T cells aktivering.
Kursbok: ”The immune system” Peter Parham
Kapitel 6
Primary Immune response:
First encounter of naive T cells with antigen on APC. This happens
in the secondary lymphoid tissues.
Priming = T cell aktivering
Activation of naive T cells on initial encounter with antigen on the
surface of an APC, which distinguish it from the responses of armed
effector T cells to antigen on their target cells or the response of
primed memory T cells. The co-stimulatory signal is an essential
part of the priming process.
Memory (Minne):
Skapandet av minnesceller är inte riktigt förstått idag. Dessa celler
skiljer sig från aktiverade celler genom att inte delta i försvaret vid
första infektion. De kommer att likna naiva T celler och vara ”coola”
tills nästa infektion med samma patogen. Svaret kommer då att vara
mycket mera effektiv och snabb. APC är nödvändiga för att aktivera
minnesceller.
1
• När de naiva T cellerna har fullföljt deras utveckling i tymus,
går de vidare via blodet till de perifera lymforganerna. De
recirkulerar mellan blodet och periferin tills de träffar på antigenet.
• För att kunna bekämpa patogen effektivt, måste naiva T celler
proliferera och differentiera till mogna effektor celler (armed
effector cells). Effektor celler kan antingen stanna kvar i lymfkörteln
eller migrera till infektionen.
Olika typer av effektor celler:
1) Peptider som kommer från patogen som förökar sig inom
cytosolen kommer att presenteras på MHC klass I
till CD8 T celler (cytotoxiska mördar celler), som dödar alla
infekterade celler.
2) Peptider som kommer från patogen som förökar sig inom
intravesikulära område, eller som kommer från fagocyterade
bakterier eller toxiner, presenteras på MHC klass II till CD4 T celler
som då differentieras till två olika typer av T hjälper celler.
2
Första mötet mellan de naiva T cellerna och antigen sker i de perifera
lymforganerna.
•Infektion i periferin:
lymfkörtlar
•Infektion i blodet:
spleen (mjälte)
•Infektion i mukösa
ytor: Peyer´s patches
Det viktigaste APC är
DC (Dendritiska
Celler).
3
Cell adhesion molecules:
•Möjliggör att T celler kommer in via HEV.
•Tillåter en bättre kontakt mellan T celler och APC.
•Stabiliserar kontakten mellan T-celler och target celler.
4
5
Aktivering av en T cell påverkar kraftfullt uttrycksnivåerna
av olika molekyler på deras yta.
LFA-1: Lymphocyte function associated antigen-1.
ICAM: Intercellular adhesion molecule.
6
När lymfocytens TCR binder till APCs MHC, så förändras LFA-1
konformation, som får en starkare affinitet till sina ligander,
ICAM-1 och ICAM-2.
7
T cells aktivering
kräver 2 oberoende
signaler
8
Varför 2 signaler?: Mest för att förminska riskerna för
autoimmun igenkännande. Ifall en CD8 T cell blir primad av en
APC för närvaro av ett virus, så kommer den att döda alla
infekterade celler. Men ifall en CD8 T cell känner igen en MHC +
self peptid utan att få en co-signal så kommer lymfocyten att bli
ANERGISK. Den kan inte längre reagera till något och bli
o-funktionell. Anergi innebär att lymfocyten inte kan producera IL-2.
CTLA-4´s roll är att stänga av signalen för proliferation (efter en
viss tid)
9
Signal Transduktion: Konversion från en form till den andra.
Ytcells receptorer aktiverar intracellulära signaler. De översätter en
extern signal till ett intracellulärt meddelande. Signalen är
transformerad till en suite av biokemiska kontakter som delas ut i
olika delar av cellen, underhålls och amplifieras tills det utmynnar i
nukleus, där aktivering av olika transkriptionsfaktorer aktiverar
genuttryck.
Receptorer = transmembran proteiner eller protein komplex som
länkar den yttre världen till den inre.
•Receptorn undergår en konformationsändring, den binder bättre
eller sämre till molekyler inuti cellen. Konformationsändringen
påverkar utseende på delar av den intracytoplasmiska delen av
receptorn.
•Receptorn öppnar en kanal där olika joner kan
glida igenom.
Hur fungerar det egentligen för signal transduktion för sådana
membran receptorer som BCR eller TCR?
•Den intracytoplasmiska delen av TCR eller BCR binds av
receptor-associerade tyrosin kinaser.
•Src familjen spelar en central roll här. De blir aktiverade så fort
som receptorn har bundit en ligand (MHC eller en patogen i
B cellernas fall). Src molekylerna kommer att sätta igång en kaskad
av intracellulära signaler hela vägen till nukleus.
•De två viktigaste medlemmar av Src familjen är SH2 och SH3
domäner (Src homology 2 eller 3 domains).
•Fosforylering är snabb och reversibel (proteinfosfataser plockar
bort fosfatfrupperna).
•Fosforylering skapar ett nytt bindning område för andra proteiner
som rekryteras från inuti cellen. Den första effekten är att alla
kaskadens proteiner som binder på den fosforilerade delen av
receptorn ansamlas på ett begränsat område: koncentration.
10
10 ITAMs
Immunoreceptor
Tyrosine-based
Activation
Motif.
Protein Tyrosin
Kinaser (Fyn,
ZAP-70).
11
Aktivering av signalen via TCR involverar
många steg som måste stämma:
1) TCR-MHC kontakt
2) Protein Tyrosin kinaser fosforilerar 10 ITAMs på CD3 och
speciellt ζ.
3) Protein tyrosin kinas ZAP-70 binder till den fosforilerade ζ.
4) Lck som är länkad till CD8 eller CD4 binder till ZAP-70,
fosforilerar den och aktiverar den.
5) ZAP-70 aktiverar LAT (linker of activation in T-cells) och SLP-76.
12
Makrofager: del av första försvarslinje. Engulferar allt främmande
och förhindrar på så viss att det skall ske någon skada.
MHC klass II och B7 uttrycksnivåer ökar kraftfullt direkt efter
intagningav ett patogen.
Macrophage mannose & scavenger receptors:
specifika för bakterie delar. Dessa receptorer spelar en viktig roll
vid intagning av patogen men kan också agera som
kostimulatoriska molekyler.
Kupffer celler i levern & makrofager i spleen:
Specialiserade på att äta upp döda celler.
13
DC: skapas i benmärgen varifrån de migrerar till blodet
och till de perifera vävnaderna.
Omogna DC har låg MHC uttryck,men är väldigt bra på
att spontant eller via specialiserade receptorer (DEC 205)
att fagocytera eller makropinocytera antigen.
Vid infektion, ändrar de karaktär, slutar ”käka” in saker
och istället ökar betydligt MHC klass I & II presentation,
adhesionsmolekyler och kostimulatoriska molekyler såsom
B7.
De uttrycker DC-CK, en kemokin som attraherar naiva
T celler.
Fagocytos
Kemokin som
attraherar T celler
14
Ingen ko-stimulatorisk signal
behövs för den fullt utvecklade
cytotoxiska effektor cell.
Klonal expansion
From immature to mature dendritic cells
Mature DCs, lose capacity
to take in antigen, express B7,
high levels of adhesion molecules
and MHC expression.
Immature
DCs
Take in antigen very efficiently,
and then migrate towards
peripheral lymphatic system;
low levels of MHC expression.
15
Aktiverade T celler sekreterar IL-2 och svarar till IL-2
Den ko-stimulatoriska
signalen sätter
igång IL-2 tillverkning
som meddelar
åt T cellen att den
skall börja proliferera
och differentiera.
B-celler:
•Internaliserar patogen mycket specifikt och effektivt genom
sina antikroppar.
•Delar av intagna bakterier inducerar högre uttryck av B7.
16
The differentiation of CD4 T cells into Th1 or Th2 cells determines
whether humoral or cell-mediated immunity will predominate.
IL-12
IFN-γγ
IL-4
IL-6
Cytokine environment
• IL-4 and IL-6 give Th2 predominance
• IFN-γγ and IL-12 give Th1 predominance
Different pathogens trigger different innate immunity
mechanisms that favor one cytokine environment over the
other.
17
The differential capacity of pathogens to interact with macrophages, NK cells and
NK1.1 CD4 T cells influence the overall balance of cytokines present early in the
immune response. This does determine whether Th1 and Th2 cells develop
preferentially to
bias the adaptive
immune response
towards a
cellular (MØ) or
humoral responses
(B-cells).
Macrophage
activation
Antibody production
activation
Th1 och Th2 producerar cytokiner som stänger av Th2 respektive
Th1 svar. De regulerar varandra. När den ena subsets svar har blivit
dominant, blir det mycket svårt (omöjligt) att skifta tillbaka till det
andra subset.
18
Alteration in TCR CDR2 changes differentiation of CD4
T cells from Th1 to Th2
TCR (D10)
Proliferation
CDR2α
α CDR3α
α&ß CDR3ß
HRGAIEWEG
D10
C
P
M
D10
(L51S)
P1
P4 P6
P9
Peptide (µM)
MHC II (I-Ak)
Mutations in presented peptide influence
CD4 T cell activation and differentiation
Exp. Set-up: MHC II constant
TCR constant
Altered peptide ligand (APL)
APL stim.
APL stim.
IL-4 production in Th2 clone, but not
proliferation
Th1 clone expresses IL-2R, cytotoxic function
but not cytokine production
APL of high affinity = Th1
APL of lower affinity = Th2
Evavold et al, Science 292:1991 & J. Immunol. 150:1993
19
Interactions MHC-peptide +
TCR
•Longer duration of
contact
Full signal through TCR
Partial signal through TCR
Th1
Th2
• The duration of contact is influenced by:
•High density of peptide-MHC ligand on APC
•The stability of the complex MHC-peptide
•Half-life of TCR-peptide-MHC complexes
Peptid mängd och peptid kvalitet (sekvensen) påverkar CD4
Differentiering
•Stora mängder peptid
= Th1
•low density presentation
= Th2
•stark interaktion mellan
MHC/peptid och TCR
= Th1
•Svag interaktion mellan
MHC/peptid och TCR
= Th2
20
Summary of factors influencing
effector T cell subtype
• Ag presentation pathway
• MHCI / MHCII
• Dose of Antigen
• Interactions MHC-peptide + TCR
• Cytokine environment
Lepra:
Man får lepra av mycobacteria leprae som växer i makrofagernas
vesiklar. Ett effektivt svar skulle vara ett Th1 påverkat svar där
makrofagen skulle döda innehållet i sina vesiklar.
Patienterna som svarar med ett Th1 svar brukar överleva med
olika hud och nerv skador (Tuberculoid leprosis).
Om patienterna råkar utveckla ett Th2 svar, så kan inte det
humorala svaret hjälpa till eftersom antikropparna inte kommer åt.
Patienten dör (Lepromatous leprosis).
Allmänt sagt så är de flesta autoimmuna sjukdomar kopplade till
Th1 medan allergier är kopplade till Th2.
21
DC är de enda APC
kapabla till att ge en
ko-stimulatorisk signal
stark nog för att aktivera
naiva CD8 T-celler.
I vissa fall, kan en CD4
effektor cell hjälpa till
att aktivera naiva CD8 då
de t.ex. läser patogen
närvaro i samma APC.
En naiv CD4 T cell kan
induceras till att producera IL-2.
CD8 som har fått endast signal 1
producerar i IL2R och
på så sätt bli aktiverad indirekt.
22
De olika typer av T celler är specialiserade på att identifiera och
bekämpa patogen på olika sätt.
En av de väsentligaste skillnaderna mellan effektor och naiva T celler
är att de inte behöver co-stimulering längre.
Olika kemotaktiska faktorer samt förändringar i adhesion
molekyler attraherar CD8 T celler till inflammationen. Mängder av
CD2 och LFA-1 uttrycks på ytan av CD8 T cellen; de möjliggör en
stabil bindning till vanliga celler som inte har så många
adhesionsmolekyler. Kontakten mellan CD8 och target cell är
ganska kort, CD8 T cellen dödar och går vidare. CD4 T cellens
kontakt med MØ eller B-celler är mycket mera långvarig.
T-celler använder sig av cytokiner och cytotoxiner för att döda och
för att kommunicera. Cytokiner produceras av alla T-celler och
används för att kommunicera med target celler och förändra deras
beteende.
Cytotoxiner som produceras endast av CD8 T celler används för att
döda på ett mycket specifikt sätt target celler.
23
Kontaktytan mellan en T-cell och en target cell.
En antigen-specifik TCR kontrollerar hur effektor signaler kommer
fram till target celler på 3 olika sätt:
• Stabil bindning till target cellen, samt skapande av en tight
kontaktyta, där effektor molekylerna kan koncentreras.
• Omorientera hela produktion apparaten + cytoskeleton inom
T-cellen så att hela produktionsenergin fokuserar på target cellen.
•
Triggar produktion och utsöndring mot target cellen.
24
Cytokines are small soluble proteins secreted by one cell that can
affect the behavior or properties of the cell itself or of another cell.
•CD8 T celler släpper ur IFNγγ, som blockerar viral
replication eller kan i vissa fall döda viruset.
Th2
Th1
IL-4, IL-5
IL-10
IFNγγ
LTα
α
TNFβ
β
+
+
+
-
B cells
makrofager
makrofager
makrogager
B cells
Cytokiner tillhör tre stora strukturella familjer:
•Hematopoietin Receptor Familjen (IL-2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, etc...).
•TNF-receptor Familjen (CD40, Fas, CD30, CD27....).
•Kemokine-receptor Familjen (CCR1-5, CXCR1-4).
Cytokiner:
1) autocrine: påverkar de cellerna som tillverkar dem (t.ex. IL-2).
2) paracrine: påverkar celler inom den närmaste omgivningen
(t.ex. IL-2).
3) endocrine: transporteras t.ex. via blodet till andra områden där
andra celler påverkas.
JAK: Janus Kinas familj
STAT: Signal transducer and activator of transcription
Många cytokiner som skapas av T-celler är interleukiner (IL).
Viktiga membranbundna cytokiner:
• TNF-α
α
• CD40L
• FasL (messenger of death)
25
Vägen från cytokin/cytokin receptor bindning och aktivering till
aktivering av transkription faktorer går relativt snabbt via kinaser.
26
•Virus måste ta över cellens produktionsmekanismer för att själv
kunna överleva genom att producera virioner.
•När de är väl inne i cellen, blir de omöjliga att nås av antikroppar.
Det enda sättet att ta koll på dem är att förstöra hela den
infekterade cellen.
•CD8 T celler försöker kontrollera infektioner som t.ex. virus,
intracytoplasmiska bakterie invasioner och några specifika
protozoa infektioner (Toxoplasma Gondii).
•CD8 T cellerna måste gå en balansgång mellan att döda infekterade
celler och undvika att eliminera normala celler. De löser, oftast,
detta genom en otrolig effektivitet samt en stark specificitet för det
som skall dödas.
•CD 8 T celler släpper ut massor med cytokiner: t.ex. IFN-γγ som
inhiberar virus replication, ökar MHC klass I uttryck, aktiverar
MØ...
CD8 effektor cellen är en mycket specifik serial killer.
CD8 T celler inducerar apoptos i target cellerna.
apoptos = programmerad cell död. Den nukleära DNA fragmenteras
i 200bp bitar av nukleaser.
CD8 T celler dödar sina target celler genom att injicera dem
med produkter som kan programmera apoptos inom 5 minuter.
All DNA som finns i cellen inkluderat virusets tuggas sönder.
27
Lytic granules: börjar
att fyllas med cytotoxiner
så fort CD8 T cellen
aktiverats.
GA: Golgi apparatus.
MTOC: Microtubule
Organizing Center.
CAM: Cell Adhesion
Molecule.
Perforiner +
granzymer
(serin proteaser som
aktiverar apoptos).
Fas/fas ligand triggar den programmerade cell döden (apoptos)
28
•Det är Th1 celler som dirigerar makrofagernas destruktiva
aktioner = kallas för makrofag aktivering.
•Mest av tiden, så kan makrofagerna ta hand om infektionen själva
utan någon T cellsinblandning.
•Makrofager tillhör (med neutrofiler) det konstitutiva svaret, men
också det adaptiva svaret genom deras kapacitet att processera och
presentera patogen petider på MHC klass II till Th1.
•Vissa bakterier kan tyvärr överleva: Mycobakteria är riktig läskiga
små saker som bär ansvaret för tuberkulos och lepra. De förökar sig
i makrofagernas fagolysosomer, och undviker på detta sätt antikropp
och T cells igenkännande.
De överlever i den fientliga fagolysosom miljön genom att inhibera
fusionen av lysosom vesiklar med fagolysosom vesiklar där de
förökar sig.
29
Makrogafer (och neutrofiler) deltar i det konstitutiva svaret genom att
vara närvarande.
1) Engulfering + direkt föstörelse genom användandet av egna granuler
som innehåller olika enzymer, proteiner och peptider (toxic oxygen
radicals, peroxider, NO, lipid mediatorer, platelet activating factors…).
2) Fagocyterna producerar cytokiner (IL-1, IL-6, IL-8, IL-12, TNFa…)
som rekryterar andra celler till inflammationsområdet.
3) Receptorerna på makrofager (men inte neutrofiler) spelar en viktig roll
för antigen intagning samt processering.
En av Th1 viktigaste roller är att
aktivera makrofager. Detta sker
genom en dubbelsignal som
består av 1) IFN-γγ, 2) CD40L/CD40.
CD8 kan i vissa fall också aktivera
makrofager som fått en signal 1
från specifika bakteriedelar. CD8
utsöndrar IFN-γγ som ger signal 2.
30
Th0
IL-4
Th1
Antimikrobiella
molekyler.
Macrophage
Chemoattractant
Protein.
31
Granuloma skapas när ett patogen är
motståndskraftig mot makrofag
aktivitet.
I t.ex. Tuberculos kan stora friska
cellulära område isoleras från all
näring och förstöras.
Antikroppen binder till patogen och skickar en intracellulär signal.
Antikroppen internaliserar patogen som följs av antigen presentation
på MHC II till Th2 celler som i sin tur ger en co-signal 1
(CD40/CD40L). Då börjar B-cellen att proliferera.
Th2 utsöndrar också 3 olika cytokiner IL-4, IL-5 och IL-6 som driver
på proliferationen.
32
33
