key: cord-0055828-330m7xhn
authors: Murphy, Kenneth; Weaver, Casey
title: Die Entwicklung der B- und T-Lymphocyten
date: 2018-04-23
journal: Janeway Immunologie
DOI: 10.1007/978-3-662-56004-4_8
sha: 7d55e7b58a4b8649aae60563f95c31fd1acc0c9c
doc_id: 55828
cord_uid: 330m7xhn

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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. 4 und 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 Selek tion 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 Lebens-lauf 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. 9-11. 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 (7 Abb. 1.7 und 7 Abb. 1.20). 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.

Die wichtigsten Stadien im Werdegang eines B-Lymphocyten sind in 7 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.

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 (7 Abb. 1.3). 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 (7 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 Lym-phocyten 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 (7 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 Vor läuferzellen (multipotent progenitor cells, MPPs), aus denen sowohl lymphatische als auch myeloische Zellen hervorgehen können. Sie sind jedoch keine sich selbst erneuernden Stammzellen mehr. Die 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 (7 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. Abb. 8.4 Die Entwicklung einer Zelle der BLinie durchläuft mehrere Stadien, die durch die Umlagerung und Expression der Immunglobulingene gekennzeichnet sind. Die Stammzelle hat noch nicht damit begonnen, ihre Immunglobulingensegmente umzulagern, sondern die Segmente besitzen noch die Keimbahnkonfiguration, wie sie bei allen nichtlymphatischen Zellen vorhanden ist. Der Locus der schweren Kette (H-Kette) ordnet sich zuerst um. Die Umlagerung eines D-Gen-Segments an ein JH-Gen-Segment beginnt in der gemeinsamen lymphatischen Vorläuferzelle und erfolgt vor allem in den frühen Pro-B-Zellen, wodurch sie zu späten Pro-B-Zellen werden. In diesen kommt es dann zur VH-DJH-Verknüpfung. Ist diese Umlagerung erfolgreich, wird die vollständige schwere Kette des Immunglobulins als Teil des Prä-B-Zell-Rezeptors exprimiert, der seine Signale über Igα, Igβ und Btk aussendet (7 Abb. 7.27). Sobald das geschieht, wird die Zelle dazu angeregt, sich zu einer großen Prä-B-Zelle zu entwickeln, die dann proliferiert, sodass kleine ruhende Prä-B-Zellen entstehen. Zu diesem Zeitpunkt beenden die Zellen die Expression der leichten Ersatzketten (λ5 und VPreB) und exprimieren nur noch die schwere μ-Kette, die sich dann im Cytoplasma befindet. Die kleinen Prä-B-Zellen exprimieren erneut die RAG-Proteine und beginnen, die Gensegmente für die leichte Kette (L-Kette) umzulagern. Nachdem die Gene für die L-Kette erfolgreich zusammengesetzt wurden, wird aus der Zelle eine unreife B-Zelle, die ein vollständiges IgM-Molekül auf der Zelloberfläche exprimiert. Dieses sendet seine Signale ebenfalls über Igα und Igβ aus. Reife B-Zellen produzieren durch alternatives Spleißen zusätzlich zur schweren μ-Kette noch eine schwere δ-Kette (7 Abb. 5.17). Man erkennt sie daran, dass sie zusätzlich IgD auf der Zelloberfläche tragen. Während der Entwicklung von unreifen B-Zellen werden alle Stadien im Knochenmark durchlaufen; die endgültige Entwicklung zu reifen IgM + IgD + -B-Zellen erfolgt in der Milz. Die frühesten Oberflächenmarker der B-Zell-Linie sind CD19 und CD45R (bei Mäusen B220). Sie werden während der gesamten B-Zell-Entwicklung exprimiert. Eine Pro-B-Zelle kann man auch an der Expression von CD43 (ein Marker mit unbekannter Funktion), Kit (CD117) und des IL-7-Rezeptors erkennen. Eine späte Pro-B-Zelle beginnt, CD24 (ein Marker mit unbekannter Funktion) zu exprimieren. Eine Prä-B-Zelle lässt sich phänotypisch an der Expression des Enzyms BP-1 erkennen, während Kit nicht mehr exprimiert wird 

V H VDJ H V L J L C L V L J L C L VpreB C μ C μ V H VDJ H C μ C μ λ5C μ DJ H V H C L VJ L C L V L

Abb. 8.5 Ein produktiv umgelagertes Immunglobulingen wird in der sich entwickelnden BZelle sofort als Protein exprimiert. In frühen Pro-B-Zellen wird die Umlagerung der H-Ketten mit der D-JH-Verknüpfung eingeleitet. Wie in der oberen Bildreihe dargestellt, wird noch kein funktionelles μ-Protein exprimiert, wobei es jedoch zur Transkription kommt (roter Pfeil). In den späten Pro-B-Zellen erfolgt die VH-DJH-Verknüpfung in einem der beiden Chromosomen zuerst. Wenn keine funktionsfähige H-Kette entsteht, kommt es am zweiten Chromosom zu einer V H -DJ H -Verknüpfung. Sobald eine produktive Umlagerung stattgefunden hat, exprimiert die Zelle μ-Ketten in einem Komplex zusammen mit den beiden anderen Ketten λ5 und VpreB, die eine Ersatz-L-Kette bilden. Der ganze immunglobulinähnliche Komplex wird als Prä-B-Zell-Rezeptor bezeichnet (Mitte). Er ist in der Zelle darüber hinaus noch mit den beiden Proteinketten Igα und Igβ assoziiert. Diese signalisieren der B-Zelle, die Genumlagerung der H-Ketten zu beenden. Das bewirkt den Übergang zum Stadium der großen Prä-B-Zellen, indem die Proliferation angeregt wird. Wenn es nicht gelingt, eine funktionsfähige H-Kette hervorzubringen und ein Prä-B-Zell-Rezeptor-Signal zu erzeugen, stirbt die Zelle ab. Die Nachkommen der großen Prä-B-Zellen hören mit den Zellteilungen auf und werden zu kleinen Prä-B-Zellen, in denen die Umlagerung der L-Ketten-Gene mit einer V κ -J κ -Umlagerung beginnt (Abschn. 5.1.2). Wenn diese erfolglos ist, kommt es als Nächstes zu einer V λ -J λ -Umlagerung. Eine erfolgreiche Umlagerung der L-Ketten-Gene führt dagegen zur Produktion einer L-Kette, die mit der μ-Kette ein komplettes IgM-Molekül bildet. Dieses wird zusammen mit Igα und Igβ auf der Zelloberfläche exprimiert (unten). Das Aussenden eines Signals über diesen Rezeptorkomplex auf der Oberfläche führt vermutlich dazu, dass die Gene der L-Ketten nicht weiter umgelagert werden. Wenn es nicht gelingt, eine funktionsfähige L-Kette zu bilden, tritt der Tod der Zelle ein 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 (7 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. 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. 5.1.8). 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. Abb. 8.6 Der PräBZellRezeptor löst bei spontaner Dimerisierung, die von spezifischen Re gionen von VpreB und λ5 induziert wird, Signale aus. Die beiden Proteinersatzketten VPreB (orange) und λ5 (grün) binden anstelle der leichten Kette der V-Region an die schwere Kette, sodass eine Expression auf der Zelloberfläche möglich ist. VpreB ersetzt bei dieser Wechselwirkung die V-Region der leichten Kette, λ5 übernimmt die Rolle der konstanten Region der leichten Kette. Sowohl VpreB als auch λ5 enthalten spezifische aminoterminale Regionen, die in anderen immunglobulinähnlichen Domänen nicht vorkommen. Sie sind in der Abbildung als unstrukturierte Schwänze dargestellt, die aus den globulären Domänen herausragen. Diese aminoterminalen Regionen, die mit einem Prä-B-Zell-Rezeptor assoziiert sind, können mit den entsprechenden Regionen im benachbarten Prä-B-Zell-Rezeptor interagieren, sodass es auf der Zelloberfläche zur spontanen Bildung von Rezeptordimeren kommt. Durch die Dimerisierung werden Signale des Prä-B-Zell-Rezeptors ausgelöst, die über die ITAM-haltigen Signalketten Igα und Igβ weitergeleitet werden. Die Signale führen zu einer Blockierung der Expression von RAG-1 und RAG-2 und zur Proliferation der großen Prä-B-Zelle. (Mit freundlicher Genehmigung von Chris Garcia) 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. Abb. 8.8 Unproduktive Umlagerungen für die leichte Kette können durch weitere Genumla gerungen repariert werden. Die Organisationsstruktur der Loci für die leichte Kette bei Maus und Mensch bietet viele Möglichkeiten, Prä-B-Zellen zu "retten", die zuerst Umlagerungen mit fehlerhaftem Leseraster erzeugt haben. Die Reparatur eines Gens für die leichte Kette ist hier für den κ-Locus des Menschen dargestellt. Wenn die erste Umlagerung unproduktiv ist, kann ein 5′-V κ -mit einem 3′-J κ -Segment rekombinieren, wodurch die Verknüpfung, die das Leseraster verschiebt und zwischen den beiden neuen Segmenten liegt, entfernt und durch eine neue umgelagerte Struktur ersetzt wird. Dies kann im Prinzip auf jedem Chromosom bis zu fünfmal geschehen, da es beim Menschen fünf funktionsfähige J κ -Gen-Segmente gibt. Wenn alle Umlagerungen der Gensegmente für die κ-Kette fehlerhaft sind, kann immer noch eine Umlagerung der λ-Kette funktionieren (nicht dargestellt) 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. 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 Allelaus- Abb. 8.10 Der Austausch von LKetten durch RezeptorEditing kann einige autoreaktive BZellen vor der Eliminierung retten, da sich ihre Antigenspezifität ändert. Manche der sich entwickelnden B-Zellen exprimieren Antigenrezeptoren, die von multivalenten eigenen Antigenen wie den MHC-Molekülen auf der Zelloberfläche stark quervernetzt werden (oben). Dann wird die Entwicklung der B-Zelle angehalten. Die Oberflächenexpression von IgM wird herunterreguliert, die RAG-Gene werden jedoch nicht abgeschaltet (zweites Bild). Aufgrund der ununterbrochenen Synthese von RAG-Proteinen kann die Zelle mit der Umlagerung der L-Ketten-Gene fortfahren. Dies führt in der Regel letztlich zu einer neuen, produktiven Genumlagerung und zur Expression einer neuen leichten Kette, die zusammen mit der vorherigen schweren Kette einen neuen Rezeptor bildet. Diesen Vorgang bezeichnet man als Rezeptor-Editing (drittes Bild). Wenn der neue Rezeptor nicht gegen körpereigene Determinanten reagiert, ist die Zelle "gerettet" und setzt ihre normale Entwicklung im Wesentlichen so fort, als wäre sie niemals autoreaktiv gewesen (unten rechts). Bleibt die Zelle jedoch autoreaktiv, kann sie durch eine erneute Runde von Genumlagerungen gerettet werden; sollte sie jedoch dann immer noch stark auf körpereigene Determinanten reagieren, so durchläuft sie einen programmierten Zelltod und wird aus dem Repertoire der B-Zellen eliminiert (klonale Deletion, unten links) schender 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 (7 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 (7 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. 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). 

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 (7 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. 

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-Zellspezifischen Gene und die Vorprägung zur T-Zell-Linie essenziell (7 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 (7 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. periphere Antigene für die negative Selektion von T-Zellen, die auf diese Autoantigene reagieren.

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. 4.3.10). In Abschn. 5.2.3 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. Rezeptoren, die unterschiedliche V γ -Gen-Segmente enthalten -V γ 5 in den dETC-und V γ 6 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 γ 6-positiven T γ:δ -17-Zellen entwickeln sich ausschließlich aus der frühen Welle von hämatopoetischen Stammzellen aus der fetalen Leber (7 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 (7 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 γ 4-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 γ 7-Region enthalten. Die V γ 7-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 γ 1-Region exprimiert. V γ 1-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 δ 6) exprimiert, die mit V γ 1 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.

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 7 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 (7 Abb. 5.13). 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 (7 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. 7.12). 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 (7 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 (7 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 Schlüs-Abb. 8.24 Die Stadien der Genumla gerung bei α:βTZellen. Dargestellt sind die Abfolge der Genumlagerungen, Angaben darüber, in welchem Stadium die Ereignisse stattfinden, sowie welche Oberflächenrezeptormoleküle in den betreffenden Stadien exprimiert werden. Die β-Ketten-Gene des T-Zell-Rezeptors (TCR) werden zuerst in doppelt negativen CD4 -CD8 --Thymocyten umgelagert, die CD25 und geringe Mengen CD44 exprimieren. Wie bei den Genen für die schweren Ig-Ketten erfolgt zuerst die D-J-und dann die V-DJ-Verknüpfung (zweite und dritte Abbildung). Da es bei jedem Locus für die TCRβ-Kette vier D-Gen-Segmente und zwei Sätze von J-Gen-Segmenten gibt, kann es bis zu vier Versuche geben, die β-Ketten-Gene produktiv umzulagern (nicht dargestellt). Das produktiv umstrukturierte Gen wird zuerst in der Zelle und dann in geringen Mengen auf der Zelloberfläche exprimiert. Es assoziiert mit pTα, einer 33 kDa schweren Ersatz-α-Kette, die der λ5-Kette bei der B-Zell-Entwicklung entspricht. Dieses pTα:β-Heterodimer bildet einen Komplex mit den CD3-Ketten (viertes Bild). Die Expression des Prä-T-Zell-Rezeptors signalisiert den sich entwickelnden Thymocyten, die Genumlagerung der β-Kette zu stoppen und sich mehrfach zu teilen. Am Ende dieser proliferativen Phase werden die CD4-und CD8-Moleküle exprimiert, die Zelle hört auf, sich zu teilen, und die α-Kette kann sich jetzt umlagern. Bei der ersten Umlagerung der α-Ketten-Gene werden alle D-, J-und C-Segmente der δ-Kette auf dem betreffenden Chromosom eliminiert; die Segmente bleiben jedoch als ringförmige DNA erhalten, was beweist, dass sich diese Zellen nicht teilen (unten). Auf diese Weise werden die δ-Ketten-Gene inaktiviert. Die α-Ketten können wegen der großen Zahl an V α -und J α -Gen-Segmenten mehrfach umgelagert werden, sodass die Gene fast immer produktiv umgelagert werden. Sobald eine funktionelle α-Kette entstanden ist, die effizient mit der β-Kette assoziiert, kann der CD3 niedrig CD4 + CD8 + -Thymocyt in Bezug auf seine Fähigkeit, Selbst-Peptide in Verbindung mit Selbst-MHC-Molekülen zu erkennen, die Selektion durchlaufen Beginn der Selektion V α -J α -Umlagerung 8.2 Entwicklung der T-Zellen selfunktion 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-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 (7 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.

V α C α J α durch wiederholte Genumlagerungen können unproduktive V α J α -Verknüpfungen ersetzt werden erste unproduktive Genumlagerung nachfolgende Umlagerungen umgehen das nichtfunktionelle VJ-Gen-Segment mehrere Umlagerungszyklen können schließlich zu einer funktionellen α-Kette führen Abb. 8.25 Durch mehrere aufeinanderfolgende Umlagerungen kann ein unproduktiv umge lagertes αKettenGen eines TZellRezeptors noch gerettet werden. Aufgrund der zahlreichen V-und J-Gen-Segmente am Locus der α-Kette können durch spätere Umlagerungen unproduktiv gebliebene VJ-Segmente übersprungen und alle dazwischenliegenden Gensegmente deletiert werden. Der Rettungsweg für die α-Kette gleicht dem der κ-L-Kette bei den Ig-Genen (Abschn. 8.1.5), es sind jedoch mehr aufeinanderfolgende Genumlagerungen möglich. Der Prozess geht so lange weiter, bis eine produktive Umlagerung zu einer positiven Selektion führt oder die Zelle stirbt 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.

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.

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. 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. 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. 5.1.8). 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 . 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. (CLIP) weiterhin gebunden haben (7 Abb. 6.11). 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. Abb. 8.31 Das Affinitätsmodell der positiven und negativen Selektion der TZellen. Durch zufällige Umordnungen von Genen für die α-und die β-Kette von T-Zell-Rezeptor-Genen entsteht eine große Population unreifer Thymocyten, die ein vielfältiges Repertoire von Spezifitäten exprimieren. Die T-Zell-Rezeptoren von vielen Zellen dieser Population besitzen keine ausreichende Bindungsstärke für die Selbst-Peptid:Selbst-MHC-Komplexe auf dem Thymusepithel und erhalten daher keine Signale. Diese Zellen sterben durch "Vernachlässigung". Ein anderer Teil der unreifen Thymocyten wird positiv selektiert, da deren T-Zell-Rezeptoren in ausreichender Stärke an die Selbst-Peptid:Selbst-MHC-Komplexe auf dem Thymusepithel binden, sodass sie T-Zell-Rezeptor-abhängige Überlebenssignale hervorrufen. Aus dieser Kohorte positiv selektierter Thymocyten werden nun durch negative Selektion diejenigen Thymocyten entfernt, deren Rezeptoren übermäßig auf Selbst-Peptide im Komplex mit Selbst-MHC-Molekülen reagieren (das führt zur klonalen Deletion). Dadurch bildet sich in der reifen T-Zell-Population eine Selbst-Toleranz heraus. Eine kleine Untergruppe der positiv selektierten Zellen, die etwas schwächere Signale empfangen als für die negative Selektion erforderlich wären, differenziert sich zu regulatorischen T-Zellen (Treg-Zellen). Diesen Vorgang bezeichnet man als Agonistenselektion 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.

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. 9.2.10) und die iNKT-Zellen (Abschn. 6.3.3), 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 NKTZellen (iNKTZellen) 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. 6.3.3). 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.

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 (7 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.

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?

Blutgefäß S1P S1PR1

CD4-und CD8-T-Zellen, die in die Medulla gelangen, sind nicht vollständig gereift Abb. 8.32 Das Auswandern der Thymocyten wird durch Signale des Sphingosin1phosphatRezeptors 1 (S1PR1) ausgelöst. Einzeln positive CD4-und CD8-Thymocyten, die die positive und die negative Selektion erfolgreich überstanden haben, befinden sich im Thymusmark, wobei sie noch nicht vollständig gereift sind. Am Ende des Reifungsvorgangs, der drei bis vier Tage in Anspruch nimmt, steigern die einzeln positiven CD4-und CD8-Thymocyten die Expression des Sphingosin-1-phosphat-Rezeptors 1 (S1PR1). Dieser ist mit einem G-Protein gekoppelt und bewirkt die Chemotaxis der Zellen für den Liganden S1P. Da S1P im Blut in hohen Konzentrationen vorkommt, werden die einzeln positiven Thymocyten angeregt, aus dem Thymus in das Blut überzutreten, wo sie dann Teil der Population zirkulierender naiver T-Zellen sind 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.

Die Stadien der Thymocytenentwicklung bis hin zur Expression des Prä-T-Zell-Rezeptorshierzu 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 MHCrestringiert 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.

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 7 Abb. 8.14 zusammengefasst, die der α:β-T-Zellen in 7 Abb. 8.33.

Sobald ein funktioneller Antigenrezeptor auf der Zelloberfläche vorhanden ist, wird der Abb. 8.33 Zusammenfassung der Entwicklung humaner α:βTZellen. Für aufeinanderfolgende Phasen der α:β-T-Zell-Entwicklung ist jeweils der Zustand der T-Zell-Rezeptor-Gene, die Expression einiger essenzieller intrazellulärer Proteine sowie die Expression einiger Zelloberflächenmoleküle angegeben. Da die T-Zell-Rezeptor-Gene bei ihrer antigenabhängigen Entwicklung nicht weiter verändert werden, sind für die T-Zell-Rezeptor-Gene nur die Phasen aufgeführt, in denen sie im Thymus aktiv umgelagert werden. Die antigenabhängigen Phasen von CD4-und CD8-Zellen sind getrennt aufgeführt und werden in Kap. 9 im Einzelnen besprochen

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

Richtig oder falsch: Die Entwicklung der B-Zellen wird bei Mäusen nicht vom Fehlen der gemeinsamen Cytokinrezeptor-γ-Kette (γ c ) beeinflusst

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

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

Expression des Prä-B-Zell-Rezeptors D. späte Pro-B-Zelle iv

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

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

Welcher Begriff gehört zu welcher Definition? A. Rezeptor-Editing i. Ergebnis einer fortbestehenden Autoreaktivität nach erfolglosem Rezeptor-Editing B. Isotypausschluss ii

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

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

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

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

TCRα-Ketten können keine weiteren Umlagerungen ausführen, anders als die B-Zell-Rezeptoren, die ein Rezeptor-Editing durchlaufen

Welche der folgenden Aussagen trifft auf die regulatorischen T-Zellen (T reg -Zellen

Die T reg -Zellen sind eine Untergruppe der CD8 + -T-Zellen, die gegen Zellen, die mit einem Krankheitserreger infiziert sind

Rezeptor der T reg -Zellen ist durch eine schwache Affinität für Selbst-MHC gekennzeichnet

Autoimmunität ist häufig eine Folge von überaktiven T reg -Zellen

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

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

Sobald Thymocyten ein starkes Signal des T-Zell-Rezeptors empfangen

und CD8 binden fast die gesamte Menge des intrazellulären Lck-Proteins

Epithelzellen des Thymusmarks exprimieren das AIRE-Protein, das die Expression gewebespezifischer Proteine stimuliert

Aus dem Knochenmark stammende dendritische Zellen und Makrophagen sind bei der Vermittlung der negativen Selektion viel effektiver als die Thymusepithelzellen und die Thymocyten selbst

Wie lautet die Affinitätshypothese für die Entwicklung der Thymocyten?

Early Bcell development in the mouse-insights from mutations introduced by gene targeting

Competition for follicular niches excludes selfreactive cells from the recirculating Bcell repertoire

Induction of selftolerance in mature peripheral B lymphocytes

In vivo ablation of surface immunoglobulin on mature B cells by inducible gene targeting results in rapid cell death

Peripheral deletion of selfreactive B cells

Avoiding horror autotoxicus: the impor tance of dendritic cells in peripheral T cell tolerance

Peripheral B cell ma turation. II. Heatstable antigen hi splenic B cells are an immature developmental intermediate in the production of longlived marrowderived B cells

Competition for BLySmediated signaling through Bcmd/ BR3 regulates peripheral B lymphocyte numbers

A Bcell receptorspecific selection step go verns immature to mature B cell differentiation

B cell development in the spleen takes place in discrete steps and is determined by the quality of B cell receptorderived signals

BAFF is a survival and maturation factor for mouse B cells

An essential role for BAFF in the normal deve lopment of B cells through a BCMAindependent pathway

BAFF and the plasticity of peripheral B cell tole rance

Evidence of marginalzone B cellpositive selection in spleen

Functional evidence for a single endodermal origin for the thymic epithelium

Two genetically separable steps in the differentiation of thymic epi thelium

Thymus organogenesis

Stepwise development of thymic microenvironments in vivo is regulated by thymocyte subsets

Notch1 expression in early lymphopoiesis influences B versus T lineage determination

Notch signaling in the immune system

Deficient T cell fate specification in mice with an induced inactivation of Notch1

Transcriptional drivers of the Tcell lineage program

The generation and fate of thymocytes

Tcell apoptosis detected in situ during positive and nega tive selection in the thymus

On the brink of becoming a T cell

The structural basis for auto nomous dimerization of the preTcell antigen receptor

Analysis and expression of a cloned preTcell receptor gene

CCR7 signals are essential for cortexmedulla migration of developing thymocytes

αβ/γδ lineage commitment in the thymus of normal and genetically manipulated mice

Signals involved in γδ T cell versus αβ T cell lineage commitment

Distinct structure and signaling potential of the γδ TCR complex

Events that regulate differentiation of αβ TCR + and γδ TCR + T cells from a common precursor

T cell receptorin structed αβ versus γδ lineage commitment revealed by singlecell analysis

Recent in sights into the signals that control αβ/γδlineage fate

Inframe TCRδ gene rearran gements play a critical role in the αβ/γδ T cell lineage decision

Development and selection of γδ T cells

γδ T cells: functional plasticity and heterogeneity

Stagespecific and differential notch dependency at the α:β and γ:δ T lineage bi furcation

Ontogeny of the immune system: γ:δ and α:β T cells migrate from thymus to the periphery in alternating waves

Gamma/delta cells

Selection of the cutaneous intraepithelial γδ + T cell repertoire by a thymic stromal determinant

Intrathymic programming of effec tor fates in three molecularly distinct gamma:delta T cell subtypes

Lymphoid development in mice congenitally lacking T cell receptor αβexpressing cells

Crucial function of the preTcell receptor (TCR) in TCRβ selection, TCRβ allelic exclusion and α:β versus γ:δ lineage commitment

Failure of HYspecific thy mocytes to escape negative selection by receptor editing

T cells with two functional anti genspecific receptors

Revision of T cell receptor α chain genes is required for normal T lymphocyte development

Positive selection of thymocytes bearing α:β T cell re ceptors

Expression of two Tcell receptor α chains: dual receptor T cells

Multi ple rearrangements in Tcell receptor αchain genes maximize the production of useful thymocytes

Identification of a naturally occurring ligand for thymic po sitive selection

Positive selection of antigenspecific T cells in thymus by restricting MHC molecules

The zinc finger transcription factor ThPOK regulates CD4 versus CD8 Tcell lineage commitment

Lineage fate and intense debate: myths, models and mechanisms of CD4 versus CD8lineage choice

The expression of CD4 and CD8 accessory molecules on mature T cells is not random but correlates with the specificity of the α:β receptor for antigen

The thymic compartment responsible for positive selection of CD4 + T cells

Bone marrowderived cells fail to induce po sitive selection in thymus reaggregation cultures

Regulation of CD8 + T cell development by thymusspecific proteasomes

Cathepsin L: critical role in Ii degradation and CD4 T cell selection in the thymus

Projection of an immunological self shadow within the thymus by the aire protein

Negative selection in the thymus includes semimature T cells

Mechanisms of tolerance induction in major histocompatibility complex class IIrestricted T cells specific for a blood borne self antigen

Aire and T cell development

Clonal deletion of thymocytes can occur in the cortex with no involvement of the medulla

Intrathymic and extrathymic clonal deletion of T cells

Tolerogenicity of thymic epithelium

Po sitive and negative selection invoke distinct signaling pathways

Evidence for a differential avidity model of Tcell selection in the thymus

MEK activity regulates negative selection of immature CD4 + CD8 + thymocytes

Tcell receptor antagonist peptides induce positive selection

Thymic selection of CD4 + CD25 + regulatory T cells induced by an agonist selfpeptide

Tcell receptor affinity in thymic development

Foxp3 in control of the regulatory T cell lineage

Lymphocyte egress from thymus and peripheral lymphoid organs is dependent on S1P receptor 1

Neural crestderived pericytes promote egress of mature thymocytes at the corticomedullary junction

Postthymic maturation: young T cells assert their individuality

Avoiding horror autotoxicus: the impor tance of dendritic cells in peripheral T cell tolerance

Tcell tolerance: central and peripheral