA-4, einem inhibitorischen Rezeptor für B7-Moleküle CTLA-4 bindet stärker als CD28 an B7 (CD80 oder CD86) und übermittelt aktivierten TZellen inhibitorische Signale 198 naive T-Zelle wird durch virusinfizierte dendritische Zelle stimuliert T-Zelle erkennt dasselbe Antigen auf einer infizierten Epithelzelle aktivierte T-Zelle tötet infizierte Epithelzelle naive T-Zelle erkennt körpereigenes Antigen auf einer Epithelzelle antigenspezifisches Signal allein löst eine Anergie aus T-Zelle reagiert nicht auf körpereigenes Antigen auf APC Die Bedingung, dass dieselbe Zelle sowohl das antigenspezifische als auch das costimulierende Signal aussenden muss, spielt eine wesentliche Rolle bei der Vermeidung von Immunreaktionen gegen körpereigene Antigene 199 Mikrobielle Substanzen können bei Makrophagen eine costimulierende Aktivität auslösen Proteinantigen, das nicht zu einem Bakterium gehört Bakterien Bakterielle und nichtbakterielle Proteine nicht stimulierte Makrophagen senden kein costimulierendes Signal an TZellen, die nichtbakterielle Antigene erkennen Bakterien stimulieren Makrophagen, ein costimulierendes Signal an T-Zellen zu senden, die bakterielle Antigene erkennen Bakterien regen Makrophagen an, ein costimulierenden Signal an T-Zellen auszusenden, die nichtbakterielle Antigene erkennen anergische T-Zellen Proliferation und Differenzierung von T-Zellen, die für ein bakterielles Protein spezifisch sind Proliferation und Differenzierung von TZellen, die für ein nichtbakterielles Protein spezifisch sind 200 B-Zellen können mithilfe ihres Immunglobulinrezeptors T-Zellen sehr effizient spezifische Antigene präsentieren antigenspezifische B-Zelle bindet an ein Antigen durch rezeptorvermittelte Endocytose wird ein spezifisches Antigen effizient aufgenommen zahlreiche spezifische Antigenfragmente werden präsentiert 201 Die Eigenschaften verschiedener antigenpräsentierender Zellen +++ Makropinocytose und Phagocytose durch dendritische Gewebezellen; Virusinfektion Phagocytose +++ antigenspezifischer Rezeptor (Ig) ++++ auf dendritische Gewebezellen gering; auf dendritische Zellen in Lymphgeweben stark durch Bakterien und Cytokine induzierbar; - bis +++ Konstitutive Zunahme bei Aktivierung; +++ bis ++++ konstitutiv durch reife, nicht phagocytierende, lymphatische dendritische Zellen ++++ induzierbar; - bis +++ induzierbar; - bis +++ Peptide, virale Antigene, Allergene partikuläre Antigene, intra- und extrazelluläre Pathogene lösliche Antigene, Toxine, Viren lymphatisches Gewebe, Bindegewebe, Epithelien lymphatisches Gewebe, Bindegewebe, Körperhölen Lymphatisches Gewebe, Blut in der Peripherie 202 Aktivierte T Zellen produzieren und reagieren auf IL-2 203 Expansion T-Zellen FigureAg-spezifischer 8-22 part 1 of 2 • Ausgangspopulation: 6000 pro Mensch • CD4+: mehrere 100-fach • CD8+: 50,000 – 100,000-fach 205 Bewaffnete T-Effektorzellen können auf ihre Zielzellen ohne Costimulation reagieren Stimulation einer naiven T-Zelle proliferierende T-Zelle aktive T-Effektorzelle töten virusinfizierte Zielzellen 206 Bewaffnete T-Effektorzellen können auf ihre Zielzellen ohne Costimulation reagieren Stimulation einer naiven T-Zelle proliferierende T-Zelle aktive T-Effektorzelle töten virusinfizierte Zielzellen 207 Bewaffnete T-Effektorzellen können auf ihre Zielzellen ohne Costimulation reagieren Stimulation einer naiven T-Zelle proliferierende T-Zelle aktive T-Effektorzelle töten virusinfizierte Zielzellen 208 Effektor-T-Zell-Populationen 1. Cytotoxische T-Zellen (CTL, CD8+) 2. Helfer T-Zellen (CD4+) a. Th1 b. Th2 c. Th17 209 210 Die drei wichtigsten Arten bewaffneter T-Effektorzellen synthetisieren verschiedene Effektormoleküle 212 Figure 8-31 213 214 Figure 8-31 215 Th1 Figure 8-41 part 1 of 2 Mφ-Aktivierung Zytolyse T-ZellProliferation 216 Th1 Figure 8-41 part 2 of 2 MφDifferenzierung Endothelaktivierung MφRekrutierung 217 Die Rolle von T-Effektorzellen bei der zellulären und humoralen Immunreaktion gegen verschiedene Krankheitserreger zellvermittelte Immunität humorale Immunität Typische Krankheitserreger Vacciniavirus, Influenzavirus, Tollwutvirus, Listeria Mycobacterium tuberculosis Mycobacterium leprae Leishmania donovani Pneumocystis carinii Clostridium tetani Staphylococcus aureus Streptococcus pneumoniae Poliovirus Pneumocystis carinii Lokalisation Cytosol Vesikel von Makrophagen extrazelluläre Flüssigkeit T-Effektorzelle cytotoxische CD8-T-Zelle TH1-Zelle TH2/TH1--Zelle Antigenerkennung Peptid: MHC-Klasse-I auf infizierter Zelle Peptid: MHC-Klasse-II auf infiziertem Makrophagen Peptid: MHC-Klasse-II auf antigenspezifischer B-Zelle Wirkungsweise des Effektors Abtöten der infizierten Zelle Aktivierung infizierter Makrophagen Aktivierung spezifischer B-Zellen zur Synthese von Antikörpern 218 Leishmania major: Modell für Th1 vs. Th2 Polarisierung BALB/c lesions (size) Th2 Resistenz Th1 time (d) C57BL/6 219 Übersicht Th Effekte Th 1 Th 2 Th17 Pathogen intrazelluläre Bakterien, Viren Helminthen extrazelluläre Bakterien, Pilze Effektor-Zytokin IFNγ, LTα IL-4, 5, 13, 25 IL-17, 22, 6, G-CSF Ziel-Zelle Makrophage, CTL B-Zelle Neutrophiler Effekt Phagozytose, zytolytisch IgKlassenwechsel, Mastzellaktivierung Akute Entzündung, Integrität der Epithelien Pathologie systemische Autoimmunität Allergie, Asthma organspezifische Autoimmunität220 Immunologische Toleranz negative Selektion Thymus negative Selektion Rezeptor-Editing Knochenmark Zentrale Toleranz Periphere Toleranz 222 Immunologische Toleranz negative Selektion Co-Stimlulation Thymus negative Selektion Rezeptor-Editing Knochenmark Anergie Zentrale Toleranz Periphere Toleranz 223 Immunologische Toleranz negative Selektion Thymus +++++ negative Selektion Rezeptor-Editing Knochenmark Aktivierungsinduzierter Zelltod Zentrale Toleranz Periphere Toleranz 224 Anergie Immunologische Toleranz negative Selektion schwach Thymus negative Selektion Rezeptor-Editing Knochenmark Ignoranz Zentrale Toleranz +++++ Anergie AICD Periphere Toleranz 225 Immunologische Toleranz Treg negative Selektion Thymus negative Selektion Rezeptor-Editing Knochenmark schwach Ignoranz Zentrale Toleranz +++++ Anergie AICD Periphere Toleranz 226 Immunologische Toleranz Treg dominant negative Selektion Thymus negative Selektion Rezeptor-Editing Knochenmark rezessiv schwach Ignoranz Zentrale Toleranz +++++ Anergie AICD Periphere Toleranz 227
