T lymfocyt medierede funktioner T LYMFOCYTTER udvikling og modning T lymfocytter - T for THYMUS fordi T cellerne modner der T lymfocyt medierede funktioner Marianne Hokland mikrmh@nf.au.dk

T LYMFOCYT UDVIKLING og MODNING AGENDA T LYMFOCYT UDVIKLING og MODNING (Abbas & Lichtman, kap 4) T LYMFOCYTTER i forhold til øvrige elementer i immunsystemet T LYMFOCYT UDVIKLING MODNING i THYMUS

T lymfocytter - plads i immunresponset ADAPTIV IMMUNITET - den tillærte del af immunsystemet - kan se, det er en noget træg procedure - tager omkring en uges tid inden den er op i omdrejninger hvorfor har vi udviklet T celler - er B cellerne ikke nok? (INNATE - vævsskade - ADAPTIV - målrettet og mere selektiv vævsskade) JO - det er “piece of cake” at slå mikroorganismer ihjel - de skal bare have et ordentligt skud toxin - så kradser de af - MEN - det, der er KUNSTEN - er at slå mikroorganismerne ihjel UDEN at beskadige patienten eller hans væv!! DERFOR er immunsystemet så komplekst skruet sammen!!

IMMUN DEFEKTER Cytomegalovirus Herpes Simplex Virus Herpes Zoster Virus Mycobacterier Listeria Monocytogenes Candida Cryptococcus Cancer MEDFØDTE Defekter i T celle udviklingen Defekter i T celle funktionalitet (SCID) ERHVERVEDE Transplantations patienter Leukemi patienter HIV patienter

Hvad er det så præcis T lymfocytterne kan?

T lymfocytters vigtigste opgaver elimination af mikroorganismer, som kan overleve i fagocyt vesicler eller i cytoplasmaet i inficerede celler immunregulation

T lymfocytter “ser” cellebundet antigen TCR genkender antigen (peptid) præsenteret på MHC HVAD er det T lymfocytterne ser?? T lymfocytternes opgave - at eliminere intracellulære mikroorganismer - derfor skal de se “cellebundet” antigen CELLEASSOCIERET antigen (peptid) SPECIFICITET DIVERSITET Fig 4.7 (udsnit)

Krav til T celle receptoren (TCR) T celler skal på den ene side have SPECIFICITET for et enkelt antigen (eks fra en mikroorganisme) - og på den anden side “dække” hele repertoiret af antigener (eks mikroorganismer) - DIVERSITET HVORDAN løser T cellerne så den opgave??? - FORSKEL til innat immunitet - pattern recognition receptors - kræver ikke særlig mange forskellige typer af celler - T cellerne skal kunne kende ethvert muligt antigen (epitop) - hvor mange tror I det kan dreje sig om? at de enkelte T celler kan genkende et specifikt antigen - dvs eks influenza virus * men hvad så med herpesvirus? * ellerhepatitis virus - eller en anden mikroorganisme? - og TCR skal genkende cellebundet antigen!

T LYMFOCYT UDVIKLING - OVERSIGT T lymfocytter udvikles og selekteres i thymus T celle forstadier udvikles i knoglemarven og migrerer til thymus HVORDAN får vi udviklet celler med sådanne kvaliteter? modne T celler migrerer til perifere lymfoide organer aktiverede T celler migrerer til “infektiøse” foci

T lymfocytter udvikles fra en pluripotent hæmatopoietiske stamcelle i knoglemarven FORSTADIE T celle migrerer fra blodet til thymus fra omkring 8-9 uge i svangerskabet her prolifererer de, differentierer og gennemgår en række selektions processer der resultere i udvikling af modne T celler VIGTIGT for T celle udvikling er membran receptoren Notch - hvis stroma celler (og epithel-cellerne i thymus) udtrykker Notch - udvikler progenitor cellen sig i T celle retning (vækstfaktorer som IL7, Flt3ligand er også vigtige)

T lymfocytter - modning i thymus udvikles og selekteres i thymus T lymfocyt forstadier udvikles i knoglemarven og migrerer til thymus T lymfocytter - navnet pga Thymus modning - fordi de skal gennemgå en special-uddannelse -> blive i stand til at reagere på “fremmede” proteiner - men IKKE på egne proteiner udviklingen ligner meget B cellernes - eks gen-rearrangement for at sikre en meget stor diversitet uden at det koster alt for meget i arvemasse men der er også vigtige forskelle - bla at T cellerne modnes/uddannes i thymus, hvor de gennemgår nogle grundige udvælgelsesprocedurer modne T celler migrerer til perifere lymfoide organer aktiverede T celler migrerer til “infektiøse” foci

Lymfocyt forstadieceller migrerer ind i thymus FØRSTE FASE AF T CELL UDVIKLING I THYMUS Thymus et et primært lymphoidt organ, der ligger i øvre, forreste del af thorax - lige over hjertet!! trænger ind i thymus på overgangen mellem cortex og medulla - CD44 og Notch1 rearrangement af TCR gener for at producere en funktionel (TCR) progenitor T celler trænger ind i thymus som en hæmatopoetisk stamcelle ( disse celler har ikke rearrangerede TCR gener og mangler ekspression af karakteristiske T celle overflade molekyler interaktion med thymus stroma celler inducerer disse progenitor T celler til proliferation disse umodne thymocytter udtrykker endnu ikke CD4 eller CD8 molekyler (=dobbeltnegative thymocytter

T lymfocyt modning Under modning gennemgår T lymfocytter flere proliferationstrin og udtryk af receptor kæder ved gen rekombination. Celler som ikke udtrykker en brugbar receptor dør ved apoptose, fordi de ikke får et nødvendigt overlevelsessignal. Fig 4.8

T lymfocytter modnes i thymus Taber efterhånden CD44 (er jo inde i thymus) får efterhånden IL2 (skal bruge til bla proliferation) stadig signaleringsmolekyler -> differentiering TCR alpha kæde rearrangementer kan blive ved under positiv selektion - hvorfor?? positiv selektion foregår i thymus cortex, hvor de korticale thymus epitheliale celler udtrykker både MHC klasse I og MHC klasse II mokyler. Her sker interaktioner mellem alpha-beta receptor opå thymocytten med selv-peptid:selv-MHC komplekser på epithel cellen. Hvis et peptid:mMHC kompleks bindes inden for 3-4 dage af TCR på thymocytten, afgives et positivt signal til thymocytten, som derefter fortsætter sin modning. Celler, som ikke får et sådant signal inden for denne periode på 3-4 dage, dør og fjernes af makrofagerne. Peptiderne præsenteret på overfladen af thymus epithel cellerne er deriverede fra de selv-proteiner, som er til stede i thymus. Antallet af forskellige selv-peptider som kan præsenteres af et individuelt MHC molekyle er estimeret til at være omkring 10.000, så for en, der er heterozygot for 6 polymorfe HLA gener, kan ommkring 120.000 selv-peptider præsenteres af de 12 forskellige MHC molekyler, som disse personer vil udtrykke. Det modne T celle receptor repertoire er estimeret til at være omkring 10 millioner eller mere, så de fleste selv-peptid:selv-MHC komplekser forventes at binde en TCR og dermed bidrage til positiv selektion.

Proliferation prolifererende thymocytter thymus epithel celler

Antigen receptor DIVERSITET innat immunitet adaptiv immunitet FORSKEL på DIVERSITET her skal vi sikre, så effektiv beskyttelse som muligt - mod eks infektioner - i princippet skal T cellerne kunne genkende og reagere på alle potentielt farlige mikroorganismer og andet hvis der skulle være gener, der kodede for enhver “antigen specifik T celle receptor” ville genmaterialet i sig selv - med det humane genom indeholder omkring 30.000 gener protein-kodende gener - det ville slet ikke batte for at løse dette problem er udviklet “SOMATISK REKOMBINATION” af genelementer, som koder ffor de variable regioner af receptorerne - og som resulterer i den stor diversitet NB! samme princip for TCR og Ig (B celle receptoren) - som I vil høre meget mere om lige efter disse forelæsnigner 2.1 (udsnit)

Germline organisering af TCR gen loci princippet ved SOMATISK REKOMBINATION: - TILFÆLDIG rekombination af VD og J gen segmenter - samt ikke mindst ved tilføjelse og specielt fjernelse af nukleotider ved V-J eller V-D-J forbindelserne - giver næsten ubegrænsede variationsmuligheder dette viser germ-line organisering af TCR gen loci diversitets gener (D) - og forbindelses gener (J) Fig 4.9 (udsnit)

rearrangement af TCR Fig 4.11 (udsnit) samling af nogle få hundrede germline-gen elementer tillader dannelse af millioner af forskellige antigen receptorer!! Fig 4.11 (udsnit)

rearrangement af TCR Fig 4.11 (udsnit) TdT - Terminal deoxynukleotid transferase beta kæden rearrangerer først Fig 4.11 (udsnit)

SELEKTION 10-E16 forskellige TCR - MEN - vi skal have nogle sorteret fra! Lad os lige se på, hvad T celle receptoren skal genkende!! Fig 4.8

TCR - elementer “fremmed” peptid MHC “eget” MHC Fig 3.1 MHC binding - for at kunne genkende cellebundet antigen - meget smart at vælge MHC, der udtrykkes på alle kerneholdige celler “fremmed” peptid Fig 3.1 MHC “eget” MHC

Positiv selektion for at sikre, at TCR binder MHC - skal T cellerne gennemgå en såkaldt selektionsproces (positiv selektion), - hvor kun de T lymfocytter med TCR der binder til MHC molekyler får lov at leve videre

Positiv selektion CD4 thymus stroma celler CD8 Fig 4.13

POSITIV SELEKTION Der er nu selekteret, således at kun de T lymfocytter med TCR der kan genkende eget MHC har overlevet Det er jo godt - for så kan T cellerne genkende kroppens EGNE inficerede celler - MEN - kunne der være noget problem heri?? - AUTOIMMUNITET - HVORDAN sikrer man, at T cellerne ikke går til angreb på vores egne “normale” celler??

...MEN..... hvad med de T lymfocytter, hvis TCR genkender egne antigener (peptider)? Det er jo godt - for så kan T cellerne genkende kroppens EGNE inficerede celler - MEN - kunne der være noget problem heri?? - AUTOIMMUNITET - HVORDAN sikrer man, at T cellerne ikke går til angreb på vores egne “normale” celler?? de elimineres ved negativ selektion

T lymfocyt selektion i thymus

Udtryk af vævsspecifikke peptider i thymus vævsspecifikke antigener udtrykkes af thymus medulla epitheliale celler GAD - Glutamat decarboxylase - medierer aktivering/inhibering af neurotransmission GAD67 (CNS) Insulin (Pancreas) Derbinksi et al, 2001

Resultatet af thymus selektion POSITIV SELEKTION sikrer overlevelse af thymocytter med TCR, som genkendet eget MHC bestemmer hvilken co-receptor (CD4 eller CD8) T cellen udtrykker NEGATIV SELEKTION fjerner thymocytter med potentielt autoreaktive TCR “selv-tolerant” T celle repertoire (“central” tolerans)

RESULTATET - so far

en anden type T celle linie (Tgamma/delta) Tgamma/delta celler - gennemgår samme rekombination involverende TCRgamma og delta loci migrerer til eks epithel i hud, mave-tarm kanal, reproduktions-systemet genkender forskellige protein- og ikke-protein antigener - ofte ikke præsenteret af klassiske MHC molekler udgør hos det voksne individ <5% af T lymfocyt populationen Fig 7.19

..så langt er vi kommet T cellers udvikling og modning

MODNE T LYMFOCYTTER >95% udtrykker TCRαβ og <5% udtrykker TCRγδ ca 80% af lymfocytter i blodet er T celler ca 2/3 er CD4+ (Thelper) og 1/3 CD8+ (Tcytotox) indtil de møder et “deres antigen”, kaldes de “naïve T lymfocytter”

PAUSE!!!