Die Entwicklung der B- und T-Lymphocyten

Die Bildung neuer Lymphocyten, die Lymphopoese , erfolgt in spezialisierten lymphatischen Geweben, den zentralen lymphatischen Geweben , wobei B-Zellen im Knochenmark, T-Zellen dagegen im Thymus entstehen. Die Vorläufer beider Populationen entstehen alle im Knochenmark. Die B-Zellen absolvieren den größten Teil ihrer Entwicklung dort, während die meisten T-Zellen in den Thymus wandern, wo sie sich zu reifen T-Zellen entwickeln. Eine wichtige Funktion der Lymphopoese besteht darin, ein vielfältiges Repertoire von B- und T-Zell-Rezeptoren auf den zirkulierenden B- beziehungsweise T-Zellen hervorzubringen. Dadurch ist ein Mensch in der Lage, gegen ein breites Spektrum von Krankheitserregern, denen er im Lauf des Lebens begegnet, eine Immunantwort zu entwickeln. Beim Fetus und beim Heranwachsenden bilden die zentralen lymphatischen Gewebe den Ursprung für eine große Anzahl neuer Lymphocyten, die in die peripheren lymphatischen Gewebe (die man auch als sekundäre lymphatische Gewebe bezeichnet) wandern und diese besiedeln. Dazu gehören beispielsweise die Lymphknoten, die Milz und das Lymphgewebe der Schleimhäute. Im ausgewachsenen Organismus verlangsamt sich die Entwicklung neuer T-Zellen im Thymus und die Anzahl der peripheren T-Zellen wird durch Teilung reifer T-Zellen außerhalb der zentralen lymphatischen Organe aufrechterhalten. Im Gegensatz dazu gehen neue B-Zellen selbst im ausgewachsenen Organismus ständig aus dem Knochenmark hervor. Dieses Kapitel befasst sich mit der Entwicklung der T- und B-Zellen aus ihren ungeprägten Vorläufern, wobei ein besonderer Schwerpunkt bei den Hauptpopulationen der CD4⁺- und CD8⁺-T-Zellen und bei den B-Zellen liegt. Die Entwicklung von weiteren Untergruppen der T- und B-Zellen, etwa der invarianten NKT-Zellen (iNKT-Zellen), T_reg-Zellen, γ:δ-TCR⁺-T-Zellen, B1-Zellen und B-Zellen der Randzonen wird kurz besprochen.

In Kap. 10.1007/978-3-662-56004-4_4 und 10.1007/978-3-662-56004-4_5 wurde die Struktur der Gene für Antigenrezeptoren beschrieben, die von B- und T-Zellen exprimiert werden, es wurden die Mechanismen besprochen, durch die ein vollständiger Antigenrezeptor zusammengefügt wird. Sobald sich ein Antigenrezeptor gebildet hat, sind umfassende Tests erforderlich, damit Lymphocyten selektiert werden, die nutzbringende Antigenrezeptoren tragen – das heißt Antigenrezeptoren , die ein breites Spektrum von Krankheitserregern erkennen können und nicht auf körpereigene Zellen reagieren. Aufgrund der enormen Vielfalt an Rezeptoren, die durch den Umlagerungsprozess entstehen können, ist es notwendig, dass diejenigen Lymphocyten, die zur Reife gelangen, mit einer großen Wahrscheinlichkeit fremde Antigene erkennen und darauf reagieren können, vor allem auch, weil ein individueller Organismus im Laufe seines Lebens nur einen kleinen Anteil des insgesamt möglichen Antigenrezeptorrepertoires hervorbringen kann. Wir beschreiben, wie Spezifität und Affinität eines Rezeptors für körpereigene Liganden geprüft werden. Dabei wird festgestellt, ob der unreife Lymphocyt überlebt und in das gereifte Repertoire übernommen oder ob er sterben wird. Im Allgemeinen empfangen sich entwickelnde Lymphocyten, deren Rezeptoren mit körpereigenen Antigenen nur schwach interagieren oder diese in einer bestimmten Art und Weise binden, offenbar ein Signal, das ihnen das Überleben ermöglicht. Dieser Vorgang, den man als positive Selektion bezeichnet, ist besonders wichtig für die Entwicklung von α:β-T-Zellen, die an MHC-Moleküle gebundene Peptide als zusammengesetzte Antigene erkennen. So ist sichergestellt, dass die T-Zellen eines bestimmten Organismus auf Peptide reagieren können, die an MHC-Moleküle gebunden sind.

Im Gegensatz dazu müssen Lymphocyten mit stark autoreaktiven Rezeptoren beseitigt werden, um Autoimmunreaktionen zu vermeiden. Dieser Vorgang der negativen Selektion ist einer der Mechanismen, durch den das Immunsystem selbsttolerant wird. Das vorbestimmte Schicksal von sich entwickelnden Lymphocyten ist der Tod durch Apoptose, wenn über den Rezeptor überhaupt kein Signal empfangen wird, und das ist bei der überwiegenden Mehrzahl der Lymphocyten während ihrer Entwicklung der Fall, bevor sie die zentralen lymphatischen Organen verlassen oder bevor sie ihre Reifung in den peripheren lymphatischen Organen abgeschlossen haben.

In diesem Kapitel wollen wir die verschiedenen Stadien während der Entwicklung von B- und T-Zellen bei der Maus und beim Menschen beschreiben, von der ungeprägten Stammzelle bis hin zum gereiften, in seiner Funktion spezialisierten Lymphocyten mit seinem spezifischen Antigenrezeptor, der bereit ist, auf sein Antigen zu reagieren. Die letzten Stadien im Lebenslauf eines reifen Lymphocyten, in denen er auf ein fremdes Antigen trifft und dadurch aktiviert wird, eine Effektorzelle oder eine Gedächtniszelle zu werden, sind Thema der Kap. 10.1007/978-3-662-56004-4_9–10.1007/978-3-662-56004-4_11. Heute wissen wir, dass sich die Entwicklung der B- und T-Zellen, die vor allem während der späten Embryonalphase und nach der Geburt stattfindet, von den wellenförmigen Entwicklungsschüben der Lymphocyten in früheren Phasen der fetalen Ontogenese unterscheidet. Diese früheren Entwicklungsphasen sind auf Stammzellen zurückzuführen, die aus der fetalen Leber und aus noch ursprünglicheren hämatopoetischen Geweben des sich entwickelnden Embryos stammen. Anders als Lymphocyten, die sich aus Knochenmarkstammzellen entwickeln, besiedeln die aus diesen frühen embryonalen Vorläuferzellen abgeleiteten B- und T-Zellen die Gewebe der Schleimhäute und Epithelien und wirken bei angeborenen Immunantworten mit. Im ausgewachsenen Organismus sind diese Untergruppen der Lymphocyten zahlenmäßig untergeordnete Populationen in den sekundären lymphatischen Geweben. Dieses Kapitel befasst sich vor allem mit den B- und T-Zellen, die sich aus den Stammzellen des Knochenmarks entwickeln und die Zellen der adaptiven Immunantwort bilden (Abb. 10.1007/978-3-662-56004-4_1#Fig7 und Abb. 10.1007/978-3-662-56004-4_1#Fig20). Es gliedert sich in drei Teile. Die ersten beiden beschreiben die Entwicklung der B- beziehungsweise der T-Zellen. Im dritten Teil befassen wir uns dann mit den Vorgängen der positiven und der negativen Selektion von T-Zellen im Thymus.

Entwicklung der B-Lymphocyten

Die wichtigsten Stadien im Werdegang eines B-Lymphocyten sind in Abb. 8.1 dargestellt. Die Stadien der B- und T-Zell-Entwicklung werden vor allem anhand der aufeinanderfolgenden Schritte des Zusammenbaus und der Expression der funktionsfähigen Antigenrezeptorgene festgelegt. Bei jedem Schritt der Lymphocytenentwicklung wird der Fortschritt der Genumlagerung festgehalten und die wichtigste Fragestellung lautet, ob die erfolgreiche Genumlagerung zur Produktion einer Proteinkette führt, die der Zelle als Signal dient, in das nächste Stadium einzutreten. Wir werden feststellen, dass eine sich entwickelnde B-Zelle zwar mehrere Optionen für solche Umstrukturierungen hat, die die Wahrscheinlichkeit erhöhen, einen funktionsfähigen Antigenrezeptor zu exprimieren, es jedoch Kontrollpunkte gibt, die die Anforderung unterstreichen, dass eine B-Zelle nur Rezeptoren einer einzigen Spezifität exprimiert. Zu Beginn wollen wir uns ansehen, wie sich die frühesten erkennbaren Zellen der B-Zell-Linie aus der pluripotenten hämatopoetischen Stammzelle im Knochenmark entwickeln und an welcher Stelle sich die Linien von B- und T-Zellen trennen.

Lymphocyten stammen von hämatopoetischen Stammzellen im Knochenmark ab

Die Zellen der lymphatischen Linien – B-Zellen, T-Zellen und angeborene lymphatische Zellen (innate lymphoid cells, ILCs) – stammen alle von gemeinsamen lymphatischen Vorfahren ab, die sich ihrerseits aus den pluripotenten hämatopoetischen Stammzellen (HSCs) entwickeln, welche alle Blutzellen hervorbringen (Abb. 10.1007/978-3-662-56004-4_1#Fig3). Die Entwicklung aus der Vorläuferstammzelle zu Zellen, die darauf festgelegt wurden, B- oder T-Zellen zu werden, folgt den Grundregeln der Zelldifferenzierung. Eigenschaften, die für die Funktion der gereiften Zelle essenziell sind, werden schrittweise erworben, während zunehmend Merkmale verloren gehen, die eher für die unreife Zelle charakteristisch sind. Bei der Lymphocytenentwicklung werden die Zellen zuerst darauf festgelegt, dass sie keine myeloische, sondern eine lymphatische Zelllinie bilden, und dann erfolgt erst die Trennung in die Linien der B- und der T-Zellen (Abb. 8.2).

Die spezialisierte Mikroumgebung des Knochenmarks liefert Signale sowohl für die Entwicklung von Lymphocyten aus hämatopoetischen Stammzellen als auch für die anschließende Differenzierung der B-Zellen. Solche Signale wirken auf sich entwickelnde Lymphocyten und schalten die entscheidenden Gene um, die das Entwicklungsprogramm steuern. Im Knochenmark werden diese Signale von einem Netzwerk aus spezialisierten nichtlymphatischen Stromazellen des Bindegewebes erzeugt, die mit den sich entwickelnden Lymphocyten sehr eng interagieren (Abb. 8.3). Der Beitrag der Stromazellen erfolgt auf zwei Weisen. Zum einen bilden sie über Zelladhäsionsmoleküle und ihre Liganden spezifische Kontaktstellen mit den sich entwickelnden Lymphocyten. Zum anderen produzieren sie lösliche und membrangebundene Cytokine und Chemokine, die die Differenzierung und Proliferation der Lymphocyten kontrollieren.

Die hämatopoetischen Stammzellen differenzieren sich zuerst zu multipotenten Vorläuferzellen (multipotent progenitor cells, MPPs), aus denen sowohl lymphatische als auch myeloische Zellen hervorgehen können. Sie sind jedoch keine sich selbst erneuernden Stammzellen mehr. Die multipotenten Vorläuferzellen exprimieren auf der Zelloberfläche die Rezeptortyrosinkinase FLT3 . Diese bindet den FLT3-Liganden auf den Stromazellen. Darüber hinaus exprimieren MPP-Zellen Transkriptionsfaktoren und Rezeptoren, die für die Entwicklung zu verschiedenen hämatopoetischen Zelllinien erforderlich sind, beispielsweise den Transkriptionsfaktor PU.1 und den Rezeptor c-kit . Im nächsten Stadium gehen aus den MPP-Zellen zwei Untergruppen von Vorläuferzellen hervor, aus denen sich alle lymphatischen Zelllinien entwickeln. Aus einer Vorläuferzelle, die bis jetzt noch keine Bezeichnung trägt, entstehen die ILC-Untergruppen der ILC1-, ILC2- und ILC3-Zellen . Eine zweite Vorläuferzelle, die sich aus der MPP-Zelle entwickelt, ist die gemeinsame lymphatische Vorläuferzelle (common lymphoid progenitor, CLP). Für die Differenzierung der MPP- zu CLP-Zellen sind Signale des FLT3-Rezeptors notwendig, der von den MPP-Zellen exprimiert wird. Versuche zur Übertragung von Vorläuferzellen und Neubildung von Zelllinien haben ergeben, dass die CLP-Population tatsächlich sehr heterogen ist und ein Kontinuum von Zellen darstellt, deren Multipotenz immer mehr abnimmt. Eine Untergruppe der CLP-Zellen mit dem breitesten Differenzierungspotenzial kann B-Zellen, T-Zellen und NK-Zellen hervorbringen. Aus der zweiten Untergruppe können sich nur B- und T-Zellen entwickeln und die dritte CLP-Untergruppe ist ausschließlich für die B-Zell-Linie vorgeprägt. Aus dieser Linie gehen die Pro-B-Zellen hervor (Abb. 8.3).

Die Erzeugung von Vorläuferzellen der Lymphocyten geht einher mit der Expression des Rezeptors für Interleukin-7 (IL-7). Diese wird von FLT3-Signalen im Zusammenwirken mit der Aktivität des Transkriptionsfaktors PU.1 induziert. Das Cytokin IL-7 , das von Stromazellen des Knochenmarks freigesetzt wird, ist für das Wachstum und Überleben von sich entwickelnden B-Zellen bei der Maus (möglicherweise jedoch nicht beim Menschen) essenziell. Der IL-7-Rezeptor besteht aus zwei Polypeptiden – aus der IL-7-Rezeptor-α-Kette und der gemeinsamen Cytokinrezeptor-γ-Kette (γ_c); die Bezeichnung wurde gewählt, weil dieses Protein auch noch in fünf weiteren Cytokinrezeptoren vorkommt. Zu dieser Familie von Cytokinrezeptoren gehören außerdem die Rezeptoren für IL-2, IL-4, IL-9, IL-15 und IL-21. Diese Rezeptoren haben auch die Tyrosinkinase Jak3 gemeinsam, ein Signalprotein, das ausschließlich an γ_c bindet und bei all diesen Rezeptoren für eine produktive Signalgebung erforderlich ist. Bei Mäusen ist IL-7 für die B-Zell-Entwicklung von großer Bedeutung, sodass Tiere mit einem genetischen Defekt in IL-7, im IL-7-Rezeptor (α, γ_c) oder in Jak3 eine gravierende Blockade der B-Zell-Entwicklung aufweisen.

Ein anderer essenzieller Faktor ist der Stammzellfaktor (SCF ), ein membrangebundenes Cytokin, das auf Stromazellen im Knochenmark vorkommt und das Wachstum der hämatopoetischen Stammzellen und der allerersten Vorläufer der B-Zell-Linie stimuliert. SCF interagiert mit der Rezeptortyrosinkinase Kit auf den Vorläuferzellen (Abb. 8.3). Das Chemokin CXCL12 (stromal cell-derived factor 1, SDF-1) ist ebenfalls für die frühen Stadien der B-Zell-Entwicklung von grundlegender Bedeutung. CXCL12 wird von den Stromazellen des Knochenmarks konstitutiv produziert. Eine seiner Funktionen besteht wahrscheinlich darin, sich entwickelnde B-Zell-Vorläufer in der Mikroumgebung des Knochenmarks festzuhalten. Der Faktor TSLP (thymusstromales Lymphopoetin ) ähnelt IL-7 und bindet an einen Rezeptor, der die α-Kette des IL-7-Rezeptors enthält, nicht jedoch die γ-Kette. TSLP stimuliert wahrscheinlich (obwohl die Bezeichnung darauf nicht hindeutet) die Entwicklung der B-Zellen in der fetalen Leber und bei Mäusen zumindest zur Zeit der Geburt im Knochenmark.

Ein maßgebliches B-Zell-Stadium ist die Pro-B-Zelle , die durch die Induktion des B-Zell-Linien-spezifischen Transkriptionsfaktors E2A gekennzeichnet ist. Es ist nicht bekannt, wodurch die Expression von E2A in einigen Vorläuferzellen ausgelöst wird, aber man weiß, dass die Transkriptionsfaktoren PU.1 und Ikaros für die E2A-Expression erforderlich sind. E2A induziert dann die Expression des frühen B-Zell-Faktors (early B-cell factor, EBF). IL-7-Signale unterstützen das Überleben dieser vorgeprägten Vorläuferzellen, während E2A und EBF zusammenwirken, um die Expression von Proteinen zu steuern, die das Stadium der Pro-B-Zelle bestimmen.

Während die Zellen der B-Linie reifen, wandern sie innerhalb des Knochenmarks und bleiben dabei in Kontakt mit den Stromazellen. Die allerersten Stammzellen befinden sich in einer Region, die man als Endosteum bezeichnet; sie kleidet die innere Oberfläche der langen Knochen aus, beispielsweise im Oberschenkelknochen (Femur) und im Schienbein (Tibia). Sich entwickelnde B-Zellen treten mit retikulären Stromazellen in den trabekulären Regionen in Wechselwirkung und bewegen sich während ihrer Reifung auf den zentralen Sinus der Knochenmarkhöhle zu. Die letzten Entwicklungsstadien von unreifen zu reifen B-Zellen finden in den peripheren lymphatischen Organen wie der Milz statt (Abschn. 8.1.7 und 8.1.8).

Die Entwicklung der B-Zellen beginnt mit der Umlagerung des Locus für die schwere Kette

Die Stadien der B-Zell-Entwicklung sind (in der Reihenfolge des Auftretens): frühe Pro-B-Zelle , späte Pro-B-Zelle, große Prä-B-Zelle , kleine Prä-B-Zelle, unreife B-Zelle und reife B-Zelle (Abb. 8.4). In der Pro-B-Zelle wird die Umlagerung des Locus der schweren Kette eingeleitet, sobald E2A und EBF die Expression verschiedener Proteine auslösen, die für die Genumlagerung essenziell sind, beispielsweise die Komponenten RAG-1 und RAG-2 der V(D)J-Rekombinase (Kap. 10.1007/978-3-662-56004-4_5). Pro Schritt wird nur ein Genlocus umgelagert, die Reihenfolge ist immer dieselbe. Die erste Umlagerung ist die Verknüpfung des D-Gen-Segments mit einem J-Gen-Segment am IgH-Locus der schweren Immunglobulinkette. Die Umlagerung von D zu J_H erfolgt vor allem im frühen Stadium der Pro-B-Zelle, kann aber auch schon in der gemeinsamen lymphatischen Vorläuferzelle erfolgen. Wenn E2A und EBF fehlen, kann diese erste Umlagerung nicht stattfinden.

Ein anderes essenzielles Protein, das von E2A und EBF induziert wird, ist der Transkriptionsfaktor Pax-5 . Eine Isoform dieses Proteins wird als B-Zell-spezifisches Aktivatorprotein (BSAP) bezeichnet (Abb. 8.3). Pax-5 wirkt unter anderem auf das Gen für die Komponente CD19 des B-Zell-Corezeptors und das Gen für Igα. Igα ist eine signalgebende Komponente sowohl des Prä-B-Zell-Rezeptors als auch des B-Zell-Rezeptors (Abschn. 10.1007/978-3-662-56004-4_7#Sec10). Wenn Pax-5 fehlt, können sich Pro-B-Zellen entlang des B-Zell-Weges nicht weiterentwickeln, aber sie können dazu angeregt werden, sich zu T-Zellen oder myeloischen Zellen zu entwickeln. Das weist darauf hin, dass Pax-5 für die Festlegung der Pro-B-Zelle auf die B-Zell-Linie notwendig ist. Pax-5 induziert auch die Expression des B-Zell-Linker-Proteins (BLNK), ein SH2-haltiges Gerüstprotein, das für die weitere Entwicklung der Pro-B-Zelle und für die Signalgebung des reifen B-Zell-Antigenrezeptors erforderlich ist (Abschn. 10.1007/978-3-662-56004-4_7#Sec23). In Abb. 8.3 und Abb. 8.4 ist dargestellt, wie einige notwendige Transkriptionsfaktoren, Zelloberflächenproteine und Rezeptoren im zeitlichen Verlauf der B-Zell-Entwicklung exprimiert werden.

Das V(D)J-Rekombinasesystem ist zwar sowohl in den Zellen der B-Linie als auch der T-Linie aktiv und nutzt dieselben Kernkomponenten, aber in Zellen der B-Linie kommt es nicht zu Umlagerungen der T-Zell-Rezeptor-Gene und in T-Zellen nicht zu einer vollständigen Umlagerung der Immunglobulingene. Die nacheinander ablaufenden Ereignisse der Umlagerung gehen mit einer zelllinienspezifischen geringen Transkription der Gene einher, die umgelagert werden sollen.

Zuerst erfolgen die die D-J_H-Umlagerungen des Locus der schweren Kette (Abb. 8.5), normalerweise an beiden Allelen; die Zelle wird dabei zu einer späten Pro-B-Zelle. Beim Menschen sind die meisten D-J_H-Verknüpfungen potenziell nützlich, da die meisten humanen D-Gen-Segmente in allen drei Leserastern translatiert werden können, ohne dass ein Stoppcodon auftritt. Es sind also keine besonderen Mechanismen erforderlich, durch die erfolgreiche D-J_H-Verknüpfungen ermittelt werden müssen. Auch besteht in diesem frühen Stadium keine Notwendigkeit sicherzustellen, dass sich nur ein Allel umlagert. Wenn man die Wahrscheinlichkeit von auftretenden Fehlern in Betracht zieht, sind zwei erfolgreich umgelagerte D-J-Sequenzen anscheinend durchaus von Vorteil.

Um eine vollständige schwere Immunglobulinkette hervorzubringen, führt die Pro-B-Zelle jetzt die Umlagerung eines V_H-Gen-Segments an eine DJ_H-Sequenz durch. Anders als die DJ_H-Umlagerung erfolgt die V_H-DJ_H-Umlagerung zuerst nur auf einem Chromosom. Eine erfolgreiche Umlagerung führt zur Produktion der vollständigen schweren μ-Kette. Danach endet die V_H-DJ_H-Umlagerung und die Zelle wird zu einer Prä-B-Zelle. Pro-B-Zellen , die keine μ-Kette produzieren, werden zerstört, da sie über den Prä-B-Zell-Rezeptor (Abschn. 8.1.3) das notwendige Überlebenssignal nicht empfangen können. In diesem Stadium gehen mindestens 45 % der Pro-B-Zellen verloren. In mindestens zwei von drei Fällen ist die erste V_H-DJ_H-Umlagerung unproduktiv. Wenn diese erste Umlagerung nicht im Leseraster erfolgt, kommt es zu einer Umlagerung auf dem anderen Chromosom. Auch hier besteht theoretisch eine Wahrscheinlichkeit, dass in zwei von drei Fällen ein Fehler auftritt. Eine grobe Abschätzung der Wahrscheinlichkeit für das Entstehen einer Prä-B-Zelle beträgt demnach 55 % (1/3 + [2/3 × 1/3] = 0,55). Die tatsächliche Häufigkeit ist etwas geringer, da das Repertoire der V-Gen-Segmente Pseudogene enthält, die ebenfalls in eine Umlagerung einbezogen werden können, obwohl sie schwerwiegende Schäden aufweisen, durch die eine Expression zu einem funktionsfähigen Protein unmöglich ist. Eine erste unproduktive Umlagerung muss nicht automatisch zur Eliminierung der B-Zelle führen, da die meisten Loci auf demselben Chromosom weitere Umlagerungen durchführen können. Wenn auch dies nicht erfolgreich ist, steht noch der Locus auf dem anderen Chromosom für eine Umlagerung zur Verfügung.

Die Vielfalt des Antigenrezeptorrepertoires der B-Zellen wird an dieser Stelle noch von dem Enzym Terminale Desoxyribonucleotidyltransferase (TdT) erhöht. Die TdT wird von der Pro-B-Zelle exprimiert und fügt ohne Matrize Nucleotide (nontemplated nucleotides, N-Nucleotide ) in die Verbindungsstellen zwischen umgelagerten Gensegmenten ein (Abschn. 10.1007/978-3-662-56004-4_5#Sec9). Beim erwachsenen Menschen wird das Enzym während der Umlagerung für die schwere Kette in den Pro-B-Zellen exprimiert, aber diese Expression endet mit dem Prä-B-Zell-Stadium während der Umlagerung des Gens für die leichte Kette. Das erklärt, warum N-Nucleotide in den V-D- und D-J-Verknüpfungen von fast allen Genen für die schwere Kette vorkommen, aber nur in etwa einem Viertel der Verknüpfungen in den Genen für die leichte Kette. In den V-J-Verknüpfungen der leichten Kette bei der Maus kommen N-Nucleotide nur sehr selten vor. Das zeigt, dass TdT während der B-Zell-Entwicklung bei der Maus etwas früher abgeschaltet wird. Während der Fetalentwicklung, wenn zum ersten Mal B- und T-Lymphocyten in das periphere Immunsystem gelangen, wird die TdT nur in geringer Menge exprimiert, wenn überhaupt.

Der Prä-B-Zell-Rezeptor prüft, ob eine vollständige schwere Kette produziert wurde, und gibt das Signal für den Übergang von der Pro-B-Zelle zum Stadium der Prä-B-Zelle

Die ungenaue V(D)J-Rekombination ist ein zweischneidiges Schwert: Durch sie erweitert sich zwar die Vielfalt des Antikörperrepertoires, aber es können auch unproduktive Umlagerungen entstehen. Pro-B-Zellen müssen deshalb über einen Mechanismus verfügen, um festzustellen, ob eine potenziell funktionsfähige schwere Kette produziert wurde. Das geschieht, indem die schwere Kette in einen Rezeptor eingefügt wird, der Auskunft über eine erfolgreiche Produktion geben kann. Dieser Test findet jedoch ohne das Vorhandensein von leichten Ketten statt, die zu diesem Zeitpunkt noch nicht umgelagert wurden. Stattdessen erzeugen die Pro-B-Zellen zwei invariante „Ersatzproteine“, deren zusammengefügte Struktur der leichten Kette ähnelt. Sie können sich an die μ-Kette anlagern, sodass der Prä-B-Zell-Rezeptor (Prä-BCR) entsteht (Abb. 8.5). Der Zusammenbau eines Prä-B-Zell-Rezeptors signalisiert der Pro-B-Zelle, dass eine produktive Umlagerung stattgefunden hat.

Die Ersatzketten werden von Genen codiert, die sich nicht umordnen und von den Loci der Antigenrezeptoren getrennt sind. Ihre Expression wird durch die Transkriptionsfaktoren E2A und EBF induziert (Abb. 8.4). Eine Kette wird aufgrund ihrer großen Ähnlichkeit mit der C-Domäne der leichten λ-Kette als λ5 bezeichnet. Die andere Ersatzkette, VpreB , ähnelt einer V-Domäne für die leichte Kette, enthält jedoch am aminoterminalen Ende eine zusätzliche Region. Pro-B-Zellen und Prä-B-Zellen exprimieren auch die invarianten Proteine Igα und Igβ, die in Kap. 10.1007/978-3-662-56004-4_7 als Signalkomponenten des B-Zell-Rezeptor-Komplexes auf reifen B-Zellen eingeführt wurden. Als Bestandteile des Prä-B-Zell-Rezeptors auf der Zelloberfläche übertragen Igα und Igβ Signale, indem sie über ihre cytoplasmatischen Schwänze mit intrazellulären Tyrosinkinasen interagieren, genauso wie sie in reifen B-Zellen Rezeptorsignale übertragen (Abschn. 10.1007/978-3-662-56004-4_7#Sec10).

Die Bildung des Prä-B-Zell-Rezeptors und die Signale, die durch diesen Rezeptor entstehen, bilden einen wichtigen Kontrollpunkt in der B-Zell-Entwicklung , der den Übergang zwischen der Pro-B-Zelle und der Prä-B-Zelle markiert. Bei Mäusen, denen entweder λ5 fehlt oder die mutierte Gene für die schwere Kette besitzen, welche keine Transmembrandomäne enthalten, kann kein Prä-B-Zell-Rezeptor gebildet werden, und die B-Zell-Entwicklung wird nach der Umlagerung des Gens für die schwere Kette angehalten. In normalen B-Zellen wird der Prä-B-Zell-Rezeptor-Komplex nur vorübergehend produziert, vielleicht weil die Produktion der λ5-mRNA anhält, sobald sich die Prä-B-Zell-Rezeptoren zu bilden beginnen. Der Prä-B-Zell-Rezeptor wird zwar auf der Oberfläche der Prä-B-Zellen nur in geringer Menge exprimiert, aber er erzeugt Signale, die für den Übergang von der Pro-B-Zelle zur Prä-B-Zelle notwendig sind. Anscheinend ist an diesen Signalen kein Antigen oder ein anderer externer Ligand beteiligt. Stattdessen nimmt man an, dass die Prä-B-Zell-Rezeptoren miteinander interagieren. Dabei bilden sie Dimere oder Oligomere, die Signale hervorbringen, wie sie in Abschn. 10.1007/978-3-662-56004-4_7#Sec19 beschrieben werden. An der Dimerisierung sind „spezifische“ aminoterminale Regionen in den Proteinen λ5 und VpreB beteiligt, die in anderen immunglobulinähnlichen Domänen nicht vorkommen und die Quervernetzung benachbarter Prä-B-Zell-Rezeptoren auf der Zelloberfläche vermitteln (Abb. 8.6).

Für die Signale des Prä-B-Zell-Rezeptors ist das Gerüstprotein BLNK erforderlich, außerdem ist die Bruton-Tyrosinkinase (Btk) beteiligt, eine intrazelluläre Tyrosinkinase der Tec-Familie (Abschn. 10.1007/978-3-662-56004-4_7#Sec23). Beim Menschen und bei der Maus kommt es bei einem BLNK-Defekt zur Blockade der B-Zell-Entwicklung im Pro-B-Zell-Stadium. Beim Menschen führen Mutationen im Btk-Gen zum Bruton-Syndrom , einer umfassenden B-Zell-spezifischen Immunschwäche (Bruton’s X-linked agammaglobulinemia, X-gekoppelte Agammaglobulinämie , XLA), bei der keine reifen B-Zellen gebildet werden. Die Blockade der B-Zell-Entwicklung ist aufgrund von Mutationen im Btk-Gen beinahe vollständig. Dabei wird der Übergang von der Prä-B-Zelle zur reifen B-Zelle unterbrochen. Ein ähnlicher, aber etwas weniger gravierender Defekt bei Mäusen ist der X-gekoppelte Immundefekt (XID ); sie entsteht aufgrund von Mutationen im Btk-Gen bei der Maus.

Signale des Prä-B-Zell-Rezeptors blockieren weitere Umlagerungen des Locus für die schwere Kette und erzwingen einen Allelausschluss

Die Signale aufgrund der Clusterbildung des Prä-B-Zell-Rezeptors beenden die Umlagerung am Locus der schweren Kette und ermöglichen so der Pro-B-Zelle, auf IL-7 zu reagieren. Dadurch kommt es zur Zellproliferation, der Übergang zum Stadium der großen Prä-B-Zelle wird eingeleitet. Erfolgreiche Umlagerungen an beiden Allelen für die schwere Kette könnten bei einer B-Zelle dazu führen, dass zwei Rezeptoren mit unterschiedlichen Antigenspezifitäten gebildet werden. Um das zu verhindern, führen die Signale des Prä-B-Zell-Rezeptors zu einem Allelausschluss , das heißt zu einem Zustand, in dem in einer diploiden Zelle von einem bestimmten Gen nur eines der beiden Allele exprimiert wird. Den Allelausschluss, der sowohl das Gen für die schwere Kette als auch das Gen für die leichte Kette betrifft, hat man vor über 50 Jahren entdeckt. Damit hatte man einen experimentellen Beleg für die Theorie gefunden, dass ein Lymphocyt immer nur einen einzigen Typ von Antigenrezeptor exprimiert (Abb. 8.7).

Die Signale vom Prä-B-Zell-Rezeptor fördern den Allelausschluss für die schwere Kette auf drei Weisen. Zum einen nimmt dadurch die Aktivität der V(D)J-Rekombinase ab, indem die Expression der Gene RAG-1 und RAG-2 direkt verringert wird. Zum anderen geht die Konzentration von RAG-2 noch weiter zurück, weil dieses Protein durch die Signale indirekt für den Abbau markiert wird; das ist der Fall, wenn RAG-2 als Reaktion auf den Eintritt der Pro-B-Zelle in die S-Phase (die Phase der DNA-Synthese im Zellzyklus) phosphoryliert wird. Und schließlich verringern die Signale des Prä-B-Zell-Rezeptors die Zugänglichkeit der Rekombinase am Locus für die schwere Kette, wobei hier die genauen Einzelheiten noch unbekannt sind. In einem späteren Stadium der B-Zell-Entwicklung werden die RAG-Proteine wieder exprimiert, damit die Umlagerungen am Locus für die leichte Kette stattfinden können. Zu diesem Zeitpunkt kommt es aber am Locus der schweren Kette zu keinen weiteren Umlagerungen mehr. Wenn die Signale des Prä-B-Zell-Rezeptors ausbleiben, erfolgt am Locus der schweren Kette kein Allelausschluss. Da eine weitere wichtige Funktion der Prä-B-Zell-Rezeptor-Signale darin besteht, die Proliferation der B-Zell-Vorläufer, bei denen eine erfolgreiche Umlagerung der schweren Kette stattgefunden hat, zu stimulieren, kommt es bei einem Ausbleiben dieses Signals zu einer umfassenden Verringerung der Anzahl von Prä-B-Zellen und den sich daraus entwickelnden reifen B-Zellen.

In Prä-B-Zellen wird der Locus der leichten Kette umgelagert und ein Zelloberflächenimmunglobulin exprimiert

Der Übergang vom Stadium der Pro-B-Zelle zur großen Prä-B-Zelle geht einher mit mehreren Zellteilungszyklen, sodass sich die Population der Zellen mit produktiven Verknüpfungen im korrekten Leseraster um etwa das 30- bis 60-Fache vergrößert, bevor sie zu kleinen Prä-B-Zellen werden. Eine große Prä-B-Zelle mit einem spezifisch umgelagerten Gen für die schwere Kette bringt demnach zahlreiche kleine Prä-B-Zellen hervor. Die RAG-Proteine werden in den kleinen Prä-B-Zellen wieder produziert und die Umlagerung des Locus für die leichte Kette beginnt. Jede dieser Zellen kann ein anderes umgelagertes Gen für die leichte Kette erzeugen, sodass Zellen mit vielen unterschiedlichen Antigenspezifitäten aus einer einzigen Prä-B-Zelle hervorgehen. Dies ist ein wichtiger Beitrag für die Vielfalt der B-Zell-Rezeptoren insgesamt.

Bei der Umlagerung des Locus für die leichte Kette kommt es ebenfalls zu einem Allelausschluss . Es wird immer nur ein Allel auf einmal umgebaut, wobei der Mechanismus, der diesen Vorgang reguliert, bis jetzt noch nicht bekannt ist. Die Loci der leichten Kette enthalten keine D-Segmente und die Umlagerung erfolgt durch eine V-J-Verknüpfung. Wenn eine bestimmte VJ-Umlagerung keine funktionsfähige leichte Kette hervorbringt, kann es am selben Allel zu wiederholten Umlagerungen von bis dahin nicht verwendeten V- und J-Gen-Segmenten kommen (Abb. 8.8). Demnach sind in einem Chromosom mehrere Versuche möglich, eine produktive Umlagerung für ein Gen der leichten Kette hervorzubringen, bevor weitere Umlagerungen am anderen Chromosom beginnen. Dadurch erhöht sich die Wahrscheinlichkeit deutlich, dass schließlich eine funktionelle leichte Kette gebildet wird, besonders weil es zwei verschiedene Loci für die leichte Kette gibt. Das führt dazu, dass viele Zellen, die das Prä-B-Zell-Stadium erreichen, Nachkommen hervorbringen können, die korrekt gebildete leichte Ketten tragen und als unreife B-Zellen bezeichnet werden. In Abb. 8.4 sind einige Proteine aufgeführt, die bei der V(D)J-Rekombination mitwirken, außerdem ist dargestellt, wie ihre Expression während der B-Zell-Entwicklung reguliert wird. In Abb. 8.5 sind die Stadien der B-Zell-Entwicklung zusammengefasst, bis zu dem Zeitpunkt, wenn das vollständige Oberflächenimmunglobulin gebildet wird. Sich entwickelnde B-Zellen, die nicht in der Lage sind, ein vollständiges Oberflächenimmunglobulin hervorzubringen, durchlaufen im Knochenmark die Apoptose und werden aus dem B-Zell-Reservoir entfernt.

Neben dem Allelausschluss kommt es bei den leichten Ketten auch noch zu einem Isotypausschluss , das heißt, eine einzelne B-Zelle exprimiert immer nur einen Typ der leichten Kette – entweder κ oder λ. Auch hier ist der Regulationsmechanismus nicht bekannt. Bei Maus und Mensch wird die κ-Kette tendenziell vor dem λ-Locus umgelagert. Das ließ sich ursprünglich aus der Beobachtung ableiten, dass Myelomzellen , die leichte λ-Ketten sezernieren, im Allgemeinen sowohl umgelagerte λ- als auch umgelagerte κ-Gene besitzen. Bei Myelomen hingegen, die leichte κ-Ketten sezernieren, sind im Allgemeinen nur die κ-Gene umgelagert. Diese Reihenfolge kehrt sich gelegentlich um, die Umlagerung des λ-Gens erfordert nicht zwangsläufig, dass vorher die κ-Gen-Segmente umgelagert wurden. Die Verhältniszahlen von κ- zu λ-exprimierenden reifen B-Zellen variieren bei den verschiedenen Spezies zwischen den Extremwerten. Bei Mäusen und Ratten sind es 95 % κ gegenüber 5 % λ, beim Menschen sind es 65 % zu 35 % und bei Katzen 5 % zu 95 %, also genau umgekehrt wie bei Mäusen. Diese Verhältnisse korrelieren deutlich mit der Anzahl der funktionsfähigen V_κ- und V_λ-Gen-Segmente im Genom der jeweiligen Spezies. Die Verhältniszahlen sagen auch etwas aus über die Kinetik und die Effizienz der Umlagerung der Gensegmente. Das κ:λ-Verhältnis in der Population reifer Lymphocyten ist für die klinische Diagnostik hilfreich, denn ein abweichendes κ:λ-Verhältnis weist darauf hin, dass ein Klon dominiert und offenbar eine lymphoproliferative Störung vorliegt.

Unreife B-Zellen werden auf Autoreaktivität geprüft, bevor sie das Knochenmark verlassen

Sobald eine umgelagerte leichte Kette mit einer μ-Kette assoziiert, kann IgM auf der Zelloberfläche exprimiert werden (surface IgM, sIgM ) und die Prä-B-Zelle wird zu einer unreifen B-Zelle. In diesem Stadium wird der Antigenrezeptor zum ersten Mal auf Toleranz gegenüber körpereigenen Antigenen (Autoreaktivität ) geprüft. Die Beseitigung oder Inaktivierung von autoreaktiven B-Zellen sorgt dafür, dass die B-Zell-Population insgesamt gegenüber Autoantigenen tolerant wird. Die in dieser Phase der B-Zell-Entwicklung eingeführte Toleranz bezeichnet man als zentrale Toleranz , da sie in einem zentralen lymphatischen Organ entsteht, dem Knochenmark. Jedoch sind B-Zellen, die das Knochenmark verlassen, noch nicht vollständig ausgereift und benötigen weitere Reifungsschritte, die in den peripheren lymphatischen Organen stattfinden (Abschn. 8.1.8). Wie wir in diesem Kapitel und in Kap. 10.1007/978-3-662-56004-4_15 noch feststellen werden, können autoreaktive B-Zellen, die der zentralen Toleranz entgehen, noch aus dem Repertoire entfernt werden, nachdem sie das Knochenmark verlassen haben. Das geschieht während der abschließenden peripheren Stadien der B-Zell-Reifung, und man bezeichnet diesen Vorgang als periphere Toleranz (Abschn. 8.1.7).

sIgM assoziiert mit Igα und Igβ und bildet so einen funktionsfähigen B-Zell-Rezeptor-Komplex. Das Schicksal der unreifen B-Zelle im Knochenmark hängt von den Signalen ab, die dieser Rezeptorkomplex durch Wechselwirkung mit Liganden in seiner Umgebung auslöst. Die Signale von Igα sind von besonderer Bedeutung, da sie bestimmen, ob B-Zellen aus dem Knochenmark auswandern können und inwieweit sie in der Peripherie überleben. Mäuse, die Igα mit einer verkürzten cytoplasmatischen Domäne exprimieren, die keine Signale übermitteln kann, zeigen eine auf ein Viertel verringerte Zahl an unreifen B-Zellen im Knochenmark und eine auf ein Hundertstel verringerte Zahl an peripheren B-Zellen. Die Freisetzung unreifer B-Zellen aus dem Knochenmark in den Blutkreislauf hängt auch davon ab, wie diese Zellen S1PR1 exprimieren, einen G-Protein-gekoppelten Rezeptor, der den Liganden S1P bindet und die Wanderung der Zellen in Richtung einer höheren S1P-Konzentration stimuliert, wie sie im Blut vorhanden ist (Abschn. 8.3.9).

Unreife B-Zellen , die nicht stark auf körpereigene Antigene reagieren, setzen ihren Reifungsprozess fort (Abb. 8.9, erstes Bild). Sie verlassen das Knochenmark über die Sinusoide, die in den zentralen Sinus münden, treten in den Blutkreislauf ein und werden durch venöses Blut in die Milz transportiert. Trifft jedoch der neu exprimierte Rezeptor im Knochenmark auf ein stark quervernetzendes Antigen – das heißt, die Zelle ist stark autoreaktiv – wird die Entwicklung in diesem Stadium angehalten.

Experimente mit genetisch veränderten Mäusen, bei denen die Expression von autoreaktiven B-Zell-Rezeptoren erhöht ist, haben gezeigt, dass autoreaktive unreife B-Zellen vier verschiedene Werdegänge durchlaufen (Abb. 8.9, die drei letzten Bildfolgen). Diese Werdegänge sind die Produktion eines neuen Rezeptors durch einen Vorgang, den man als Rezeptor-Editing bezeichnet, der Zelltod durch Apoptose, was zu einer klonalen Deletion führt, die Induktion eines dauerhaften Zustands der Reaktionslosigkeit und die immunologische Ignoranz , ein Zustand, bei dem die Antigenkonzentrationen zu niedrig sind, um die Signalgebung der B-Zell-Rezeptoren auszulösen. Das endgültige Schicksal hängt bei jeder einzelnen B-Zelle von der Wechselwirkung des B-Zell-Rezeptors mit dem Autoantigen ab.

Unreife B-Zellen, die einen autoreaktiven Rezeptor exprimieren, der ein multivalentes Autoantigen erkennt, kann durch weitere Genumlagerungen, durch die der autoreaktive Rezeptor gegen einen neuen, nicht autoreaktiven, ausgetauscht wird, „gerettet“ werden. Diesen Mechanismus bezeichnet man als Rezeptor-Editing (Abb. 8.10). Wenn eine unreife B-Zelle zum ersten Mal sIgM produziert, werden die RAG-Proteine noch exprimiert. Ist der Rezeptor nicht autoreaktiv, führt die ausbleibende Quervernetzung dazu, dass die Genumlagerung endet. Die B-Zell-Entwicklung setzt sich fort, wobei die RAG-Proteine schließlich verschwinden. Bei einem autoreaktiven Rezeptor hingegen führt der Kontakt mit einem Autoantigen zu einer starken Quervernetzung von sIgM. Die RAG -Expression setzt sich fort und die Umlagerung der Gene für die leichte Kette geht weiter (Abb. 8.8). Diese sekundären Umlagerungen können unreife autoreaktive B-Zellen retten, indem das Gen für die autoreaktive leichte Kette entfernt und durch eine andere Sequenz ersetzt wird. Wenn die neue leichte Kette nicht autoreaktiv ist, setzt die B-Zelle ihre normale Entwicklung fort. Wenn der Rezeptor autoreaktiv bleibt, wird die Umlagerung so lange fortgeführt, bis ein nichtreaktiver Rezeptor entsteht oder keine weiteren V- und J-Gen-Segmente für eine Rekombinaton zur Verfügung stehen. Die Bedeutung des Rezeptor-Editings als Toleranzmechanismus ist allgemein anerkannt, denn Defekte in diesem Prozess hängen beim Menschen mit Autoimmunkrankheiten zusammen, etwa beim systemischen Lupus erythematodes und bei der rheumatoiden Arthritis ; beide Krankheiten gehen einher mit hohen Konzentrationen von autoreaktiven Antikörpern (Kap. 10.1007/978-3-662-56004-4_15).

Ursprünglich nahm man an, dass die erfolgreiche Produktion einer schweren und einer leichten Kette fast sofort zum Abbruch weiterer Umlagerungen am L-Ketten-Locus führt und es so in jedem Fall zu einem Allel- und Isotypausschluss kommt. Die unerwartete Fähigkeit der autoreaktiven B-Zelle, auch nach einer produktiven Umlagerung noch mit dem Umbau ihrer L-Ketten-Gene fortzufahren, deutet darauf hin, dass es für den Allelausschluss noch einen alternativen Mechanismus geben muss, bei dem die Abnahme des RAG-Protein-Spiegels, die auf eine erfolgreiche nichtautoreaktive Umlagerung folgt, das eigentliche Ereignis ist, durch das die Umlagerung der leichten Kette beendet wird. Es ist anscheinend so, dass der Allelausschluss nicht vollständig erfolgen muss, da in seltenen Fällen B-Zellen vorkommen, die zwei verschiedene leichte Ketten exprimieren.

Zellen, die autoreaktiv bleiben, wenn es ihnen nicht gelingt, durch Rezeptor-Editing einen nichtautoreaktiven Rezeptor hervorzubringen, durchlaufen den Prozess der klonalen Deletion. Dabei unterliegen diese Zellen dem Zelltod durch Apoptose, wodurch ihre spezifische Autoreaktiviät aus dem Repertoire entfernt wird. Frühe Experimente mit transgenen Mäusen, die beide Ketten eines für H-2K^b-MHC-Klasse-I-Moleküle spezifischen Immunglobulins exprimierten und bei denen fast alle sich entwickelnde B-Zellen das Anti-MHC-Immunglobulin als sIgM trugen, deuteten darauf hin, dass die klonale Deletion ein vorherrschender Mechanismus für die B-Zell-Toleranz ist. Diese Untersuchungen haben gezeigt, dass sich bei transgenen Mäusen, die H-2K^b nicht exprimierten, die B-Zellen in normaler Anzahl entwickelten, und alle trugen die von einem Transgen codierten Anti-H-2K^b-Rezeptoren. Bei Mäusen jedoch, die sowohl H-2K^b als auch die Immunglobulintransgene exprimierten, war die B-Zell-Entwicklung blockiert. Prä-B-Zellen und unreife B-Zellen kamen in normaler Anzahl vor, aber B-Zellen, die das Anti-H-2K^b-Immunglobulin als sIgM exprimierten, reiften niemals heran und besiedelten weder Milz noch Lymphknoten. Stattdessen starben die meisten unreifen B-Zellen im Knochenmark durch Apoptose ab. Neuere Untersuchungen an Mäusen, die Transgene für die schwere und die leichte Kette von Autoantikörpern trugen, wobei man diese Gene durch homologe Rekombination innerhalb der Immunglobulinloci eingefügt hat (Anhang I, Abschn. A.35), deuten jedoch darauf hin, dass Rezeptor-Editing und nicht die klonale Deletion das wahrscheinlichere Schicksal unreifer autoreaktiver B-Zellen ist.

Bislang haben wir das Schicksal von neu gebildeten B-Zellen besprochen, deren sIgM multivalent quervernetzt wird. Wenn unreife B-Zellen jedoch auf weniger stark vernetzende Autoantigene mit wenigen Bindungsstellen treffen, etwa kleine lösliche Proteine, dann reagieren sie anders. In dieser Situation werden einige autoreaktive B-Zellen inaktiviert und geraten dauerhaft in einen Zustand sogenannter Anergie , in dem sie nicht auf Antigene reagieren, aber auch nicht sofort absterben (Abb. 8.9). Anergische B-Zellen können auch mithilfe von antigenspezifischen T-Zellen nicht durch ihr spezifisches Antigen aktiviert werden. Dieses Phänomen konnte man ebenfalls mittels transgener Mäuse aufklären. Für die Untersuchungen haben die Mäuse zwei Transgene erhalten, von denen eines das sekretorische Hühnereiweißlysozym (HEL), das zweite das hochaffine Anti-HEL-Immunglobulin codiert. Wird HEL in löslicher Form exprimiert, reifen die HEL-spezifischen B-Zellen dieser Mäuse zwar heran und verlassen das Knochenmark, sind jedoch nicht in der Lage, auf ein Antigen zu reagieren. Darüber hinaus können sich die anergischen B-Zellen nur noch eingeschränkt bewegen, da sie in den T-Zell-Zonen der peripheren lymphatischen Gewebe festgehalten und von den Lymphfollikeln ausgeschlossen werden. Dadurch verringert sich ihre Lebensdauer und ihre Konkurrenzfähigkeit gegenüber immunkompetenten B-Zellen (Abschn. 8.1.8). Unter normalen Bedingungen, wenn nur wenige autoreaktive anergische B-Zellen heranreifen, sterben diese Zellen relativ schnell ab. Diese Mechanismen sorgen dafür, dass potenziell autoreaktive Zellen aus dem langlebigen Reservoir der peripheren B-Zellen entfernt werden.

Das vierte mögliche Schicksal von autoreaktiven unreifen B-Zellen ist, dass sie hinsichtlich ihres Autoantigens einfach in einem Zustand immunologischer Ignoranz bleiben (Abb. 8.9). Immunologisch ignorante Zellen besitzen eine Affinität für ein Autoantigen, erkennen es aber aus verschiedenen Gründen nicht und reagieren nicht darauf. Möglicherweise ist es für B-Zellen, die sich im Knochenmark oder in der Milz entwickeln, nicht zugänglich, es kommt nur in sehr geringer Konzentration vor oder es bindet so schwach an den B-Zell-Rezeptor, dass kein aktivierendes Signal erzeugt wird. Da aber einige ignorante Zellen unter bestimmten Bedingungen aktiviert werden können, etwa bei einer Entzündung oder wenn das Antigen schließlich zugänglich wird oder eine ungewöhnlich hohe Konzentration erreicht, sind sie nicht als inert zu betrachten und unterscheiden sich grundlegend von Zellen mit nichtautoreaktiven Rezeptoren, die niemals durch körpereigene Antigene aktiviert werden können.

Die Tatsache, dass die zentrale Toleranz nicht vollkommen ist und einige autoreaktive B-Zellen heranreifen können, veranschaulicht den Balanceakt des Immunsystems, das einerseits jegliche Reaktion gegen körpereigene Antigene ausschalten und sich andererseits die Fähigkeit erhalten muss, auf Pathogene zu reagieren. Wenn zu viele autoreaktive Zellen vernichtet werden, wird das Rezeptorrepertoire unter Umständen zu stark eingeschränkt, sodass es kein breites Spektrum an Pathogenen erkennen kann. Der Preis für dieses Ausbalancieren ist möglicherweise die eine oder andere Autoimmunerkrankung. In Kap. 10.1007/978-3-662-56004-4_15 werden wir darauf eingehen, wie ignorante autoreaktive Lymphocyten aktiviert werden können und unter bestimmten Bedingungen Krankheiten hervorrufen. Normalerweise werden ignorante B-Zellen jedoch dadurch in Schach gehalten, dass sie von den T-Zellen keine Unterstützung erhalten oder ihr Autoantigen ständig unerreichbar ist. Zudem können auch reife B-Zellen tolerant werden, nachdem sie das Knochenmark verlassen haben (siehe unten).

Lymphocyten, die in der Peripherie zum ersten Mal mit einer ausreichenden Menge an Autoantigenen in Kontakt kommen, werden vernichtet oder inaktiviert

Autoreaktive Lymphocyten werden in den zentralen lymphatischen Organen zwar in großer Zahl aus der Population der neuen Lymphocyten entfernt, aber davon sind nur Lymphocyten betroffen, die für Autoantigene spezifisch sind, welche in diesen Organen exprimiert werden oder dorthin gelangen können. Einige Antigene, wie etwa Thyreoglobulin , ein Produkt der Schilddrüse, sind hochgradig gewebespezifisch und/oder befinden sich in abgetrennten Kompartimenten, sodass davon im Kreislauf nur wenig vorhanden ist. Deshalb müssen neu ausgewanderte autoreaktive B-Zellen, die zum ersten Mal auf körpereigene Antigene treffen, ebenfalls vernichtet oder inaktiviert werden. Diesen Toleranzmechanismus , der sich auf neu ausgewanderte B-Zellen auswirkt, bezeichnet man als periphere Toleranz . Wie die autoreaktiven Lymphocyten in den zentralen lymphatischen Organen können auch die Lymphocyten, die mit Autoantigenen in der Peripherie de novo in Kontakt treten, drei Schicksale haben: Vernichtung, Anergie oder Überleben (Abb. 8.11).

Wenn keine Infektion vorhanden ist, unterliegen neu ausgewanderte B-Zellen, die in der Peripherie auf ein stark quervernetzendes Antigen treffen, der klonalen Deletion . Das ließ sich bei Untersuchungen von B-Zellen, die einen für H-2K^b-MHC-Klasse-I-Moleküle spezifischen B-Zell-Rezeptor exprimieren, auf elegante Weise zeigen. Diese B-Zellen werden selbst dann beseitigt, wenn bei transgenen Tieren die Expression des H-2K^b-Moleküls auf die Leber beschränkt ist, da ein leberspezifischer Genpromotor verwendet wurde. Es erfolgt kein Rezeptor-Editing: B-Zellen, die in der Peripherie auf stark quervernetzende Antigene treffen, treten direkt in die Apoptose ein, im Gegensatz zu den entsprechenden Zellen im Knochenmark, die noch weitere Umlagerungen des Rezeptorgens durchführen. Dieser Unterschied kann darin begründet sein, dass die B-Zellen in der Peripherie im Reifungsprozess gewissermaßen schon weiter fortgeschritten sind und ihre Loci für die leichte Kette nicht mehr umlagern können.

Periphere B-Zellen , die sich neu entwickelt haben und auf ein im Körper häufig vorkommendes, lösliches Antigen treffen und daran binden, werden wie unreife B-Zellen im Knochenmark dafür unempfindlich. Das ließ sich bei Mäusen zeigen, indem man das HEL-Transgen unter der Kontrolle eines induzierbaren Promotors auf die Mäuse übertrug. Die Aktivität des Promotors ließ sich durch die Nahrung der Tiere regulieren. So war es möglich, die Produktion von Lysozym zu einem beliebigen Zeitpunkt auszulösen und die Auswirkungen auf die HEL-spezifischen B-Zellen in verschiedenen Reifestadien zu untersuchen. Diese Experimente haben gezeigt, dass sowohl periphere als auch unreife B-Zellen des Knochenmarks inaktiviert werden, wenn sie ständig einem löslichen Antigen ausgesetzt sind.

Unreife B-Zellen, die in der Milz ankommen, werden rasch umgesetzt und benötigen Cytokine und positive Signale über den B-Zell-Rezeptor, um heranreifen und langfristig überleben zu können

Wenn die B-Zellen aus dem Knochenmark in die Peripherie auswandern, sind sie funktionell noch unreif. Wie bereits besprochen können unreife B-Zellen beim endgültigen Heranreifen in der Peripherie auf dortige Autoantigene treffen und eine Toleranz entwickeln. Unreife B-Zellen exprimieren große Mengen an sIgM, aber wenig sIgD, bei reifen B-Zellen sind es dagegen geringe Mengen IgM und große Mengen IgD. Die Veränderungen in der Expression von sIgM und sIgD bei der B-Zell-Reifung sind zwar genau dokumentiert, aber die Funktion von sIgD auf reifen B-Zellen kennt man noch nicht.

Die meisten unreifen B-Zellen, die das Knochenmark verlassen, überleben nicht und entwickeln sich nicht zu vollständig gereiften B-Zellen. Abb. 8.12 zeigt mögliche Werdegänge von neu erzeugten B-Zellen, die in die Peripherie gelangen. Täglich wandern annähernd 5–10 % der gesamten, konstant in der Peripherie vorhandenen Population von B-Lymphocyten aus dem Knochenmark aus. In nichtimmunisierten Tieren bleibt die Größe dieses Reservoirs aufgrund der Homöostase anscheinend immer gleich. Das bedeutet, dass der Zustrom an neuen B-Zellen durch das Entfernen einer entsprechenden Anzahl B-Zellen in der Peripherie ausgeglichen werden muss. Die überwiegende Mehrheit der peripheren B-Zellen (etwa 90 %) ist allerdings langlebig und jeden Tag gehen nur 1–2 % von ihnen zugrunde. Die meisten B-Zellen, die sterben, gehören demnach zur Population der kurzlebigen unreifen peripheren B-Zellen, von denen alle drei Tage mehr als 50 % absterben. Wahrscheinlich gelingt es den meisten neu gebildeten B-Zellen nicht, mehr als einige Tage in der Peripherie zu überleben, weil die peripheren B-Zellen miteinander um den Zugang zu den B-Zell-Follikel n in der Milz konkurrieren. Gelangen daher die gerade gebildeten unreifen B-Zellen nicht in einen Follikel, endet ihre Passage durch die Peripherie und sie gehen schließlich zugrunde. Die begrenzte Anzahl an Lymphfollikeln kann unmöglich alle B-Zellen aufnehmen, die täglich in die Peripherie ausgeschüttet werden und daher permanent um den Zugang konkurrieren.

Der Follikel liefert Signale, die für das Überleben der B-Zellen notwendig sind. Das geschieht vor allem durch den B-Zell-aktivierenden Faktor der TNF-Familie (BAFF ), der von mehreren Zelltypen sezerniert wird, von den dendritischen Follikelzellen (FDCs) jedoch in großen Mengen. FDCs sind nichthämatopoetische Zellen, die sich dauerhaft in den B-Zell-Follikeln aufhalten und darauf spezialisiert sind, Antigene für die Erkennung durch B-Zell-Antigenrezeptoren aufzunehmen (Abschn. 10.1007/978-3-662-56004-4_9#Sec2). B-Zellen exprimieren drei verschiedene BAFF-Rezeptoren – BAFF-R, BCMA und TACI. Die größte Bedeutung für das Überleben der follikulären B-Zellen besitzt dabei BAFF-R. Das zeigt sich bei mutierten Mäusen, die BAFF-R nicht exprimieren und dadurch vor allem unreife B-Zellen und nur wenige langlebige B-Zellen aufweisen. BCMA und TACI binden auch das verwandte Cytokin APRIL aus der TNF-Familie. Dieses ist für das Überleben der unreifen B-Zellen nicht erforderlich, spielt aber bei der Produktion von IgA eine wichtige Rolle (Kap. 10.1007/978-3-662-56004-4_10).

Unreife B-Zellen in der Milz durchlaufen zwei verschiedene transitionale Stadien , T1 und T2, die dadurch definiert sind, ob CD21 (Komplementrezeptor 2), eine Komponente des B-Zell-Corezeptors, exprimiert wird (T2) oder nicht (T1) (Abschn. 10.1007/978-3-662-56004-4_2#Sec16 und 10.1007/978-3-662-56004-4_7#Sec23). Bei Mäusen, denen BAFF fehlt, entwickeln sich unreife B-Zellen in der Milz bis zum T1-Stadium, können aber CD21 nicht exprimieren, sodass die Mäuse keine reifen B-Zellen besitzen. Die unreifen B-Zellen in der Milz benötigen auch Signale über den B-Zell-Rezeptor, um die Stadien T1 und T2 durchlaufen zu können und in das Reservoir der langlebigen peripheren B-Zellen einzugehen. In diesem Fall stammen die Signale nicht aus hochaffinen Wechselwirkungen zwischen sIgM des B-Zell-Rezeptors und einem Antigen, die starke Signale hervorrufen würden. Man nimmt an, dass diese B-Zell-Rezeptor-Signale schwach und konstitutiv sind und zum Entwicklungsprogramm der heranreifenden B-Zellen gehören, wobei man die zugrundeliegenden Mechanismen noch nicht kennt. Diese schwachen Signale des B-Zell-Rezeptors und die BAFF-R-Signale sind unbedingt erforderlich, damit die B-Zellen in der Peripherie die abschließenden Reifungsstadien erreichen können. Bei Individuen, die BAFF übermäßig exprimieren, kommt es zu einer Deregulation des Gleichgewichts zwischen den Signalen des B-Zell-Rezeptors und BAFF-R. Dadurch können sich Autoimmunkrankheiten entwickeln, beispielsweise das Sjögren-Syndrom, das darauf zurückzuführen ist, dass autoreaktive B-Zellen nicht beseitigt werden.

Die meisten peripheren B-Zellen, die sich in der Milz und anderen sekundären lymphatischen Organen aufhalten, bezeichnet man als follikuläre B-Zellen , häufig auch als B2-Zellen. Eine weitere kleinere Population von B-Zellen in der Milz besteht aus den B-Zellen der Randzonen , die entsprechend ihrer Bezeichnung in den Randzonen, die sich an den Übergängen zwischen weißer und roter Pulpa befinden, vorherrschen (Abb. 8.12). Die follikulären B-Zellen und die B-Zellen der Randzonen stammen beide von einer gemeinsamen Zelllinie ab, die sich im Knochenmark entwickelt und während der Endphase der B-Zell-Reifung in den Follikeln der Milz verzweigt. Bei Experimenten mit Zellkulturen, in denen man von unreifen B-Zell-Vorläufern ausgeht und die Signale nachbildet, die die Reifung der peripheren B-Zellen fördern, hat sich gezeigt, dass sich die beiden Zelllinien beim T2-Übergangsstadium trennen, wenn die Zellen das endgültige Reifestadium erreichen. Die B-Zellen der Randzonen hängen wie die follikulären B-Zellen von BAFF-Signalen ab; Mäuse, die BAFF nicht exprimieren, besitzen auch keine Zellen dieser Art. B-Zellen der Randzonen sind daran zu erkennen, dass sie den Komplementrezeptor CD21 sehr stark exprimieren. Untersuchungen an Mäusen, bei denen man ein umgelagertes Immunglobulingen künstlich in das Genom integriert hat, sodass sie in allen sich entwickelnden B-Zellen nur B-Zell-Rezeptoren mit einer einzigen Spezifität exprimieren, haben ergeben, dass einige B-Zell-Rezeptoren vor allem zur Entwicklung von follikulären B-Zellen führen, während andere Rezeptoren die Entwicklung von B-Zellen der Randzonen begünstigen. Diese Befunde deuten darauf hin, dass die Spezifität des B-Zell-Rezeptors ein wichtiger Faktor ist, um die letztendliche Entwicklung der transitionalen B-Zellen zu follikulären Zellen oder Randzonenzellen festzulegen. Die Einzelheiten dieses Prozesses sind jedoch noch nicht vollständig bekannt. Aufgrund ihrer Lokalisation sind B-Zellen in der Lage, schnelle Reaktionen gegen Antigene oder Pathogene in Gang zu setzen, die aus dem Blut ausgefiltert wurden. Deshalb nimmt man an, dass die B-Zellen der Randzonen eine frühe Abwehrlinie gegen Krankheitserreger im Blut bilden.

Zu den peripheren B-Zellen gehören auch die B-Gedächtniszellen , die, nach dem ersten Kontakt mit einem Antigen, neben den antikörperproduzierenden Plasmazellen aus den reifen B-Zellen hervorgehen. Wir befassen uns mit dem Gedächtnis der B-Zellen noch einmal in Kap. 10.1007/978-3-662-56004-4_11. Bei der Konkurrenz um den Zutritt zu den Follikeln werden reife B-Zellen bevorzugt, die bereits zur Population der langlebigen und stabilen B-Zellen gehören. Reife B-Zellen haben sich phänotypisch verändert, wodurch sie wahrscheinlich leichten Zugang zu den Follikeln finden. So exprimieren sie den Rezeptor CXCR5 für den Chemoattraktor CXCL13 , der von den follikulären dendritischen Zellen exprimiert wird (Abschn. 10.1007/978-3-662-56004-4_10#Sec4). Sie zeigen auch im Vergleich zu neu entstandenen unreifen B-Zellen eine erhöhte Expression von CD21, wodurch die Signalkapazität der B-Zelle erhöht wird.

Der B-Zell-Rezeptor spielt bei der Reifung und permanenten Zirkulation der peripheren B-Zellen eine wichtige Rolle. Wenn Mäusen die Tyrosinkinase Syk fehlt, die an der Signalübermittlung des B-Zell-Rezeptors beteiligt ist (Abschn. 10.1007/978-3-662-56004-4_7#Sec23), dann haben diese Mäuse zwar unreife B-Zellen, aber es entwickeln sich keine reifen B-Zellen. Möglicherweise ist also ein von Syk weitergeleitetes Signal für die endgültige Reifung und das Überleben der reifen B-Zellen erforderlich. Darüber hinaus ist es für das Überleben der reifen B-Zellen notwendig, dass der B-Zell-Rezeptor ständig exprimiert wird. Das zeigt sich bei Mäusen, die ihre B-Zellen verlieren, wenn die reifen B-Zellen unter bestimmten Bedingungen keinen B-Zell-Rezeptor mehr besitzen. Obwohl jeder B-Zell-Rezeptor eine einzigartige Spezifität hat, müssen antigenspezifische Wechselwirkungen nicht unbedingt die Signale auslösen, die für die endgültige Reifung und das Überleben der B-Zellen notwendig sind. Der Rezeptor könnte beispielsweise eine „tonische“ Signalgebung in Gang setzen: Bildet sich der Rezeptorkomplex, wird ein schwaches, aber wichtiges Signal ausgesendet, das gelegentlich einige oder alle in der Signalrichtung folgenden Signalereignisse auslöst.

B1-Zellen sind eine Untergruppe der angeborenen Lymphocyten, die in einer frühen Entwicklungsphase entstehen

Dieses Kapitel hat sich bis hier mit der Entwicklung der vorherrschenden B-Zell-Populationen befasst, die sich in den sekundären lymphatischen Organen aufhalten, beispielsweise die follikulären (B-2-)B-Zellen und die B-Zellen der Randzonen. Diese beiden Populationen bilden den B-Zell-Zweig der adaptiven Immunantwort. Eine dritte wichtige Untergruppe sind die B1-Zellen als Teil des angeborenen Immunsystems. Diese Zellen kommen in den sekundären lymphatischen Geweben nur in geringer Anzahl vor, treten aber in der Peritoneal- und Pleuralhöhle sehr zahlreich auf. Die B1-Zellen sind die hauptsächlichen Produzenten der „natürlichen“ Antikörper, die als zirkulierende Proteine von diesen B-Zellen bereits vor jeglicher Infektion konstitutiv erzeugt werden. Die meisten Antikörper der B1-Zellen erkennen aus Kapseln abgeleitete Polysaccharidantigene und die B1-Zellen spielen bei der Kontrolle von Infektionen durch pathogene Viren und Bakterien eine wichtige Rolle.

Eine wichtige Eigenschaft der B1-Zellen besteht darin, dass sie Antikörper der IgM-Klasse produzieren, ohne die Hilfe von T-Zellen zu benötigen. Diese Reaktion kann zwar durch die Mitwirkung von T-Zellen verstärkt werden, aber die Antikörper werden innerhalb von 48 h nach dem Antigenkontakt als Erste produziert, sodass T-Zellen noch nicht beteiligt sein können. Das Fehlen einer antigenspezifischen Wechselwirkung mit T-Helferzellen erklärt vielleicht, warum sich das immunologische Gedächtnis nicht als Folge der B1-Zell-Antwort entwickeln kann: Wiederholte Kontakte mit demselben Antigen bringen bei jedem Kontakt ähnliche, aber verstärkte Reaktionen hervor. Die genaue Funktion der B1-Zellen ist noch nicht bekannt, aber Mäuse, die über keine B1-Zellen verfügen, sind für Infektionen durch Streptococcus pneumoniae anfälliger, da sie keine Anti-Phosphocholin-Antikörper produzieren, die vor diesem Bakterium schützen können. Da ein bedeutender Anteil der B1-Zellen Antikörper mit dieser Spezifität hervorbringt und da keine antigenspezifische Unterstützung durch T-Zellen erforderlich ist, kann bereits in einer frühen Infektionsphase eine starke Reaktion gegen den Krankheitserreger erfolgen. Ob die B1-Zellen des Menschen die gleiche Funktion besitzen, ist unklar.

Anders als die follikulären B-Zellen und die B-Zellen der Randzonen, die aus Knochenmarkstammzellen hervorgehen, entwickeln sich die B1-Zellen aus Vorläuferzellen in der fetalen Leber (Abb. 8.13). Während der späten Embryonal- und frühen Neonatalphase bei Mäusen bilden sich B1-Zellen in großer Zahl. Nach der Geburt ist die Entwicklung der follikulären B-Zellen und der B-Zellen der Randzonen vorherrschend und es entstehen nur wenige B1-Zellen. Neuere Befunde zeigen, dass die Vorläuferzellen, aus denen sich die B1-Zellen entwickeln, für diese Zelllinie vorgeprägt sind und sich von den Vorläuferzellen unterscheiden, aus denen die B2-Zellen hervorgehen. Zwar fehlen B2-Zellen in Mäusen, die BAFF oder BAFF-R nicht exprimieren, aber diese Defekte wirken sich nicht auf die Entwicklung und das Überleben der B1-Zellen aus. Darüber hinaus erfordern die schwachen B-Zell-Rezeptor-Signale, welche die letzten Reifungsphasen der B2-Zellen in der Milz unterstützen, die Mitwirkung des nichtkanonischen NFκB-Signalwegs (Abschn. 10.1007/978-3-662-56004-4_7#Sec28). Dieser Signalweg ist für die Entwicklung der B1-Zellen essenziell. Auch sind für beide Entwicklungswege unterschiedliche Cytokine erforderlich. In Mäusen, die nicht über die Signalkomponenten IL-7 oder IL-7R verfügen, entwickeln sich die B1-Zellen normal, während diese Defekte die Entwicklung der B2-Zellen verhindern. Für diese Zellen wiederum ist auch der Transkriptionsfaktor PU.1 erforderlich, der für die Entwicklung der B1-Zellen nicht notwendig ist.

Zusammenfassung

In diesem Teil des Kapitels haben wir die B-Zell-Entwicklung von den allerersten Vorläufern im Knochenmark bis hin zum Reservoir der langlebigen reifen peripheren B-Zellen verfolgt (Abb. 8.14). Der Locus für die schwere Kette wird zuerst umgelagert und wenn dies erfolgreich verlaufen ist, wird eine schwere μ-Kette produziert, die sich mit leichten Ersatzketten assoziiert und einen Prä-B-Zell-Rezeptor bildet. Dies ist der erste Kontrollpunkt in der B-Zell-Entwicklung. Die Produktion des Prä-B-Zell-Rezeptors signalisiert die erfolgreiche Umlagerung des Gens für die schwere Kette und führt dazu, dass diese Umlagerung beendet wird. Das wiederum führt zum Allelausschluss. Dadurch wird auch die Proliferation der B-Zellen in Gang gesetzt, sodass zahlreiche Nachkommen entstehen, in denen es anschließend zur Umlagerung des Gens für die leichte Kette kommt. Wenn die erste Umlagerung dieses Gens produktiv ist, wird ein vollständiger Immunglobulin-B-Zell-Rezeptor gebildet, die Genumlagerung endet ein weiteres Mal und die B-Zelle setzt ihre Entwicklung fort. Wenn die erste Umlagerung des Gens für die leichte Kette nicht erfolgreich war, setzen sich die Genumlagerungen so lange fort, bis entweder eine produktive Umlagerung erfolgt ist oder alle verfügbaren J-Regionen aufgebraucht sind. Wenn auch dann keine produktive Umlagerung zustande gekommen ist, stirbt die sich entwickelnde B-Zelle ab. Sobald ein vollständiger Immunglobulinrezeptor auf der Zelloberfläche exprimiert wird, unterliegen die B-Zellen der Toleranz gegenüber Autoantigenen. Dieser Prozess beginnt im Knochenmark und setzt sich noch eine kurze Zeit lang fort, nachdem die B-Zellen in die Peripherie ausgewandert sind. Bei der größten B-Zell-Population finden die letzten Reifungsphasen in den B-Zell-Follikeln der Milz statt. Diese erfordern sowohl die Mitwirkung von BAFF, einem Vertreter der TNF-Familie, als auch von Signalen durch den B-Zell-Rezeptor.

Entwicklung der T-Zellen

Die T-Lymphocyten entwickeln sich wie die B-Zellen aus multipotenten hämatopoetischen Stammzellen im Knochenmark. Ihre Vorläuferzellen wandern jedoch aus dem Knochenmark über das Blut in den Thymus, wo sie heranreifen (Abb. 8.15). Deshalb bezeichnet man sie als thymusabhängige (T-)Lymphocyten oder T-Zellen. Die Entwicklung der T-Zellen gleicht auf verschiedene Weise der B-Zell-Entwicklung, etwa bei der gerichteten und schrittweisen Umlagerung der Antigenrezeptorgene, der stufenweisen Prüfung auf eine erfolgreiche Genumlagerung und der abschließenden Bildung eines vollständigen heterodimeren Antigenrezeptors. Darüber hinaus gibt es bei der T-Zell-Entwicklung im Thymus jedoch einige weitere Prozesse, die bei B-Zellen nicht vorkommen, wie die Entwicklung zweier getrennter T-Zell-Linien, der γ:δ-Linie und der α:β-Linie. Sich entwickelnde T-Zellen, die man allgemein als Thymocyten bezeichnet, durchlaufen einen umfangreichen Selektionsprozess, der auf den Wechselwirkungen zwischen den T-Zellen beruht und das reife Repertoire der T-Zellen bildet, damit sich sowohl die Selbst-MHC-Restriktion als auch die Selbst-Toleranz entwickeln können. Wir beginnen mit einem allgemeinen Überblick über die Stadien der Thymocytenentwicklung und deren Zusammenhang mit der Thymusanatomie, bevor wir uns dann der Genumlagerung und den Selektionsmechanismen zuwenden.

Vorläufer der T-Zellen entstehen im Knochenmark, aber alle wichtigen Vorgänge ihrer Entwicklung finden im Thymus statt

Der Thymus liegt im oberen Brustbereich, direkt über dem Herzen. Er besteht aus zahlreichen Lobuli, von denen jeder deutlich in eine äußere corticale Region, den Thymuscortex , und eine zentrale Region, das Thymusmark (Thymusmedulla), gegliedert ist (Abb. 8.16). Bei jungen Individuen enthält der Thymus viele sich entwickelnde T-Zell-Vorläufer, die in ein epitheliales Netzwerk eingebettet sind, das wir als Thymusstroma kennen. Wie die Stromazellen im Knochenmark bei den B-Zellen bietet das Thymusstroma für die T-Zell-Entwicklung ein besonderes Mikromilieu.

Das Thymusepithel entsteht in der frühen Embryonalentwicklung aus den entodermalen Strukturen, die wir als dritte Schlundtaschen kennen. Die epithelialen Gewebe bilden den rudimentären Thymus, die Thymusanlage . Diese wird von Zellen hämatopoetischen Ursprungs besiedelt. Aus den Zellen entwickeln sich große Mengen an Thymocyten der T-Zell-Linie sowie die intrathymalen dendritischen Zellen . Die Thymocyten halten sich nicht nur einfach vorübergehend im Thymus auf, sondern beeinflussen auch die Anordnung der Epithelzellen des Thymus, von denen ihr Überleben abhängt; so veranlassen sie die Bildung einer netzförmigen epithelialen Struktur rund um die sich entwickelnden Thymocyten (Abb. 8.17).

Der zelluläre Aufbau des menschlichen Thymus ist in Abb. 8.16 dargestellt. Zellen aus dem Knochenmark sind unterschiedlich auf Cortex und Medulla verteilt. Während man im Cortex nur unreife Thymocyten und vereinzelt Makrophagen findet, kommen im Mark zusammen mit dendritischen Zellen, Makrophagen und einigen B-Zellen mehr reife Thymocyten vor. Diese Organisationsstruktur spiegelt die unterschiedlichen Entwicklungsereignisse wider, die in diesen beiden Kompartimenten ablaufen (siehe unten).

Welche Bedeutung der Thymus für die Immunität hat, wurde zuerst durch Experimente an Mäusen entdeckt. Tatsächlich stammt der Großteil der heutigen Kenntnisse über die T-Zell-Entwicklung im Thymus aus Untersuchungen an der Maus. Man fand heraus, dass bei Mäusen eine operative Entfernung des Thymus (Thymektomie ) gleich nach der Geburt zu einer Immunschwäche führt. Dadurch stand dieses Organ bereits im Mittelpunkt des Interesses, als man bei Säugetieren den Unterschied zwischen T- und B-Zellen noch nicht definiert hatte. Seither häufen sich die Belege für die Bedeutung des Thymus bei der T-Zell-Entwicklung, darunter auch Beobachtungen an immunschwachen Kindern. Beim humanen DiGeorge-Syndrom sowie bei Mäusen mit der nude-Mutation kann sich der Thymus nicht entwickeln. Die betroffenen Individuen produzieren zwar B-Lymphocyten, jedoch kaum T-Lymphocyten. Das DiGeorge-Syndrom ist eine komplexe Kombination aus verschiedenen Defekten, die das Herz, das Gesicht, die innere Sekretion und das Immunsystem betreffen und mit Deletionen in der Chromosomenregion 22q11 zusammenhängen. Die nude-Mutation bei Mäusen ist auf einen Defekt im Gen für den Transkriptionsfaktor Foxn1, der für die abschließende Differenzierung von Epithelzellen erforderlich ist, zurückzuführen. Die Bezeichnung nude für diese Mutation leitet sich aus der ebenfalls verursachten Haarlosigkeit ab. Beim Menschen gehen die seltenen Fälle einer Mutation im FOXN1-Gen (das auf Chromosom 17 liegt) mit einer T-Zell-Immunschwäche, dem Fehlen des Thymus, einem angeborenen Haarausfall (Alopezie) und einer Dystrophie der Finger- und Fußnägel einher.

Bei Mäusen entwickelt sich der Thymus nach der Geburt noch drei bis vier Wochen lang weiter, während der Thymus des Menschen bei der Geburt bereits voll ausdifferenziert ist. Die T-Zell-Produktion im Thymus ist vor der Pubertät am höchsten, danach beginnt der Thymus zu schrumpfen. Erwachsene bilden zwar weniger neue T-Zellen, doch hört die Produktion zeitlebens nicht auf. Wird Mäusen oder Menschen nach der Pubertät der Thymus entfernt, lässt sich kein Verlust der T-Zell-Funktion und der Anzahl der Zellen feststellen. Daher besteht anscheinend nach abgeschlossener Etablierung eines T-Zell-Repertoires eine Immunität, ohne dass viele neue T-Zellen gebildet werden müssen. Die Anzahl an peripheren T-Zellen wird stattdessen durch die Teilung reifer T-Zellen konstant gehalten.

Die Vorprägung für die T-Zell-Linie findet im Anschluss an Notch-Signale im Thymus statt

Die T-Lymphocyten entwickeln sich aus einer lymphatischen Vorläuferzelle im Knochenmark, aus der auch die B-Lymphocyten hervorgehen. Einige dieser Vorläufer verlassen das Knochenmark und wandern in den Thymus. Im Thymus erhält die Vorläuferzelle der Thymusepithelzellen ein Signal, das über den Rezeptor Notch1 vermittelt wird und dazu dient, spezifische Gene zu aktivieren. Notch-Signale dienen bei der Entwicklung von Tieren häufig dazu, die Differenzierung von Geweben zu bestimmen: Bei der Entwicklung der Lymphocyten vermittelt das Signal der Vorläuferzelle die Anweisung, sich auf die T-Zell-Linie festzulegen und nicht auf die B-Zell-Linie. Man kennt zwar noch nicht alle Einzelheiten, aber Notch-Signale sind während der gesamten Entwicklung der T-Zellen von Bedeutung und spielen wahrscheinlich auch bei anderen Weichenstellungen in der T-Zell-Linie eine Rolle, etwa bei der Auswahl zwischen α:β und γ:δ.

Die Notch-Signale in den Vorläuferzellen im Thymus sind für die Expression der T-Zell-spezifischen Gene und die Vorprägung zur T-Zell-Linie essenziell (Abb. 8.18). Die Signale induzieren zuerst die Expression zweier Transkriptionsfaktoren – T-Zell-Faktor 1 (TCF1) und GATA3 , die beide für die T-Zell-Entwicklung notwendig sind. TCF1 und GATA3 setzen zusammen die Expression mehrerer Gene in Gang, die für die T-Zell-Linie spezifisch sind. Das sind beispielsweise Gene, die Komponenten des CD3-Komplexes codieren, außerdem das RAG-1-Gen , das für die Umlagerung der T- und B-Zell-Rezeptoren notwendig ist (Abb. 8.18). TCF1 und GATA3 reichen jedoch allein nicht aus, das gesamte Programm der T-Zell-spezifischen Genexpression zu induzieren. Um die Vorprägung für die T-Zell-Linie einzuleiten und so die Vorläuferzellen daran zu hindern, eine andere Entwicklungsrichtung einzuschlagen, ist noch Bcl-11b als dritter Transkriptionsfaktor erforderlich. Diese Endphase der T-Zell-Prägung ist eine notwendige Voraussetzung für die Aktivierung des gesamten Genexpressionsprogramms der T-Zelle.

Im Thymus proliferieren T-Zell-Vorläufer besonders stark, aber die meisten sterben ab

T-Zell-Vorläufer , die nach Verlassen des Knochenmarks in den Thymus gelangen, durchlaufen dort zunächst eine Phase der Differenzierung, die bis zu einer Woche andauert, bevor sie in eine Phase intensiver Proliferation eintreten. In jungen adulten Mäusen, deren Thymus etwa 1–2 × 10⁸ Thymocyten enthält, werden täglich etwa 5 × 10⁷ neue Zellen gebildet. Dennoch verlassen nur etwa 1–2 × 10⁶ (etwa 2–4 %) davon den Thymus als reife T-Zellen. Trotz des Unterschieds zwischen der Zahl der gebildeten T-Zellen und der Zellen, die den Thymus verlassen, verändert der Thymus weder seine Größe noch seine Zellzahl. Dies lässt sich damit erklären, dass nahezu 98 % der Thymocyten, die sich im Thymus entwickeln, dort auch sterben. Da keine größeren Schäden zu beobachten sind, ist anzunehmen, dass die Thymocyten nicht durch Nekrose, sondern vielmehr durch Apoptose (programmierten Zelltod) zugrunde gehen (Abschn. 10.1007/978-3-662-56004-4_1#Sec18).

Zellen, die gerade eine Apoptose durchlaufen, werden von Makrophagen erkannt und aufgenommen. In den Makrophagen des gesamten Thymuscortex sind dann apoptotische Körperchen zu erkennen, die Reste des kondensierten Chromatins aus apoptotischen Zellen enthalten (Abb. 8.19). Diese auf den ersten Blick ungeheuere Verschwendung von Thymocyten ist jedoch ein entscheidender Bestandteil der T-Zell-Entwicklung und lässt die Gründlichkeit erkennen, mit der jeder neue Thymocyt auf seine Fähigkeit zur Erkennung von Selbst-Peptid:Selbst-MHC-Komplexen und zur Selbst-Toleranz hin überprüft wird.

Die aufeinanderfolgenden Stadien der Thymocytenentwicklung sind durch Änderungen in den Zelloberflächenmolekülen gekennzeichnet

Wie die B-Zellen durchlaufen auch die Thymocyten während ihrer Proliferation und Reifung zu T-Zellen eine Reihe unterschiedlicher Schritte. Diese sind durch Veränderungen im Zustand der T-Zell-Rezeptor-Gene gekennzeichnet sowie durch eine veränderte Expression des T-Zell-Rezeptors und der Proteine auf der Zelloberfläche, etwa des CD3-Komplexes (Abschn. 10.1007/978-3-662-56004-4_7#Sec10) und der Corezeptoren CD4 und CD8 (Abschn. 10.1007/978-3-662-56004-4_4#Sec23). Sie alle spiegeln das Stadium der funktionellen Reifung der Zelle wider. Bestimmte Kombinationen von Zelloberflächenmolekülen dienen folglich als Marker für die verschiedenen Phasen der T-Zell-Entwicklung. Die wichtigsten Stadien sind in Abb. 8.20 zusammengefasst. Schon zu Beginn der T-Zell-Entwicklung entstehen zwei gesonderte T-Zell-Linien : die α:β- und die γ:δ-T-Zellen, deren T-Zell-Rezeptor-Ketten sich unterscheiden. Später gehen aus den α:β-T-Zellen zwei funktionell getrennte Untergruppen hervor, die CD4- und die CD8-T-Zellen.

Wenn Vorläuferzellen nach Verlassen des Knochenmarks in den Thymus gelangen, fehlen ihnen noch die meisten Oberflächenmoleküle, die für reife T-Zellen charakteristisch sind. Zudem haben ihre Rezeptorgene noch keine Umlagerung durchlaufen. Aus diesen Zellen entsteht die größere Population der α:β-T-Zellen sowie die kleinere Population der γ:δ-T-Zellen. Injiziert man diese lymphatischen Vorläufer in den peripheren Kreislauf, können sich aus ihnen sogar B- und NK-Zellen entwickeln. Dabei ist jedoch unklar, ob die einzelnen Thymus-Vorläuferzellen diese Multipotenz behalten oder ob die Population der Vorläuferzellen aus einer Mischung verschiedener Zellen besteht, von denen nur einige für die α:β- oder die γ:δ-T-Zell-Linie vorgeprägt sind.

Wechselwirkungen mit dem Thymusstroma stimulieren eine anfängliche Differenzierungsphase, die dem Entwicklungsweg der T-Zell-Linie folgt. Daran schließen sich eine Proliferationsphase und die Expression der ersten T-Zell-spezifischen Oberflächenmoleküle wie CD2 und (bei Mäusen) Thy-1 an. Am Ende dieser Phase, die bis zu einer Woche dauern kann, tragen die unreifen Thymocyten Marker, welche die T-Zell-Linie kennzeichnen. Sie exprimieren jedoch keines der drei Zelloberflächenmoleküle, die für reife T-Zellen charakteristisch sind, das heißt weder den CD3:T-Zell-Rezeptor-Komplex noch die Corezeptoren CD4 oder CD8. Da diese Zellen weder CD4 noch CD8 besitzen, nennt man sie auch doppelt negative Thymocyten (Abb. 8.20).

Im voll entwickelten Thymus sind nur etwa 60 % der doppelt negativen Thymocyten unreife T-Zellen. Zur Population der doppelt negativen Thymocyten (die etwa 5 % aller Thymocyten ausmacht), gehören auch zwei Populationen reiferer T-Zellen aus weniger häufigen Zelllinien. Das sind zum einen die T-Zellen, die γ:δ-T-Zell-Rezeptoren exprimieren (Abschn. 8.2.7), zum anderen T-Zellen mit α:β-T-Zell-Rezeptoren, die eine stark eingeschränkte Diversität aufweisen (iNKT-Zellen; Abschn. 10.1007/978-3-662-56004-4_6#Sec24). Wir werden hier und im Folgenden den Begriff „doppelt negative T-Zelle“ nur für unreife Thymocyten benutzen, die noch kein vollständiges T-Zell-Rezeptor-Molekül exprimieren. Aus diesen Zellen entstehen sowohl γ:δ- als auch α:β-T-Zellen (Abb. 10.1007/978-3-662-56004-4_7#Fig19), wobei die meisten den Entwicklungsweg der α:β-T-Zellen einschlagen.

Eine genauere Darstellung der Entwicklung von α:β-T-Zellen zeigt Abb. 8.18. Das Stadium der doppelt negativen Zellen kann in weitere vier Stadien unterteilt werden, je nachdem, ob das Adhäsionsmolekül CD44 , CD25 (die α-Kette des IL-2-Rezeptors) oder Kit , der Rezeptor für SCF (Abschn. 8.1.1), exprimiert wird. Zuerst exprimieren doppelt negative Thymocyten Kit und CD44, aber kein CD25, und man bezeichnet sie als DN1-Zellen . In diesen Zellen haben die Gene für die beiden Ketten des T-Zell-Rezeptors noch die gleiche Anordnung wie in der Keimbahn. Wenn die Thymocyten heranreifen, beginnen sie mit der Expression von CD25 auf ihrer Oberfläche und man bezeichnet sie als DN2-Zellen. Später wird die Expression von CD44 und Kit verringert und die Zellen werden zu DN3-Zellen.

Die Umlagerung des Locus der T-Zell-Rezeptor -β-Kette beginnt in den DN2-Zellen mit einigen D_β-J_β-Umlagerungen und setzt sich in den DN3-Zellen mit V_β-DJ_β-Umlagerungen fort. Gelingt den Zellen keine produktive Umlagerung der β-Kette, verbleiben sie im DN3-(CD44^niedrigCD25⁺-)Stadium und gehen bald zugrunde. Bei den Zellen, in denen die Umlagerung erfolgt und die das Protein der β-Kette exprimieren, hört dagegen erneut die CD25-Expression auf, sie erreichen das DN4-Stadium und proliferieren nun. Die Funktion der vorübergehenden CD25-Expression ist unklar: Bei Mäusen, in denen das IL-2-Gen durch Knockout (Anhang I, Abschn. A.35) entfernt wurde, entwickeln sich die T-Zellen normal. Im Gegensatz dazu ist Kit für die Entwicklung der frühesten doppelt negativen Thymocyten wichtig, denn Mäuse ohne Kit haben deutlich weniger doppelt negative T-Zellen . Darüber hinaus sind in jedem Stadium für die Weiterentwicklung ständige Notch-Signale notwendig. Ein zweiter wichtiger Faktor ist IL-7, das im Thymusstroma produziert wird. Sobald IL-7, die α- oder γ_c-Kette des IL-7-Rezeptors oder das Signalprotein Jak3 des IL-7-Rezeptors ausfallen, kommt es bei Mäusen und Menschen zu einer schwerwiegenden Blockade der Entwicklung. So wird beim Menschen der X-gekoppelte schwere kombinierte Immundefekt (X-SCID ) durch einen genetischen Defekt hervorgerufen, der mit einer fehlenden Expression des γ_c-Proteins einhergeht.

Die von DN3-Thymocyten (Abb. 8.18) exprimierten β-Ketten verbinden sich mit pTα (Prä-T-Zell-α-Kette), einer Ersatz-α-Kette. Dadurch ist die Bildung des Prä-T-Zell-Rezeptor s (Prä-TCR) möglich, der in Struktur und Funktion dem Prä-B-Zell-Rezeptor entspricht. Der Prä-T-Zell-Rezeptor wird zusammen mit den CD3-Molekülen, die die Signalkomponenten der T-Zell-Rezeptoren liefern (Abschn. 10.1007/978-3-662-56004-4_7#Sec10), auf der Zelloberfläche exprimiert. Wie beim Prä-B-Zell-Rezeptor führt der Zusammenschluss zum CD3:Prä-T-Zell-Rezeptor-Komplex zu einer konstitutiven Signalgebung, für die keine Wechselwirkung mit einem Liganden notwendig ist. Vor Kurzem durchgeführte Strukturanalysen haben gezeigt, dass der Prä-TCR in einer Weise Dimere bildet, die der Dimerbildung des B-Zell-Rezeptors ähnelt. Die pTα-Ig-Domäne bildet zwei wichtige Kontaktstellen aus . Sie bindet an die Ig-Domäne der konstanten Region in der V_β-Untereinheit und bildet so den Prä-TCR. Ein anderer Bereich der pTα-Oberfläche bindet an eine V_β-Domäne in einem anderen Prä-TCR-Molekül, sodass zwischen diesen zwei Prä-TCRs eine Brücke entsteht. Die Kontaktregion mit der V_β-Domäne enthält Aminosäurereste, die bei vielen V_β-Familien hoch konserviert sind. Auf diese Weise induziert die Prä-TCR-Expression eine von Liganden unabhängige Dimerisierung, die dazu führt, dass sich die Zellen vermehren, die Umlagerung des Gens für die β-Kette beenden und schließlich CD8 und CD4 exprimieren. Diese doppelt positiven Thymocyten machen den weitaus größten Teil der Thymocyten aus. Sobald die großen doppelt positiven Thymocyten aufhören, sich zu teilen, und sich zu kleinen doppelt positiven Zellen entwickeln, beginnt die Umlagerung der Gene für die α-Kette. Wie wir in diesem Kapitel noch feststellen werden, ermöglicht der Aufbau des α-Locus (Abschn. 10.1007/978-3-662-56004-4_5#Sec12) viele verschiedene aufeinanderfolgende Umlagerungsversuche, sodass die Umlagerung in fast allen sich entwickelnden Thymocyten letztendlich erfolgreich verläuft. Daher bilden die meisten doppelt positiven Zellen innerhalb ihrer relativ kurzen Lebensdauer einen α:β-T-Zell-Rezeptor aus.

Kleine doppelt positive Thymocyten exprimieren anfänglich nur wenige T-Zell-Rezeptoren. Die meisten dieser Rezeptoren können keine Selbst-Peptid:Selbst-MHC-Komplexe erkennen, sodass die Zellen keine positive Selektion erfahren und zum Sterben verurteilt sind. Dagegen reifen jene doppelt positiven Zellen, die Selbst-Peptid:Selbst-MHC-Komplexe erkennen und daher eine positive Selektion durchlaufen, weiter heran und exprimieren große Mengen des T-Zell-Rezeptors. Anschließend beenden sie die Expression eines der beiden Corezeptormoleküle und werden somit zu einfach positiven CD4- oder CD8-Thymocyten (Abb. 8.18). Während und nach dem doppelt positiven Entwicklungsstadium durchlaufen die Thymocyten auch eine negative Selektion. Dabei werden diejenigen Zellen ausgeschlossen, die auf Autoantigene ansprechen. Annähernd 2 % der doppelt positiven Thymocyten überleben diese zweifache Überprüfung und reifen zu einfach positiven T-Zellen heran, die nach und nach aus dem Thymus entlassen werden, um das T-Zell-Repertoire der Peripherie zu bilden. Zwischen der Ankunft der T-Zell-Vorläufer im Thymus und der Ausschleusung der reifen Nachkommen liegen bei der Maus etwa drei Wochen.

In unterschiedlichen Bereichen des Thymus findet man Thymocyten verschiedener Entwicklungsstadien

Der Thymus ist in zwei große Regionen unterteilt: den peripheren Cortex (Rinde) und die zentrale Medulla (Mark) (Abb. 8.16). Der größte Teil der T-Zell-Entwicklung läuft im Cortex ab. Im Mark findet man nur reife, einfach positive Thymocyten. Zuerst gelangen Vorläuferzellen aus dem Knochenmark über die corticomedulläre Übergangszone bis in den äußeren Cortex (Abb. 8.21). Am äußeren Cortexrand erfolgt im subkapsulären Bereich des Thymus die starke Proliferation großer, unreifer, doppelt negativer Thymocyten. Dabei handelt es sich offenbar um die vorgeprägten Vorläuferzellen aus dem Thymus und ihre unmittelbaren Abkömmlinge, aus denen sich die folgenden Thymocytenpopulationen entwickeln. Tiefer im Cortex sind die meisten Thymocyten klein und doppelt positiv. Das corticale Stroma besteht aus Epithelzellen mit langen, verzweigten Fortsätzen, die auf ihrer Oberfläche MHC-Klasse-I- und -Klasse-II-Moleküle exprimieren. Der Thymuscortex ist dicht mit Thymocyten gefüllt, die fast alle mit den verzweigten Fortsätzen der corticalen Epithelzellen des Thymus in Kontakt stehen (Abb. 8.17). Wechselwirkungen zwischen den MHC-Molekülen der corticalen Epithelzellen und den Rezeptoren der sich entwickelnden T-Zellen spielen, wie wir in diesem Kapitel noch zeigen werden, eine bedeutende Rolle bei der positiven Selektion.

Video 8.1 

Die sich entwickelnden T-Zellen wandern nach der positiven Selektion vom Cortex in das Mark. Das Mark enthält weniger Lymphocyten, dabei handelt es sich vor allem um die neu gereiften, einfach positiven T-Zellen, die schließlich den Thymus verlassen. Die Medulla ist an der negativen Selektion beteiligt. Die antigenpräsentierenden Zellen in dieser Umgebung sind dendritische Zellen, die costimulierende Moleküle exprimieren, welche im Cortex generell nicht vorkommen. Darüber hinaus präsentieren spezialisierte Epithelzellen der Medulla periphere Antigene für die negative Selektion von T-Zellen, die auf diese Autoantigene reagieren.

T-Zellen mit α:β- oder γ:δ-Rezeptoren haben einen gemeinsamen Vorläufer

Die γ:δ-T-Zellen unterscheiden sich von den α:β-T-Zellen darin, dass sie vor allem in Epithelien und Schleimhäuten vorkommen und keine CD4- oder CD8-Corezeptoren exprimieren. Anders als bei den α:β-T-Zellen weiß man über die Liganden, die von den γ:δ-T-Zell-Rezeptoren erkannt werden, relativ wenig, nimmt aber an, dass sie der MHC-Restriktion unterliegen (Abschn. 10.1007/978-3-662-56004-4_4#Sec25). In Abschn. 10.1007/978-3-662-56004-4_5#Sec14 wurde besprochen, dass für die beiden T-Zell-Rezeptor-Typen verschiedene genetische Loci zuständig sind. Zuerst werden der γ- und der δ-Locus umgelagert und kurz danach der β-Locus. Außerdem befindet sich der δ- innerhalb des α-Locus, sodass die codierenden Sequenzen des δ-Locus durch Umlagerungen des α-Locus aus dem Chromosom entfernt werden. Der Mechanismus, der die Vorprägung der einzelnen Vorläuferzellen für die α:β- oder γ:δ-Zelllinie reguliert, ist zwar noch nicht bekannt, lässt aber eine gewisse Flexibilität erkennen. Das zeigt sich am Muster der Genumlagerungen in den Thymocyten und in reifen γ:δ- und α:β-T-Zellen. Reife γ:δ-T-Zellen können umgelagerte Gene für die β-Kette aufweisen, wobei 80 % davon unproduktiv sind. Reife α:β-T-Zellen tragen häufig umgelagerte Gene für die γ-Kette, deren Leseraster allerdings fehlerhaft ist.

T-Zellen, die γ:δ-T-Zell-Rezeptoren exprimieren, entstehen in zwei verschiedenen Entwicklungsphasen

γ:δ-T-Zellen gehen zwar aus denselben Vorläuferzellen hervor wie die α:β-T-Zellen, die meisten γ:δ-T-Zellen sind jedoch Bestandteil des angeborenen und nicht des adaptiven Immunsystems. Wenn sie ihre Reifung im Thymus abgeschlossen haben, besitzen die Zellen eine definierte Effektorfunktion, die nach ihrer Aktivierung schnell ausgelöst werden kann. Nach Verlassen des Thymus wandern die meisten γ:δ-T-Zellen zu den Schleimhäuten und Epithelien des Körpers und halten sich dort dauerhaft auf.

Bei den Mäusen entstehen die meisten γ:δ-T-Zellen während der Embryonalentwicklung und in der frühen Neonatalphase. Im fetalen Thymus entwickeln sich von den T-Zellen zuerst γ:δ-T-Zellen, deren T-Zell-Rezeptoren alle aus denselben V_γ- und V_δ-Regionen bestehen (Abb. 8.22). Diese Zellen besiedeln die Epidermis; sie werden in die Keratinocyten eingebettet und nehmen eine dendritische Form an, sodass man sie als dendritische epidermale T-Zellen (dETCs) bezeichnet (Abb. 8.23). dETC-Zellen überwachen die Haut und reagieren auf Infektionen und Verletzungen, indem sie Cytokine und Chemokine freisetzen. Diese Faktoren lösen Entzündungen aus, durch die Pathogene besser bekämpft werden können, und sie fördern die Wundheilung bei Hautverletzungen. Unter ausbalancierten Bedingungen produzieren dETC-Zellen auch Wachstumsfaktoren, die Wachstum und Instandhaltung der Haut unterstützen.

Nach den dETC-Zellen entwickelt sich im fetalen Thymus eine zweite Untergruppe der γ:δ-T-Zellen. Diese Zellen wandern in die mucosalen Epithelien von Geweben, etwa der Fortpflanzungsorgane oder der Lunge, aber auch der Dermis der Haut. Diese Untergruppe produziert nach einer Stimulation inflammatorische Cytokine wie IL-17 . Man nimmt an, dass diese Zellen bei Reaktionen auf Infektionen und Verletzungen eine Rolle spielen. Wie die dETC-Zellen exprimieren diese IL-17-produzierenden γ:δ-T-Zellen (T_γ:δ-17-Zellen) invariante T-Zell-Rezeptoren, die aus einer einzigen V_γ-V_δ-Kombination bestehen. Diese beiden Untergruppen der dETC- und der fetalen T_γ:δ-17-Zellen exprimieren jedoch T-Zell-Rezeptoren, die unterschiedliche V_γ-Gen-Segmente enthalten – V_γ5 in den dETC- und V_γ6 in den T_γ:δ-17-Zellen. Da fetale Thymocyten das Enzym TdT nicht exprimieren, gibt es keine N-Nucleotide, die in diesen beiden fetal entwickelten Untergruppen der γ:δ-T-Zellen an den Verknüpfungsstellen zwischen den V-, D- und J-Gen-Segmenten für eine zusätzliche Diversität sorgen könnten. Warum bestimmte V-, D- und J-Gen-Segmente zu bestimmten Zeitpunkten während der Embryonalentwicklung für eine Umlagerung ausgewählt werden, ist noch noch nicht vollständig bekannt.

Die dETC-Zellen und die V_γ6-positiven T_γ:δ-17-Zellen entwickeln sich ausschließlich aus der frühen Welle von hämatopoetischen Stammzellen aus der fetalen Leber (Abb. 8.22). Deshalb entstehen diese beiden Untergruppen der γ:δ-T-Zellen nur während eines kurzen Zeitraums im fetalen Thymus und danach nie wieder. Eine zweite Phase in der Entwicklung der γ:δ-T-Zellen beginnt im fetalen Thymus unmittelbar vor der Geburt. Diese hält im adulten Thymus auf niedrigem Niveau das gesamte Leben lang an. Dabei entstehen mehrere zelluläre Untergruppen, die jeweils eigene Effektorfunktionen und Gewebespezifitäten aufweisen. Wie die dETC-Zellen und die fetalen T_γ:δ-17-Zellen kann man diese sich später entwickelnden γ:δ-T-Zellen generell nach der Verwendung spezifischer V_γ-V_δ-Regionen im T-Zell-Rezeptor klassifizieren (Abb. 8.22), wobei die Rezeptorsequenzen innerhalb jeder Population variabler sind, da durch die TdT N-Nucleotide eingeführt werden.

Eine Population dieser sich später entwickelnden γ:δ-T-Zellen ist so programmiert, dass sie nach ihrer Aktivierung IL-17 sezernieren. Sie bilden eine zweite Untergruppe der T_γ:δ-17-Zellen und exprimieren eine andere V_γ-Region als die fetalen T_γ:δ-17-Zellen. Diese sich später entwickelnden T_γ:δ-17-Zellen exprimieren T-Zell-Rezeptoren mit der V_γ4-Region. Diese T_γ:δ-17-Untergruppe kommt in allen lymphatischen Organen vor, aber auch in der Dermis der Haut und im Darmepithel, wo die Zellen als Reaktion auf eine Infektion mit Bakterien oder Parasiten sofort Entzündungssignale aussenden. Darüber hinaus entwickeln sich in dieser zweiten Phase auch T_γ:δ-17-Zellen mit T-Zell-Rezeptoren, welche die V_γ7-Region enthalten. Die V_γ7-positiven γ:δ-T-Zellen wandern spezifisch in das Darmepithel. Dort stehen die Zellen bereit, auf Mikroorganismen im Darm zu reagieren, welche die Epithelschranke überwinden; sie sind wichtige Produzenten von antibakteriellen Molekülen, beispielsweise IFN-γ.

Anders als die Untergruppen der γ:δ-T-Zellen, die sich in Gewebebarrieren aufhalten, etwa in der Haut oder im Darmepithel, kommen γ:δ-T-Zellen auch in den lymphatischen Organen vor. Die Mehrzahl der residenten lymphatischen γ:δ-T-Zellen entstehen während der späten Embryonalphase und der frühen neonatalen Periode sowie auch noch danach. Sie bilden eine stärker diversifizierte Population, die die V_γ1-Region exprimiert. V_γ1-positive T-Zellen setzen sich aus zwei Hauptgruppen zusammen – eine Untergruppe, die IFN-γ und IL-4 exprimiert und in die Leber sowie in verschiedene lymphatische Organe einwandert, sowie eine zweite Untergruppe, die nur IFN-γ exprimiert und alle lymphatischen Organe zum Ziel hat. Die zuerst genannte Zellpopulation ist daran zu erkennen, dass sie die spezielle TCRδ-Kette (V_δ6) exprimiert, die mit V_γ1 assoziiert. Diese Population ähnelt stark der Untergruppe von iNKT-Zellen , die den α:β-T-Zell-Rezeptor exprimieren. Deshalb bezeichnet man diese γ:δ-T-Zellen auch als γ:δ-NKT-Zellen. Anders als bei den γ:δ-T-Zell-Populationen, die sich in Epithelien aufhalten und deren Bedeutung für die Homöostase, die Reparatur von Geweben und die angeborene Immunantwort hinreichend bekannt sind, weiß man noch nicht sehr viel über die Funktionen der γ:δ-T-Zellen in den sekundären lymphatischen Organen.

Die erfolgreiche Synthese einer umgelagerten β-Kette ermöglicht die Produktion eines Prä-T-Zell-Rezeptors, der die Zellproliferation auslöst und die weitere Umlagerung des Gens für die β-Kette blockiert

Wir wollen uns nun wieder mit der Entwicklung der α:β-T-Zellen befassen. Die Umlagerung der Loci für die β- und α-Kette während der T-Zell-Entwicklung läuft fast genauso ab wie die Umlagerung der Immunglobulingene für die schwere und die leichte Kette während der B-Zell-Entwicklung (Abschn. 8.1.2 bis 8.1.5). Wie in Abb. 8.24 zu sehen ist, werden zuerst die β-Ketten-Gene umgelagert. Dabei werden die D_β-Gen-Segmente mit den J_β-Gen-Segmenten und anschließend die V_β- mit den DJ_β-Gen-Segmenten verknüpft. Wird aufgrund dieser Umlagerung keine funktionelle β-Kette gebildet, kann die Zelle keinen Prä-T-Zell-Rezeptor herstellen und stirbt. Im Gegensatz zu B-Zellen mit unproduktiv umgelagerten Ig-Genen für die schwere Kette können Thymocyten mit unproduktiven VDJ-Umlagerungen in der β-Kette durch weitere Umstrukturierungen gerettet werden. Dies ist möglich, weil sich stromaufwärts der beiden C_β-Gene zwei Cluster von D_β- und J_β-Gen-Segmenten befinden (Abb. 10.1007/978-3-662-56004-4_5#Fig13). Daher liegt die Wahrscheinlichkeit für eine produktive VDJ-Umlagerung etwas höher als die 55 % für eine produktive Umlagerung des Gens für die schwere Immunglobulinkette.

Nachdem das Gen der β-Kette produktiv umgelagert wurde, wird die β-Kette zusammen mit der unveränderlichen pTα-Kette und den CD3-Molekülen exprimiert (Abb. 8.24) und als Komplex zur Zelloberfläche transportiert. Entsprechend dem μ:VpreB:λ5-Rezeptor-Komplex der Prä-B-Zelle bei der B-Zell-Entwicklung (Abschn. 8.1.3) ist auch der pTα:β-Komplex ein funktioneller Prä-T-Zell-Rezeptor . Die Expression des Prä-T-Zell-Rezeptors im DN3-Stadium der Thymocytenentwicklung löst Signale aus, die dann die Phosphorylierung und den Abbau von RAG-2 in Gang setzen. So wird die Umlagerung der β-Ketten-Gene unterdrückt und es kommt zu einem Allelausschluss am β-Locus. Diese Signale induzieren das DN4-Stadium, bei dem es zu einer schnellen Zellproliferation kommt und schließlich die Corezeptorproteine CD4 und CD8 exprimiert werden. Der Prä-T-Zell-Rezeptor sendet konstitutiv Signale über die cytoplasmatische Proteinkinase Lck , eine Tyrosinkinase der Src-Familie (Abb. 10.1007/978-3-662-56004-4_7#Fig12). Ein Ligand auf dem Thymusepithel ist dafür offenbar nicht erforderlich. Lck assoziiert danach mit den Corezeptorproteinen. Bei Lck-defizienten Mäusen bleibt die T-Zell-Entwicklung vor dem CD4⁺CD8⁺-Stadium stehen und das Gen der α-Kette wird nicht umgelagert.

Die exprimierte β-Kette des T-Zell-Rezeptors spielt eine Rolle bei der Unterdrückung weiterer Genumlagerungen. Dies lässt sich mithilfe von transgenen Mäusen veranschaulichen, die ein umgelagertes TCRβ-Transgen besitzen. Diese Mäuse exprimieren die transgene β-Kette auf beinahe allen ihren T-Zellen und die endogenen Gene für die β-Ketten werden nicht umgelagert. Wie wichtig pTα ist, zeigt sich daran, dass bei pTα-defizienten Mäusen die Zahl der α:β-T-Zellen 100-fach verringert ist und kein Allelausschluss am β-Locus stattfindet.

Während der Proliferation der DN4-Zellen , die durch die Expression des Prä-T-Zell-Rezeptors ausgelöst wird, bleiben die Gene RAG-1 und RAG-2 abgeschaltet (Abb. 8.18). Bis zum Ende der Proliferationsphase werden die α-Ketten-Gene daher nicht umgelagert. Erst dann werden die Gene RAG-1 und RAG-2 wieder transkribiert und der funktionelle RAG-1:RAG-2-Komplex sammelt sich erneut an. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass aus jeder Zelle, in der ein β-Ketten -Gen erfolgreich umstrukturiert wurde, viele CD4⁺CD8⁺-Thymocyten hervorgehen. Nach Beendigung der Zellteilung kann dann jede Zelle unabhängig ihre α-Ketten-Gene umlagern. Somit kann in den Tochterzellen eine einzige funktionelle β-Kette mit vielen verschiedenen α-Ketten assoziieren. α:β-T-Zell-Rezeptoren werden erstmals während der Rekombination der α-Ketten-Gene exprimiert. Danach kann im Thymus die Selektion durch die Selbst-Peptid:Selbst-MHC-Komplexe beginnen.

Der Übergang der T-Zellen vom doppelt negativen zum doppelt positiven und schließlich einfach positiven Stadium geht einher mit einem spezifischen Expressionsmuster von bestimmten Proteinen, die bei der DNA-Umlagerung, der Signalübertragung und der Expression T-Zell-spezifischer Gene beteiligt sind (Abb. 8.18). TdT ist das Enzym, das in B- und T-Zellen für den Einbau von N-Nucleotiden an den Verbindungsstellen zwischen den Gensegmenten verantwortlich ist, und wird während der gesamten Umlagerung der Gensegmente des T-Zell-Rezeptors exprimiert. Man findet N-Nucleotide an den Verbindungsstellen aller neu angeordneten α- und β-Gene. Lck und ZAP-70, eine weitere Tyrosinkinase, werden schon früh in der Thymocytenentwicklung exprimiert. Neben der Schlüsselfunktion von Lck, die Signale des Prä-T-Zell-Rezeptors weiterzuleiten, ist die Kinase auch für die Entwicklung der γ:δ-T-Zellen von Bedeutung. Im Gegensatz dazu zeigen Untersuchungen mit Gen-Knockout (Anhang I, Abschn. A.35), dass die ZAP-70-Kinase, die zwar ab dem doppelt negativen Stadium exprimiert wird, für die Signale des Prä-T-Zell-Rezeptors nicht unbedingt notwendig ist, da doppelt negative Thymocyten auch die verwandte Kinase Syk exprimieren, die diese Funktion übernehmen kann. ZAP-70 wird später benötigt, um die Entwicklung der doppelt positiven Thymocyten zu einfach positiven Thymocyten zu befördern. In dieser Phase wird Syk nicht mehr exprimiert. Fyn ist wie Lck eine Kinase der Src-Familie und wird vom doppelt positiven Stadium an in zunehmendem Maße exprimiert. Fyn ist nicht unbedingt für die Entwicklung der α:β-Thymocyten erforderlich, solange Lck vorhanden ist, allerdings ist es für die Entwicklung der iNKT-Zellen essenziell (Abschn. 8.3.8).

Die Gene für die α-Kette werden so lange immer wieder umgelagert, bis es zu einer positiven Selektion kommt oder der Zelltod eintritt

Die Gene für die α-Ketten der T-Zell-Rezeptoren sind mit den Genen für die leichten κ- und λ-Ketten der Immunglobuline vergleichbar. Sie besitzen keine D-Gen-Segmente und werden erst dann umgelagert, wenn das Gen für ihre Partnerrezeptorkette bereits exprimiert wurde. Wie bei den Genen für die leichten Ketten sind wiederholte Umlagerungsversuche des Gens für die α-Kette möglich (Abb. 8.25). Da viele verschiedene V_α-Gen-Segmente sowie etwa 60 J_α-Gen-Segmente auf über ungefähr 80 kb DNA verteilt sind, kann es an beiden Allelen des α-Ketten-Gens zahlreiche aufeinanderfolgende VJ_α-Gen-Umlagerungen geben. Daraus ergibt sich, verglichen mit einer unproduktiven Umlagerung des Gens für die leichte Kette in B-Zellen, ein viel größerer Spielraum, T-Zellen mit einer anfänglich unproduktiven Umlagerung des α-Gens durch einen weiteren Versuch zu retten.

Ein wichtiger Unterschied zwischen B- und T-Zellen besteht darin, dass der endgültige Zusammenbau eines Immunglobulins dazu führt, dass die Genumlagerung beendet wird und die weitere Differenzierung der B-Zelle einsetzt, während sich bei T-Zellen die Umlagerung der V_α-Gen-Segmente fortsetzt, bis ein Signal von einem Selbst-Peptid:Selbst-MHC-Komplex kommt, der den Rezeptor positiv selektiert (Abschn. 8.3.1). Das bedeutet, dass viele T-Zellen auf beiden Chromosomen Umlagerungen im Leseraster aufweisen und deshalb zwei Typen von α-Ketten produzieren könnten. Das ist möglich, weil die Expression des T-Zell-Rezeptors allein nicht genügt, um die Genumlagerung abzuschalten. Aufgrund dieser fortgesetzten Umlagerungen auf beiden Chromosomen werden in jeder sich entwickelnden T-Zelle nach und nach oder auch gleichzeitig mehrere verschiedene α-Ketten produziert, und mit ein und derselben β-Kette als Partner wird ausgetestet, ob sie Selbst-Peptid:Selbst-MHC-Komplexe erkennen. Es lässt sich also Folgendes vorhersagen: Wenn die Häufigkeit der positiven Selektion ausreichend gering ist, exprimiert etwa eine von drei reifen T-Zellen zwei produktiv umgelagerte α-Ketten auf der Zelloberfläche. Das ließ sich bei Zellen der Maus und des Menschen zeigen. Die α-Ketten des T-Zell-Rezeptors sind daher streng genommen keinem Allelausschluss unterworfen.

Man sollte erwarten, dass T-Zellen mit einer dualen Spezifität unangemessene Immunantworten entwickeln können, indem die Zelle, wenn sie über den einen Rezeptor aktiviert wird, Zielzellen immer noch über den zweiten Rezeptor erkennen kann. Jedoch kann nur einer der beiden Rezeptoren das Peptid erkennen, das von einem körpereigenen MHC-Molekül präsentiert wird. Das liegt wahrscheinlich daran, dass ein Thymocyt, sobald er positiv selektiert wurde, die Umlagerung der α-Kette beendet. Die Existenz von Zellen, die zwei produktiv umgelagerte Gene für die α-Kette besitzen und auch zwei α-Ketten auf der Zelloberfläche exprimieren, stellt nicht generell die Vorstellung infrage, dass jede Zelle nur eine einzige funktionelle Spezifität besitzt.

Zusammenfassung

Der Thymus bildet eine spezialisierte und strukturell organisierte Mikroumgebung für die Entwicklung von reifen T-Zellen. T-Zell-Vorläufer wandern vom Knochenmark in den Thymus, wo sie mit den Signalen aus der Umgebung wie Liganden für den Notch-Rezeptor interagieren, der die Vorprägung der T-Zell-Linie steuert. Thymocyten entwickeln sich entlang einer von mehreren T-Zell-Linien: Im Thymus vorherrschend sind die γ:δ-T-Zellen, konventionelle α:β-T-Zellen und α:β-T-Zellen mit Rezeptoren, deren Diversität stark eingeschränkt ist, beispielsweise die iNKT-Zellen.

Die T-Zell-Vorläufer entwickeln sich in der γ:δ- und der α:β-T-Zell-Linie. In einer frühen Entwicklungsphase ist die Produktion der γ:δ-Zellen im Vergleich zur α:β-T-Zell-Linie vorherrschend, und diese Zellen besiedeln verschiedene periphere Gewebe, beispielsweise die Haut, den Darm sowie andere mucosale und epitheliale Oberflächen. Diese Untergruppen entwickeln sich vor allem aus Stammzellen in der fetalen Leber und nicht im Knochenmark. Später exprimieren über 90 % der Thymocyten α:β-T-Zell-Rezeptoren. In sich entwickelnden Thymocyten werden die γ-, δ- und β-Gene als Erstes umgelagert. Zellen der α:β-Linie, die durch Umlagerung eine funktionsfähige β-Kette hervorbringen, bilden einen Prä-T-Zell-Rezeptor, dessen Signale zur Proliferation der Thymocyten, zur Umlagerung der Gene der α-Kette und zur Expression von CD4 und CD8 führen. Die meisten Schritte der B-Zell-Entwicklung erfolgen im Thymuscortex, während die Medulla vor allem reife T-Zellen enthält.

Positive und negative Selektion von T-Zellen

Bis zu der Phase, in der ein α:β-T-Zell-Rezeptor exprimiert wird, verläuft die Thymocytenentwicklung unabhängig von MHC-Proteinen oder Antigenen. Ab jetzt hängt die Entscheidung über die weitere Entwicklung in der α:β-T-Zell-Linie von Wechselwirkungen des Rezeptors mit Peptid:MHC-Liganden ab, mit denen er im Thymus in Kontakt tritt. Jetzt befassen wir uns mit dieser Phase der T-Zell-Entwicklung.

T-Zell-Vorläufer , die im DN3-Stadium für die α:β-Linie vorgeprägt wurden, treten in der subkapsulären Region in eine Phase mit intensiver Proliferation ein und entwickeln sich weiter zum DN4-Stadium. Diese Zellen durchlaufen dann schnell eine Phase als unreife einfach positive CD8-Zellen und entwickeln sich zu doppelt positiven Zellen, die geringe Mengen des T-Zell-Rezeptors und sowohl den CD4- als auch den CD8-Corezeptor exprimieren. Diese doppelt positiven Zellen haben eine Lebensdauer von nur drei bis vier Tagen, wenn sie nicht durch eine Beanspruchung ihres T-Zell-Rezeptors vor dem Zelltod bewahrt werden. Die Rettung von doppelt positiven Zellen vor dem programmierten Zelltod und ihre Reifung zu einfach positiven CD4- oder CD8-Zellen bezeichnet man als positive Selektion. Nur etwa 10–30 % der T-Zell-Rezeptoren, die durch Genumlagerung entstehen, können Selbst-Peptid:Selbst-MHC-Komplexe erkennen und deshalb bei Selbst-MHC-restringierten Reaktionen auf fremde Antigene aktiv werden (Kap. 10.1007/978-3-662-56004-4_4). Zellen mit dieser Eigenschaft werden im Thymus zum Überleben selektiert. Doppelt positive Zellen durchlaufen auch eine negative Selektion. T-Zellen, deren Rezeptoren zu stark auf Selbst-Peptid:Selbst-MHC-Komplexe reagieren, treten in die Apoptose ein und werden so als potenziell autoreaktive Zellen beseitigt. In diesem Teil des Kapitels wollen wir die Wechselwirkungen zwischen sich entwickelnden doppelt positiven Thymocyten und den verschiedenen Bestandteilen des Thymus untersuchen und uns mit den Mechanismen beschäftigen, durch die diese Wechselwirkungen das reife T-Zell-Repertoire bilden.

Nur Thymocyten, deren Rezeptoren mit Selbst-Peptid:Selbst-MHC-Komplexen interagieren, können überleben und heranreifen

Frühere Experimente mit Knochenmarkchimären (Anhang I, Abschn. A.32) und Thymustransplantationen erbrachten die Beweise dafür, dass die MHC-Moleküle im Thymus das MHC-restringierte T-Zell-Repertoire beeinflussen. Mäuse jedoch, die umgelagerte T-Zell-Rezeptor-Gene als Transgene trugen, lieferten den ersten schlüssigen Beweis, dass die Wechselwirkung der T-Zelle mit Selbst-Peptid:Selbst-MHC-Komplexen für das Überleben der unreifen T-Zellen und ihre Reifung zu naiven CD4- oder CD8-T-Zellen notwendig ist. Für diese Experimente hat man die umgelagerten α- und β-Ketten-Gene von einem T-Zell-Klon (Anhang I, Abschn. A.20) mit jeweils gut charakterisierter Herkunft, Antigenspezifität und MHC-Restriktion kloniert. Bringt man solche umgelagerten Gene in das Genom von Mäusen ein, werden diese Transgene während der frühen Thymocytenentwicklung exprimiert. Durch die Expression von funktionsfähigen TCRα- und -β-Ketten in sich entwickelnden T-Zellen wird die Umlagerung der endogenen T-Zell-Rezeptor -Gene unterbunden, jedoch in unterschiedlichem Ausmaß. Generell ist die endogene Umlagerung des Gens für die β-Kette vollständig blockiert, die Umlagerung des a-Ketten-Gens jedoch nur unvollständig. Daher exprimieren die meisten der sich entwickelnden Thymocyten in der TCR-transgenen Maus den Rezeptor, den die Transgene codieren.

Durch das Einschleusen von T-Zell-Rezeptor-Transgenen, die für einen bekannten MHC-Genotyp spezifisch sind, kann man direkt untersuchen, wie sich diese MHC-Moleküle auf die Reifung von Thymocyten mit bekannter Rezeptorspezifität auswirken, ohne dass eine Immunisierung oder Analyse der Effektorfunktion erforderlich ist. Diese Untersuchungen zeigten, dass Thymocyten, die einen bestimmten T-Zell-Rezeptor tragen, in einem Thymus, der andere MHC-Moleküle exprimiert als in der Maus, aus welcher der ursprüngliche T-Zell-Klon isoliert worden war, das doppelt positive Stadium erreichen können. Diese transgenen Thymocyten entwickelten sich jedoch nur dann zu reifen einfach positiven CD4- oder CD8-Thymocyten, wenn der Thymus dasselbe Selbst-MHC-Molekül exprimierte wie der Thymus, aus dem der ursprüngliche T-Zell-Klon stammte (Abb. 8.26).

Mit solchen Versuchen hat man auch das Schicksal von T-Zellen aufgeklärt, die keine positive Selektion erfahren haben. In diesem Fall wurden umgelagerte Rezeptorgene einer reifen T-Zelle mit einer Spezifität für ein Peptid, das von einem bestimmten MHC-Molekül präsentiert wird, in eine Empfängermaus übertragen, der dieses Molekül fehlte. Das Schicksal dieser Thymocyten wurde durch das Anfärben mit Antikörpern verfolgt, die spezifisch gegen den transgenen Rezeptor gerichtet waren. Gleichzeitig wurden Antikörper gegen andere Moleküle wie CD4 und CD8 eingesetzt, um die Stadien der T-Zell-Entwicklung zu markieren. Auf diese Weise konnte man zeigen, dass sich Zellen, welche die MHC-Moleküle auf dem Thymusepithel nicht erkennen können, niemals weiter als bis zum frühen doppelt positiven Stadium entwickeln und innerhalb von drei oder vier Tagen nach ihrer letzten Teilung im Thymus sterben.

Die positive Selektion wirkt auf ein T-Zell-Rezeptor-Repertoire mit inhärenter Spezifität für MHC-Moleküle

Die positive Selektion wirkt sich auf ein Rezeptorrepertoire aus, dessen Spezifität durch zufällig erzeugte Kombinationen aus V-, D- und J-Gensegmenten bestimmt wird (Abschn. 10.1007/978-3-662-56004-4_5#Sec8). Trotzdem können T-Zell-Rezeptoren in der Tendenz schon MHC-Moleküle erkennen, bevor überhaupt eine positive Selektion stattfindet. Wäre die Spezifität des nichtselektierten Repertoires völlig zufällig, könnte wohl nur ein relativ kleiner Teil der Thymocyten ein MHC-Molekül identifizieren. Durch die Untersuchung von reifen T-Zellen aus dem unselektierten Repertoire der Rezeptoren hat man jedoch festgestellt, dass T-Zell-Rezeptoren eine inhärente Spezifität für MHC-Moleküle besitzen. Solche T-Zellen können auch in vitro aus fetalem Thymusgewebe, in dem keine Expression von MHC-Klasse-I- und -Klasse-II-Molekülen stattfindet, hervorgebracht werden, indem man mithilfe von Antikörpern, die an die V_β-Kette der T-Zell-Rezeptoren und den CD4-Corezeptor binden, eine allgemeine „positive Selektion“ anregt. Wenn man solche durch Antikörper selektierte CD4-T-Zellen genauer untersucht, sprechen nur 5 % auf irgendeinen MHC-Klasse-II-Genotyp an. Da sich diese Zellen ohne Selektion durch MHC-Moleküle entwickelt haben, muss diese Reaktivität Ausdruck einer inhärenten MHC-Spezifität sein, die von den V-Gen-Segmenten der Keimbahn codiert wird. Diese Spezifität sollte den Anteil der Rezeptoren signifikant erhöhen, die von den MHC-Molekülen eines beliebigen Individuums positiv selektiert werden können.

Diese keimbahncodierte Reaktivität ist anscheinend auf spezifische Aminosäuren in den CDR1- und CDR2-Regionen der V_α- und V_β-Region zurückzuführen. Die CDR1 - und CDR2 -Regionen werden in den V-Gen-Segmenten der Keimbahn codiert und sind hochgradig variabel (Abschn. 10.1007/978-3-662-56004-4_5#Sec9). Innerhalb dieser Variabilität sind jedoch bestimmte Aminosäuren konserviert und vielen V-Segmenten gemeinsam. Die Analyse von zahlreichen Kristallstrukturen hat ergeben, dass bei der Bindung des T-Zell-Rezeptors an einen Peptid:MHC-Komplex spezifische Aminosäuren der V_β-Regionen mit einem bestimmten Abschnitt des MHC -Proteins interagieren. So enthalten beispielsweise viele V_β-Regionen in ihren CDR2-Sequenzen an Position 48 einen Tyrosinrest, der mit einer Region in der Mitte der α1-Helix von MHC-Klasse-I- und -Klasse-II-Proteinen interagiert. Mit dieser MHC-Region interagieren noch zwei weitere Aminosäuren, die man in anderen V_β-Regionen übereinstimmend findet (Tyrosin-46 und Glutaminsäure-54). T-Zellen, die V_β-Gene mit Mutationen an irgendeiner dieser Positionen exprimieren, zeigen eine eingeschränkte positive Selektion. Das ist ein Beleg dafür, dass die Wechselwirkung dieser V-Regionen mit MHC-Molekülen zur T-Zell-Entwicklung beiträgt.

Durch positive Selektion wird die Expression von CD4 und CD8 mit der Spezifität des T-Zell-Rezeptors und den potenziellen Effektorfunktionen der Zelle in Einklang gebracht

Während der positiven Selektion exprimiert ein Thymocyt die beiden Corezeptormoleküle CD4 und CD8. Mit dem Ende der Selektionsphase im Thymus beenden die reifen α:β-T-Zellen, die für die Wanderung in die Peripherie bereit sind, die Expression von einem der beiden Corezeptoren. Die Mehrzahl dieser Zellen gehört zu den konventionellen CD4- oder CD8-T-Zellen. Aus den CD4⁺CD8⁺-Zellen entwickeln sich auch weniger häufig vertretene Untergruppen wie die iNKT-Zellen und eine Untergruppe der regulatorischen T-Zellen, die CD4 und auf hohem Niveau CD25 exprimieren. Darüber hinaus tragen fast alle reifen CD4-exprimierenden T-Zellen Rezeptoren, die an Selbst-MHC-Klasse-II-Moleküle gebundene Peptide erkennen, und ihr zelluläres Programm sieht vor, dass sie später als T-Helferzellen Cytokine sezernieren. Dagegen haben die meisten der CD8-exprimierenden Zellen Rezeptoren, die Peptide an Selbst-MHC-Klasse-I-Molekülen erkennen; aus solchen Zellen werden später cytotoxische Effektorzellen. Somit bestimmt die positive Selektion auch, welchen Phänotyp die reife T-Zelle auf der Zelloberfläche zeigt und welche potenzielle Funktion sie erfüllt, indem sie den Corezeptor auswählt, der für eine effiziente Antigenerkennung geeignet ist, und das entsprechende Differenzierungsprogramm für die Funktion, die die Zelle im Rahmen einer Immunantwort erfüllen soll.

Wieder zeigen Untersuchungen von Mäusen mit Transgenen für einen umgelagerten T-Zell-Rezeptor, dass die Spezifität des T-Zell-Rezeptors für Selbst-Peptid:Selbst-MHC-Komplexe bestimmt, welchen Corezeptor die reife T-Zelle exprimieren wird. Wenn die Transgene einen Rezeptor codieren, der spezifisch für ein Antigen ist, das von Selbst-MHC-Klasse-I-Molekülen präsentiert wird, sind alle reifen, den transgenen Rezeptor exprimierenden T-Zellen CD8-Zellen. Ebenso exprimieren bei Mäusen, die für einen Rezeptor transgen sind, der für ein von Selbst-MHC-Klasse-II-Molekülen präsentiertes Antigen spezifisch ist, alle reifen, den transgenen Rezeptor tragenden T-Zellen CD4 (Abb. 8.27).

Wie wichtig MHC-Moleküle für solche Selektionsereignisse sind, wird durch die humanen Immunschwächekrankheiten verdeutlicht, bei denen die Lymphocyten und die Epithelzellen des Thymus aufgrund von Mutationen keine MHC-Moleküle ausbilden. Personen, die keine MHC-Klasse-II-Moleküle aufweisen, haben CD8-T-Zellen , aber nur eine kleine Zahl von stark anormalen CD4-T-Zellen . Ein ähnliches Ergebnis erhielt man mit Mäusen, die aufgrund einer gezielten Genunterbrechung (Anhang I, Abschn. A.35) keine MHC-Klasse-II-Moleküle mehr exprimierten. Entsprechend fehlen Menschen und Mäusen, die keine MHC-Klasse-I-Moleküle besitzen, CD8-T-Zellen. Folglich sind für die CD4-T-Zell-Entwicklung MHC-Klasse-II-Moleküle und für die CD8-T-Zell-Entwicklung MHC-Klasse-I-Moleküle erforderlich.

Bei reifen T-Zellen hängen die Corezeptorfunktionen von CD4 und CD8 davon ab, ob sie an konstante Stellen auf MHC-Klasse-I- und -Klasse-II-Molekülen binden können (Abschn. 10.1007/978-3-662-56004-4_4#Sec23). Ohne eine solche Bindung kann es keine normale positive Selektion geben. Dies konnte man für CD4 in einem Experiment zeigen, das im nächsten Abschnitt besprochen wird. In den Thymocyten sind fast alle Moleküle der Kinase Lck mit den CD4- und CD8-Corezeptoren assoziiert. Dadurch ist sichergestellt, dass die Signalgebung nur in Thymocyten mit T-Zell-Rezeptoren ausgelöst wird, die an MHC-Moleküle binden. Für eine positive Selektion muss daher sowohl der Antigenrezeptor als auch der Corezeptor mit einem MHC-Molekül verbunden sein. Das Signal entscheidet darüber, ob die Zellen als einfach positive Zellen fortbestehen, die dann nur noch den entsprechenden Corezeptor exprimieren. Die Ausrichtung auf die CD4- oder CD8-Zelllinie erfolgt aufgrund der Rezeptorspezifität und anscheinend führen die sich entwickelnden die Signale des Rezeptors und des Corezeptors zusammen. Die Signale der mit den Corezeptoren assoziierten Kinase Lck werden dann am effektivsten weitergeleitet, wenn CD4 und nicht CD8 als Corezeptor fungiert. Diese Lck-Signale tragen zu einem großen Teil zu der Entscheidung bei, dass sich eine reife CD4-T-Zelle entwickelt.

Die Signale der T-Zell-Rezeptoren regulieren die Entscheidung zwischen der CD4- und der CD8-Zell-Linie, indem dadurch die Expression der beiden Transkriptionsfaktoren ThPOK und Runx3 kontrolliert wird (Abb. 8.18). Die Funktion von ThPOK wurde mithilfe einer natürlich auftretenden Funktionsverlustmutation bei Mäusen ermittelt, bei denen sich keine CD4-T-Zellen entwickeln. Bei Mäusen, die ThPOK nicht exprimieren, werden MHC-Klasse-II-restringierte Thymocyten auf die CD8-Zell-Linie umgelenkt. ThPOK wird bei der Präselektion der doppelt positiven Thymocyten nicht exprimiert, aber starke T-Zell-Rezeptor-Signale in dieser Entwicklungsphase induzieren dessen Expression. ThPOK verstärkt daraufhin seine eigene Expression und unterdrückt die Expression von Runx3. Beides zusammen, das heißt die Expression von ThPOK und das Fehlen von Runx3, führt zur CD4-Vorprägung und vermittelt die Fähigkeit, die Cytokingene zu exprimieren, die für CD4-T-Zellen charakteristisch sind. Wenn die Signale der T-Zell-Rezeptoren zu schwach sind oder nur kurze Zeit andauern, wird ThPOK jedoch nicht induziert und stattdessen kann Runx3 exprimiert werden. Das führt zu einem Abschalten der CD4-Expression, während die CD8-Expression aufrechterhalten wird. Außerdem werden Gene exprimiert, die für CD8-T-Zellen charakteristisch sind. Dabei handelt es sich vor allem um Gene, deren Proteinprodukte beim Abtöten von Zielzellen eine Rolle spielen.

Die meisten der doppelt positiven Thymocyten , die die positive Selektion durchlaufen, entwickeln sich entweder zu einfach positiven CD4- oder CD8-T-Zellen. Der Thymus bringt jedoch auch kleinere Populationen von T-Zellen hervor, die spezielle Funktionen besitzen (Abschn. 8.3.8).

Die corticalen Thymusepithelzellen bewirken eine positive Selektion sich entwickelnder Thymocyten

Untersuchungen mit Thymustransplantationen deuten darauf hin, dass die Stromazellen für die positive Selektion von Bedeutung sind. Diese Zellen bilden ein Geflecht von Ausläufern und darüber einen engen Kontakt zu doppelt positiven T-Zellen, die eine positive Selektion durchlaufen (Abb. 8.17). An diesen Kontaktstellen kann man beobachten, wie sich T-Zell-Rezeptoren mit MHC-Molekülen zusammenlagern. Einen direkten Beweis dafür, dass die corticalen Thymusepithelzellen für die positive Selektion verantwortlich sind, lieferte ein gut durchdachtes Experiment mit Mäusen, deren MHC-Klasse-II-Gene gezielt zerstört wurden (Abb. 8.28). Mäuse, die keine MHC-Klasse-II-Moleküle ausprägen, produzieren normalerweise keine CD4-T-Zellen. Um die Rolle des Thymusepithels bei der positiven Selektion zu untersuchen, hat man ein MHC-Klasse-II-Gen in diese Mäuse mit der MHC-Klasse-II-Mutation eingebracht. Die codierende Region des MHC-Klasse-II-Transgens wurde der Kontrolle eines Promotors unterstellt, der nur in corticalen Thymusepithelzellen exprimiert wird. Bei diesen Mäusen entwickelten sich die CD4-T-Zellen normal. Eine Variante dieses Experiments zeigte, dass das MHC-Klasse-II-Molekül auf den Epithelzellen des Thymus gut mit CD4 interagieren muss, damit die Entwicklung von CD4-T-Zellen gefördert wird. Ist das im Thymus exprimierte MHC-Klasse-II-Transgen derart mutiert, dass es nicht an CD4 binden kann, entwickeln sich nur wenige CD4-T-Zellen. Entsprechende Untersuchungen zur CD8-Wechselwirkung mit MHC-Klasse-I-Molekülen zeigten, dass es ohne Corezeptorbindung auch für CD8-Zellen keine normale positive Selektion geben kann.

Die zentrale Rolle des corticalen Thymusepithels bei einer positiven Selektion wirft die Frage auf, ob sich hier etwas finden lässt, das für die antigenpräsentierenden Eigenschaften dieser Zellen charakteristisch ist. Möglicherweise befinden sich die Thymusstromazellen einfach in größter Nähe zu den sich entwickelnden Thymocyten, da es nur sehr wenige Makrophagen und dendritische Zellen im Thymuscortex gibt, die Antigene präsentieren können. Darüber hinaus unterscheidet sich das Thymusepithel von anderen Geweben in Bezug auf die Expression von zentralen Proteasen, die für die Prozessierung der MHC-Klasse-I- und -Klasse-II-Antigene verwendet werden (Abschn. 10.1007/978-3-662-56004-4_6#Sec9). Zellen im corticalen Thymusepithel exprimieren die Protease Cathepsin L , im Gegensatz zur sonst am stärksten exprimierten Protease Cathepsin S. Mäuse mit einem Cathepsin-L-Defekt zeigen eine erhebliche Störung der CD4-T-Zell-Entwicklung. Thymusepithelzellen von Mäusen, die Cathepsin L nicht exprimieren, besitzen auf der Oberfläche eine relativ große Anzahl von MHC-Klasse-II-Molekülen, die das Klasse-II-assoziierte Peptid der invarianten Kette (CLIP) weiterhin gebunden haben (Abb. 10.1007/978-3-662-56004-4_6#Fig11). Epithelzellen des Cortex exprimieren auch eine spezielle Untereinheit des Proteasoms, β5t , während andere Zellen β5 oder β5i exprimieren. Mäuse mit einem β5t-Defekt zeigen eine erhebliche Beeinträchtigung der CD8-T-Zell-Entwicklung. Da Mäuse, die entweder Cathepsin L oder β5t nicht exprimieren, immer noch eine normale Anzahl von MHC-Molekülen an den Oberflächen ihrer Thymuscortexzellen aufweisen, liegt es anscheinend am Repertoire von Peptiden, die von den MHC-Molekülen auf der Oberfläche der epithelialen Cortexzellen präsentiert werden, ob sich die Entwicklung der CD8-T-Zellen ändert, wobei der Mechanismus noch nicht bekannt ist.

T-Zellen, die stark auf ubiquitäre Autoantigene reagieren, werden im Thymus eliminiert

Wird der Rezeptor einer reifen naiven T-Zelle in einem peripheren lymphatischen Organ von einem Peptid:MHC-Komplex auf einer professionellen antigenpräsentierenden Zelle stark gebunden, löst dies normalerweise die Proliferation der T-Zelle und damit die Produktion von Effektorzellen aus. Trifft dagegen der T-Zell-Rezeptor einer sich entwickelnden T-Zelle im Thymus auf einen Selbst-Peptid:Selbst-MHC-Komplex, stirbt die Zelle einen programmierten Zelltod (Apoptose) (Abb. 8.29). Die Reaktion unreifer T-Zellen auf die Stimulation durch ein Antigen bildet die Grundlage für die negative Selektion. Werden unreife T-Zellen schon im Thymus eliminiert, verhindert dies mögliche spätere Schäden, wenn sie als reife T-Zellen auf dieselben Peptide treffen und dann aktiviert werden.

Die negative Selektion ließ sich an TCR-transgenen Mäusen zeigen, die T-Zell-Rezeptoren exprimieren, die für Selbst-Peptide aus Proteinen spezifisch sind, deren Gene auf dem Y-Chromosom liegen und die daher nur von männlichen Mäusen exprimiert werden. Thymocyten mit diesen Rezeptoren verschwinden aus der sich entwickelnden Zellpopulation der männlichen Mäuse im doppelt positiven Entwicklungsstadium; einfach positive Zellen mit diesen transgenen Rezeptoren werden nicht reif. Dagegen entwickeln sich die transgenen T-Zellen bei weiblichen Mäusen, denen das für Männchen spezifische Peptid fehlt, normal. Die negative Selektion auf Peptide, die für männliche Tiere spezifisch sind, ließ sich auch bei gentechnisch nicht veränderten Mäusen zeigen, und auch hier werden die T-Zellen beseitigt.

TCR-transgene Mäuse haben sich für die oben beschriebenen klassischen Experimente als recht nützlich erwiesen, aber sie exprimieren einen funktionsfähigen T-Zell-Rezeptor in einer früheren Entwicklungsphase als normale Mäuse und besitzen eine große Anzahl von Zellen, die auf alle möglichen Peptide reagieren. Bei einem stärker an der Realität orientierten System wird nur eine β-Kette des T-Zell-Rezeptors, die auf ein bestimmtes Peptidantigen reagiert, als Transgen exprimiert. In solchen Mäusen lagert sich die β-Kette mit den endogenen α-Ketten zusammen, aber die Häufigkeit von peptidreaktiven T-Zellen reicht für einen Nachweis mithilfe von Peptid:MHC-Tetrameren aus (Anhang I, Abschn. A.24). Diese und weitere mehr physiologisch angelegte Untersuchungen zeigten, dass die klonale Deletion entweder im doppelt oder im einfach positiven Stadium stattfinden kann und wahrscheinlich davon abhängt, wo eine T-Zelle auf das Antigen trifft, das ihre Beseitigung auslöst.

Diese Experimente veranschaulichen das Prinzip, dass Selbst-Peptid:Selbst-MHC-Komplexe im Thymus das reife T-Zell-Repertoire von T-Zellen befreien, die autoreaktive Rezeptoren tragen. Ein Problem mit diesem Mechanismus besteht darin, dass man bei vielen gewebespezifischen Proteinen wie beim Insulin aus dem Pankreas nicht erwarten sollte, dass sie im Thymus exprimiert werden. Inzwischen hat sich jedoch herausgestellt, dass viele dieser „gewebespezifischen“ Proteine in einigen Stromazellen in der Thymusmedulla exprimiert werden. Die negative Selektion innerhalb des Thymus könnte also auch Proteine betreffen, die sonst nur in Geweben außerhalb des Thymus vorkommen. Die Expression einiger, aber nicht aller gewebespezifischen Proteine im Thymusmark wird durch das AIRE-Gen (AIRE für Autoimmunregulator) kontrolliert. Das Gen wird in Stromazellen exprimiert, die im Thymusmark lokalisiert sind (Abb. 8.30), das Genprodukt interagiert mit vielen Proteinen, die bei der Transkription eine Rolle spielen, und bewirkt anscheinend eine Verlängerung von Transkripten, die sonst an einer früheren Stelle enden. Mutationen im AIRE-Gen verursachen eine Autoimmunerkrankung , die man als APECED-Syndrom (Autoimmun-Polyendokrinopathie-Candidiasis-ektodermale-Dystrophie-Syndrom, autoimmune polyendocrinopathy-candidiasis-ectodermal dystrophy) oder als polyglanduläres Autoimmunsyndrom Typ 1 (APS-1, autoimmune polyglandular syndrome 1) bezeichnet. Hier zeigt sich die große Bedeutung, die die Expression von gewebespezifischen Proteinen innerhalb des Thymus besitzt, um die Selbst-Toleranz aufrechtzuerhalten. Bei der negativen Selektion von sich entwickelnden T-Zellen kommt es zu Wechselwirkungen mit ubiquitären und gewebespezifischen Autoantigenen und die Wechselwirkungen können sowohl im Thymuscortex als auch im Thymusmark erfolgen (Abb. 8.29).

Es ist unwahrscheinlich, dass alle überhaupt möglichen Selbst-Proteine im Thymus exprimiert werden. Durch eine negative Selektion im Thymus können also wahrscheinlich nicht alle T-Zellen entfernt werden, die auf Autoantigene reagieren, die ausschließlich in anderen Geweben oder in unterschiedlichen Entwicklungsphasen exprimiert werden. Es gibt jedoch mehrere Mechanismen, die in der Peripherie aktiv sind und verhindern können, dass reife T-Zellen auf gewebespezifische Antigene reagieren. Diese werden wir in Kap. 10.1007/978-3-662-56004-4_15 besprechen, wenn wir uns mit dem Problem der Autoimmunreaktionen und ihrer Vermeidung beschäftigen.

Die negative Selektion erfolgt sehr effizient durch antigenpräsentierende Zellen aus dem Knochenmark

Wie oben besprochen, findet die negative Selektion während der gesamten Thymocytenentwicklung sowohl im Thymuscortex als auch im Thymusmark statt und wird daher anscheinend durch die Antigenpräsentation von mehreren verschiedenen Zelltypen vermittelt (Abb. 8.29). Es besteht offenbar bei den Zellen, die an der negativen Selektion beteiligt sind, eine Wirksamkeitshierarchie. Am wichtigsten sind wohl die aus dem Knochenmark stammenden dendritischen Zellen und Makrophagen. Dabei handelt es sich um antigenpräsentierende Zellen, die auch reife T-Zellen in den peripheren lymphatischen Geweben aktivieren (Kap. 10.1007/978-3-662-56004-4_9). Die Autoantigene, die diese Zellen präsentieren, sind deshalb die wichtigste Quelle für potenzielle Autoimmunreaktionen, und T-Zellen, die auf solche körpereigenen Peptide reagieren, müssen im Thymus eliminiert werden.

Darüber hinaus können sowohl die Thymocyten selbst als auch die Zellen des Thymusepithels die Eliminierung autoreaktiver Zellen bewirken. Die Epithelzellen der Medulla, die AIRE exprimieren und deshalb ein breites Spektrum von Autoantigenen präsentieren, bilden eine Population, für die sich bereits zeigen ließ, dass hier die negative Selektion der Thymocyten direkt induziert wird. Allgemeiner formuliert: Bei einer Knochenmarktransplantation von einem nichtverwandten Spender, bei dem alle Makrophagen und dendritischen Zellen des Thymus den Spendertyp aufweisen, kommt der von den Thymusepithelzellen vermittelten negativen Selektion eine besondere Bedeutung zu, da sie die Toleranz gegenüber den empfängereigenen Gewebeantigenen aufrechterhält.

Die Spezifität und/oder die Stärke der Signale für die negative und die positive Selektion müssen sich unterscheiden

T-Zellen durchlaufen sowohl eine positive Selektion auf Selbst-MHC-Restriktion als auch eine negative Selektion auf Selbst-Toleranz, indem sie im Thymus mit Selbst-Peptid:Selbst-MHC-Komplexen auf den Stromazellen interagieren. Ein ungelöstes Problem ist dabei, wie sich die Wechselwirkung des T-Zell-Rezeptors mit den Selbst-Peptid:Selbst-MHC-Komplexen bei diesen beiden entgegengesetzten Ergebnissen unterscheidet. Erstens müssen mehr Rezeptorspezifitäten positiv als negativ selektiert werden, denn sonst würden alle Zellen, die positiv selektiert wurden, anschließend durch negative Selektion beseitigt, und es würden niemals T-Zellen produziert. Zweitens müssen sich die Effekte der Wechselwirkungen unterscheiden, die zur positiven oder zur negativen Selektion führen: Zellen, die Selbst-Peptid:Selbst-MHC-Komplexe auf corticalen Epithelzellen erkennen, werden zum Heranreifen angeregt, während Zellen, deren Rezeptoren eine starke und potenziell schädliche Autoimmunreaktion hervorrufen können, zum Absterben gebracht werden.

Zurzeit nimmt man an, dass die Entscheidung zwischen positiver und negativer Selektion von der Stärke der Bindung zwischen dem Selbst-Peptid:Selbst-MHC-Komplex und dem T-Zell-Rezeptor abhängt; diese Vorstellung bezeichnet man als Affinitätshypothese (Abb. 8.31). Wechselwirkungen mit geringer Affinität bewahren die Zelle vor dem Tod durch Vernachlässigung, was zu einer positiven Selektion führt. Wechselwirkungen mit hoher Affinität hingegen induzieren die Apoptose und führen so zu einer negativen Selektion. Da wahrscheinlich mehr Komplexe mit geringer als mit hoher Affinität binden, kann dieses Modell erklären, dass die positive Selektion ein größeres Repertoire von Zellen hervorbringt als die negative Selektion. Mithilfe von T-Zell-Rezeptor-transgenen Thymocyten ließ sich zeigen, dass Varianten der Antigenpeptide in den Thymusorgankulturen oder in vivo eine positive Selektion induzieren können. Peptidvarianten, die eine positive Selektion induziert haben, besaßen eine geringere Affinität für den T-Zell-Rezeptor als Antigenpeptide. Wie dieser quantitative Unterschied der Rezeptoraffinitäten zu qualitativ unterschiedlichen Werdegängen der Zellen führt, wird noch untersucht. Viele der biochemischen Signale, die von niedrigaffinen Wechselwirkungen induziert werden, sind schwächer und von kürzerer Dauer als bei hochaffinen Wechselwirkungen. Wechselwirkungen mit niedriger Affinität führen jedoch zu einer dauerhaften Aktivierung der Proteinkinase Erk , während Wechselwirkungen mit hoher Affinität nur eine vorübergehende Aktivierung von Erk bewirken. Das deutet darauf hin, dass die unterschiedliche Aktivierung dieser oder anderer MAP-Kinasen das Ergebnis der Selektion im Thymus bestimmt. Experimente haben gezeigt, dass sich entwickelnde T-Zellen mehr als 24 h lang niedrigaffine Liganden binden müssen, damit es zu einer positiven Selektion kommen kann.

Regulatorische T-Zellen, die Selbst-Peptide erkennen, und die angeborenen T-Zellen entwickeln sich im Thymus

Aus dem Thymus gehen neben den konventionellen CD4⁺- und CD8⁺-α:β-T-Zellen, die oben besprochen wurden, weitere Zellpopulationen hervor. Diese sind zwar zahlenmäßig weniger bedeutend, besitzen aber wichtige Funktionen. Zwei dieser Untergruppen, die T_reg-Zellen (Abschn. 10.1007/978-3-662-56004-4_9#Sec25) und die iNKT-Zellen (Abschn. 10.1007/978-3-662-56004-4_6#Sec23), wurden bereits genau untersucht; ihre Entwicklung ist jeweils von spezifischen Anforderungen gekennzeichnet.

Aus dem Thymus abgeleitete T_reg-Zellen sind eine Untergruppe der CD4⁺-T-Zellen, welche die Selbst-Toleranz aufrechterhalten. Diese Zellen gehen wie die konventionellen T-Zellen aus CD4⁺CD8⁺-Thymocyten hervor. Während ihrer Reifung steigern sie die Produktion des Transkriptionsfaktors FoxP3 . Die Entwicklung der T_reg-Zellen hängt auch von der Signalgebung des IL-2-Rezeptors ab, das heißt von einem Cytokinsignal, das für die Entwicklung der konventionellen T-Zellen nicht notwendig ist. Das Repertoire der T-Zell-Rezeptoren, die von den T_reg-Zellen exprimiert werden, besteht wahrscheinlich aus Rezeptoren mit hoher Affinität für Selbst-MHC:Selbst-Peptid-Komplexe. Belege für diese Annahme stammen aus Untersuchungen, die gezeigt haben, das einige Linien von TCR-transgenen Mäusen eine große Anzahl von T_reg-Zellen hervorbringen, sobald die Mäuse auch das Antigen für diesen Rezeptor exprimieren. Darüber hinaus hat man Untersuchungen an Mäusen durchgeführt, die ein fluoreszierendes Reportergen exprimieren, sodass man die Stärke der T-Zell-Rezeptor-Signale sichtbar machen konnte. Dabei hat sich gezeigt, dass die T_reg-Zellen das fluoreszierende Reporterprotein sowohl während ihrer Entwicklung als auch nachdem sie den Thymus verlassen haben, auf hohem Niveau exprimieren, was darauf hindeutet, dass sie wahrscheinlich T-Zell-Rezeptoren mit einer hohen Affinität für Selbst-Peptide exprimieren. Diesen Prozess der positiven Selektion nach Wechselwirkungen zwischen T-Zell-Rezeptoren und Selbst-Peptid:Selbst-MHC-Komplexen mit hoher Affinität bezeichnet man als Agonistenselektion . Damit sind die Wechselwirkungen zwischen einem T-Zell-Rezeptor und Selbst-Peptid:Selbst-MHC-Komplexen gemeint, die normalerweise eine reife T-Zelle aktivieren würden, die diesen T-Zell-Rezeptor exprimiert.

Eine zweite spezialisierte Untergruppe der T-Zellen, die sich aus Vorläuferzellen von CD4⁺CD8⁺-Thymocyten entwickelt, ist eine Zelllinie, die man aufgrund der Expression des NK1.1-Rezeptors, der generell auf NK-Zellen vorkommt, als invariante NKT-Zellen (iNKT-Zellen ) bezeichnet. iNKT-Zellen werden bei vielen Infektionen als Teil der frühen Immunantwort aktiviert. Sie unterscheiden sich von der Hauptzelllinie der α:β-T-Zellen, indem sie CD1- anstelle von MHC-Klasse-I- oder -Klasse-II-Molekülen exprimieren (Abschn. 10.1007/978-3-662-56004-4_6#Sec23). Anders als andere T-Zellen benötigen iNKT-Zellen für ihre Entwicklung eine Wechselwirkung des T-Zell-Rezeptors mit CD1-Molekülen, die auf Thymocyten exprimiert werden, und ein Signal über das Adaptorprotein SAP . iNKT-Zellen bauen wie γ:δ-T-Zellen während der Entwicklung ein definiertes Effektorprogramm auf. Deshalb zeigen diese Zellen den Phänotyp von Gedächtniszellen, sobald sie den Thymus verlassen und in die peripheren lymphatischen Gewebe und zu den mucosalen Oberflächen wandern. Man nimmt an, dass iNKT-Zellen eine Reaktion auf „Agonisten“-Signale entwickeln. Neuere Untersuchungen haben gezeigt, dass CD1-bindende Lipidantigene , die von kommensalen Mikroorganismen im Darm produziert werden, ein bedeutender Ursprung für diese Agonistenliganden sind und dass die Zusammensetzung der Mikroflora im Darm die Entwicklung der iNKT-Zellen bereits in einer frühen Lebensphase reguliert. Da die Stimulation von unreifen T-Zellen durch Agonisten auch zur klonalen Deletion führen kann, ist bis jetzt unbekannt, welche aktivierenden Wechselwirkungen zur klonalen Deletion im Thymus und welche zur Selektion der T_reg-Zellen oder der nichtkonventionellen iNKT-Zellen führen.

Die letzte Phase der T-Zell-Reifung erfolgt im Thymusmark

Nachdem die Thymocyten die positive und negative Selektion überlebt haben, schließen sie ihre Reifung im Thymusmark ab und wandern dann in die peripheren lymphatischen Organe. Die Endphase ihrer Reifung führt zu Veränderungen des T-Zell-Rezeptor-Signalsystems. Ein unreifer doppelt oder einfach positiver Thymocyt, der über den T-Zell-Rezeptor stimuliert wird, durchläuft die Apoptose, ein reifer einfach positiver Thymocyt hingegen proliferiert. Die Endphase der Entwicklung dauert weniger als vier Tage und danach wandern funktionell kompetente T-Zellen aus dem Thymus in den Blutkreislauf (Abb. 8.32). Um den Thymus verlassen zu können, müssen die T-Zellen das Lipidmolekül Sphingosin-1-phosphat (S1P) mithilfe des G-Protein-gekoppelten Rezeptors S1PR1 erkennen, der während dieser Endphase der Reifung von den Thymocyten exprimiert wird. S1P kommt in hohen Konzentrationen im Blut und in der Lymphe vor und reife Lymphocyten werden anscheinend von dem Molekül angezogen. Reife Thymocyten exprimieren auch CD62L (L-Selektin ), einen Lymphknoten-Homing-Rezeptor , der die Lokalisierung von reifen naiven T-Zellen in den peripheren lymphatischen Organen ermöglicht, nachdem sie den Thymus verlassen haben.

T-Zellen, die zum ersten Mal in der Peripherie mit einer ausreichenden Menge an Autoantigenen in Kontakt kommen, werden vernichtet oder inaktiviert

Viele autoreaktive T-Zellen werden im Lauf ihrer Entwicklung im Thymus vernichtet. Wie in Abschn. 8.3.5 besprochen, wird dieser negative Selektionsprozess durch das AIRE-Protein ermöglicht, das die Expression vieler gewebespezifischer Antigene in den Epithelzellen des Thymusmarks anregt. Dennoch werden nicht alle Autoantigene im Thymus exprimiert und einige autoreaktive T-Zellen schließen ihre Reifung ab und wandern in die Peripherie. Unsere Vorstellungen vom Schicksal autoreaktiver T-Zellen in der Peripherie haben wir vor allem aufgrund von Untersuchungen an Mäusen gewonnen, die transgen für autoreaktive T-Zell-Rezeptoren gemacht worden waren. In einigen Fällen werden T-Zellen, die auf Autoantigene in der Peripherie reagieren, zerstört. Das geschieht normalerweise nach einer kurzen Zeitspanne der Aktivierung und Zellteilung und man bezeichnet den Prozess als aktivierungsinduzierten Zelltod . In anderen Fällen werden die autoreaktiven Zellen anergisch. Bei Untersuchungen in vitro erweisen sich diese anergischen Zellen als nicht aufnahmefähig für Signale, die vom T-Zell-Rezeptor ausgehen.

Es stellt sich unmittelbar die Frage: Wenn der Kontakt eines reifen naiven Lymphocyten mit einem Autoantigen zum Zelltod oder zur Anergie führt, warum geschieht das nicht mit allen anderen reifen Lymphocyten, die ein von Pathogenen stammendes Antigen erkennen? Die Antwort ist, dass eine Infektion eine Entzündung hervorruft, die die Expression von costimulierenden Molekülen auf den antigenpräsentierenden dendritischen Zellen und die Produktion von Cytokinen auslöst, wodurch die Lymphocyten aktiviert werden. Der Kontakt mit einem Antigen führt unter diesen Bedingungen zur Aktivierung, Proliferation und Differenzierung des Lymphocyten zum Stadium einer Effektorzelle. Wenn keine Infektion oder Entzündung vorliegt, prozessieren dendritische Zellen weiterhin Autoantigene und präsentieren sie, wenn jedoch costimulierende und andere Signale fehlen, führt anscheinend jede Wechselwirkung eines reifen Lymphocyten mit seinem spezifischen Antigen zu toleranzauslösenden (tolerogenen) Signalen des Antigenrezeptors.

Zusammenfassung

Die Stadien der Thymocytenentwicklung bis hin zur Expression des Prä-T-Zell-Rezeptors – hierzu gehört auch die Festlegung auf die α:β- oder δ:γ-Linie – sind alle von Peptid:MHC-Wechselwirkungen unabhängig. Wenn die α-Ketten-Gene produktiv umgelagert wurden und der T-Zell-Rezeptor exprimiert wird, durchlaufen die α:β-Thymocyten eine weitere Entwicklung, die von den Wechselwirkungen ihrer T-Zell-Rezeptoren mit Selbst-Peptiden abhängt, die von MHC-Molekülen im Thymusstroma präsentiert werden. Doppelt positive CD4⁺CD8⁺-Thymocyten, deren Rezeptoren mit Selbst-Peptid:Selbst-MHC-Komplexen auf Epithelzellen des Thymuscortex interagieren, werden positiv selektiert und entwickeln sich zu reifen, einfach positiven CD4- oder CD8-T-Zellen. T-Zellen, die mit körpereigenen Antigenen zu stark reagieren, werden im Thymus vernichtet; für diesen hocheffizienten Vorgang sind antigenpräsentierende Zellen aus dem Knochenmark und AIRE-exprimierende T-Zellen im Thymusmark verantwortlich. Als Ergebnis der positiven und negativen Selektion bildet sich ein Repertoire an reifen konventionellen T-Zellen heraus, das MHC-restringiert und selbsttolerant ist. Einige nichtkonventionelle T-Zell-Linien durchlaufen nach einen starken T-Zell-Rezeptor-Signal eine „Agonistenselektion“. Wie genau jedoch das Erkennen von Selbst-Peptid:Selbst-MHC-Komplexen durch den T-Zell-Rezeptor entweder zur positiven oder negativen Selektion führt, bleibt weiterhin ungelöst.

Kapitelzusammenfassung

In diesem Kapitel haben wir die Bildung der B- und T-Zell-Linien aus einem ungeprägten lymphatischen Zellvorläufer verfolgt. Schon früh in der Entwicklung der T- und B-Zellen aus einem gemeinsamen lymphatischen Vorläufer, der aus dem Knochenmark stammt, kommt es zu somatischen Genumlagerungen, die zu einem äußerst vielfältigen Repertoire an Antigenrezeptoren führen. Bei B-Zellen sind dies Immunglobuline, bei T-Zellen T-Zell-Rezeptoren. Bei den Säugern entwickeln sich die B-Zellen in der fetalen Leber und nach der Geburt im Knochenmark. T-Zellen gehen ebenfalls aus Stammzellen in der fetalen Leber oder im Knochenmark hervor, durchlaufen jedoch den größten Teil ihrer Entwicklung im Thymus. Ein Großteil der somatischen Rekombinationsmaschinerie, einschließlich der RAG-Proteine, die ein essenzielles Element der V(D)J-Rekombinase sind, ist jedoch bei B- und T-Zellen gleich. Bei beiden Zelltypen werden zuerst die Loci umgelagert, die D-Gen-Segmente enthalten, was sich dann schrittweise für die übrigen Loci fortsetzt. Der erste Schritt bei der Genumlagerung der B-Zellen betrifft den Locus für die schwere Immunglobulinkette, bei den T-Zellen den Locus der β-Kette. In jedem Fall darf die Zelle nur dann zum nächsten Entwicklungsschritt übergehen, wenn durch die Umlagerung eine Sequenz mit durchgehendem Leseraster entstanden ist, die in eine Proteinkette umgesetzt werden kann, die auf der Zelloberfläche exprimiert wird: entweder den Prä-B-Zell-Rezeptor oder den Prä-T-Zell-Rezeptor. Zellen, bei denen beide Rezeptorketten nicht erfolgreich umgelagert wurden, gehen durch Apoptose zugrunde. Die Entwicklung der konventionellen B-Zellen ist in Abb. 8.14 zusammengefasst, die der α:β-T-Zellen in Abb. 8.33.

Sobald ein funktioneller Antigenrezeptor auf der Zelloberfläche vorhanden ist, wird der Lymphocyt auf zwei Weisen geprüft. Bei der positiven Selektion wird die potenzielle Nützlichkeit des Antigenrezeptors festgestellt, während die negative Selektion autoreaktive Zellen aus dem Lymphocytenrepertoire eliminiert, sodass dieses körpereigene Antigene toleriert. Die positive Selektion ist besonders für T-Zellen von Bedeutung, da sie bewirkt, dass nur Zellen mit T-Zell-Rezeptoren weiter heranreifen, die ein Antigen zusammen mit Selbst-MHC-Molekülen erkennen können. Die positive Selektion koordiniert auch die Auswahl des exprimierten Corezeptors. CD4 wird in T-Zellen exprimiert, die MHC-Klasse-II-spezifische Rezeptoren tragen, CD8 in Zellen mit MHC-Klasse-I-spezifischen Rezeptoren. Dadurch ist sichergestellt, dass diese Rezeptoren bei Reaktionen auf Krankheitserreger optimal eingesetzt werden. Bei den B-Zellen kommt es anscheinend beim letzten Übergang von der unreifen zur reifen B-Zelle in den peripheren lymphatischen Geweben zur positiven Selektion. Die Toleranz gegenüber Autoantigenen wird in verschiedenen Entwicklungsstadien der B- und T-Zellen durch negative Selektion weiter verstärkt und auch die positive Selektion ist anscheinend ein kontinuierlicher Vorgang.

Aufgaben

8.1 Richtig oder falsch

Die Entwicklung der B-Zellen wird bei Mäusen nicht vom Fehlen der gemeinsamen Cytokinrezeptor-γ-Kette (γ_c) beeinflusst.

8.2 Bitte ergänzen

Die Entwicklung der B-Zellen wird durch die Expression verschiedener Transkriptionsfaktoren reguliert, die die Genumlagerung und den erfolgreichen Übergang in das nächste Entwicklungsstadium ermöglichen. So wird beispielsweise während des ________-Stadiums die Expression von RAG-1 und RAG-2 durch ________ induziert, sodass eine erfolgreiche D-J-Umlagerung und dann die V-DJ-Umlagerung am Locus der schweren Kette möglich werden. In der Folge wird ein funktionsfähiger ________ exprimiert und durch ein Signal wird die Zelle veranlasst, eine ________ durchzuführen, die nächste Entwicklungsstufe zu erreichen und den Locus der leichten Kette umzulagern.

8.3 Richtig oder falsch

Die Erkennung von Autoantigenen ist notwendig, damit der Prä-B-Zell-Rezeptor quervernetzt wird, wodurch wiederum der Komplex ein Signal aussenden kann und der Übergang von der Pro-B-Zelle zur Prä-B-Zelle möglich wird.

8.4 Bitte zuordnen

Zu welchem B-Zell-Stadium gehört welcher Begriff?

A.	frühe Pro-B-Zelle	i.	V-DJ-Umlagerung (schwere Kette)
B.	kleine Prä-B-Zelle	ii.	D-J-Umlagerung (schwere Kette)
C.	unreife B-Zelle	iii.	Expression des Prä-B-Zell-Rezeptors
D.	späte Pro-B-Zelle	iv.	V-J-Umlagerung (leichte Kette)
E.	große Prä-B-Zelle	v.	Oberflächen-IgM

8.5 Kurze Antwort

Wie verhindert der Vorgang des Allelausschlusses die Umlagerung des zweiten Locus der schweren Kette und warum ist das von Bedeutung?

8.6 Kurze Antwort

Wie können aus einer großen B-Zelle viele B-Zellen mit unterschiedlichen Antigenspezifitäten hervorgehen?

8.7 Bitte zuordnen

Welcher Begriff gehört zu welcher Definition?

A.	Rezeptor-Editing	i.	Ergebnis einer fortbestehenden Autoreaktivität nach erfolglosem Rezeptor-Editing
B.	Isotypausschluss	ii.	Selektion der leichten κ- oder λ-Kette
C.	klonale Deletion	iii.	Ergebnis eines peripheren Kontakts mit einem schwach quervernetzenden Antigen oder mit einem Antigen mit niedriger Valenz
D.	Anergie	iv.	Vorgang, durch den der Locus der leichten Kette umgelagert wird, sodass ein nicht autoreaktiver Rezeptor entsteht
E.	immunologische Ignoranz	v.	B-Zellen, die eine Affinität für ein Autoantigen besitzen, aber aus verschiedenen Gründen nicht darauf reagieren

8.8 Richtig oder falsch

Alle doppelt negativen CD4- und CD8-Thymocyten sind unreife T-Zellen.

8.9 Bitte zuordnen

Welches DN-Stadium der T-Zellen gehört zu welchem Expressionsmuster von CD44 und CD25 und zu welcher Umlagerung des T-Zell-Rezeptor-Locus?

A.	DN1	i.	CD44+CD25+, D-J-Umlagerung am Locus der TCRβ-Kette
B.	DN2	ii.	CD44+CD25–, Keimbahnlocus des T-Zell-Rezeptors
C.	DN3	iii.	CD44niedrigCD25+, V-DJ-Umlagerung am Locus der β-Kette
D.	DN4	iv.	CD44–CD25–, funktionelle Umlagerung der β-Kette

8.10 Bitte ergänzen

Die erfolgreiche Umlagerung des ________ während des DN________-Stadiums ermöglicht die Bildung des Prä-T-Zell-Rezeptors, der in Bezug auf Struktur und Funktion dem Prä-B-Zell-Rezeptor entspricht. Die TCRβ-Kette assoziiert sich selbst mit ________, sodass eine ligandenunabhängige Quervernetzung des Prä-T-Zell-Rezeptors möglich ist. Das führt zu ________, zum Abschalten weiterer ________-Genumlagerungen und zur Expression beider ________. Wie beim Locus der leichten Kette in der B-Zelle, kann der ________ mehrere Umlagerungen durchlaufen, damit ein funktionsfähiges Protein entsteht.

8.11 Bitte zuordnen

Welche Beschreibung passt zu welcher Untergruppe der γ:δ-T-Zellen der Maus?

A.	dendritische epidermale T-Zellen	i.	können in zwei Untergruppen eingeteilt werden: eine IFN-γ- und IL-4-produzierende Untergruppe sowie eine IFN-γ-produzierende Untergruppe
B.	Vγ4+-T-Zellen	ii.	Zellen, die in den Fortpflanzungstrakt, die Lunge und die Dermis einwandern; nach Stimulation können diese Zellen inflammatorische Cytokine produzieren
C.	Vγ6+-T-Zellen	iii.	eine Population von sich später entwickelnden γ:δ-T-Zellen, die darauf eingestellt sind, nach ihrer Aktivierung IL-17 zu sezernieren; sie kommen in allen lymphatischen Organen vor
D.	Vγ1+-T-Zellen	iv.	Zellen, die als Reaktion auf einen Krankheitserreger oder eine Verletzung eine Entzündung hervorrufen, die Wundheilung fördern und Wachstumsfaktoren produzieren können; sie sind dadurch gekennzeichnet, dass ihr T-Zell-Rezeptor das Vγ5-Segment enthält
E.	Vγ7+-T-Zellen	v.	sie wandern spezifisch in das Darmepithel

8.12 Multiple Choice

Welche der folgenden Aussagen beschreibt genau den Unterschied zwischen dem B- und dem T-Zell-Rezeptor?

• A.Die VDJ-Umlagerung der β-Kette des T-Zell-Rezeptors erfolgt bei der T-Zell-Entwicklung anders als beim B-Zell-Rezeptor zuerst; bei Letzterem erfolgt die VDJ-Umlagerung nach der VJ-Umlagerung der leichten Kette.
• B.T-Zellen benötigen nicht die Bildung eines Prä-T-Zell-Rezeptors, um in ihrer Entwicklung voranzuschreiten, anders als bei den B-Zellen, die Signale über den Prä-B-Zell-Rezeptor benötigen, um den Allelausschluss zu durchlaufen und die Entwicklung fortzusetzen.
• C.Durch die Expression des B-Zell-Rezeptors endet die weitere Umlagerung der leichten Kette und es kommt zu einem konsequenten Allelausschluss, während durch die Expression des T-Zell-Rezeptors weitere Umlagerungen der α-Kette nicht verhindert werden, bis durch Peptid:MHC-Komplexe Signale entstehen, was bei vielen T-Zellen dazu führt, dass sie zwei unterschiedliche TCRα-Ketten exprimieren.
• D.TCRα-Ketten können keine weiteren Umlagerungen ausführen, anders als die B-Zell-Rezeptoren, die ein Rezeptor-Editing durchlaufen.

8.13 Multiple Choice

Welche der folgenden Aussagen trifft auf die regulatorischen T-Zellen (T_reg-Zellen) zu?

• A.Die T_reg-Zellen sind eine Untergruppe der CD8⁺-T-Zellen, die gegen Zellen, die mit einem Krankheitserreger infiziert sind, eine cytotoxische Aktivität entwickeln können.
• B.Der T-Zell-Rezeptor der T_reg-Zellen ist durch eine schwache Affinität für Selbst-MHC gekennzeichnet, die zu Selbst-Toleranz führen kann.
• C.T_reg-Zellen exprimieren FoxP3.
• D.Autoimmunität ist häufig eine Folge von überaktiven T_reg-Zellen.

8.14 Multiple Choice

Welcher der folgenden Effekte führt nicht zu einem Defekt in der Entwicklung der CD8⁺-T-Zellen im Thymus?

• A.genetische Inaktivierung von Cathepsin
• B.eine inaktivierende Mutation im Gen für den Transkriptionsfaktor Runx3
• C.Überexpression des Transkriptionsfaktors ThPOK
• D.genetische Deletion der MHC-Klasse-I-Gene
• E.genetische Deletion der β5t-Untereinheit des Proteasoms

8.15 Multiple Choice

Welche der folgenden Aussagen erklärt die MHC-Restriktion bei reifen T-Zellen am besten?

• A.Die CDR1- und CDR2-Regionen von TCRα und TCRβ zeigen eine keimbahncodierte Tendenz zur Erkennung von MHC-Molekülen.
• B.Sobald Thymocyten ein starkes Signal des T-Zell-Rezeptors empfangen, wird bei ihnen die Apoptose ausgelöst.
• C.CD4 und CD8 binden fast die gesamte Menge des intrazellulären Lck-Proteins.
• D.Epithelzellen des Thymusmarks exprimieren das AIRE-Protein, das die Expression gewebespezifischer Proteine stimuliert.
• E.Aus dem Knochenmark stammende dendritische Zellen und Makrophagen sind bei der Vermittlung der negativen Selektion viel effektiver als die Thymusepithelzellen und die Thymocyten selbst.

8.16 Kurze Antwort

Wie lautet die Affinitätshypothese für die Entwicklung der Thymocyten?

Literatur

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• ■ Nakagawa, T., Roth, W., Wong, P., Nelson, A., Farr, A., Deussing, J., Villadangos, J.A., Ploegh, H., Peters, C., and Rudensky, A.Y.: Cathepsin L: critical role in Ii degradation and CD4 T cell selection in the thymus. Science 1998, 280:450–453.

Abschnitt 8.3.5

• ■ Anderson, M.S., Venanzi, E.S., Klein, L., Chen, Z., Berzins, S.P., Turley, S.J., von Boehmer, H., Bronson, R., Dierich, A., Benoist, C., et al.: Projection of an immunological self shadow within the thymus by the aire protein. Science 2002, 298:1395–1401.

• ■ Kishimoto, H. and Sprent, J.: Negative selection in the thymus includes semimature T cells. J. Exp. Med. 1997, 185:263–271.

• ■ Zal, T., Volkmann, A., and Stockinger, B.: Mechanisms of tolerance induction in major histocompatibility complex class II-restricted T cells specific for a blood-borne self antigen. J. Exp. Med. 1994, 180:2089–2099.

Abschnitt 8.3.6

• ■ Anderson, M.S. and Su, M.A.: Aire and T cell development. Curr. Opin Immunol. 2011, 23:198–206.

• ■ McCaughtry, T.M., Baldwin, T.A., Wilken, M.S., and Hogquist, K. A.: Clonal deletion of thymocytes can occur in the cortex with no involvement of the medulla. J. Exp. Med. 2008, 205:2575–2584.

• ■ Sprent, J. and Webb, S.R.: Intrathymic and extrathymic clonal deletion of T cells. Curr. Opin. Immunol. 1995, 7:196–205.

• ■ Webb, S.R. and Sprent, J.: Tolerogenicity of thymic epithelium. Eur. J. Immunol. 1990, 20:2525–2528.

Abschnitt 8.3.7

• ■ Alberola-Ila, J., Hogquist, K. A., Swan, K. A., Bevan, M.J., and Perlmutter, R.M.: Positive and negative selection invoke distinct signaling pathways. J. Exp. Med. 1996, 184:9–18.

• ■ Ashton-Rickardt, P.G., Bandeira, A., Delaney, J.R., Van Kaer, L., Pircher, H.P., Zinkernagel, R.M., and Tonegawa, S.: Evidence for a differential avidity model of T-cell selection in the thymus. Cell 1994, 76:651–663.

• ■ Bommhardt, U., Scheuring, Y., Bickel, C., Zamoyska, R., and Hunig, T.: MEK activity regulates negative selection of immature CD4⁺CD8⁺ thymocytes. J. Immunol. 2000, 164:2326–2337.

• ■ Hogquist, K. A., Jameson, S.C., Heath, W.R., Howard, J.L., Bevan, M.J., and Carbone, F.R.: T-cell receptor antagonist peptides induce positive selection. Cell 1994, 76:17–27.

Abschnitt 8.3.8

• ■ Jordan, M.S., Boesteanu, A., Reed, A.J., Petrone, A.L., Holenbeck, A.E., Lerman, M.A., Naji, A., and Caton, A.J.: Thymic selection of CD4⁺CD25⁺ regulatory T cells induced by an agonist self-peptide. Nat. Immunol. 2001, 2:301–306.

• ■ Moran, A.E. and Hogquist, K. A.: T-cell receptor affinity in thymic development. Immunology 2012, 135:261–267.

• ■ Zheng, Y. and Rudensky, A.Y.: Foxp3 in control of the regulatory T cell lineage. Nat. Immunol. 2007, 8:457–462.

Abschnitt 8.3.9

• ■ Matloubian, M., Lo, C.G., Cinamon, G., Lesneski, M.J., Xu, Y., Brinkmann, V., Allende, M.L., Proia, R.L., and Cyster, J.G.: Lymphocyte egress from thymus and peripheral lymphoid organs is dependent on S1P receptor 1. Nature 2004, 427:355–360.

• ■ Zachariah, M.A. and Cyster, J.G.: Neural crest-derived pericytes promote egress of mature thymocytes at the corticomedullary junction. Science 2010, 328:1129–1135.

Abschnitt 8.3.10

• ■ Fink, P.J. and Hendricks, D.W.: Post-thymic maturation: young T cells assert their individuality. Nat. Rev. Immunol. 2011, 11:544–549.

• ■ Steinman, R.M. and Nussenzweig, M.C.: Avoiding horror autotoxicus: the importance of dendritic cells in peripheral T cell tolerance. Proc. Natl Acad. Sci. USA 2002, 99:351–358.

• ■ Xing, Y. and Hogquist, K. A.: T-cell tolerance: central and peripheral. Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 2012, 4.pii:a006957