Post on 13-Oct-2019
Spezielle Kapitel der Immunologie
1- Signaltransduktion 1
2- Signaltransduktion 2
3- Effektormechanismen
4- Hypersensitivität
5- Genetik der Rekombination, Hypermutation und des Klassenwechsel
6- NK, NK/T Zellen und NK Rezeptorgene
7- Autoimmunität
8- Tumor-Immunität
http://mailbox.univie.ac.at/Erhard.Hofer/Student Point
Lehrbuch:A.K. Abbas, A.H. Lichtman, S. Pillai (6th edition, 2007)Cellular and Molecular ImmunologySaunders Elsevier
Reviews / Publikationen Kapitel 1- Genetik der Rekombination, Hypermutation und des Klassenwechsel
D.G.Schatz and D.Baltimore (1988). Stable Expression of immunoglobulin gene V(D)J recombinase activity by gene transfer into 3T3 fibroblasts.Cell 53, 107-115.
D.G. Schatz (1997). V(D)J recombination moves in vitro.Seminars in Immunology 9, 149-159.
M. Gellert (2002). V(D)J recombination: RAG proteins, repair factorsand regulation, Annu. Rev. Biochem. 71, 101-132
C.H. Bassing, W. Swat and F.W. Alt (2002). The mechanism and regulationof chromosomal V(D)J recombination. Cell 109 Suppl., S45-S55
Y. Ma et al. (2002). Hairpin opening and overhang processing by an Artemis/DNA-dependent protein kinase complex in nonhomologousend-joining and V(D)J recombination. Cell 108, 781-794.
M.A. Oettinger (2004). Hairpins at split ends in DNA. Nature 432, 960-961
A. Agrawal et al. (1998). Transposition mediated by RAG1 and RAG2and its implications for the evolution of the immune system,Nature 394, 744-751
F.N. Papavasiliou and D.G. Schatz (2002). Somatic hypermutation ofImmunoglobulin genes: Merging mechanisms for genetic diversity.Cell 109, S35-S44.
S. Longerich et al. (2006). AID in somatic hypermutation and class switch recombination. Curr. Opinion in Immun.18, 164-174.
V.H. Odegard and D.G. Schatz (2006). Targeting of somatic hypermutation.Nature Rev. Immun. 6, 573-583.
Genetik der Antigenrezeptoren
komplexes genetisches SystemZiel: Selbst - Nicht-Selbst Unterscheidung
Das spezifische Immunsystem der Vertebratenist evolviert, um die Unterscheidung von Selbstund Nicht-Selbst somatisch zu lernen
Möglichkeiten für Abwehrsystem:Rezeptoren für Selbst-MarkerRezeptoren für Nicht-Selbst Strukturen:
vererbt oder für somatische Selektion
108 bis 109 B und T Lymphozyten
nahezu jede Zelle einen verschiedenen klonal exprimierten RezeptorHerstellung der Rezeptoren nach dem „Zufallsprinzip“
Klonale SelektionstheorieMacfarlane Burnet, 1961
wie möglich ?KeimbahntheorieSomatische Mutationstheorie
Keimbahnorganisation der humanen Ig Gen Loci
Keimbahnorganisation der humanen TZR Loci
Rekombination auf DNA EbeneV, D, J nach Baukastensystemunpräzises Verknüpfen der Segmente „junctional diversity“
Primäres Kern-Transkript (alternatives) Splicing
mRNAProteinMembraninsertion oder Sezernierung
Rekombination nach Baukastensystem
Rekombinationund Expressionder Gene fürdie Ig-Ketten
Rekombinationund Expressionder Gene für dieTZRα und TZRβKetten
Mechanismus der V(D)J Rekombination
Signale auf DNA Ebene: RSS
Rekombinasekomplex
Spaltung und Verknüpfung der Segmente
V(D)JRekombination
Deletion undInversion
Erkennungssequenzen auf DNA EbeneRSS: „recognition signal sequences“
1-turn Signal: Heptamer-12-Nonamer
2-turn Signal: Heptamer-23-Nonamer
Rekombination nur zwischen 1-turn Signalund einem 2-turn Signal möglich
weiss: 1-turnschwarz: 2-turn
Anordnung der RSS für einen Lokus identisch,bei verschiedenen Loci unterschiedlich
Verknüpfung der Signalenden: präziseVerknüpfung der kodierenden Segmente: „unpräzise“
Einzelschritte derV(D)JRekombination:
Zusammenführungder Signale
Spaltung undBildung derHaarnadelschleife
Öffnen derHaarnadelschleifeund Endbearbeitung
Reparatur undLigation
gpt: xanthine-guanine phosphoribosyltransferase (mycophenolic acid)
neo: neomycinephosphotransferase(G418)
V(D)J Rekombinase:RAG1 und RAG2 (recombination activation genes)
einzige lymphoid-spezifische Faktoren für Rekombinationandere Faktoren in allen Zellen vorhanden
k.o. Mäuse: keine reifen T und B Zellen, keine anderen Defekte
RAG1 + RAG2 binden RSS und spalten DNA zwischenHeptamer und kodierendem Segment
2 Stufen:Nick am 5´-Ende des HeptamersHairpin Bildung
Mg2+HMG1 und 2 erhöhen Effizienz der Spaltung am 2-turn RSSund bevorzugte 1-turn + 2-turn Paarung
Rag1+Rag2 Bindung
Endonukeolytische Spaltung eines Stranges
Nukleophiler Angriffder 3´-OH gruppeam Phosphat des gegenüberliegendenStranges
Synapse:
kombiniertes Schneiden,Zusammenführen der Enden
in Komplex, der alle 4 Endenbindet
Spätere Stadien der Rekombination:Spalten des Hairpin und Verknüpfung der Enden
DNA Doppelstrangbruch-Reparaturenzyme:
DNA-PKArtemisKu ProteineDNA Ligase IVXRCC4Histon H2AXMre11/Rad50/Nbs1 Komplex
Öffnen des Hairpin:
DNA-PK phosphoryliert und aktiviert Artemis,Endonuklease, welche Hairpin spaltet
„JunctionalDiversity“
„Coding joints“
Nukleotide gehen verloren, kommen neu dazu (ohne Template)
P-Nukleotide: „hairpin“
N-Nukleotide: TdT (terminal deoxynucleotidyl transferase) bis zu 15 N
Nuklease kann ss-Enden abspalten
Artemis: bei Defekt humane SCID FormDNA-PK bindet und aktiviert Artemis durch Phosphorylierung,Artemis bekommt dadurch Endonuklease-Aktivität für Hairpin und5´- und 3´-überhängende Einzelstrang-DNA
DNA-PKbesteht aus Katalyt. DNA-PKs Untereinheit und Ku Protein-Heterodimer (Ku70 und Ku80)Ku bindet DNA, überbrückt Enden
DNA Ligase IV / XRCC4 Komplexauch wichtig, da defekte Zellen bestrahlungssensitiv sind, und keine signal- oder coding joints machen können
weiters vermutlich beteiligt:Histon H2AX
Mre11/Rad50/Nbs1 Komplex: DNA repair in Hefefördert Verknüpfung von DNA an Mikrohomologien
Nonhomologous DNA end-joining proteins
Regulation der Zugänglichkeit eines Lokus
Hypothesen:Germline TranskriptionDNA DemethylierungHiston Acetylierung
Rekombination und transkriptionelle Aktivität
Non T cells
Early thymocytes
Eβ deleted
Germline Transkription
Stadien der B Zellreifung
Stadien der T Zellreifung
M
Evolution der Antigenrezeptorgene
RAG1 + 2 ist eine Transposase
Hairpin Formierung: direkte Transesterbildungwie bei Mu Transposase oder HIV Integrase
RAG1/2 kann in vitro mit RSS exogene DNA attackierenohne Sequenzbevorzugung5 bp staggered ends
Transposition über beide Enden
(Knorpelfische)
Evolutionärer Ursprung derAG-Rezeptorgene durch Transposoninsertion ?
Transposition mit einem Ende
Reversible Reaktion
Possible chromosomal translocation by RAG-promoted transposition
Analogien Rag1/2 Rekombination und Transposons:
Invertierte repeats - DNA SignaleBindung Transposase an SignalsequenzenMechanismus Spaltung: nick ss, TransesterbildungHairpin + blunt end
Unterschiede:
Transposase mit herausgespaltenem Fragment attackiert DNAInsertion des Transposons5 bp staggered ends
Rag1/2 Rekombination:nach hairpin + blunt end Bildungnormal weiter dann mit ds-Reparatursystem,Degradierung/Inversion DNA zwischen Signalsequenzenaber: in vitro kann auch Insertion mit geringer Häufigkeit
Somatische Hypermutation (SH)
Genkonversion (GC) und
Klassenwechsel (class-switch)-Rekombination (CSR)
gemeinsamer Basismechanismus für SHM, GC, CSR
Activation-induced cytidine deaminase(only lymphocyte-specific factor required for SHM, GC, CSR)
Homologie zu RNA editierendem Enzym C to U deamination in vitrovor allem exprimiert in sekundären lymphoiden OrganenDefizienz: keine CSR und SHMIn Chicken/Rabbits keine Genkonversion
direkte Aktivität auf dC in DNA U-G mismatch Läsionen: C-T and G-A Transitionenbase excision Reparatur - jedes Nukleotidmismatch Reparatur mit Polymerase mit hoher FehlerquoteTemplate-vermittelte Reparatur mit Sister-Chromatid oder V-PseudogenLäsion in switch site: Reparatur mit anderer switch site
Affinitätsreifung
Somatische Mutationen in Ig V GenenMutations clustered in CDRs(complemetarity determining region)
Kd: dissociation constant
Mutationsrate 10-3, 106x höher als normalhauptsächlich PunktmutationenMutationen proportional der Transkriptionsrate
Modell 2002 für somatische Hypermutation:
Promoter bestimmt RegionEnhancer lizensiert Locus
„Mutatorsome“
A. Ig Enhancer bindet Mutator-Faktor (rot)B. Enhancer-Promoter Interaktion C. Mutator-Faktor bei TICD. Transkription ist wichtig
Mutator-Faktor fährt mit TC mitE. Assymetrischer DSB (nicht unbedingt notwendig)F. 5´-end Resektion, 3´-overhang lagert sich an intaktes Sister Chromatid Reparatur durch homologe RekombinationG. DNA Synthese führt zu Punktmutationen Polymerase mit hoher Irrtumsrate (wie DNA Pol.-iota)
Modell:AID Funktion imersten Schritt:Nick und Initiierung des Doppelstrangbruches
Modell 2006
SHM Modell 2006BER: base excision repairMMR: mismatch repair
TA
AID: activation-induced cytidine deaminaseTarget ist ssDNA(kleine Regionen ssDNA enstehen transient bei Transkription)dC - deamination U - G mismatch
- Replication w/o repair: C - T, G - A transition
- BER: base excision repair with error prone Polymerase: U excised by UNG: Uracil N-Glycosylase removes the U residue, leaving abasic site replaced by any other (transition and transversion)
-MMR: mismatch repair machineryMutations at A/T pairs near UG lesionExo1, MSH (homologue of E.coli MutS)DNA polymerase eta
-ds Bruch:MRE11 (meiotic recombination 11 homologue)-Rad50 complexcleaves DNA at abasic site, generates 3´-ends that cannot be extended by normal DNA polymerase ?
B Zellselektion in„germinal centers“der LymphknotenundDifferenzierung zuAk-sezernierendenPlasmazellen
Klassenwechselder schwerenKetten
AID und„germline“ Transkriptionführen zuDoppelstrangbrüchenIn „switch“ Regionen
SHM CSR Introduction and repair of lesions
Hauptwege der Reparatur:
mutations-assoziierte Brüche normalerweise
durch homologe Rekombination repariert
oder
nicht-homologes end-joining: NHEJist Mechanismus bei CSR
CSR und SHM - AID notwendig: CSR: ds BruchSHM: ss Mutation und ds Bruch ?
- verschiedene Reparatur: CSR durch NHEJ SHM durch BER, MMR und homol. Rek. ?
Wichtig für Lymphomagenese
Die meisten Lymphome entstehen in den Germinal Centersaus B Zellen
50 % zeigen translocation break points innerhalb der Targetsequenzen für CSR, die anderen dürften mit Fehlern bei SHM zusammenhängen
SHM kann auch auf Protoonkogene in Tumorzellen übergreifen,In gleichen Regionen: Translokationen und Mutationenauch ohne Translokation
Fehler im Targeting der SHM und CSR Mechanismenoder in der Reparatur der DNA Brüche ?
M
Genetik der NK Rezeptoren:NK Rezeptor- und Leukozytenrezeptor-Genkomplex
AktivierungInhibitionMHCSelektion
NK und NK/T Zellen
NK Zellen und DCs
Rezeptoren auf myeloiden Zellen: DCs, macrophages
Reviews:
A. Moretta et al. (2002). What is a natural killer cell ?Nature Immunol. 3, 6-8
L. Moretta et al. (2002). Surface receptors that regulate theNK cell function: beyond the NK cell scope. Curr. Top. Microbiol. Immunol. 266, 11-22
J. Trowsdale (2001). Genetic and functional relationships betweenMHC and NK receptor genes. Immunity 15, 363-374
D.H. Raulet et al. (2001). Regulation of the natural killer cellreceptor repertoire. Annu. Rev. Immunol. 19, 291-330
Hamerman, J. A., Ogasawara, K., Lanier, L. L. (2005). NK cells in innate immunity. Curr Opin Immunol 17, 29-35.
W.M. Yokoyama and S. Kim (2006). Licensing of natural killerCells by self-major histocompatibility complex class I.Immunol. Rev. 214, 143-154.
J.G. Sambrook and S. Beck (2007). Evolutionary vignettes of natural killer cell receptors. Curr. Op. Immun. 19. 553-560
E. Tupin, Y. Kinjo and M. Kronenberg (2007). The unique roleof natural killer T cells in the response to microorganisms.Nat. Rev. Microbiol. 5, 405-417.
H.-G. Ljunggren and K.-J. Malmberg (2007). Prospects for the useof NK cells in immunotherapy of human cancer.Nat. Rev. Immun. 7, 329-339.
Focus on NK cells in Nature Immunol, May 2008:
J. Di Santo (2008). Natural killer cells: Diversity in search of a niche.Nature Immunol. 9, 473-475.
M. Terme et al. (2008). Natural killer cell-directed therapies:moving fromunexpected results to successful strategies. Nature Immunol. 9, 486-494.
NK ZelleLGL (grosser granulärer Lymphozyt)
3 Aktivitäten:K (Killer) - ADCC (Ab-dependent cellular cytotoxicity)NKLAK - Lymphokin-aktivierter Killer
Spontanes Killing von Tumor- und virusinfizierten ZellenHybridresistenz
FcγIII Rezeptor / CD16: K AktivitätNK Rezeptoren: NK (und LAK Aktivität)
Marker:p46+CD56+ CD3-TZR-
HSZ
Lymphoide VZ
T + NK VZ B VZ
B Lymphozyt
T Lymphozyt(Thymus)
NK Zelle
Hybridresistenz
A Maus B Maus
AB
Bone Marrow Transplantationx x
Killing von No-Self ?
Activating: NCR: natural cytotoxicity receptorsCD94/NKG2-C
Inhibitory:KIR: Killer Inhibitory ReceptorsCD94/NKG2-A
2B4: coreceptor
NKG2-D: activatingNK, T cells, macrophages(ligands: MIC, RAE)
RAEs
Funktionen:
Virusabwehr in früher InfektionsphaseTumor-Killing„Hybridresistenz“, Problem Knochenmarktransplantationen
γ-IFN ProduktionAktivierung und Killing reguliert durch NK RezeptorenADCC: CD16
Funktion in Interphase natürliches / spezifisches Immunsystem
Missing-self hypothesis: MHC class IKIRs: Ig-likeNKG2A/CD94: lectin-like
Ig-domain
lectin-domain
NKG2ACD94
KIR2D KIR3D KIR3Ddimer
HLA-C HLA-B HLA-E
ITIM
Ligands on normal cell
NK orNK/Tc
KIRs erkennen kleine Gruppenvon HLA Allelen
Activating NK receptorsActivating KIRs(NCRs: Ig-like)NKG2C/CD94: lectin-like
Ig-domain
lectin-domain
NKG2CCD94/
KIR2S KIR3S
HLA-C HLA-B HLA-E
ITAM
Ligands onvirus-infected ortumor cell
NKG2ECD94/
HLA-E
NKG2D
MICA/B
DAP12 DAP12 DAP12 DAP12 DAP10
NK orNK/T
NK Rezeptoren:inhibierende und aktivierende Formen
Ig-Typ:inhibierend: KIR (nur human) - Liganden: MHC class I / Peptidaktivierend:
KIR Homologe (nur human) - Liganden: MHC class I / Peptid ?NCR (NKp30, NKp44, NKp46) - Liganden: virales Hämagglutinin
+ zelluläre Liganden ? nicht identifiziert
Lectin-Typ:inhibierend:Ly49 (nur Maus) - Liganden: MHC class I CD94/NKG2A (Human und Maus) - Liganden: HLA-E, Qa-1
mit Peptid von MHC class Iaktivierend:CD94/NKG2C (Human und Maus) - Liganden: HLA-E/Peptid ?CD94/NKG2E
NKG2D (Human und Maus) - Liganden: MICA/B, ULBP, Rae
Genomic localization
hChr19 LRChChr12 NKC
Recent evolution human - mouse: convergent evolution
Interactions MHC and MHC-like proteins
Polymorphisms
chr
chr
The human NKC
Konvergente Evolution:2 unterschiedlicheRezeptorklassenfür gleiche FunktionIn Mensch und Maus
keine funktionellenKIR´s
keine funktionellenLy49
NKG2-D und Stress / virale Infektionen / Tumore
3 Liganden hochreguliert bei Stress, Virusinfektion, in Tumorzellen:MIC-A, -B (MHC class I chain related genes)RAEs (retinoic acid inducible early genes)ULBPs (UL binding proteins)
CMV (cytomegalovirus) immune evasion strategies
HCMV:reguliert MHC class I hinunterUL40 Peptid bringt HLA-E wieder hoch / inhibitive CD94/NKG2A InteraktionUL18 ist MHC class I mimic / KIR Interaktion
HCMV:UL16 inhibiert ULBP und MIC Interaktion mit NKG2D
NK Zellen mitNKG2C/CD94Rezeptor in Personen mit HCMV Infektionerhöht
Some newer concepts:
NK cells and dendritic cells
NKR on T cells: NK/T cells
NK cells and tumors
NK cells in cellular therapies
Acquisition of receptor repertoire
Development and liscensing of NK cells
„NK“ receptors on T lymphocytes and other cell types
KIR und CD94/NKG2A /NKG2C: nur NK Zellen und Subpopulationen von NKT Zellen
ILT, LAIR, NKG2D: auch auf anderen LeukozytenMonocyten, Makrophagen, dendritischen Zellen, B Zellen
Acquisition of receptor repertoire
Hypothesis: NK cell education(not fully understood)
each NK cell has several inhibitory and activating receptors,developing NK cell initiates inhibitory receptor gene expressionin a sequential, cumulative and stochastic fashion
class I deficient mice: NK cells are tolerant
„at least one“ hypothesis: formation of repertoire regulated such that „at least one“ inhibitory receptor for one or another self MHCis present
Possibility:first stimulatory receptors,induce expression inhibitoryreceptors until zero sumbetween stimulation andInhibition
Question:NK cells are alloreactivebut self-tolerant
Focus on natural killer cells. Nat. Immunol. 9, 471-510 (2008)
Viewpoint on NK cells. Eur.J.Immunol. 38, 2927-2964 (2008)
Further points:
More NK subpopulations ?
Tregs and NK cells ?
CD56 bright NK cells, progenitor or separate subpopulation ?
NK cell diversity -subpopulations
F
Figure 1. Mature NK cells develop from precursor cells, for instance, in theLN (1); mature NK cells proliferate (2), produce cytokines (3), rejectallogeneic BMG (4) and exert cytotoxic activity towards tumour cells andvirally infected cells (5). All these NK cell properties are inhibited by Treg.The mechanism is in most cases TGF-b release by Treg, which, amongother effects, induces downregulation of the activating NK cell receptorNKG2D. NK cells can also be killed by Treg in a perforin/granzyme B-dependent manner. GRZ B: granzyme B; ???: mechanism
Figure 1. Functions and development of tonsilar NK cells. Non-cytotoxicCD56brightCD16� NK cells, which constitute the majority of tonsilar NK cells,secrete cytokines upon activation by DC. These block pathogens, like EBV,which breach mucosal barriers, and assist DC in the priming of Th1polarized T-cell responses. They might originate from bloodCD56brightCD16� NK cells that home to secondary lymphoid tissues, and canat least partially mature to cytotoxic Eur. J. Immunol. 2008. 38: 2927–2968
F
Hypersensitivität und Autoimmunität
Immunantwort - Gewebeschädigungunkontrolliert oder abnorm induziert
Typ I: Immediate (unmittelbare) Hypersensitivität(IgE, mast cells)
Typ II: Antikörper-vermittelte
Typ III: Immunkomplex-vermittelte
Typ IV: T Zell- vermittelte(delayed type)
Entwicklung Autoimmunität
Lymphozyten: Fehler Selbst-Toleranz
zentral: AIRE (autoimmune regulator gene)presentation of tissue specific proteinsin thymic epithelial cells
periphär: Ko-Stimulatoren, B7Inhibitoren, CTLA-4Apoptose B/T Zellen: FasT Zell-Suppression Treg
IL2, IL2Rchain FoxP3
B Zell-Toleranz: polyklonale Akt.
Entwicklung Autoimmunität (weiter)
Genetic deficiencies of complement proteins
NOD2: intracellular microbial sensor
SHP-1: failure negative regulation B cells
PTPN22: reduced inhibition by tyr phophatase
Entwicklung Autoimmunität
Genetische Faktoren:
MHC Klasse II (auch Klasse I)
nicht MHC Gene: ca. 20 bei IDDM(MHC aber am stärksten)Polymorphismus IL2Defizienz KomplementproteineFas, Fas-L
SLE: Systemic lupus erythematosus AITD: autoimmune thyroid diseaeRA: rheumatoid arthritis T1D: type 1 diabetes
Susceptibility loci for autoimmune diseases
Einzelne Aminosäurenam Rand der Grube des MHC class II Molekülssind wichtig für Prädisposition oderProtektion
GAD: glutamic acid decarboxylase
IA-2: islet tyrosine phosphatase
Systematic analysis of T cell epitopes in autoimmune diabetes
Black: HLA-DQ38
Diagonal strips: HLA-DR3
Grey: HLA-DR4
Entwicklung Autoimmunität
Infektionen: lokale Entzündung (bystander effect)
Molecular Mimicry: Kreuzreaktivität S-Antigen
Weitere Faktoren: anatomische Änderungen durchEntzündung IschemiaTrauma
S-Antigenfreisetzung
Therapie
CorticosteroideAnti- IL1, -TNF, -B7, -CD40Depletion B cells (anti-CD20)CsAMethotrexate
Toleranzinduktion: exp. StadiumInducing tolerance in disease-producing lymphocytesInducing Tregs