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B978-3-437-43690-1.10026-9

10.1016/B978-3-437-43690-1.10026-9

978-3-437-43690-1

Das Prinzip der Klonselektion. Das Antigen wählt aus einer großen Zahl ruhender Lymphozyten mit unterschiedlichen Rezeptoren die passenden aus (hier: Lymphozyt 111) und treibt deren klonale Vermehrung zu Effektor- (E) und Gedächtniszellen (G) an.

Spezifität des immunologischen Gedächtnisses. Ein Teil der B-Lymphozyten mit Spezifität für Antigen X, die in der Primärantwort vermehrt wurden, steht als Gedächtniszellen für eine rasche Sekundärantwort zur Verfügung. Ein zum Zeitpunkt der zweiten Antigenapplikation verabreichtes Antigen Y löst eine Y-spezifische Primärantwort aus.

Entwicklung der Zellen des Immunsystems aus hämatopoetischen Stammzellen. Es sind nur die gängigen Zelloberflächenmarker angeführt, die in der klinischen Routine zur Unterscheidung der Zellen verwendet werden (CD-Marker).

Lage der primären und sekundären lymphatischen Organe im Körper des Menschen.

Aufbau eines Lymphknotens. Die Antigene werden aus dem Gewebe über die afferenten Lymphgefäße zugeführt. Der Nachschub an frischen T-und B-Lymphozyten erfolgt über die Blutgefäße. In der Rinde (Kortex) bilden sich im Verlauf einer Immunreaktion Keimzentren aus proliferierenden Lymphozyten. Die aktivierten Lymphozyten verlassen den Lymphknoten über das efferente Lymphgefäß.

Signaltransduktion durch Toll-ähnliche Rezeptoren (TLR) am Beispiel von Lipopolysacchariden (LPS) gramnegativer Bakterien und TLR4.

Antigenerkennung durch B- und T-Lymphozyten. Antikörper erkennen an einem globulär gefalteten Glykoprotein molekulare Details auf der Oberfläche (Zuckerdeterminanten, konformationsabhängige und Sequenzdeterminanten des Proteinanteils). T-Zellen erkennen mit ihrem T-Zell-Rezeptor (TCR) nicht das freie Antigen, sondern Peptide, die durch HLA-Moleküle präsentiert werden.

Grundstruktur des IgG-Moleküls. Disulfidbrücken (gepunktet) stabilisieren die als Kreis gezeichneten Immunglobulindomänen und verknüpfen die beiden schweren (H) und leichten (L) Ketten. Die variablen Domänen (V) bilden die Antigenbindungsstelle, die konstanten Domänen (C) der H-Kette rekrutieren Effektorfunktionen. Die Pfeile geben die Angriffspunkte von Papain und Pepsin an, durch die das Molekül gespalten werden kann.

Aufbau der Antikörper aus strukturell ähnlichen Immunglobulindomänen.

a) Bandmodell eines Antikörpers, der mit seinen variablen Domänen zwei Antigenmoleküle (Lysozym, Kalottenmodell) bindet. Die schweren Ketten sind rot, die leichten gelb dargestellt.

b) Lage der CDR am Beispiel der VL-Domäne.

c) Variabilität der Aminosäuresequenz zwischen den VL-Domänen unterschiedlicher Antikörper.

Schematische Modellstrukturen der Immunglobulinklassen. Die gelben Linien in den Modellbildern zeigen Disulfidbrücken an; Glykosylierungsstellen sind nicht eingezeichnet. Die leichten Ketten sind hellblau, die schweren Ketten dunkelblau dargestellt.

Immunglobulin-Loci und deren Umlagerung.

a) Umlagerung der H-Ketten-Gene: Zur Generierung der H-Ketten-DNA sind zwei Umlagerungen notwendig, D-J und V-DJ. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die CH-Gensegmente als einzelne Blöcke gezeichnet. In Wirklichkeit werden sie durch mehrere Exons kodiert. Exon L kodiert eine Leadersequenz, die das Signalpeptid für den Transport in das endoplasmatische Retikulum enthält.

b) Umlagerung der L-Ketten-Gene: Gezeigt ist der -Locus. Das verbleibende, nichtverknüpfte J-Segment bleibt erhalten, wird aber nicht benutzt, da es auf der 5'-Seite keine Splice-Stelle besitzt und somit kein vollwertiges Exon darstellt (L Leadersequenz; enh Enhancer).

Mechanismus der Genumlagerung.

a) Die kodierenden Gensegmente sowie die Heptamer- und Nonamer-Erkennungssequenzen der schweren und leichten Ketten sind dargestellt.

b) Die Rekombination führt zur Deletion der dazwischen liegenden DNA-Abschnitte. Nur bei inverser Orientierung des V-Segments kommt es zur Inversion.

Entstehung der Diversität bei der Verknüpfung von Ig-Gen-Segmenten durch P- und N-Nucleotide.

a) Bei der Umlagerung entstehen durch Schnitt und kovalente Verknüpfung der beiden DNA-Stränge Haarnadelstrukturen, aus denen durch Öffnen und ggf. Auffüllen palindromische Sequenzen (P-Sequenzen) entstehen.

b) Durch die terminale Desoxynucleotidyl-Transferase (TdT) werden zufällig Nucleotide angefügt (N-Sequenzen). Vor der endgültigen Verknüpfung wird der Gegenstrang durch komplementäre Basen aufgefüllt.

Generierung von - und -Ketten durch differenzielle RNA-Prozessierung. Die Polyadenylierungsstellen 1 und 3 sowie die mit S bezeichneten Exons werden für die Produktion sezernierter IgM- und IgD-Antikörper benötigt (Abb. 26.15).

L Leadersequenz, M1, M2 Exons für Transmembrandomäne.

Entstehung von membranständigen (m) und sezernierten (s) H-Ketten durch differenzielle RNA-Prozessierung. Membranständige und sezernierte Immunglobuline unterscheiden sich in den C-Termini der schweren Ketten. Die zugehörigen mRNA-Moleküle werden durch alternative Prozessierung des gemeinsamen Primärtranskripts generiert. Als Beispiel ist die Entstehung von m und s gezeigt.

L Leadersequenz, CHO Kohlenhydrat, M1, M2 Exons für Transmembrandomäne, S Exon für ausschließlich sezernierte Form der H-Kette.

Immunglobulin-Klassenwechsel (Switch-Rekombination). Die den verschiedenen C-Genen vorgelagerten S-Regionen weisen Homologien auf, die eine Paarung zwischen z.B. S und S1 und anschließende Rekombination ermöglichen.

Somatische Mutation von Immunglobulin-Genen der V-Regionen. Nach einer primären, sekundären und tertiären Immunisierung von Mäusen wurden zu verschiedenen Zeiten monoklonale B-Zell-Linien mit Spezifität für die gleiche antigene Determinante (Oxazolon) generiert. Die Mutationen im Vergleich zu den keimbahnkodierten Sequenzen sind durch Striche markiert, die Affinitäten der einzelnen Antikörper sind rechts angegeben. Für jeden Zeitpunkt sind drei Sequenzen der V-Domänen (links: VH; rechts: VL) gezeigt. Es wird eine zunehmende Häufung von Mutationen in den für die Antigenbindung verantwortlichen CDR bei gleichzeitiger Erhöhung der Antikörperaffinität beobachtet.

Herstellung von B-Zell-Hybridomen zur Produktion monoklonaler Antikörper. Gezeigt ist die Gewinnung von Hybridomen durch somatische Zellfusion von B-Lymphozyten aus immunisierten Mäusen mit Myelomzellen (entarteten Plasmazellen).

Blockade der Synthese von AMP, GMP und TMP in zur Zellfusion eingesetzten Myelomzellen. Die Blockade wird durch die funktionellen Enzyme HGPRT und Tyrosin-Kinase (TK) der einfusionierten B-Zelle sowie durch die Zugabe von Hypoxanthin und Thymidin aufgehoben.

Aufbau des -T-Zell-Rezeptors. Links: Schematisches Domänenmodell. Ein Kreis entspricht einer immunglobulinähnlichen Domäne. Rechts: Bandmodell der extrazellulären Domänen nach der Röntgenkristallstruktur.

Genumlagerung und Expression der - und -Ketten des T-Zell-Rezeptors. Die Schritte der Umlagerung entsprechen denen der Immunglobulindomänen VH (bei V) bzw. VL (bei V), (L Leadersequenz, enh Enhancer).

Der HLA-Genkomplex auf Chromosom 6. Dargestellt ist nur die Anordnung der für die Antigenpräsentation wichtigen Klasse-I- und Klasse-II-Gene. Der Komplex enthält jedoch weitere für das Immunsystem wichtige Gene, die u.a. für die Prozessierung von Antigenen wichtig sind (Klasse-III-Gene).

Struktur antigenpräsentierender HLA-Klasse-I-Moleküle.

a) Domänenmodell in seitlicher Ansicht. Die membranproximalen Domänen gehören zur Ig-Familie, die membrandistalen dagegen nicht.

b) Bandmodell der Raumstruktur. Das antigene Peptid ist als Stabmodell eingefügt.

c) Aufsicht auf die Bindungstasche mit gebundenem Peptid aus der Sicht des T-Zell-Rezeptors.

Struktur antigenpräsentierender HLA-Klasse-II-Moleküle.

a) Domänenmodell in seitlicher Ansicht. Die membranproximalen Domänen gehören zur Ig-Familie, die membrandistalen nicht.

b) Bandmodell der Raumstruktur. Das antigene Peptid ist als Stabmodell eingefügt.

c) Aufsicht auf die Bindungstasche mit gebundenem Peptid aus der Sicht des T-Zell-Rezeptors.

d) Verankerung eines antigenen Peptids in Seitenansicht. Das Kalottenmodell zeigt nur das Peptid selbst und die Bindungstaschen für die Ankerreste am Boden der Bindungsrinne.

Beladung von HLA-Molekülen mit Peptiden. Die Ketten der HLA-Klasse-I- und HLA-Klasse-II-Moleküle werden beide am rauen endoplasmatischen Retikulum (rER) synthetisiert, aber an unterschiedlichen Orten mit Peptiden verschiedener Herkunft beladen.

Signaltransduktion durch den BCR. Der BCR besitzt keine intrazelluläre Domäne für die Signalweiterleitung. Diese wird durch die Phosphorylierung der ITAM-Motive der BCR-assoziierten Ig- und Ig-Ketten initiiert, die nachfolgende Signalkaskaden aktivieren.

Signaltransduktion durch den TCR. Der erste Schritt ist die Phosphorylierung von ITAM-Motiven der CD3- und -Unterheiten des TCR-Komplexes durch Src-Kinasen.

Die immunologische Synapse. Vor der physischen Interaktion von T-Zelle und antigenpräsentierender Zelle (APC) sind die verschiedenen Rezeptoren und Liganden in der Plasmamembran verteilt (a). Nach der initialen Erkennung von Antigen durch den TCR (b) formiert sich die immunologische Synapse (c). cSMAC und pSMAC bezeichnen den zentralen bzw. peripheren supramolekularen Aktivierungscluster. Wichtig sind der Ausschluss der Phosphatase CD45 und der Einschluss der costimulatorischen Moleküle CD28 und CD2 sowie des Corezeptors CD4, der mit der Src-Kinase Lck gekoppelt ist.

Zytokinrezeptorfamilien.

a) Einteilung der Zytokinrezeptoren in fünf Familien anhand konservierter Strukturmerkmale der extrazelluären Domänen. WSXWS Tryptophan-Serin-X-Tryptophan-Serin-Motiv.

b) Beispiele des modularen Aufbaus von Zytokinrezeptoren.

Polarisierung aktivierter CD4-T-Zellen zu TH1- und TH2-Zellen. Je nach lokal vorhandenen Zytokinen differenzieren aktivierte CD4-T-Zellen zu proinflammatorischen TH1-Zellen oder antiinflammatorischen TH2-Zellen.

T-B-Kooperation. TH2-Zellen interagieren über Zellinteraktionsmoleküle und Zytokine mit B-Zellen, die ihnen ein antigenabgeleitetes Peptid präsentieren.

Transzytose von IgA. IgA wird als dimeres, mit einer J-Kette verknüpftes Molekül von Plasmazellen freigesetzt. Es bindet an den Poly-Ig-Rezeptor der basalen Seiten von Mukosaepithelzellen. Nach dem Transport durch die Zelle bleibt ein Teil des Rezeptors mit dem IgA-Molelül als sekretorisches Stück verbunden.

Der klassische Weg der Komplementaktivierung

Vom Antigen-Antikörper-Komplex bis zur Bildung der C5-Konvertase.

Der klassische Weg der Komplementaktivierung.

Die Bildung des MAC.

Der alternative Weg der Komplementaktivierung.

Gezeigt ist die Bildung der C3- und C5-Konvertasen. Die weiteren Schritte zum Membran-angreifenden Komplex verlaufen wie beim klassischen Weg.

Zellvermittelte Zytotoxizität.

a) Erkennung von Zielzellen durch zytotoxische T-Lymphozyten (CTL) und NK-Zellen (NK).

b) Ausführung des zytotoxischen Programms durch zytotoxische T-Lymphozyten. NK-Zellen (nicht abgebildet) verwenden v.a. die Freisetzung von Perforin und Granzymen für den zytotoxischen Angriff.

Auslösung der apoptotischen Kaskade durch CD95-Ligation.

Ausgewählte erbliche Immunschwächeerkrankungen.

Prinzip des ELISA.

a) Test auf Antikörper mithilfe plastikgebundenen Antigens.

b) Sandwich-ELISA zum Test auf Antigen mithilfe zweier Antikörper mit Spezifität für verschiedene Epitope des Antigens.

Western-Blot (Immunoblot). Gezeigt ist die Untersuchung von Patientenseren mit Antikörpern gegen die Antigene A und B.

Leukozytendifferentialanalyse mittels Immunfluoreszenz und Durchflusszytophotometrie. Die Zellen werden mit hoher Geschwindigkeit an einer Messeinrichtung mit mehreren Verstärkern für die verschiedenen Lichtstreuungs- und Fluoreszenzsignale vorbeigeführt, die durch einen Laserstrahl ausgelöst werden. Granularität und Größe werden aufgrund der Lichtstreuung bestimmt und erlauben die Differenzierung von Granulozyten, Monozyten und Lymphozyten. Jede gemessene Zelle wird im Dotplot (Punktediagramm) durch einen Punkt dargestellt. Die Analyse zweier Fluoreszenzsignale, die von farbstoffgekoppelten monoklonalen Antikörpern gegen CD3 und CD19 ausgehen, erlaubt die weitere Differenzierung der Lymphozyten in T-Zellen und B-Zellen. T-Zellen lassen sich weiter als CD4-positiv und CD4-negativ (CD8-positiv) darstellen.

Komponenten und Eigenschaften des angeborenen und des adaptiven Immunsystems

Tab. 26.1
angeborenes Immunsystem adaptives Immunsystem
Spezifität breit hoch
Reaktionskinetik rasch verzögert
Gedächtnisbildung nein ja
humorale Komponenten Enzyme, Komplement, Akute-Phase-Proteine Antikörper (von B-Lymphozyten gebildet)
zelluläre Komponenten Monozyten, Makrophagen, Granulozyten, NK-Zellen T-Lymphozyten

Spezifität von Toll-ähnlichen Rezeptoren (TLR), z.T. werden die aufgeführten Spezfitäten durch Heterodimerisierung zweier TLR erreicht

Tab. 26.2
TLR Ligand Erregerklasse
TLR2 Lipoproteine Lipopolysaccharide Phosphatidylinositol-Dimannosid Lipoarabinomannan Peptidoglykan Zymosan GPI-Anker Bakterien Leptospiren Mykobakterien Mykobakterien grampositive Bakterien Pilze Trypanosomen
TLR3 doppelsträngige RNA bestimmte Viren (z.B. Reovirus, Enzephalomyokarditisvirus)
TLR4 Lipopolysaccharide HSP60 gramnegative Bakterien Chlamydien
TLR5 Flagellin geißelntragende Bakterien
TLR7/8 einzelsträngige RNA bestimmte Viren (z.B. Influenzavirus, vesikuläres Stomatitisvirus)
TLR9 unmethylierte CpG-Motive der DNA Bakterien, Protozoen

Immunglobulinklassen und ihre Eigenschaften

Tab. 26.3
Isotypen Subtypen H-Ketten Molekulargewicht (kDa) Serumspiegel (mg/ml) Halbwertszeit (Tage) sezernierte Form
IgA IgA1, 2 (1 oder 2) 150–600 3,5 6 Monomer, Dimer, Trimer
IgD 150 Spuren 3
IgE 190 0,05 2 Monomer
IgG IgG1–4 (1, 2, 3 oder 4) 150 13,5 23 Monomer
IgM 900 1,5 5 Pentamer

Entstehung der Vielfalt von Antikörpern und T-Zell-Rezeptoren

Tab. 26.4
Mechanismen Antikörper T-Zell-Rezeptor
IgH IgL
verschiedene V- und J-Segmente + + + +
verschiedene D-Segmente + +
variable Verknüpfung und P-Nucleotide + + + +
N-Nucleotide + + +
Kettenpaarung + + + +
somatische Hypermutation + +
theoretisch mögliche Vielfalt 1011–1014(ohne Hypermutation) 1015–1018

Die wichtigsten Zellinteraktionsmoleküle des Immunsystems

Tab. 26.5
Name Aufbau Familie Expression Ligand Adhäsion Aktivierung
CD4 Monomer (55 kDa) Ig T-Helferzellen HLA-Klasse II +/– +
CD8 -Homodimer (180 kDa) -Heterodimer (130 kDa) Ig zytotoxische T-Zellen HLA-Klasse I +/– +
CD28 Homodimer (2 44 kDa) Ig > 90% CD4-T-Zellen 50% CD8-T-Zellen CD80, CD86 +
CD152 (CTLA-4) Homodimer (2 34 kDa) Ig aktivierte T-Zellen, Treg-Zellen CD80, CD86 + (negativer Effekt)
CD45R Monomer (200 kDa) Leukozyten ? +
CD2 Monomer (50 kDa) Ig T-Zellen, NK-Zellen CD58 (LFA-3) + +
CD11a/CD18 (LFA-1) -Heterodimer (180/95 kDa) Integrin Leukozyten, Thrombozyten ICAM-1–3 + +/–
CD44 Monomer (80–200 kDa) Lymphozyten, Granulozyten extrazelluläre Matrix + +/–

Wichtige Zytokine des Immunsystems und ausgewählte Funktionen

Tab. 26.6
Zytokin produzierende Zellen wichtige Zielzellen Wirkung
IL-1 ( und ) Makrophagen Epithelzellen Leukozyten Gefäßendothel Hypothalamus Hepatozyten Fieber T-Zell-Aktivierung Makrophagenaktivierung Induktion von Akute-Phase-Proteinen in Hepatozyten
IL-2 CD4-T-Zellen CD8-T-Zellen (initial) T-, B-, NK-Zellen Zellproliferation und Differenzierung
IL-4 CD4-T-Zellen (v.a. TH2-Zellen) dendritische Zellen? Mastzellen Basophile T- und B-Zellen Makrophagen T-Zellen: Proliferation, TH2-Differenzierung B-Zellen: Aktivierung, Klassenwechsel nach IgG4 und IgE Makrophagen: antiinflammatorisch
IL-5 CD4-T-Zellen Mastzellen Eosinophile Eosinophile Wachstum und Differenzierung
IL-6 CD4-T-Zellen (TH2-Zellen) B-Zellen Makrophagen Endothelzellen proliferierende B-Zellen und Plasmazellen T-Zellen Hepatozyten Wachstum Ig-Sekretion Induktion von Akute-Phase-Proteinen
IL-7 Stromazellen des Thymus und des Knochenmarks unreife Stadien von B- und T-Lymphozyten Proliferation Überleben
IL-10 CD4-T-Zellen (TH2-Zellen, regulatorische T-Zellen) Makrophagen B-Zellen Makrophagen: antiinflammatorisch B-Zellen: Ig-Synthese
IL-12 dendritische Zellen Makrophagen T-Zellen NK-Zellen Induktion von TH1-Zellen Steigerung von Wachstum und Zytotoxizität
IL-13 CD4-T-Zellen (TH2-Zellen) B-Zellen Makrophagen ähnlich wie IL-4 antiinflammatorisch
IL-15 Makrophagen viele verschiedene Zelltypen (nicht T-Zellen) NK-Zellen CD8-T-Zellen Wachstum und Überleben Erhaltung von Gedächtniszellen
IFN- NK-Zellen CD4-T-Zellen (TH1-Zellen) CD8-Zellen Makrophagen NK-Zellen T-Zellen Epithel- und Endothelzellen einige Tumorzellen HLA-Klasse-I- und HLA-Klasse-II-Induktion Makrophagenaktivierung Steigerung und Zytotoxizität in CD8- und NK-Zellen proinflammatorisch
TNF- Makrophagen viele verschiedene Zellen proinflammatorisch Induktion von Apoptose
TNF- CD4-T-Zellen (TH1-Zellen) Adipozyten Abbau von Fettdepots

Effektorfunktionen und spezialisierte Eigenschaften von Antikörpern

Tab. 26.7
Sekretion Komplementaktivierung Opsonisierung (Makrophagen) Opsonisierung (Neutrophile) Degranulation (Mastzellen, Basophile) antikörperabhängige zellvermittelte Zytotoxizität (NK-Zellen) Plazentatransfer
IgM +++
IgG1 ++ + + + +
IgG2 + +
IgG3 +++ + + + +
IgG4 + + +
IgA + +
IgE +++

Überempfindlichkeitsreaktionen

Tab. 26.8
Typ Spezifität vermittelt durch Effektoren Beispiele
I IgE-Antikörper Mastzellen Heuschnupfen Asthma bronchiale
II Antikörper (außer IgE) Komplement FcR-positive Zellen (NK-Zellen [ADCC]) Granulozyten Transfusionsreaktionen hyperakute Transplantatabstoßung
III Antikörper (in Immunkomplexen) Komplement Granulozyten immunkomplexvermittelte Vaskulitiden, z.B. Taubenzüchterkrankheit
IV CD4-T-Lymphozyten TH1-Zellen (proinflammatorische Zytokine) Makrophagen Kontaktdermatitis Tuberkulinreaktion granulomatöse Typ-IV-Reaktionen, z.B. Sarkoidose

Immunologie

T. Hünig

  • 26.1

    Das Immunsystem 796

  • 26.1.1

    Angeborene und adaptive Immunität796

  • 26.1.2

    Die Zellen des Immunsystems798

  • 26.1.3

    Organe des Immunsystems798

  • 26.2

    Das immunologische Erkennungsrepertoire 800

  • 26.2.1

    Rezeptoren des angeborenen Immunsystems800

  • 26.2.2

    Rezeptoren des adaptiven Immunsystems802

  • 26.3

    Struktur und Funktion von Antikörpern 802

  • 26.3.1

    Aufbau der Immunglobuline802

  • 26.3.2

    Antikörperklassen804

  • 26.4

    Entstehung der Vielfalt von Antikörpern 806

  • 26.4.1

    Umlagerung der Immunglobulin-Gene806

  • 26.4.2

    Produktion von B-Zell-Antigenrezeptoren und Antikörpern gleicher Spezifität809

  • 26.4.3

    Klassenwechsel810

  • 26.4.4

    Affinitätsreifung: somatische Mutation und Selektion811

  • 26.4.5

    Monoklonale Antikörper813

  • 26.5

    T-Zell-Rezeptoren 814

  • 26.5.1

    Aufbau814

  • 26.5.2

    Entstehung der Vielfalt von T-Zell-Rezeptoren815

  • 26.6

    HLA-Moleküle 815

  • 26.6.1

    Zwei Klassen von HLA-Molekülen815

  • 26.6.2

    Präsentation zelleigener Peptide durch HLA-Klasse-I-Moleküle817

  • 26.6.3

    Präsentation zellfremder Peptide durch HLA-Klasse-II-Moleküle817

  • 26.6.4

    Gene des HLA-Komplexes819

  • 26.6.5

    HLA-Polymorphismus und Antigenerkennung819

  • 26.7

    Reifung des immunologischen Repertoires und Selbsttoleranz 820

  • 26.8

    Die adaptive Immunantwort 821

  • 26.8.1

    Aktivierung von B- und T-Lymphozyten durch Antigenrezeptoren821

  • 26.8.2

    Kommunikation zwischen Leukozyten über Zellinteraktionsmoleküle823

  • 26.8.3

    Kommunikation zwischen Leukozyten über Zytokine826

  • 26.9

    Effektormechanismen 830

  • 26.9.1

    Effektorfunktionen von Antikörpern830

  • 26.9.2

    Das Komplementsystem831

  • 26.9.3

    Zellvermittelte Zytotoxizität835

  • 26.10

    Störungen des Immunsystems 837

  • 26.10.1

    Überempfindlichkeitsreaktionen837

  • 26.10.2

    Autoimmunreaktionen838

  • 26.10.3

    Immundefekte838

  • 26.11

    Immunologische Methoden und Labortests 839

  • 26.11.1

    Polyklonale und monoklonale Antikörper839

  • 26.11.2

    Immunpräzipitation839s

  • 26.11.3

    ELISA und RIA840

  • 26.11.4

    Western-Blot841

  • 26.11.5

    Immunfluoreszenz und Immunhistologie841

Praxisfall

Ein Patient stellt sich vor mit der Sorge, er könne sich bei einer HIV-positiven Partnerin angesteckt haben. Der Kontakt liegt bereits einige Monate zurück. Eine Serumprobe wird daraufhin auf HIV-spezifische Antikörper getestet. Zunächst wird ein hochsensitiver enzymgekoppelter Immunosorbentsassay (ELISA) durchgeführt, bei dem das HIV-Strukturprotein gp41 an eine Plastikoberfläche gebunden vorliegt und die passenden Antikörper aus dem Serum bindet; diese werden mit einer Farbreaktion sichtbar gemacht. Das positive Ergebnis wird in einem Western-Blot überprüft, bei dem die Virusproteine nach ihrem Molekulargewicht aufgetrennt auf einem Filterstreifen vorliegen. Die Reaktion des Patientenserums mit Banden der Größe 24, 41 und 120 kDa bestätigt die Anwesenheit HIV-spezifischer Antikörper und damit den Verdacht auf eine Infektion. Dieses Ergebnis wird in einer zweiten Serumprobe wiederum serologisch und zusätzlich durch Nachweis der HIV-RNA gesichert. Begleitend zu der nun initiierten antiretroviralen Therapie erfolgt die regelmäßige Überprüfung der Zahl im Blut zirkulierender CD4-T-Zellen mithilfe der Leukozytendifferentialanalyse. Diese wird mithilfe fluoreszierender, CD4-spezifischer monoklonaler Antikörper in der computergestützten Durchflusszytophotometrie durchgeführt. Bei einem Absinken vom Normalwert von etwa 1000 CD4-T-Zellen pro Mikroliter Blut auf unter 500 sind erste prophylaktische Maßnahmen zur Verhinderung opportunistischer Infektionen geboten, die das wichtigste Krankheitsrisiko für HIV-Patienten in der Progression zur erworbenenen Immunschwäche AIDS darstellen.

Zur Orientierung

Das Immunsystem überwacht die Erhaltung der Integrität des Körpers gegenüber pathogenen Eindringlingen von außen (Viren, Bakterien, Pilze, Parasiten) sowie gegen Tumorzellen. Es unterstützt die physikalischen Barrieren gegenüber der Außenwelt durch strategisch platzierte Abwehrmechanismen und bekämpft eingedrungene Pathogene systemisch und lokal. Es besteht aus Zellen und löslichen Faktoren. Man unterscheidet eine sofortige angeborene Immunantwort und eine sich erst mit der Zeit entwickelnde, dafür aber viel spezifischere adaptive Immunantwort. Die Zellen des Immunsystems sind Teil des hämatopoetischen Systems. Aus sich selbst erneuernden pluripotenten hämatopoetischen Stammzellen differenzieren zunächst Vorläufer, die entweder auf die myeloische oder die lymphatische Entwicklung festgelegt sind. Mit seinen 2 1012 Lymphozyten erreicht das adaptive Immunsystem ein ähnliches Gewicht (ca. 1 kg) wie z.B. das Gehirn. Seine Zellen sind auf die lymphoiden Organe, die Blut- und Lymphzirkulation sowie die verschiedenen Gewebe des Körpers verteilt.

Sowohl die Zellen des angeborenen als auch die des adaptiven Immunsystems erkennen mikrobielle Eindringlinge mithilfe von Rezeptoren. Beim angeborenen Immunsystem handelt es sich um Mustererkennungsrezeptoren, mit denen Klassen von Krankheitserregern als solche erkannt werden. Dagegen vermittelt das adaptive Immunsystem die präzise Erkennung einer unbegrenzten Vielfalt molekularer Details auf den Makromolekülen von Erregern durch eine ähnlich große Vielfalt von Rezeptoren der B- und T-Lymphozyten, die klonal verteilt, d.h. von Zelle zu Zelle verschieden sind. Mit diesen Rezeptoren erkennen die B-Zellen konformationsabhängige Determinanten auf Makromolekülen und produzieren daraufhin Antikörper, während T-Zellen kurze Peptide erkennen, die durch HLA-Moleküle auf der Zelloberfläche präsentiert werden.

Im Sinne der Klonselektion ist der erste Schritt der adaptiven Immunantwort die Erkennung des Antigens durch einzelne Lymphozyten. Bei B-Zellen stimuliert das Antigen selbst den BCR. T-Zellen erkennen antigene Peptide, gebunden an HLA-Moleküle, im Rahmen einer komplexen Membraninteraktion zwischen T-Zelle und dendritischer Zelle, der immunologischen Synapse. Die Mechanismen der Signaltransduktion der BCR und TCR sind ähnlich. Sie beinhalten Kinasen, Phospholipasen, Phosphatasen und GTPasen, die durch Adapterproteine zusammengebracht werden und kaskadenförmig hintereinandergeschaltet sind. Im Ergebnis werden Transkriptionsfaktoren aktiviert und in den Kern transloziert, wo sie für Proliferation und Differenzierung der Lymphozyten wichtige Gene steuern. Zusätzliche Signale von anderen Leukozyten werden über Zellinteraktionsmoleküle und lösliche Faktoren, die Zytokine, empfangen und integriert.

Das Immunsystem

Angeborene und adaptive Immunität

Grundtypen der Immunität
Das Immunsystem ist gegen mikrobielle Erreger und veränderte körpereigene Zellen (z.B. Krebszellen) gerichtet. Es greift also physiologisch unbekannte Strukturen (Fremd) an und schont dabei die körpereigenen Zellen und Moleküle (Selbst). Dieser besondere Schutz des Organismus wird als Immunität bezeichnet. Ein Teil der Immunität ist bereits von Geburt an vorhanden und besteht zeitlebens (angeborene Immunität), ein anderer Teil wird erst im Laufe des Lebens erworben (adaptive Immunität).
  • Angeborene Immunität: Die Erkennung durch das angeborene Immunsystem ist breit und im Wesentlichen auf die jeweilige Klasse der Erreger (z.B. Pilze) beschränkt. Sie führt nicht zu verbesserter Reaktion bei einer Zweitinfektion (kein Gedächtnis), steht bei einer Infektion jedoch ohne Vorlaufzeit sofort zur Verfügung.

  • Adaptive Immunität: Die adaptive Immunantwort dagegen ist hochspezifisch, benötigt allerdings einige Tage für die Ausprägung der ersten Effektorfunktionen. Bei einer Zweitinfektion mit dem gleichen Erreger reagiert das adaptive Immunsystem jedoch rasch (immunologisches Gedächtnis). Die Träger von Strukturen, die durch das adaptive Immunsystem erkannt werden können, also z.B. körperfremde Glykoproteine, werden als Antigene bezeichnet (Tab. 26.1).

Aufbau
Das Immunsystem besteht aus Zellen, löslichen (humoralen) Komponenten und spezialisierten Organen, in denen die Immunzellen gebildet bzw. Immunreaktionen eingeleitet werden (Tab. 26.1). Die Zerstörung von eingedrungenen Pathogenen und Tumorzellen erfolgt entweder direkt durch die Zellen des Immunsystems (zellvermittelte Immunität) oder durch lösliche Moleküle (humorale Immunität).
Komponenten des angeborenen Immunsystems
Zu den löslichen Faktoren gehören Enzyme (z.B. das antibakterielle Lysozym, Proteasen), die nach bakterieller Infektion rasch gebildeten Akute-Phase-Proteine, die Bakterien für den Zugriff des Immunsystems markieren, sowie das Komplementsystem (Kap. 26.9.2). Zu den Zellen des angeborenen Immunsystems gehören alle Zellen der Granulozyten- sowie der Monozyten/Makrophagen-Reihen einschließlich der dendritischen Zellen sowie die natürlichen Killerzellen (NK-Zellen).
Komponenten des adaptiven Immunsystems
Die humorale Komponente der adaptiven Immunität sind die Antikörper. Sie werden von B-Lymphozyten nach ihrer Differenzierung zu Plasmazellen produziert. Die zellvermittelte adaptive Immunantwort wird von thymusabgeleiteten Lymphozyten, sog. T-Lymphozyten, getragen: Sie können im direkten Zell-Zell-Kontakt Zielzellen spezifisch erkennen und zerstören.
Klonselektion
Die hohe Spezifität des adaptiven Immunsystems für einzelne Antigene, z.B. Bestandteile von Erregern, wird durch Rezeptormoleküle auf der Oberfläche von B- und T-Lymphozyten vermittelt. Diese werden als Antigenrezeptoren bzw. B- und T-Zell-Rezeptoren (BCR und TCR) bezeichnet. Durch Bindung an die passenden Rezeptoren regt ein Antigen, z.B. ein eingedrungener Mikroorganismus, nur eine geringe Zahl von Lymphozyten zur Vermehrung an, und zwar diejenigen, die Rezeptoren für die antigenen Strukturen des Mikroorganismus besitzen.
Die Nachkommen jeder einzelnen so aktivierten Zelle, die alle die gleiche Rezeptorspezifität tragen, stellen einen Klon dar. Entsprechend wird von klonaler Expansion gesprochen (Abb. 26.1). Das Antigen, also z.B. der Erreger, bestimmt, welche Lymphozyten sich klonal vermehren (Klonselektion).
Gedächtnis
Die durch klonale Expansion angereicherten antigenspezifischen Zellen bekämpfen den Erreger. Ein Teil von ihnen bleibt als Gedächtniszellen für eine beschleunigte und verstärkte Reaktion bei einer Zweitinfektion mit demselben Erreger erhalten (Abb. 26.2). Dieses immunologische Gedächtnis bildet zum einen die Grundlage der Schutzimpfung und erklärt zum anderen, warum manche Viruserkrankungen (z.B. Röteln) nur einmal im Leben durchgemacht werden.

Schon gewusst

Die seit Jahrtausenden gemachte Erfahrung, dass Erregerexposition vor zukünftiger Erkrankung durch denselben Erreger schützen kann, war die empirische Beobachtung des immunologischen Gedächtnisses. Vor 200 Jahren führte dann die gezielte Anwendung dieses Prinzips – immer noch in Unkenntnis der zugrunde liegenden Mechanismen – zur Entwicklung der Pockenschutzimpfung durch Jenner. Der triumphale Erfolg der Ausrottung der Pocken 1980 sowie die heute verfügbaren genauen Kenntnisse der Zellen und Moleküle des Immunsystems lassen hoffen, dass auch gegen Erreger wie den Malariaerreger und HIV, gegen die heute noch nicht effektiv prophylaktisch vorgegangen werden kann, erfolgreiche Impfstrategien entwickelt werden können.

MERKE

Das Immunsystem dient der Erkennung und Eliminierung körperfremder Zellen und Moleküle. Es besteht aus einer angeborenen und einer erworbenen (adaptiven) Komponente. Grundlage der hohen Spezifität und des Gedächtnisses des adaptiven Immunsystems ist das Prinzip der Klonselektion. Das adaptive Immunsystem funktioniert nur in Kooperation mit dem weniger selektiven angeborenen Immunsystem.

Die Zellen des Immunsystems

Myeloische Linie
Die Granulozyten, Monozyten und Makrophagen der myeloischen Linie vernichten Keime durch Phagozytose. Monozyten und Makrophagen sowie die ihnen verwandten dendritischen Zellen bereiten aufgenommene Mikroorganismen und andere Fremdkörper für die Erkennung durch das adaptive Immunsystem vor. Dendritische Zellen werden wegen ihrer besonderen Fähigkeit, die Lymphozyten des adaptiven Immunsystems zu aktivieren, auch professionelle antigenpräsentierende Zellen genannt.
Lymphatische Linie
Die lymphatische Linie verzweigt sich in drei Klassen von Lymphozyten: natürliche Killerzellen (NK-Zellen), B- und T-Lymphozyten, auch B- und T-Zellen genannt (Abb. 26.3). T-Lymphozyten werden nach der Klasse ihrer Rezeptoren für Antigene weiter in - (> 90%) und -T-Zellen (< 10%) eingeteilt. -T-Lymphozyten kommen als regulierende T-Helferzellen (TH) und zytotoxische T-Lymphozyten (CTL, cytotoxic T-lymphocytes; auch T-Killerzellen) vor. T-Helferzellen regulieren die Vermehrung und die Funktion aller Leukozytenpopulationen. Zytotoxische T-Lymphozyten zerstören andere Körperzellen, die sie z.B. aufgrund einer Virusinfektion als fremd erkennen. Die Funktion der -T-Zellen ist weitgehend unklar.
Entsprechend ihren Funktionen tragen die verschiedenen myeloischen und lymphatischen Zellen unterschiedliche Oberflächenmoleküle, meist Glykoproteine, mit deren Hilfe man sie unterscheiden und definieren kann (Marker). Diese Oberflächenmarker werden mithilfe monoklonaler Antikörper (Kap. 26.4.5) sichtbar gemacht und nach der CD-Nomenklatur benannt (CD von Cluster of differentiation, da sie einen Differenzierungszustand der Zelle anzeigen). Man kennt inzwischen über 300 verschiedene CD-Marker. Zum Beispiel sind T-Helferlymphozyten durch den CD4-Marker, zytotoxische T-Lymphozyten durch den CD8-Marker gekennzeichnet. Eine Übersicht über die Leukozytenpopulationen, ihre Funktion und Definition durch die wichtigsten CD-Marker findet sich in Abb. 26.3.

MERKE

Die Zellen des Immunsystems sind die Leukozyten. Sie entwickeln sich aus den hämatopoetischen Stammzellen. Zellen der myeloischen Reihe sind Granulozyten, Monozyten, Makrophagen und dendritische Zellen. Die lymphatische Reihe führt zu natürlichen Killerzellen (NK-Zellen), B-Lymphozyten und den verschiedenen Klassen der T-Lymphozyten. Zelloberflächenmoleküle (CD-Marker) werden zur Erkennung und Unterscheidung der Subtypen und ihrer Differenzierungsstadien herangezogen.

Organe des Immunsystems

Zu den primären lymphatischen Organen zählen Knochenmark und Thymus. Die sekundären lymphatischen Organe sind Lymphknoten, Milz, Tonsillen und das mukosaassoziierte lymphatische Gewebe (Abb. 26.4).
Primäre lymphatische Organe
Knochenmark
Alle Zellen des Immunsystems stammen von den hämatopoetischen Stammzellen im Knochenmark ab. Die zusätzlich benötigte Zeit der Reifung außerhalb des Knochenmarks unterscheidet sich jedoch deutlich. Zum Beispiel verlassen B-Lymphozyten das Knochenmark als fast ausgereifte Zellen, während T-Lymphozyten das Knochenmark als Vorläuferzellen verlassen und sich im Thymus weiterentwickeln.
Thymus
Die Aufgabe des Thymus ist die Bildung von T-Zellen aus Vorläuferzellen, die aus dem Knochenmark über die Blutbahn einwandern. Die Thymusrinde (Kortex) enthält die unreifen Zwischenschritte der T-Zell-Entwicklung, im Mark (Medulla) warten die reifen T-Zellen auf den Export.
Sekundäre lymphatische Organe
Lymphknoten
Lymphknoten sind in die Lymphbahnen eingeschaltete Filterstationen. Sie organisieren das Zusammentreffen von Antigenen aus dem Gewebe mit den lymphknotenständigen Lymphozyten und leiten auf diese Weise Immunantworten ein. Dabei werden die Lymphozyten mit dem für das entsprechende Antigen passenden Rezeptor vervielfältigt (Klonselektion, Abb. 26.1). Die neu gebildeten Lymphozyten gelangen schließlich über die Lymphbahnen in das Blut und von dort aus in alle Organe des Körpers (Abb. 26.5).
Milz
Antigene, die in die Blutbahn gelangen, werden in der Milz zurückgehalten. Dort werden, ähnlich wie im Lymphknoten, Lymphozyten mit passenden Antigenrezeptoren vermehrt. Die neu gebildeten Lymphozyten wandern über die Blutbahn an den Ort des Infektionsgeschehens.
Sonstige
Weitere sekundäre lymphatische Organe sind die Tonsillen, die Peyer-Plaques des Dünndarms und verschiedene mukosaassoziierte, mehr oder weniger strukturierte Ansammlungen lymphoider Zellen, deren Bedeutung in ihrer strategischen Platzierung entlang möglichen Eintrittswegen für Erreger besteht.

MERKE

Die primären lymphatischen Organe sind das Knochenmark und der Thymus. Der Thymus ist auf die Bildung von T-Lymphozyten spezialisiert, das Knochenmark produziert B-Zellen und die Vorläufer aller Zellen des Immunsystems. Immunantworten werden in den strategisch platzierten Lymphknoten und der Milz eingeleitet. Die ständige Wanderung der Lymphozyten durch die Blut- und Lymphgefäße ermöglicht eine effektive Erkennung und Bekämpfung von Krankheitserregern und Toxinen im gesamten Organismus.

Das immunologische Erkennungsrepertoire

Rezeptoren des angeborenen Immunsystems

Mustererkennungsrezeptoren (Pattern recognition receptors, PRR)
Im Fall der angeborenen Immunität ist die Erkennung breit angelegt. Hier erfassen die immunologischen Rezeptormoleküle ganze Klassen oder Gruppen von Erregern durch Erkennung wiederkehrender Muster von Oberflächenmolekülen (Patterns). Die wichtigste Gruppe dieser Rezeptoren sind nach den verwandten Toll-Proteinen von Drosophila benannt und heißen Toll-ähnliche Rezeptoren (TLR, toll-like receptors). Beim Menschen sind bisher zehn TLR identifiziert worden. Ihre Spezifität ist, soweit bekannt, in Tab. 26.2 zusammenge fasst. Wichtige Beispiele sind die Erkennung von Lipopolysacchariden gramnegativer Bakterien durch TLR4, von Peptidoglykanen grampositiver Bakterien sowie von Zymosan der Pilze durch TLR2, von doppel- und einzelsträngiger viraler RNA durch TLR3 bzw. TLR7/8, von bakteriellem Flagellin durch TLR5 sowie von unmethylierten CpG-Motiven bakterieller DNA durch TLR9.
Der biologische Sinn dieser Erkennung von Erregerklassen liegt in der Einleitung von Immunantworten, die qualitativ auf den Erreger abgestimmt sind. Deshalb kommt der Expression von PRR auf den dendritischen Zellen des angeborenen Immunsystems besondere Bedeutung zu: Sie präsentieren dem adaptiven Immunsystem die Antigene der Erreger (Abb. 26.6) und instruieren es hinsichtlich der Qualität der erforderlichen Immunantwort.
Struktur und Signaltransduktion
Toll-ähnliche Rezeptoren enthalten in ihren extrazellulären Domänen leucinreiche Wiederholungsmotive (LRR, leucine-rich repeats). Die Kopplung an auslösende mikrobielle Liganden erfolgt oft über Adaptermoleküle. In Abb. 26.6 ist beispielhaft die Erkennung von Lipopolysacchariden (LPS) gramnegativer Bakterien durch TLR4 dargestellt: LPS wird zunächst über ein lösliches LPS-bindendes Protein (LPS-BP) an den Akzeptor CD14 übergeben, der mit einem Glykolipidanker in die Zellmembran inseriert ist. Die Interaktion mit TLR4 erfolgt dann über ein weiteres Adapterprotein, das sog. MD2.
Nach Ligation rekrutieren die meisten Toll-ähnlichen Rezeptoren über ihre intrazelluläre TIR-Domäne (toll/IL-1 receptor domain) das Adapterprotein MyD88. Dieses enthält einen wegen seiner Homologie zur intrazellulären Domäne von apoptoseauslösenden Rezeptoren als Todesdomäne (Kap. 26.9.2) bezeichneten Bereich, über den die Kinase IRAK (IL-1 receptor-associated kinase) gebunden wird. Diese löst sich nach Autophosphorylierung von MyD88 und aktiviert TRAF-6 (TNF [tumor necrosis factor] receptor-associated factor 6). TRAF-6 wiederum vermittelt die Translokation des Transkriptionsfaktors NF-B (nuclear factor B) in den Zellkern. NF-B liegt im Zytosol zunächst im Komplex mit den inhibitorischen IB-Proteinen vor. TRAF-6 initiiert eine Kinasekaskade (IB-Kinase-Kaskade), die zur Phosphorylierung und damit Dissoziation des Inhibitors führt (Kap. 12.6.4). Nun kann NF-B in den Zellkern wandern und dort die Transkription proinflammatorischer Gene induzieren. Zusätzlich werden (je nach TLR) durch TRAF-6 weitere Signalwege wie die MAP-Kinase-Kaskade (MAP, mitogen-activated protein) angeschaltet, die z.B. über den Transkriptionsfaktor AP-1 ebenfalls in die Expression von Effektorgenen münden.

MERKE

Das angeborene Immunsystem erkennt Erregerklassen an wiederkehrenden molekularen Mustern. Die wichtigsten dieser Mustererkennungsrezeptoren (pattern recognition receptors, PRR) sind die Toll-ähnlichen Rezeptoren (TLR). Sie führen über Kinasekaskaden zur Aktivierung von Transkriptionsfaktoren wie NF-B, die die Transkription proinflammatorischer Gene steuern.

Rezeptoren des adaptiven Immunsystems

Antigene sind Makromoleküle oder aus Makromolekülen zusammengesetzte komplexe Strukturen, die von den Komponenten des adaptiven Immunsystems spezifisch erkannt werden. Als Immunogene lösen sie im Organismus eine entsprechende Immunreaktion aus. Ein Epitop oder eine antigene Determinante ist der Bereich eines Antigens, der spezifisch von den Antigenrezeptoren der B- oder der T-Lymphozyten erkannt wird. Ein Antigen kann also durchaus mehrere gleichartige oder verschiedene Epitope besitzen (Abb. 26.7).
B-Zell-Rezeptoren (BCR)
Die Antigenrezeptoren der B-Zellen, auch B-Zell-Rezeptoren (BCR) genannt, sind eine membranständige Form der Immunglobuline (Antikörper). Sie erkennen molekulare Details auf der Oberfläche von Makromolekülen. Dies umfasst die genaue atomare Struktur einer bestimmten Konformation, z.B. hydrophobe oder hydrophile Bereiche einer Moleküloberfläche. Bei Proteinen umfasst der gesamte erkannte Bereich durchschnittlich sechs Aminosäurereste, bei Kohlenhydraten ca. sechs Zuckerreste. Man bezeichnet diese Erkennungsbereiche als Epitope oder auch antigene Determinanten.
Es können grundsätzlich aber auch beliebige andere (auch kleinere) molekulare Gruppierungen erkannt werden, wie sie z.B. in Medikamenten vorkommen. Solche kleineren Moleküle können nur dann die Bildung von Antikörpern auslösen, wenn sie an ein Makromolekül, im Allgemeinen ein Protein, gebunden sind. Man bezeichnet sie deshalb als Hapten und das für die Induktion der Immunreaktion verwendete Makromolekül als Träger.
T-Zell-Rezeptoren (TCR)
Die Antigenrezeptoren der T-Zellen sind die T-Zell-Rezeptoren (TCR). Sie erkennen kurze Peptide, die durch Spaltung von Proteinen entstehen und von spezialisierten antigenpräsentierenden Molekülen, den HLA-Klasse-I- und HLA-Klasse-II-Molekülen, auf der Oberfläche von Körperzellen präsentiert werden (Kap. 26.6). T-Zellen sind deshalb für kurze Bereiche der Primärstruktur von Proteinen (sog. Sequenzdeterminanten) spezifisch.

Schon gewusst

Für die Unterscheidung zwischen körpereigen und körperfremd durch unser Immunsystem eignen sich besonders die Proteine, da sie hochvariabel sind und die genetischen Unterschiede zweier Organismen abbilden. Diese Unterschiede erkennt das Immunsystem sowohl in Form von Aminosäuresequenzen, die in unserem Körper nicht vorkommen, als auch an strukturellen Details auf der Oberfläche der gefalteten Proteine. Nucleinsäuren, Zucker sowie die geladenen Anteile von Lipiden können ebenfalls erkannt werden, spielen aber im Verleich zu Proteinen nur eine untergeordnete Rolle.

MERKE

Die Antigenrezeptoren der B-Lymphozyten (BCR) und ihre lösliche Form, die Antikörper, erkennen molekulare Details (Epitope oder antigene Determinanten) von Makromolekülen verschiedener Stoffklassen. Die Antigenrezeptoren der T-Lymphozyten (TCR) erkennen Sequenzabschnitte von Proteinen, die durch körpereigene Präsentationsmoleküle, die HLA-Klasse-I- und HLA-Klasse-II-Moleküle, präsentiert werden.

Struktur und Funktion von Antikörpern

Aufbau der Immunglobuline

Grundstruktur des IgG-Moleküls
Der Prototyp der Antikörper ist das IgG-Molekül (Immunglobulin der Klasse G). Es besteht aus zwei identischen schweren H-Polypeptidketten, kurz H-Ketten (H für heavy chain, Molekülmasse 50–70 kDa), und zwei identischen leichten L-Polypeptidketten, kurz L-Ketten (L für light chain, Molekülmasse 25 kDa), die durch inter- und intramolekulare Disulfidbrücken zusammengehalten werden (Abb. 26.8).
Die Quartärstruktur der Immunglobuline ist Y-förmig. Der Winkel, den die beiden Arme des Y bilden, ist variabel, da die Struktur der H-Ketten in diesem Bereich aufgrund der Aminosäuresequenz eine gewisse Flexibilität der Raumstruktur erlaubt (Hinge-Region Gelenkregion).
Erkennungs- und Effektorbereiche
Für die Wechselwirkung zwischen Antigen und Antikörper sind die V-Domänen der H- und L-Ketten verantwortlich, die gemeinsam die Antigenbindungsstelle bilden. Aufgrund des symmetrischen Aufbaus hat jedes Y-förmige Antikörpermolekül zwei identische Antigenbindungsstellen. Nach dem Prinzip der Schlüssel-Schloss-Erkennung passt eine Antigenbindungsstelle jeweils zu einer ganz bestimmten antigenen Determinante.
Der C-terminale Bereich des Antikörpermoleküls ist für die Rekrutierung von Effektormechanismen verantwortlich (z.B. Komplementbindung, Kap. 26.9.1).
Proteolytische Spaltprodukte
Antikörper können mit Proteasen in verschiedene Fragmente gespalten werden (Abb. 26.8). Ein Fragment (Fab-Fragment) enthält je nach verwendetem Enzym ein oder zwei Antigenbindungsstellen [zwei bei Papain, eine bivalente bei Pepsin; dann heißt es F(ab)2 Fragment]. Das andere Fragment (Fc-Fragment) umfasst die konstanten Domänen der schweren Ketten. Im ungespaltenen IgG-Molekül werden die entsprechenden Bereiche als Fab-Region bzw. Fc-Region bezeichnet (ab von antigen binding; c von crystallizable, da der Fc-Anteil bei den Antikörpern einer Klasse immer gleich ist und daher Proteinkristalle bilden kann).

Schon gewusst

Antikörper gehören zu den ersten menschlichen Proteinen, deren Struktur völlig aufgeklärt wurde. Das dafür notwendige Material lieferten eine besondere Form von Leukämiezellen, die Plasmozytome oder Myelome, die enorme Mengen einzelner Antikörper abgeben. In der Serumelektrophorese sind sie als diagnostische elektrophoretische Spikes sichtbar.

Domänenstruktur
Jede einzelne schwere und leichte Kette ist aus mehreren Domänen aufgebaut, die sich in Sequenz und Faltung sehr ähneln und als Immunglobulindomänen bezeichnet werden. Jede Domäne umfasst etwa 120 Aminosäuren. Ihre fassähnliche Struktur wird durch zwei -Faltblätter gebildet, die durch eine Disulfidbrücke verknüpft sind (Abb. 26.9b). Die leichten Ketten (L-Ketten) bestehen aus zwei, die schweren Ketten aus vier bis fünf Immunglobulindomänen (Abb. 26.8 und 26.9a).
Die jeweils erste, N-terminale Domäne der schweren und leichten Kette ist in ihrer Aminosäuresequenz variabel (variable Domänen), d.h., sie unterscheidet sich zwischen den Antikörpern, die individuelle B-Zellen produzieren (Abb. 26.9c). Die variablen Domänen der schweren Ketten werden als VH, die der leichten Ketten als VL bezeichnet. Die Aminosäuresequenz der drei bis vier weiteren Domänen der schweren Ketten sowie der zweiten Domäne der L-Ketten ist dagegen innerhalb einer Antikörperklasse bzw. einer Form von L-Ketten konstant (konstante Domänen). Diese werden entsprechend als CH1, CH2 etc. bzw. CL bezeichnet.

Schon gewusst

Die Ig-Domäne dient als Baustein für zahlreiche Rezeptormoleküle innerhalb und außerhalb des Immunsystems, wie beispielsweise das neuronale Zelladhäsionsmolekül (NCAM). So entstand im Laufe der Evolution durch Genduplikation und Spezialisierung eine Ig-Superfamilie von Proteinen, die auch bei Avertebraten eine wichtige Rolle spielt.

Strukturelle Basis der Antigenspezifität
Die Spezifität der Antikörper für bestimmte antigene Determinanten wird durch die Form und die chemischen Bindungseigenschaften der beiden identischen Bindungstaschen bestimmt, die durch die VH- und VL-Domänen gebildet werden (Abb. 26.9b, c). Dementsprechend unterscheiden sich zwischen Antikörpern unterschiedlicher Spezifität diejenigen Sequenzabschnitte der V-Domänen, die die Bindungstasche auskleiden. Da sie die Komplementarität des Antikörpers zu seinem Antigen bestimmen, heißen sie komplementaritätdeterminierende Regionen oder CDR. Jede VH- und jede VL-Domäne besitzt drei CDR, die als CDR1–3 bezeichnet werden.
Die restliche Sequenz der V-Domänen variiert weit weniger zwischen Antikörpern unterschiedlicher Spezifität. Sie ist für die Aufrechterhaltung der Ig-Domänen-Struktur (doppeltes -Faltblatt) zuständig. Entsprechend werden die Sequenzabschnitte außerhalb der CDR auch als Gerüst- oder Framework-Regionen bezeichnet.

Antikörperklassen

Isotypen
Die Antikörper oder Immunglobuline werden nach ihrem Wanderungsverhalten bei der Elektrophorese von Serumproteinen auch als -Globuline bezeichnet. Beim Menschen kennt man fünf Immunglobulinklassen oder Isotypen, nämlich IgM, IgG, IgA, IgE und IgD, die z.T. noch in Subklassen eingeteilt werden.
Die schweren Ketten , , , und charakterisieren den Isotyp; z.B. werden die H-Ketten für IgM-Antikörper und für IgA verwendet etc. Die leichten Ketten kommen in zwei Formen, und , vor, die mit allen Arten von H-Ketten assoziieren können (Tab. 26.3). Die zur Bezeichnung der Isotypen bzw. der Formen der L-Ketten verwendeten griechischen Buchstaben werden auch als Subskripte für die konstanten Domänen verwendet, z.B. C3 oder C.
Die H-Ketten der verschiedenen Isotypen unterscheiden sich durch ihre Aminosäuresequenz, ihr Molekulargewicht und durch die Zahl der Domänen im konstanten Bereich. Durch ihre unterschiedlichen strukturellen Eigenschaften können sie unterschiedliche Effektormechanismen rekrutieren (Kap. 26.9). Die Existenz von Isotypen ermöglicht es folglich dem Immunsystem, die funktionellen Eigenschaften der gebildeten Antikörper an die Art des Erregers (z.B. Viren) oder an bestimmte Zielorgane (z.B. die Schleimhäute) anzupassen.
Multimere Immunglobuline
Alle Immunglobulinklassen können in der monomeren Grundstruktur (H2L2) als membranständige BCR fungieren. Als freigesetzte Antikörper bilden einige Isotypen (IgM, IgA) auch höher organisierte Strukturen aus. IgM-Antikörper im Plasma liegen vorwiegend als Pentamere der Grundstruktur (H2L2)5 vor, die durch eine J-Kette (J für Joining) verknüpft sind (Abb. 26.10). Serum-IgA-Antikörper kommen als Monomere und als Dimere vor, die ebenfalls durch eine J-Kette zusammengehalten werden (Tab. 26.3).
Affinität und Avidität
Die Affinität der Interaktion zwischen antigener Determinante und Antigenbindungsstelle wird durch die Summe nichtkovalenter Wechselwirkungen wie Wasserstoffbrückenbindungen, Van-der-Waals-Kräfte, elektrostatische und hydrophobe Wechselwirkungen bestimmt. Je nach der Intensität der Wechselwirkung spricht man von niedrig- oder hochaffinen Antikörpern (Dissoziationskonstanten KD zwischen 10–5 und 10–12 mol/L). Die niedrige Affinität einer Antigenbindungsstelle kann dadurch kompensiert werden, dass pro Antikörper zwei oder mehr Bindungsstellen zur Verfügung stehen. Die durch diese Multivalenz erzielte funktionelle Affinität oder Avidität kann bei IgM (zehn Bindungsstellen) bis zu 107-mal höher sein als die Affinität der Bindung einer isolierten Bindungsdomäne an eine antigene Determinante.

MERKE

Antikörper sind der humorale Teil des adaptiven Immunsystems. Die Immunglobuline sind aus zwei identischen H-Ketten und zwei identischen L-Ketten aufgebaut und haben eine Y-förmige Struktur. Jedes Immunglobulinmolekül verfügt über zwei Antigenbindungsstellen an den Händen und einen Effektorbereich am Stiel des Y-förmigen Moleküls. Aufgrund ihrer unterschiedlichen H-Ketten definiert man die Immunglobulinklassen IgM, IgD, IgG, IgE und IgA.

Entstehung der Vielfalt von Antikörpern

Umlagerung der Immunglobulin-Gene

Das Antikörperrepertoire
Zur Erkennung der fast unbegrenzten Vielfalt antigener Determinanten, die in der Natur vorkommen, verfügt das Immunsystem über eine ebenfalls sehr hohe Zahl verschiedener Antikörper. In ihrer Gesamtheit werden sie als Antikörperrepertoire bezeichnet. Die Größe dieses Repertoires wird beim Menschen auf 1011–1014 verschiedene Antikörper geschätzt (Kap. 26.5.2). Diese Vielfalt wird erreicht, obwohl die Keimbahn des Menschen für alle Proteine des Körpers höchstens 30.000 verschiedene Gene enthält. Dieses Problem löst das Immunsystem durch die Bildung neuer Gene in den einzelnen reifenden Lymphozyten aus vererbten Gensegmenten. Zusätzlich erhöht sich die Vielfalt der Antigenbindungsstellen dadurch, dass die variablen Domänen (VH und VL) frei kombinierbar sind.
Aufbau und Umlagerung der H-Ketten-Loci
Die Gensegmente, aus denen die H-Ketten der Immunglobuline zusammengefügt werden, befinden sich – als Gen-Cluster gruppiert – auf Chromosom 14 des Menschen (Abb. 26.11a). Die Genabschnitte für die variablen Bereiche werden durch Verknüpfung von drei Gensegmenten gebildet: V-, D- und J-Segmente. Das größte dieser Segmente wird als VH (variables Segment der H-Kette) bezeichnet. Es folgen ein kurzes Segment, das viel zur Diversität der Antigenbindungsstellen beiträgt und deshalb DH genannt wird, und schließlich ein weiteres kurzes Segment, das in der fertigen H-Kette die Verbindung zum konstanten Bereich herstellt und deshalb als JH (J für Joining) bezeichnet wird. Es gibt im Genom etwa 65 VH-, 27 DH- und sechs JH-Segmente, die zunächst in Gruppen hintereinander angeordnet sind (Keimbahnanordnung).
Grundprinzip der Genumlagerung
Je ein Segment aus den Gruppen der V-, D- und J-Segmente wird während der Reifung von hämatopoetischen Stammzellen zu B-Lymphozyten zur Bildung eines funktionellen Genabschnitts verwendet, der dann eine variable Domäne kodiert. Diesen Umlagerungsvorgang, der jede B-Zelle zu einem genetischen Unikat macht, bezeichnet man auch als Rearrangement oder somatische Rekombination (Abb. 26.11a). Der dazwischen liegende Abschnitt des Chromosoms, der nicht benutzte Segmente enthält, geht irreversibel verloren. Aus der Anzahl der V-, D- und J-Segmente ergeben sich insgesamt ca. 10.000 (65 27 6) verschiedene Umlagerungsmöglichkeiten.
Welches V-, D- und J-Gensegment in einer reifenden B-Zelle ausgewählt wird, unterliegt dem Zufall. Um aber sicherzustellen, dass jeweils nur ein Segment jeder Art verwendet wird und dass die drei Segmente in der richtigen Reihenfolge verknüpft werden, enthalten die V-, D- und J-Segmente der Keimbahn jeweils charakteristische Erkennungssequenzen, die sich hinter jedem V-Segment, vor jedem J-Segment und an beiden Enden der D-Segmente finden (Abb. 26.12).

MERKE

Die Gene für die variablen Domänen der H-Ketten der Immunglobuline liegen in Form von V-, D- und J-Segmenten vor. Von den in mehreren bis vielen gleichwertigen Kopien vorhandenen Segmenten wird jeweils eines zufällig ausgewählt.

VDJ-Rekombination
Die Erkennungssequenzen bestehen aus einer hochkonservierten Sequenz von sieben Nucleotiden, dem Heptamer, die sich unmittelbar an die kodierende Sequenz der Gensegmente anschließt, einem Spacer von genau zwölf oder 23 nichtkonservierten Nucleotiden sowie einer weiteren konservierten, neun Nucleotide langen Sequenz, dem Nonamer (Abb. 26.12a). Die zwölf bzw. 23 Nucleotide langen Spacer entsprechen einer bzw. zwei Windungen der DNA-Doppelhelix. Sie dienen vermutlich der Positionierung der konservierten Heptamer- und Nonamersequenzen für die gleichzeitige Erkennung durch die Rekombinationsenzyme.
An die Erkennungssequenzen lagert sich ein Enzymkomplex an, der die DNA schneidet und die offenen Enden der zufällig ausgewählten Segmente miteinander verknüpft. Dabei werden immer Erkennungssequenzen mit verschieden langen Spacern benutzt. Der Enzymkomplex wird als VDJ-Rekombinase bezeichnet. Er besteht aus ubiquitären DNA-Reparaturenzymen sowie zwei Enzymen, die nur während der Reifung von B- und
T- Lymphozyten exprimiert werden und als RAG-1- und RAG-2-Proteine (RAG von recombination activating gene) bezeichnet werden. Da diese Enzyme essenziell für die Aktivität der VDJ-Rekombinase sind, führt ihr Ausfall durch Mutation zum Verlust von B- und T-Lymphozyten.
Die eigentliche Verknüpfung der Gensegmente der H-Kette von zunächst D und J zu DJ und anschließend V und DJ zu VDJ erfolgt in der Regel durch Deletion der dazwischen liegenden Abschnitte, bei umgekehrter Orientierung eines V-Gens jedoch durch Geninversion (Abb. 26.12b).

MERKE

V-, D- und J-Segmente enthalten Erkennungssequenzen (Nonamer-12/23-Heptamer), die sie für die Verknüpfung in korrekter Orientierung durch die VDJ-Rekombinase markieren.

Schon gewusst

Die RAG-1- und RAG-2-Gene enthalten keine Introns und entsprechen damit in ihrem Aufbau prokaryontischen Genen. Ihr Ursprung wird in viralen Transposonelementen vermutet, die im Laufe der Evolution eine neue Funktion in der Diversifizierung der Antikörper- und T-Zell-Rezeptor-Gene erhielten. Deren Transposasen bewerkstelligen einen biochemisch sehr ähnlichen Prozess, nämlich das Öffnen und Neuverknüpfen von DNA.

Klinik

Obwohl die RAG-1- und RAG-2-Gene nur in unreifen Lymphozyten und dort nur während der G0- und G1-Phase des Zellzyklus aktiv sind, kann es zu Fehlumlagerungen mit fatalen Folgen kommen: Gene, die normalerweise die Zellproliferation kontrollieren, wie z.B. c-myc, können durch fehlerhafte Erkennung

von Rekombinationssequenzen durch die VDJ-Rekombinase in die Immunglobulin-Loci transloziert werden. Dadurch werden diese Gene in den B-Zellen überexprimiert und wirken damit als Tumorgene (Onkogene).

Variable Verknüpfung und P-Nucleotide
Bei der Rekombination der V-, D- und J-Segmente entsteht zusätzliche Variabilität an den Verknüpfungsstellen (Abb. 26.13). Nach dem Schneiden des DNA-Doppelstrangs entstehen durch kovalente Verknüpfung des kodierenden mit dem nichtkodierenden Strang zunächst Haarnadelstrukturen. Diese können vor der Verknüpfung mit einem anderen Segment an verschiedenen Nucleotidpositionen wieder geöffnet werden. Entstehen dabei überhängende Enden eines Strangs, so können diese entweder durch Nucleaseverdau oder durch komplementäres Auffüllen des Gegenstrangs geglättet werden. Im letzteren Fall entsteht im fusionierten Gen eine palindromische Sequenz (P-Sequenz), während bei Glättung durch Nucleaseverdau das Segment um eine variable Zahl von Nucleotiden gekürzt wird. Im fertigen Gen spricht man deshalb von variabler Verknüpfung der einzelnen Segmente.
N-Nucleotide
Zusätzlich besteht die Möglichkeit, dass ein nur in unreifen Lymphozyten exprimiertes Enzym, die terminale Desoxynucleotidyl-Transferase (TdT), bis zu 15 beliebige Nucleotide einfügt (N-Sequenzen von non-template encoded nucleotides). Wenn bei der Erweiterung um P- und N-Sequenzen jeweils drei oder Multiple von drei Nucleotiden (ein Codon) eingefügt werden, können dadurch entsprechend eine oder mehrere zusätzliche Aminosäuren in der Antigenbindungsstelle kodiert werden (Abb. 26.13). Dadurch wird die Spezifität der Bindungsstelle moduliert.
Bildung von CDR3 durch VDJ-Verknüpfung
Der Sequenzbereich vom Ende des V-Gensegments bis zum Ende der variablen Domäne zeichnet sich aufgrund der beschriebenen Mechanismen durch den höchsten Grad an Variabilität aus. Dementsprechend trägt die dadurch gebildete Region CDR3 in besonderem Maße zur Antigenspezifität von Antikörpern bei. Im Gegensatz dazu wird die Variabilität in den Regionen CDR1 und CDR2 zunächst durch keimbahnvererbte Unterschiede zwischen den V-Segmenten bestimmt, die allerdings im Zuge der somatischen Hypermutation während einer Immunantwort (Kap. 26.4.3) weiter erhöht wird.
Abortive Genumlagerungen
Wenn die Anzahl der eingefügten P- und N-Nucleotide nicht durch 3 teilbar ist oder die eingefügten Nucleotide zufällig ein Stoppcodon ergeben, so können keine funktionellen V-Domänen gebildet werden. Der Zugewinn bei der Vielfalt des Antikörperrepertoires hat also seinen Preis darin, dass jeweils nur etwa ein Drittel aller Umlagerungen erfolgreich verläuft, der Rest ist abortiv. Da die Zelle diploid ist, kann sie es auf dem homologen Chromosom ein zweites Mal versuchen. B-Zell-Vorläufer, die beide IgH-Loci abortiv umgelagert haben, sterben ab.
Aufbau und Umlagerung der L-Ketten-Loci
Die Gensegmente für die beiden leichten Ig-Ketten befinden sich beim Menschen auf den Chromosomen 2 () und 22 (). Anders als bei den H-Ketten werden die Gene für die variablen Domänen jedoch nur durch Umlagerung von zwei Segmenten, nämlich V (40 , 30 ) und J (5 , 4 ) gebildet (Abb. 26.11b). Ein weiterer Unterschied ist das Fehlen von N-Nucleotiden, da zum Zeitpunkt der L-Ketten-Umlagerung während der B-Zell-Reifung das Enzym TdT nicht mehr exprimiert wird. Hingegen tragen – wie bei der Bildung von VH-Domänen – die durch versetztes Öffnen der Haarnadelstrukturen entstehenden P-Nucleotide und die durch Exonucleaseglättung entstehende Variabilität der Segmentlänge zur Diversität (und zur Entstehung abortiver Umlagerungen) bei.

MERKE

Die DNA der Ig-Loci wird unter Beteiligung der RAG-Proteine geschnitten, die intervenierende DNA geht verloren. Bei der Öffnung der Haarnadelstrukturen der geschnittenen Enden entstehen zusätzliche, palindromische Sequenzen (P-Sequenzen), und das Enzym TdT fügt ohne Vorlage weitere Nucleotide ein (N-Sequenzen). Die so entstehende enorme Diversität betrifft die CDR3-Region. Sie wird mit einer hohen Rate abortiver (nichtfunktioneller) Umlagerungen erkauft.

Produktion von B-Zell-Antigenrezeptoren und Antikörpern gleicher Spezifität

B-Zell-Antigenrezeptoren (B-Zell-Rezeptoren, BCR)
Schon vor dem ersten Antigenkontakt, im sog. naiven Zustand, tragen reife B-Zellen auf ihrer Oberfläche gleichzeitig IgM- und IgD-Moleküle als antigenspezifische Rezeptoren. Diese BCR besitzen am C-terminalen Ende eine hydrophobe Transmembrandomäne.
Zur Generierung der BCR wird in der reifen B-Zelle vom umgelagerten H-Ketten-Locus ein Primärtranskript abgelesen, das die Information für funktionelle - und -Ketten identischer Spezifität enthält (Abb. 26.14). Durch differenzielle RNA-Prozessierung (alternatives Spleißen) des Primärtranskripts und Verwendung alternativer Polyadenylierungsstellen (Kap. 12) entstehen zwei mRNA-Spezies, eine für die membranständige -Kette und eine für die membranständige -Kette. Nach Translation der beiden schweren Ketten und Assoziation mit den in der Zelle gebildeten L-Ketten werden die Komplexe als IgM- und IgD-Moleküle in die Zellmembran inseriert und dienen dort als B-Zell-Antigenrezeptoren. Die funktionelle Bedeutung der gleichzeitigen Expression zweier Isotypen identischer Spezifität auf der Oberfläche naiver B-Zellen ist unklar.
Synthese sezernierter Immunglobuline
Nach der Aktivierung schalten B-Zellen von der Produktion membranständiger Antigenrezeptoren auf die Synthese sezernierter Antikörper um, die die humorale Immunität vermitteln. Dies geschieht durch eine geänderte Prozessierung des für die H-Kette kodierenden Primärtranskripts: Anstelle der für die Membranverankerung notwendigen Exons wird durch alternatives Spleißen nun das Ende des vorangehenden Exons des konstanten Bereichs benutzt (Abb. 26.15).
In ihrem terminalen Differenzierungszustand, in dem sie als Plasmazellen bezeichnet werden, wandeln sich die B-Lymphozyten zu Antikörperfabriken um. In diesen Zellen beträgt die Immunglobulinproduktion ca. 60% der gesamten Proteinsynthese.
Durch das Umschalten von BCR zu Antikörpern auf dem Niveau des mRNA-Spleißens wird sichergestellt, dass die antigeninduzierte Klonselektion über die membranständigen BCR nach der Differenzierung zu Plasmazellen zur Produktion von Antikörpern führt, die auch tatsächlich mit dem Antigen reagieren.

MERKE

Durch alternatives Spleißen eines langen Primärtranskripts werden BCR der IgM- und IgD-Klasse gleicher Spezifität auf naiven B-Zellen exprimiert. Auch das Umschalten von membranständigem zu sezerniertem Immunglobulin erfolgt durch alternatives Spleißen.

Klassenwechsel

Eine weitere Veränderung in der Struktur der Antikörper, die erst nach Antigenkontakt ausgelöst wird, betrifft die Effektorfunktion, die spezifische Antikörper vermitteln. Sie besteht darin, dass ein Lymphozyt einer bestimmten Spezifität von der Produktion einer Antikörperklasse (im Allgemeinen zunächst IgM) auf die einer anderen umschaltet (z.B. IgG oder IgE), wobei die Antigenspezifität der gebildeten Antikörper erhalten bleibt. Dieser Vorgang, der durch T-Zellen über Membrankontakte und lösliche Faktoren (Kap. 26.8) reguliert wird und in den Keimzentren der sekundären lymphatischen Organe abläuft, wird als Klassenwechsel oder Switch bezeichnet. Er betrifft nur die H-Ketten und beruht auf weiteren Genumlagerungen (Abb. 26.16).
Durch das Umschalten auf Immunglobulin-Isotypen mit der Fähigkeit, spezialisierte Effektorfunktionen zu rekrutieren (z.B. Komplement- oder Mastzellbindung), passt sich die Immunantwort den spezifischen Erfordernissen bei der Bekämpfung von Krankheitserregern an. Diese verschiedenen Effektormechanismen werden in Kap. 26.9.1 beschrieben.
Die Anordnung des funktionell umgelagerten VDJ-Exons stromaufwärts der Gene für die konstanten Bereiche (Isotypen) ermöglicht das Umschalten von einer Antikörperklasse auf eine andere unter Beibehaltung der Spezifität. Anders als bei der gleichzeitigen Expression von - und -Ketten durch differenzielle Prozessierung eines RNA-Primärtranskripts kommt es hier jedoch zu einer zweiten Genumlagerung in der DNA der Zelle (Abb. 26.16). Dabei werden die stromabwärts gelegenen Isotyp-Genabschnitte zunächst durch einen nur unvollständig bekannten Mechanismen geöffnet. Bei der Rekombination selbst wird der VDJ-Genanteil in die Nähe eines nachfolgenden geöffneten C-Genanteils gebracht, sodass die fertig umgelagerte V-Domäne nun mit anderen C-Domänen eine neue H-Kette bilden kann. Vor den isotypspezifischen Genabschnitten der konstanten Bereiche befinden sich homologe Switch-Sequenzen. Die DNA bildet eine Schleife, und die intervenierenden Sequenzen werden deletiert. Die an der Switch-Rekombination beteiligten Enzyme sind nur teilweise bekannt.
Auch hier spielt jedoch die AID (Activation induced deaminase, Kap. 14.3.5) eine wichtige Rolle. Eine Konsequenz der Deletion übersprungener C-Gene beim Klassenwechsel ist, dass dieser immer nur in der durch die Anordnung der isotypspezifischen C-Exons vorgegebenen Richtung erfolgen kann. So ist ein Umschalten von IgM auf IgA, nicht aber umgekehrt möglich.

Affinitätsreifung: somatische Mutation und Selektion

Auch nach dem Kontakt mit einem Antigen, also während einer Immunantwort, haben B-Zellen noch die Möglichkeit, die Feinspezifität ihrer Antikörper zu modifizieren. Bei der antigenabhängigen klonalen Vermehrung der B-Zellen in den Keimzentren der sekundären lymphatischen Organe kommt es zu Punktmutationen in den umgelagerten VDJ- und VJ-Genblöcken, die die Antigenbindungsstellen kodieren (Abb. 26.17). Diese somatischen Mutationen sind zufällig und können zu einer verbesserten oder verschlechterten Passform für das Antigen führen. B-Lymphozyten, deren B-Zell-Rezeptoren eine verbesserte Passform aufweisen, haben einen Selektionsvorteil, da sie das Antigen auch noch in kleinen Mengen erkennen und so Signale für ihr eigenes Überleben und ihre Proliferation erhalten können. Die Folge ist eine Selektion von B-Lymphozyten mit erhöhter Antikörperaffinität und gehäuften Mutationen in den CDR der V-Regionen.

Schon gewusst

Mit 10–3 Mutationen pro Basenpaar und Zellteilung liegt die Mutationsrate in den V-Genen von B-Zellen während der Keimzentrumsreaktion etwa 106fach über der normalen Mutationsrate für menschliche Gene. Da multiple Zellteilungen in der Keimzentrumsreaktion durchlaufen werden, kann die V-Sequenz um bis zu 5% von der Ursprungssequenz des B-Zell-Klons abweichen. Der Mechanismus dieser somatischen Hypermutation ist unbekannt, beinhaltet jedoch einen essenziellen Beitrag des Enzyms AID (activation-induced deaminase, Kap. 14.3.5)

Monoklonale Antikörper

Antikörper, die in Analytik, Diagnostik und Therapie eingesetzt werden, sollten standardisiert, von gleichbleibender Qualität und in großen Mengen verfügbar sein. Dies wird durch die Herstellung von Hybridzellen aus Tumorzellen und antikörperproduzierenden B-Lymphozyten, sog. B-Zell-Hybridomen, erreicht (Abb. 26.18). Diese können in Zellkultur durch Fusion von aktivierten B-Zellen aus einem immunisierten Organismus (meist einer Maus) mit in vitro kultivierten Myelomzellen gewonnen werden. Die Myelomzellen zeigen als plasmazellabgeleitete Tumorzellen permanentes Wachstum und bringen die Maschinerie für eine effiziente Antikörperproduktion ein. Die aktivierte B-Zelle steuert die funktionellen Gene für die Bildung eines bestimmten Antikörpers bei.
Die vielen Hybridome, die bei einer solchen Fusion entstehen, werden als einzelne Zellklone vermehrt, die dann auf Produktion der gesuchten Antikörper getestet werden. Da die Antikörper jedes einzelnen Hybridoms Produkte eines einzigen B-Zell-Klons sind, werden sie als monoklonale Antikörper bezeichnet.

Blick ins Labor

Voraussetzung für die Herstellung von B-Zell-Hybridomen ist eine effiziente Selektionsstrategie. Die B-Zellen des immunisierten Organismus proliferieren in Kultur nur langsam und sterben nach kurzer Zeit ab. Um aber zu gewährleisten, dass nach der Zellfusion nur Hybridome überleben und nicht die zahlreichen unfusionierten Myelomzellen, setzt man ein Zellgift ein, das nur toleriert wird, wenn ein entsprechendes Resistenzgen aus dem Genom einer normalen B-Zelle durch Zellfusion eingebracht wurde. Dazu werden zunächst Mutanten der Myelomzelllinie isoliert, die Purinnucleotide (AMP, GMP) und das Pyrimidinnucleotid Thymidylat (TMP) nur de novo mithilfe von Tetrahydrofolat (THF) synthetisieren können (Kap. 10.2.1). Dies wird erreicht durch einen Defekt in der Thymidin-Kinase und der Hypoxanthin-Guanin-Phosphoribosyl-Transferase (HGPRT). Diese Enzyme sind für den alternativen Salvage pathway erforderlich (Kap. 10.2.2), bei dem Purinnucleotide aus aufgenommenem Hypoxanthin und Thymidylat aus Thymidin synthetisiert werden (Abb. 26.19). Werden mithilfe von Aminopterin nun auch die Aktivierung von Tetrahydrofolat und damit der De-novo-Syntheseweg für diese Nucleotide blockiert, sterben die Myelomzellen ab. Ihr Überleben wird jedoch gewährleistet, wenn infolge der Fusion mit einer B-Zelle funktionsfähige Gene für die Thymidin-Kinase und die HGPRT eingebracht werden und das Kulturmedium zusätzlich mit Hypoxanthin und Thymidin supplementiert wird. Das Hypoxanthin-Aminopterin-Thymidin-haltige oder kurz HAT-Medium selektioniert also auf Fusionsprodukte aus HAT-sensitiven Myelomzellen und B-Zellen.

Ein weiterer genetischer Trick, der die Effizienz der Herstellung monoklonaler Antikörper steigert, ist die Verwendung von mutierten Myelomzelllinien, deren endogene Immunglobulin-Gene inaktiviert sind. Nach Fusion mit einer B-Zelle wird die Maschinerie der Antikörperproduktion nun ausschließlich für die Produktion der durch die B-Zelle eingebrachten Antikörpergene verwendet.

Klinik

Die meisten monoklonalen Antikörper, die in Analytik und Diagnostik verwendet werden, wurden durch Fusion von Maus-Myelomzellen mit B-Zellen erhalten, die aus der Milz immunisierter Mäuse gewonnen wurden. Hybridome können auch durch Fusion mit Milzzellen von immunisierten Ratten oder Hamstern etabliert werden. Es gibt aber auch Hybridome, die durch Fusion mit menschlichen B-Zellen gewonnen werden und demnach menschliche Antikörper produzieren, sowie gentechnisch humanisierte Antikörper. Dabei werden alle Genabschnitte der Maus, die für konstante Domänen der Antikörper kodieren, gegen die des Menschen ausgetauscht. Im extremen Fall werden auch die relativ invarianten (Framework) Abschnitte der variablen Domänen humanisiert, sodass nur die komplementaritätdeterminierenden Regionen (CDR), die den Kontakt zur antigenen Determinante vermitteln, erhalten bleiben. In neuester Zeit werden zur Isolierung von B-Zell-Hybridomen, die menschliche monoklonale Antikörper produzieren, auch gentechnisch veränderte Mausstämme verwendet, die statt der Ig-Gen-Loci der Maus solche des Menschen tragen und deshalb von vornherein menschliche Antikörper produzieren. Humanisierte oder humane monoklonale Antikörper sind v.a. für therapeutische Anwendungen beim Menschen vorteilhaft.

Wichtigstes Beispiel für die Verwendung monoklonaler Antikörper in der Diagnostik ist die Leukozytendifferentialanalyse (Kap. 26.11.5), bei der charakteristische Oberflächenmoleküle (CD-Marker) nachgewiesen werden. In der Therapie spielen v.a. monoklonale Antikörper eine Rolle, die pathologische (autoimmune oder onkogen transformierte) Zellen eliminieren.

So kommt der B-Zell-spezifische monoklonale Antikörper Rituximab bei B-Zell-Leukämien und Rheuma, der für die Rezeptor-Tyrosin-Kinase HER2/neu spezifische monoklonale Antikörper Trastuzumab bei Brustkrebs zum Einsatz.

T-Zell-Rezeptoren

Aufbau

Die antigenspezifischen Rezeptoren der T-Zellen, die T-Zell-Rezeptoren (TCR), sind heterodimere membranständige Glykoproteine (Abb. 26.20). Sie weisen eine noch größere Vielfalt auf als die Immunglobuline (Immunglobuline ohne somatische Hypermutation: 1011–1014; TCR: 1015–1018) und sind ebenfalls aus immunglobulinähnlichen Domänen aufgebaut (Tab. 26.4). Es gibt zwei Arten von T-Zellen, deren TCR entweder aus einer - und einer -Kette (TCR) oder aus einer - und einer -Kette (TCR) gebildet werden. Die überwiegende Mehrheit aller T-Zellen in den lymphatischen Organen ist vom -Typ, und fast alles, was wir über Erkennungsspezifitäten von T-Zellen wissen, bezieht sich auf diese Subpopulation. Die jeweils N-terminale Domäne der TCR-Ketten ist variabel (V und V) und an der Antigenerkennung beteiligt, während die zweite, membranproximale Domäne konstant ist (C und C). Ein kurzes, -helikales Transmembranstück enthält positiv geladene Aminosäuren, die für die Interaktion mit den signaltransduzierenden CD3-Ketten erforderlich sind (Kap. 26.8.1). Eine eigene intrazelluläre Domäne für die Signaltransduktion fehlt. Im Unterschied zu den B-Zellen, die nach Aktivierung lösliche Immunglobuline sezernieren, synthetisieren T-Zellen ausschließlich membranständige Erkennungsmoleküle, die T-Zell-Rezeptoren.

MERKE

T-Zell-Rezeptoren (TCR) erkennen Antigene nur im Zell-Zell-Kontakt. Sie kommen ausschließlich als membranständige -Heterodimere und nie als lösliche, zirkulierende Moleküle vor.

Entstehung der Vielfalt von T-Zell-Rezeptoren

Grundlagen
Die Vielfalt der TCR entsteht aufgrund derselben Mechanismen, die wir schon bei den Immunglobulinen kennengelernt haben. Auch hier wird die Antigenbindungsstelle durch die variablen Teile zweier Ketten gebildet, die mit ihren CDR1–3 das Antigen kontaktieren. Die verschiedenen - und -Ketten können wieder weitgehend beliebig assoziieren. Analog zur H-Kette der Immunglobuline werden die variablen Domänen der -Kette des TCR durch drei Gensegmente (V, D und J) kodiert, die zunächst in der Keimbahnkonfiguration im TCR-Locus auf Chromosom 7 vorliegen. Die -Ketten (Chromosom 14) entsprechen den L-Ketten der Immunglobuline und bilden ihre variablen Domänen aus den zwei Segmenten V und J. Die verschiedenen Segmente, von denen es – wie bei den Immunglobulinen – jeweils mehrere (D: zwei; J: 13) bis viele (V: ca. 70; V: 52; J: 61) gibt, liegen in der Keimbahn wiederum getrennt vor. Die Feinstruktur der Loci unterscheidet sich nur geringfügig von der der Ig-Gene (Abb. 26.21). Eine Kuriosität ist, dass in der -Kette zwei hintereinander angeordnete Cluster von J-, D- und C-Gensegmenten vorkommen, die alternativ verwendet werden können.
Genumlagerung und -expression
Während der Reifung von T-Zellen kommt es wieder zum zufälligen Zusammenwürfeln der verschiedenen Segmente, zur Einfügung von P- und N-Sequenzen und damit zu einer gewaltigen Erhöhung der Variabilität in den Antigenbindungsstellen im Vergleich zu der in der Keimbahn gespeicherten Information. Die Mechanismen der Genumlagerung sind dieselben wie bei der Generierung der schweren und leichten Ketten der Immunglobuline (Zusammenfassung Tab. 26.4) und mit derselben Fehleranfälligkeit behaftet, sodass wieder nur etwa ein Drittel aller Genumlagerungen erfolgreich verläuft. Die Primärtranskripte der umgelagerten TCR-Ketten werden unter Entfernung von Introns zur reifen mRNA prozessiert (Abb. 26.21).
Im Gegensatz zu den Immunglobulinen gibt es keine lösliche Form, keinen Klassenwechsel und keine Affinitätsreifung durch somatische Hypermutation.

MERKE

Die variablen Domänen der -Ketten der T-Zell-Rezeptoren werden durch V-, D- und J- Segmente, die der -Ketten durch V- und J-Segmente kodiert, die während der T-Zell-Reifung zufällig zusammengelagert werden. Durch Ungenauigkeiten bei Verknüpfung und Insertion von Nucleotiden kommt es zur Generierung eines fast unbegrenzten Rezeptorrepertoires. Anders als bei B-Zell-Rezeptoren kommt es nicht zur Affinitätsreifung durch somatische Mutation.

HLA-Moleküle

Zwei Klassen von HLA-Molekülen

Während die Immunglobuline der B-Zellen lösliche Antigene erkennen und binden, interagieren die Rezeptoren der -T-Zellen nur mit antigenen Peptiden, die sich in einem Komplex mit körpereigenen Präsentationsmolekülen befinden. Diese Präsentationsmoleküle sind Genprodukte des Haupthistokompatibilitätskomplexes (MHC, major histocompatibility complex). Beim Menschen werden die Präsentationsmoleküle als HLA-Moleküle bezeichnet (HLA von human leukocyte antigens).
Der HLA-Genkomplex
Die HLA-Proteine werden von Genen kodiert, die hintereinander im Genom angeordnet sind. Dieser Gen-Cluster auf Chromosom 6 wird als HLA-Locus oder HLA-Komplex bezeichnet (Abb. 26.22). Im HLA-Komplex werden zwei Typen von Präsentationsmolekülen unterschieden, die Klasse-I- und Klasse-II-Proteine.
Vorkommen der HLA-Moleküle
HLA-Klasse-I-Moleküle kommen auf den meisten kernhaltigen Zellen vor. Auf Leukozyten ist ihre Dichte jedoch besonders hoch, daher der Name HLA.
HLA-Klasse-II-Moleküle finden sich ebenfalls bevorzugt auf der Oberfläche kernhaltiger hämatopoetischer Zellen, besonders der dendritischen Zellen, Monozyten und Makrophagen sowie B-Lymphozyten. T-Zellen exprimieren Klasse-II-Moleküle erst nach Aktivierung durch Antigene. Außerhalb des hämatopoetischen Systems sind HLA-Klasse-II-Moleküle konstitutiv auf den Epithelzellen des Thymus exprimiert, wo sie eine wichtige Rolle bei der Selektion des reifenden T-Zell-Repertoires spielen. In anderen, normalerweise HLA-Klasse-II-negativen Körperzellen kann die Expression durch Stimulation mit löslichen Mediatoren des Immunsystems, insbesondere Interferon-, induziert werden.

MERKE

Fast alle Körperzellen tragen HLA-Klasse-I-Moleküle, während Klasse-II-Moleküle vorwiegend auf B-Lymphozyten und antigenpräsentierenden Zellen des Immunsystems vorliegen.

Präsentation zelleigener Peptide durch HLA-Klasse-I-Moleküle

Struktur der HLA-Klasse-I-Moleküle
HLA-Klasse-I-Moleküle bestehen aus zwei Ketten (Abb. 26.23a), einer im HLA-Locus kodierten -Kette (Molekülmasse von ca. 45 kDa) und einem als 2-Mikroglobulin bezeichneten kleinen Protein (Molekülmasse 12,5 kDa), dessen Gen außerhalb des HLA-Komplexes liegt. Es gibt drei -Ketten-kodierende Gene: HLA-A, -B und -C. Die membranproximale 3-Domäne sowie das nichtkovalent assoziierte 2-Mikroglobulin gehören strukturell zur Ig-Familie. Sie bilden die Basis, auf der die 1- und 2-Domänen gemeinsam die Peptidbindungsdomäne bilden. Sie besteht aus einer Plattform in Form eines -Faltblatts sowie zweier -Helices, die die Peptidbindungstasche begrenzen (Abb. 26.23b). In diese passen Peptide von 8–10 Aminosäuren hinein. Der T-Zell-Rezeptor erkennt das gebundene Peptid sowie nach oben gewandte Aminosäuren der -Helices (Abb. 26.23c).
Beladung von HLA-Klasse-I-Molekülen mit Peptiden
Die von den HLA-Proteinen zu präsentierenden Peptide entstehen aus zelleigenen Proteinen, die durch Proteasomen (Kap. 17.5.4) proteolytisch abgebaut werden. Anschließend werden sie durch den Transporter TAP (transporter associated with peptide presentation) in das endoplasmatische Retikulum transportiert (Abb. 26.25). Dort werden die Taschen der neu synthetisierten Klasse-I-Moleküle mit den Peptiden beladen. Durch die Beladung werden die HLA-Klasse-I-Moleküle stabilisiert und anschließend über den Golgi-Apparat an die Zelloberfläche transportiert. HLA-Klasse-I-Moleküle sind also in ihrer großen Mehrheit immer mit Peptiden beladen, die aus dem normalen Proteinabbau der Zellen stammen.
Wenn eine Zelle jedoch mit einem Virus infiziert ist und Virusproteine synthetisiert oder, z.B. im Fall von Tumorzellen, andere in der normalen Zelle nicht synthetisierte Proteine enthält, werden die HLA-Taschen auch mit Peptiden beladen, die während des Abbaus dieser Proteine generiert werden. Die Veränderungen im Zellinneren können dann von den T-Zellen wahrgenommen werden, die die HLA-Taschen überwachen und für die entsprechenden HLA-Klasse-I-Peptid-Komplexe spezifisch sind.

Schon gewusst

Die in den 80er Jahren gemachte Entdeckung, dass das Immunsystem mithilfe der CD8-T-Zellen in fast jede Körperzelle hineinsehen kann, war eine gewaltige Überraschung für die Fachwelt. Bis dahin glaubte man, dass nur in die Zellmembran inserierte Proteine (z.B. das Hüllprotein eines Virus) durch T-Zellen erkannt werden könnten. Die rätselhafte Spezifität mancher CD8-T-Zellen für virales Nucleoprotein (NP), das in der Wirtszellmembran nicht vorkommt, wurde mit einem Schlag verständlich, als die Präsentation NP-abgeleiteter Peptide durch HLA-Klasse-I-Moleküle gezeigt wurde.

MERKE

Zelleigene Proteine werden im Zuge ihres natürlichen Umsatzes durch Proteasomen proteolytisch abgebaut, anschließend im endoplasmatischen Retikulum an HLA-Klasse-I-Moleküle gebunden und an der Zelloberfläche den CD8-T-Zellen präsentiert. Die CD8-T-Zellen können so das endogene Proteom, also die Gesamtheit der exprimierten Proteine, der Zellen überwachen und mutierte oder infizierte Zellen eliminieren.

Präsentation zellfremder Peptide durch HLA-Klasse-II-Moleküle

Struktur der HLA-Klasse-II-Moleküle
HLA-Klasse-II-Moleküle sind aus zwei etwa gleich großen Ketten zusammengesetzt (Molekülmasse ca. 35–38 kDa, Abb. 26.24a, b), die beide im HLA-Locus kodiert werden (Abb. 26.22). Die drei HLA-Klasse-II-Isoformen werden als HLA-DP, -DQ und -DR bezeichnet. Wie bei den Klasse-I-Molekülen sind die beiden membranproximalen Domänen (hier: 2 und 2) wie Ig-Domänen gefaltet. Die 1- und 1-Domänen bilden gemeinsam die Peptidbindungsdomäne. Sie ist ebenfalls aus einem Boden, der -Faltblatt-Struktur besitzt, und zwei -Helices aufgebaut, die die Bindungsrinne begrenzen (Abb. 26.24b, c). Anders als bei HLA-Klasse I kann diese ca. 13 Aminosäuren lange Peptide enthalten und sogar größere Peptide binden, da sie an den Enden offen ist.
Beladung von HLA-Klasse-II-Molekülen mit Peptiden
Die Peptide in den Rinnen der Klasse-II-Moleküle stammen nicht von zelleigenen Proteinen ab, sondern von Proteinen, die die Zellen von außen aufnehmen (Abb. 26.25). Nach Abbau in Lysosomen werden sie in speziellen HLA-II-Beladungskompartimenten (Endosomen) auf HLA-Klasse-II-Moleküle geladen. Dadurch werden sie der Erkennung von T-Zellen zugeführt, die die HLA-Klasse-II-Taschen überwachen und bei passender Spezifität aktiviert werden. Die T-Zellen werden dadurch in die Lage versetzt, Immunantworten von B-Zellen und anderen T-Zellen gegen extrazelluläre Antigene zu regulieren.
Invariante Kette und CLIP-Peptid
Die Bindungstaschen der HLA-Klasse-II-Moleküle sind von ihrer Synthese im endoplasmatischen Retikulum bis zum Eintreffen im Beladungskompartiment durch Komplexierung mit einer dritten Kette, der invarianten (i) oder -Kette, geschützt. Im Beladungskompartiment wird die invariante Kette teilweise abgebaut. Der in der Rinne verbleibende Rest (CLIP, class II invariant chain peptide) wird gegen antigene Peptide ausgetauscht, die von endozytierten Proteinen abgespalten wurden. Die peptidhaltigen HLA-Klasse-II-Moleküle werden an die Oberfläche transportiert, wo sie dem Immunsystem präsentiert werden.

MERKE

Proteine, die von außen in die antigenpräsentierenden Zellen aufgenommen wurden, werden in Lysosomen in ca. 13 Aminosäuren lange Peptide gespalten, die in Endosomen an HLA-Klasse-II-Moleküle gebunden und an der Zelloberfläche den CD4-T-Zellen präsentiert werden. Damit sind CD4-T-Zellen als Helferzellen in der Lage, die Immunantwort gegen diese von außen stammenden Proteine zu regulieren.

Gene des HLA-Komplexes

Die Anordnung der HLA-Klasse-I- und HLA-Klasse-II-Gene im HLA-Komplex des Menschen auf Chromosom 6 ist in Abb. 26.22 gezeigt. Es gibt mehrere Klasse-I- (HLA-A, -B, -C) und Klasse-II-Loci (HLA-DR, -DP, -DQ) und von diesen jeweils viele Allele. Das heißt, Klasse I und Klasse II sind polygen und polymorph.
Nomenklatur
Die Allele der verschiedenen Familienmitglieder wurden ursprünglich mit einfachen Ziffern bezeichnet (z.B. A1, B7, DR4 etc.). Mittlerweile hat man so viele verschiedene Allele gefunden, dass man zu vierstelligen Zahlen übergegangen ist (z.B. 0201 für HLA-A2, Subtyp 1). Von einigen Loci gibt es mehr als 100 allele Formen, andere wie die -Kette von DR wurden bisher als wenig bis gar nicht polymorph beschrieben. Die Kombination von HLA-Allelen auf einem Chromosom bezeichnet man als HLA-Haplotyp.

Schon gewusst

Weitere Gene des HLA-Komplexes

Der HLA-Komplex enthält neben den Loci der Klasse-I- und Klasse-II-Antigenpräsentationsmoleküle eine Reihe weiterer Gene, die wichtige Moleküle des Immunsystems kodieren. Dazu gehören sowohl Komponenten der Proteasomen und die Peptidtransporter (TAP), die für die Beladung der HLA-Klasse-I-Moleküle wichtig sind, als auch Proteine, die für die Einlagerung antigener Peptide in die Bindungsstelle der HLA-Klasse-II-Moleküle benötigt werden. Der Klasse-III-Bereich kodiert weitere für das Immunsystem wichtige Proteine, u.a. Tumor-Nekrose-Faktor- und -, einige Komplementkomponenten und das Hitzeschockprotein Hsp70.
Polymorphismus
Aufgrund des hohen Polymorphismus ist es sehr unwahrscheinlich, dass man von Vater und Mutter die gleichen Allele erbt. Die meisten Menschen sind also heterozygot in Bezug auf die HLA-Klasse-I- und HLA-Klasse-II-Loci. Ein Mensch kann maximal sechs verschiedene Klasse-I-Moleküle auf der Zelloberfläche exprimieren. Für einige Klasse-II-Moleküle ist die Zahl verschiedener Möglichkeiten noch höher, da meist sowohl die - als auch die -Kette durch polymorphe Gene kodiert werden und innerhalb einer HLA-Klasse-II-Form (z.B. DQ) Homo- und Heterodimere gebildet werden können (so ergeben zwei unterschiedliche - und zwei -Ketten bereits insgesamt vier verschiedene Kombinationsmöglichkeiten).

HLA-Polymorphismus und Antigenerkennung

Die Peptidbindungsrinnen, die die unterschiedlichen allelen Formen der HLA-Klasse-I- und -Klasse-II-Ketten bilden, unterscheiden sich besonders in den sie auskleidenden Aminosäuren und damit in ihrer Fähigkeit, bestimmte Peptide zu binden (Abb. 26.24d). Aminosäurereste von Peptiden, die für die Interaktion mit den Rinnen eines gegebenen HLA-Klasse-I-Moleküls besonders wichtig und charakteristisch sind, bezeichnet man als Ankerreste. Sie passen in charakteristische Bindungstaschen am Boden der Peptidbindungsrinne. Dagegen sind die dem T-Zell-Rezeptor zugewandten Aminosäureseitenketten variabel und bestimmen die spezifische Erkennung eines HLA-gebundenen Peptids durch den T-Zell-Rezeptor.
Peptidrepertoire
Jedes gegebene HLA-Klasse-I- oder -Klasse-II-Molekül kann eine große Zahl verschiedener Peptide binden, die aufgrund ihrer Ankerreste in seine Bindungstaschen passen. Allerdings kann ein gegebenes HLA-Molekül nicht alle möglichen Peptide binden. Umgekehrt gibt es Proteine, die keine Peptidsequenz enthalten, die an ein bestimmtes HLA-Molekül bindet. Der Verzicht auf solche Sequenzen gäbe Krankheitserregern die Möglichkeit, sich der Erkennung durch T-Lymphozyten zu entziehen.
HLA-Polymorphismus
Die große Zahl verschiedener HLA-Klasse-I- (meist zweimal A, B, C 6) und HLA-Klasse-II-Moleküle (zweimal DR, DQ, DP sowie Mischformen zwischen den - und -Ketten unterschiedlicher Allele, also > 6), die auf den Zellen eines Individuums exprimiert werden, bedeutet jedoch, dass jeder Mensch auch eine große Zahl verschiedener Möglichkeiten zur Antigenpräsentation für T-Zellen hat. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass Peptide, die z.B. aus einem Virusprotein entstehen, auch passende Ankerreste für eines der Klasse-I- oder Klasse-II-Moleküle aufweisen und so dem Immunsystem sichtbar gemacht werden können. Darüber hinaus sorgt der große Polymorphismus der Klasse-I- und Klasse-II-Moleküle auf Populationsebene dafür, dass auch im seltenen Falle einer fehlenden Peptidpräsentationsmöglichkeit in einem Individuum (und damit fehlendem Schutz gegen einen Krankheitserreger) andere Individuen die präsentierenden HLA-Allele exprimieren und so geschützt sind.
HLA-Restriktion
Jede individuelle T-Zelle kann mit ihrem spezifischen Antigenrezeptor ein gegebenes antigenes Peptid nur im Komplex mit einem bestimmten allelen Produkt von HLA-Klasse I oder HLA-Klasse II erkennen. Ihre Antigenerkennung ist durch das Präsentationsmolekül eingeschränkt. Dieses Phänomen wird als HLA-Restriktion bezeichnet.

Klinik

HLA-Gene und Transplantation Wie der Name Haupthistokompatibilitätskomplex (Histokompatibilität Gewebeverträglichkeit) bereits sagt, verdanken wir seine ursprüngliche Beschreibung der Gewebetransplantation. Im Allgemeinen ist die Wahrscheinlichkeit, dass zwei nicht verwandte Individuen dieselben HLA-Haplotypen tragen, sehr gering (weniger als 1 : 1.000.000 in der menschlichen Bevölkerung). Werden Gewebe oder Organe von nicht verwandten Spendern und Empfängern transplantiert, erkennen die T-Zellen des Empfängers die fremden HLA-Peptid-Komplexe, werden aktiviert und stoßen schließlich das Fremdorgan ab.

Die Risiken der Transplantatabstoßung können dadurch reduziert werden, dass versucht wird, eine weitgehende Übereinstimmung der HLA-Moleküle von Spender und Empfänger zu erreichen, und die Transplantation durch immunsuppressive Behandlung unterstützt wird.

HLA-Assoziation von Krankheiten Die Bedeutung der HLA-Klasse-I- und HLA-Klasse-II-Genprodukte für die T-Zell-Aktivierung erkennt man auch daran, dass einige Autoimmunkrankheiten gehäuft bei Patienten auftreten, die bestimmte HLA-Allele exprimieren. So ist z.B. die Frequenz von HLA-B27 bei Patienten mit ankylierender Spondylitis (Morbus Bechterew) gegenüber der Normalpopulation drastisch erhöht. Patienten mit Diabetes mellitus Typ 1 exprimieren etwa doppelt so häufig wie Kontrollpersonen DR3 oder DR4 und seltener als Gesunde DR2. In allen bekannten Fällen einer Assoziation zwischen HLA-Allelen und Krankheiten stellt der HLA-Haplotyp jedoch nur einen Prädispositionsfaktor dar, der nicht zwingend dazu führt, dass die Krankheit auch wirklich auftritt.

MERKE

Unterschiedliche allele Formen der HLA-Klasse-I- und -Klasse-II-Moleküle binden unterschiedliche Sätze an Peptiden mithilfe von ein bis drei Bindungstaschen, in die bestimmte Ankerreste (Aminosäureseitenketten) der Peptide passen. Deshalb kann eine T-Zelle ein gegebenes Antigen nur bei Präsentation durch ein bestimmtes HLA-Allel erkennen (HLA-Restriktion).

Reifung des immunologischen Repertoires und Selbsttoleranz

Die B- und T-Zell-Rezeptoren werden nach dem in Kap. 26.4.1 und 26.5.2 beschriebenen Genroulette für die einzelnen reifenden Zellen festgelegt. Dieser Prozess läuft schrittweise ab: Bei den B-Zellen werden erst die schweren, dann die leichten Ketten umgelagert, bei den T-Zellen zunächst die -, dann die -Kette. Die fertigen Antigenrezeptoren müssen nun auf ihre Eignung für das Immunsystem getestet werden.
Zielvorgabe
Ein nützliches Repertoire von B-Zell-Antigenrezeptoren deckt alle möglichen fremden Strukturen ab und ist selbsttolerant, d.h., es enthält möglichst wenig Selbstreaktivität, die zur Autoimmunität führen könnte. Die T-Zellen sollen möglichst viele verschiedene, durch körpereigene Allele der HLA-Antigene präsentierte Peptide erkennen und ebenfalls selbsttolerant sein.
Positive Selektion
T-Zellen werden bei ihrer Reifung im Thymus einer positiven Selektion unterzogen. Sie sorgt dafür, dass die gereiften T-Zellen präferenziell mit den körpereigenen HLA-Klasse-I- und -Klasse-II-Molekülen zusammenarbeiten, d.h. von ihnen präsentierte Peptide erkennen können. Dies geschieht, indem diejenigen unreifen Thymozyten ein Überlebens- und Reifungssignal erhalten, deren Rezeptoren eine schwache (geringer als für eine Immunantwort erforderliche) Affinität für die auf dem Thymusepithel exprimierten HLA-Moleküle besitzen. Im Gegensatz dazu sterben unreife Thymozyten spontan ab, wenn ihre T-Zell-Rezeptoren nicht mit den vorhandenen HLA-Molekülen interagieren können. Man spricht vom Tod durch Vernachlässigung.
Negative Selektion
B- oder T-Zellen, die in den ersten Tagen nach der erstmaligen Expression ihrer Antigenrezeptoren an der Oberfläche ein Antigen erkennen, stufen sich selbst als autoreaktiv ein und leiten den programmierten Zelltod, die Apoptose, ein. Diesen Vorgang bezeichnet man als negative Selektion oder klonale Deletion.
Induktion von Anergie
Unter Anergie versteht man den Verlust der Reaktivität auf sonst immunstimulierende Signale. Anergie in T- und B-Zellen wird häufig dann induziert, wenn die Zellen ein Signal über ihren Antigenrezeptor, aber keine Costimulation (Kap. 26.8.2) erhalten. Sie stellt einen wichtigen Mechanismus zur Ruhigstellung bereits gereifter autoreaktiver T-Zellen außerhalb des Thymus dar.
Suppression
Autoimmunität kann auch durch Gegenregulation verhindert werden. Die Existenz gegenregulatorischer Zellen war lange Zeit umstritten. Heute ist jedoch gesichert, dass eine Subpopulation von CD4-T-Zellen die Aktivierung anderer T-Zellen hemmen kann. Diese regulatorischen oder Treg-Zellen haben die Aufgabe, Immunantworten gegen körpereigene Gewebe zu unterdrücken. In diese Population werden deshalb im Thymus CD4-T-Zellen mit autoreaktiven TCR rekrutiert, die aber funktionell nicht auf Autoaggression, sondern auf Autoprotektion programmiert sind.

MERKE

Autoreaktive B- und T-Zellen werden während ihrer Reifung durch klonale Deletion (negative Selektion) entfernt. T-Zellen werden zusätzlich im Zuge der positiven Selektion auf ihre Fähigkeit geprüft, mit den körpereigenen HLA-Molekülen zusammenzuarbeiten. Zusätzliche Schutzmechanismen gegen Autoimmunität sind die Ruhigstellung (Anergie) von T-Zellen und die aktive Suppression durch regulatorische T-Zellen.

Die adaptive Immunantwort

Aktivierung von B- und T-Lymphozyten durch Antigenrezeptoren

Signaltransduktion durch den BCR
Biochemische Veränderungen im BCR-Komplex
Der erste Schritt in der Aktivierung einer reifen, ruhenden B-Zelle ist die Quervernetzung von Antigenrezeptoren (BCR) durch Antigene. Die membranständigen BCR sind selbst nicht in der Lage, Signale in die Zelle weiterzuleiten. Diese Aufgabe übernehmen zwei assoziierte Transmembranproteine, die als Ig und Ig bezeichnet werden. Sie tragen Bindungsstellen für die intrazellulären Enzyme, die am Anfang von Signalkaskaden stehen, die letztlich zur B-Zell-Aktivierung führen. Diese Bindungsstellen werden als ITAMs (immunoreceptor tyrosine-based activation motifs) bezeichnet (Abb. 26.26).
Weiterleitung des BCR-Signals
Der erste nachweisbare Schritt nach der Quervernetzung von BCR-Molekülen durch ein Antigen ist die Tyrosinphosphorylierung der ITAM-Motive der Ig- und Ig-Transmembranproteine durch Kinasen der Src-Familie (Fyn, Lyn und Blk). An die phosphorylierten ITAMs lagert sich die Tyrosin-Kinase Syk über ihre SH2-Domänen an. Gemeinsam mit weiterer Phosphorylierung durch Fyn, Lyn und Blk führt dies zur Aktivierung von Syk. Syk phosphoryliert wiederum das Adapterprotein SLP-65 (SH2-binding leukocyte phosphoprotein of 65 kDa), das weitere Enzyme und Adapterproteine zusammenführt. Besonders wichtig sind dabei die Phospholipase C (PLC), die Tyrosin-Kinase Btk und der GTP/GDP-Nucleotid-Austauschfaktor Sos.
Der PLC-Weg
Die Aktivierung der PLC durch Syk- und Btk-vermittelte Phosphorylierung führt zur Spaltung des Membranlipids Phophatidylinositol-bisphosphat (PIP2) in die Second messenger Diacylglyerin (DAG) und Inositoltrisphosphat (IP3). IP3 setzt Ca2+ aus dem endoplasmatischen Retikulum frei. Die resultierende Erhöhung des Ca2+-Spiegels kann durch Ca2+-Influx in die Zelle verstärkt und verlängert werden. In der Folge werden Ca2+-abhängige Enzyme aktiviert, von denen der Phosphatase Calcineurin eine besondere Bedeutung bei der Aktivierung von Transkriptionsfaktoren der NFAT-Familie (Nuclear factor of activated T-cells) zukommt. Gemeinsam mit DAG aktiviert der erhöhte Ca2+-Spiegel die -Isoform der Protein-Kinase C (PKC), die wiederum zum Abbau inhibitorischer Bindeproteine des Transkriptionsfaktors NF-B und damit zu dessen Translokation in den Zellkern führt.
Der Ras-MAP-Kinase-Weg
Nach Rekrutierung in den SLP-65-Komplex katalysiert der GTP/GDP-Austauschfaktor Sos den Austausch von GDP gegen GTP an Ras und Rac, die wiederum nachgeschaltete Protein-Kinasen, die sog. MAPK (mitogenaktivierte Protein-Kinasen), aktivieren. Auch diese Signalkaskade führt letztlich zur Translokation aktivierter Transkriptionsfaktoren in den Kern.
Die Aktivierung und Translokation der hier erwähnten und anderer Transkriptionsfaktoren dienen dem Anschalten der Genprogramme, die für die nun erforderliche Vergrößerung der Zelle, deren Proliferation und Differenzierung notwendig sind. Andere, für ruhende B-Zellen wichtige Gene werden wiederum abgeschaltet.
Signaltransduktion durch den TCR
Funktion der Corezeptoren CD4 und CD8
Zytotoxische T-Zellen (T-Killerzellen) tragen den CD8-Corezeptor. Er unterstützt den TCR bei der Bindung an peptidbeladene HLA-Klasse-I-Moleküle, indem er an einen nichtpolymorphen Bereich des HLA-Klasse-I-Moleküls andockt. In den T-Helferzellen stabilisiert der CD4-Corezeptor den TCR bei der Bindung an HLA-Klasse-II-Peptid-Komplexe. Die Corezeptoren sind intrazellulär mit der Src-Kinase Lck assoziiert, die die initiale Phosphorylierung der ITAMs im TCR-Komplex vermittelt (Abb. 26.27).
Biochemische Veränderungen im TCR-Komplex
Der erste Schritt der T-Zell-Aktivierung besteht im Erkennen von HLA-Peptid-Komplexen durch die klonal exprimierten TCR. Diese Interaktion ist nur in direktem Kontakt zwischen einer T-Zelle und einer antigenpräsentierenden Zelle (APC) möglich.
Ähnlich wie bei den membranständigen Antigenrezeptoren der B-Zellen wird die Signaltransduktion in die Zelle nicht vom TCR selbst, sondern von einer Gruppe für alle TCR identischer Transmembranproteine übernommen, von denen die -, - und -Formen kollektiv als CD3, zwei weitere nur als -Ketten bezeichnet werden (Abb. 26.27). Die verwirrende Namensgebung hängt damit zusammen, dass nur die drei zuerst genannten Ketten eine ausreichend große extrazelluläre Domäne für die Detektion durch monoklonale Antikörper besitzen, die eine Voraussetzung für die Aufnahme in die CD-Nomenklatur ist. Entsprechend dient die Oberflächenexpression von CD3 als Marker für alle T-Lymphozyten in der klinischen Diagnostik.
Wie die Ig- und Ig-Ketten tragen auch die CD3- und -Proteine intrazelluläre ITAMs (immunoreceptor tyrosine-based activation motifs), die nach Phosphorylierung durch Src-Kinasen (hier v.a. Lck) als Andockstelle für eine Kinase der Syk-Familie, die sog. ZAP-70 (zeta[]-associated protein of 70 kDa), dienen. ZAP-70 wird durch sterische Umlagerung und Phosphorylierung enzymatisch aktiv und phosphoryliert die Adapterproteine LAT (linker in activated T-cells) und SLP-76 (SH2-binding leukocyte phosphoprotein of 76 kDa).
Weiterleitung des TCR-Signals
Analog zu der oben beschriebenen Weiterleitung des BCR-Signals schließen sich an die Bildung eines Signalosoms mit den Adapterproteinen LAT und SLP-76 weitere Schritte an: die Aktivierung der Phospholipase C (PLC), gefolgt von einer Ca2+-Mobilisierung und Aktivierung der Protein-Kinase C (PKC) sowie der Translokation von Transkriptionsfaktoren der NFAT- und NF-B-Familien; des Weiteren die Aktivierung von Ras durch GTP/GDP-Austauschfaktoren, gefolgt von MAPK-Kaskaden und der Translokation des Transkriptionsfaktors AP-1. Gemeinsam mit weiteren Transkriptionsfaktoren regulieren die durch TCR-Stimulation aktivierten Transkriptionsfaktoren NFAT, NF-B und AP-1 die Expression von Genen, die im Zuge der T-Zell-Aktivierung benötigt werden (Abb. 26.27).

MERKE

Bei B- und T-Zellen erfolgt die Signaltransduktion über ähnliche Kaskaden. Die mit dem BCR assoziierten Ig- und Ig-Ketten sowie die mit dem TCR assoziierten CD3- und -Ketten tragen ITAM-Sequenzmotive, in denen die Signaltransduktionskaskade durch Tyrosinphosphorylierung initiiert wird. Dazu gehören die Aktivierung von PLC, gefolgt von Ca2+-Mobilisierung und Aktivierung der Protein-Kinase C (PKC), mehrere MAP-Kinase-Kaskaden sowie die Aktivierung Ca2+-abhängiger Phosphatasen. Wichtige Transkriptionsfaktoren, die so aktiviert und in den Kern transloziert werden, sind Faktoren der NFAT-, NF-B- und AP-1-Familien.

Kommunikation zwischen Leukozyten über Zellinteraktionsmoleküle

Zellinteraktionsmoleküle sind membranständige Rezeptoren und Liganden, die auf Zelloberflächen exprimiert sind. Sie erfüllen drei verschiedene Funktionen:
  • Sie steuern die Migration von Zellen des Immunsystems innerhalb des lymphatischen Systems und in die Gewebe.

  • Sie ermöglichen die Adhäsion von interagierenden Zellen.

  • Sie können aktivierende und deaktivierende Signale vermitteln.

Die wichtigsten Vertreter, ihre Funktion sowie die Zugehörigkeit zu Proteinfamilien sind in Tab. 26.5 zusammengefasst.
Die immunologische Synapse
Die Initiierung einer adaptiven Immunantwort erfordert zunächst die Erkennung von HLA-präsentiertem Antigen durch T-Zellen an der Oberfläche von professionellen antigenpräsentierenden Zellen, den dendritischen Zellen. In der Kon
taktzone zwischen T-Zelle und antigenpräsentierender Zelle wird eine Struktur ausgebildet, die auch als immunologische Synapse bezeichnet wird. Sie besteht aus einem zentralen Cluster von TCR-Molekülen, den Corezeptoren CD4 bzw. CD8 sowie costimulatorischen Rezeptoren wie CD28 (unten). Um diesen cSMAC (central supramolecular activation cluster) befindet sich ein pSMAC (peripheral SMAC) genannter Ring aus Adhäsionsmolekülen, insbesondere das Integrin LFA-1 (leukocyte function-associated molecule 1). Kinasen der Src-Familie (v.a. Lck) gelangen in den cSMAC, während die gegenregulierenden Phosphatasen, insbesondere die leukozytenspezifische Phosphatase CD45, aufgrund ihrer großen extrazellulären Domäne aus der Synapse ausgeschlossen werden (Abb. 26.28).

MERKE

Die immunologische Synapse ist ein komplex geordneter Cluster von Rezeptoren und deren Liganden an der Kontaktstelle zwischen T-Zelle und antigenpräsentierender Zelle. In ihrem Zentrum laufen die ersten Schritte der Signaltransduktion durch den TCR ab.

Integrine
Integrine gehören zu den wichtigsten Zelladhäsionsmolekülen des Immunsystems. Integrine sind heterodimere Glykoproteine, deren Affinität für ihre Liganden durch Inside-out-Signale reguliert wird: So kann ein TCR-Signal die Umlagerung von der niedrig- in die hochaffine Form auslösen und damit die Adhäsion der T-Zelle an einer antigenpräsentierenden Zelle verstärken. Im Immunsystem ist insbesondere die Subfamilie der 2-Integrine von Bedeutung, zu der das von T-Zellen exprimierte LFA-1 (leukocyte function-associated antigen 1; CD11a/CD18) gehört. Es bindet an Partner aus der Immunglobulin-Superfamilie, die ICAM-1–3 (intercellular adhesion molecule) heißen und auf den antigenpräsentierenden Zellen exprimiert werden.
Mitglieder der Immunglobulin-Superfamilie
Das Bauprinzip der Immunglobulindomäne (Abb. 26.9) kommt in zahlreichen Zellinteraktionsmolekülen innerhalb und außerhalb des Immunsystems zur Anwendung. Neben den BCR, den TCR sowie den HLA-Klasse-I- und -Klasse-II-Molekülen sind für das Immunsystem die Corezeptoren CD4 und CD8 sowie die Mitglieder der CD28- und der CD2-Familie von besonderer Bedeutung.
CD28-Familie
Bei der Antigenerkennung durch naive T-Lymphozyten führt die Besetzung des TCR mit dem passenden Peptid-HLA-Komplex nur dann zur Aktivierung, wenn gleichzeitig ein zweites, costimulatorisches Signal gegeben wird. CD28 ist der wichtigste costimulatorische Rezeptor für die Aktivierung von T-Lymphozyten. Seine Liganden CD80 und CD86 gehören ebenfalls der Ig-Superfamilie an; sie werden von dendritischen Zellen konstitutiv exprimiert. Die extrazelluläre Domäne von CD28 ist von ähnlicher Größe wie die des TCR, sodass CD28 im Zentrum der immunologischen Synapse als Costimulator aktiv werden kann (Abb. 26.28). Die intrazelluläre Domäne von CD28 leitet Signale über Src-Kinasen, PI-3-Kinase und den GDP/GTP-Austauschfaktor Vav weiter, die z.T. mit den Signalen des TCR konvergieren und so die Zelle costimulieren.
Den CD28-vermittelten aktivierenden, costimulatorischen Signalen wirken im Laufe der Immunantwort negative Signale entgegen. Diese werden durch einen strukturell ähnlichen Rezeptor, CD152 oder CTLA-4 (cytotoxic T-lymphocyte antigen 4) vermittelt, der ebenfalls CD80/86 als Liganden bindet. Obwohl CD28 und CTLA-4 Homodimere sind, bindet nur CTLA-4 bivalent und hat damit neben einer höheren Affinität auch einen Aviditätsvorteil, sodass in Anwesenheit von CTLA-4 die Costimulation durch CD28 unterbrochen wird.
CD2-Familie
Das T-Zell-Oberflächenmolekül CD2 hat ebenfalls costimulatorische Aktivität und ist dementsprechend mit einer intrazellulären Domäne ausgerüstet, an die weitere Elemente der Signaltransduktionskaskaden andocken können. Sein Ligand wird als CD58 oder LFA-3 (leukocyte function-associated antigen 3) bezeichnet. Er ist auf vielen hämatopoetischen Zellen exprimiert. Wie CD28 kann auch CD2 aufgrund seiner dem TCR ähnlichen Dimensionierung in die immunologische Synapse einwandern und dort an der T-Zell-Aktivierung mitwirken (Abb. 26.28).

Schon gewusst

Eine klassische Methode für den Nachweis und die Isolierung menschlicher T-Lymphozyten ist die E-Rosettierung. Dabei werden menschliche Leukozyten mit Schaferythrozyten gemischt, die sich über das CD2-Molekül an T-Zellen binden. Der CD2-Ligand, das LFA-3-(CD58-)Molekül des Schafes ist stark auf Erythrozyten exprimiert und reagiert hoch affin mit menschlichen CD2-Molekülen.

MERKE

Zur vollständigen Aktivierung von T-Lymphozyten bedarf es neben der Erkennung durch den TCR der Costimulation. Der effizienteste costimulatorische Rezeptor ist CD28, seine Liganden CD80/86 befinden sich auf der antigenpräsentierenden dendritischen Zelle.

TNF/TNF-Rezeptor-Familie
Neben den Zytokinen der TNF-Familien (Tumor-Nekrose-Faktor, Kap. 26.8.3) gibt es auch strukturell verwandte zellständige Rezeptor-Liganden-Paare. Von zentraler Bedeutung ist CD40, das als Rezeptor für T-Zell-vermittelte Aktivierungs signale dient und auf Makrophagen, dendritischen Zellen sowie auf B-Zellen vorkommt. Entsprechend exprimieren aktivierte CD4-T-Zellen (Helferzellen) den CD40-Liganden, der CD40L oder CD154 genannt wird. Über die CD40L-CD40-Interaktion steuern T-Zellen zahlreiche Aktivierungsvorgänge im Immunsystem, u.a. die Bildung von Keimzentren und den darin ablaufenden Immunglobulin-Klassenwechsel der B-Zellen. Die Signalweiterleitung erfolgt nach Oligomerisierung von CD40 infolge der Ligation durch CD40L. Sie bedient sich einer der TNF-Rezeptor-Familie eigenen Gruppe intrazellulärer Proteine, der sog. TRAFs (TNF-receptor-associated factors). Sie initiieren Enzymkaskaden, die letztlich wiederum zur Translokation aktivierter Transkriptionsfaktoren wie NF-B und AP-1 in den Zellkern führen.

Kommunikation zwischen Leukozyten über Zytokine

Wichtige Zytokine des Immunsystems
Unter dem zellbiologischen Überbegriff der Zytokine versteht man lösliche Proteine, die die Kommunikation zwischen verschiedenen Körperzellen steuern und Vermehrung, Differenzierung und Migration beeinflussen. Die Zytokine, die das Immunsystem steuern, sind:
  • Interleukine (IL)

  • Interferone (IFN)

  • Tumor-Nekrose-Faktoren (TNF)

  • transformierende Wachstumsfaktoren (TGF)

  • koloniestimulierende Faktoren (CSF)

  • Chemokine.

Die wichtigsten Zytokine sind in Tab. 26.6 aufgeführt.
Interleukine
In die Interleukinnomenklatur wurden inzwischen etwa 30 Zytokine aufgenommen. Sie wurde geschaffen, um die oft verwirrenden funktionsbeschreibenden laborspezifischen Abkürzungen neu entdeckter Zytokine durch international vereinheitlichte Bezeichnungen zu ersetzen. Historisch etablierte Namen wie Interferone, Tumor-Nekrose-Faktoren etc. wurden jedoch beibehalten.
Interferone
Interferone wurden zunächst außerhalb des Immunsystems entdeckt und erhielten ihren Namen aufgrund ihrer antiviralen Wirkung (Interferenz mit dem Virus!). Man unterscheidet Interferone vom Typ I ( IFN- und IFN-), die von vielen Körperzellen produziert werden können, sowie Interferone vom Typ II ( Immuninterferon oder IFN-). IFN- ist ein zentraler Entzündungsmediator, der von proinflammatorisch polarisierten CD4-TH1-Zellen (unten) sowie von aktivierten CD8-T-Zellen und NK-Zellen produziert wird.
Tumor-Nekrose-Faktoren
Der Begriff Tumor-Nekrose-Faktoren leitet sich von der Fähigkeit dieser Zytokine ab, Tumorzellen zu zerstören. Gemeinsam mit IFN- sind sie die wichtigsten Entzündungsmediatoren. Während TNF- von Makrophagen produziert wird, ist TNF- (auch Lymphotoxin genannt) ein Produkt proinflammatorischer T-Zellen.

Klinik

Wegen ihrer zentralen Bedeutung als Entzündungsmediatoren sind Tumor-Nekrose-Faktoren auch Ziele moderner antiinflammatorischer Therapien, die mit rekombinanten löslichen Rezeptoren oder monoklonalen Antikörpern die TNF-Aktivität neutralisieren und eindrucksvolle Heilerfolge insbesondere bei Rheuma ermöglichen.

Transformierende Wachstumsfaktoren
Die ursprünglich beschriebene Aktivität der transformierenden Wachstumsfaktoren war die Förderung der Vermehrung von Tumorzellen. Sie besitzen multiple immunregulatorische Aktivität.
Koloniestimulierende Faktoren
Sie erlauben in vitro das Wachstum hämatopoetischer Zellen im Weichagar und damit die Bildung von Kolonien. Auch für diese Zytokine gilt jedoch, dass sie neben der namensgebenden Aktivität auf vielfältige Weise Immunreaktionen regulieren.
Prinzipien der Zytokinwirkung
Die Zytokine des Immunsystems werden nach Aktivierung der Zellen des angeborenen und des erworbenen Immunsystems synthetisiert, also z.B. nach Aktivierung von Makrophagen durch bakterielle Produkte oder nach Aktivierung von Lymphozyten durch Antigen. Sie selbst sind jedoch nicht antigenspezifisch. Viele Zytokine wirken dennoch nur auf die wenigen spezifischen Lymphozyten, die gerade an der Immunreaktion teilnehmen, die auch die Zytokinproduktion auslöst. Dies wird durch antigenkontrollierte Expression der Zytokinrezeptoren, an die Zytokine binden, und durch einen lokal eng begrenzten Wirkungsradius gewährleistet.
Es gibt allerdings auch Zytokine, die nicht lokal, sondern systemisch wirken. Das sind v.a. Entzündungsmediatoren wie IL-1, das u.a. Hepatozyten zur Produktion von Akute-Phase-Proteinen anregt (Kap. 27.2) und – indirekt über die Freisetzung von Prostaglandinen in vielen Zelltypen – neuronale Zellen des Hypothalamus zur Heraufregulation der Körpertemperatur stimuliert. Auch die CSF, die den Nachschub von Leukozyten aus dem Knochenmark steuern, wirken systemisch.
Chemokine sind chemotaktische Proteine, die u.a. für das Homing von Leukozyten, also deren Ansteuern von sekundären lymphatischen Organen sowie Entzündungsorten, wichtig sind. Entsprechend werden Chemokine sowohl von Leukozyten als auch von Gewebezellen wie Endothel- und Epithelzellen produziert. Im Gegensatz zu den Interleukinen stellen sie eine strukturell homologe Gruppe dar. Anhand der Positionierung ihrer Cysteinreste werden sie in vier Subfamilien eingeteilt: CC-Subfamilie (ca. 30 Mitglieder), CXC-Subfamilie (16 Mitglieder), C-Subfamilie (zwei Mitglieder) und CX3C-Subfamilie (ein Mitglied). Ihre Funktionen sind teilweise redundant.
Zytokinrezeptoren
Zytokinrezeptoren sind modular aus Untereinheiten aufgebaut, von denen manche für ein Zytokin spezifisch sind, andere von einer Familie von Zytokinrezeptoren gemeinsam genutzt werden (Abb. 26.29). Sie lassen sich anhand gemeinsamer Strukturmerkmale in fünf Familien einteilen:
  • Typ-I-Zytokinrezeptoren

  • Typ-II-Zytokinrezeptoren

  • TNF-Rezeptor-Familie

  • Mitglieder der Immunglobulin-Superfamilie

  • Rezeptoren mit sieben Membrandurchgängen (7-TM-Rezeptoren).

Intrazellulär benutzen die meisten Zytokinrezeptoren den Weg der Janus-Kinasen (JAK) und der STAT-Proteine (signal transducers and activators of transcription) zur Kommunikation mit dem Zellkern (Kap. 22.6.1). Mitglieder der TNFR-Familie bedienen sich einer eigenen Gruppe intrazellulärer Proteine, der TRAFs (Kap. 26.8.2), und die Chemokinrezeptoren leiten Signale über GTP/GDP-Austauschfaktoren weiter.

MERKE

Zytokine fallen in strukturell verwandte Familien, ihre Rezeptoren zeigen einen modularen Aufbau, bei dem oft Zytokinspezifität und Signaltransduktion getrennt sind. Letztere erfolgt meist über den JAK-STAT-Weg.

Das TH1/TH2-Paradigma
Im Verlauf einer Immunreaktion, besonders bei chronischer Stimulation durch Antigen, entwickeln sich CD4-T-Helferzellen zu zwei funktionell unterschiedlichen Subpopulationen, den TH1- und TH2-Zellen (Abb. 26.30). Diese Entwicklung wird durch Zytokine gesteuert: Das von den dendritischen Zellen und Makrophagen nach Stimulation bestimmter Mustererkennungsrezeptoren (TLR, Kap. 26.2.1) produzierte IL-12 fördert die TH1-Polarisierung, IL-4 dagegen stimuliert die TH2-Polarisierung. Zudem unterdrücken IL-4 sowie IL-10 indirekt über die Suppression von IL-12 die TH1-Polarisierung, während IFN- die Expression von TH2-Zytokinen unterdrückt.
TH1-Zellen fördern die zelluläre Immunität (die Aktivität von Killerzellen) und Entzündungsreaktionen. Ihr wichtigstes Effektorzytokin ist IFN-, das aktivierend auf Makrophagen, CD8-T-Zellen und NK-Zellen wirkt und die Antigenpräsentation durch HLA-Moleküle auf vielen Körperzellen verstärkt. Dadurch werden wiederum die zellvermittelten Immunreaktionen erleichtert. Neben den proinflammatorischen Zytokinen ist der CD40-Ligand (CD40L) für die Aktivierung von Makrophagen wichtig.
TH2-Zellen fördern die humorale Immunität und unterdrücken Entzündungsreaktionen. Diese Steuerung erfolgt über Zytokine und den CD40L. Die von TH2-Zellen gebildeten Zytokine IL-4 und IL-13 fördern die Antikörperproduktion und den Klassenwechsel von B-Zellen.
Neben der physiologischen Funktion der TH1/TH2-Polarisierung bei der Bekämpfung verschiedener Klassen von Krankheitserregern spielt diese Polarisierung auch bei überschießenden Immunantworten (Allergien) und Autoimmunität eine Rolle. So liegt bei Typ-I-Allergien (wie dem Heuschnupfen) eine TH2-Polarisierung der CD4-T-Zell-Antwort gegen das Allergen vor; bei der autoimmunen Form des Diabetes (Typ 1) scheinen TH1-Zellen zu dominieren.
T-B-Kooperation
Eine der wichtigsten regulatorischen Funktionen der CD4-T-Zellen ist die Steuerung der Antikörperproduktion durch B-Zellen (Abb. 26.31). Wird diese unterbrochen, z.B. durch Fehlen des CD40L (Kap. 26.8.2), so gibt es nur IgM-Antikörper, keine Affinitätsreifung und keinen Klassenwechsel. Die Kommunikation zwischen T- und B-Zellen, die sog. T-B-Kooperation, erfolgt sowohl über Zellinteraktionsmoleküle (z.B. CD40 – CD40L) als auch über Zytokine (z.B. IL-4). Sie findet in den Keimzentren der sekundären lymphatischen Organe statt.
Die Regulation der B-Zell-Antwort durch CD4-T-Zellen hängt davon ab, dass beide Partner das gleiche Antigen (z.B. Viruspartikel) erkennen. Das wird erreicht, indem diejenigen B-Lymphozyten, deren BCR mit dem Antigen reagieren, dieses einfangen und in das Zellinnere aufnehmen. Nach Proteolyse des endozytierten BCR-Antigen-Komplexes werden die antigenen Peptide an HLA-Klasse-II-Moleküle gebunden und an der Zelloberfläche den T-Helferzellen präsentiert (Kap. 26.6.3). Die T-Zelle wiederum erhält costimulatorische Signale von der B-Zelle über das CD28-CD80/86-System.

MERKE

Voraussetzung für eine effiziente Immunreaktion ist die Kooperation zwischen verschiedenen Zellpopulationen: den antigenpräsentierenden dendritischen Zellen und Makrophagen, den CD4-T-Helferzellen, den CD8-T-Killerzellen (zytotoxische T-Zellen) und den B-Lymphozyten. Die Interaktion zwischen den verschiedenen Zellpopulationen wird durch Zellinteraktionsmoleküle und durch Zytokine gesteuert.

Effektormechanismen

Effektorfunktionen von Antikörpern

Zur Eliminierung von Erregern bedarf es nicht nur deren Erkennung mithilfe der BCR und TCR, sondern auch der Aktivierung von Effektormechanismen. Antikörper können Erreger neutralisieren und mithilfe ihrer isotypspezifischen konstanten Domänen die Effektormechanismen des angeborenen Immunsystems rekrutieren (Tab. 26.7).
Neutralisation
Darunter wird die Blockade der Bindung von Mikroorganismen, aber auch von bakteriellen Toxinen an die Wirtszellen verstanden. Neutralisierende Antikörper verhindern also die Ausbreitung von Infektionen und die Wirkung von Toxinen. Diese Effektorfunktion ist nicht an eine bestimmte Antikörperklasse gebunden.
Erkennung über Fc-Rezeptoren
Antikörper rekrutieren immunologische Effektorzellen über deren membranständige Rezeptoren, an die bestimmte Immunglobulin-Isotypen binden. Da die konstanten Bereiche der Antikörper (Fc-Stücke) erkannt werden, spricht man von Fc-Rezeptoren (FcR). Je nach erkannter Antikörperklasse wird diese Abkürzung durch den entsprechenden griechischen Buchstaben ergänzt, also z.B. FcR, wenn sie IgG binden.
Komplementaktivierung
Antigen-Antikörper-Komplexe können die Aktivierung der Komplementkaskade auslösen, die nach mehrfachen proteolytischen Aktivierungsschritten in drei Effektorfunktionen mündet: Zytolyse durch einen membranangreifenden Komplex, Opsonisierung über C3b-Rezeptoren von Fresszellen, Aktivierung von Effektorzellen und Entzündungsauslösung durch Anaphylatoxine (Details Kap. 26.9.2).
Opsonisierung
Dieser Begriff beschreibt die Kennzeichnung von körperfremdem Material durch spezifische Antikörper für die Phagozytose. Opsonisierung führt zu einer Steigerung der Phagozytoserate der Makrophagen und Granulozyten. Fc-Rezeptoren auf Fresszellen binden die mit den entsprechenden Antikörpern beladenen Mikroorganismen und stimulieren deren Aufnahme durch die Zellen.
Degranulation
Die Bindung von Antigen-IgG-Komplexen an Fc-Rezeptoren auf neutrophilen Granulozyten führt nicht nur zur Phagozytose, sondern auch zur Ausschüttung (Degranulation) lysosomaler Enzyme und entzündungsfördernder Faktoren. Fc-Rezeptoren auf Mastzellen sowie basophilen und eosinophilen Granulozyten binden Antikörper der IgE-Klasse, deren Vernetzung durch Antigenerkennung Degranulation und Aktivierung dieser Zellen auslöst (Kap. 26.10.1).
Antikörperabhängige zellvermittelte Zytotoxizität (ADCC)
Mithilfe von Fc-Rezeptoren können NK-Zellen IgG-beladene Ziele erkennen und zerstören (Kap. 26.9.3).
Plazentatransfer
Die Fähigkeit von Antikörpern, durch die Plazenta in den fetalen Kreislauf überzutreten, ist auf IgG-Isotypen beschränkt. Der Ausschluss von IgM-Antikörpern ist wichtig für die Tolerierung eines Fetus mit Inkompatibilität im AB0-Blutgruppensystem, die durch IgM-Antikörper vermittelt wird: Diese würden z.B. bei transplazentalem Transfer von einer Mutter mit der Blutgruppe 0 die Erythrozyten eines A- oder B-positiven Fetus zerstören (Kap. 26.10.1). Dagegen verleiht die Passage von IgG-Antikörpern der Mutter dem Neugeborenen Schutz in utero und während der ersten Lebenswochen.
Schleimhautimmunität
Antikörper des Isotyps IgA sind für die Immunität auf Schleimhäuten und in sezernierten Körperflüssigkeiten wichtig. Sie schützen insbesondere vor Infektionen mit Viren, die das respiratorische Epithel sowie den Urogenital- und den Gastrointestinaltrakt als Eintrittspforte benutzen. Spezielle Zelloberflächenmolekülen (Poly-Ig-Rezeptoren) von Epithelzellen der Schleimhäute und Drüsengänge binden IgA als dimere Moleküle (Abb. 26.32) und transportieren diese durch das Zellinnere in das Lumen des Drüsengangs bzw. auf die Schleimhaut (Transzytose). Nach proteolytischer Spaltung bleibt ein Teil der Poly-Ig-Rezeptoren an die freigesetzten Antikörper gebunden und schützt sie als sekretorische Komponente vor proteolytischem Abbau.

Das Komplementsystem

Wege der Komplementaktivierung
Das Komplementsystem ist eine Gruppe kaskadenförmig interagierender Proteasen sowie weiterer Proteine des Blutplasmas. Auf dem klassischen Weg wird die Kaskade durch Antigen-Antikörper-Komplexe ausgelöst. Die neun Komponenten des klassischen Weges werden als C1 bis C9 bezeichnet. Nach Initiation der Komplementkaskade wird die jeweils nächste Komponente vom enzymatisch inaktiven Zymogen in eine aktive Protease konvertiert, weshalb die jeweils upstream gelegene Protease bzw. der Enzymkomplex als Konvertase (z.B. C3-Konvertase) bezeichnet wird.
Auch das angeborene Immunsystem initiiert die Komplementkaskade: An mikrobiellen Oberflächen werden der alternative Weg sowie der Lektinweg aktiviert. Alle Wege der Komplementaktivierung konvergieren bei der Aktivierung der Komponente C3, die eine zentrale Stellung im Komplementsystem einnimmt.
Die Effektorfunktionen des Komplementsystems sind Zytolyse, Opsonisierung und Chemotaxis bzw. Aktivierung von Effektorzellen.
Der klassische Weg der Komplementaktivierung
Der klassische Weg der Komplementaktivierung wird durch Antigen-Antikörper-Komplexe initiiert (Abb. 26.33). Die erste Komplementkomponente, C1, bindet an zwei benachbarte antigenkomplexierte Antikörper, deren Fc-Bereich durch die Antigen-Bindung sterisch umgelagert wurde. Die besonders hohe Effektivität von IgM gegenüber IgG erklärt sich aus der pentameren IgM-Struktur, die selbst bei Bindung nur eines Antkörpermoleküls mehrere benachbarte Fc-Stücke bereitstellt. C1 ist ein multimerer Komplex, bestehend aus 6 identischen C1q-Untereinheiten, die gemeinsam eine tulpenstraußähnliche Struktur bilden (Abb. 26.33 a).
  • Nach Bindung von mindestens zwei C1q-Untereinheiten an Fc-Stücke antigenkomplexierter Antikörpermoleküle erfolgt die Aktivierung der beiden C1r-Unterheiten durch sterische Umlagerung, die nun als Serin-Proteasen die ebenfalls zweifach im C1-Molekül vertretenen Serin-Proteasen C1s aktivieren.

  • Die aktivierte C1s-Untereinheit spaltet nun die Komponente C4. Dabei bleibt das kleinere Fragment, C4a, in Lösung, während das größere Fragment, C4b, an die antikörperbesetzte Zelloberfläche gebunden wird. Die Bindung erfolgt über eine interne, vor der Spaltung zunächst geschützte Thioesterbindung im C4-Molekül, die zur Bildung von Amid- und Esterbindungen an den Antigen-Antikörperkomplex oder benachbarte Makromoleküle der Zelloberfläche herangezogen wird.

  • Das nächste Komplementprotein, C2, bindet an die fixierte C4b-Komponente und kann nun ebenfalls durch die C1s-Serinprotease gespalten werden. C2a geht in Lösung, während der C4b2b-Komplex eine C3-Konvertase-Aktivität besitzt.

  • Die C4b-Komponente der C3-Konvertase bindet C3, das anschließend durch die C2b-Komponente proteolytisch gespalten und damit aktiviert wird. Nach Abspaltung der kleinen C3a-Komponente kann CD3b, an den C4b2b-Komplex, aber zusätzlich auch direkt an die Zelloberfläche binden. Wie bei C4b werden dabei Amid- und Esterbindungen ausgehend von einer internen Thioesterbindung geknüpft. Während der C4b2b3b-Komplex als C5-Konvertase die Kaskade fortsetzt, hat das (oft in großen Mengen) isoliertdeponierte C3b vor allem eine Funktion als Opsonin, d.h. es markiert die beladenen Zellen für die Phagozytose durch Fresszellen über C3b-Rezeptoren.

  • Die C5-Konvertase leitet durch Spaltung der Komplementkomponente C5 die Endstrecke des lytischen Weges ein. Das kleinere Fragment, C5a, wird wiederum freigesetzt, während das größere, C5b, als zweikettiges Molekül vorübergehend in einer Konformation an die C5-Konvertase gebunden bleibt, welche die Bindung der folgenden Komplementproteine C6 und C7 erlaubt. Wie die übrigen beiden Komponenten des lytischen Weges, C8 und C9, haben diese keine enzymatische Aktivität.

  • Der zunächst gebildete C5b67-Komplex inseriert sich aufgrund seiner Hydrophobizität in die Zellmembran. Er rekrutiert das trimere C8-Protein, das wiederum mit einer Kette in die Zellmembran inseriert.

  • Schließlich bindet der C5b678-Komplex bis zu 15 C9-Proteine und katalysiert deren Polymerisation zu membranständigen Poren von ca. 100 Durchmesser. Der freie Durchtritt von Wasser und Ionen führt aufgrund des höheren osmotischen Wertes des Zellinneren zum Schwellen und Platzen der angegriffenen Zellen. Der C5b6789-Komplex wird deshalb auch als Membran-angreifender-Komplex (MAC) bezeichnet (Abb. 26.33b).

MERKE

Der klassische Weg der Komplementaktivierung wird durch Bindung von C1 an die Fc-Enden bestimmter Antikörperklassen nach Bindung an ein Antigen ausgelöst. Die Komplementkaskade nach mehrfachen proteolytischen Aktivierungsschritten mündet in drei Effektorfunktionen: Zytolyse durch den Membran-angreifenden Komplex, Opsonierung über C3b-Rezeptoren von Fresszellen, Aktivierung von Zellen und Entzündungsauslösung durch die Anaphylatoxine C3a, C4a und C5a.

Der alternative Weg der Komplementaktivierung
Unabhängig von Antigen-Antikörper-Komplexen können die Oberflächen von Mikroorganismen die Spaltung von C3 zu C3b fördern (Abb. 26.34).
  • Durch kontinuierliche spontane Spaltung geringer Mengen von C3 im Plasma wird die im größeren C3b-Fragment verbleibende interne Thioesterbindung freigelegt. Diese wird rasch durch Hydrolyse gespalten, oder sie geht, wie für den klassischen Weg beschrieben, Amid- und Esterbindungen mit Makromolekülen auf der Oberfläche von Zellen (z.B. Bakterien) ein.

  • Das gebundene C3b rekrutiert das Plasmaprotein Faktor B, gefolgt von dessen Spaltung durch die Plasma-Serinprotease Faktor D. Das kleinere Ba-Fragment geht in Lösung. Zurück bleibt ein Komplex aus C3b und Bb, der als C3-Konvertase des alternativen Weges fungiert und nun in großem Umfang weitere C3-Moleküle spaltet.

  • Die zellgebundenen C3b-Moleküle fungieren als Opsonine, d.h. sie markieren die beladenen Zellen für die Aufnahme durch Fresszellen über C3b-Rezeptoren.

  • Einfügen eines weiteren C3b-Fragments in den C3bBb-Komplex macht diesen zur C5-Konvertase des alternativen Weges. Die Endstrecke des zytolytischen Weges zur Bildung des Membran-angreifenden Komplexes verläuft dann wie im klassischen Weg.

  • Die bei der Komplementaktivierung auf dem klassischen Weg außerhalb der C3-Konvertase C4b2b deponierten C3b-Moleküle können mithilfe von Faktor B und Faktor D ebenfalls zur Amplifikation der Komplementaktivierung führen.

Schon gewusst

Der klassische Weg der Komplementaktivierung wird so genannt, weil er zuerst aufgeklärt wurde; er ist aber der evolutionär jüngere, denn Komplement entstand in der Evolution weit vor den Antikörpern. Der Begriff Komplement wurde in den frühen Jahren der Serologie geprägt. Er beschreibt die Fähigkeit von frischem Blutplasma, die zytolytische Funktion von antikörperhaltigen Seren (Antiseren), die auf 56 C oder höher erhitzt worden waren, gegenüber Bakterien wiederherzustellen. Es komplementiert die Aktivität der Antikörper in der Zytolyse.

Komplementaktivierung über den Lektinweg
Während der akuten Phase einer Infektion werden verschiedene antibakterielle und proinflammatorische Proteine gebildet. Zu diesen humoralen Faktoren des angeborenen Immunsystems gehören auch Mannose-bindende Proteine, die mikrobielle Oberflächen erkennen und dort – analog zu antikörperaktiviertem C1 im klassischen Weg – die Komplementkaskade auslösen.

Klinik

Anaphylatoxine und anaphylaktischer Schock. Bei der Spaltung von Komplementkomponenten werden die größeren Fragmente an die Zellmembran gebunden, während die kleineren in Lösung bleiben. Die kleinen Bruchstücke C4a, C3a und C5a fördern die Permeabilität der Blutkapillaren, bewirken die Kontraktion der glatten Muskulatur und führen zur Thrombozytenaggregation und damit zu Gefäßverschlüssen. Eine massive systemische Komplementaktivierung kann deshalb zu einem anaphylaktischen Schock (Bronchospasmus, Kreislaufkollaps) führen.

MERKE

Der alternative Weg der Komplementaktivierung (ausgelöst durch mikrobielle Oberflächen) konvergiert mit dem klassischen Weg und dem Lektinweg (ausgelöst durch Mannose-bindender Proteine) bei der Bindung von C3b an die Oberfläche der angegriffenen Zelle.

Zellvermittelte Zytotoxizität

Zytotoxische T-Lymphozyten (CTL)
Erkennung der Zielzelle
Aktivierte CD8-T-Zellen differenzieren zu zytotoxischen Effektorzellen (cytotoxic T-lymphocytes, CTL). Ihr Killerprogramm wird durch die Erkennung HLA-Klasse-I-präsentierter antigener Peptide aktiviert (Abb. 26.35a). Da mit wenigen Ausnahmen alle Köperzellen HLA-Klasse I exprimieren, sind die meisten Körperzellen potenzielle Zielzellen für einen zytotoxischen Angriff. Somit können die zytotoxischen T-Lymphozyten ihre Funktion erfüllen, virusinfizierte Zellen und Tumorzellen zu zerstören.
Zerstörung der Zielzelle
Ein Mechanismus, über den CTL antigentragende Zielzellen zerstören können, ist die Bindung des CD95-Liganden (CD95L) der CTL an den der TNFR-Familie zugehörigen Todesrezeptor CD95 der Zielzelle. Dadurch werden CD95 oligomerisiert und das Selbstmordprogramm der Apoptose ausgelöst (Abb. 26.35b und 26.36). Zunächst lagert sich das Adapterprotein FADD (für Fas[ CD95]-associated death domain) an die oligomerisierten zytoplasmatischen Todesdomänen der CD95-Moleküle an, gefolgt von der Bindung und autokatalytischen Spaltung von Caspase-8. Caspasen sind Cystein-Proteasen mit Aspartatspezifität, die im Sinne einer Kaskade sequenziell aktiviert werden (Kap. 23.3.2). Letztlich aktivieren Effektorkaskaden (Caspase-3 und Caspase-6) Enzyme, u.a. Nucleasen, die den Abbau der DNA und die Zerstörung des Zellkerns bewirken.
Die aktivierte Killerzelle besitzt zytotoxische Granula, die Perforine und Granzyme (Serin-Proteasen) enthalten. Erkennt der T-Zell-Rezeptor (TCR) einer aktivierten Killerzelle den passenden HLA/Peptid-Komplex auf einer Zielzelle, fusionieren die Granula in der Kontaktzone zwischen Killer- und Zielzelle mit der Zellmembran und entleeren ihren Inhalt. Perforin ist ein der Komplementkomponente C9 verwandtes Molekül, das die Membran der Zielzellen schädigt. Die Granzyme gelangen in das Zytoplasma der Zielzelle und initiieren dort den apoptotischen Zelltod. Die genauen Mechanismen sind nur teilweise bekannt, jedoch ist keine effiziente Lyse der Zielzelle ohne Granzyme und Perforin möglich.
CTL greifen intrazelluläre Erreger und Tumorzellen auch durch Produktion des Zytokins IFN- an. Neben dem antiviralen Effekt ist dieses Zytokin in der Lage, die Expression von HLA-Molekülen zu verstärken, was wiederum zur verbesserten Erkennung durch T-Zellen führt.
Natürliche Killerzellen (NK-Zellen)
Erkennung der Zielzelle
Die Aktivierung ihrer Effektorfunktion erfolgt auf zwei Wegen: Missing self und antikörperabhängige zellvermittelte Zytotoxizität (Abb. 26.35a).
NK-Zellen exprimieren keimbahnkodierte Rezeptoren, die im Zell-Zell-Kontakt agieren. Aktivierende Rezeptoren erkennen bestimmte Stressproteine, die z.B. Tumorzellen für die Eliminierung durch NK-Zellen markieren. Inhibitorische Rezeptoren hingegen erkennen HLA-Klasse-I-Moleküle. Da manche Viren durch Unterdückung der HLA-Klasse-I-Expression in den infizierten Zellen die Immunüberwachung durch CTL verhindern, ist die NK-vermittelte Zytolyse von Zellen, denen der Selbstausweis in Form von HLA-Klasse I fehlt, ein wichtiger Back-up-Mechanismus, um diese Zellen doch zu eliminieren. Man spricht von Missing self.
Bei der antikörperabhängigen zellvermittelten Zytotoxizität (ADCC, antibody-dependent cellular cytotoxicity) binden NK-Zellen mit Fc-Rezeptoren an Antikörper, die mit Mikroorganismen oder Zellen komplexiert sind. Die Vernetzung der Fc-Rezeptoren aktiviert das lytische Programm über ITAM enthaltende Signaltransduktionsproteine (Kap. 26.8.1).
Zerstörung der Zielzelle
NK-Zellen töten Zielzellen mithilfe zytotoxischer Granula und vermitteln verschiedene immunaktivierende Effekte über IFN-.

MERKE

Die Eliminierung von Zielen des Immunsystems erfolgt durch verschiedene Mechanismen. Antikörper können Erreger neutralisieren oder mithilfe der konstanten Domänen Effektormechanismen aktivieren: lytische, aktivierende und opsonisierende Funktionen des Komplementsystems, die Fc-Rezeptor-vermittelte Zytotoxität von NK-Zellen (ADCC), die Fc-Rezeptor-vermittelte Opsonisierung und die Fc-Rezeptor-vermittelte Degranulation von Mastzellen. Zytotoxische Zellen (CD8-T-Zellen und NK-Zellen) können infizierte oder mutierte Körperzellen durch Freisetzung von Perforinen und Proteasen aus präformierten Granula sowie durch Bindung an membranständige Todesrezeptoren zerstören. Das Killerprogramm von zytotoxischen T-Zellen (CTL) wird durch Erkennung von HLA-Klasse-I-Peptid-Komplexen auf der Zielzelle ausgelöst, das der NK-Zellen über Antikörper (ADCC) oder das Fehlen von Liganden für inhibitorische Rezeptoren.

Störungen des Immunsystems

Überempfindlichkeitsreaktionen

Überempfindlichkeitsreaktionen oder Allergien (Tab. 26.8) treten auf, wenn Immunreaktionen über das Ziel der Eliminierung körperfremder Antigene hinausschießen und dabei den Organismus schädigen. Die Überreaktion richtet sich meist gegen eigentlich harmlose Antigene oder als chronische Immunreaktion gegen schwer zu eliminierende Erreger. Antigene, die Allergien auslösen, werden als Allergene bezeichnet.
Überempfindlichkeitsreaktion Typ I
Verbreitete Überempfindlichkeitsreaktionen vom Typ I sind die als Allergie bekannten Reaktionen der Atemwege (Heuschnupfen, Asthma) und die atopische Hautreizung. Sie werden durch Umweltantigene wie Pflanzenpollen, Hausstaub oder Bienengift ausgelöst. Voraussetzung für diese Allergie vom Soforttyp ist eine Sensibilisierungsphase, in der allergenspezifische IgE-Antikörper gebildet werden. Es handelt sich dabei um eine durch TH2-Helferzellen über die Zytokine IL-4 und IL-13 gesteuerte B-Zell-Antwort (Kap. 26.8.3). Die in der Sensibilisierungsphase gebildeten IgE-Antikörper binden an die Fc-Rezeptoren der Mastzellen, wo sie bei erneuter Antigenexposition (z.B. zweiter Bienenstich) die Degranulation der Mastzellen auslösen.
Überempfindlichkeitsreaktion Typ II
Wichtige Überempfindlichkeitsreaktionen vom Typ II sind die Transfusionsreaktionen durch präformierte Antikörper des Empfängers gegen Blutgruppenantigene des Spenders. Im Fall des AB0-Systems liegen natürliche, wahrscheinlich gegen mikrobielle Antigene gebildete IgM-Antikörper vor, die mit den Kohlenhydratdeterminanten der A- und B-Blutgruppen-Antigene kreuzreagieren. Antikörper gegen die Blutgruppenantigene des Rhesustyps werden durch peripartale Immunisierung von rhesus-negativen Müttern mit Blutzellen eines Rhesus-positiven Kindes induziert. Die gebildeten IgG-Antikörper können bei einer Zweitschwangerschaft durch plazentalen Transfer eine hämolytische Anämie auslösen.
Überempfindlichkeitsreaktion Typ III
Diese Reaktionen werden bei chronischer Antigenexposition und der daraus folgenden Ablagerung von Immunkomplexen in den Blutkapillaren und den Glomeruli der Nieren sowie in der Lunge, den Gelenken und der Haut beobachtet. Sie spielen bei chronischen Infektionen, z.B. mit Mykobakterien (Lepra) und Plasmodien (Malaria), bei chronischer Antigeninhalation, z.B. Einatmen von Schimmelpilzsporen in der Landwirtschaft, sowie bei Autoimmunerkrankungen wie dem systemischen Lupus erythematodes (SLE) eine Rolle – also immer dann, wenn chronische Antikörperreaktionen gegen große Antigenmengen ablaufen.
Überempfindlichkeitsreaktion Typ IV
Diese auch als Überempfindlichkeitsreaktion vom verzögerten Typ bezeichnete Reaktion wird vorwiegend von CD4-T-Zellen des entzündungsfördernden TH1-Typs vermittelt (Kap. 26.8.3). Die Überreaktion ist die Folge einer Gedächtnisbildung durch vorhergehende Antigenexposition. Dennoch kommt es bei erneutem Kontakt zu einer Verzögerung der allergischen Reaktion durch die Notwendigkeit des Antigentransports in die drainierenden Lymphknoten, die Aktivierung und Vermehrung der TH1-Zellen, deren Migration zum Eintrittsort des Antigens sowie das Anlocken und die Aktivierung von Makrophagen und Granulozyten als Effektoren der Entzündungsreaktion.
Beispiele sind die Kontaktallergien gegen Metalle (z.B. Nickel) und gegen Chemikalien, die HLA-Peptid-Komplexe modifizieren und damit zu Antigenen machen. Auch die diagnostisch verwendete Injektion von Mycobacterium-tuberculosis-Antigenen in die Dermis (Tuberkulinreaktion) ist eine lokale, durch CD4-TH1-Zellen ausgelöste Entzündung und damit eine Typ-IV-Reaktion. Der entscheidende Entzündungsmediator der TH1-Zellen ist IFN-. CD8-T-Zellen können ebenfalls zur Typ-IV-Reaktion beitragen.

MERKE

Die Überempfindlichkeitsreaktion vom Soforttyp (Typ I) wird durch IgE-beladene Mastzellen vermittelt. Auch Typ-II- (weitere Fc-vermittelte Effektorfunktionen) und Typ-III-Reaktionen (chronische Immunkomplexerkrankungen) hängen von Antikörpern ab, während die verzögerte Typ-IV-Reaktion T-Zell-vermittelt ist.

Autoimmunreaktionen

Autoimmunität ist die Manifestation unvollständig etablierter oder durchbrochener Selbsttoleranz (Kap. 26.7). In den meisten Fällen ist die Entstehung der autoaggressiven Immunreaktion unverstanden. Bei einigen organspezifischen Autoimmunerkrankungen gibt es jedoch Hinweise, dass gewebespezifische Antigene, die normalerweise vom Immunsystem ignoriert werden, durch ein Infektionsgeschehen freigesetzt und von professionellen antigenpräsentierenden Zellen der Erkennung durch T-Lymphozyten zugänglich gemacht werden (Kap. 26.1.2 und 26.8.2).
Zu den systemischen Autoimmunerkrankungen gehören der systemische Lupus erythematodes (SLE) oder die rheumatoide Arthritis. Organspezifische Autoimmunerkrankungen sind Typ-1-Diabetes, Myasthenia gravis oder die perniziöse Anämie.

Klinik

Beim Typ-1-Diabetes werden die insulinproduzierenden -Zellen der Langerhans-Inselzellen des Pankreas vom adaptiven Immunsystem angegriffen. Während in Tiermodellen (Maus, Ratte) sowohl die Zielantigene als auch die beteiligten Komponenten des Immunsystems (v.a. proinflammatorische und zytotoxische T-Zellen) bekannt sind, ist das Verständnis der Pathogenese beim Menschen weniger weit gediehen. Allerdings steht auch hier die autoimmune Pathogenese außer Zweifel; die positiven und negativen Assoziationen mit bestimmten HLA-Klasse-II-Allelen zeigen die Beteiligung von CD4-T-Zellen an.

Immundefekte

Eine Immunschwächekrankheit tritt dann auf, wenn eine oder mehrere Komponenten des Immunsystems defekt sind. Das kann zum einen darauf beruhen, dass die Gene, die für diese Komponenten kodieren, durch Mutation funktionell verändert oder inaktiviert sind (erbliche Immunschwäche). Andererseits kann es auch nach Infektion mit einem Erreger zu einer transienten oder progredienten erworbenen Immunschwäche kommen.
Erbliche Immunschwäche
Beruht eine erbliche Immunschwächekrankheit auf einer Mutation in einem für das Immunsystem essenziellen Gen, manifestiert sich die Krankheit meist bereits im Kleinkindalter. Die meisten dieser massiven Gendefekte werden rezessiv vererbt, da die adaptive Immunität für das Überleben in einer mit Mikroorganismen befrachteten Umwelt unverzichtbar ist. Die meisten bekannten schweren genetischen Defekte des Immunsystems werden auf dem X-Chromosom vererbt: Die männlichen Nachkommen von heterozygoten und damit gesunden Müttern erkranken, wenn sie das betroffene X-Chromosom tragen.
Ein bekanntes Beispiel ist der X-chromosomal vererbte schwere kombinierte Immundefekt (X-SCID; severe combined immunodeficiency). Das hier betroffene Gen kodiert für eine Untereinheit von Zytokinrezeptoren der gemeinsamen -Kette (c) der IL-2-Rezeptor-Familie (Kap. 26.8.3), die für die Entwicklung und Funktion der T-Lymphozyten essenziell sind. Durch den Verlust der T-Zell-Funktion fallen sowohl die zellvermittelte als auch die von der T-Zell-Hilfe abhängige humorale Immunreaktion aus. Eine autosomal-rezessiv vererbte Ursache für SCID ist der Ausfall der RAG-Proteine, die an der Umlagerung der TCR und der Antikörpergene beteiligt sind (Kap. 26.4.1).
Neben solchen massiven Immundefekten gibt es den Formenkreis der variablen Immundefekte (CVID, common variable immunodeficiencies). Sie sind auf Mutationen in verschiedenen Genen zurückzuführen, die für die Feinabstimmung von Immunreaktionen wie den Immunglobulin-Klassenwechsel eine Rolle spielen. Anhand der Defekte erhält man meist bereits Hinweise darauf, welcher Teil des Immunsystems durch den Gendefekt betroffen ist (Abb. 26.37).
Erworbene Immunschwäche
Ein wichtiges Beispiel für eine transiente erworbene Immunschwäche ist die Immunsuppression, die im Verlauf einer Masernvirusinfektion auftritt und einige Wochen anhält. Bekanntestes Beispiel für eine progrediente erworbene Immunschwäche nach Infektion ist die durch HIV (humanes Immunschwächevirus) ausgelöste Immunschwäche, die zur AIDS-Erkrankung führt.

Klinik

AIDS Die Immunschwächeerkrankung AIDS (acquired immunodeficiency syndrome, Praxisfall) wird durch eine Infektion mit den Lentiviren HIV-1 und HIV-2 ausgelöst. Bei der Infektion bindet ein Glykoprotein der Virushülle an das CD4-Molekül, sodass bevorzugt die CD4-tragenden T-Helferlymphozyten infiziert und zerstört werden. Da die CD4-T-Helferzellen sämtliche adaptiven Immunreaktionen regulieren, sind die Patienten im fortgeschrittenen Stadium der Infektion (Progression zu AIDS) nicht mehr in der Lage, sich gegen allgegenwärtige, ansonsten meist harmlose Erreger zu wehren. Diese sog. opportunistischen Infektionen sind dann letztlich die häufigsten Todesursachen bei AIDS-Patienten.

MERKE

Erbliche Immunschwächekrankheiten sind auf Mutationen in Genen zurückzuführen, die für wichtige Komponenten des Immunsystems kodieren. Wegen der großen Bedeutung des Immunsystems für unser Überleben werden schwere Immundefekte meist X-chromosomal vererbt und nur bei männlichen Nachkommen apparent. Eine erworbene Immunschwäche kann im Verlauf von Virusinfektionen auftreten. Bekanntestes Beispiel ist das durch das HI-Virus hervorgerufene Acquired immunodeficiency syndrome (AIDS).

Immunologische Methoden und Labortests

Polyklonale und monoklonale Antikörper

Antikörper eignen sich wegen ihrer hohen Spezifität und Stabilität hervorragend zum Nachweis von Immunreaktionen und von Krankheitserregern. Antigen-Antikörper-Reaktionen können zum Nachweis eines der beiden Bindungspartner verwendet werden, wenn der andere in definierter Form vorliegt.
So wird beim serologischen Nachweis der Immunreaktion eines Patienten gegen ein virales Antigen die Bindung seiner Antikörper an ein angereichertes oder gereinigtes Viruspräparat getestet. Umgekehrt kann der serologische Nachweis eines Erregers geführt werden, wenn definierte, erregerspezifische Antikörper zur Verfügung stehen.
Gewinnung von polyklonalen Antikörpern
Antikörper mit Spezifität für ein definiertes Antigen können durch wiederholte Immunisierung von Tieren mit dem gereinigten Antigen, mit natürlichen oder synthetischen Fragmenten (meist Peptiden, gebunden an immunogene Trägermoleküle Kap. 26.2.2) des Antigens oder auch durch Injektion rekombinanter Expressionsplasmide induziert werden, die die Expression des interessierenden Proteinantigens im Wirt bewirken. Proteine und Peptide werden gemeinsam mit Adjuvanzien appliziert, die die Mustererkennungsrezeptoren (PRR) des angeborenen Immunsystems stimulieren (Kap. 26.2.1) und dadurch die Immunantwort verstärken. Die Seren der immunisierten Tiere werden als Antiseren bezeichnet. Da die darin enthaltenen Antikörper von vielen verschiedenen B-Zell-Klonen produziert wurden, werden sie als polyklonale Antikörper bezeichnet.
Gewinnung von monoklonalen Antikörpern
Monoklonale Antikörper stellen wegen ihrer unbeschränkten Verfügbarkeit und gleichbleibenden Spezifität einen entscheidenden technischen Fortschritt in der antikörperbasierten Analytik dar. Sie werden in Zellkulturen, meist in optimierten Bioreaktoren, aus den entsprechenden B-Zell-Hybridomen (Kap. 26.4.5) gewonnen.
Reinigung von Antikörpern
Fast immer handelt es sich bei Antikörpern für analytische, diagnostische oder therapeutische Zwecke um Antikörper der Klasse IgG. Die Reinigung der IgG-Fraktion aus einem Serum oder von monoklonalen Antikörpern aus dem Kulturmedium erfolgt meist durch Bindung an Protein-A- oder Protein-G-Säulen. Diese ursprünglich aus Staphylokokken stammenden Proteine binden Fc-Stücke und erlauben so eine Bindung und nachfolgende Elution (Auswaschen) der Antikörper.
Im Gegensatz zu monoklonalen Antikörpern, bei denen jeder Antikörper eines B-Zell-Hybridoms identisch und damit von gleicher Spezifität ist, enthalten Antiseren aus immunisierten Tieren neben den gewünschten Antikörpern einen Überschuss an unspezifischen (eigentlich andersspezifischen) Immunglobulinen. Durch Bindung der gesuchten Antikörper an eine Matrix, an die das Antigen kovalent gekoppelt ist, Wegwaschen der unspezifischen Immunglobuline und Elution der gebundenen Antikörper bei niedrigem pH kann ein monospezifisches, affinitätsgereinigtes Antikörperpräparat gewonnen werden. Es enthält des Weiteren eine Vielzahl verschiedener Antikörper, die zwar alle an das eingesetzte Antigen binden, jedoch unerwartete, von Präparation zu Präparation unterschiedliche Kreuzreaktivitäten mit anderen Antigenen zeigen können.

Immunpräzipitation

Da jeder Antikörper mindestens zwei Antigenbindungsstellen hat und Antigene meist ebenfalls mehrere Bindungsstellen für Antikörper (Epitope) tragen, kommt es bei einem geeigneten Mischungsverhältnis von Antigen und Antikörpern zur Bildung großer unlöslicher Komplexe. Diese Immunpräzipitation ist die Grundlage zahlreicher klassischer serologischer Nachweisverfahren.
Beim Immundiffusionstest werden unlösliche Antigen-Antikörper-Komplexe als Präzipitate in einem Weichagar sichtbar. Je nach Anwendungszweck diffundieren dabei Antigen und Antikörper aus in den Agar gestanzten Löchern aufeinander zu, oder eine Komponente wird in den Agar eingegossen, in den dann die zweite hineindiffundiert. Die bis zur sichtbaren Präzipitation zurückgelegte Strecke korreliert mit der Menge des diffundierenden Antigens bzw. Antikörpers.

ELISA und RIA

Die oben beschriebenen Nachweisverfahren setzen die Verfügbarkeit großer Mengen gereinigter Antigene und eine starke Antikörperantwort des Patienten voraus. Sie wurden deshalb weitgehend durch die empfindlicheren und für großen Probendurchsatz geeigneten Methoden ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay) und RIA (Radioimmunoassay) ersetzt. Diese sind für den Nachweis sowohl von Antigenen als auch von Antikörpern geeignet. Einer der Reaktionspartner, also das Antigen oder der Antikörper, wird dazu an eine Plastikoberfläche gebunden. Dann wird die Lösung mit dem nachzuweisenden anderen Reaktionspartner zugegeben. Nach Erreichen des Gleichgewichts der Antigen-Antikörper-Reaktion werden die Plastikoberflächen gewaschen und der gebundene Antikörper bzw. das gebundene Antigen mit verschiedenen Verfahren quantifiziert. Durch RIA und ELISA können alle Substanzen, gegen die Antikörper zur Verfügung stehen, zuverlässig quantifiziert werden, z.B. auch Peptid- und Steroidhormone.
ELISA und Sandwich-ELISA
ELISA
Diese Methode wird häufig für den Nachweis von Antikörpern in Patientenseren verwendet. Die Seren werden dazu in antigenbeschichtete Plastikreagenzgefäße gegeben. Sind spezifische Antikörper vorhanden, binden sie und können in einem zweiten Schritt mithilfe eines enzymgekoppelten Reagens nachgewiesen werden: Dies ist meist ein Sekundärantikörper, also ein Antikörper, der das bereits gebundene menschliche Immunglobulin als Antigen erkennt (z.B. Kaninchen-Antikörper gegen menschliches Immunglobulin). Das an den Sekundärantikörper gebundene Enzym (alkalische Phosphatase oder Meerrettich-Peroxidase) setzt in einem dritten Schritt ein zugegebenes farbloses Substrat (Chromogen) in ein kolorimetrisch messbares Produkt um (Abb. 26.38).
Sandwich-ELISA
Der ELISA ist auch ein hochempfindliches Nachweisverfahren für Antigene. Hier werden meist zwei monoklonale Antikörper eingesetzt, die verschiedene Epitope eines Antigens (z.B. eines Zytokins oder eines Serumproteins) erkennen. Mit dem ersten Antikörper wird die Plastikoberfläche beschichtet. Er fängt im nächsten Schritt das Antigen aus der wässrigen Lösung ein, das dann durch einen zweiten, enzymgekoppelten
Antikörper nachgewiesen wird. Man spricht von einem Sandwich-ELISA.
Kompetitiver RIA
Beim RIA wird Antigen von plastikgebundenen Antikörpern eingefangen. Die Menge an Antigen, z.B. eines Hormons, kann dadurch bestimmt werden, dass man die unbekannte Probe mit einer bekannten Menge des radioaktiv markierten Antigens mischt und die Antigene um die Bindung an die immobilisierten, im Unterschuss vorliegenden Antikörper konkurrieren lässt. Je mehr freie Radioaktivität in diesem kompetitiven RIA im Überstand nachgewiesen werden kann, umso größer war die Menge nichtmarkierten Antigens in der untersuchten Probe, das die radioaktiv markierten Antigene bei der Bindung an die Antikörper verdrängt hat. Bei entsprechender Kalibrierung kann also aus einer bestimmten Menge der im Überstand leicht messbaren, nichtantikörpergebundenen Radioaktivität die Menge des in der Probe vorhandenen Antigens errechnet werden.

Western-Blot

Auch im Western-Blot oder Immunoblot (Abb. 26.39) werden Antigen-Antikörper-Reaktionen sichtbar gemacht. Er gibt jedoch zusätzlich Auskunft über die Molekülmasse der von den Antikörpern erkannten Antigene. In der Diagnostik erlaubt der Western-Blot deshalb eine Aussage darüber, gegen welche Strukturproteine eines Erregers bzw. gegen welche Autoantigene einer menschlichen Zelle ein Patient Antikörper gebildet hat.
Ein bekanntes Antigen oder Antigengemisch (z.B. ein Viruspräparat) wird zunächst durch SDS-Polyacrylamidgel-Elektrophorese (SDS-PAGE) nach der Größe aufgetrennt. Die Proteine werden aus dem Gel auf eine Filtermembran transferiert, die dann mit dem Patientenserum inkubiert wird. Gebundene Antikörper werden – wie beim ELISA – durch einen enzymgekoppelten Zweitantikörper mithilfe der Umsetzung eines Substrats in ein sichtbares Produkt nachgewiesen. Die Molekülmassen der detektierten Proteinbanden erlauben die Zuordnung der Antikörper des Patienten zu vermuteten Antigenen.
Stehen Antikörper bekannter Spezifität zur Verfügung, kann die Methode des Western-Blots umgekehrt auch für den Nachweis von Proteinen verwendet werden. Diese Methode hat v.a. in der biomedizinischen Forschung vielfältige Anwendung gefunden. Sie erlaubt den empfindlichen, hochspezifischen und technisch einfachen Nachweis eines Proteins selbst in einem komplexen Gemisch, z.B. einem aus Tausenden verschiedenen Proteinen zusammengesetzten Zelllysat.
Die hier und in anderen Tests zum Nachweis von Antigenen benötigten spezifischen Antikörper sind heute meist monoklonale Antikörper (Kap. 26.4.5), die aus einer Hybridomzelllinie in reproduzierbarer Qualität und unbeschränkter Menge gewonnen werden können.

Immunfluoreszenz und Immunhistologie

Prinzip der Immunfluoreszenz
Antigene im Gewebe sowie auf und in Einzelzellen können mit Antikörpern sichtbar gemacht werden. Man unterscheidet die direkte und die indirekte Immunfluoreszenz. Während bei der direkten Methode ein mit fluoreszierendem Farbstoff gekoppelter Antikörper direkt an das Antigen bindet, werden bei der indirekten Methode in einem ersten Schritt ein spezifischer Antikörper (Primärantikörper) an das Antigen gebunden und in einem zweiten Schritt ein gegen den Primärantikörper gerichteter, fluoreszenzmarkierter Sekundärantikörper zugegeben (z.B. Primärantikörper humanes IgG; Sekundärantikörper antihumaner IgG-Antikörper aus Kaninchen). Durch die Verwendung verschiedenfarbig fluoreszierender Farbstoffe können sogar mehrere Antigene im gleichen Präparat untersucht werden. Auch hier werden inzwischen vorwiegend monoklonale Antikörper anstelle der klassischen polyklonalen Antiseren eingesetzt.
Leukozytendifferentialanalyse
Besondere Bedeutung in der klinischen Routine hat die Charakterisierung von Leukozytensubpopulationen (Leukozytendifferentialanalyse) durch deren Reaktivität mit monoklonalen Antikörpern gegen CD-Antigene (Kap. 26.1.2); die Auswertung erfolgt dabei nicht mikroskopisch, sondern mittels Durchflusszytophotometrie. So werden z.B. die oft krankheitstypisch veränderten Verhältnisse von CD4- zu CD8-T-Lymphozyten bestimmt (Abb. 26.40).
Immunhistologie
Zum Nachweis von Autoantikörpern werden Patientenseren mit Gewebeschnitten bzw. fixierten Zellen inkubiert. Gebundene Autoantikörper werden mithilfe fluoreszenzmarkierter Sekundärantikörper für die Auswertung im Fluoreszenzmikroskop sichtbar gemacht. Alternativ werden enzymmarkierte Primär- oder Sekundärantikörper verwendet, die die Bildung farbiger, unlöslicher Präzipitate aus löslichen chromogenen Substraten katalysieren.
Die Immunhistologie ist wie der Western-Blot eine wichtige und aussagekräftige Methode der Zellbiologie und Biochemie. Insbesondere bei Verwendung fluoreszierender Antikörper ermöglicht sie z.B., die Lokalisation von Rezeptorproteinen oder Transkriptionsfaktoren in einzelnen Zellen in Abhängigkeit vom Aktivierungszustand zu verfolgen. Dabei werden Auflösung und Bildqualität durch moderne Verfahren, wie die Verwendung von Lasern als Lichtquelle in Verbindung mit konfokaler Mikroskopie und digitaler Bildverarbeitung, ständig verbessert.

Zusammenfassung

Angeborene und adaptive Immunität

Das Immunsystem ist gegen mikrobielle Erreger und genetisch veränderte körpereigene Zellen gerichtet. Ein Teil der Immunität ist von Geburt an vorhanden und besteht zeitlebens (angeborene Immunität), ein anderer Teil wird erst im Laufe des Lebens durch die Auseinandersetzung mit Antigenen erworben (adaptive Immunität).
Mustererkennungsrezeptoren für die angeborene Immunität wie die Toll-ähnlichen Rezeptoren (TLR) erfassen ganze Klassen oder Gruppen von Erregern. B- und T-Lymphozyten gehören zum adaptiven Immunsystem. B-Lymphozyten produzieren nach ihrer Differenzierung zu Plasmazellen Antikörper. Die zellvermittelte adaptive Immunantwort wird von T-Lymphozyten getragen, die im direkten Zell-Zell-Kontakt infizierte Zellen spezifisch erkennen und zerstören.

Struktur der BCR, Antikörper und TCR

B-Zell-Antigen-Rezeptoren (BCR) und Antikörper haben eine Y-förmige Grundstruktur aus zwei identischen schweren (H) und zwei identischen leichten (L) Ketten mit variablen Domänen für die Antigenbindung an den Händen und antikörperklassenspezifischen konstanten Domänen für die Rekrutierung von Effektorfunktionen im Stiel. Antigenrezeptoren der T-Zellen (TCR) sind stets membranständig.
Sie bestehen aus zwei Ketten ( und ) mit nur einer Antigenbindungsdomäne, mit der sie Peptidantigene erkennen, die an der Oberfläche von Körperzellen durch HLA-Moleküle präsentiert werden.

Klonselektion und Gedächtnis

Ein Antigen regt meist nur eine geringe Zahl von Lymphozyten jeweils mit passenden Rezeptoren zur Vermehrung an (Selektion), und diese bekämpfen den Erreger. Ein Teil der Zellen bleibt als Gedächtniszellen für eine beschleunigte und verstärkte Reaktion bei einer Zweitinfektion mit demselben Erreger erhalten.

Rezeptorvielfalt des adaptiven Immunsystems

Die hohe Spezifität des adaptiven Immunsystems beruht auf der immensen Zahl von Immunzellen mit unterschiedlichen Rezeptoren (BCR oder TCR). Diese entsteht durch das unterschiedliche Zusammenfügen von Gensegmenten (V, [D], J), die die variablen Domänen der Antigenrezeptoren kodieren. An dieser Genumlagerung oder Rearrangement genannten somatischen Rekombination sind neben ubiquitären DNA-Reparaturenzymen die nur in unreifen Lymphozyten exprimierten RAG-1- und RAG-2-Proteine beteiligt.
Nonamer/Heptamer-Erkennungssequenzen markieren die Grenzen der Gensegmente, an denen die DNA geschnitten wird. Zusätzliche Variabilität entsteht durch das Verschließen der DNA-Enden zu Haarnadelstrukturen mit versetztem Aufschneiden, was zu palindromischen Nucleotiden (P-Nucleotide) führt, sowie durch das Einfügen von N-Nucleotiden durch das matrizenunabhängige Enzym TdT vor der Verknüpfung der Gensegmente.

Antikörperproduktion, Klassenwechsel und Affinitätsreifung

Durch alternatives Spleißen der für die H-Kette kodierenden mRNA wird entweder ein membranständiges Immunglobulin (mit Transmembrandomäne) oder ein sezernierter Antikörper produziert. Während der klonalen Vermehrung einer aktivierten B-Zelle kann unter Beibehaltung der V-Domäne (und damit der Spezifität) die Antikörperklasse (der Isotyp) durch eine weitere Genumlagerung gewechselt werden. Dabei wird der Genabschnitt der V-Domäne vor eine neue Gruppe stromabwärts gelegener Exons gebracht, die für einen anderen Isotyp kodieren. Die zwischen den isotypspezifischen Switch-Erkennungssequenzen liegenden DNA-Abschnitte gehen dabei verloren. Der Prozess wird durch CD4-T-Zellen gesteuert.Im Laufe einer Immunantwort werden aufgrund somatischer Hypermutationen in den Genabschnitten der V-Domänen höher affine Antikörper produziert. Dabei selektioniert das knapp werdende Antigen B-Zell-Klone, die höher affine BCR und damit Antikörper produzieren.

Monoklonale Antikörper

Durch somatische Zellfusion von antikörperproduzierenden B-Zellen mit Plasmazelltumoren (Myelomen) werden monoklonale Zelllinien gewonnen, die unbegrenzte Mengen eines Antikörpers definierter Spezifität produzieren.

HLA-Moleküle

HLA-Klasse-I-Moleküle bestehen aus einer im HLA-Komplex kodierten -Kette und 2-Mikroglobulin. Sie werden im endoplasmatischen Retikulum (ER) mit acht bis zehn Aminosäuren langen Peptiden beladen, die durch proteasomalen Abbau zelleigener Proteine gewonnen und mit TAP-Transportern in das ER gepumpt werden. HLA-Klasse-II-Moleküle bestehen aus zwei etwa gleich großen, HLA-kodierten - und -Ketten. Sie werden in spezialisierten Endosomen mit ca. 13 Aminosäuren großen Peptiden beladen, die durch lysoso-malen Verdau von in die Zelle aufgenommenen Proteinen entstehen.Der Polymorphismus der HLA-Gene stellt viele allele Formen der Klasse-I- und Klasse-II-Moleküle zur Verfügung. Diese können unterschiedliche, durch bestimmte Aminosäuren in Ankerpositionen definierte Gruppen von Peptiden binden.

Toleranz

Nach dem zufälligen Zusammenfügen der Rezeptoren werden autoreaktive Lymphozyten durch negative Selektion (klonale Deletion) zerstört. Zusätzlich können T-Lymphozyten funktionell stillgelegt werden. Schließlich unterdrücken regulatorische T-Zellen autoimmune und überschießende Immunreaktionen. Das Ergebnis ist die beim gesunden Menschen vorliegende Toleranz des Immunsystems gegenüber körpereigenen Antigenen.

CD4- und CD8-T-Zellen

CD4-T-Zellen regulieren als Helfer- und Suppressorzellen (regulatorische T-Zellen) die Immunantwort. Sie erkennen Peptide, die in die antigenpräsentierende Zelle aufgenommen und durch HLA-Klasse-II-Moleküle präsentiert werden. CD8-T-Zellen werden nach Aktivierung zu zytotoxischen T-Zellen (T-Killerzellen). Sie erkennen Peptide, die aus dem Proteinumsatz der Zelle selbst stammen und durch HLA-Klasse-I-Moleküle präsentiert werden.

Signaltransduktion durch BCR und TCR

Beide benötigen Hilfsmoleküle (Ig/ beim BCR, CD3 und beim TCR) mit ITAM-Motiven, an die nach Phosphorylierung durch Src-Kinasen Kinasen der Syk-Familie andocken. Die Signalweiterleitung erfolgt durch Kinasen, GDP/GTP-Austauschfaktoren, Phospholipasen, Phosphatasen und Adapterproteine. Dies mündet in der Translokation aktivierter Transkriptionsfaktoren wie NFAT, NF-B und AP-1 in den Zellkern, wo sie die Transkription von Genen für Wachstum und Differenzierung der Lymphozytenklone steuern.

Zellkooperation

Die Kooperation verschiedener Zelltypen bei einer Immunreaktion erfolgt über Antigenrezeptoren, Zytokine und Zellinteraktionsmoleküle. Dendritische Zellen sind für die Aktivierung naiver, ruhender T-Zellen notwendig. Sie präsentieren Antigene und geben costimulatorische und Zytokinsignale. Letztere verlaufen meist über den JAK-STAT-Weg, der die Transkription bestimmter Gene steuert. Die aktivierte CD4-T-Zelle polarisiert sich funktionell zur proinflammatorischen TH1-Zelle oder antiinflammatorischen, die Antikörperproduktion fördernden TH2-Zelle. Es folgt die positive Regulation der zellvermittelten (CD8-Zellen, Makrophagen) bzw. humoralen Immunreaktion (T-B-Kooperation).

Effektormechanismen

Antikörper können über ihre klassenspezifischen konstanten Fc-Teile humorale und zelluläre Effektormechanismen rekrutieren. Zu den Ersteren gehört das Komplementsystem mit seinen zytotoxischen, zellaktivierenden und opsonisierenden Effekten. Effektorzellen werden über Ig-Klassen-spezifische Fc-Rezeptoren rekrutiert. So kann die Aufnahme von Erregern in Fresszellen gefördert, die Zerstörung antikörperbeladener Zielzellen durch NK-Zellen ausgelöst oder die Degranulation von Mastzellen verursacht werden. TH1-polarisierte CD4-T-Zellen aktivieren antimikrobielle Effektormechanismen in Fresszellen über proinflammatorische Zytokine. CD8-T-Zellen und NK-Zellen können infizierte und transformierte Körperzellen erkennen und zerstören (zellvermittelte Zytotoxizität).

Fragen

  • 1.

    T-Lymphozyten erkennen Antigene als Peptide, die von HLA-kodierten Antigenpräsentationsmolekülen vorgezeigt werden. Erklären Sie, warum es zwei Wege der Antigenprozessierung und -präsentation gibt. Denken Sie dabei an T-Zell-Funktionen, T-Zell-Phänotypen und den Blick des Immunsystems in die Zelle.

  • 2.

    Die humorale Immunantwort verändert sich mit der Zeit sowohl qualitativ als auch quantitativ. Erklären Sie die zugrunde liegenden Vorgänge. Denken Sie dabei an T-Zell-Hilfe, Affinitätsreifung, Klassenwechsel und Funktionen der Antikörperklassen.

  • 3.

    Die Zahl verschiedener Antikörper und T-Zell-Rezeptoren liegt mindestens 108-fach über der Zahl der in der Keimbahn vererbten Gene des Menschen. Erklären Sie die Mechanismen, die der Diversität des Lymphozytenrepertoires zugrunde liegen.

  • 4.

    Die HLA-Klasse-I- und -Klasse-II-Loci kodieren für die Gene mit dem höchsten bekannten Polymorphismus. Erklären Sie diesen Begriff und den Nutzen für die Immunabwehr. Denken Sie an HLA-Restriktion, Ankermotive und Polygenie.

  • 5.

    BCR und TCR bedienen sich bei der Signaltransduktion der Hilfe zusätzlicher Transmembranproteine mit intrazellulären ITAM-Motiven. Erklären Sie deren Aufgabe sowie die ersten Schritte der Signaltransduktion. Denken Sie dabei an Kinasen, Adapterproteine und GDP/GTP-Austauschfaktoren.

  • 6.

    Die Antigenpräsentationszellen des angeborenen Immunsystems leiten passende adaptive Immunantworten gegen die verschiedenen Erregerklassen ein. Erklären Sie die Grundlagen. Denken Sie dabei an molekulare Muster, Zytokine und die funktionelle Polarisierung der CD4-T-Zell-Antwort.

  • 7.

    Die gemeinsame Grundlage der Spezifität, des Gedächtnisses und der Selbst/Fremd-Unterscheidung des adaptiven Immunsystems ist die Klonselektion. Erklären Sie diese. Denken Sie dabei an Vielfalt von Antigenen und Rezeptoren, Effektor- und Gedächtniszellen sowie klonale Expansion/Kontraktion.

  • 8.

    Monoklonale Antikörper sind zu unverzichtbaren dianostischen und therapeutischen Reagenzien geworden. Erklären Sie ihre Herkunft, und geben Sie ein Beispiel für die diagnostische Anwendung.

030 IMPP-Fragen

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