Activation of T Lymphocytes Immunologie II Activation of T Lymphocytes Chapter 9 - Cellular and Molecular Immunology, Abbas-Lichtman-Pillai 6th edition Leslie Saurer Institut für Pathologie (Prof. Christoph Müller)

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 DC: nehmen in der Peripherie Antigene auf; falls Antigen mikrobieller Art  Reifung (B7 ) naive T Zellen: kontinuierliche Zirkulation durch sekundäre lymphoide Organe CCR7-vermittelte Migration von naiven T Zellen und DC in Lymphknoten B7-CD28 Interaktion (Co-Stimulation / Signal 2) für Aktivierung von naiven T Zellen erforderlich (siehe auch Kapitel 6)

Allgemeine Uebersicht über die T Zell Aktivierung Produktion von Zytokinen Aktivierung von Effektor-/Memory T Zellen braucht in der 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! Memory T Zellen Effektor Funktionen klonale Expansion (≥ 95%) Programmierter Zelltod / Apoptose (Fehlen von Ueberlebensignalen) (siehe Kapitel 11)

Aktivierung von (naiven) CD4 T Zellen Signal 1 Erkennung von MHC class II assozierten Antigenen, welche als lösliche Proteine durch professionelle APC (Dendritische Zellen) aufgenommen, prozessiert und präsentiert werden Signal 2 B7-CD28 vermittelte Co-Stimulation (IL-12 von APC) Autokrine Produktion von IL-2 (Signal 3) Expression von Hochaffinitätsrezeptoren für IL-2 (CD25 = IL-2Ra-Kette) autokrine Proliferation / klonale Expansion (ca. 1000x) funktionelle Differenzierung: Zytokine (z.B. IL-4, IL-5, IL-6, IFNg, IL-10, TGFb,...,...,...) Effektor-Moleküle (z.B. Perforin, Granzyme,...)

Aktivierung von (naiven) CD8 T Zellen Signal 1 Erkennung von MHC class I assozierten Antigenen, welche von zytosolischen Proteinen abstammen Signal 2 Co-stimulation: B7-CD28 CD4 Hilfe: Zytokine oder CD40L-CD40 vermittelte Aktivierung von APC Aktivierung von naiven CD8 T Zellen erfordert Präsentation von Antigen durch professionelle 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 infizierten Zellen 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 für bestimmte 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 Zellen abhängig 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 IFNg and TNFa  Aktivierung von APC “Delivering the kiss of death” Griffiths GM, Nat Immunol, 2003 Granula blau: actin rot: Lck grün: cathepsin

Bedeutung der Co-stimulation: CD28-B7 Interaktionen (siehe auch Kapitel 7) periphere Selbst-Toleranz CD40L-CD40 IFNg

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 Rezeptoren der CD28-B7 Familie (siehe auch Kapitel 7)

Signaltransduktion durch den TCR Komplex Uebersicht Phosphorylierung von CD3-assozierten ITAMs durch Lck Aktivierung von weiteren Tyrosine-Kinasen Rekrutierung und Phosphorylierung von Adaptorproteinen Bildung der immunologischen Synapse Aktivierung von diversen, miteinander “verketteten” intrazellulären biochemischen Pathways Aktivierung von Transkriptionsfaktoren, Translocation der Faktoren in Nucleus Genexpression Bindung TCR an Peptide-MHC Membran Cytoplasma Nucleus

Signaltransduktion durch den TCR Komplex Kinetik der Genexpression

Signaltransduktion durch den TCR Komplex Aktivierung von Tyrosine Kinasen Lipid Rafts: Cholesterol-angereicherte Microdomänen in der Zellmembran, welche häufig einen hohen Anteil an Signaltransduktions-Proteinen aufweisen Adaptor Proteine: Keine eigene enzymatische Aktivität; bilden vielmehr eine Plattform für die Interaktion von Enzymen mit ihren Substraten

Signaltransduktion durch den TCR Komplex Bildung der immunologischen Synapse bzw. des SMAC (supramolecular activation cluster) Verbindung von verschiedenen Lipid Rafts mit “aktivierten” TCRs zu einer Kontakstelle zwischen T Zelle und APC Peripherie des SMAC (p-SMAC): Integrine (in grün) Zentrum des SMAC (c-SMAC): TCR Komplex, Co-Rezeptoren, CD28-B7, Enzyme, Adaptor Proteine (in rot: TCR assozierte PKC)

Signaltransduktion durch den TCR Komplex 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 Hauptsächliche Signaltransduktions-Kaskaden Ras-MAP Kinase Pathway Protein Kinase C Pathway Calcium-Calcineurin Pathway

Signaltransduktion durch den TCR Komplex MAP Kinasen vermittelte Signaltransduktion LAT und Grb2: Adaptor-Proteine Sos: GDP/GTP exchange factor ERK: prototypische MAP Kinase Ras: G Protein Aktivierung von weiteren G Proteinen (z.B. Rac) führt zur parallelen Aktivierung von weiteren MAP Kinasen (z.B. JNK, p38) Mutierte, ständig aktivierte Ras Proteine (GTP): assoziert mit diversen Neoplasien

Signaltransduktion durch den TCR Komplex Calcium-Calcineurin und PKC vermittelte Signaltransduktion Bindung von PLCg1 an phosho-LAT, Phosphorylierung von PLCg1 durch ZAP-70 Hydrolyse von Phospholipid PIP2 durch aktivierte PLCg1 Calcium-Calmodulin PIP2 DAG Ca2+  Calcineurin PKC Aktivierung Transkriptionsfaktoren

Signaltransduktion durch den TCR Komplex Aktivierung von Transkriptionsfaktoren Cyclosporin: Immunsuppressives Medikament; bindet / inhibiert Calcineurin und dadurch Translocation von NFAT AP-1 und NFkb sind ubiquitäre Transkriptionsfaktoren, die durch eine Vielfalt von Stimuli induziert werden können (z.B. auch durch TLR 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 von NFkb in Endothelzellen nach Stimulation mit pIC (ds RNA Analog) (H. Gerber, IVI) Durchfluss-Zytometrie: Calcium-Freisetzung Färbung von Zellen mit Calcium-sensitiven Fluorochromen

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 zur Aktivierung 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 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 immunologische Synapse, SMAC, Lipid Raft Protein Tyrosin Kinasen / Protein Tyrosin Phosphatasen Lck, Fyn / SHP-1, SHP-2 ITAM / ITIM ZAP-70 Adaptor Proteine Ras, MAP Kinase, ERK PLCl, calcium, calcineurin, PKC NFAT, AP-1, NFkB 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 ?