B-Zellen entwickeln sich postpartal im Knochenmark und durchlaufen hierbei ein Programm der Rearrangierung der Immunglobulingene, an deren Ende die reife B-Zelle IgD- (Immunglobulin-D) und IgM-Moleküle der gleichen Antigenspezifität exprimieren. Die humorale Immunantwort ist die wesentliche Funktion von B-Zellen bei der Bekämpfung pathogener Keime, sie erfolgt durch die Produktion von Antikörpern, die spezifisch ein Antigen binden. Mittels Komplementaktivierung, Phagozytose oder Zytotoxizität wird das mit Antikörpern beladene Antigen dann inaktiviert. Der frühzeitige Abbruch der B-Zellentwicklung durch Fehlen von Btk (Bruton-Tyrosinkinase) führt zu einem primären Immundefekt, der X-linked Agammaglobulinämie. B-Zellen können Autoimmunität verursachen, der systemische Lupus erythematodes ist hierfür ein Beispiel. Autoreaktive B-Zellen werden aktiviert, wenn Autoantigene effektiv mit kostimulatorischem Signal erkannt werden. Dies erfolgt z. B. durch Freisetzung eines Autoantigens aus immunologisch privilegierten Orten oder nach Zellzerstörung.
B-Zellen tragen ihren Namen nach der Bursa Fabricii, dem Organ, in dem sie sich in Vögeln entwickeln. In Säugern entwickeln sich B-Zellen fetal in der Leber und postnatal im Knochenmark. Die humorale Immunantwort ist die wesentliche Funktion von B-Zellen bei der Bekämpfung pathogener Keime, sie erfolgt durch die Produktion und Sezernierung von Antikörpern, die spezifisch ein Antigen binden. Mittels Komplementaktivierung, Phagozytose oder Zytotoxizität wird das mit Antikörpern beladene Antigen dann inaktiviert. Die humorale Immunantwort war lange vor der T-Zell-vermittelten Immunantwort bekannt und wurde erstmals von Behring und Kitasato zur Gewinnung von Antitoxinen verwandt. Weitere wichtige Funktionen von B-Zellen sind die Präsentation von Antigen für T-Zellen sowie die Sekretion von Zytokinen, die zur Proliferation und Differenzierung immunkompetenter Zellen beitragen.
Entwicklung von B-Zellen
B-Zellen entwickeln sich postpartal im Knochenmark aus pluripotenten hämatopoetischen Stammzellen. Sich entwickelnde B-Zellen durchlaufen hierbei ein kontrolliertes, zeitlich aufeinanderfolgendes Programm der Genexpression und Rearrangierung der Immunglobulingene, sodass am Ende die reife B-Zelle IgD- (Immunglobulin-D) und IgM-Moleküle der gleichen Antigenspezifität exprimiert (Abb. 1). Das Stroma des Knochenmarks ist an der Entwicklung wesentlich beteiligt. Zwischen B-Vorläuferzellen und Stromazellen des Knochenmarks bilden sich adhäsive Kontakte aus, die durch zellmembranständige Adhäsionsmoleküle, wie z. B. VCAM-1 (vascular cell adhesion molecule 1) vermittelt werden. Verschiedene Zytokine und Chemokine wie SCF (stem cell factor), SDF-1 (stromal cell-derived factor 1) sowie IL-7 (Interleukin-7) in der Maus sind wesentlich in diesen frühen Stadien der B-Zell-Entwicklung im Knochenmark. Anhand der Expression von Oberflächenmolekülen und insbesondere der Rearrangierung der Immunglobulinketten sowie des Beginns der Expression von Antikörpermolekülen im Zytoplasma und in der Zellmembran lassen sich die verschiedenen Entwicklungsstufen der B-Zellen erkennen. Die Entwicklungsstadien laufen über die Pro-B-Zell-Stadien zu den Prä-B-Zell-Stadien zur unreifen und dann zur reifen B-Zelle. Die frühesten Oberflächenmarker von B-Zellen sind CD19 und CD45R, wobei CD19 B-Zell-spezifisch ist.
Abb. 1
Schema der B-Zell-Differenzierung. Entwicklungsstadien der B-Zelle, Expression von „recombination activating genes“ (RAG) und Rearrangements der Genorte für die schwere (IgH) und die leichte (IgL) Kette des Immunglobulinmoleküls. (GL: Genort in Keimbahnkonfiguration). Die Expression in der Zellmembran von Pro-B- (Calnexin und Igα-Igβ), Prä-B-(Igμ, ψL und Igα-Igβ) oder B-(Igμ, Igκ oder Igλ und Igα-Igβ)Zell-Rezeptoren während der Entwicklung ist dargestellt
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Der bedeutendste Schritt der B-Zell-Entwicklung ist die Expression des B-Zell-Rezeptors, welcher das membranständige Antikörpermolekül ist und ein Antigen erkennen und binden kann. Die Antigenerkennung ist die Voraussetzung für die Proliferation der B-Zelle zur Effektorzelle, der Plasmazelle, die Antikörper in großen Mengen produziert und sezerniert. Um während der B-Zell-Entwicklung den B-Zell-Rezeptor zu produzieren, ist die Rekombination von verschiedenen Genelementen der Immunglobuline erforderlich. Antikörper bestehen aus zwei Ketten, einer schweren und einer leichten Kette, deren Struktur weiter unten (Abschn. 2) näher beschrieben ist.
Die Genelemente der Immunglobulingene liegen auf den Chromosomen 14 (schwere Kette), Chromosom 2 (κ leichte Kette) und Chromosom 22 (λ leichte Kette). Die Genelemente werden V (variable), D (diversity) und J (joining) genannt, wobei die schwere Kette alle drei Genelemente rekombinieren kann, während die leichten Ketten nur V- und J-Segmente rekombinieren können. Die Anzahl der zur Verfügung stehenden verschiedenen Segmente variiert von 4 (J-Gensegmente, λ leichte Kette) bis 40 (V-Gensegmente schwere Kette). In der B-Zell-Entwicklung findet zunächst die Rekombination der schweren Kette des Immunglobulinmoleküls statt, die frühe Pro-B-Zelle im Knochenmark kombiniert ein D- und ein J-Element. Die späte Pro-B-Zelle kombiniert zum rearrangierten DJ-Element ein V-Gensegment hinzu. Da die Rekombination von VDJ-Gensegmenten unpräzise und unter Hinzufügung von Nukleinsäuren erfolgt, ist statistisch etwa nur jede dritte Rekombination produktiv; die anderen Rekombinationen befinden sich nicht im Leserahmen. Im Falle eines unproduktiven Rekombinationsereignisses wird die Entwicklung der B-Zelle unterbrochen, die Zelle wird apoptotisch. Da jeweils zwei Allele eines Chromosoms vorhanden sind, ist die Chance für ein erfolgreiches Rekombinationsereignis erhöht, für die leichten Ketten existieren wie oben erwähnt zwei verschiedene Ketten, die von verschiedenen Chromosomen kodiert werden, sodass dadurch die Erfolgsrate einer erfolgreichen Rekombination weiter gesteigert wird. Dennoch sterben zahlreiche Vorläuferzellen von B-Zellen während der Entwicklung ab.
Wenn eine schwere oder leichte Kette erfolgreich rekombiniert ist, wird das andere Allel durch die sogenannte allelische Exklusion an der Rekombination gehindert. Jede B-Zelle exprimiert nur eine schwere und eine leichte Kette. Die Gensegmente V und J der leichten Kette rearrangieren sich in der Prä-B-Zelle, in der die schwere Kette bereits im Leserahmen rekombiniert ist. Im frühen Stadium der Prä-B-Zelle, der sogenannten großen Prä-B-Zelle, wird vor Rekombination der leichten Kette der Prä-B-Zell-Rezeptor auf der Zelloberfläche exprimiert. Dies ist das erste Mal im Entwicklungsprozess der B-Zelle, dass Teile ihres Rezeptors exprimiert werden. Der Prä-B-Zell-Rezeptor besteht aus der erfolgreich rekombinierten schweren Kette und einem Ersatz der leichten Kette (surrogate light chain), die aus den zwei Proteinen λ5 und VpreB besteht. Zwei weitere Proteine, Igα unnd Igβ, assoziieren mit dem Prä-B-Zell-Rezeptor wie auch später mit dem B-Zell-Rezeptor der reifen B-Zelle. Diese Proteine vervollständigen den Prä-B-Zell-Rezeptor so, dass Signale in die Zelle transduziert werden können.
Die leichte Kette wird nach der schweren Kette in der Prä-B-Zelle aus den Gensegmenten V und J des κ- und λ-Genlocus rekombiniert. Zumeist wird erst das κ-Gensegment rearrangiert. In diesem Locus können anders als bei der schweren Kette mehrere Rearrangements hintereinander auf einem Allel erfolgen, sodass die Rate erfolgreicher Rearrangements im Leserahmen bei den leichten Ketten höher ausfällt. Die leichte Kette wird jetzt synthetisiert und assoziiert mit der schweren Kette, sodass in der unreifen B-Zelle erstmalig der B-Zell-Rezeptor exprimiert wird. Zeitgleich ist der Prä-B-Zell-Rezeptor wieder von der Zellmembran verschwunden. Der B-Zell-Rezeptor ist ein membranständiges IgM-Molekül und weist eine Antigenspezifität auf. Jede B-Zelle hat nur eine Antigenspezifität, die während einer Immunreaktion noch reifen kann, d. h. die Affinität zum Antigen nimmt durch Prozesse in sekundären lymphatischen Organen noch weiter zu.
Die Entwicklung von B-Zellen wird, wie beschrieben, wesentlich durch die Formierung des B-Zell-Rezeptors bestimmt. Nur wenn die Vorläuferzelle bestimmte Punkte in der Entwicklung erreicht, wird ihre weitere Entwicklung zugelassen. Verschiedene Proteine und Enzyme sind bisher identifiziert worden, die für diese Entwicklung bedeutsam sind. Zunächst sind die „recombination activating genes“ RAG-1 und RAG-2 zu nennen, die sowohl bei B- als auch bei T-Zellen als Teil des Enzymkomplexes für die Rekombination schwerer und leichter Ketten der jeweiligen B- oder T-Zell-Rezeptoren unerlässlich sind. RAG-1 und RAG-2 werden nur in den Phasen der B-Zell-Entwicklung exprimiert, in denen Rekombination von schweren oder leichten Ketten stattfindet.
Ein weiteres wichtiges Enzym ist die terminale Deoxynukleotidyltransferase (TdT). Diese führt zu einem Anhängen von Nukleotiden während des Prozesses der Rekombination von VDJ-Gensegmenten. Dadurch wird die mögliche Diversität der Immunglobulinketten und damit des Antigens erkennenden Anteils des B-Zell-Rezeptors deutlich erhöht. Verschiedene B-Zell-spezifische Faktoren erlauben das Rearrangement der Immunglobulinloci, T-Zell-spezifische Faktoren gestatten das Rearrangement der T-Zell-Rezeptor-Gene. Zu den B-Zell-spezifischen Faktoren zählen unter anderem BSAP, welches den Zugang der Rekombinase zu den Immunglobulingenen ermöglicht, und die bereits oben beschriebene Tyrosinkinase Btk.
Exkurs: XLA
Patienten mit der Erkrankung XLA, der Agammaglobulinämie Typ Bruton, die eine Mutation einer Tyrosinkinase (Btk) aufweisen, zeigen eine Unterbrechung ihrer B-Zell-Entwicklung im Stadium der Prä-B-Zelle. Diese Patienten haben keine reifen B-Zellen und produzieren keine Immunglobuline, womit sie an einer ausgeprägten humoralen Immundefizienz leiden und auf die exogene Zufuhr von Immunglobulinen angewiesen sind. Schwere bakterielle Infektionen sind die Folge der unbehandelten Immundefizienz. Die Tyrosinkinase Btk vermittelt wahrscheinlich ein Signal in die Zelle, welches dazu dient, nach erfolgreicher Rekombination der schweren Kette in der späten Pro-B-Zelle weitere VDJ-Rekombinationen zu verhindern.
Exkurs: SCID
Der schwere kombinierte Immundefekt (SCID) ist gekennzeichnet durch schwerste Infektionen und eine Gedeihstörung mit chronischer Diarrhoe im ersten Lebensjahr. Diesem Immundefekt liegen zahlreiche verschiedene Mutationen zugrunde, die zu einem völligen Fehlen von T-Zellen oder von T- und B- und zum Teil auch NK-Zellen führen. Ein Teil der Patienten mit einem SCID weist Mutationen in den RAG-Genen auf. Dadurch kann die Rekombination von Immmunglobulin- und T-Zell-Rezeptor-Genen als integraler Bestandteil der B- und T-Zell-Entwicklung nicht stattfinden; bereits die frühen Vorläuferstufen der B- und T-Zellen sterben ab. Das spezifische Immunsystem wird folglich nicht im Ansatz ausgebildet. Damit können pathogene Keime über die Mechanismen der Neutralisierung durch Antikörper oder Zytotoxizität von T-Zellen nicht eliminiert werden. Die meisten Patienten mit einem SCID versterben im ersten Lebensjahr, sofern sie keine Stammzelltransplantation oder Gentherapie erhalten.
Der hier beschriebene Mechanismus der Genrearrangierung findet sich beim Menschen nur bei Immunglobulin- und T-Zell-Rezeptor-Genen. Mithilfe dieses Mechanismus kann eine Diversität der Genprodukte erreicht werden, die einzigartig ist und die Grundlage für die Entwicklung des spezifischen Immunsystems darstellt.
Nach Entwicklung zur reifen B-Zelle exprimiert diese IgM und IgD, wobei beide Ig-Klassen denselben antigenbindenden variablen Anteil exprimieren, und wandert aus dem Knochenmark aus. Über den Blutstrom erreichen B-Zellen lymphatische Organe, wo sie wesentliche Überlebenssignale erhalten und nach Antigenkontakt weiter reifen. Ein Teil dieser Zellen mündet dann in den Pool der langlebigen Gedächtnis-B-Zellen und der Plasmazellen.
Durch Rearrangierung von Gensegmenten der Immunglobulingene sowie durch terminale Hinzufügung von Nukleinsäuren bei der Rekombination entsteht die extrem hohe Diversität in der Spezifität der Antikörper.
Struktur und Funktion von Immunglobulinen
B-Zellen produzieren Immunglobuline, sie exprimieren Immunglobuline assoziiert mit weiteren Molekülen (Ig-α, Ig-β) auf ihrer Oberfläche als B-Zell-Rezeptor und sezernieren Immunglobuline als lösliche Antikörper. Der Antikörper bindet spezifisch eine Antigendeterminante (z. B. Zellwandbestandteil eines Bakteriums, Hüllprotein eines Virus). Es gibt fünf Klassen von Immunglobulinen (Ig), die sich noch in weitere Subklassen aufteilen: IgM, IgD, IgG, IgA und IgE. IgG bildet mengenmäßig den größten Anteil, gefolgt von IgA, welches Schleimhäute schützt.
Ein IgG-Molekül hat vier Ketten, zwei schwere und zwei leichte Ketten, die über Disulfidbrücken miteinander verbunden sind. Die Form eines IgG-Antikörpers erinnert an ein Y (Abb. 2). Jeder Antikörper hat zwei Bindungsstellen für Antigen, die von schweren und leichten Ketten gemeinsam gebildet werden. Schwere Ketten haben vier Immunglobulindomänen, leichte Ketten zwei. Der Antikörper weist variable und konstante Anteile auf. Die variablen dienen der Bindung an das Antigen und sind am N-terminalen Ende des Antikörpermoleküls zu finden. Die konstanten Anteile des Antikörpers machen den Großteil des Moleküls aus, sie beherbergen den Fc-Anteil, der an Fc-Rezeptoren und -Komplement bindet. Dies ist für die Neutralisation antikörpergebundener pathogener Keime wichtig. Innerhalb der variablen Anteile eines Antikörpermoleküls, welches in jeder Kette etwa 110 Aminosäuren umfasst, befinden sich Regionen, die sich durch eine Hypervariabilität auszeichnen. Diese Abschnitte sind für die Antigenbindung besonders wichtig. Antigen bindet an den Antikörper über die dreidimensionale Konformation der Oberfläche, die sich in Form eines Lochs, einer länglichen Grube oder durch komplexere Strukturen auszeichnen kann. Die dabei beteiligten nichtkovalenten Bindungskräfte sind: elektrostatische Bindung, Van-der-Waals-Kräfte, Wasserstoffbindungen und hydrophobe Bindungskräfte.
Abb. 2
Aufbau eines Antikörpermoleküls
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B-Zellen können Immunglobuline auf ihrer Oberfläche exprimieren und als Antikörper sezernieren. Hierzu existieren im konstanten Teil der Immunglobulingene für die Schwerketten Exone, die für eine transmembranöse Form des Ig-Moleküls und für eine sezernierte Form kodieren. Alternatives Spleißen führt dann entweder zur Expression in der Zellmembran oder zur Sezernierung von Ig-Molekülen. Nach Antigenkontakt entwickeln sich die B-Zellen entweder zu IgM-sezernierenden Plasmazellen oder durchlaufen einen Immunglobulinklassenwechsel zu IgG, IgA oder IgE.
Die neue Ig-Klasse wird zunächst in der Zellmembran exprimiert, ein Teil dieser B-Zellen wird zu Gedächtnis-B-Zellen, ein anderer Teil wird zu Plasmazellen, die dann die neue Ig-Klasse (IgG, IgA oder IgE) sezernieren. Die Immunglobulinklassen unterscheiden sich in ihren konstanten Regionen der schweren Ketten, deren Gensegmente mit Cμ, Cδ, Cγ, Cε oder Cα bezeichnet werden (Abb. 3). Während IgG, IgE und IgD als Monomere vorkommen und ihr Molekulargewicht zwischen 140 und 190 kDa beträgt, bildet IgA Dimere mit einem Molekulargewicht von 390 kDa, und IgM bildet Pentamere mit einem Molekulargewicht von 970 kDa. Die Halbwertzeit im Serum für nicht zellgebundene Ig-Moleküle variiert ebenfalls stark, von 2 Tagen für IgE bis zu 21 Tagen für IgG1.
Abb. 3
a Genort und Struktur der variablen Anteile von schwerer und leichter κ-Kette der Immunglobuline. b Genort und Struktur des konstanten Teils der schweren Kette
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Wie erfolgt der Wechsel der Ig-Isotypen? Die Cμ- und Cδ-Gensegmente der schweren Kette sind direkt neben (3′) den variablen Segmenten VDJ angeordnet. Durch unterschiedliches Spleißen des primären RNA-Transkripts werden in der reifen B-Zelle immer zunächst IgM und IgD exprimiert und sezerniert (IgD, dessen Funktion unklar ist, allerdings nur in geringer Menge). Beim Ig-Klassenwechsel zu IgG, IgE oder IgA erfolgt nach Antigenkontakt in der reifen B-Zelle ein irreversibles Ereignis, wobei die DNA rekombiniert wird. Dieses Rekombinationsereignis erfolgt in sogenannten Switch-Regionen, wodurch der DNA-Strang die Gensegmente verliert, die zwischen den variablen Gensegmenten und dem benötigten C-Gensegment (Cγ, Cε oder Cα) liegen. Nach dieser DNA-Rekombination kann die B-Zelle nur noch die neue Ig-Klasse produzieren. Im Verlauf sind weitere Ig-Klassenwechsel der B-Zelle zu Isotypen möglich, deren C-Gensegmente weiter 3′ liegen. So kann eine B-Zelle z. B. zunächst IgM, dann IgG2a und dann IgE produzieren.
Exkurs: AID
Ein Enzym, welches beim Ig-Klassenwechsel eine bedeutsame Rolle spielt, ist die „activation-induced cytidine deaminase“ (AID), die vermutlich an der Öffnung des DNA-Strangs in der Switch-Region der Schwerketten-Ig-Gene beteiligt ist. Bei angeborenem Fehlen dieses Enzyms tritt ein Immundefekt auf, der als Hyper-IgM-Syndrom Typ 2 bezeichnet wird. Bei diesem Immundefekt fehlen außer IgM alle anderen Ig-Klassen, da der Klassenwechsel nicht möglich ist. Daher treten bakterielle Infektionen entsprechend häufig auf.
IgM wird während einer Immunantwort zuerst gebildet, diese Antikörper haben eine relativ geringe Affinität. Da IgM jedoch als einzige Antikörper Pentamere bilden, können sie bis zu 10 Antigene, die z. B. auf einem Bakterium exprimiert sind, gleichzeitig binden. IgG-Antikörper entwickeln im Verlauf einer Immunantwort eine deutlich höhere Affinität als IgM und stellen die größte Menge neutralisierender Antikörper. IgA ist in der sekretorischen Form eine „first line of defense“ der Schleimhäute, aktiviert allerdings Komplement schlechter. IgE ist für die Immunantwort gegenüber Parasiten verantwortlich und spielt eine herausragende Rolle bei der Vermittlung allergischer Reaktionen aufgrund seiner Bindungseigenschaften an Mastzellen, die nach Triggerung durch Bindung von Antigen an IgE-Mediatoren freisetzen.
Die B-Zelle produziert Ig-Moleküle mit der Spezifität für ein Antigen; diese sind auf der Zellmembran exprimiert und werden dann als Antikörper sezerniert. Die B-Zelle kann die Ig-Klasse ihrer Antikörper wechseln (IgM, IgG, IgE, IgA), die unterschiedlichen Ig-Klassen nehmen in Abhängigkeit von ihrer Struktur und dem Ort ihres Vorkommens verschiedene Aufgaben der humoralen Immunabwehr wahr.
Funktion von B-Zellen
Um möglichst alle vorkommenden Antigene erkennen zu können, müssen verschiedene B-Zellen eine möglichst hohe Anzahl unterschiedlicher B-Zell-Rezeptoren tragen. Nur durch die Diversität der B-Zell-Rezeptoren können alle pathogenen Organismen von B-Zellen spezifisch erkannt werden. Diese Diversität der Antikörpermoleküle (membrangebunden oder löslich) wird, wie oben ausgeführt, durch die Rekombination von Immunglobulingenen während der B-Zell-Entwicklung erzielt. Die genannten Rekombinationsvorgänge der Ig-Gene finden während der B-Zell-Entwicklung sämtlich im Knochenmark statt; die hierdurch erreichte Anzahl verschiedener B-Zell-Rezeptoren liegt wahrscheinlich bei mehr als 1010.
Reife B-Zellen verlassen mit ihrem B-Zell-Rezeptor auf der Oberfläche das Knochenmark und zirkulieren über den Blut- und den Lymphstrom durch den Körper. Sie können auf zwei verschiedene Arten aktiviert werden, um zu Effektorzellen zu werden:
Bei der T-Zell-abhängigen Immunantwort muss ein Kontakt zwischen der B-Zelle, die ihr Antigen gebunden hat, und einer T-Helferzelle zustande kommen, die dieselbe Antigenspezifität besitzt. Aufgrund der extrem hohen Zahl unterschiedlicher Antigenspezifitäten (s. oben) wäre das zufällige Aufeinandertreffen einer B- und einer T-Zelle mit derselben Antigenspezifität eher unwahrscheinlich. Daher wird das Aufeinandertreffen durch die lymphatischen Organe Milz und Lymphknoten unterstützt, indem mit Antigen beladene B-Zellen in Richtung der T-Zell-Zone wandern und dort leichter auf eine T-Helferzelle derselben Spezifität treffen.
Eine frühe Konsequenz der Antigenbindung an den B-Zell-Rezeptor ist die Hochregulation von Chemokinrezeptoren (z. B. CCR7); dies erleichtert z. B. die gezielte Wanderung von B-Zellen zur T-Zell-Zone im Keimzentrum eines Lymphknotens. Die Suppression des Sphingosin-1-Phosphat-Rezeptor 1 verhindert die Auswanderung der B-Zelle aus dem Lymphknoten. Die B- und T-Zell-Interaktionen dauern 10–60 min an. Dieser enge Kontakt zwischen B- und T-Zelle ist notwendig, damit die B-Zelle zwei Signale erhält, die zur Aktivierung führen:
Das erste Signal besteht im Antigenkontakt,
das zweite Signal wird durch kostimulatorische Rezeptor/Liganden-Paare wie z. B. CD40/CD40L vermittelt.
Ohne das zweite Signal verharrt die B-Zelle im Ruhezustand bzw. entwickelt Toleranz gegenüber dem Antigen. Die mit Antigen beladene B-Zelle wiederum präsentiert auf ihren MHC-Klasse-II-Molekülen Peptide, die von der T-Zelle erkannt werden und zu deren Aktivierung führen. Die T-Helferzelle produziert verschiedene Zytokine, wie z. B. IL-4 und IL-6, die zur Proliferation und Differenzierung sowie Antikörperproduktion und Ig-Klassenwechsel beitragen.
Das B- und T-Zell-Paar bildet, durch den Antigenkontakt aktiviert, den primären Lymphfollikel, aus dem sich das Keimzentrum entwickelt. In diesem Keimzentrum des sekundären lymphatischen Organs findet eine weitere Entwicklung der B-Zelle statt, die wesentlich die Immunantwort verstärkt. Diese Entwicklung ist durch eine Affinitätsreifung des B-Zell-Rezeptors für das erkannte Antigen gekennzeichnet. Dies bedeutet, dass die Affinität der B-Zelle zu ihrem Antigen während der Immunantwort verstärkt wird, um deren Effizienz zu steigern.
Diese Affinitätsreifung erfolgt während der Wanderung der B-Zellen durch das Keimzentrum, indem die variablen Segmente der Immunglobulingene weiter verändert werden als bereits im Knochenmark durch Rekombination geschehen. Jetzt erfolgt im lymphatischen Organ die Modifikation der Immunglobulingene in ihren variablen Segmenten durch somatische Hypermutation, wobei die dabei entstehenden B-Zellen mit der höchsten Affinität zum Antigen positiv selektioniert werden. B-Zellen zeigen eine hohe Teilungsrate in den Keimzentren. Bei jeder Teilung treten somatische Mutationen auf, die die Affinität zum Antigen verändern. In den meisten Fällen wird bei den zufällig stattfindenden Mutationen die Affinität herabgesetzt. Eine B-Zelle mit geringerer Affinität erhält ein Apoptosesignal, da sie weder über den B-Zell-Rezeptor das Antigen effizient bindet noch T-Zell-Hilfe z. B. in Form von CD40-Bindung an CD40L erhält. Demgegenüber wird eine B-Zelle, die nach somatischer Mutation einen hochaffinen B-Zell-Rezeptor exprimiert, durch Antigenbindung und zweites Signal durch die T-Zelle weiter proliferieren. In diesem Prozess der Affinitätsreifung durch somatische Hypermutation wird eine sehr große Zahl von B-Zellen apoptotisch, nur wenige Klone überleben und sind für eine humorale Immunantwort hoher Affinität verantwortlich. Alle 6 h wird etwa die Hälfte der B-Zellen im Keimzentrum apoptotisch und von Makrophagen geklärt.
Defizienzen im Wiskott-Aldrich-Syndrom-Protein oder in DOCK8, einem für das Hyper-IgE-Syndrom verantwortlichen Protein der Signaltransduktion, lösen Defekte der B-Zell-Antwort vermutlich durch eine Instabilität der B- und T-Zell-Interaktion aus.
Nach der Affinitätsreifung differenzieren die B-Zellen zu Plasmazellen, die hochaffine Antikörper sezernieren, oder in langlebige Gedächtnis-B-Zellen, die zu einem späteren Zeitpunkt reaktiviert werden können. Plasmazellen und Gedächtnis-B-Zellen wandern aus dem Keimzentrum heraus, und ein Teil dieser Zellen rezirkuliert in das Knochenmark, wo sie für Monate überleben können. Die Aufrechterhaltung einer Signaltransduktion durch den B-Zell-Rezeptor führt zu einer Aktivierung von NF-kB oder von PI3K abhängigen Signalwegen und ist für das Überleben der Zelle erforderlich.
Nach Antigenkontakt findet eine Affinitätsreifung der B-Zellen im Lymphfollikel statt. Nach somatischer Hypermutation der Immunglobulingene werden die B-Zellen mit der höchsten Affinität für das Antigen positiv selektioniert.
Proteine lösen als Antigene zumeist eine T-Zell-abhängige Immunantwort aus. Die Bindung von Antigen an den B-Zell-Rezeptor bewirkt eine Aktivierung der B-Zelle. Der Mechanismus ist nicht sicher geklärt: Entweder führt eine Clusterbildung von B-Zell-Rezeptoren zur Signaltransduktion oder präexistente Cluster von B-Zell-Rezeptoren werden dissoziiert und dies führt zur Signalvermittlung der Aktivierung. Für die B-Zell-Antwort auf Polysaccharide und Lipopolysaccharide, die häufig Zellwandbestandteile von Bakterien sind, oder große vernetzte Proteine ist eine T-Zell-Hilfe nicht erforderlich.
Man unterscheidet TI-1- (T-Zell-unabhängig-1-) und TI-2-Antigene. TI-1-Antigene sind z. B. sogenannte Mitogene, die in hoher Konzentration B-Zellen polyklonal aktivieren können und in geringer Konzentration B-Zellen in Anwesenheit ihres spezifischen Antigens aktivieren können. TI-2-Antigene sind große Moleküle, die B-Zellen aktivieren, indem sie mehrere B-Zell-Rezeptoren auf einer Zelle binden und vernetzen oder weitere kostimulatorische Rezeptoren auf der B-Zell-Oberfläche binden. Damit erhält die B-Zelle die notwendigen zwei Signale zur Proliferation. Die Immunantwort, die auf TI-2-Antigene entsteht, hat den wichtigen Vorteil, sehr rasch zu erfolgen, da T-Zell-Hilfe und Affinitätsreifung, die Tage dauert, nicht erforderlich ist. Nachteilig ist die eher geringe Intensität und der rasche Abfall der Immunantwort, bei der IgM sezerniert wird. Bei Kindern ist in den ersten Lebensjahren die Immunantwort gegenüber TI-2-Antigenen nur schwach ausgebildet.
Wie wirken Antikörper auf pathogene Keime? Sowohl Viren als auch viele Bakterien sind zur Infektion auf die Bindung an zelluläre Rezeptoren angewiesen. Antikörper können diese Bindung effektiv behindern, indem sie mit den Bindungsstellen der Keime interferieren. Dadurch kann das Virus nicht in die Zelle eindringen, die Pathogenese der Infektion wird unterbrochen. Bei Bakterien ist die Anheftung an eine Zielzelle sowohl für intrazelluläre Keime, z. B. Shigellen, oder extrazelluläre Keime, z. B. Vibrio cholerae, pathogenetisch bedeutsam. Die Verhinderung der Anheftung durch Antikörper kann daher für die Unterbindung des Infektionswegs wichtig sein. Sowohl Antikörper der Klasse IgG wie IgA sind an diesem Effektormechanismus beteiligt.
Zahlreiche Bakterien wirken pathogen aufgrund eines von ihnen gebildeten Toxins. Toxine werden z. B. von Staphylokokken, Vibrio cholerae oder Clostridium tetani sezerniert, sie wirken häufig bereits in geringen Mengen. Antikörper können direkt Toxine durch Antikörper-Toxin-Bindung neutralisieren. Diesen Effekt nutzt man bei der Tetanusimpfung aus, indem durch Verabreichung des nicht toxisch wirkenden Toxoids hochaffine Antikörper gegen den rezeptorbindenden Teil des Tetanustoxins generiert werden.
Ein weiterer Effektormechanismus weist auf eine Verbindung des spezifischen mit dem angeborenen Immunsystem hin. Nach Bindung von Antikörpern an Antigene auf der Oberfläche von Bakterien wird die klassische Komplementkaskade durch Bindung des Komplementfaktors C1q ausgelöst. Die Komplementkaskade führt dann zur Lyse des pathogenen Keims. IgM ist aufgrund seiner Tertiärstruktur besonders effektiv in der Bindung von C1q. Antikörper und lösliche Antigene können Immunkomplexe bilden, die ebenfalls C1q binden. Diese Komplementbindung führt zur Klärung der Immunkomplexe durch Makrophagen im retikuloendothelialen System von Leber und Milz.
Die Bindung von Antikörpern, die ein lösliches Antigen erkannt haben oder an einer bakteriellen Oberfläche anheften, an die Fc-Rezeptoren leitet die Phagozytose von pathogenen Keimen ein. Fc-Rezeptoren sind auf zahlreichen Immunzellen exprimiert, z. B. Makrophagen, Neutrophilen, Eosinophilen und Natural-Killer-Zellen; diese Rezeptoren binden an den konstanten Teil des Antikörpers. Ein einzelner Antikörper bindet an Fc-Rezeptoren; eine Aktivierung phagozytierender Zellen kommt jedoch erst durch Vernetzung von mehreren Fc-Rezeptoren zustande, indem sich zahlreiche multimere Verbindungen zwischen Fc-Rezeptoren und Antikörpern bilden. Dies entsteht beispielsweise bei der Bindung von Fc-Rezeptoren an Antikörper, welche auf der Oberfläche eines Bakteriums zahlreiche Bindungsstellen besetzen. Nach Aktivierung des Makrophagen wird das antikörperbeladene Bakterium im Phagolysosom des Makrophagen lysiert. Die Bindung und Lyse von Antikörper beladenen, pathogenen Keimen findet auch durch Natural-Killer-Zellen statt, dieser Vorgang wird als antikörperabhängige zellvermittelte Zytotoxizität bezeichnet.
Mastzellen binden über ihre Fc-Rezeptoren IgE, welches insbesondere bei der Abwehr von Parasiten bedeutsam ist. Die Aktivierung von Mastzellen über Antigen-IgE-Komplexe führt zur Rekrutierung von Eosinophilen durch Zytokinsekretion. Eosinophile attackieren dann die Parasiten.
Antikörper sind die Effektormoleküle der humoralen Immunantwort. Sie binden an Rezeptoren und Toxine und neutralisieren deren Funktion. Die Komplementkaskade wird durch Antikörper aktiviert, die an die Oberfläche pathogener Keime gebunden sind. Makrophagen binden mit ihren Fc-Rezeptoren an Antikörper und leiten so die Phagozytose ein. Der pathogene Keim oder die virusinfizierte Zelle werden zerstört.
B-Zellen haben jenseits der oben aufgeführten Effektorfunktionen, die Infektionen eindämmen sollen und pathogene Keime neutralisieren, auch eine antigenpräsentierende Funktion für T-Zellen. Mit ihren Antikörpern binden B-Zellen lösliche Antigene wie Viren, aber auch bakterielle Toxine. Der Komplex aus Antikörper und Antigen kann in die B-Zelle internalisiert werden; danach findet eine Prozessierung des Antigens statt, sodass Peptide als Bruchstücke der Antigenstruktur des pathogenen Keims auf MHC-Klasse-II-Molekülen der B-Zelle exprimiert werden. Die an MHC-Klasse II gebundenen Peptide wirken effektiv als Antigen auf T-Helferzellen, da die B-Zelle aufgrund der Antigenbindung selbst bereits aktiviert ist und kostimulatorische Rezeptoren exprimiert. Hiermit kann beispielhaft aufgezeigt werden, wie sich die spezifische Immunabwehr von B- und T-Zellen gegenseitig unterstützt.
Toleranz und Autoimmunität
Bei der Reifung von B-Zellen im Knochenmark entstehen aufgrund zufälliger Rekombinationsvorgänge der Immunglobulingene verschiedene B-Zell-Rezeptoren, von denen ein Teil gegen Selbstantigene gerichtet ist. Sollten diese B-Zellen weiter ausreifen und aktiviert werden, würden sie eine Autoimmunkrankheit auslösen können. Bei der Menge möglicher Autoantigene wäre dies mit dem Leben nicht vereinbar. Daher wird durch verschiedene Mechanismen während der B-Zell-Entwicklung im Knochenmark, aber auch in der Peripherie sehr effektiv verhindert, dass autoreaktive B-Zellen entstehen. Wir werden sehen, dass diese Mechanismen jedoch nicht absolut sicher sind.
Wenn eine B-Zelle einen B-Zell-Rezeptor trägt, der mit hoher Avidität an ein Autoantigen bindet, welches auf den Stromazellen des Knochenmarks exprimiert ist, wird die Zelle apoptotisch. Dieser Vorgang wird als klonale Deletion bezeichnet, da diese Spezifität des B-Zell-Rezeptors verloren geht. Die B-Zelle hat jedoch die Möglichkeit, dem Schicksal des Zelltodes zu entkommen, indem nach Erkennung, dass der B-Zell-Rezeptor autoreaktiv ist, die Spezifität durch „receptor editing“ noch nachträglich verändert wird. „Receptor editing“ wird durch anhaltende Rekombination der Leichtkettengene in Anwesenheit von RAG-Proteinen erreicht. Verändert dabei die Zelle wirkungsvoll ihren B-Zell-Rezeptor, sodass die Autoreaktivität verloren geht, kann sich die B-Zelle weiter entwickeln und stirbt nicht.
Ist die Bindung des Autoantigens an den B-Zell-Rezeptor schwächer, wird die Zelle nicht apoptotisch, sondern anerg. In diesem Zustand, der eventuell durch veränderte intrazelluläre Signaltransduktion erreicht wird, kann die B-Zelle nicht mehr durch Antigen und T-Zell-Hilfe aktiviert werden. Daher ist ihre Überlebenszeit in der Regel begrenzt, da die B-Zelle keine ausreichenden Überlebenssignale erhält. Offensichtlich werden anerge B-Zellen auch von der Wanderung in Lymphfollikel, dem Ort der Affinitätsreifung einer Immunantwort, ausgeschlossen.
Als weitere Möglichkeit der Reaktion auf ein Autoantigen seitens der reifenden B-Zelle stellt sich die Ignoranz dar. Hierbei ist die Bindung zwischen Autoantigen und B-Zell-Rezeptor so schwach, dass Signaltransduktion, die z. B. zu klonaler Deletion oder „receptor editing“ führen könnte, ausbleibt. Diese B-Zellen bilden eventuell den Grundstock für die Entwicklung von B-Zellen, die aufgrund verschiedener Umstände später autoreaktiv und krankheitsauslösend werden, da ignorante B-Zellen ausreifen und aus dem Knochenmark in die Peripherie wandern.
Inzwischen ist bekannt, dass Autoreaktivität von B-Zellen nicht nur wie oben ausgeführt im Knochenmark behindert wird, sondern dass auch reife B-Zellen in der Peripherie einer entsprechenden Kontrolle unterliegen, die durch ähnliche Mechanismen wie im Knochenmark gekennzeichnet ist. Dies bedeutet, dass auch in der Peripherie klonale Deletion, Anergie und Ignoranz von B-Zellen möglich ist.
Eine Vermutung ist, dass anerge autoreaktive B-Zellen einen Pool von Zellen darstellen, der bei Bedarf rasch durch somatische Hypermutation im Keimzentrum hochaffine B-Zell-Rezeptoren herausbildet, die pathogene Antigene erkennen können. Andererseits können autoreaktive B-Zellen eine wesentliche pathogenetische Rolle in der Auslösung von Autoimmunität übernehmen, indem sie T-Zellen Autoantigen im Keimzentrum eines lymphatischen Organs präsentieren und proinflammatorische Zytokine sezernieren.
Autoreaktive B-Zellen werden ständig generiert und durch Toleranzmechanismen an der Auslösung einer Autoimmunreaktion gehindert. Klonale Deletion, Anergie und Ignoranz sind Mechanismen der zentralen und der peripheren B-Zell-Toleranz.
Wie schädigen autoreaktive B-Zellen den Organismus? Grundsätzlich werden autoreaktive B-Zellen durch die oben aufgeführten Mechanismen daran gehindert, dem Menschen zu schaden. Es ist jedoch eindeutig, dass autoreaktive B-Zellen mit niedrigaffiner Antigenspezifität andauernd entstehen. Man stellt sich heute vor, dass durch Fehlregulationen, deren molekularer Ablauf bisher nicht geklärt ist, ein Autoantigen so präsentiert wird, dass eine aktive Immunantwort ausgelöst wird, die dann jedoch autoreaktiv ist und zur Bildung hochaffiner Autoantikörper führt:
Die professionelle Präsentation eines Autoantigens mit effektiver Kostimulation kann z. B. dadurch ausgelöst werden, dass dieses Autoantigen üblicherweise in einem privilegierten Ort lokalisiert ist, der im Kontakt mit dem Immunsystem tolerogen wirkt. Wenn es durch äußere Einflüsse zur Freisetzung des Autoantigens kommt, kann eine Immunreaktion ausgelöst werden. Dies wird beispielsweise bei der Pathogenese der Autoimmunuveitis vermutet.
Andererseits kann die Zerstörung von Zellen intrazelluläre Proteine freisetzen, die dann als Autoantigen funktionieren. Dieses Beispiel trifft auf die nukleären Autoantigene zu, die beim systemischen Lupus erythematodes (SLE) eine Rolle spielen.
Infektionen können ebenfalls an der Auslösung von Autoimmunreaktionen beteiligt sein, eine Kreuzreaktivität zwischen Antigenen des pathogenen Keimes und Autoantigenen löst dabei die Aktivierung autoantigener B-Zellen aus. Ein Beispiel für diese Form der Pathogenese von Autoimmunität ist das rheumatische Fieber.
Dass humorale Autoimmunität übertragbar ist, zeigt der Transfer von Autoantikörpern der an einer Autoimmunerkrankung leidenden erkrankten Mutter auf den Fetus mit konsekutiver Erkrankung des Neugeborenen. Beispiele hierfür sind
die immunthrombozytopenische Purpura, die zu einer Thrombopenie des Neugeborenen führt,
die Myasthenia gravis, die mit einer ausgeprägten muskulären Hypotonie des Neugeborenen einhergeht, oder
der SLE, der beim Neugeborenen einen kongenitalen Herzblock auslösen kann.
Mit dem natürlichen Abbau der mütterlichen Antikörper im Kind ist zumeist auch die Klinik der Neugeborenen rückläufig, wenn nicht, wie beim neonatalen SLE mit kongenitalem Herzblock, ein irreversibler Schaden eingetreten ist.
Demgegenüber neigen viele Autoimmunkrankheiten beim Patienten, bei dem sie originär entstehen und nicht passiv übertragen werden, zur Chronizität, da das Autoantigen zumeist andauernd vorhanden ist, während bei vielen Infektionen der Erreger entweder eliminiert oder in eine latente Form überführt wird, in der er keine Immunreaktion mehr auslöst (z. B. Herpesviren, Hepatitis-B-Virus). Mit einer chronischen Persistenz des Autoantigens ist dann eine chronische Entzündung verbunden, bei der auch nichtspezifische Immunzellen wie z. B. Makrophagen rekrutiert werden und die Entzündungsreaktion weiter unterhalten. Zunehmende Zerstörung von Gewebe durch Entzündung kann weitere Autoantigene freilegen und dadurch weitere Autoimmunität begünstigen.
Die Bindung von Autoantikörpern an Autoantigene der Zelloberfläche führt durch Komplementaktivierung und durch Bindung an Fc-Rezeptoren zur Lyse der Zelle, die die Autoantigene in ihrer Zellmembran exprimiert. Diese Mechanismen erfolgen analog der humoralen Immmunantwort auf pathogene Keime. Zellen wie Makrophagen, die Fc-Rezeptoren tragen, erkennen den Fc-Anteil der Autoantikörper und binden an diese. Dadurch wird die Phagozytose der autoantikörperbeladenen Zellen eingeleitet. Dieser Mechanismus ist z. B. bei der immunthrombopenischen Purpura oder bei autoimmunhämolytischen Anämien wirksam. Ebenfalls bei diesen Erkrankungen tritt eine Komplementaktivierung durch die mit Autoantikörpern beladenen Zellen auf, indem C3 an die Autoantikörper bindet und Komplementrezeptoren auf Makrophagen wiederum an C3 binden, was zur Zerstörung der Zelle führt. Wenn der Membranangriffskomplex des Komplementsystems durch die Autoantikörper aktiviert wird, entsteht ein starker entzündlicher Stimulus, der durch die Sezernierung von Zytokinen und Chemokinen andere immunkompetente Zellen anzieht und aktiviert. Der entzündliche Prozess wird dadurch verstärkt, und Schäden am Organ, in dem die Autoimmunreaktion stattfindet, treten ein.
Ein weiterer pathogener Mechanismus von Autoantikörpern ist die direkte Bindung an Rezeptoren, die für die Signalvermittlung bedeutsam sind. Aktivierung wie auch Inhibierung dieser Rezeptoren kann die Folge sein. Die Myasthenia gravis, bei der Autoantikörper an Acetylcholinrezeptoren binden und diese inhibieren, ist hierfür ein Beispiel.
Die Bildung von Immunkomplexen, die aus Autoantikörpern und Autoantigen bestehen und zirkulieren, kann ebenfalls krankheitsauslösend wirken, wenn die Klärungsmechanismen der Immunkomplexe überfordert sind. Beispielhaft hierfür sei der systemische Lupus erythematodes (SLE) angeführt. Beim SLE treten Immunkomplexe auf, bei denen Autoantikörper an nukleäre Autoantigene binden. Durch verschiedene Vorgänge, die bisher nur zum Teil verstanden werden, werden durch Zellzerstörung diese nukleären Antigene freigesetzt, Immunkomplexe bilden sich in großer Zahl und verursachen eine Immunkomplexvaskulitis, unter anderem in der Niere. Hierdurch werden weitere Zellen geschädigt, und erneut werden nukleäre Antigene freigesetzt und von autoreaktiven Zellen erkannt, wodurch ein Circulus vitiosus entsteht. Welche Bedeutung Immunkomplexe für Autoimmunkrankheiten und insbesondere für den SLE aufweisen, zeigt die Beobachtung der sehr seltenen Defizienz des Komplementfaktors C1q. C1q ist bei der Klärung von Immunkomplexen zentral beteiligt. Die Defizienz von C1q ist sehr häufig mit dem Auftreten eines schwer verlaufenden SLE vergesellschaftet, wobei die mangelnde Klärung von Immunkomplexen pathogenetisch entscheidend sein dürfte.
Autoreaktive B-Zellen werden aktiviert, wenn Autoantigene effektiv mit kostimulatorischem Signal erkannt werden. Dies erfolgt z. B. durch Freisetzung eines Autoantigens aus immunologisch privilegierten Orten oder nach Zellzerstörung. Die eigentliche Pathogenese der Effektorfunktion verläuft bei der Autoimmunreaktion von B-Zellen sehr ähnlich der Immunreaktion von B-Zellen zur Abwehr pathogener Keime.
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