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 ?