Antikörper – ein Überblick | Präsentation
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Antikörper Ein Überblick Referat von Robert Bozsak Gliederung • Antikörper allgemein • generelle Struktur (Ketten) • Isotypen - Vorkommen und Funktion • generelle Sturktur (funktionelle Fragmente) und Definition: Allotypen • von der DNA zum Antikörper (Klassenwechsel, V(D)J-Rekombination, somatische Hypermutation) • Antigenerkennung im Antikörper • Fragen & Antworten 2 Antikörper allgemein • Antikörper (auch: Immunglobuline, Ig) sind wichtiger Teil der erworbenen (adaptiven) Immunität und dienen der spezifischen Abwehr von Antigenen • Sie sind Proteine, die als Reaktion auf Antigene gebildet werden • Die Bildung erfolgt durch differenzierte B-Zellen (Plasmazellen) • Antikörper kommen im Blut und in der extrazellulären Flüssigkeit der Gewebe vor • Es werden sezernierte (abgesonderte) Antikörper (hydrophil) und membrangebundene B-Zell (BCR) / T-Zell (TCR) Antigenrezeptoren (hydrophob) unterschieden • Sie „erkennen“ meist nur einen Teil der Struktur des Antigens (z.B. einer Polysaccharidhülle), die antigene Determinante (Epitop) und binden sich über eine spezifische nicht-kovalente Bindung zum Antigen-AntikörperKomplex (hauptsächlich elektrostatische Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen) • Aufgaben: Neutralisation von Antigenen, Opsonisierung, Aktivierung des Komplementsystems, ADCC, Agglutination 3 generelle Struktur (Ketten) • Jeder Antikörper weist ungefähr eine Y-Form auf mit einer antigenbindenden V-Region (variabel) und einer C-Region (konstant) zum Auslösen von Effektormechanismen • Dazu kommt die Unterteilung in zwei paarweise identisch vorkommenden Polypeptidder schweren H-Kette und der leichten Kette ketten, L- • Die Ketten sind durch mehrere Disulfidbrücken verknüpft • Leichte Ketten bestehen aus jeweils einer variablen und konstanten (Immunglobulin-)Domäne (eigener, kompakt gefalteter Abschnitt; VL und CL) • Schwere Ketten besitzen eine variable und 3 (IgG, IgA) oder 4 (IgM, IgE) konstante Domänen (VH, CH1, CH2, ...) • Die variablen Domänen der schweren und leichten Kette bilden die Antigenbindungsstelle 4 generelle Struktur (Ketten) • Es gibt zwei Typen von leichten Ketten pro Antikörper (entweder Lambda λoder Kappa κ-Ketten) ohne funktionellen Unterschied und mit einem artspezifischen Verhältnis (z.B. κ:λ bei Menschen 2:1, bei Rindern 1:20) • Dazu gibt es noch fünf Typen von schweren Ketten, die zur Einteilung aller Immunglobuline in Hauptklassen oder Isotypen dient 5 Isotypen (Klassen) • Die fünf wichtigsten Immunglobulinklassen heißen Immunglobulin G (IgG), Immunglobulin M (IgM), Immunglobulin A (IgA), Immunglobulin D (IgD) und Immunglobulin G (IgE) • Ihre charakteristischen funktionellen Eigenschaften erhalten die schweren Ketten durch ihre carboxyterminalen Hälften • Immunglobuline haben auch einen hohen Stellenwert in der Medizin (z.B. Anwendung als passiver Impftstoff, in der Onkologie, bei Autoimmunerkrankungen oder als Teil des radioaktiven Tracer bei Szintigrafien) • Biologie: z.B. Nachweis von Proteinen mithilfe von Fluoreszenzfarbstoffen 6 generelle Struktur (funktionelle Fragmente) • Mithilfe von Enzymen (Proteasen) lassen sich die Polypeptidsequenzen an bestimmten Aminosäuren spalten • Beispiel: Verdauung mit Papain (li.) und Pepsin (re.) • Papain spaltet Antikörpermoleküle in zwei identische Fragmente, mit antigen-bindender Aktivität (Fab = fragment antigen binding; komplette leichte Kette + VH + CH1) und einem FcFragment (fragment crystallizable), mit konstanten Regionen • Pepsin spaltet es in ein F(ab‘)2-Fragment mit voller Bindungseigenschaft für das Antigen und mehreren kleinen Fragmenten der schweren Kette • Mittels gentechnischer Verfahren lassen sich viele verschiedene Antikörperteilstücke herstellen, die sich z.B. an Proteintoxine oder Tumorantigene nur mit einem verkürzten Fab-Fragment binden (siehe: einkettiges Fv = fragment variable) 7 generelle Struktur (Hinge-Region) / Definition „Allotypen“ • alle Proteindomänen verbinden sich zu drei gleich großen globulären Teilen, die über ein bewegliches Stück, der Gelenkregion (Hinge), flexibel miteinander verbunden sind • Dieses „molekulare Kugelgelenk“ erlaubt unabhängige Bewegung beider FabArme, sodass sich auch (z.B. an Haptenen) Dimere, Trimere, Tetramere, usw. ausbilden können • Definition Allotyp: Existieren an einem Genort innerhalb einer Population verschiedene Allele, so werden die Genprodukte als Allotypen bezeichnet, d.h. eine hohe Anzahl an Allelen kodieren ihre jeweiligen Proteine 8 von der DNA zum Antikörper: allgemein / Entstehung der Vielfalt im Antikörper-Repertoire • In jedem Lebewesen gibt es zu jedem Zeitpunkt mindestens 108 verschiedene Lymphocytenspezifitäten; eine so große Anzahl, dass sie nie in der DNA codiert werden könnte • Zur Herstellung von spezifischen Antikörpern bei einer Immunantwort durchläuft der Organismus zwei Schritte: • Erstens: Bei der Reifung von B-Zellen (oder bei TCRs) wird ihre Rezeptorspezifität durch den Prozesse der somatischen Rekombination rein zufällig aus DNA-Segmenten irreversibel geprägt. Auch spielt die junktionale Vielfalt eine Rolle. • Zweitens: Nach der Aktivierung einer B-Zelle kann durch somatische Hypermutation (der V-Domänen) und dem Klassenwechsel (der CRegion) eine weitere Anpassung auf dem Weg zur differenzierten Plasmazelle und den sezenierten Antikörpern vorgenommen werden 9 von der DNA zum Antikörper: V(D)JRekombination • während der Reifung der BLymphocyten im Knochenmark werden unterschiedliche DNAAbschnitte für die leichten und schweren Ketten zufällig miteinander kombiniert • V-Regionen beider Ketten setzen sich aus V,D,JSegmenten bei den schweren und V,JSegmenten bei den leichten zusammen • Obwohl es von jedem Segment im Genom mehrere Varianten gibt (Allotypen), ist es Zufall, welches Variante zum Zug kommt 10 von der DNA zum Antikörper: V(D)JRekombination • Dieses Ereignis ist einmalig und irreversibel, alle Nachkommen weisen die gleiche Spezifität auf • Es ist der einzige Prozess im Lebewesen, bei dem die DNA in somatischen, proliferierenden Zellen gezielt verändert wird • In der Tabelle rechts sind die daraus entstehende Möglichkeiten beim Menschen errechnet • Die Diversität wird weiterhin durch Deletion oder Hinzufügen von Nucleotiden während der Rekombination erhöhrt. Dieser Prozess beschreibt die junktionale Vielfalt 11 von der DNA zum Antikörper: Klassenwechsel & somatische Hypermutation • Im Zuge der Immunantwort sind jedoch weitere Genveränderungen möglich • Durch gehäufte Punktmutation im Prozess der somatischen Hypermutation können in der V-Region Änderungen hervorgerufen werden, die im B-Zellklon zu einer stärkeren Stimulierung durch das Antigen führen • Dadurch wird ihm ein Wachstumsvorteil gegeben • Dieser Mechanismus der Affinitätsreifung ist nur bei B-Zellen beobachtet worden • Obwohl der variable Teil eines Antikörpermoleküls bei einer klonalen Zelllinie gleich bleibt, ist beim konstanten Teil der Austausch zu einer anderen Klasse möglich • Dieser Prozess heißt Klassenwechsel und wird durch Cytokine von TLymphozyten beeinflusst • Die Synthese kann immer nur in folgender Reihenfolge ablaufen: • IgM, IgD, IgG, IgE und IgA 12 Antigenerkennung im Antikörper • Antigenerkennung durch den V-Teil • Hypervariable Regionen • Innerhalb der V-Regionen von Antikörper-Molekülen finden sich auffällige Bereiche, in denen die Aminosäure-Sequenzen stark variieren, hypervariabel sind. Diese Bereiche determinieren die Bindungseigenschaften des Antikörpers und sind komplementär zum Antigen CDR = complementarity determining region • CDRs • Die Domänen von Immunglobulinen besitzen eine charakteristische Tertiärstruktur, die sich auch bei vielen Molekülen findet, die keine Antikörper sind. 13 Fragen und Antworten Noch Fragen? Wenn nicht, dann vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit! :) 14 Quellen • http://de.wikipedia.org/wiki/Antikörper • http://de.wikipedia.org/wiki/V(D)J-Rekombination • http://de.wikipedia.org/wiki/Somatische_Hypermutation • http://ikit.uniklinikum-leipzig.de/download/v2.pdf • http://www.archetypum.net/projects/immunologie/fs0.html • http://www.ruhr-uni-bochum.de/vkmed/rub-grafiken/Immunologie1 • http://www.ursprung.at/ursprung/projekte_extern/allergiehp_kids/huber/projekt arbeit_huber.htm • Immunbiologie: Eine Einführung von Jürgen Neumann, Springer 2008 • zugesandte Info-Materialien 15
