Immunologie II
Chapter 9 - Cellular and Molecular Immunology,Abbas-Lichtman-Pillai 6th edition
Leslie SaurerInstitut für Pathologie(Prof. Christoph Müller)
Activation of T Lymphocytes
Uebersicht Kapitel 9
• Aktivierung CD4 T Zellen vs. Aktivierung von CD8 T Zellen
• Bedeutung von co-stimulatorischen Molekülen / Mechanismen:• CD28 - B7-1 / B-71
•(CD40L - CD40)
• Signaltransduktion durch den TCR Komplex
• Aktivierung von Protein-Tyrosin-Kinasen, Rekrutierung von Adapter-Proteinen, Bildung der immunologischen Synapse
• MAP Kinase vermittelte Signaltransduktion
• Calcium und PKC vermittelte Signaltransduktion
• Aktivierung von Transkriptionsfaktoren
• Inhibition der Signaltransduktion in T Zellen • Inhibitorische Rezeptoren, Protein-Tyrosin-Phosphatasen, Ubiquitin-Ligasen
Allgemeine Uebersicht über die T Zell Aktivierung
(siehe auch Kapitel 6)
CCR7-vermittelte Migration von naiven T Zellen und DC in Lymphknoten
DC: nehmen in der PeripherieAntigene auf; falls Antigenmikrobieller Art Reifung (B7 )
naive T Zellen: kontinuierlicheZirkulation durch sekundärelymphoide Organe
B7-CD28 Interaktion(Co-Stimulation / Signal 2)für Aktivierung vonnaiven T Zellen erforderlich
Allgemeine Uebersicht über die T Zell Aktivierung
Produktion vonZytokinen
Aktivierung vonEffektor-/MemoryT Zellen braucht inder Regel kein“Signal 2” mehr
IL-2 abhängige autokrine Proliferation / klonale Expansion
Allgemeine Uebersicht über die T Zell Aktivierung
Nach Eliminierung des Antigens durch Effektor T Zellen:
Kontraktion der Immunantwort!
klonale Expansion
Memory T Zellen
Effektor Funktionen
Programmierter Zelltod / Apoptose
(≥ 95%)
(Fehlen von Ueberlebensignalen)
(siehe Kapitel 11)
Aktivierung von (naiven) CD4 T Zellen
Signal 1Erkennung von MHC class II assozierten Antigenen, welche als lösliche Proteine durch professionelle APC (Dendritische Zellen) aufgenommen, prozessiert und präsentiert werden
Signal 2B7-CD28 vermittelte Co-Stimulation
• autokrine Proliferation / klonale Expansion (ca. 1000x)
• funktionelle Differenzierung: Zytokine (z.B. IL-4, IL-5, IL-6, IFN, IL-10, TGF,...,...,...)
Effektor-Moleküle (z.B. Perforin, Granzyme,...)
Autokrine Produktion von IL-2 (Signal 3)Expression von Hochaffinitätsrezeptoren für IL-2 (CD25 = IL-2R-Kette)
(IL-12 von APC)
Aktivierung von (naiven) CD8 T Zellen
Signal 1Erkennung von MHC class I assozierten Antigenen, welche von zytosolischen Proteinen abstammen
Signal 2
Aktivierung von naiven CD8 T Zellenerfordert Präsentation von Antigendurch professionelle APC
Co-stimulation:• B7-CD28• CD4 Hilfe: Zytokine oder CD40L-CD40 vermittelte Aktivierung von APC
Was, wenn professionelle APC selber nicht infiziert werden ??
Entstehung von anti-Tumor Immunantworten ??
Aktivierung von (naiven) CD8 T Zellen
Crosspräsentation / Crosspriming:
Aufnahme von extrazellulären Antigenen (z.B. von phagozytierten infiziertenZellen oder Tumorzellen) und Präsentation auf MHC class I Molekülen /Aktivierung von CD8 T Zellen über “crosspräsentierte” Antigene
Nur Dendritische Zellen sind zur Crosspräsentation / zum Crosspriming fähig!
Aktivierung von (naiven) CD8 T Zellen
CD4 T Zell Hilfe
Bedarf an CD4 T Zell Hilfe variabel; nicht immer erforderlich, aber fürbestimmte anti-Virus Immunantworten kritisch (z.B. bei HIV)
Aktivierung von (naiven) CD8 T Zellen
CD40L- CD40 Interaktionen: “Lizensierung” von zusätzlichen APC,indirekte Amplifikation von T Zell Antworten
• Mäuse ko for CD40L / CD40: keine CD4-abhängigen CD8 T Zell Antworten
• CD4 T Zell Hilfe in vivo kann durch Injektion von CD40L substituiert werden
• “Lizensierungs-Theorie”: plausible Erklärung für eine “ménage à trois”, ohne dass alle Zelltypen zur gleichen Zeit am gleichen Ort sein müssen
Aktivierung von CD8 T Zellen
Klonale Expansion: 50’000x (CD4 T Zellen: ca. 1000x)
klonale Expansion von CD8 T Zellenabhängig von Zytokinen wie IL-15, IL-7,oder IL-12; IL-2 weit weniger wichtig
Gallimore A, JEM, 1998
Differenzierung von CD8 T Zellen in zytotoxische T Zellen (CTL)
• Bildung von membran-gebundenen zytoplasmatischen Granula mit Perforinen und Granzymen Lyse von Target Zellen
• Produktion von Zytokinen wie IFN and TNFAktivierung von APC
“Delivering the kiss of death” Griffiths GM, Nat Immunol, 2003
Granula
blau: actinrot: Lckgrün: cathepsin
Bedeutung der Co-stimulation: CD28-B7 Interaktionen(siehe auch Kapitel 7)
periphereSelbst-Toleranz
CD40L-CD40
IFN
Bedeutung der Co-stimulation: CD28-B7 Interaktionen
Induktion von regulatorischen CD4+CD25+ T Zellen ?
Mäuse ko für CD28 oder B7 haben keine regulatorischen T Zellen...
Aber: Verabreichung eines anti-CD28 “superagonistischen” monoklonalen Antikörpers(TGN1412) an “human volunteers” induzierte keine regulatorischen T Zellen (wie im Affenmodell) sondern eine fatalen Zytokinsturm! (UK, 2006)
Weitere stimulatorische und inhibitorische Rezeptorender CD28-B7 Familie (siehe auch Kapitel 7)
Signaltransduktion durch den TCR Komplex
Uebersicht
Phosphorylierung von CD3-assozierten ITAMs durch Lck
Aktivierung von weiterenTyrosine-Kinasen
Rekrutierung undPhosphorylierung von Adaptorproteinen
Bildung der immunologischen Synapse
Aktivierung von diversen, miteinander “verketteten” intrazellulären biochemischen Pathways
Aktivierung von Transkriptionsfaktoren,Translocation der Faktoren in Nucleus
Genexpression
Mem
bran
Cyt
opl a
sma
Nuc
leus
Bindung TCR an Peptide-MHC
Signaltransduktion durch den TCR Komplex
Kinetik der Genexpression
Signaltransduktion durch den TCR Komplex
Aktivierung von Tyrosine Kinasen
Lipid Rafts: Cholesterol-angereicherte Microdomänenin der Zellmembran, welche häufig einenhohen Anteil an Signaltransduktions-Proteinen aufweisen
Adaptor Proteine:Keine eigene enzymatische Aktivität;bilden vielmehr eine Plattform für dieInteraktion von Enzymen mit ihrenSubstraten
Signaltransduktion durch den TCR Komplex
Bildung der immunologischen Synapse bzw. des SMAC(supramolecular activation cluster)
Verbindung von verschiedenen Lipid Rafts mit “aktivierten” TCRs zu einerKontakstelle zwischen T Zelle und APC
Peripherie desSMAC (p-SMAC):Integrine (in grün)
Zentrum des SMAC(c-SMAC): TCR Komplex,Co-Rezeptoren, CD28-B7,Enzyme, Adaptor Proteine(in rot: TCR assozierte PKC)
Funktionen / Bedeutung der immunologischen Synapse:
• Bildung einer dynamischen Plattform zwischen T Zelle und APC, welche eine wiederholte und andauernde Bindung von TCRs mit Peptide-MHC Komplexen erlaubt (schwache Affinität des TCR...!)
• gezielte Abgabe von sekretorischen Granula an die Ziel-Zelle (z.B. von Perforin / Granzymen an eine Tumor-Zelle)
• Turnover / Umsatz von aktivierten TCR und Signalproteinen
Signaltransduktion durch den TCR Komplex
Signaltransduktion durch den TCR Komplex
Hauptsächliche Signaltransduktions-Kaskaden
• Ras-MAP Kinase Pathway
• Protein Kinase C Pathway
• Calcium-Calcineurin Pathway
Signaltransduktion durch den TCR Komplex
MAP Kinasen vermittelte Signaltransduktion
Mutierte, ständig aktivierte Ras Proteine (GTP): assoziert mit diversen Neoplasien
LAT und Grb2: Adaptor-Proteine
Sos:GDP/GTP exchange factor
ERK:prototypische MAP Kinase
Ras: G Protein
Aktivierung von weiterenG Proteinen (z.B. Rac) führtzur parallelen Aktivierung vonweiteren MAP Kinasen(z.B. JNK, p38)
Signaltransduktion durch den TCR Komplex
Calcium-Calcineurin und PKC vermittelte Signaltransduktion
Bindung von PLC1 anphosho-LAT, Phosphorylierungvon PLC1 durch ZAP-70
Hydrolyse von Phospholipid PIP2
durch aktivierte PLC1
Calcium-Calmodulin
PIP2 DAG
Ca2+
Calcineurin
PKC
Aktivierung Transkriptionsfaktoren
Signaltransduktion durch den TCR Komplex
Aktivierung von Transkriptionsfaktoren
Cyclosporin:Immunsuppressives Medikament;bindet / inhibiert Calcineurin unddadurch Translocation von NFAT
AP-1 und NFb sind ubiquitäreTranskriptionsfaktoren, die durcheine Vielfalt von Stimuli induziert werden können (z.B. auch durchTLR Liganden)
Signaltransduktion
(Einige) Nachweismethoden im Labor
• Western-Blot mit Antikörpern gegen die phosphorylierten Formen von Signalproteinen
• Konfokale Mikroskopie: Nachweis der nucleären Translocation mit Antikörpern gegen Transkriptionsfaktoren
Translocation vonNFb in Endothelzellennach Stimulation mit pIC(ds RNA Analog)
• Durchfluss-Zytometrie: Calcium-Freisetzung Färbung von Zellen mit Calcium-sensitiven Fluorochromen
(H. Gerber, IVI)
Inhibierung der T Zell Aktivierung
• Inhibitorische Rezeptoren (z.B. CTLA-4, PD-1)
• Dephosphorylierung von Signalproteinen durch Tyrosin-Phosphatasen (z.B. durch SHP-1)
• Ubiquitinierung von Proteinen durch Ubiquitin-Ligasen (z.B. E3 Ligasen) und proteasomale Degradation von Proteinen
Inhibierung der T Zell Aktivierung
Inhibitorische Rezeptoren: CTLA-4 (CD152) (siehe auch Kapitel 7)
Milzen von wt (+/+) und CTLA-4 ko (-/-) Mäusen...
Bedeutung von CTLA-4:•Terminierung von Immunantworten• periphere Selbst-Toleranz
Inhibierung der T Zell Aktivierung
Inhibitorische Rezeptoren: PD-1
• Mäuse ko für PD-1 entwickeln ebenfalls autoimmune Symptome
• Liganden für PD-1 (PD-L1, PD-L2): homolog zu B7-1 und B7-2
• Epression von PD-1 auf mehrfach aktivierten, “erschöpften” T Zellen
• von Bedeutung in chronischen Virusinfektionen (HIV) ?
• von Relevanz für Tumor-Immunität ?
• Zytoplasmatischer Teil von PD-1 enthält ITIM (immunoreceptor tyrosine based inhibitory motif), welches möglicherweise Tyrosin Phosphatasen rekrutieren kann
Inhibierung der T Zell Aktivierung
Dephosphorylierung von Signalproteinen durch Tyrosin Phosphatasen
• Entfernung von Phosphatgruppen von Kinasen und Adaptorproteinen
• Phosphatasen von Bedeutung für die Inhibition der T Zell Signaltransduktion: SHP-1 und SHP-2, binden an ITIM Motife von inhibitorischen Rezeptoren
• Mäuse ko für SHP-1 zeigen ebenfalls autoimmune Symptome
Achtung: Dephosphorylierung führt nicht immer nur zu einer Inhibierung:
Die Tyrosin Phospatasen-Aktivität von CD45 trägt möglicherweise zurAktivierung von Lck und Fyn bei
Inhibierung der T Zell Aktivierung
Ubiquitinierung und Degradation von Signalproteinen
• E3 Ligasen (Cbl-b) tragen zu der Ubiquitinierung und Degradation des TCR Komplex bei
• Mäuse ko für Cbl-b produzieren abnormal viel IL-2 und weisen Anzeichen von Autoimmunkrankeiten auf
Begriffe, Rezeptoren, Moleküle und Abkürzungen, die Sie erklären bzw. zuordnen können sollten:
• Crosspriming bzw. Crosspräsentation
• CD28, CTLA-4, B7-1/B7-2, PD-1, CD40-CD40L
• Protein Tyrosin Kinasen / Protein Tyrosin Phosphatasen
• ITAM / ITIM
• Lck, Fyn / SHP-1, SHP-2
• ZAP-70
• immunologische Synapse, SMAC, Lipid Raft
• Adaptor Proteine
• Ras, MAP Kinase, ERK
• PLCl, calcium, calcineurin, PKC
• NFAT, AP-1, NFB
• Ubiquitinierung
Fragen, die Sie beantworten können sollten:
• Unterschiede in der Aktivierung von CD4 T Zellen und CD8 T Zellen ?
• Beispiele und Bedeutung von co-stimulierenden Molekülen und Mechanismen ?
•
• Mechanismen zur Inhibition/Regulation der T Zell Aktivierung ?
Ablauf der T Zell Aktivierung - die wichtigsten intrazellulären Ereignisse nach Bindung von TCR an Peptid-MHC Komplex ?
• Drei hauptsächliche Signaltransduktions-Pathways der T Zell Aktivierung ?