Steinhoff, Ulrich Johannes: Von Toleranz zur Autoimmunität. In vivo Analysen über die Funktion und die Bedeutung autoreaktiver CD4+ und CD8+ T-Zellen

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Kapitel 2. Theoretische Grundlagen

2.1 Toleranzmechanismen

2.1.1 Zentrale Toleranz

Die Induktion und Aufrechterhaltung immunologischer Toleranz in einem sich entwickelnden und reifen Immunsystem (T-Zellsystem) wird durch eine Vielzahl unterschiedlicher Mechanismen gewährleistet, die im Thymus aber auch im peripheren lymphoiden und nicht-lymphoiden Gewebe stattfinden. Für das heranreifende Immunsystem ist der Thymus das Zentralorgan, in dem T-Zellen, sobald sie einen funktionellen T-Zellrezeptor exprimieren, einer ersten Kontrolle auf potentielle Selbstreaktivität unterzogen werden. Werden während dieser frühen Entwicklungsphase Selbstantigene mit einer hohen Avidität erkannt, so führt dies zum apoptotischen Zelltod von unreifen Thymozyten (, ). Dieser Prozess wird als negative Selektion bezeichnet. Antigenspezifische, zentrale Toleranz erfordert, daß ein entsprechendes Selbstantigen entweder direkt im Thymus exprimiert wird oder über die Blut- bzw. Lymphzirkulation dorthin gelangt (). T-Zellen erkennen kein intaktes Protein sondern prozessierte Peptidfragmente, die an MHC-Moleküle gebunden sind. Deshalb stellt die Effizienz der Antigenprozessierung und -präsentation von Zellen im Thymus einen limitierenden Faktor in der Verfügbarkeit von Selbstantigen dar. Es ist heute weitgehend akzeptiert, daß im Thymus T-Zelltoleranz gegen ubiquitär vorkommende Zelloberflächenantigene, Serumkomponenten oder Proteine des allgemeinen Zellstoffwechsels erzeugt wird (). Unklar ist jedoch, wie Selbsttoleranz gegen Proteine, die nur während bestimmter Entwicklungsstadien, oder nur in bestimmten Organen vorkommen, entsteht.


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2.1.2 Periphere Toleranz

Die Entstehung von Toleranz gegen gewebespezifische Antigene wurde in zahlreichen Studien untersucht. Da die Frequenz autoreaktiver T-Zellen in einem normalen polyklonalen T-Zellrepertoire sehr niedrig ist (1/104 - 1/106 Zellen), wurden solche Untersuchungen erst mit der Generierung von T-Zellrezeptor (TZR) transgenen Tieren möglich. Ein großer Teil der T-Zellen exprimiert einen TZR mit definierter Spezifität, wodurch diese Zellen leicht verfolgt und analysiert werden können. Untersuchungen an transgenen Tieren, die ein Neoselbstantigen und einen dafür spezifischen, transgenen TZR gleichzeitig exprimierten, zeigten, daß das Vorkommen potentiell selbstreaktiver T-Zellen in der Peripherie nicht automatisch mit Autoimmunpathologie gleichgesetzt werden kann (). Stattdessen scheinen verschiedene, sich gegenseitig nicht ausschließende Toleranzmechanismen in der Peripherie zu wirken, die die immunologische Integrität des Organismus sichern. Folgende Mechanismen werden derzeit diskutiert.

2.1.3 Periphere Deletion

In Analogie zur negativen Selektion im Thymus konnte durch adoptiven Transfer von naiven, antigenspezifischen T-Zellen gezeigt werden, daß diese nach Kontakt mit dem Selbstantigen auch in der Peripherie deletiert werden. Vor ihrer Eliminierung kam es jedoch zu einer starken Proliferation ohne Entstehung einer Gewebeschädigung (). Auch dort wo Selbstantigene nicht ubiquitär, sondern nur in bestimmten Gewebe exprimiert werden, wurde periphere Deletion beobachtet. Es stellte sich heraus, daß das Selbstantigen vom Ursprungsgewebe freigesetzt und im drainierenden Lymphknoten präsentiert wird (). Interessanterweise war diese Route der Antigenfreisetzung und


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Präsentation nicht nur auf CD4+ T-Zellepitope beschränkt, sondern wurde auch bei CD8+ T-Zellepitopen beobachtet (, ).

2.1.4 Ignoranz

Ignoranz beschreibt die Koexistenz von naiven, autoreaktiven T-Zellen bei gleichzeitigem Vorkommen eines entsprechenden Selbstantigens in der Peripherie (). Ignoranz ist ein "passiver Toleranzmechanismus", der eine räumliche Trennung von Antigen und potentiell autoreaktiven T-Zellen beschreibt (). Normalerweise zirkulieren naive T-Zellen im Blut- und Lymphstrom und verlassen das Gefäßsystem nicht. Unter bestimmten Bedingungen, wie z.B. einer Infektion oder Immunisierung, können solche T-Zellen jedoch aktiviert werden und dabei Gewebeschädigungen verursachen. Damit birgt diese Form der Toleranz die Gefahr, daß potentiell autoreaktive T-Zellen durch molekulares Mimikry (homologe Strukturen zwischen Pathogen und dem Wirtsorganismus) aktiviert werden und Infektionen zum Auslöser von Autoimmunität werden ().

2.1.5 Anergie

Das "Zwei-Signal-Modell" besagt, daß naive T- und B-Zellen nur dann vollständig aktiviert werden, wenn neben dem ersten Signal, der Stimulation durch den spezifischen Antigenrezeptor ein zweites Signal durch kostimulatorische Moleküle erfolgt (). Die erste Beschreibung eines kostimulatorischen Signals war die Bindung von CD28 an den B7 Liganden. Inzwischen wurden weitere kostimulatorische Moleküle beschrieben, zu denen auch Zytokine gehören (). Erfährt ein Lymphozyt eine Stimulation


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ausschließlich über seinen Antigenrezeptor, so ist dies nicht nur ein unvollständiges Stimulationssignal, sondern führt zu einer funktionellen Inaktivierung der Zellen. Dieser Zustand wird als Anergie bezeichnet. Hieraus wird ersichtlich, daß die Umgebung in der ein bestimmtes Antigen erkannt wird, entscheidend für die Stimulation oder Anergisierung eines naiven Lymphozyten ist. Man nimmt heute an, daß unter physiologischen Bedingungen nur professionelle antigenpräsentierende Zellen, besonders die Dendritischen Zellen, in der in der Lage sind gleichzeitig beide Signale zu übermitteln. Dendritische Zellen werden durch Botenstoffe (Chemo-und Zytokine) des angeborenen Immunsystems zu einem Infektionsherd gelockt, nehmen dort Antigen auf und wandern anschließend in die regionalen Lymphknoten, wo sie T-Zellen aktivieren (). Deshalb sollte Antigenkontakt in einem Gewebe, in dem kein inflammatorisches Zytokinmilieu herrscht oder kostimulatorische Moleküle fehlen, zu einer Anergisierung von T-Zellen führen. Anerge T-Zellen wurden aber auch nach chronischer Antigenstimulation beobachtet. Zellen, die nicht durch Apoptose eliminiert wurden, stellen nach Antigenstimulation die Proliferation ein und produzieren das immunsuppressiv wirkende Interleukin 10 (). Deshalb betrachtet man anerge T-Zellen nicht als vollständig paralysiert, sondern als T-Zellen, die statt ihrer Effektorfunktion eine regulatorische Funktion übernommen haben (). Es muss jedoch erwähnt werden, daß die molekulare Charakterisierung von Anergie der funktionellen Definition hinterherhinkt.

2.2 Regulatorische T-Zellen

Die Existenz sogenannter Suppressor-T-Zellen war über viele Jahre hinweg Gegenstand einer zum Teil hitzigen Debatte. Das Konzept regulatorischer T-Zellen erfuhr jedoch


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kürzlich eine Renaissance; mehrere Gruppen haben unabhängig voneinander gezeigt, daß thymus-abhängige T-Zellen die Effektorfunktion von sogenannten konventionellen T-Zellen in vitro und in vivo modulieren können (). Beeindruckend sind die Experimente, bei denen durch Transfer von CD4+ CD25+ regulatorischen T-Zellen die Entstehung einer Autoimmunpathologie verhindert werden konnte (). Die Differenzierung wie auch die Wirkungsweise regulatorischer T-Zellen ist bisher noch weitgehend unklar. Diskutiert wird derzeit, ob regulatorische T-Zellen ihre Wirkung über direkten Zell-Zellkontakt oder über die Sekretion von löslichen, antiinflammatorischer Zytokinen wie z.B. Interleukin 10 oder TGF-beta (Transforming growth factor) ausüben.

2.3 Hitzeschockproteine und Autoimmunität

Hitzeschockproteine (Hsp), auch Stressproteine genannt, sind eine Familie hochkonservierter Moleküle, die zu den am häufigsten in der Natur vorkommenden Proteinen gehören und nach ihrem Molekulargewicht bzw. ihrer Funktion klassifiziert werden. Die meisten Hsp üben sogenannte Chaperone-Funktionen aus, d. h. sie interagieren transient mit anderen Proteinen, um deren Zusammenbau, Faltung oder Transport innerhalb der Zelle zu unterstützen (). Darüber hinaus wurde gezeigt, daß Hsp wie GP96, Hsp70 und Hsp90 auch direkt mit Peptiden interagieren und somit an dem intrazellulären Antigentransport bzw. an der Antigenprozessierung teilnehmen (). Obwohl Hsp intrazelluläre Proteine sind, gibt es Hinweise, daß Hsp auch auf der Zelloberfläche von prokaryotischen und eukaryotischen Zellen exprimiert werden. So rufen Tumore eine Hsp-spezifische Immunantwort hervor, und eukaryotisches wie auch bakterielles Hsp 60 stimulieren über CD14, einem auf Dendritischen Zellen und


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Makrophagen vorkommenden Oberflächenrezeptor für mikrobielle Antigene, die Produktion von proinflammatorischen Zytokinen durch mononukleäre Zellen ().

Stressfaktoren, wie Infektionen, Entzündungen etc. sind Auslöser einer erhöhten Produktion von Hsp, zum Schutz der davon betroffenen Zellen bzw. eines Organismus. Gleichzeitig wurde gezeigt, daß bei vielen Infektionen und Autoimmunerkrankungen Hsp dominante Antigene der zellulären und humoralen Immunantwort sind (). Man nimmt an, daß durch die große strukturelle Homologie zwischen mikrobiellem und Säuger-Hsp, kreuzreaktive T-und B-Zellen aktiviert werden. Diese können in verstärktem Maße bei chronischen Entzündungsreaktionen bzw. Autoimmunerkrankungen nachgewiesen werden. Ob Hsp-spezifische Immunantworten jedoch direkte Auslöser oder nur Begleiterscheinungen solcher Erkrankungen sind, kann in vielen Fällen nicht beantwortet werden. Gegen einen grundsätzlichen Zusammenhang zwischen Hsp-Reaktivität und Autoimmunität spricht die Tatsache, daß selbst bei gesunden Personen Hsp-kreuzreaktive T-und B-Zellen nachgewiesen werden können. Man geht davon aus, daß diese durch kommensale Mikroorganismen in unserem Körper stimuliert werden. Überzeugende Belege für einen kausalen Zusammenhang zwischen Hsp-spezifischer Immunantwort und der Entstehung von Autoimmunerkrankungen stammen von zwei Tiermodellen, der Adjuvanz induzierten Arthritis bei Ratten und dem Diabetes in NOD Mäusen (). In beiden Fällen konnte durch Transfer von Hsp 60-spezifischen CD4+ T-Zellen die Krankheit in naiven Tieren induziert oder beschleunigt werden (). Ratten, die mit den entsprechenden Peptiden immunisiert wurden, entwickelten keine Arthritis und NOD-Mäuse wurden vor der Entstehung eines spontanen Diabetes geschützt (). Ob die Autoimmunpathologie direkt durch Hsp-kreuzreaktive T-Zellen ausgelöst wird, kann auch in diesen Fällen nicht zweifelsfrei gesagt werden, da bekannt ist, daß T-Zellen auch mit Peptiden geringer Homologie


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kreuzreagieren. Es konnte zudem nicht geklärt werden, ob solche Selbstantigene auch direkt von den Zellen eines betroffenen Gewebes prozessiert werden. Dieser Fragestellung nachzugehen, ist ein besonderes Anliegen dieser Arbeit.

2.4 Antigenprozessierung durch das proteasomale System

Die meisten antigenen Peptide, die von MHC Klasse I Molekülen präsentiert werden, stammen von zytosolischen Proteinen (endogene Antigene) ab, die von Zellen selbst synthetisiert wurden (). Der genaue Regulationsmechanismus des Abbaus zellulärer Proteine durch zytosolische Proteasen und damit der Produktion antigener Peptide, ist noch weitgehend unbekannt.

Obwohl viele Proteasen am Abbau intrazellulärer Proteine beteiligt sind, ist das Proteasom der wichtigste zytosolische Proteasekomplex durch den antigene Peptide mit einer durchschnittlichen Länge von 8-16 Aminosäuren generiert werden. Wenn solche Abbauprodukte einen hydrophoben C-terminalen Rest aufweisen, gelangen sie mit Hilfe sogenannter Transportermoleküle (TAP) in das endoplasmatische Retikulum (ER). Im ER können diese Peptide entweder direkt an MHC Klasse I Moleküle binden oder werden dort N-terminal auf ihre endgültige Länge gekürzt, ein Prozess der als Trimming bezeichnet wird ().

Die proteolytische Aktivität ist im 20S-Proteasom lokalisiert, einem multimeren Enzymkomplex, der aus vier zylinderförmig zusammengesetzten Ringen besteht. Die beiden äußeren Ringe setzen sich aus zwei alpha-Ketten und die inneren Ringe aus zwei beta-Ketten zusammen, die ihrerseits jeweils aus sieben Untereinheiten, alpha1-alpha7 und beta1-beta7, bestehen. Während die alpha4 und alpha6 -Untereinheiten mit den Proteasomenregulatoren PA700 und PA28 aber auch mit Proteinen viralen und zellulären Ursprungs


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interagieren, geht man davon aus, daß die katalytische Aktivität durch die drei beta-Untereinheiten, beta1, beta5 und beta2 bestimmt wird (). Durch Stimulation mit Interferon-gamma werden diese drei konstitutiven Untereinheiten gegen die induzierbaren Untereinheiten, ibeta1 (LMP2), ibeta5 (LMP7) und ibeta2 (MECL-1) ausgetauscht und bilden so das Immunoproteasom. Aus Untersuchungen mit Zelllinien ist bekannt, daß das Muster der Peptidfragmente vom Gehalt der Immunoproteasomen abhängt, nicht aber die Effizienz, mit der T-Zellepitope prozessiert werden (). Im Gegensatz dazu ist der Einfluß der proteasomalen alpha-Untereinheiten auf die Antigenprozessierung bisher noch nicht erforscht.


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Thu Feb 20 11:23:24 2003