NK-Zellen&„innatelymphoidcells“(ILC)
PDDr.MichaelStassen
Vorlesungsinhalte
LymphopoesedientnichtnurderBildungvonT-u.B-Zellen:NatürlicheKiller-(NK-)Zellenund„innatelymphoidcells“(ILC)
VorkommenundFunkLonvonNK-Zellen
RezeptorenundAkLvierungvonNK-Zellen: Toleranz missingself induced/alteredself non-self
Immunevasion:mCMVm157undHIVnef
InvarianteNKT-Zellen
AllgemeineEigenschaWenundspezielleFunkLonenvonILC1,ILC2,ILC3
DielymphoideEntwicklungsreiheistkomplexeralslangeZeitangenommen
TradiLonelleVorstellung
myeloischeReihe:angeboreneImmunitätfirstlineofdefence(Phagocytose)
lymphoideReihe:adapLveImmunität,immunologischesGedächtnis
EsgibtZellen,dieohnevorherigenAnLgenkontaktcytotoxischeAkLvitäthaben:NK-ZellensindentstammenderlymphoidenReihe,sindaberTeildesangeborenenImmunsystems
NK-Zellensinddiedri`eEntwicklungsliniederlymphoidenZellen
ILCbestehenausZellenmitcytotoxischenundT-Helfer-ähnlichenEigenschaWen
Diefenbachetal.(2017)ImmunityCLP:commonlymphoidprogenitorEILP:earlyILCprogenitor
CHILP:commonhelper-likeprogenitorLTi:lymphoidLssueinducer
Björkström,NatRevImmunol2016
~5-15% peripheral blood lymphocytes (in humans) ~3-5% lymphocytes in spleen, abundant in liver >70% of lymphocytes in decidual tissue
Lung
Liver
Gut Peritoneal Cavity Uterus/Placenta
LN, Thymus Spleen
Skin
VorkommenvonNK-Zellen
T Zelle
Viren
MHC Molekül (HLA)
T Zellen überwachen das “Innenleben” von Zellen
Infizierte Zelle: „fremd“ („non-self“)
Tumorzelle: mutiertes Genom („altered-self“)
Schwachstellen der MHC-Abhängigkeit: Mutationen, Downregulation MHC b2m TAP
Herpesviren (CMV) HIV
„missing-self“
T Zelle
Viren
MHC Molekül (HLA)
T Zellen überwachen das “Innenleben” von Zellen
Infizierte Zelle: „fremd“ („non-self“)
Tumorzelle: mutiertes Genom („altered-self“)
Schwachstelle MHC-Abhängigkeit: Mutation, Downregulation MHC b2m TAP
Herpesviren HIV
„missing-self“
NK-Zellen beheben die
„Lücke im System“
NK-ZellRezeptorenkönnenakLvierendoderhemmendaufdieNK-Zellewirken
AkLvierendeRezeptorenerkennenLigandenaufgestresstenoderinfiziertenZellen
InhibitorischeRezeptorenbindenanMHC-IoderMHC-I-ähnlicheMoleküle
Pegrametal.Immunology&CellBiology(2011)
NK-RezeptoreninnerhalbeinerFamiliekönnenakLvierenoderhemmen:Ly49(Maus)
Dimasi&BiassoniImmun.CellBiol.(2005)
Dimasi&BiassoniImmun.CellBiol.(2005)
KonvergenteEvoluLon:Killerimmunoglobulinlikereceptors(KIR)desMenschenhabenandereStrukturabergleicheFunkLonwiedieLy49-FamiliederMaus
Faragetal.Blood(2002)
CD94/NKG2-Familie(Mensch&Maus):IndirektesErfassenderMHCI-Expression
HLA-E(Mensch)undQa-1(Maus)sindMHC-ähnlicheMoleküleundbindeninvariantePepLdeausdenLeadersequenzenklassischerMHCI-Moleküle
HLA-E+PepLdundQa-1+PepLdbindenanCD94/NKG2HeterodimereundNK-Zell-AkLvitätwirdgehemmt
OhneMHC-PepLde(MHCIê)erscheinenHLA-E/Qa-1nichtanderZelloberfläche,NK-ZellewirdakLviert
Faragetal.Blood(2002)
NKD2DHomodimerebindenstressinduzierteMHC-ähnlicheLigandenundakLvierenNK-Zellen
Faragetal.Blood(2002)
MICA/B:MHCclassIchain-relatedAchainbzw.–BchainULBP:UL-16-bindingproteins(human)bzw.H60/RAE-1/MULT-1Proteinei.d.Maus
„inducedselfrecogniLon“führtzurAkLvierungvonNK-ZellenbeizelluläremStreß(heatshock,TransformaLon,InfekLon,DNA-Schäden)
>100 alleles!
Takaki & Lanier "Viral and Immunological Malignancies”, 2005
NKG2D Liganden – Marker für zellulären Stress
• MHC Klasse I-ähnlich, benötigen aber weder Peptid noch β-Mikroglobulin
• Binden mit nM Affinität NKG2D
• Niedrige Mengen werden auf gesunden Zellen exprimiert
• Induktion auf Virus-infizierten Zellen, Tumorzellen und nach DNA-Schäden.
• Erhöht bei autoimmun. Erkrankungen (rheumatoide Arthritis, Diabetes, Artherosklerose.)
Mult1 H60a,b Rae1α-δ
Mouse
H60c
-4x10-9 M -2x10-8 M -5x10-7 M -2x10-8 M ?
Rae1ε
KD
Why are there so many ligands for one receptor?
- They might fulfill distinct biological functions
- They might be differentially upregulated in response to specific forms of cellular stress
- Organ-specific expression pattern
- Evolutionary race with viral evasion strategies Slide:courtesyofA.Diefenbach
14 28 42 56
100
300
days after inoculation
Control Ig anti-NK1.1 anti-CD8
200
0 14 28 42 14 28 42
B 1 6 / -
B 1 6 - H 6 0 B 1 6 - R a e 1
mea
n tu
mor
sur
face
(mm
2 )
Altered-self recognition through the NKG2D receptor mediates tumor rejection
Diefenbach et al., Nature 2001
Mice genetically lacking the NKG2D receptor: increased incidence of spontaneously developing tumors
Guerra et al., Immunity 2008
„Missing-self“ in der Tumortherapie
Rae-1
NKG2D
Therapeutisch induziertes “missing-self”
- +
NK cell
Tumor cell
Anti-KIR Lirilumab
Nature Reviews | Immunology
Donora
HSC
Patient with cancer
Patient with cancer
Transplantation
DonorNK cells
Activatingreceptor
Inhibitoryreceptor
MHCclass I
Leukocytes
LeukopheresisNK cellinfusion
NK cellisolation
Donor NK cell
Donorb
c
Tolerance owing to lack of activating signal
Tolerance owing to lack of activating signal
Donor NK cells do not recognize allogenic MHC molecules
Healthy cell
Donor NK cell Tumour cell
Cytokines and cytotoxic mediators
Patient NK cell
Blockade of inhibitory signal
Healthy cell
Patient NK cell Tumour cell
Cytokines and cytotoxic mediators
++
++
Monoclonal ��$�� �)�#!���,��for NK cell inhibitory receptor
Enhancement of NK cell activity and residual tumour cell elimination
Enhancement of alloreactivity and residual tumour cell elimination
��%"����* Cancer therapies targeting NK cells. a *� �� '������!� �����$����� "������$����������$ ! ��$���#$��������$"��#!���$�$� �����������$%"��������"��� ������#� ��� � "� "�������&�� !����$���!�$���$�'�$�������"��b | Alternatively, NK cell populations can be isolated from healthy donors and activated and/or expanded �������� before infusion into the !�$���$�'�$�������"������ $����#�#����� ���������������� ���������%#� ����$��������#�$ �!" � $��$�����$�$%� %"��%��$� �� ��� � "�� �����#����$���!�$���$�������������"��$� �� ��� � "�� �����#�'�������� $����������$����)�$���������##���� ���%��#� ��$���!�$���$���#�$��������"���������%� �� �%���������"���!$ "#�� ��#���(!"�##����)�$���� � "�� �����#�'����� $���$�"��$� '�$��$���������##���� ���%��#� ��$���!�$���$������$��#�!" � $�#�$%� %"�������������$� ������� �$"�#$�$ ������"�����#��� #$�����$�)�����#� ��$���!�$���$�'����� $���$�&�$��� � "�� �����#���#�$��)��������#%�������$������#%"��������#�$)� ����$�&�$����������#�� "�$���� � "�� �����#��c�*������$�"��$�&���!!" �����#�$ �� #$���� ��� %#�� ��������$�&�$)��)�$"��$����!�$���$#�'�$��� � �� ������$�� ���#�#!�������� "�� �������(!"�##���������$ ")�"���!$ "#�����#����$�� ���#��"����#������$ ���������$�����$�$%� %"���$�&�$)� ��$���!�$���$+#� '��� �����#�'�$� %$����%������%$ ���%��$)�
Ciclosporin(Also known as cyclosporin A). A commonly used immunosuppressive drug that blocks calcineurin A and thereby inhibits T cell activation. It is used to prevent the rejection of transplanted organs and to treat some inflammatory diseases. Ciclosporin is widely used to prevent graft-versus-host disease following allogeneic haematopoietic stem cell transplantation.
success91, allogeneic HSCT procedures were carried out using basically unmodified protocols for 20 to 25 years. The approach begins with a preparative phase known as conditioning. This phase is followed by infusion of the allogeneic graft cells and post-infusion drug-mediated immunosuppression in an attempt to limit unwanted GVH reactions. The goals of conditioning are to treat
residual tumour disease and to allow for donor cell engraftment through the profound immunosuppression of the host. Both goals have been achieved, rather suc-cessfully, using a combination of high-dose total-body irradiation with chemotherapy, or using a combina-tion of highly myeloablative and antineoplastic drugs. However, the cytotoxicity of the conditioning regimen
REVIEWS
244 | APRIL 2012 | VOLUME 12 www.nature.com/reviews/immunol
REVIEWS
© 2012 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved
Cancer therapies harnessing NK cell function
(Vivieretal,NatRevImmunol,2012)
iKIRblockade=NKcellcan’tbeinhibited.
„non-selfrecogniLon“:MurinesCytomegalievirus(mCMV)Immunevasion:mCMVdrosseltMHCIExpressionundviralesm157imiLertMHCIMoleküle
C57BL/6:AkLvierenderRezeptorvermi`eltResistenz
BALB/c:hemmenderRezeptorvermi`eltSuszepLbilität
KoevoluLonvonPathogenundWirt:VirustreibtdieEvoluLonvonRezeptoren,WirtselekLertaufvirulentereStämme
Sun&LanierViruses(2009)
Ugolini & Vivier, Nature 2009
NK cells remember
Weiteres Beispiel für Immunevasion von Viren: Das HIV Nef-Protein
HLA-C
KIR
HLA-A HLA-B
HIV-nef supprimiert den Transport von HLA-A und -B (T-Zell-Evasion), weniger HLA–C (stark inhibitorisch für NK Zellen)
NK-Zelle
Infizierte Zelle
HIV: Prävention der missing-self Erkennung durch NK-Zellen
“Tolerance”
Rae-1 MHC-I m157
“induced/altered-self” “non-self”
NKG2D Ly49C/I Ly49H
- + -
+ - +
Cell Growth, Stress Viral Ligands
“missing-self”
- +
Tumor, Viral infection
NK cell signal integration at the immunological synapse
InvarianteNKT-Zellen
GehörenzudenT-ZellenundentwickelnsichausDPThymocytenimThymus
BildenTCRausnurwenigendermöglichenGensegmenten
BenöLgenfürihreEntwicklungInterakLondesTCRmitCD1
WandernausThymusinlymphat.GewebeundSchleimhäute
CD1-MolekülebindeneineVielzahlvonLipiden,Glycolipiden,PhospholipidenundLipopepLdeninhydrophobemKanal
Innate Lymphoid Cells
ILCbestehenausZellenmitcytotoxischenundT-Helfer-ähnlichenEigenschaWen
Diefenbachetal.(2017)ImmunityCLP:commonlymphoidprogenitorEILP:earlyILCprogenitor
CHILP:commonhelper-likeprogenitorLTi:lymphoidLssueinducer
Cytotoxicity CD8+
TH1
TH2
TH17 TH22
NK
T-bet
IFNγ
Innate Lymphocytes
Adaptive Lymphocytes
NK
Spezialisierung nur bei adaptiven Lymphozyten ?
? IFNγ
IL-5, IL-13
IL-17 IL-22
GATA-3
RORγt Ahr
> Detektion von Helfer-Zytokinen in T-Zell-Defizienten RAGKO Mäusen
Cytotoxicity
IFNγ
IL-5, IL-13
IL-17 IL-22
CD8+
TH1
TH2
TH17 TH22
NK
ILC2
ILC3
GATA-3
RORγt Ahr
T-bet
IFNγ
Innate Lymphocytes
Adaptive Lymphocytes
NK
ILC1
Innate Lymphoid Cells (ILC)
ILC1
T-bet
IFN-γ,TNF
• IntracellularinfecLons• InflammaLon?
Type1immunity
ILC2GATA-3RORα
IL-5,IL-13amphiregulin
• WorminfecLons• Asthma,allergies
Type2immunity
ILC3
RORγt
IL-22,IL-17A,GM-CSF
• IntesLnalinfecLons• Inflammatoryboweldiseases
Type17immunity
Innate Lymphoid Cells (ILC)
Slide:courtesyofA.Diefenbach
ILC progenitor
immature ILC
peripheral blood
mature ILC
local ILC progenitor
ILCs sind lokale, gewebe-residente Lymphozyten
Gasteigeretal.,Science2015
Embryonic and postnatal developmental window?
WichLgeEigenschaWenderILC
KeineAnLgen-spezifischenRezeptoren
LokalisiertanGrenzenzurAußenwelt:Schleimhäute,Haut
WerdendurchSignale(Cytokine,Alarmine)von„Sensor-Zellen“akLviert
ProduzierenCytokineinderFrühphasevonImmunreakLonen
Könnenlokalproliferieren
ILC1(undNK-Zellen)produzierenIFN-γnachAkLvierungdurchinfizierteDCundMakrophagen
IL-12 IL-18
IFN-γ
MakrophagenakLvierunglangebevorTh1-Hilfemöglichist.PrinzipiellauchEinflußaufTh1-Entwicklung
ILC2 werden durch Cytokine und Alarmine von Epithelzellen aktiviert
Helminthen, Pilze (Chitin !), Viren (Influenza), Allergene (Proteasen !)
Epithel
TSLP (IL-7 Familie)
IL-33 (IL-1 Familie, ein „Alarmin“)
IL-25 (IL-17 Familie, IL-17E)
ILC2
IL-5
IL-9
IL-13(MukusprodukLon,KontrakLongla`erMuskulatur,
alternaLvakLvierteMakrophagenetc.)
(Mastocytose,Eotaxin-Expression,Mukusetc.)
(ProdukLonundAkLvierungvonEosinophilen)
Amphiregulin:WachstumvonEpithelzellen/RegeneraLon
ILC2 werden durch Cytokine und Alarmine von Epithelzellen aktiviert
Helminthen, Pilze (Chitin !), Viren (Influenza), Allergene (Proteasen !)
Epithel
TSLP (IL-7 Familie)
IL-33 (IL-1 Familie, ein „Alarmin“)
IL-25 (IL-17 Familie, IL-17E)
ILC2
IL-5
IL-9
IL-13(MukusprodukLon,KontrakLongla`erMuskulatur,
alternaLvakLvierteMakrophagenetc.)
(Mastocytose,Eotaxin-Expression,Mukusetc.)
(ProdukLonundAkLvierungvonEosinophilen)
Amphiregulin:WachstumvonEpithelzellen/RegeneraLon
Epithel
IL-1β,IL-23
ILC3
IL-17(RekruLerungvonNeutrophilen,Monocyten)
IL-22(DefensinprodukLondurchEpithelzellen,EpithelproliferaLon)
InfekLonenmitextrazellulärenBakterienundPilzenakLvierenILC3
ItappearsthateachofthethreemajorILCandeffectorCD4T-cellsubsets
(ILC1/ILC2/ILC3andTh1/Th2/Th17)evolvedtoenhanceandcoordinate
thefuncOons.......ofdifferentarmsofthemyelomonocyOcpathwayforopOmal
eradicaOonofdifferentclassesofpathogens:
monocytesandmacrophagesareenhancedbyTh1cells;
eosinophils,basophilsandmastcellsbyTh2cells;
andneutrophilsbyTh17cells
Janeway‘sImmunobiology,9thEdiLon
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