Müller-Hilke, Brigitte: Die differentielle Expression von MHC II-Genen als Mechanismus bei der Entstehung von Autoimmunerkrankungen

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Kapitel 2. Einleitung

2.1 Autoimmunerkrankungen

Vor etwa 100 Jahren hat Paul Ehrlich die Vorstellung, daß es für den Organismus verheerende Folgen haben muß, wenn sich die in der Fremdabwehr so wirkungsvollen Antikörper gegen Selbst richten, horror autotoxicus genannt (Ehrlich und Morgenroth, 1901).

Seitdem sind eine Reihe von verschiedenen Erkrankungen beschrieben und als Autoimmunerkrankungen definiert worden, die durch eine fehlgesteuerte Immunantwort gegen Selbst charakterisiert sind. Dabei kann sich das Immunsystem - wie beim Diabetes mellitus - ausschließlich gegen ein einzelnes Organ richten oder es kann - wie beim systemischen Lupus erythematodes (SLE) - das gesamte System angreifen. Zwischen den organspezifischen und den systemischen Autoimmunerkrankungen liegt ein breites Spektrum an Mischformen, bei denen einzelne Organe in Verbindung mit dem System betroffen sind. Die zweithäufigste Autoimmun-erkrankung ist die Rheumatoide Arthritis (RA), bei der sich die Immunantwort bevorzugt gegen bestimmte Hand- und Finger- sowie Fuß- und Zehengelenke richtet und auf das Bindegewebe des gesamten Systems übergreifen kann. Einer von 100 Erwachsenen ist von dieser Erkrankung betroffen.

Die Ätiologie und Pathogenese der meisten Autoimmunerkrankungen sind noch weitgehend ungeklärt. Aufgrund von Ergebnissen aus Zwillingsstudien weiß man jedoch, daß sowohl genetische als auch Umwelt-Faktoren eine Rolle spielen.

Autoimmunerkrankungen verlaufen fast immer chronisch progressiv, münden in der Zerstörung der betroffenen Organe und können bei einem schweren Verlauf mit Systembeteiligung zum Tod führen. Für die Betroffenen bedeutet diese Erkrankung ein lebenslanges Leiden, für das es bisher keine Heilung gibt und das eine fortlaufende medizinische Betreuung erfordert. Volkswirtschaftlich betrachtet kommt den Autoimmunerkrankungen sowohl durch die ununterbrochene medizinische Versorgung der Patienten als auch durch eine mit dem Krankheitsverlauf zunehmende Arbeitsunfähigkeit der Betroffenen eine große Bedeutung zu.

Eine Erforschung von Autoimmunerkrankungen muß folglich zum Ziel haben, die Ursachen der Entstehung sowie mögliche Pathomechanismen zu untersuchen, um eine Grundlage für neue Therapiekonzepte entwickeln zu können.

2.2 Toleranz und Autoimmunität

Das Immunsystem der Vertebraten dient dazu, den Organismus gegen Fremderreger zu schützen und somit das Überleben der Art zu gewährleisten. Die Mammalia verfügen über das am höchsten entwickelte Immunsystem, das sich in einen angeborenen, unspezifischen und einen erworbenen, spezifischen Zweig gliedert. Die Hauptprinzipien der erworbenen Immunabwehr bestehen darin, i) eine nahezu unendliche Vielzahl von Erregern spezifisch abzuwehren, ii) ein Gedächtnis auszubilden, um bei wiederholtem Kontakt den Erreger noch schneller eliminieren zu können und iii) Toleranz zu entwickeln, damit sich die Immunantwort nicht gegen Selbst richtet. Man geht heute davon aus, daß eine der Ursachen für die Entstehung von Autoimmunerkrankungen in einer


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fehlerhaften Toleranzentwicklung liegt.

Die spezifische Immunabwehr wird durch B- und T-Lymphozyten vermittelt, die membranständig klonotypische Antigenrezeptoren exprimieren. Diese Rezeptoren sind der Antikörper (Ak) auf den B-Zellen und der T-Zellrezeptor (TZR) auf den T-Zellen. Durch den Antikörper ist die B-Zelle in der Lage, spezifisches Antigen sowohl in gebundener als auch in löslicher Form zu erkennen. Die T-Zelle erkennt ihr Antigen grundsätzlich unterschiedlich von der B-Zelle und benötigt für die Erkennung des Antigens dessen Präsentation über Haupt-Histokompatibilitäts-Antigene (MHC) oder CD1-Moleküle. Die CD8-positiven zytotoxischen T-Zellen (Tc) erkennen ein 8-11 Aminosäuren langes Peptid wenn es im Zusammenhang mit MHC I Molekülen präsentiert wird, die CD4-positiven Helfer T-Zellen (Th) benötigen für die Erkennung eines etwa 12-25 Aminosäuren langes Peptids die Präsentation über MHC II-Moleküle.

Beide, die B- und die T-Zelle durchlaufen eine Toleranzentwicklung, die jeweils in eine zentrale und eine periphere Toleranz mündet. Die zentrale Toleranzentwicklung findet für T-Zellen im Thymus statt, wo durch negative Selektion verhindert wird, daß T-Zellen mit einer hohen Affinität für Eigenantigene aus dem Thymus in die Peripherie entlassen werden. Für B-Zellen findet die zentrale Toleranzentwicklung wahrscheinlich noch im Knochenmark statt, wo durch den Prozeß des „receptor-editing“ dafür gesorgt werden könnte, daß Rezeptoren mit hoher Affinität für Eigenantigene ausgetauscht werden, bevor die B-Zelle in die Peripherie auswandert. In der Peripherie gesunder Menschen finden sich sowohl niedrig-affine autoreaktive T-Zellen als auch Autoantikörper und damit autoreaktive B-Zellen, ohne jemals pathologisch auffällig zu werden. Mit Hilfe der klonalen Deletion und der Anergie werden diese autoreaktiven B- und T-Zellen entweder entsorgt oder ruhig gestellt und so die periphere Toleranz aufrecht erhalten.

Mechanismen der zentralen Toleranz finden bereits während der Embryonalentwicklung statt, wohingegen die periphere Toleranz erst postnatal an Bedeutung gewinnt, wenn der Organismus mit Fremderregern konfrontiert wird und lernen muß, Fremd von Selbst zu unterscheiden. Die Tatsache, daß die meisten Autoimmunerkrankungen erst im Erwachsenenalter auftreten - Ausnahmen bilden hier die juvenile Arthritis, die Zöliakie und der Diabetes mellitus, die durchschnittlich im Alter von 2.5-9.8, 0.5-2, bzw. 12-20 Jahren auftreten - wird dahingehend gedeutet, daß bei der Entstehung von Autoimmunerkrankungen die periphere Toleranz durchbrochen wird weil die Mechanismen, die die periphere Tolranz im gesunden Zustand aufrecht erhalten, mit zunehmendem Alter nur noch fehlerhaft funktionieren.

2.3 Die Rolle von B- und T-Lymphozyten bei der Entstehung von Autoimmunerkrankungen

Ein großer Teil unseres heutigen Verständnisses über die Rolle von B- und T-Zellen bei der Entstehung von Autoimmunerkrankungen wurde aus der Untersuchung von Tiermodellen, insbesondere von Mausmodellen, gewonnen. So wissen wir, daß für die Ausprägung von systemischen Autoimmunerkrankungen ein enges Zusammenspiel von T- und B-Zellen nötig ist. Systemische Autoimmunerkrankungen sind primär durch die Überproduktion von hoch-affinen Autoantikörpern des IgG-Isotyps charakterisiert, für deren Produktion T-Zell-Hilfe benötigt wird. Diese Autoantikörper richten sich beim SLE gegen Zellkern-Bestandteile und werden entweder


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direkt oder als Immunkomplexe in den Glomeruli der Niere, der Haut, den Speicheldrüsen oder Gefäßen deponiert und führen dort zur Komplement-Aktivierung und Ligation von Fc-Reteptoren. Es wurde lange Zeit angenommen, daß diese Immunkomplexe für die Entstehung der Erkrankung verantwortlich sind, indem sie mononukleäre Zellen anlocken und damit die Entzündungen einleiten. An einem Mausmodell für den SLE, den MRL/lpr-Mäusen, konnte allerdings kürzlich gezeigt werden, daß B-Zellen zwar für die Ausprägung der Erkrankung benötigt werden (Chan et al. 1998), es aber auch ohne Autoantikörper zu Nephritiden mit mononukleären Infiltraten kommen kann. Diese Ergebnisse wurden dahingehend interpretiert, daß die B-Zellen wahrscheinlich als Antigen-präsentierende Zellen für autoreaktive T-Zellen dienen und diese aktivieren (Chan et al. 1999). Für die Organ-spezifische Atoimmunerkrankungen nimmt man schon seit längerem an, daß die T-Zellen die größere Rolle spielen. Die Kollagen-induzierte Arthritis in der Maus (CIA), die als ein Modell für die Rheumatoide Arthritis gilt und in der Maus ausschließlich die Gelenke betrifft, kann durch den adoptiven Transfer von CD4+ Th-Zellen aus einem erkrankten auf ein gesundes Tier übertragen werden (Kadowaki et al. 1994). Auf der anderen Seite wurde für den „T-Zell vermittelten“ autoimmunen Diabetes erst kürzlich in NOD Mäusen gezeigt, daß auch hier B-Zellen für die Auslösung der Erkrankung benötigt werden (Serreze et al. 1998).

2.4 Bedeutung der regulatorischen T-Zellen bei der Entstehung von Autoimmunerkrankungen

Durch ihre Kontrollfunktion bei der Produktion von Autoantikörpern und bei chronischen Entzündungsprozessen kommt den regulatorischen oder Effektor Th-Zellen bei der Entstehung und dem Verlauf von Autoimmunerkrankungen eine wichtige Rolle zu.

Man geht davon aus, daß sich in einem gesunden Organismus die Typ 1- und die Typ 2 Effektor Th-Zellen im Gleichgewicht befinden. Am Beispiel der Leishmanien-Infektion in der Maus wird jedoch deutlich, daß es für den Ausgang einer erfolgreichen Immunabwehr von entscheidender Bedeutung ist, ob mit einer Typ 1- oder einer Typ 2 Antwort reagiert wird. C57/BL6 Mäuse, die mit einer starken Typ 1 Antwort auf die Infektion reagieren, eliminieren den Erreger und überleben. BALB/c Mäuse hingegen, die aufgrund eines Defekts in der IL-12R-Expression überwiegend mit einer Typ 2 Antwort reagieren können, sterben (Reiner and Locksley, 1995). Am Ende einer erfolgreichen Immunantwort soll das Typ 1/Typ 2-Gleichgewicht wiederhergestellt werden.

Das grundlegende Typ 1/Typ 2 Paradigma sieht vor, daß naive CD4+ Th-Zellen durch den spezifischen Kontakt mit professionellen Antigen-präsentierenden Zellen (APZ) aktiviert und zur Produktion und Sekretion von sowohl pro-inflammatorischen Typ 1- als auch anti-inflammatorischen Typ 2 Zytokinen angeregt werden (s.Abb.1). Der primäre Kontakt zwischen Th- und Antigen-präsentierender Zelle - professionelle APZ sind die dendritischen Zellen (DZ), die B-Zellen und die Makrophagen (Mphi-gr) - wird über den TZR und das mit Antigen beladene MHC II-Molekül auf den APZ hergestellt. Paare von Adhäsionsmolekülen sorgen dann für eine Stabilisierung der Interaktion und eine Aktivierung der Zellen sorgt für die erhöhte oder de novo Sythese von weiteren Adhäsions- und kostimulatorischen Molekülen. Wichtige kostimulatorische Moleküle auf der APZ sind das CD40, welches mit dem CD40-Liganden (CD40L) auf den Th-Zellen interagiert (Grewal and Flavell 1996), das B7, welches mit dem CD28 interagiert (Linsley and


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Ledbetter, 1993), das LFA-3, welches mit dem CD2 interagiert (van Kooyk et al., 1989) und LFA-1, das mit dem ICAM-1 interagiert (Dustin et al., 1989), wobei sowohl LFA-1 und -2 als auch ICAM-1 auf Th-Zellen und auf APZ exprimiert werden. Die Stimulation von DZ über das CD40-Molekül sorgt auf den DZ für eine erhöhte Expression von B7 und ICAM, so daß die DZ in ihrer Funktion als APZ noch wirkungsvoller wird.

Auf den primären Kontakt zwischen Th- und APZ erfolgt eine Aktivierung der Th-Zelle, die zur Ausschüttung des T-Zell-Wachstumsfaktors IL-2 führt (s.Abb.1). Zusätzliche Signale steuern dann die Differenzierung in Richtung einer Typ 1 oder Typ 2 Effektor Th-Zelle. Diese zusätzlichen Signale werden sowohl durch Zytokine als lösliche Faktoren als auch durch direkten zellulären Kontakt vermittelt und räumen somit der jeweiligen APZ eine wichtige Rolle am Ausgang einer Immunantwort ein. Während es noch weitestgehend unbekannt ist, welche Adhäsions- oder kostimulatorischen Moleküle an der Polarisierung in Richtung Typ 1 odert Typ 2 beteiligt sind, konnte bereits mehrfach gezeigt werden, daß DZ und Mphi-gr mit einer IL-12-Ausschüttung auf die Stimulation über CD40 reagieren (Koch et al., 1996; Kato et al., 1996). Dieses IL-12 bedingt dann die Differenzierung der beteiligten Th-Zelle in Richtung einer Typ1 Effektor Th-Zelle (Germann et al., 1993; Seder et al., 1993). B-Zellen hingegen sekretieren kein IL-12 und spielen wahrscheinlich bei der Induktion von Typ 2 Effektor Th-Zellen die größere Rolle (s.Abb.2) (Stockinger et al., 1996).

Abb. 1 Schematische Darstellung der Interaktion zwischen naiver Th-Zelle und Antigen-präsentierender Zelle (APZ). Der primäre Kontakt führt zur IL-2 Produktion der Th-Zelle. Die aktivierte Th-Zelle kann dann durch zusätzliche Signale zu einer Typ 1 oder Typ 2 Effektor Th-Zelle differenzieren, die durch ihre jeweilige Zytokinproduktion die zelluläre bzw. die humorale Immunantwort kontrolliert.


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Im Gegensatz zu aktivierten humanen T-Zellen, die eine schwache MHC II-Expression zeigen, findet man auf murinen T-Zellen überhaupt kein MHC II-Moleküle exprimiert. Für die Maus schließt man deswegen eine Antigen-spezifische Interaktion zwischen Th-Zellen aus. Dennoch kommunizieren Th-Zellen über die sogen. „bystander“-Effekte miteinander. Bereits polarisierte Effektor Th-Zellen sind somit in der Lage, auf naive oder auch auf weniger differenzierte Th-Zellen einen Einfluß auszuüben.

Nach mehrmaligem Antigenkontakt verfestigt sich entweder das Typ 1- oder das Typ 2 Zytokin-Expressionsmuster, es entstehen die Typ 1 oder Typ 2 Effektor Th-Zellen und diese sind in ihrer Zytokinproduktion nur noch bedingt reversibel: Man geht davon aus, daß Typ1 Effektor Th-Zellen nicht mehr zur Typ 2-Zytokinproduktion gebracht werden können, da das STAT-6, welches das über den IL-4 Rezeptor (IL-4R) vermittelte und zur Typ 2- Differenzierung benötigte Signal weiterleitet, in terminal differenzierten Typ1 Effektor Th-Zellen schwächer exprimiert und unvollständig phosphoryliert wird (Huang and Paul, 1998). Typ 2 Effektor Th-Zellen hingegen können zu Typ 1 Effektor Th-Zellen revertieren, da der für die Typ 1 Differenzierung benötigte IFNgamma Rezeptor (IFNgammaR) auf Typ 2 Zellen durch entsprechend hohe Konzentrationen an IL-12 reinduziert werden kann (Guler et al., 1997).

Abb. 2 Die drei Typen der professionellen Antigen-präsentierenden Zellen und die von ihnen induzierten Effektor Zh-Zellen. Durch die Sekretion von IL-12 begünstigen die Makrophagen (Mphi-gr) und die dendritischen Zellen (DZ) eine Differenzierung zu Typ 1 Effektor Th-Zellen. Die B-Zellen (B) sekretieren kein IL-12 und fördern die Entwicklung von Typ 2 Effektor Th-Zellen, die dann T-Zellhilfe bieten.

Die Rheumatoide Arthritis ist eine chronisch entzündliche Erkrankungen, bei der die Typ 1 Effektor Th-Zellen überwiegen (Müller et al., 1998). Dabei glaubt man, daß das für das chronische Stadium charakteristische Ungleichgewicht zugunsten der Typ 1 Zytokine durch einen Krankheit-auslösenden Prozeß, z.B. eine Infektion, eingeleitet wird. Aufgrund der Häufigkeit von RA und der - wenn auch ungleichen - Verteilung über die gesamte Erde können die auslösenden Erreger keine seltenen Keime sein. Warum also reagieren manche Individuen mit einer Immunantwort, die in einer chronisch entzündlichen Erkrankung mündet? Und würde eine stärkere Typ 2 Antwort zum richtigen Zeitpunkt die Typ1 Effektor Th-Zellen wieder in ein Gleichgewicht zurüchdrängen? Um diese Frage zu beantworten, muß man verstehen, wie die Zytokinexpression von Th-Zellen am besten manipuliert werden kann und wie Th-Zellen miteinander kommunizieren. Mit dieser


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Problematik beschäftige ich mich in dem Kapitel „T-Zellkommunikation im 3-Zelltyp-Cluster“.

An dieser Stelle möchte ich auf den angeborenen Zweig des Immunsystems eingehen, der bei der Differenzierung zu Typ 1 oder Typ 2 Effektor Th-Zellen sicherlich eine größere Rolle spielt, als bisher angenommen wurde. Dabei ist sowohl die Effizienz, mit der Antigen präsentiert wird, von entscheidender Bedeutung als auch die Zytokinproduktion der APZ, die das jeweilige Antigen präsentiert, (s.Abb.2). Über die Zytokinproduktion kontrolliert die APZ die Antwort der mit ihr interagierenden Th-Zelle: Bei der Differenzierung zu Typ 1 Effektor Th-Zellen spielt IL-12 eine große Rolle, wobei IL-10 der Typ 1-Differenzierung entgegenwirkt (s.Abb. 3) (Mitchison et al., im Druck). Woher das initiale IL-4 kommt, von dem man annimmt, daß es für die Typ 2-Entwicklung benötigt wird, ist noch weitgehend unklar aber es werden sowohl die CD4+ Th-Zellen selbst als auch NK1.1+ Zellen diskutiert (Yoshimoto et al., 1994). Die Effizienz der Antigen-Präsentation hängt dann von der Antigen-Konzentration (Constant et al., 1995; Hosken et al., 1995) der Qualität und Quantität der kostimulatorischen Molekülen (Croft et al., 1992) und der MHC II-Dichte auf der jeweiligen Antigen-präsentierenden Zelle ab (Baumgart et al., 1998; Stockinger et al., 1996)

Abb. 3 Zusammenspiel verschiedener Zytokine bei der Typ 1-/Typ 2-Differenzierung. Typ 1 Effektor Th-Zellen aktivieren ruhende Antigen-präsentierende Zellen (APZ) und stimulieren sie zur IL-12 Produktion, die widerum eine Typ 1-Differenzierung unterstützt. Von Typ 2 Effektor Th-Zellen sekretiertes IL-10 inhibiert die Aktivierung der APZ, verhindert dadurch die IL-12 Sekretion und begünstigt Typ 2-Differenzierungen. Durchgezogene Pfeile symbolisieren Differenzierungen, gestrichelte Pfeile und Linien symbolisieren die Richtung, in der Zytokine aktivierend (+) oder inhibierend (-) wirken.

Beide, die Rheumatoide Arthritis und ihr Mausmodell, die Kollagen-induzierte Arthritis, zeigen neben der Typ 1- auch eine Typ 2 Komponente. Rheumafaktor+ (RF+) Patienten, das sind Patienten mit erhöhtem Titer an Autoantikörpern gegen Immunglobuline, zeichnen sich z.B. durch einen schwereren Verlauf aus als RF- Patienten (Paimela et al., 1995). Und bei einigen Patienten findet man in den Synovialmembranen Infiltrate mit Keimzentrum-ähnlichen Strukturen, die auf Th-Zellhilfe und damit auf Typ 2-Zytokine hindeuten (Berek and Kim, 1997). Bei der Kollagen-


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induzierten Arthritis in der Maus konnte zusätzlich gezeigt werden, daß für die Ausprägung der Erkrankung eine frühe Ausschüttung von Typ 2-Zytokinen nötig ist. Die Arthritis wurde verhindert, wenn die Mäuse zum Zeitpunkt der Immunisierung mit Kollagen zusätzlich mit einem IL-4-neutralisierenden Antikörper behandelt wurden (Hesse et al.1996).

2.5 Genetik von Autoimmunerkrankungen

Bei der Aufklärung genetischer Einflüsse auf die Entstehung von Autoimmunerkrankungen spielen Zwillingsstudien und die Analyse großer Familien mit mehreren betroffenen Individuen eine große Rolle. Tabelle 1 beschreibt die Häufigkeit verschiedener Autoimmunerkrankungen in der Gesamtbevölkerung, bei Geschwistern und bei monozygoten Zwillingen (Vyse and Todd, 1996 und Ollier and Symmons, 1992).

Die lambdas-Werte geben das Risiko für Geschwisterkinder von Patienten, an der gleichen Autoimmunerkrankung zu erkranken, an. Geschwisterkinder von RA-Patienten haben demnach im Vergleich zur Gesamtbevölkerung ein 8-fach höheres Risiko, ebenfalls an RA zu erkranken. Dass die Gene aber nicht die einzige Rolle bei der Entstehung von Autoimmunerkrankungen spielen, geht aus dem Erkrankungsrisiko monozygoter Zwillingspartnern hervor, wenn der erste Zwilling bereits unter einer Autoimmunerkrankung leidet. Bei dem SLE stellen die Gene fast 60% des Risikos zu erkranken dar, wohingegen bei der RA die Gene nur zu 32% beitragen und die Umweltfaktoren die weitaus größere Rolle zu spielen scheinen. Welche Umweltfaktoren für die Entstehung welcher Autoimmunerkrankung verantwortlich sind, ist noch völlig unklar. Bei den Genen beginnen wir langsam zu verstehen, welche eine Rolle spielen könnten und wir wissen mittlerweile, daß Autoimmunerkrankungen nicht durch einzelne sondern durch das Zusammenspiel mehrerer Gene ausgelöst werden. Aus dem Vergleich der lambdas- mit den MHC lambdas-Werten in Tabelle 1 geht hervor, daß die MHC-Gene in unterschielichem Ausmaß zu dem Risiko zu erkranken beitragen. Bei der Colitis ulcerosa stellen sie fast 70% und bei der RA 20% des genetischen Risikos (Tab. 1).

Tabelle 1: Häufigkeiten von Autoimmunerkrankungen in der Gesamtbevölkerung und in Familien

 

Gesamt-bevölkerung

Geschwister

lambdas

monozygoteZwillinge

MHC lambdas

Psoriasis

2.8 %

17.0 %

6

n.b.

n.b.

Rheumatoide Arthritis

1.0 %

8.0 %

8

32 %

1.6

Diabetes mellitus

0.4 %

6.0 %

15

50 %

2.4

Colitis ulcerosa

0.1 %

1.2 %

12

n.b.

8.3

SLE

0.1 %

2.0 %

20

57 %

n.b.

Multiple Sklerose

0.1 %

2.0 %

20

25 %

2.4

n.b.: nicht bestimmt; lambdas= Risiko der Geschwister/Risiko in der Gesamt-Bevölkerung, zu erkranken


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Welche Gene - zusätzlich zu den MHC-Genen - eine Rolle spielen könnten, wird hauptsächlich an Mausmodellen und mit Hilfe der Mikrosatelliten-Technik in Kombination mit Genom-Scans untersucht. In NOD- und in NZBxNZW Mäusen, Modelle für den Diabetes mellitus und den SLE, wurden insgesamt 26 bzw. 14 an der Entstehung der Erkrankung beteiligten Genloci beschrieben, wobei die einzelnen Gene noch nicht identifiziert sind (Vyse and Todd 1996; Vyse and Kotzin, 1998). Im Menschen konnte für den SLE bereits gezeigt werden, daß fehlerhafte Komplement-Komponenten, verringerte Komplement-Rezeptor Expression, Polymorphismen in Fcgamma-Rezeptoren sowie durch einen Genpolymorphismus hervorgerufene reduzierte TNFalpha-Spiegel mit der Auslösung der Erkrankung assoziiert sind (Vyse and Kotzin, 1998).

Insgesamt haben die Zytokingene und dazugehörige Polymorphismen, die sich auf die Expression auswirken, im Zusammenhang mit der Genetik von Autoimmunerkrankungen eine hohe Aufmerksamkei erlangt. Aber nur an wenigen Beispielen konnte tatsächlich eine Assoziation zwischen genetisch bedingter Über- oder Unterproduktion pro-inflammatorischer Zytokine und dem Auftreten einer Autoimmunerkrankungen gezeigt werden. Eines dieser Beispiele ist die ankylosierende Spondylitis, bei der der -308.1 Polymorphismus im TNFalpha-Gen mit dem Auftreten der Erkrankung assoziiert wurde (McGarry et al, 1999). Weitere Beispiele sind die frühkindliche Oligoarthritis Typ I und die RA, bei denen das Vorhandensein des IL-1A2-Allels mit dem Auftreten der Erkrankung (McDowell et al., 1995) bzw. mit erhöhten Krankheitsparametern korreliert wurde (Jouvenne et al., 1999).

Gemeinsam ist allen Autoimmunerkrankungen eine Assoziation mit bestimmten HLA-Haplotypen der Klasse I oder II (s. Tab. 2). Dabei gibt es sowohl positive als auch negative Assoziationen, die für die jeweilige Erkrankung krankheitsassoziierte, neutrale und protektive Haplotypen und Allele definieren. DRB1*03 und DRB1*04 sind z.B. positiv mit dem Diabetes mellitus assoziiert, wohingegen DRB1*02 negativ assoziiert ist und als protektiv gilt.

Bei der RA spielen ebenfalls die HLA-DRB1-Gene eine wichtige Rolle. Allerdings kann es in Abhängigkeit vom jeweiligen Patientengut erhebliche Unterschiede für die Häufigkeiten assoziierter HLA-Haplotypen geben. Da die RA von Patient zu Patient einen sehr unterschiedlichen Verlauf nehmen und von leichten Entzündungen in wenigen Gelenken bis zu vollständigen Erosionen mit Systembeteiligung das gesamte Spektrum abdecken kann, ergibt die Analyse einer gemischten frühen Kohorte andere Daten als die Analyse ausschließlich schwerer Fälle, die im späteren Verlauf der Erkrankung gezielt ausgesucht werden können (Listing et al., 2000; Weyand et al., 1995; Valenzuela et al., 1999).

Bei RA-Patienten kaukasischen Ursprungs, die die am besten untersuchte Patientengruppe darstellen, sind deutliche Unterschiede zwischen Rheumafaktor (RF)+ und RF- Patienten beschrieben worden. So haben Weyand et al. eine Kohorte beschrieben, bei der 91 % der RF+ Patienten - im Vergleich zu nur 22% der Kontrollen - Gene der Gruppe HLA-DRB1*04 tragen (Weyand et al., 1995). Bei RF- Patienten waren nur etwa 35 % positiv für Gene der Gruppe HLA-DRB1*04, dafür exprimierten 50 % der HLA-DRB1*04- RA-Patienten Gene der Gruppe HLA-DRB1*01. Bei den Kontrollen exprimierten nur 27 % Gene der Gruppe HLA-DRB1*01. Ferner konnten Weyand et al. bei kaukasischen RA-Patienten den Krankheitsverlauf mit dem


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Tabelle 2: Assoziationen zwischen Autoimmunerkrankungen und HLA- Haplotypen

 

 

Häufigkeit

in %

Erkrankung

HLA-Haplotyp

Patienten

Kontrollen

Ankylosierende Spondylitis

HLA-B27

90

9

Reaktive Arthritis

HLA-B27

79

9

 

 

 

 

Rheumatoide Arthritis

DRB1*04

69

34

Frühkindl. Polyarthritis

DRB1*11

55

25

 

DRB1*08

38

7

 

DPB1*0201

61

21

SLE

DRB1*03

66

25

Diabetes mellitus

DRB1*03

52

25

 

DQB1*0201

66

45

 

DRB1*04

77

34

 

DQB1*0302

60

14

 

DRB1*02

7

28

 

DQB1*0602

3

17

Zöliakie

DRB1*03

78

25

Myasthenia gravis

DRB1*03

45

25

Multiple Sklerose

DRB1*02

61

28

Aus Ollier and Symmons, 1992

Vorhandensein bestimmter HLA-DRB1-Gene korrelieren (Weyand et al., 1995): Das Gen DRB1*0401 wurde mit den schwersten Krankheitsverläufen in Verbindung gebracht, gefolgt von DRB1*0404 und DRB1*0101.

Als protektiv im Zusammenhang mit der RA und dem Diabetes mellitus sind Gene der Gruppen HLA-DRB1*05, *07 und am deutlichsten der Gruppe *02 beschrieben worden (Lang et al., 1990; Stastny et al., 1988; Todd et al., 1987). Innerhalb eines Kontroll-Kollektivs exprimieren etwa 28 % HLA-DRB1*02, bei RA-Patienten sind es nur 16 % und bei Diabetes mellitus Patienten findet man - je nach Studie - 7% und weniger HLA-DRB1*02 positive Patienten (Stastny et al., 1988).

Die Mechanismen, mit denen die HLA-Gene Empfänglichkeit gegenüber Autoimmunerkrankungen bzw. Schutz davor vermitteln, sind weitgehend unbekannt und ihnen gilt mein besonderes Interesse. Für die mit der RA assoziierten HLA-Gene DRB1*0101, *0404 und *0408 wurde eine strukturelle Gemeinsamkeit gefunden, die auf der Aminosäuresequenz QRRAA in der dritten hypervariablen Region des MHC-Moleküls, welche die Peptid-bindende Grube bildet, beruht. Geringfügige Variationen davon findet man bei DRB1*0401 (QKRAA) und DRB1*10 (RRRAA) (Hall et al., 1996). Diese Homologien haben zu der „shared epitope“ Hypothese geführt. Die „shared epitope“ Hypothese beinhaltet, daß MHC-Moleküle mit den o.a. Homologien in der Peptid-bindenden Grube die krankheits-induzierenden Peptide binden und den T-Zellen präsentieren können und damit die Autoimmunreaktion ermöglichen (Gregersen et al., 1987). Alternativ könnten


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die MHC-Moleküle selbst die krankheitsinduzierenden Peptide liefern (Zanelli et al., 1996; Paul et al., 1993) und an der Formung des T-Zellrezeptor-Repertoires mitwirken.

Obwohl die „shared-epitope-Hypothese“ zunächst viele Anhänger gefunden hat, birgt sie doch mehrere Unstimmigkeiten. Abb. 4 listet alle bisher in der Genbank deponierten HLA-DRB1-Allele auf, die durch ein „shared epitope“ charakterisiert sind. Da wesentlich mehr Gene ein „shared epitope“ tragen, als mit der RA assoziiert sind, muß man zusätzliche Faktoren annehmen, die die Entstehung der RA beeinflussen. Des weiteren geht aus Tabelle 2 hervor, daß sowohl die RA als auch der Diabetes mellitus mit DRB1*04-Genen assoziiert sind. Es ist schwer vorzustellen, daß beide Erkrankungen durch das gleiche oder ein ähnliches krankheitsinduzierendes Peptid hervorgerufen werden bzw. daß beide Erkrankungen dasselbe T-Zellrezeptor-Repertoire benötigen. Noch unverständlicher ist die Situation für DRB1*03-Gene, die sowohl mit dem Diabetes mellitus, dem SLE, der Zöliakie u.a. assoziiert sind.

Abb. 4 Aminosäuresequenz aller DRB1-Allele mit einem “shared epitope“. Die Abbildung zeigt den jeweiligen Vergleich mit der Konsensus-Sequenz, die in der obersten Zeile steht. Übereinstimmungen sind durch einen Strich, Unterschiede durch die entsprechende Aminosäure gekennzeichnet. Die dem “shared epitope“ entsprechende Sequenz ist fett gedruckt, die Namen der Allele stehen links.

Wie also könnte man die Assoziation von ganzen Gruppen von Autoimmunerkrankungen mit bestimmten HLA-Haplotypen erklären? Bevor ich mein Modell, mit dem ich diese Frage zu beantworten suche und um das sich die vorliegende Arbeit dreht, vorstelle, möchte ich noch einmal auf die Maus zurückkommen. In der Maus gibt es eine Reihe von Beobachtungen, die andeuten, daß den protektiven MHC-Allelen eine weitaus größere Bedeutung zukommt als bisher angenommen. Das Mausmodell für die RA, die Kollagen-induzierten Arthritis (CIA), zeigt - ebenfalls wie die RA - eine deutliche Assoziation mit MHC II-Genen und kann nur in Mausstämmen des H-2q oder H-2r Haplotyps ausgelöst werden (Holmdahl et al., 1992; Gonzalez-Gay et al., 1994). Als protektiv im Zusammenhang mit der CIA gelten das I-Ab sowie das I-E Molekül. Beide sind zusätzlich bei der Ausbildung von Antikörpern (Brunner et al., 1995) oder bei der Entstehung des Diabetes in NOD-Mäusen (Hanson et al., 1996) als immunsuppressiv bzw.


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protektiv definiert worden. Das Vorhandensein von nur einem protektiven Allel hat in F1-Mäusen, die einen protektiven und einen krankheitsassoziierten I-Aq Haplotypen exprimieren, ausgereicht, die Entstehung der CIA zu verhindern bzw. den Verlauf stark abzuschwächen (Lund et al., 1990; Merino et al., 1993; Mitchison and Brunner, 1995; Nishimoto et al., 1987; Oliveira et al., 1985; Uehira et al., 1989).

Diese Beobachtung deutet darauf hin, daß die protektiven Allele einem aktiven Wirkungsmechanismus unterliegen. Sie könnte ferner bedeuten, daß das Vorhandensein zweier krankheits-assoziierter HLA-Allele deswegen zu einem schwereren Krankheitsverlauf führt, weil kein protektives Allel entgegenwirkt.

Ich möchte nun mein Modell der differentiellen MHC II-Expression, mit dem sich ein aktiver Wirkungsmechanismus der protektiven Allele erklären läßt, einführen. Dieses Modell sieht vor, daß die verschiedenen MHC II-Moleküle auf den unterschiedlichen Antigen-präsentierenden Zellen (APZ) unterschiedlich stark exprimiert werden. Aus einer quantitativ differentiellen Expression der verschiedenen Haplotypen folgen Unterschiede in den jeweiligen Interaktionen zwischen Th- und Antigen-präsentierenden Zellen, daraus folgen unterschiedliche Polarisierungen der Th-Zell-Antworten und schließlich eine Prädisposition für oder Schutz vor Autoimmunerkrankungen (s. Abb. 5).

Abb. 5 Modell der differentiellen Expression von MHC II-Genen. Quantitative Unterschiede in der Dichte von MHC II-Molekülen auf der Oberfläche der jeweiligen APZ bedingen quantitative Unterschiede in der Interaktion mit Th-Zellen und resultieren somit in unterschiedlichen Polarisierungen.

Durch eine stete Polarisierung des Immunsystems in Richtung von Typ 1 Effektor Th-Zellen würden solche Autoimmunerkrankungen, die durch ein Überwiegen der Typ 1 Zytokine charakterisiert sind, in ihrer Entstehung und/oder ihrem Fortlauf begünstigt. Alternativ wäre denkbar, daß die Typ 2 Zytokin-Ausschüttung, die z.B. für die Induktion der CIA benötigt wird, durch die Polarisierung in Richtung Typ 1 Effektor Th-Zellen unterbunden wird und es dadurch zum Schutz vor der Erkrankung kommt. Umgekehrt würde eine Polarisierung des Immunsystems in Richtung von Typ 2 Effektor Th-Zellen diejenigen Autoimmunerkrankungen begünstigen, die durch ein Überwiegen der Typ 2 Zytokine gekennzeichnet sind.


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Gibt es bereits Hinweise auf eine differentielle Expression der MHC II Gene? Eine Korrelation von unterschiedlichen H-2 Haplotypen und unterschiedlicher Zytokinproduktion wurde zum ersten Mal im 4-Hydroxyphenylpyruvat Dioxygenase (HPPD)-System beschrieben, wo kongene Mäuse, die entweder den H-2k oder den H-2b Haplotypen tragen, mit allo-HPPD immunisiert wurden. Innerhalb von 24 Stunden nach der Immunisierung reagierten die H-2k Mäuse mit einer IL-4 Ausschüttung und später mit einer Antikörperproduktion. In Mäusen mit dem immunsuppressiven H-2b Haplotyp und auch in H-2k x H-2b F1-Mäusen hingegen konnte weder eine IL-4 Ausschüttung noch eine Antikörperantwort beobachtet werden (Brunner et al. 1995).

Die bereits erwähnte frühe IL-4 Ausschüttung, die mit der Auslösung der CIA in empfänglichen Mäusen korreliert ist, konnten Hesse et al. zeigen, indem sie die Entstehung der Erkrankung durch die Gabe von neutralisierenden anti-IL-4 Antikörpern zum Zeitpunkt der Immunisierung mit Kollagen verhindern konnten (Hesse et al., 1996). Ferner wurde für den I-Abetab-Promotor ein einzelner Basenpaar-Austausch gefunden, der diesen Promotor von allen anderen I-Abeta-Promotoren unterscheidet und in einer Makrophagen-Zellinie zu einer erhöhten Transkription des Reportergens führt (Janitz et al., 1997). Unter der Voraussetzung, daß sich eine erhöhte Transkription auch in der Proteinexpression niederschlägt und die I-Aalpha-Kette nicht limitierend ist, würde man auf Makrophagen eine erhöhte Dichte an I-Ab Molekülen und damit eine erleichterte Interaktion mit I-Ab restringierten T-Zellen erwarten.

Mein Ziel bei der vorliegenden Arbeit war es, die differentielle MHC II Expression im Menschen und in der Maus nachzuweisen und eine funktionelle Bedeutung mit dieser Expression verbinden zu können. Ferner möchte ich einen Weg aufzeigen, in bestehende Typ 1/Typ 2 Ungleichgewichte, wie sie für Autoimmunerkrankungen charakteristisch sind, einzugreifen, um eine Abschwächung der Autoimmunreaktion zu bewirken.


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Wed Jan 31 11:54:30 2001