Humorale Immunität V. Produktion protektiver Antikörper Hans-Martin Jäck Division of Molecular...

Humorale ImmunitätV. Produktion protektiver Antikörper

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

PRODUKTION PROTEKTIVER AK

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


pro-BStem cell immature B

V-Repertoire (Diversity)

V-Repertoire (Affinity)

CH-Repertoire (Effector)

• V(D)J rearrangement (RAG) • Selection of functional IgR

IgM

Adult BONE MARROW(Primary Ab repertoire)

• Affinity maturation Somatic hypermutation of V exons Selection of high-affine BCRs

• IgH class-switch

mature B

IgG

IgG

IgM

IgD

PERIPHERAL LYMPHATIC ORGAN(Modified secondary repertoire)

memory B

plasma cellAg + TH

pre-B

PRODKUKTION PROTEKTIVER AK

lat. reperiredt. finden


Plasma-zelle

Gedächtnis-B-Zelle

Ag

IgM

IgD

NaiveB-Zelle

Molekulare Merkmale:

• IgM/IgD-Koexpression

• IgMmem → IgMsec

• Ig-Produktion ↑

• IgH-KlassenwechselIgG, IgA, IgE

Antigen-abhängige B-ZellaktivierungIgA

IgM

IgG


LanglebigePlasmazelle

(IgG, IgA, IgE)

Antikörper(IgM)

B-Zell-Rezeptor

(IgM)

Antigen (Antikörper

generierend)

Klonale Expansion Differentiation

B cell clone

Gedächtnis-B-Zelle

(IgG, IgA, IgE)

+TH

+/- TH

KurzlebigePlasmazelle

Keimzentrum

Humorale Immunität

• Somatische Mutation

• Selektion• IgH-Klassen-

wechsel• Gedächtnis

PrimäresB-Zell-

Repertoire (Spezifität)


Ko-expression von IgM und IgD

Aus Janeway

Unreife B-Zelle

ReifeB-Zelle

Knochenmark Peripherie

IgM

IgDIgM

Genetischer Mechanismus: Differentielles Spleißen einer gemeinsamen Prä-mRNA


Carboxy-terminalesEnde

Umschaltung auf Ig-Sezernierung 1

IgIg

Membran-domäne

mIg Ig

B-Zelle Plasmazelle


DNA

Poly(A)s Poly(A)m

VH C1 C3 C4C2 M1,2

H-Kettes m

mRNA

Prä-mRNA

AAAACap AAAACap

Umschaltung auf Ig-Sezernierung

Genetischer Mechanismus: Konkurrenz der Poly(A)-Reaktion und dem Spleißvorgang


Molekulare Grundlage für die Erzeugung des Repertoires der biologischen Effektorfunktionen durch Austausch der konstanten Regionen der H-Kette unter Beibehaltung der Antigenbindungsstelle (nur bei Ig aber nicht bei TZR)

IgH Class Switch Recombination (CSR)

IgM

VH CCC3 C1 C2b C2a CC

SS3 S1 S2b S2a SS

IgG1

CSR

CC3

VH C1 C2b C2a CC

C

VH C1 C2b C2a CC

AID

S, Schalter (switch)-Regionen

Genetischer Mechanismus: DNA-Looping-out und Deletion

Kontrolliert durch Zytokine


Plasma-zelle

Gedächtnis-B-Zelle

AgIgM

IgD

NaiveB-Zelle

IgG, IgA, IgE

T-Zell-abhängige und unabhängige Aktivierung

+/-TH

+TH

B cells recognize everything

• Proteins• Lipids• Nucleic acids• Carbohydrates• Chemical molecules

or haptens (half antigens)• Even plastic

But only proteins are good thymus-dependent antigens

The World of Antigens (Antikörper generierend)


From

Kub

y

• Benötigt normalerweise keine T-Zellhilfe

• Lipopolysaccharide• Antigene mit repetitiven

Epitopen (e.g., Poly-saccharidee, Haptene gekoppelt an Poly-saccharide

• v.a. B1- und Marginal-Zonen-B-Zellen

→Kein Gedächtnis

• Benötigt T-Zellhilfe

• Proteine mit monomeren Epitopen (e.g., Tetanus, Diptherie)

• Hapten gekoppelt an Proteinträger (e.g., Medikamente)

• v.a. follikuläre B-Zellen (B2)

→ Gedächtnis

Thymus-unabhängige (TI) Aktivierung(Thymus-Dependent)

(Thymus-Independent)


Thymus-abhängige B-Zellaktivierung

TH

Lymphknoten

DendritischeZelle (DZ)

CD4-T

CD8-T

MHC II MHC IDZ

TK

MHC II

T-Zellzone

B

Plasmazelle

Gedächtnis-B

B-Zellzone

Infektion


Afferentes lymphatische

Gefäß

Paracortex(T-Zell-Zone)

B-Zell-Zone

Mark

Arterie

SekundärerB-Folikel

„Keimzentrum“

Primärer Follikel

(B-Zellen)

Efferenteslymphatisches Gefäß

Vene

Periphäre lymphatische Organe

Lymph-knoten

Peyer'schePlaques

Milz

Appendix

Tonsilen


IgMAntigen

(Antikörpergenerierend)

B-Zell-Klon

+/-TH+/- THKurzlebige

Plasmazelle(IgM)

Lymph-knoten

ReifeB-Zelle

+TH

Sekundär-Follikel mit

Keimzentrum

Primär-follikel

Keimzentrums-reaktionen

• Gedächtnis• IgH-Klassen-

wechsel• Selektion• Somatische

Hypermutation• Proliferation

Gedächtnis-B-Zelle

(IgG, IgA, IgE)

LanglebigePlasmazelle

(IgG, IgA, IgE)

Expansion Differenzierung

T-Ze

ll-Zo

ne(E

xtra

folli

kulä

reR

eakt

ion)

B-Z

ell-Z

one

(folli

kulä

re

Rea

ktio

n)

Überblick: T-Zell-vermittelte B-Zellaktivierung


Extrafollikuläre Phase der B-Zellaktivierung

CD40LBZR

Immunologische Synapse

CD40

IL2/4/5 ILR

12

MHC II +

PeptidTZRTH

B+

Gekopplte Erkennung(Linked recognition)B- und T-Zellepitop müssen auf dem gleichen Molekül liegen

CD40L-Defizienz• Keine Antwort gegen Proteine

(z.B. Tetanus)• Kein Klassenwechsel• Kein Gedächtnis

→ Keine Schutzimpfung• Aber gute Antwort gegen

Kohlenhydrate !!!!→ Viel IgM im Serum

→ Hyper-IgM-Syndrom I

B-Zell-Epitop(Peptid oder

Hapten)

TrägerT-Zell-Epitop

(Peptid)NO2

OH

Träger


Signal Transducer and ITAM Motifs (Immunoreceptor Tyrosine-based Activation Motif)

P P

docking of signaling proteins

BCR

Igα/Igβ

ITAM

Signaling Complex and intracellular signaling pathways

BCR

IgαIgβ Signalosome

BZR-Signaltransduktion

X-X-Tyr-X-X-Tyr-x


Bedeutung des Korezeptors für Ag-abhängige B-Zellaktivierung

Ohne Beteiligung des Korezeptors sind 104 mIgM-Moleküle notwendig, mit Beteiligung des Ko-Rezeptors jedoch nur ca. 102 mIgM-Moleküle

Immunisierung mit Fusionsprotein besteh-end aus Antigen und C3d induziert 1000-fach höheren Antikörpertiter als Antigen alleine

POSITIVES SIGNAL

Aus

Abb

as: C

ellu

lar a

nd M

olec

ular

Imm

unol

ogy

ITAM

ITAM

Beteiligung des Korezeptors erniedrigt die für die B-Zellaktivierung benötige Antigendosis

BZR-Korezeptoren erniedrigen die Aktivierungsschwelle


Cross-talk zwischen BZR und FcR (negatives Signal)A

us A

bbas

: Cel

lula

r and

Mol

ecul

ar Im

mun

olog

y

BCR

Igαβ

ITIM(Immunoreceptor Tyrosine-Based Inhibitory Motif)

I/L/V x pY x x I/V/L

SHPsrc homology

containing phosphatase

Rekrutierung

ITAM

Terminierung der B-Zellaktivierung bei Überschuss löslicher Ag-spezifischer Antikörper


Janeway Dark zone

TB

Somatic mutation of VH / VL regions

Basal light zoneSelection of high-affine centrocytesby binding to Ag-Ab complexes on FDC

Kuby

Apical light zone• IgH class switch•Memory B•Plasma blasts

Follicular reaction (in germinal center)

Long-lived plasma cells

in bone marrow

Memory B Plasmablast

Selected centrocyte

Follicular dendritic cell (FDC)

Ag-Ab complexes

Tingible-bodymacrophage

Centroblast(activate B cell)

Cen

trocy

te


Aus JanewayPunktmutationen sind willkürlich über das

gesamte V-Exon des L- und H-Ketten gens verteilt (keine Hotspots !!!!)

V

Mutations-Stammbaum

Somatische Punktmutationen

Somatische Punktmutationen in V-Region

AID


AID = Activation-Induced Deamidase • Only expressed in activated

germinal center (GC) B cells(cDNA was cloned from IL-activated B cell line)

• Converts C to U (oxydative deamination)

Homology to RNA editing enzyme APOBEC AID knock-out mice and AID-def. patients

• no somatic hypermutation (SHM) • no IgH class switch recombination (CSR)• no memory B cells• But antibodies againts proteins (only IgM!!!!)

→ Hyper-IgM-Syndrome Type II

AIDCytosin Uracil

AID, a critical component of the Ig hypermutator

AGCTTCGA

AGCTTUGA

AGCTT GA

Uracil-N-glycosidase

(UNG)

AID

Modifier (??) fills gap with

any base

SHM


Molekulare Grundlage für die Erzeugung der Repertoires der biologischen Effektorfunktionen durch Austausch der konstanten Regionen der H-Kette unter Beibehaltung der Antigenbindungsstelle (nur bei Ig aber nicht bei TZR)

AID is essential for IgH Class Switch Recombination (CSR)

IgM

VH CCC3 C1 C2b C2a CC

SS3 S1 S2b S2a SS

IgG1

CSR CC3

VH C1 C2b C2a CC

C

VH C1 C2b C2a CC

AID


Mutationsrate von IgV = 10-5 bp/GenerationszeitNatürliche Mutationsrate = 10-12 bp/Generationszeit

Somatische Hypermutation (SHM)

Somatische Hypermutation (SHM)

Selektion

B-Zellen o binden ursprüngliches Antigen

gar nicht schlechter mit derselben Affinität besserbesser

o Binden anderes Antigeno Binden Selbstantigeno Produzieren keinen Ig-Rezeptor

(nonsense Mutation)

Konsequenz der HypermutationMutationsverteilungen


Janeway Dark zone

TB





in bone marrow


Selected centrocyte


Ag-Ab complexes



Cen

trocy

te

Selektion von B-Zellen mit hoch-affinen BZRs

Kuby


Selektion von B-Zellen mit hoch-affinen BZR

B-Zellen erkennen Antigen auf FDZ

aus Abbas


B-Lymphozyten behalten Spezifität, besitzen aber einen BZR mit einer höherer Affinität zu dem für die Immunisierung verwendeten Antigen (Affinitätsreifung)

‚Nebenprodukt‘: Autoreaktive B-Zellen, die ein Selbst-Antigen auf FDZ erkannt haben

Naiv Gedächtnis

Tetanusk=106 M-1

Tetanus k=108M -1

Mutationen vor Selektion

sind über gesamte V-Region verteilt

Mutationen nach Selektion clustern in CDRs

Ergebnis der Selektion Affinitätsreifung

Mutationscluster in Paratop (Ag-Bindestellen)


Janeway Dark zone

TB





in bone marrow


Selected centrocyte


Ag-Ab complexes



Cen

trocy

te

Selektion von B-Zellen mit hoch-affinen BZRs

KubyEliminierung autoreaktiver B-Zellen, die, wenn an FDZ gebunden, auch positiv selektioniert werden können


Aus J

anew

ay

Secondary, long-lived plasma cell

IgM, IgA,IgG, IgE

MemoryB cell

IgG, E, A

Quellen für Antigen: FDZ-gebundenes AntigenFDZ-gebundenes Antigen Iccosomen – Immuncomplex-coated Iccosomen – Immuncomplex-coated

bodiesbodies (werden von der FDZ abgegeben. Diese binden dann an B-Zellrezeptor)

KeimzentrumB-Zelle

CD40L

BBZR

Antigen

TH

Ag-spezifische TH-Zelle

TZR

CD40

IL2/4/5

ILR

MHC II +

Peptid

Selektion und Differenzierung


Requirement for BLIMP-1 (B lymphocyte induced maturation protein 1) and XBP-1 (X-box binding protein), two transcriptional suppressors/repressors

XBP-1 -/- Glimcher and coworkes

• Calame and coworkes• Davis and coworkersBlimp1 +

Knock-out mouse(RAG complementation

Approach)

Transfection of Blimp1 gene into lines and primary B cells

B cell

Terminal plasma differentiation


Primary Response• Naive B• Predominantly IgM but

also other classes• Lag 7-10d• Peak 4-7d• Thmyus-dependent &

-independent Ag• Low affinity (~ 10-7 1/M)

Secondary Response• Memory B• IgG and others• Lag 1-3d• Peak 3-5d• Thymus-dependent Ag• Higher affinity (10-10 1/M)• Higher titers

(100 – 1000x)Aus Kuby

Primary and Seconday Antibody Response


Primary repertoireV repertoire - specificity

B Cell Maturation (BM)

Zusammenfassung: Humorale Immunität

Memory B cell

Germinal Center

• SHM• CSR• Memory B• Plasma

Plasma cell

+THIgG IgAIgE

Modified secondary repertoireV repertoire - increased affinity CH repertoire - effector functions

Antigen-induced B Cell activation (Periphery)

Ag

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