Klonale Selektion und Evolution im Immunsystem

Präsentation zum Thema: "Klonale Selektion und Evolution im Immunsystem"—  Präsentation transkript:

1 Klonale Selektion und Evolution im Immunsystem
Modul 34X1 Prof. Dr. Markus Müschen Molekulare Stammzellbiologie

2 Funktionen des Immunsystems:
Abwehr von Infektionen Unterscheidung von Fremd und Selbst

3 Selbst-Ignoranz und Fremd-Erkennung
Erworbene Immunität (Bsp. Kinderkrankheiten, Impfungen) durch Erkennen Lernen Gedächtnis von Antigen

4 Werkzeuge des Immunsystems:
Antigenrezeptoren, „Seitenketten“

5 Seitenketten-Theorie, Paul Ehrlich
Werkzeuge der Erkennung im Immunsystem sind Rezeptoren, „Seitenketten“ (1897) Spezifische Erkennung führt zur Stimulation und zur Produktion löslicher „Antikörper“

6 Problem der Seitenketten-Theorie
Die Anzahl möglicher Fremdantigene ist theoretisch unbegrenzt, die Anzahl der erkennenden Rezeptoren nicht Max Gruber, 1902

7 Instruktion Lamarck Zellen des Immunsystems können ihre Antigenrezeptoren („Seitenketten“) so anpassen, daß sie Antigen binden.

8 Instruktion vs Selektion Lamarck Darwin
Zellen des Immunsystems können ihre Antigenrezeptoren („Seitenketten“) so anpassen, daß sie Antigen binden. Zellen des Immunsystems werden positiv oder negativ selektioniert, je nach dem ob ihr Antigenrezeptor an Antigen bindet.

9 Instruktion vs Selektion Lamarck Darwin
Rezeptoren, Antikörper werden vom Antigen geformt, „instruiert“ Kontrollierte Denaturierung und Renaturierung von Serum Globulinen in der Anwesenheit oder Abwesenheit von Antigen Linus Pauling, 1940 Rezeptoren, Antikörper werden vom Antigen selektioniert Anwendung der Evolutionstheorie auf die Entwicklung des Immunsystems Macfarlane Burnet & David Talmage, 1957

10 By this art you may contemplate the variation of twenty letters1
Lösung des Seitenketten-Problems: Genetische Variabilität 1Joshua Lederberg: Instructive selection and immunological theory. Immunol Rev 1993, 185: 50-53

11 Variable Regionen von Antigenrezeptoren
lösen das Problem der Seitenkettentheorie Entstehung von Variabilität durch Rekombination und Mutation

12 Generierung eines theoretisch unbegrenzten Rezeptor-Repertoires durch somatische Rekombination
Rekombinatorische Vielfalt durch zufällige Kombination von V, D und J Gensegmenten, die gemeinsam für eine Variable Region kodieren Variable Regionen definieren die Spezifität und die Affinität gegenüber Antigen

13 Entstehung Variabler Regionen in B Lymphozyten
7 VH Genfamilien 7 DH Genfamilien 6 JH Gene 9 CH Gene V, variable D, diversity J, joining Segmente im IGH Lokus, auf Chromosom 14q32

14 Entstehung Variabler Regionen in B Lymphozyten
DH DH

15 DNA Doppelstrangbrüche initiieren Rekombinationsereignisse
DH JH

16 DNA Doppelstrangbrüche initiieren Rekombinationsereignisse
DH JH

17 DNA Doppelstrangbrüche initiieren Rekombinationsereignisse
DH JH

18 Sacred geometry of chance1
Keimbahnkonfiguration 1Sting, Ten Summoner's Tale, 1993

19 Entstehung Variabler Regionen, IGH
DH-JH Genumlagerung

20 Entstehung Variabler Regionen, IGH
VH-DH-JH Genumlagerung

21 Entstehung Variabler Regionen, IGH
VH-DH-JH Genumlagerung

22 Entstehung Variabler Regionen in B Zellen
VH DH JH Complementarity determining region III: durchschnittlich 10 Aminosäuren

23 Rekombinatorische Vielfalt in Variablen Regionen?
123 VH Segmente, davon nur 46 funktionell 27 DH Segmente 6 JH Segmente Rekombinationsmöglichkeiten davon nur potentiell funktionell

24 Rekombinatorische Vielfalt in Variablen Regionen?
Rekombinationsmöglichkeiten davon nur potentiell funktionell Zum Vergleich: Von jedem beliebigen Antigen werden kurze Peptide auf MHC-Komplexen präsentiert. Durchschnittliche Länge der Peptide: 9 Aminosäuren Anzahl der Aminosäuren: 20 Benötigte Variabilität: mindestens 209, etwa 5.1 x 1011

25 Zusätzliche Variabilität in den Fugen zwischen VH, DH und JH Gensegmenten
VH DH JH Complementarity determining region III: durchschnittlich 10 Aminosäuren

26 Zusätzliche Variabilität in den Fugen zwischen VH, DH und JH Gensegmenten
VH DH JH C A R N F N W G S D Y D A F D I W tgt gcg agg aac ttt aac tgg gga tcg gac tat gat gct ttt gat atc tgg VH DH JH N-Nukleotide N-Nukleotide

27 Somatische Rekombinationsereignisse im Knochenmark
Rekombinase Aktivität: RAG1, RAG2 N-Nukleotid Diversität: TdT

28 Lymphoide Vorläuferzellen: prä-B Zellen im Knochenmark

29 Etappen der frühen B Zell-Entwicklung
7 VH families 7 DH families 6 JH Segments HSC Keimbahn 7 VH families Pro-B DH-JH rearrangement DH-JH Pre-B Mat. B

30 Etappen der frühen B Zell Entwicklung
7 VH families 7 DH families 6 JH Segments HSC Keimbahn 7 VH families Pro-B DH-JH rearrangement DH-JH Pre-B VH-DHJH rearrangement VH-DHJH Erfolgreiche Umlagerung von V, D und J Segmenten ist notwendig für die Expression eines Antikörpers Mat. B Nur Zellen, die einen funktionellen Antikörper exprimieren, können überleben

31 Klonale Selektionstheorie (Burnet, 1957)
Die Fähigkeit, Antikörper zu produzieren, ist genetisch kodiert Antikörper-bildende Zellen haben nur wenige Spezifitäten Zellen werden durch Bindung an Fremd-Antigen selektioniert und bilden große Klone gleichartiger Tochterzellen Zellen, die Selbst-Antigen erkennen, werden deletiert

32 Vorhersagbarkeit des Ungewissen
Durch zufällige Rekombination von Gensegmenten wird eine theoretisch unbegrenzte Anzahl von Antigen-Spezifitäten generiert Die meisten dieser Spezifitäten sind nutzlos oder Selbst-reaktiv Durch Selektion können theoretisch für jedes denkbare Antigen in ausreichender Menge passende Antikörper produziert werden Die Produktion von Selbst-reaktiven Antikörpern wird verhindert

33 Erkennen, Lernen und Gedächtnis: ein bloßes Selektionsproblem?

34 Plausibilität der klonalen Selektionstheorie?
Antikörper sind relativ spezifisch wenige Selbst-Antigene werden erkannt, möglicherweise deckt das Repertoire auch nicht alle Fremdantigene ab Antikörper sind relativ unspezifisch viele Antikörper erkennen Selbstantigen und werden deletiert. Die verbleibenden Antikörper reichen möglicherweise nicht für eine effektive Immunantwort aus

35 Primäres und sekundäres Antikörper-Repertoire
Weitere Diversifizierung des primären Antikörper-Repertoires durch Rezeptor-Revision (Rekombination) Somatische Hypermutation (Mutation)

36 Rezeptor-Revision durch sekundäre VH Genumlagerung
Donor VH Rezipient VH JH DNA Doppelstrangbrüche entstehen an kryptischen RSS Motiven im 3‘ Bereich rearrangierter VH Gensegmente

37 Affinitätsreifung durch somatische Hypermutation und klonale Selektion
I II III IV.

38 Affinitätsreifung durch somatische Hypermutation und klonale Selektion
I II III IV.

39 Primäres und sekundäres Antikörper-Repertoire
IgD Sekundär, CD38 Primärfollikel, IgD

40 Weiterführende Literatur:
ab 7. November unter Fragen zur Vorlesung an: