Humorale Immunität II. Antikörperstruktur und Funktion Hans-Martin Jäck Division of Molecular...

Humorale ImmunitätII. Antikörperstruktur und Funktion

Hans-Martin JäckDivision of Molecular Immunology

Department of Internal Medicine IIINikolaus-Fiebiger-Zentrum

University of Erlangen-Nürnberg

UniversitätsklinikumErlangen

Immunologie für Studierende der Biologie & MolekularmedizinKonzepte der ImmunologieErlangen WS 2007/2008

Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 2

HUMORALE IMMUNITÄT - Übersicht

Plasma-Plasma-zellezelle

IgM, IgA,IgM, IgA,IgG, IgEIgG, IgE

Gedächtnis-Gedächtnis-B-ZelleB-Zelle

Naive,Naive,reife B-Zellereife B-Zelle

+Ag

+TH

Knochenmark

Periphäres lymphatisches Organ

StammzelleStammzelle Pro-B-ZellePro-B-Zelle Prä-B-ZellePrä-B-Zelle Unreife B-ZelleUnreife B-Zelle

IgMIgM IgDIgDIgGIgG

IgMIgMPrä-BZRPrä-BZR


Entdeckung der humoralen Immunität


Discovery of Humoral Immunity (Emil von Behring 1890)

PathogenicTetanus

20

Inactivated

Tetanus

10Serum

InactivatedDiphteria

Serum10

Emil von Behring (1890)• Soluble, inducible and specific immunity trough immunisation with pathogens • Individual can be protected by transferring serum from immunized animal

→ 1st Nobel Price 1901 for Serum Therapie


Modelle und Chemotherapie (Paul Ehrlich 1900)

• Ehrlich‘s Sidechain Theory (1900)(Explains inducibiliy and specificity)

• Nobel price 1906 • First chemotherapy

(Salvarsan against Syphillis)

Soluble side chains

ToxinSidechain


Plasmacell

B cells(monospecific)

Antibodies

B cellreceptor

(BCR)

Antigen (Ag)(Antikörper

generierend)

clonal expansion(Multiplication)

differentiation

From Ehrlich‘s Seitenketten-Theorie (1900) to Burnet‘s, Jerne‘s & Talmage‘sclonal selection (1956-58)

B cellclon

Memory B cell

+TH

+/- TH

From the Seitenketten Model to Clonal Selection

IgG IgAIgE


‚ANTIKÖRPER‘ ersetzt ‚ANTITOXIN‘‚ANTIGEN‘ (für Antikörper generierend) ersetzt ‚TOXIN‘

Antitoxine können nicht nur durch Pathogene sondern auch durch rote Blutkörperchen und nicht-pathogene, an Protein gekoppelte organische Moleküle (sogenannte Haptene) induziert werden.

O NO2TrägerReaktivität gegen 3,5-Dinitrophenol

Reaktivität gegen 3,4-Dinitrophenol

NO2

O NO2Träger

NO2

Vom Antitoxin zum Antikörper (1905; Nobelpreis 1930)


Aus: Kuby, Immunology

Ovalbumin

Absorption an Ovalbumin

unbehandelt

SerumStärke-Elektrophoresese

Isolierung von Antikörper (Tiselius und Kabat, 1939)


Antibody structure (Edelman, Porter, Hilschmann & Craig 1962-69)

1962 Quaternary Structure (H2L2)1972 Nobel prize in Medicine

G. Edelman

R. Porter

1965 Discovery of V regions

L-Kette

H chain

VL

CL

L. Craig

N. Hilschmann


Experiment:Proteinsequenzierung von IgL-Ketten, isoliert als Bence-Jones-Proteine aus dem Urin von drei Myelom-Patienten

Ergebnis:

Schlussfolgerung:IgL-Ketten bestehen aus einer konstanten und einer variablen Region

N CN CN C

VL

VH

CL

CH H

L

Antibody structure (Hilschmann & Craig 1965)


Spezifität

VL

CL

VH

CH1

CH2

CH3

Duale Funktion der Antikörper → Magische Kugeln

L-Kette

H-KetteEffektorbindungsstellen

“Bullet Part”

• Biochemische Eigenschaften

• Biologische Effektorfunktion

Gewebeverteilung Halbwertszeit

Komplement Opsonisierung Rekrutierung

Antigenbindungsstellen= Paratop

“Magic Part”

ANTIKÖRPER – Struktur & Funktion


VL

CL

VH

CH1

CH2

CH3

L chain

H chain

Glykoproteine Grundstruktur besteht aus 2 identischen

schweren (H) (ca. 50kDa) und zwei identischen leichten (L) Ketten (ca. 25kDa), die über Inter-Ketten-Disulfidbrücken ( ) verknüpft sind.

Jede Kette bestehen aus variablen und konstanten Regionen

Jede Kette lässt sich in sogenannte Ig-Domänen unterteilen. Die Konformation dieser Domänen ist durch Intraketten-Disulfidbrücken ( ) stabilisiert

Disulfidbrücken stabiliseren also die Tertiär- und Quartärstruktur von Ig-Ketten bzw. Immun-globulinen

Die Sequenz der konstanten (C) Regionen von H- und L-Ketten bestimmen den Isotyp der Kette und werden mit griechischen Buchstaben gekenntzeichnet (L: und ; H: und )

IgGCHO

Biochemie der Antikörper


Abhängig von der Sequenz des konstanten Bereiches (Fc) einer H-Kette werden Immunglobuline in 5 Klassen eingeteilt (Diversität der konstanten Region):

Ig-Klasse Name der H-Kette (Isotyp)

IgM (μ)IgD (δ)IgG (γ)IgA (α) IgE (ε)

Die konstante Region definiert die biochemischen und biologischen Eigenschaften (Effektorfunktionen) eines Antikörpers

Ig-Klassen (Diversität der konstanten Regionen)


Abhängig von der Sequenz des konstanten Bereiches einer H-Kette werden Immunglobuline in 5 Klassen eingeteilt: IgM (), IgD (), IgG (), IgA () und IgE )

H-Kette von IgG. IgD und IgA besitzt eine Gelenkregion (Hinge), die in IgM und IgE durch eine weitere Ig-Domäne ersetzt ist

Maus IgG-Subklassen: IgG1, IgG2a, IgG2b, IgG3, Mensch IgA1 und IgA2, Kanichen hat 13 IgA-Subklassen

Gelenk-region

ÍgG (), IgD (), IgA ()

C H1

V

H

C L

V L

CH3

CH2

ÍgM (), IgE ()

C H1

V

H

CH4

C

H3

CH2 C L

V L

Quartätstruktur der Ig-Klassen

Kuby, 4th edition, p. 414


Disulfid-brücken

IgA

‚Momomere‘ IgA bzw. IgM-Moleküle werden über Disulfidbrücken mit J-Kette (joining) zu dimeren bzw. pentameren Molekülen kovalent verknüpft (Mensch und Maus)

J-Kette

IgM

Oligomere Ig-Moleküle


SekundärstrukturSekundärstrukturC V

Primärstruktur Primärstruktur

C VNH2HOOC

Disulfid-brücken

Antiparallele-Stränge bilden -Faltblatt Aus

: Jan

eway

, Im

mun

obio

logy

(Beispiel: Feinstruktur einer IgL-Kette)

TertiärstrukturTertiärstruktur

Ant

igen

-bi

ndun

gs-

stel

le

Die Ig-Faltdomäne


• Die drei Schlaufen der VH- and die drei Schlaufen der VL-Domäne bilden die Antigenbindungstasche (Schloss) oder Paratop des Antikörpers

• Paratop ist der Teil des Antikörpers, der mit dem Epitop (Schlüssel) des Antigens interagiert

VL

VH

CL

CH

Ag

VH VL

L1

L2

L3

H1

H2

H3

epito

pe

Die Antigenbindungsstelle (Paratop)


FR = framework (Gerüstregion); HV = hypervariabel

Wu-Kabat-Plot: AA-Vegleich von VH-Regionen

Var

iabi

lity

Die Schleifen des Paratops sind hypervariable Regionen (HV), auch bekannt als CDRs (complementarity determining regions)

Ag

VH VL

L-CDR1

L-CDR2

L-CDR3

H-CDR1

H-CDR2

H-CDR3AA position

CDR1 CDR2 CDR3

Hypervariable Regionen (Wu-Kabat-Plot von V-Regionen)

Kuby, 4th edition


Merkmale einer Ig-Faltdomäne Anzahl der Aminosäuren

Zylindrische, globuläre Form aus 100 - 110 Aminosäuren

Anzahl und Orientierung der -Stränge 7 (C-Region) bzw. 8 (V-Region) anti-parallele Ketten in -Struktur β-Stränge

Anzahl der FaltblätterZwei Lagen anti-paralleler -Stränge bilden zwei -Faltblätter, die durch eine Disulfidbrücke miteinander verbunden sind

Ig-Superfamilie Ig-Faltdomänen kommen in vielen anderen Proteinen

vor (CD4, CD8, MHC Klasse I und II, T-Zellrezeptor, ICAMs….

Merkmale einer Ig-Faltdomäne - Zusammenfassung

JanewayImmunobiology


Die Ig-Domänen-Darstellung von Antikörper

CH1Hinge

CH2

CH2

VH

L chain

H chain

CL

VL

IgG

Domänenstruktur


VL

VH

CL

CH

Pathogen-eliminierung (Bullet part)

Pathogenerkennung(Magic Part)

Antikörper

C

V

C

V

T-Zellrezeptor

Pathogenerkennung (Magic Part)

Keine Effektor-funktionen

Funktionen der AntikörperPaul Ehrlich: „Antikörper sind magische Kugeln“

CH-Repertoire


Human and mouse have five Ig classes

IgM Antigen receptor on naive B cells, first antibody of naive B cells

IgG Major antibody in blood, and thus of ‚internal‘ defense

IgA Major antibody on mucosal surfaces, and thus of ‚external ‘ defense

IgE Mediates activation of effector cells during worm infection, but also responsible for allergic reactions (dust mites, asthma, hey fever)

IgD Circulating antibodies with no function

Ig-Klassen definieren das Antikörper-Effektorrepertoire


• Agglutination von Bakterien (v.a. IgM)

• Neutralisation (v.a. IgG, IgA)• Phagozytose-Verstärkung bzw. Opsonisierung (IgM und IgG)• Komplementaktivierung (IgM, IgG)• Antikörper-abhängige zellvermittelte Zytotoxizität (v.a. IgG)

(Antibody-dependent cellular cytotoxicity oder ADCC)• Aktiviert Basophile, Neutrophile und Mastzellen (IgE)• Terminiert im Verlauf einer humoralen Immunatowrt die

Aktivierung der B-Zelle über Bindung an inhibierende Fc-Rezeptoren

Weitere wichtige Effektorfunktionen von Antikörper


• Agglutination von Bakterien durch IgM• Hochaffine IgG- und IgA-AK verhindern

Anheften von Bakterien und Viren an Wirtszellen

• Neutralisation von Toxinen durch hochaffine IgG- und IgA-AK

• Opsonisierung von Bakterien direkt über Fc-Rezeptoren oder indirekt über Komplementaktivierung (v.a. IgG)

• AK-Ag-Komplexe aktivieren klassischen Komplementweg über Bindung an C1q

• ADCC (antibody dependent cellular cytotoxicity)

• Aktivierung vom Mastzellen, neutrophile und basophile Granulozyten über IgE

• Bindung der AK an Fc-Rezeptoren inhibieren B-Zellaktivierung durch Ag(Terminierung der B-Zellantwort)

• Transport durch Epithelzellen (IgA)

Wichtige Effektorfunktionen von Antikörper


AK TH1

BakteriumVirusToxin

Komponenten der angeborenen Immunität entfernen Pathogen mit Komponenten der adaptiver Immunität

Makrophage

IFN-γAK opsonisiert Pathogen

TH1 aktiviertMakrophagen

FcR

AK-Effektorfunktionen: Opsonisierung

Janeway, Immunobiology











Wichtige Effektorfunktionen von Antikörper


Anlocken inflammatorischer Zellen (Monozyten, Neutrophile)

via C3a, C4a und C5a

Lyse bakterieller Membranen via membrane attack complex

Opsonisierung von Bakterien und Entfernen von Immunkomplexen

via C3b und Komplementrezeptoren auf phagozytierenden Zellen

Aktivierung von Komplement

AK-Effektorfunktionen: Komplementaktivierung











AK-Effektorfunktionen: ADCC

NeutrophileNK-ZellenGranulozyten

Fc-Rezeptor

Kill

Antikörper-abhängige zellvermittelte Zytotoxizität

IgG

Zielzelle

Antigen

Therapeutische AntikörperRetuximab (anti-CD20)


IgE bindet über Fc-Rezeptoren an Mastzellen, sowie basophile und aktivierte eosinophile Granulozyten

→ Erhöhte Durchblut-ung und Gefäßper-meabilität

→ Lokale Entzünd-ungsmerkmale

• Rötung (rubor)• Schmerz (dolor)• Erwärmung (calor)• Schwellung (tumor)

→ Rekrutierung von neutrophilen und eosinophilen Gra-ulozyten

→ Aktivierung von eosinophilen Gra-nulozytenMediatoren (z.B. Histamin und

Enzyme, die Zellmatrix abbauen)

Binden über IgE oder Komple-ment an Zielzelle, schüttet Me-diatoren aus und tötet so die Zielzelle ab

Eosinophiler

Neutophiler

Phagozytose

Parasit

Eosinophile

IgE-Effektorfunktionen: Wurmabwehr

Kuby, 4th edition, Immunology



IgE-Effektorfunktionen: Wurmabwehr


Allergie (Typ 1)

• Bronchen werden verengt

• Schleimproduktion• Anschwellen der

Nasen- und Augen-schleimhaut

• Wasserverlust im Darm

• Bessere Durch-blutung

• Einwandern von Immunzellen in Gewebe

IgE-Effektorfunktionen: Überempfindlichkeitsreaktion



• Serumhalbwertszeit

• Transport durch Plazenta (nur IgG)

• Transport durch Epithel (nur IgA)

Fc-Region bestimmt biochemische Eigenschaften eines AK

Kuby, 4th edition, Immunology


IgA - Haupt-Antikörper der externen Immunität

Apikale Seite

Basale Seite

with J chain Darm-lumen

Aus

Kub

y, Im

mun

olog

yTran

scyt

ose

Verantwortlich für die Abwehr an den Oberflächen von Schleim-häuten z. B. der Nase, des Rachens, des Darms und des Genitaltraktes

5-15g pro Tag werden in Körpersekreten ausge-schieden

• Muttermilch, Tränen, Speichel• Mucus des

− Bronchial-, − Verdauungs- und− Genitaltraktes

Im Serum als Monomer, in Körpersekreten als Oligomer (mit J-Kette und sekretorischer Komponente)

Eig

ensc

hafte

n


IgM und ABO-Blutgruppe

Genotyp Blutgruppen-Phänotyp

Antigene auf Erys

AA oder AO A A

BB oder BO B B

AB AB A und B

OO O keine

Serum-antikörper

Anti-B

Anti-A

Keine

Anti-A und Anti-B

Bemerkungen: Antikörper (vom IgM-Typ) gegen Typ A in einem

Individuum mit Typ B werden normalerweise durch Mikroorganismen induziert, die kreuzreaktive Antigene produzieren.

IgM-AK gegen Blutgruppen passieren die Plazenta nicht keine Hämolyse fetaler Erys

Entdeckung der ABO-Blutgruppe (Karl Landsteiner, 1901; Nobelpreis für Medizin, 1905)

Determinanten der ABO-Blutgruppe auf Erythrozyten


Konsequenz für Bluttransfusionen• Werden Spendererythrozyten vom Typ A in einen Empfänger

vom Typ B (besitzt Antikörper gegen Typ A) übertragen, so werden die Spendererythrozyten durch die Empfängerantikörper gegen Typ A verklumpt (agglutiniert).

• Da Antikörper im Spenderblut normalerweise ausreichend während der Transfusion verdünnt werden, muß bei der Abschätzung der Verträglichkeit nur das Antigen auf den Spendererythrozyten berücksichtigt wer-den.

Individuum mit Blutgruppe O (rote Blutkörperchen haben weder Typ A noch Typ B-Antigene) ist universeller Donor

Individuum mit Blutgruppe AB (weder Anti-A- noch Anti-B-Antikörper) sind universeller Empfänger

Blutgruppentyp wird vererbt (Dungern und Hirszfeld 1910)

• Bestimmung der Vaterschaft durch Vergleich der Blutgruppe des Kindes mit der des Vaters.

Bedeutung der Blutgruppe für Bluttransfusionen

BlutgruppenhäufigkeitBlut-

gruppeHäufigkeit

weltweit0+ 38%

A+ 34%

B+ 9%

0- 7%

A- 6%

AB+ 3%

B- 2%

AB- 1%


IgG und Rhesusunverträglichkeit (Landsteiner 1920)

For further explanation, see Kuby, 4th edition, p. 414

• Mutter ist Rh-Vater ist Rh+Baby ist Rh+

• Während 1. Schwanger-schaft werden nur geringe Mengen an anti-Rh-AK produziert (IgM). Jedoch entstehen Gedächtnis-B-Zellen

• Während 2. Schwanger-schaft werden Gedächt-nis-B aktiviert und schnell hochaffine IgG-anti-Rh-AK produziert

• Anti-Rhesusfaktor-AK sind vom IgG-Typ und passie-ren die Plazenta

• Lyse von Erys

Erythroblastosis Fetalis

Hemolytic Disease of the Newborn (HDN)


Übertritt größerer fötaler Blutmengen in den mütterlichen Kreislauf

o Normalerweise nur während der Geburto Während der Schwangerschaft bei

Amniocentese oder anderen invasiven Eingriffen

Fehlgeburten Abtreibung Schweren inneren Blutungen

Behandlung der Mutter durch Gabe von Rhogam = Anti-D (Rhesusfaktor)-Antikörper vom IgG-Typ)

o Routinemäßig nach 28. Schwangerschaftswoche und kurz nach Geburt

o Spätestens 72 Stunden nach Fehlgeburten, Ab-treibungen, Amniocentese oder anderen invasi-ven Eingriffen

o Zerstören fötale Erys, die in den mütterlichen Kreislauf übertreten, und verhindern so die Aktivierung von B-Zellen und die Bildung von Gedächtnis-B-Zellen

o Nur kleine Mengen an anti-Rh-AK werden verab-reicht, diese werden im Blut der Mutter verdünnt, treten deshalbb nur langsam und in sehr geringen Mengen den fötalen Kreislauf über, zerstören aber effizient fötale Eyrs im Blut der Mutter.

Rhogam

Fötale Erys

Mütterliche Anti-Rh-B-Zelle

Anti-Rh-Antikörper (Rhogam)


Antikörper in der Diagnostik

o Nachweis und Quantifizieren löslicher Moleküle

o Nachweis intrazellulärer und membrangebundener Proteine auf Einzelzellniveau

o Nachweis und Quantifizierung von Zellpopulationen innerhalb einer Zellsuspension

o Nachweis sezernierender Zellen

o Anreicherung und Isolierung definierter Zellpopulationen

o Proteinreinigung und Untersuchung von Proteinkomplexen

o Nachweis von Protein-Protein-Interaktionen


o Immundefizienz

o Entzündung

o Autoimmunität

o Infektion

o Krebs

Antikörper in der Therapie

5. Blockieren

1. Signalisieren

2. Antikörper-abhängigezellvermittelte Zyto-toxizität (ADCC)

3. Komplement-abhängigezell-vermittelte Zytotoxizität (CDC)

4. Transport zytotoxischer Substanzen

Promotionsvortrag 2007Dr. Michael SchwemmleinFAU Lehrstuhl für Genetik

z.B. Anti-CD-AK (Retuximab)• B-Zellleukämien• B-Zell-abh. Autoimmunität


Pro-B-Zelle

SpätePrä-B

UnreifeB-Zelle

FrühePrä-B

Stamm-zelle

ReifeB-Zelle

Plasma-zelle

Gedächtnis-B-Zelle

Ag

CD19

CD20

mIg

CD22

B-Zellspezifische „Tumorantigene“

Mögliche B-Zell-Spezifische Ziel-Strukturen für Antikörpertherapie von Lymphonen


CD40L

BZRCD40 1

2

TZR

TH

CD19CD20CD22

BAFF/AprilMHC

BAFF-R

Anti-Id

Eliminierung pathologischer B-Zellen


Antikörper gegen Antigenbindungsstelle

Vorteil• Privates Merkmal (Idiotyp)

der pathologischenB-Zelle wird gezielt angegriffen(Ron Levy, UCSF)

Nachteil• Individualisierte Therapie• Idiotyp autoreaktiver

B-Zellen selten bekannt• Revertanten durch Hyper-

mutation des Idiotyps

Antikörper gegen B-Zellspezifische Oberflächenmarker (z.B. Anti-CD20)

Vorteil• B-Zell-spezisch (nur auf Prä-

B-, reifen B- und Gedächtnis-B-Zellen)

• Stammzellen, Pro-B-Zellen, und Plasma-zellen überleben

• Impftiter (z.B. gegen Tetanus) verändern sich nicht

Nachteil• Gedächtnis-B-Zellen werden

meistens auch eliminiert• Pathologische Plasmazellen

und die meisten B1-Zellen überleben

• Autoantikörpertiter

Eliminierung pathologischer B-Zellen


Anti-CD20

CD20

Quelle: Browning 2006 Nature Review Drug Discoveries

Aktivierung vonCaspasen und Apoptose

Direkte Apoptose durch dysregulierte Signalwege

MembraneAttackcomplex

Komplement

Komplement-vermittelte Zytolyse

MakrophageN-Killerzelle

FcRKill

Antikörper-vermittelte zelluläre Zytotoxizität

Mechanismen der B-Zelldepletion


Ag-Präsentation• Aktivierung von T-Zellen• Zytokinproduktion• Mehr Hilfe für B-Zellen

B

• Ektopische Keimzentren• Entzündung

FDZ

• Leukozyten • Stroma • Entzündung

Lymphtoxin

Induktion ektopische lymphatische

Strukturen

• Neutralisation• Aktivierung• Eliminierung

Zelle

Auto

Autoantikörper

Auto

Immun-komplexe

• Gewebeablagerung• Effektormechanismen• Entzündung

Plasma

Zytokine

IFN, IL4

Auto

T

T

Rolle der B-Zelle in der Autoimmunität

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