Humorale Immunität V. Produktion protektiver Antikörper

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

2. PRODUKTION PROTEKTIVER AK Knochenmark Prä-BZR IgM Unreife B-Zelle Stammzelle Prä-B-Zelle Pro-B-Zelle IgG Gedächtnis- B-Zelle IgM IgD +Ag +TH Plasma- zelle Naive, reife B-Zelle IgM, IgA, IgG, IgE Periphäres lymphatisches Organ

3. PERIPHERAL LYMPHATIC ORGAN (Modified secondary repertoire) plasma cell IgM IgG Ag + TH IgD mature B memory B IgG PRODKUKTION PROTEKTIVER AK Adult BONE MARROW(Primary Ab repertoire) IgM Stem cell pro-B pre-B immature B • Affinity maturation • Somatic hypermutation of V exons • Selection of high-affine BCRs • IgH class-switch • V(D)J rearrangement (RAG) • Selection of functional IgR lat. reperire dt. finden V-Repertoire (Diversity) V-Repertoire (Affinity) CH-Repertoire (Effector)

4. IgG, IgA, IgE Antigen-abhängige B-Zellaktivierung IgA • Molekulare Merkmale: • IgM/IgD-Koexpression • IgMmem → IgMsec • Ig-Produktion ↑ • IgH-Klassenwechsel IgM IgG Plasma- zelle IgM Ag IgD Naive B-Zelle Gedächtnis- B-Zelle

5. Humorale Immunität Antikörper (IgM) Kurzlebige Plasmazelle Antigen (Antikörper generierend) Gedächtnis- B-Zelle (IgG, IgA, IgE) B-Zell- Rezeptor (IgM) +/- TH Keimzentrum • Somatische Mutation • Selektion • IgH-Klassen-wechsel • Gedächtnis +TH Langlebige Plasmazelle (IgG, IgA, IgE) B cell clone Primäres B-Zell- Repertoire (Spezifität) Differentiation Klonale Expansion

6. Ko-expression von IgM und IgD IgM Reife B-Zelle IgM Unreife B-Zelle IgD Knochenmark Peripherie Genetischer Mechanismus: Differentielles Spleißen einer gemeinsamen Prä-mRNA Aus Janeway

7. Igb Iga Carboxy-terminales Ende Membran- domäne Umschaltung auf Ig-Sezernierung 1 Plasmazelle B-Zelle mIg Ig

8. Prä-mRNA AAAA Cap AAAA Cap mm ms Umschaltung auf Ig-Sezernierung VH Cm1 Cm2 Cm3 Cm4 Mm1,2 DNA Poly(A)s Poly(A)m mRNA H-Kette Genetischer Mechanismus: Konkurrenz der Poly(A)-Reaktion und dem Spleißvorgang

9. Cd Cm Cg3 VH Cg1 Cg2b Cg2a Ce Ca CSR AID VH Cg1 Cg2b Cg2a Ce Ca IgG1 IgH Class Switch Recombination (CSR) 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) VH Cm Cd Cg3 Cg1 Cg2b Cg2a Ce Ca Sm Sg3 Sg1 Sg2b Sg2a Se Sa IgM S, Schalter (switch)-Regionen Kontrolliert durch Zytokine Genetischer Mechanismus: DNA-Looping-out und Deletion

10. IgG, IgA, IgE T-Zell-abhängige und unabhängige Aktivierung The World of Antigens (Antikörper generierend) • 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 +/-TH Plasma- zelle IgM Ag IgD +TH Naive B-Zelle Gedächtnis- B-Zelle

11. Thymus-unabhängige (TI) Aktivierung (Thymus- Dependent) (Thymus- Independent) From Kuby • 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 • 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

12. T-Zellzone Lymphknoten DZ MHC I MHC II TK CD8-T MHC II CD4-T Dendritische Zelle (DZ) B-Zellzone Gedächtnis-B B TH Plasmazelle Thymus-abhängige B-Zellaktivierung Infektion

13. B-Zell- Zone Primärer Follikel (B-Zellen) Mark Arterie Paracortex (T-Zell-Zone) Vene Afferentes lymphatische Gefäß Efferentes lymphatisches Gefäß Sekundärer B-Folikel „Keimzentrum“ Periphäre lymphatische Organe Lymph-knoten Appendix Milz Tonsilen Peyer'schePlaques

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

15. IL2/4/5 CD40L MHC II + Peptid TH TZR Immunologische Synapse Extrafollikuläre Phase der B-Zellaktivierung B-Zell-Epitop (Peptid oder Hapten) Träger T-Zell-Epitop (Peptid) Gekopplte Erkennung (Linked recognition) B- und T-Zellepitop müssen auf dem gleichen Molekül liegen Träger ILR • 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 CD40 1 BZR 2 + B

16. Signaling Complex and intracellular signaling pathways BCR IgαIgβ Signalosome P P docking of signaling proteins BZR-Signaltransduktion Signal Transducer and ITAM Motifs (Immunoreceptor Tyrosine-based Activation Motif) BCR Igα/Igβ X-X-Tyr-X-X-Tyr-x ITAM

17. BZR-Korezeptoren erniedrigen die Aktivierungsschwelle • Bedeutung des Korezeptors für Ag-abhängige B-Zellaktivierung • Ohne Beteiligung des Korezeptors sind 104 mIgM-Moleküle notwendig, mit Beteiligung des Ko-Rezeptors jedoch nur ca. 102 mIgM-Moleküle • Immunisierung mit Fusionsprotein besteh-end aus Antigen und C3d induziert 1000-fach höheren Antikörpertiter als Antigen alleine POSITIVES SIGNAL Aus Abbas: Cellular and Molecular Immunology ITAM ITAM Beteiligung des Korezeptors erniedrigt die für die B-Zellaktivierung benötige Antigendosis

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

19. Follicular reaction (in germinal center) Apical light zone • IgH class switch • Memory B • Plasma blasts Memory B Plasmablast Long-lived plasma cells in bone marrow Selected centrocyte Basal light zone Follicular dendritic cell (FDC) Selection of high-affine centrocytes by binding to Ag-Ab complexes on FDC Ag-Ab complexes Centrocyte B T Tingible-body macrophage Janeway Dark zone Somatic mutation of VH /VL regions Kuby Centroblast (activate B cell)

20. Mutations-Stammbaum V Somatische Punktmutationen Somatische Punktmutationen in V-Region AID Punktmutationen sind willkürlich über das gesamte V-Exon des L- und H-Ketten gens verteilt (keine Hotspots !!!!) Aus Janeway

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

22. Cd Cm Cg3 VH Cg1 Cg2b Cg2a Ce Ca AID VH Cg1 Cg2b Cg2a Ce Ca IgG1 AID is essential for IgH Class Switch Recombination (CSR) VH Cm Cd Cg3 Cg1 Cg2b Cg2a Ce Ca Sm Sg3 Sg1 Sg2b Sg2a Se Sa IgM CSR 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)

23. Mutationsrate von IgV = 10-5 bp/Generationszeit Natürliche Mutationsrate = 10-12 bp/Generationszeit Selektion Somatische Hypermutation (SHM) Somatische Hypermutation (SHM) Konsequenz der Hypermutation Mutationsverteilungen • B-Zellen • binden ursprüngliches Antigen • gar nicht • schlechter • mit derselben Affinität • besser • Binden anderes Antigen • Binden Selbstantigen • Produzieren keinen Ig-Rezeptor (nonsense Mutation)

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

25. Selektion von B-Zellen mit hoch-affinen BZR B-Zellen erkennen Antigen auf FDZ aus Abbas

26. Ergebnis der Selektion  Affinitätsreifung B-Lymphozyten behalten Spezifität, besitzen aber einen BZR mit einer höherer Affinität zu dem für die Immunisierung verwendeten Antigen (Affinitätsreifung) Mutationscluster in Paratop (Ag-Bindestellen) Tetanus k=108M -1 Tetanus k=106 M-1 Naiv Gedächtnis Mutationen vor Selektion sind über gesamte V-Region verteilt Mutationen nach Selektion clustern in CDRs ‚Nebenprodukt‘: Autoreaktive B-Zellen, die ein Selbst-Antigen auf FDZ erkannt haben

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

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

29. Terminal plasma differentiation Requirement for BLIMP-1 (B lymphocyte induced maturation protein 1) and XBP-1 (X-box binding protein), two transcriptional suppressors/repressors Transfection of Blimp1 gene into lines and primary B cells • Calame and coworkes • Davis and coworkers Blimp1 + B cell Knock-out mouse (RAG complementation Approach) XBP-1 -/- Glimcher and coworkes

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

32. Antigen-induced B Cell activation (Periphery) Plasma cell Germinal Center +TH Ag IgG IgAIgE • SHM • CSR • Memory B • Plasma Memory B cell Modified secondary repertoire Vrepertoire - increased affinity CH repertoire - effector functions Zusammenfassung: Humorale Immunität B Cell Maturation (BM) Primary repertoire V repertoire - specificity