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Humorale Immunität V. Produktion protektiver Antikörper Hans-Martin Jäck Division of Molecular Immunology Department of Internal Medicine III Nikolaus-Fiebiger-Zentrum.

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1 Humorale Immunität V. Produktion protektiver Antikörper Hans-Martin Jäck Division of Molecular Immunology Department of Internal Medicine III Nikolaus-Fiebiger-Zentrum University of Erlangen-Nürnberg Universitätsklinikum Erlangen Immunologie für Studierende der Biologie & Molekularmedizin Konzepte der Immunologie Erlangen WS 2007/2008

2 Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 2 PRODUKTION PROTEKTIVER AK Plasma-zelle IgM, IgA, IgG, IgE Gedächtnis-B-Zelle Naive, reife B-Zelle +Ag +T H Knochenmark Periphäres lymphatisches Organ Stammzelle Pro-B-Zelle Prä-B-Zelle Unreife B-Zelle IgM IgD IgG IgM Prä-BZR

3 Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 3 pro-BStem cellimmature B V-Repertoire (Diversity) V-Repertoire (Affinity) C H -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 IgM IgD PERIPHERAL LYMPHATIC ORGAN (Modified secondary repertoire ) memory B plasma cell Ag + T H pre-B PRODKUKTION PROTEKTIVER AK lat. reperire dt. finden

4 Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 4 Plasma- zelle Gedächtnis- B-Zelle Ag IgM IgD Naive B-Zelle Molekulare Merkmale: IgM/IgD-Koexpression IgM mem IgM sec Ig-Produktion IgH-Klassenwechsel IgG, IgA, IgE Antigen-abhängige B-Zellaktivierung IgA IgM IgG

5 Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 5 Langlebige Plasmazelle (IgG, IgA, IgE) Antikörper (IgM) B-Zell- Rezeptor (IgM) Antigen (Antikörper generierend) Klonale Expansion Differentiation B cell clone Gedächtnis- B-Zelle (IgG, IgA, IgE) +T H +/- T H Kurzlebige Plasmazelle Keimzentrum Humorale Immunität Somatische Mutation Selektion IgH-Klassen- wechsel Gedächtnis Primäres B-Zell- Repertoire (Spezifität)

6 Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 6 Ko-expression von IgM und IgD Aus Janeway Unreife B-Zelle Reife B-Zelle Knochenmark Peripherie IgM IgD IgM Genetischer Mechanismus: Differentielles Spleißen einer gemeinsamen Prä-mRNA

7 Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 7 Carboxy-terminales Ende Umschaltung auf Ig-Sezernierung 1 Ig Ig Membran- domäne mIg Ig B-Zelle Plasmazelle

8 Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 8 DNA Poly(A) s Poly(A) m VHVH C 1C 3C 4C 2M 1,2 H-Kette s m mRNA Prä-mRNA AAAA Cap AAAA Cap Umschaltung auf Ig-Sezernierung Genetischer Mechanismus: Konkurrenz der Poly(A)-Reaktion und dem Spleißvorgang

9 Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 9 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 V H C C C 3 C 1 C 2b C 2a C C S S 3 S 1 S 2b S 2a S S IgG1 CSR C C 3 V H C 1 C 2b C 2a C C C AID S, Schalter (switch)-Regionen Genetischer Mechanismus: DNA-Looping-out und Deletion Kontrolliert durch Zytokine

10 Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 10 Plasma- zelle Gedächtnis- B-Zelle Ag IgM IgD Naive B-Zelle IgG, IgA, IgE T-Zell-abhängige und unabhängige Aktivierung +/-T H +T H 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)

11 Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 11 From Kuby 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)

12 Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 12 Thymus-abhängige B-Zellaktivierung THTH Lymphknoten Dendritische Zelle (DZ) CD4-T CD8-T MHC II MHC I DZ TKTK MHC II T-Zellzone B Plasmazelle Gedächtnis-B B-Zellzone Infektion

13 Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 13 Afferentes lymphatische Gefäß Paracortex (T-Zell-Zone) B-Zell- Zone Mark Arterie Sekundärer B-Folikel Keimzentrum Primärer Follikel (B-Zellen) Efferentes lymphatisches Gefäß Vene Periphäre lymphatische Organe Lymph- knoten Peyer'sche Plaques Milz Appendix Tonsilen

14 Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 14 IgM Antigen (Antikörper generierend) B-Zell- Klon +/-T H Kurzlebige Plasmazelle (IgM) Lymph- knoten Reife B-Zelle +T H Sekundär- Follikel mit Keimzentrum Primär- follikel Keimzentrums- reaktionen Gedächtnis IgH-Klassen- wechsel Selektion Somatische Hypermutation Proliferation Gedächtnis- B-Zelle (IgG, IgA, IgE) Langlebige Plasmazelle (IgG, IgA, IgE) Expansion Differenzierung T-Zell-Zone (Extrafollikuläre Reaktion) B-Zell-Zone (follikuläre Reaktion) Überblick: T-Zell-vermittelte B-Zellaktivierung

15 Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 15 Extrafollikuläre Phase der B-Zellaktivierung CD40L BZR Immunologische Synapse CD40 IL2/4/5 ILR 1 2 MHC II + Peptid TZR THTH 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) Träger T-Zell-Epitop (Peptid) Träger

16 Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 16 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 Ig α Ig β Signalosome BZR-Signaltransduktion X-X-Tyr-X-X-Tyr-x

17 Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 17 Bedeutung des Korezeptors für Ag- abhängige B-Zellaktivierung Ohne Beteiligung des Korezeptors sind 10 4 mIgM-Moleküle notwendig, mit Beteiligung des Ko-Rezeptors jedoch nur ca mIgM- Moleküle Immunisierung mit Fusionsprotein besteh- end aus Antigen und C3d induziert fach höheren Antikörpertiter als Antigen alleine POSITIVES SIGNAL Aus Abbas: Cellular and Molecular Immunology ITAM Beteiligung des Korezeptors erniedrigt die für die B-Zellaktivierung benötige Antigendosis BZR-Korezeptoren erniedrigen die Aktivierungsschwelle

18 Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 18 Cross-talk zwischen BZR und FcR (negatives Signal) Aus Abbas: Cellular and Molecular Immunology BCR Ig αβ ITIM (Immunoreceptor Tyrosine-Based Inhibitory Motif) I/L/V x pY x x I/V/L SHP src homology containing phosphatase Rekrutierung ITAM Terminierung der B-Zellaktivierung bei Überschuss löslicher Ag-spezifischer Antikörper

19 Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 19 Janeway Dark zone T B Somatic mutation of V H / V L regions Basal light zone Selection of high- affine centrocytes by 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-body macrophage Centroblast (activate B cell) Centrocyte

20 Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 20 Aus Janeway Punktmutationen 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

21 Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 21 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 AID Cytosin Uracil AID, a critical component of the Ig hypermutator AGCT TCGA AGCT TUGA AGCT T GA Uracil-N- glycosidase (UNG) AID Modifier (??) fills gap with any base SHM

22 Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 22 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 V H C C C 3 C 1 C 2b C 2a C C S S 3 S 1 S 2b S 2a S S IgG1 CSR C C 3 V H C 1 C 2b C 2a C C C AID

23 Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 23 Distribution of mutations before and after selection by Ag-Ab complexes on FDC Mutationsrate von IgV = bp/Generationszeit Natürliche Mutationsrate = bp/Generationszeit Somatic hypermutation Somatic Hypermutation (SHM) AID Mutations cluster in paratop (Ag binding sites) VHVH residue Mutated GC centrocystes before selection obind immunogen not at all with lower affinity with the same affinity with the same affinityt with higher affinity obind different antigen oreact with self-antigen oproduce no BCR (nonsense Mutation) Selection

24 Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 24 Mutationsrate von IgV = bp/Generationszeit Natürliche Mutationsrate = bp/Generationszeit Somatische Hypermutation (SHM) Selektion B-Zellen obinden ursprüngliches Antigen gar nicht schlechter mit derselben Affinität besser besser oBinden anderes Antigen oBinden Selbstantigen oProduzieren keinen Ig-Rezeptor (nonsense Mutation) Konsequenz der Hypermutation Mutationsverteilungen

25 Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 25 Janeway Dark zone T B Somatic mutation of V H / V L regions Basal light zone Selection of high- affine centrocytes by binding to Ag- Ab complexes on FDC Apical light zone IgH class switch Memory B Plasma blasts Long-lived plasma cells in bone marrow Memory B Plasmablast Selected centrocyte Follicular dendritic cell (FDC) Ag-Ab complexes Tingible-body macrophage Centroblast (activate B cell) Centrocyte Selektion von B-Zellen mit hoch-affinen BZRs Kuby

26 Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 26 Selektion von B-Zellen mit hoch-affinen BZR B-Zellen erkennen Antigen auf FDZ aus Abbas

27 Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 27 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 Tetanus k=10 6 M -1 Tetanus k=10 8 M -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)

28 Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 28 Janeway Dark zone T B Somatic mutation of V H / V L regions Basal light zone Selection of high- affine centrocytes by binding to Ag- Ab complexes on FDC Apical light zone IgH class switch Memory B Plasma blasts Long-lived plasma cells in bone marrow Memory B Plasmablast Selected centrocyte Follicular dendritic cell (FDC) Ag-Ab complexes Tingible-body macrophage Centroblast (activate B cell) Centrocyte Selektion von B-Zellen mit hoch-affinen BZRs Kuby Eliminierung autoreaktiver B- Zellen, die, wenn an FDZ gebunden, auch positiv selektioniert werden können

29 Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 29 Aus Janeway Secondary, long- lived plasma cell IgM, IgA, IgG, IgE Memory B cell IgG, E, A Quellen für Antigen: FDZ-gebundenes Antigen FDZ-gebundenes Antigen Iccosomen – Immuncomplex-coated bodies Iccosomen – Immuncomplex-coated bodies (werden von der FDZ abgegeben. Diese binden dann an B-Zellrezeptor) Keimzentrum B-Zelle CD40L B BZR Antigen THTH Ag-spezifische T H -Zelle TZR CD40 IL2/4/5 ILR MHC II + Peptid Selektion und Differenzierung

30 Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 30 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 coworkers Blimp1 + Knock-out mouse (RAG complementation Approach) Transfection of Blimp1 gene into lines and primary B cells B cell Terminal plasma differentiation

31 Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 31 Primary Response Naive B Predominantly IgM but also other classes Lag 7-10d Peak 4-7d Thmyus-dependent & -independent Ag Low affinity (~ /M) Secondary Response Memory B IgG and others Lag 1-3d Peak 3-5d Thymus-dependent Ag Higher affinity ( /M) Higher titers (100 – 1000x) Aus Kuby Primary and Seconday Antibody Response

32 Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 32

33 Division of Molecular Immunology, Universitätsklinikum Erlangen 33 Primary repertoire V repertoire - specificity B Cell Maturation (BM) Zusammenfassung: Humorale Immunität Memory B cell Germinal Center SHM CSR Memory B Plasma Plasma cell +T H IgG IgA IgE Modified secondary repertoire V repertoire - increased affinity C H repertoire - effector functions Antigen-induced B Cell activation (Periphery) Ag


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