Zytokine und Zytokinrezeptoren

Zytokine und Zytokinrezeptoren

Kommunikationssysteme im Körper: Nervensystem:

Hormone:

™ sehr schnell ™ lange Reichweite ™ genau lokalisierte Wirkung ™ geringe Redundanz

™ mittelschnell ™ lange Reichweite ™ meist systemische Wirkung ™ geringe Redundanz Insulin? IL-1, IL-6, TNF-α ?

Oberflächenmoleküle: ™ langsam bis sehr schnell ™ sehr kurze Reichweite ™ genau lokalisierte Wirkung ™ meist hohe Redundanz

TNFFamilie: TRAIL FasL CD40L ?

Zytokine: ™ mittelschnell ™ kurze Reichweite ™ meist lokalisierte Wirkung ™ meist hohe Redundanz

Eigenschaften der Zytokine ™ Polypeptide / kleine Proteine (Molmasse meist unter 30 kDa)

™ Monomer oder homooligomer, ganz selten heterooligomer (IL12) ™ werden (meist) nur bei akutem Bedarf produziert (no baseline) ™ kurze Halbwertzeit ⇒ geringe Reichweite ™ Binden außerordentlich spezifisch an ihre Rezeptoren Bindungskonstante:10-10 – 10-12 (vergl.: Antikörper – Antigen: 10-7 – 10-11 MHC – Peptid: ~10-6) ⇒ die wirksame Konzentration ist sehr niedrig!

Aufbau eines Zytokins Signal-Peptidase

10-15 AS Signal-Peptid

> 70 AS von Makrophagen: z.B. TNF, IL1

polare Aminosäuren hydrophobe Aminosäuren pro-Sequenz: macht 3 D Faltung Aktives Zytokin

ohne Signal-Peptid: z.B. IL-1, FGF, CNTF

Zytokinstrukturen:

Jelly-Roll: TNF-Familie: TNF-α,β FasL CD40L TRAIL ⇒Trimere meist: -membranständig -proapoptotisch

Funktionell ähnlich den Hämatopoietinen: Proligerationsfördernd

Hämatopoietine: Monomer: IL-2, 3,4,6,7,9,13, u.a. Dimer: IL-5,10, IFN-γ proliferationsfördernd

Chemokine: 2 Cystinreste: CC oder CXC ~ 6-8 kDa chemotaktisch

Cystinknoten: TGFβ, NGF, PDGF u.v.a. (>50) Als inaktive Proform sezerniert, im Sauren proteolytisch gespalten Können durch Bindung an Trägerproteine weiter stabilisiert werden proliferationshemmend

Zytokin-Rezeptor-Klassen Klasse 1 HämatopoietinRezeptoren

A

B

C

gemeinsames gp130 gemeinsame β-Kette - IL-6, IL-11, Erythropoietin - IL-3, IL-5, GM-CSF

gemeinsame γ-Kette - IL-2, IL-4, IL-7, IL-9, IL-15, IL-21

Klasse 2 Interferon-Rezeptoren und IL-10

Klasse 3 TNF-Rezeptoren

Klasse 4 ChemokinRezeptoren Klasse 5 Rezeptorkinasen - Wachstumsfaktoren Rezeptor-Tyrosin-Kinasen - Insulin, EGF, NGF, PDGF

Rezeptor-Serin-Threonin-Kinasen - TGF-ß

TGF-beta: der potente Wachstumsinhibitor • TGF-beta gibt es in 5 Isoformen (70-80% homolog), nicht verwandt mit TGF-alpha!! • TGF-beta-1 ist identisch in Mensch, Affe, Schwein, Rind und Huhn, in der Maus ist eine einzige Aminosäure anders! • Die Isoformen unterscheiden sich hauptsächlich in ihrer Expression, kaum in ihrer Funktion

Immunologische Funktionen: • Gegenspieler von IL-2: inhibiert die Proliferation von T-Zellen

(auch Tumor infiltrating Lymphocytes!)

• Inhibiert die Proliferation und Maturation von B-Zellen • Inhibiert die Proliferation und Aktivität von NK-Zellen • Deaktiviert Makrophagen • Inhibiert die Expression von MHC II • Inhibiert Proliferation und Aktivation von Mikroglia • Potentes chemoattractant für Neutrophile

TGF-beta

Dimerization

Proteolytic cleavage and associat. with latent TGF binding protein Sezerniert, aber membrangeb.:

Latentes (= inaktives) TGF Acid activation Release of mature TGF

Der TGF-beta-Rezeptor ist ein

Serin-Threonin-Kinase-Rezeptor

IL-2: von T-Zellen für T-Zellen IL-2 ist ein Proliferationsfaktor für jede T-Zelle! ™ TH1 Zellen exprimieren IL-2 nach Antigenerkennung (= Aktivierung) ™ ruhende T-Zellen exprimieren nur die β und γ Kette des IL-2 Rezeptors ⇒ geringe IL-2 Affinität. ™ nach Antigenerkennung wird auch die α Kette exprimiert ⇒ hohe IL-2 Affinität. ™ NK und TC Zellen zeigen nach Zugabe von IL-2 zytotoxische Aktivität

CD4+ Zellen: TH1-TH2 Differenzierung:

DC

TH2

IFNγ IL4 IL2

OX 40L OX 40

CD 86

CD 28

TH1

CD 28

LFA-1

ICAM1

IL18

CD 80

DC

IL12

Die Zytokine der T-Helfer Zellen (CD4+):

TNF-β

IFN-γ

IL-4, IL-10

TGF-β

IFN-γ activiert Macrophagen IFN-γ, IL-5 und IL-6 unterstützen die Differenzierung von T-Zellen zu zytotoxischen T-Zellen IL-5 induziert Differenzierung von Eosinophilen

Zytokin induzierte Antikörperproduktion

activate complement

Does not activate complement

Zytokine und intrazelluläre Bakterien IL-12, IL-18

MO iNOS

NO

TH 1 CD40L

IL-10, IL-4

IFNg

TH 2

iNOS

iNOS

CD40

IL-10, IL-4

IL-10 IL-4

IFN-g, TNF-β B

MO

Die Zytokine der CD8+ T-Zellen

CD8+ T-Zelle

¾ IFN-γ ¾ (TNF-α) ¾ TNF-β

Perforin Granzym B

Caspase 8 Perforin-Pore

Fas-Ligand

Apoptose

Fas

Ziel-Zelle FADD

Interferone Typ-1-Interferone:

Allgemeine Aktivitäten:

¾ IFN - alpha, beta, delta, omega und tau • IFN-alpha: 23 versch. Isoformen!! • IFN-alpha, beta und omega binden an denselben, ubiquitären Rezeptor

¾ Antiviral • Inhibition viraler DNA Replikation • Protektion uninfizierter Zellen

Typ-2-Interferon:

¾ Immunmodulatorisch • Regulation von Zytokinexpression • Aktivation von Makrophagen • Aktivation von NK- und T-Zellen • Regulation von B-Zell Aktivität • Hochregulation der MHC-2-Expression

¾ IFN - gamma • produziert von aktivierten T- und NK-Zellen • Rezeptoren auf allen Zellen außer Erythrozyten

¾ Antiproliferativ

Der Interferon-γ Rezeptor

Proinflammatorische Zytokine

Auftreten bei:

- Autoimmunerkrankungen - Neoplasie - Infektion - Septikämie - „Tschernobyl“

IL-1 und IL-6: vielseitige Interleukine IL-1

IL-6

Produziert in Reaktion auf:

9bakterielle Endotoxine 9Viren, Mitogene 9Diverse Zytokine (IFN, TNF, u.a.)

9bakterielle Endotoxine 9Viren, Mitogene 9Diverse Zytokine (IL-1, IFN,TNF, u.a.)

Produziert von:

9 9 9 9 9

Immunologische Funktionen, LOKAL!:

Stimulation von T-Helfer Zellen (TH1) Proliferation von B-Zellen, IL-Synthese Proliferation / Aktivation von NK-Zellen Proliferation von Astroglia, Mikroglia, Thymozyten Adhäsion: ICAM ⇑, ELAM ⇑, u.a. Aktiviert Langerhans Zellen ⇒ dendritischen Zellen Chemotaktisch für Leukozyten (Neutrophile!)

Monozyten aktivierten Makrophagen neutrophilen Granulozyten diversen Endothel- und Epithelzellen Leukozyten, u.a.

9 9 9 9 9

aktivierten Monozyten Makrophagen Fibroblasten Endothelzellen Leukozyten, u.v.a.

Stimulation von cytotoxischen T-Zellen Differenzierung und Maturation von BZellen, Antikörperproduktion Proliferation von Thymozyten Maturation von Megakaryozyten

IL-1 und seine Rezeptoren

T-Zelle

IL-1RI

IL-1RII

IL-1RAcP

B-Zelle

IL-1α

IL-1β

IL-1Ra

IL-6 Rezeptor-Familie

P

P P P P P

STAT3

gp130

Jak

TNF: tödlich für Tumore – und Menschen! Produziert von aktivierten T-Zellen, aktivierten NK-Zellen, Makrophagen, Monozyten, B-Zellen, u.a. Induziert durch: IFN, IL-2, GM-CSF, Immunkomplexe, u.a. 2 Formen: TNF-α und TNF-β binden an denselben Rezeptor ⇒ zeigen dieselbe biologische Aktivität TNF-α kommt auch membranständig vor, wird durch die Metalloprotease TACE (= ADAM 17) abgeschnitten TNF-Rezeptoren gibt es auf allen kernhaltigen Zellen! Theorie: p55, mit DD, (generell) ⇒ Apoptose p75, ohne DD, (T-,B-Zellen), bindet eher membranständiges TNF ⇒ Aktivation Oder: beide Rezeptoren arbeiten zusammen ¾ Apoptose

¾ ¾ ¾ ¾

Aktiviert Makrophagen und neutrophile Granulozyten Chemotaktisch für Neutrophile Induziert IL-1, IL-6 und IFN Gram-negative Sepsis: Septic Shock Syndrome ⇒ h

Die TNF-Familie ¾ bisher 19 Mitglieder ¾ TNF-β und VEGI kommen nur in gelöster Form vor ¾ 8 Mitglieder kommen sowohl membrangebunden als auch in löslicher Form vor (u.a. TNF-α und FasL) ¾ Alle anderen sind ausschließlich membrangebunden!

Proliferation CD40L: Auf TH-Zellen: B-Zell Proliferation Immunglobulin Klassenwechsel CD30L: Auf TH-Zellen Proliferation von aktivierten T-Zellen 4-1BBL: Auf reifen und aktivierten T-Zellen: Monozytenaktivierung Co-Stimulation von TC-Zellen

Apoptose FasL: Auf TC-Zellen und NK-Zellen Lösliches FasL blockiert Apoptose!

TRAIL: Auf immaturen NK-Zellen u.v.a.: Tumorapoptose!

TNF Rezeptor-Familie Cystein-reiche Domäne

TNFR2

TNFR1

DD

DD

DD

OPG

DCR3 TNFR1s DCR2

DD

Decoy-Rezeptoren

DD

DCR1

DD

Chemokine

Beta-Chemokine:

- wenig kD - viel Homologie (20-90%) Alpha-Chemokine:

C CXC C C ELRCXC C

• Auf Chromosom 4q12-21 • Monozyten • Dendritische Zellen • NK-Zellen • T- und B-Zellen • Basophile • Eosinophile ELR-Zytokine: z.B. IL-8 • Neutrophile • Keine Makrophagen!

C C

Gamma-Chemokine: • T- und B-Zellen

• Auf Chromosom 17q11-32 • Monozyten • Dendritische Zellen • NK-Zellen • T- und B-Zellen • Basophile • Eosinophile

C CC C

• Bevorzugt Makrophagen! • Können NK-Zellen aktivieren

Delta-Chemokine = Fraktalkine • membranständig (auf Neuronen): hauptsächlich Glia-Zellen • lösliche Form (von APCs und Endothelzellen): T-Zellen, NK- Zellen, Monozyten

C CX3C C

Zytoplasm. Domäne „Mucin like“ Domäne

Chemokin-Rezeptoren NH2

¾ binden häufig verschiedene Cytokine,

aber entweder CC- oder CXC-spezifisch

¾ exprimiert nach Stimulation, nicht konstitutiv!

COOH

G-Protein

°

Binden außerdem: • • •

Geruchsstoffe Hormone Neurotransmitter

Model für Leukozyten-Migration

1

2 3

4

• •

Step 1: Rolling; selectin and integrin mediated Step 2: Chemokine-mediated arrest

• •

Step 3: Endothelial transmigration Step 4: Chemokine-mediated cell accumulation