Kernhaltige Zellen präsentieren auf ihren MHC1-Molekülen primär Peptidfragmente, die aus dem Zytosol stammen. Im Zytosol finden Synthese, Faltung und Degradierung von sowohl zellulären, als auch von Virus- und Tumor-Proteinen, statt. Abnormale und fremde Proteine werden für den Abbau mit Ubiquitin markiert, prozessiert und auf MHC1-Molekülen auf die Zelloberfläche transportiert.
Professionelle Antigen präsentierende Zellen tragen auf ihren MHC2-Molekülen Fragmente von Proteinen aus der Umgebung der Zelle, die sie endozytotisch aufgenommen haben. Der sinkende pH-Wert bei der Vesikel-Reifung führt vermutlich zu einer zumindest partiellen Denaturierung der eingeschlossenen Antigene, die durch Peptidasen angegriffen und prozessiert werden.
MHC1-Moleküle können nicht nur Peptide aus dem Zytosol, sondern auch aus endo- oder phagozytierten Antigenen präsentieren. Diese sogenannte Kreuzpräsentation wurde in vivo bei Dendritischen Zellen und Makrophagen beobachtet. Sie ist in vielen Fällen wichtig für die Induktion von Immunantworten und die Immuntoleranz. Ihre Mechanismen sind bislang nicht eindeutig geklärt.
Bislang sind nur wenige Antigene hinsichtlich T-Zell-Epitopen intensiv untersucht worden. Eigentlich trifft das nur für einige HIV-Proteine zu. Sowohl für das Verständnis der Antigen-Prozessierung als auch für die Impfstoff-Entwicklung ist die Frage interessant, ob T-Zell-Epitope auch in nicht-HIV-Proteinen klustern und wovon die Lokalisation der Kluster abhängt.
Bei HIV-Proteinen wurden viele CTL-Epitope für verschiedene HLA-Restriktionselemente bestimmt. Dabei fiel auf, daß es innerhalb der primären Aminosäuresequenz der Proteine immunologische Hotspots gibt bzw. T-Zell-Epitope in bestimmten Bereichen, sogenannten Klustern, gehäuft auftreten. Es konnten Hinweise auf eine Korrelation zwischen Hydrophobizität und CTL-Epitopdichte und eine hohe Konserviertheit der hydrophoben, CTL-Epitope enthaltenden Regionen gefunden werden.
Im Vergleich zu CTL-Epitopen sind bisher nur deutlich weniger MHC2 bindende Epitope bekannt. Sie weisen wenig ausgeprägte Bindemotive auf. Für das HIV-Protein GP120 wurde gezeigt, daß Epitope, die an murine MHC2-Moleküle binden, tendenziell auf der Proteinoberfläche gelegen sind. Es wurde spekuliert, daß dies mit dem präferentiellen Angriff von Prozessierungs-Enzymen auf der Protein-Oberfläche und dabei besonders an Aspariginen zusammenhängen könnte.
Die dargestellten Diagramme, Abbildungen, 3D-Modelle und Movies sind im Rahmen einer 2006 am Max-Planck-Institut für Immunbiologie und Epigenetik Freiburg und der Klinik für Strahlenheilkunde der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg angefertigten Diplomarbeit entstanden und für diese Internet-Seite aufbereitet oder neu erstellt worden.
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MHC1-Moleküle sind Glycoproteine, die auf fast allen kernhaltigen Zellen exprimiert werden und aus einer schweren, im MHC kodierten α-Polypeptidkette mit den Domänen α1, α2 und α3 und einem nicht-kovalent assoziierten, nicht im MHC kodierten β2–Mikroglobulin bestehen. Über die α3–Kette ist das MHC1-Molekül in der Zellmembran verankert. Die Proteindomänen α2 und α1 formen an der proximalen, der Zelle abgewandten Seite des Moleküls einen peptidbindenden Spalt, in dem ein prozessiertes Antigen-Peptid gebunden werden kann. Die flankierenden α-Helices verschließen die Bindegrube auf MHC1-Molekülen an den Enden. Darum binden MHC1-Moleküle gewöhnlich nur Peptide, die nicht länger als 8 bis 10 Aminosäuren sind.
MHC2-Moleküle werden überwiegend auf professionellen Antigen präsentierenden Zellen exprimiert. Sie besitzen ebenfalls an der proximalen Seite einen peptidbindenden Spalt aus α-Helix- und β-Sheet-Strukturen. Er wird von der α1- und der β1-Domäne der α- und der β-Polypeptidkette gebildet, die beide im MHC kodiert sind. Beide sind nicht-kovalent aneinander gebunden und verankern das Molekül durch jeweils eine eigene Transmembrandomäne auf der Zelloberfläche. Da die α-Helices der Bindegrube die Enden kaum verschließen, binden MHC2-Moleküle Peptide, die länger als 10 Aminosären sind.
Proteindegradierung und MHC1-Präsentation. Virale und zelleigene Proteine im Zytosol werden mit Ubiquitin für den Abbau markiert und durch 26S Proteasomen prozessiert. In Zellen des Immunsystems spielen bei der Degradierung zusätzlich Immunproteasomen eine wesentliche Rolle. Die Polypeptidketten des ersten Abbauschrittes werden anschließend durch verschiedene Peptidasen weiter gekürzt, durch den TAP-Transporter ins ER transportiert und nach ggf. erfolgenden abschließenden Prozessierungsschritten durch Peptidasen im ER auf den MHC1-Molekülen gebunden. Durch einen gerichteten Transportmechanismus gelangen diese schließlich über den Golgi-Komplex und sekretorische Vesikel auf die Zelloberfläche.
Endocytose und MHC2-Präsentation. Exogene Proteine werden durch Zellen des Im- munsystems über Endo- oder Phagozytose in Endo- oder Phagosomen aufgenommen. Unter sinkendem pH werden die Proteine destabilisiert und in einem ersten Schritt durch Endopeptidasen geschnitten (z.B. AEP oder endoproteolytisch aktive Cathepsine). Es schließt sich die weitere Degradierung durch Endo- und Exopeptidasen an. Möglicherweise erfolgt jedoch schon relativ zeitig die Bindung sehr langer Fragmente an MHC2-Moleküle. Durch die Bindung an MHC2-Moleküle mithilfe von HLA-DM-Molekülen und unter Verdrängung der CLIP-Fragmente erfolgt eine teilweise Maskierung der Peptide gegenüber dem weiterer proteolytischem Abbau. Lange überstehende Enden der MHC2-Peptide werden vor dem folgenden Transport auf die Zelloberfläche gekürzt.
Kreuz-Präsentation. Mutmaßliche Wege zur Präsentation endo- oder phagozytierter Antigene über MHC1-Moleküle. ⓐ vakuolärer Weg ⓑ „ER-Phagosomen“-Konzept ⓒ Einschleusung endo-/phagozytierter Antigene in den klassischen MHC1-Weg.
Das HIV-1 Protein Nef (engl. negativ factor) ist nur 206 AS lang. Es wird mit den Proteinen Ref und Tat frühzeitig während der HIV Replikation exprimiert und hat vielfältige regulatorische Funktionen im Zusammenhang mit einer HIV-Infektion. Nef gehört zu den am höchsten konservierten HIV-Proteinen und beherbergt 68 natürlich prozessierte CTL-Epitope, gegen die spezifische zytotoxische T-Zellen bei Patienten nachgewiesen wurden.
Die HIV-1 Protease entsteht autokatalytisch aus dem Gag/Pol Polyprotein. Sie ist mit nur 99 AS ein sehr kleines Protein. Für die virale Reifung hat sie die wichtige Aufgabe, das Gag Polyprotein proteolytisch zu prozessieren.
Das Nef-Protein könnte als früh exprimiertes Protein auch für eine effektive CD4-Hilfe im Rahmen der HIV-Abwehr wichtig sein. Daher sind auch die TH-Epitope in Nef immunologisch interessant.
Das HIV-1 Protein Gag P17 (auch als Matrix-Protein MA bezeichnet) geht durch eine proteolytische Prozessierung aus dem Gag Polyprotein hervor. Es ist mit 132 AS Länge ein sehr kleines Protein und stark strukturiert. Gag P17 befindet sich auf der Innenseite der Virus-Hülle und ist an der Infektion von nicht-proliferierenden Zellen beteiligt.
Das HIV-1 Gag P24 Protein ist ein weiteres Protein, das aus dem Gag Polyprotein hervorgeht (auch als Capsid-Protein CA bezeichnet). Es ist 231 AS lang und wie Gag P17 ebenfalls stark strukturiert. Gag P24 hat wichtige Funktionen für das Entpacken des Virus nach dem Eindringen in die Zelle und später für den Zusammenbau des Virions.
Das Bakterium Clostridium tetani löst Wundstarrkrampf aus, der sich in Muskelkrämpfen und Lähmungen äußert, die unbehandelt unweigerlich zum Tod führen. Ausgelöst werden sie durch das bakterielle Exotoxin Tetanospasmin, das die Ausschüttung des Neurotransmitters Acetylcholin insbesondere an den neuromuskulären Endplatten blockiert. Bereits Hippokrates beschrieb die Symptome der Tetanusvergiftung, aber erst während des ersten Weltkrieges wurden die ersten Impfungen durchgeführt. In nicht-industrialisierten Ländern sind Tetanus-Erkrankungen durch den fehlenden Impfschutz noch verhältnismäßig häufig, so daß nach Angaben der WHO in den Jahren 2000-2003 weltweit noch 290.000 Todesfälle zu beklagen waren. Der Impfschutz beruht auf neutralisierenden Antikörpern. Daher ist die CD4 T-Zell-Hilfe von besonderem Interesse.
Das Bakterium Corynebacterium diphtheriae löst Diphtherie aus, eine Infektion und schwere Erkrankung der oberen Atemwege. Das Diphtherie-Toxin ist ein bakterielles Exotoxin, das durch ADP-ribosilierung und in der Folge der Hemmung eines Elongationsfaktors die zelluläre Proteinsynthese beeinträchtigt und außerdem Nukleaseaktivitäten zeigt. Diphtherie ist bereits seit der Antike bekannt. Durch die Dreifachimpfung Tetanus-Diphtherie-Keuchhusten bereits im Kleinkindalter ist die Krankheit heute weit zurückgedrängt, in Ländern mit unzureichendem Impfschutz jedoch noch immer verbreitet. Der Impfschutz basiert auf neutralisierenden Antikörpern. Deshalb ist die CD4 T-Zell-Hilfe auch hier besonders wichtig.