Die Rolle der Autoreaktivität für die B-Zell

Jahrbuch 2011/2012 | Jumaa, Hassan | Die Rolle der Autoreaktivität für die B-Zell-Entw icklung
Die Rolle der Autoreaktivität für die B-Zell-Entwicklung
The role of autoreactivity in B cell development
Jumaa, Hassan
Max-Planck-Institut für Immunbiologie und Epigenetik, Freiburg
Korrespondierender Autor
E-Mail: [email protected]
Zusammenfassung
Von B-Lymphozyten sezernierte Antikörper sind in der Lage, alle fremden Antigene im Körper zu binden. Diese
Antikörpervielfalt w ird durch einen somatischen Rekombinationsvorgang erreicht, bei dem V-, (D-) und JGensegmente zufällig miteinander verknüpft w erden. Dabei können auch Antikörper generiert w erden, die
körpereigene Strukturen, Autoantigene, erkennen und so zu Autoimmunerkrankungen führen. Forscher am
MPI für Immunbiologie und Epigenetik haben nun gezeigt, dass die Erkennung von Autoantigenen w ichtig für
die Selektion und die Anreicherung von B-Zellen w ährend ihrer Entw icklung ist.
Summary
Antibodies produced by B lymphocytes are able to recognize virtually any foreign antigen in the body. This
enormous antibody diversity is generated by random somatic recombination of V-, (D-) and J-gene segments.
In this process, autoantibodies can be generated that are directed against the body’s ow n structures and can
thereby cause autoimmune diseases. How ever, scientists at the MPI for Immunobiology and Epigenetics could
now show that the recognition of autoantigens is important for the selection and expansion of developing B
cells.
B-Zell-Entwicklung
B-Lymphozyten bilden zusammen mit T-Lymphozyten das sog. adaptive Immunsystem, w elches im Vergleich
zum angeborenen Immunsystem mehrere Tage braucht, um aktiv an einer Immunantw ort teilzunehmen. Der
Grund hierfür liegt darin, dass bei einer Infektion die Antigen-spezifischen Lymphozyten selektiert, aktiviert
und vermehrt w erden müssen – ein Vorgang, der als klonale Selektion bezeichnet w ird. Als Folge dessen
differenzieren
die
Antigen-spezifischen
B-Zellen
zu
Antikörper-produzierenden
Plasmazellen
oder
zu
Gedächtnis-B-Zellen. Letztere können Monate bis Jahre überleben, w ährend reife, naive B-Zellen eine
Halbw ertszeit von nur w enigen Tagen haben und kontinuierlich aus hämatopoetischen Stammzellen im
Knochenmark nachgebildet w erden.
Antikörper bestehen aus zw ei identischen schw eren und zw ei identischen leichten Ketten, w elche kovalent
miteinander
verknüpft
sind. Diese
© 2012 Max-Planck-Gesellschaft
w erden
von
nicht-aktivierten
w w w .mpg.de
B-Zellen
im Komplex
mit
w eiteren
1/6
Jahrbuch 2011/2012 | Jumaa, Hassan | Die Rolle der Autoreaktivität für die B-Zell-Entw icklung
akzessorischen Proteinen membrangebunden auf der Oberfläche als Teil des B-Zell-Antigen-RezeptorKomplexes (BZR) exprimiert. Anhand des Rekombinationsstatus der Gene für Immunglobuline (Antikörper) und
der Expression von w eiteren bestimmten Proteinen kann die B-Zell-Entw icklung in mehrere Stadien unterteilt
w erden: W ährend in pro-B-Zellen mit der Umlagerung der Immunglobulin-Gene für die schw ere Kette
begonnen w ird, exprimieren frühe prä-B-Zellen die schw ere Kette zusammen mit den Proteinen λ5 und VpreB,
w elche die sogenannte Ersatz-leichte-Kette bilden, in Form eines prä-B-Zell-Antigen-Rezeptors (prä-BZR) auf
ihrer Oberfläche; Signale des prä-BZR führen dann dazu, dass in späten prä-B-Zellen die Umlagerung der
leichten Kette eingeleitet w ird. Schließlich w erden die erfolgreich rekombinierten schw eren und leichten Ketten
als Teil des B-Zell-Antigen-Rezeptor-Komplexes auf unreifen B-Zellen exprimiert. Weitere vom BZR ausgehende
Signale entscheiden dann darüber, ob die B-Zelle das Knochenmark verlassen darf und in peripheren
lymphatischen Organen den Reifestatus erlangt.
Toleranzmechanismen bei B-Zellen
A bb. 1: Frühe Elim inie rung a utore a k tive r B-Ze lle n in de r
Entwick lung. Bishe r wurde a nge nom m e n, da ss B-Ze lle n,
we lche k örpe re ige ne Antige ne e rk e nne n, schon früh in ihre r
Entwick lung durch ne ga tive Se le k tion a us de m B-Ze llR e pe rtoire e ntfe rnt we rde n. Da hinge ge n k önne n sich nichta utore a k tive B-Ze lle n zu zirk ulie re nde n, re ife n B-Ze lle n
e ntwick e ln und in de r P e riphe rie durch ihr spe zifische s Fre m dAntige n für e ine Im m una ntwort se le k tionie rt we rde n.
© Ma x -P la nck -Institut für Im m unbiologie und Epige ne tik
Die schw eren und leichten Ketten der Antikörper bestehen jew eils aus einem variablen und einem konstanten
Bereich, w obei nur der variable Bereich für die spezifische Erkennung des Antigens verantw ortlich ist. Das Gen
für die variable Domäne besitzt eine ungew öhnliche Struktur: es ist aufgeteilt in variable (V-), diversity (D-)
und joining (J-) Gensegmente, von denen jew eils mehrere unterschiedliche Varianten im Genom vorliegen. Eine
sich entw ickelnde B-Zelle muss jew eils ein V- mit einem D- und einem J- (im Falle der schw eren Kette) bzw . ein
V- mit einem J-Gensegment (bei der leichten Kette) in einem zufälligen Rekombinationsvorgang miteinander
verknüpfen, um ein funktionelles Gen zu generieren. Unter anderem bew irkt dieser Mechanismus, dass jede
einzelne B-Zelle Immunglobuline mit einer einzigen Spezifität produziert, darunter jedoch auch Spezifitäten
gegen körpereigene Strukturen (Autoantigene). Autoreaktive B-Zellen können maßgeblich an der Entstehung
von Autoimmunerkrankungen w ie Systemischer Lupus Erythematodes (SLE) oder Rheumatoide Arthritis (RA)
beteiligt sein. Es w urde bisher angenommen, dass solche Zellen schon früh in ihrer Entw icklung aus dem
Repertoire entfernt w erden, noch bevor sie sich zu zirkulierenden, reifen B-Zellen entw ickeln können (Abb. 1).
© 2012 Max-Planck-Gesellschaft
w w w .mpg.de
2/6
Jahrbuch 2011/2012 | Jumaa, Hassan | Die Rolle der Autoreaktivität für die B-Zell-Entw icklung
Dies w urde durch die transgene Expression des autoreaktiven 3-83 BZR (w elcher MHC-I Proteine erkennt, die
auf nahezu allen kernhaltigen Zellen exprimiert w erden) veranschaulicht, w elche dazu führt, dass keine reifen
B-Zellen mit dieser Spezifität in lymphatischen Organen w ie der Milz nachgew iesen w erden können [1]. Man
nimmt an, dass die Expression eines autoreaktiven B-Zell-Antigen-Rezeptors zum programmierten Zelltod der
jew eiligen unreifen B-Zellen führt, noch bevor diese das Knochenmark verlassen können – ein Mechanismus,
der als klonale Deletion bezeichnet w ird. Darüber hinaus w urden Toleranzmechanismen w ie receptor editing
oder Anergie beschrieben. Beim receptor editing führt die B-Zelle sekundäre Umlagerungen der Gene für die
leichte Kette durch, w odurch eine neue leichte Kette generiert w ird, die gepaart mit der vorhandenen
schw eren Kette eine neue Spezifität ergeben kann. Der Mechanismus der Anergie ist noch nicht vollständig
verstanden. Man w eiß allerdings, dass anergische B-Zellen die Oberflächenexpression der Immunglobuline
herunterregulieren und sie in einen reaktionsunfähigen Zustand versetzt w erden [2].
Die Selektion von B-Zellen
Die Oberflächenexpression der Immunglobuline als prä-BZR bzw . BZR auf sich entw ickelnden B-Zellen
signalisiert der Zelle die erfolgreiche Rekombination der Immunglobulin-Gene. Dies ist enorm w ichtig, da beim
oben beschriebenen Vorgang der Rekombination der Immunglobulin-Gene mehrmals DNA-Doppelstrangbrüche
entstehen, die w ieder verknüpft w erden müssen. An den Verknüpfungsstellen können zusätzliche Nukleotide
eingefügt w erden, w elche die Variabilität im Immunglobulin-Repertoire erhöhen. Hierbei liegt jedoch das
Problem darin, dass nach der erfolgten VDJ-Rekombination das DNA-Leseraster des Immunglobulin-Gens
verschoben sein kann, w odurch kein funktionsfähiges Protein mehr gebildet w erden kann. Deshalb müssen BZellen, die diesen Prozess erfolgreich umgesetzt haben und eine funktionelle schw ere Kette exprimieren,
positiv selektioniert w erden. Die intakten schw eren Ketten bilden zusammen mit einer invarianten Ersatzleichten-Kette einen prä-BZR, dessen Signale dann zu einer Expansion der jew eiligen prä-B-Zellen führen.
Dass der prä-BZR autoreaktive Eigenschaften besitzt, w urde unter anderem von der Arbeitsgruppe von
Hassan Jumaa nachgew iesen [3, 4, 5]. Die Gruppe konnte zeigen, dass der prä-BZR an ein Zuckermolekül
eines benachbarten prä-BZR bindet, w as zu einer autonomen prä-BZR-induzierten Signaltransduktion und
somit zur positiven Selektion von prä-B-Zellen führt [6].
© 2012 Max-Planck-Gesellschaft
w w w .mpg.de
3/6
Jahrbuch 2011/2012 | Jumaa, Hassan | Die Rolle der Autoreaktivität für die B-Zell-Entw icklung
A bb. 2: Autore a k tivitä t ist e rforde rlich für e ine e ffizie nte
Bildung von B-Ze lle n. Um die R olle von a utore a k tive n B-Ze llAntige n-R e ze ptore n (BZR ) in de r frühe n B-Ze ll-Entwick lung zu
unte rsuche n, wurde n hä m a topoe tische Sta m m ze lle n (HSZ)
von W ildtyp-Mä use n (e x prim ie re n e ine n prä -BZR ) und λ5de fizie nte n 3-83 Mä use n (e x prim ie re n nur de n a utore a k tive n
3-83 BZR und k e ine n prä -BZR ) ge m ischt und in
im m unde fizie nte Mä use injizie rt, we lche e ntwe de r da s
Autoa ntige n be sitze n ode r nicht. Die HSZ de r W ildtyp-Mä use
sind durch e in grün-fluore szie re nde s P rote in (GFP ) m a rk ie rt
und so von de n 3-83 HSZ zu unte rsche ide n (obe re s Sche m a ).
In Abwe se nhe it de s Autoa ntige ns e ntwick e ln sich
ha uptsä chlich GFP -positive W ildtyp-B-Ze lle n. In Anwe se nhe it
de s Autoa ntige ns hinge ge n, führt die Ex pre ssion de s 3-83
BZR trotz de r λ5-De fizie nz zu e ine r e ffizie nte n Bildung von BZe lle n (GFP -ne ga tiv) in Knoche nm a rk und Milz. Als Kontrolle
die nte n im m unde fizie nte Mä use , we lche n k e ine Ze lle n injizie rt
wurde n.
© Ma x -P la nck -Institut für Im m unbiologie und Epige ne tik
Nach erfolgter Expansion der prä-B-Zellen beginnen diese mit der Rekombination der Immunglobulin-Gene der
leichten Kette. Verläuft dieser Rekombinationsprozess ebenfalls erfolgreich, exprimieren die Zellen die schw ere
Kette zusammen mit der neu gebildeten leichten Kette als Teil des BZR-Komplexes. Überraschenderw eise
zeigten aufw ändige Studien über die Reaktivität von BZR aus verschiedenen Entw icklungsstufen, dass die
Mehrheit dieser unreifen B-Zellen autoreaktive BZR exprimieren [7]. Weiterführende Studien im Labor von
Jumaa konnten zudem belegen, dass diese BZR eine funktionelle Ähnlichkeit zum prä-BZR aufw eisen. In Invitro-Experimenten konnten die Forscher zeigen, dass auch autoreaktive BZR aus unreifen B-Zellen autonom
aktiv sein können, w as zur Proliferation und Selektion dieser Zellen führt [3].
Diese Arbeiten deuten darauf hin, dass die autoreaktiven B-Zellen nicht w ie bisher angenommen sofort durch
klonale Deletion aus dem Repertoire entfernt w erden. Vielmehr scheinen diese unreifen B-Zellen, ähnlich w ie
prä-B-Zellen, durch Autoantigene positiv selektioniert und angereichert zu w erden. W ie bei prä-B-Zellen w ird
nach einigen Zellteilungsphasen die Umlagerung der Gene der leichten Kette induziert, w as als sekundäre
Rekombination bezeichnet w ird. Die neu gebildete leichte Kette kann die Spezifität des BZR grundlegend
ändern und dessen Autoreaktivität dadurch verringern. Solche Zellen beenden die Rekombination der leichten
Kette-Gene und entw ickeln sich w eiter. Dieses neue Modell der Selektion von B-Zellen konnte von Jumaa und
seinen Mitarbeitern durch Studien bestätigt w erden, in denen Mäuse mit einer λ5-Defizienz verw endet
w urden. Diese
Tiere
können
keine
Ersatz-leichte-Kette
und
somit keinen
prä-BZR bilden. Die
sich
entw ickelnden B-Zellen exprimieren stattdessen den oben beschriebenen autoreaktiven 3-83 BZR, jedoch
nicht als Transgen, sondern als Knock-in in den physiologischen Genlocus. Die Forscher fanden heraus, dass
© 2012 Max-Planck-Gesellschaft
w w w .mpg.de
4/6
Jahrbuch 2011/2012 | Jumaa, Hassan | Die Rolle der Autoreaktivität für die B-Zell-Entw icklung
dieser BZR die B-Zell-Entw icklung nur in Anw esenheit des Autoantigens (MHC-I) vermitteln konnte. Dagegen
w urde eine Blockade der B-Zell-Entw icklung bei der prä-B-Zell-Stufe festgestellt, w enn das Autoantigen nicht
vorhanden w ar.
Zudem konnte gezeigt w erden, dass nach einer Transplantation von hämatopoetischen Stammzellen aus λ5defizienten 3-83-Mäusen in immundefiziente Mäuse in Anw esenheit des Autoantigens die B-Zell-Entw icklung
ähnlich effizient abläuft w ie aus hämatopoetischen Stammzellen von W ildtyp-Mäusen [8]. In diesem
Experiment w urden hämatopoetische Stammzellen aus W ildtyp- und 3-83-Mäusen miteinander gemischt und in
immundefiziente Mäuse injiziert, w elche selber keine B-Zellen generieren können. Um die hämatopoetischen
Stammzellen aus den beiden Spendertieren voneinander unterscheiden zu können, exprimierten die W ildtyphämatopoetischen Stammzellen ein grün-fluoreszierendes Protein (GFP) als Marker. Fünf Wochen nach
erfolgter Transplantation konnten in den Empfängermäusen GFP-positive und GFP-negative B-Zellen in
vergleichbaren Mengen in der Milz nachgew iesen w erden (Abb. 2).
A bb. 3: Autore a k tivitä t tre ibt die B-Ze ll-Entwick lung a n. Da s
Mode ll be schre ibt, da ss die Erk e nnung von Autoa ntige ne n früh
in de r Entwick lung die a nfä ngliche Ex pa nsion de r frühe n BZe lle n vora ntre ibe n k a nn, ä hnlich wie durch die Ex pre ssion
e ine s prä -B-Ze ll-R e ze ptors (prä -BZR ), um som it e ine n große n
P ool a n frühe n B-Ze lle n m it e rfolgre ich um ge la ge rte r schwe re r
Ke tte zu ge ne rie re n. Na ch e rfolgre iche r Um la ge rung de r
le ichte n Ke tte -Ge ne ha be n unre ife a utore a k tive B-Ze lle n die
Möglichk e it, durch receptor editing die Spe zifitä t de s BZR zu
ä nde rn und we rde n nicht sofort a us de m R e pe rtoire e ntfe rnt.
Nicht-a utore a k tive B-Ze lle n e ntwick e ln sich zu re ife n,
zirk ulie re nde n B-Ze lle n.
© Ma x -P la nck -Institut für Im m unbiologie und Epige ne tik
Diese Ergebnisse zeigen, dass die Erkennung von Autoantigenen einen entscheidenden Vorteil für sich
entw ickelnde B-Zellen liefert, so dass die prä-BZR-Defizienz überw unden w erden kann. Folglich scheint der
prä-BZR eine Art Prototyp eines autoreaktiven Rezeptors zu sein, dessen Signale zur positiven Selektion jener
Zellen führt, w elche eine schw ere Kette exprimieren.
Das von Hassan Jumaa postulierte Modell der positiven Selektion von B-Zellen aufgrund ihrer Autoreaktivität
steht im W iderspruch zu den w eiter oben beschriebenen Beobachtungen, nach denen die Expression eines
autoreaktiven BZR in frühen Entw icklungsstadien zu einer Blockade der B-Zell-Entw icklung führte. Die MaxPlanck-W issenschaftler nehmen an, dass der Grund für diese Diskrepanzen w ohl darin liegt, dass in früheren
Experimenten autoreaktive BZR transgen exprimiert w urden, d.h. nicht von ihrem physiologischen genetischen
Locus aus. Dies hat zur Folge, dass autoreaktive BZR nicht mehr durch die Rekombinationsmaschinerie
© 2012 Max-Planck-Gesellschaft
w w w .mpg.de
5/6
Jahrbuch 2011/2012 | Jumaa, Hassan | Die Rolle der Autoreaktivität für die B-Zell-Entw icklung
modifiziert w erden können. Im Gegensatz dazu w urde in der aktuellen Studie von Jumaa der autoreaktive BZR
vom physiologischen Locus aus exprimiert, w odurch Regulationsmechanismen w ie receptor editing w eiterhin
möglich sind. Tatsächlich konnte in diesem System gezeigt w erden, dass die reifen B-Zellen die Autoreaktivität
des BZR verlieren, da die 3-83 schw ere Kette nun mit einer anderen leichten Kette gepaart w ar, die durch
sekundäre Rekombinationen der leichten Kette-Gene generiert w urde.
Zusammenfassend besagt das Modell von Hassan Jumaa, dass autoreaktive unreife B-Zellen nicht sofort durch
programmierten Zelltod aus dem Repertoire entfernt w erden, solange sie die Möglichkeit besitzen, ihre
Spezifität durch receptor editing zu verändern, sondern dass diese Autoreaktivität für die effiziente Entw icklung
eines hochdiversifizierten Antikörperrepertoires essenziell ist (Abb. 3).
[1] Nemazee, D. A.; Bürki, K.
Clonal deletion of B lymphocytes in a transgenic mouse bearing anti-MHC class I antibody genes
Nature 337 (6207), 562-566 (1989)
[2] Nemazee, D. A.; Weigert, M.
Revising B cell receptors
Journal of Experimental Medicine 191 (11), 1813-1817 (2000)
[3] Köhler, F; Hug, E.; Eschbach, C.; Meixlsperger, S.; Hobeika, E.; Kofer, J.; Wardemann, H.; Jumaa, H.
Autoreactive B cell receptors mimic autonomous pre-B cell receptor signaling and induce proliferation of
early B cells
Immunity 29 (6), 912-921 (2008)
[4] Bradl, H.; Wittmann, J.; Milius, D.; Vettermann, C.; Jäck, H. M.
Interaction of murine precursor B cell receptor with stroma cells is controlled by the unique tail of lambda
5 and stroma cell-associated heparan sulfate
The Journal of Immunology 171 (5), 2338-2348 (2003)
[5] Rossi, B.; Espeli, M.; Schiff, C.; Gauthier, L.
Clustering of pre-B cell integrins induces galectin-1-dependent pre-B cell receptor relocalization and
activation
The Journal of Immunology 177 (2), 796-803 (2006)
[6] Ubelhart, R.; Bach, M. P.; Eschbach, C.; Wossning, T.; Reth, M.; Jumaa, H.
N-linked glycosylation selectively regulates autonomous precursor BCR function
Nature Immunology 11 (8), 759-65 (2010)
[7] Wardemann, H.; Y urasov, S.; Schaefer, A.; Y oung, J. W.; Meffre, E.; Nussenzweig, M. C.
Predominant autoantibody production by early human B cell precursors
Science 301 (5638), 1374-1377 (2003)
[8] Eschbach, C.; Bach, M. P.; Fidler, I.; Pelanda, R.; Köhler, F.; Rajewsky, K.; Jumaa, H.
Efficient generation of B lymphocytes by recognition of self-antigens
The European Journal of Immunology 41(8), 2397-2403 (2011)
© 2012 Max-Planck-Gesellschaft
w w w .mpg.de
6/6