Antikörper Ein Überblick - Referat von Robert Bozsak

Antikörper
                Referat von Robert Bozsak
Ein Überblick

Antikörper allgemein
• Antikörper (auch: Immunglobuline, Ig) sind wichtiger Teil der erworbenen
  (adaptiven) Immunität und dienen der spezifischen Abwehr von Antigenen
• Sie sind Proteine, die als Reaktion auf Antigene gebildet werden
• Die Bildung erfolgt durch differenzierte B-Zellen (Plasmazellen)
• Antikörper kommen im Blut und in der extrazellulären Flüssigkeit der Gewebe
  vor
• Es werden sezernierte (abgesonderte) Antikörper (hydrophil) und
  membrangebundene B-Zell (BCR) / T-Zell (TCR) Antigenrezeptoren
  (hydrophob) unterschieden
• Sie „erkennen“ meist nur einen Teil der Struktur des Antigens (z.B. einer
  Polysaccharidhülle), die antigene Determinante (Epitop) und binden sich über
  eine spezifische nicht-kovalente Bindung zum Antigen-Antikörper-
  Komplex (hauptsächlich elektrostatische Wechselwirkungen und
  Wasserstoffbrückenbindungen)
• Aufgaben: Neutralisation von Antigenen, Opsonisierung,
  Aktivierung des Komplementsystems, ADCC, Agglutination                         3

generelle Struktur (Ketten)

• Jeder Antikörper weist ungefähr eine Y-Form auf mit einer antigenbindenden
  V-Region (variabel) und einer C-Region (konstant) zum Auslösen von
  Effektormechanismen
• Dazu kommt die Unterteilung in zwei
  paarweise identisch vorkommenden Polypeptid-
  ketten, der schweren H-Kette und der leichten
  L-Kette
• Die Ketten sind durch mehrere
  Disulfidbrücken verknüpft
• Leichte Ketten bestehen aus jeweils einer variablen und konstanten
  (Immunglobulin-)Domäne (eigener, kompakt gefalteter Abschnitt; VL und CL)
• Schwere Ketten besitzen eine variable und 3 (IgG, IgA) oder 4 (IgM, IgE)
  konstante Domänen (VH, CH1, CH2, ...)
• Die variablen Domänen der schweren und leichten Kette bilden die Antigen-
  bindungsstelle                                                               4

generelle Struktur (Ketten)

• Es gibt zwei Typen von leichten Ketten pro Antikörper (entweder Lambda λ-
  oder Kappa κ-Ketten) ohne funktionellen Unterschied und mit einem
  artspezifischen Verhältnis (z.B. κ:λ bei Menschen 2:1, bei Rindern 1:20)
• Dazu gibt es noch fünf Typen von schweren Ketten, die zur Einteilung aller
  Immunglobuline in Hauptklassen oder Isotypen dient

                                                                               5

Isotypen (Klassen)

• Die fünf wichtigsten Immunglobulinklassen
  heißen Immunglobulin G (IgG), Immunglo-
  bulin M (IgM), Immunglobulin A (IgA),
  Immunglobulin D (IgD) und Immunglobulin
  G (IgE)
• Ihre charakteristischen funktionellen
  Eigenschaften erhalten die schweren Ketten
  durch ihre carboxyterminalen Hälften
• Immunglobuline haben auch einen hohen
  Stellenwert in der Medizin (z.B. Anwendung
  als passiver Impftstoff, in der Onkologie, bei
  Autoimmunerkrankungen oder als Teil des
  radioaktiven Tracer bei Szintigrafien)
• Biologie: z.B. Nachweis von Proteinen mithilfe
  von Fluoreszenzfarbstoffen
                                                   6

generelle Struktur (funktionelle Fragmente)
• Mithilfe von Enzymen (Proteasen) lassen sich die Polypeptidsequenzen an
  bestimmten Aminosäuren spalten
• Beispiel: Verdauung mit Papain (li.) und Pepsin (re.)
   • Papain spaltet Antikörpermoleküle in zwei identische Fragmente,
     mit antigen-bindender Aktivität (Fab =
     fragment antigen binding; komplette
     leichte Kette + VH + CH1) und einem Fc-
     Fragment (fragment crystallizable), mit
     konstanten Regionen
   • Pepsin spaltet es in ein F(ab‘)2-Fragment
     mit voller Bindungseigenschaft für das
     Antigen und mehreren kleinen Fragmenten der schweren Kette
• Mittels gentechnischer Verfahren lassen sich viele verschiedene Antikörperteil-
  stücke herstellen, die sich z.B. an Proteintoxine oder Tumorantigene nur mit einem
  verkürzten Fab-Fragment binden (siehe: einkettiges Fv = fragment variable)
                                                                                  7

generelle Struktur (Hinge-Region) /
Definition „Allotypen“

• alle Proteindomänen verbinden sich zu drei gleich großen globulären Teilen,
  die über ein bewegliches Stück, der Gelenkregion (Hinge), flexibel
  miteinander verbunden sind
• Dieses „molekulare Kugelgelenk“ erlaubt unabhängige Bewegung beider Fab-
  Arme, sodass sich auch (z.B. an Haptenen) Dimere, Trimere, Tetramere, usw.
  ausbilden können

• Definition Allotyp: Existieren an einem Genort innerhalb einer Population
  verschiedene Allele, so werden die Genprodukte als Allotypen bezeichnet,
  d.h. eine hohe Anzahl an Allelen kodieren ihre jeweiligen Proteine

                                                                                8

von der DNA zum Antikörper: allgemein /
Entstehung der Vielfalt im Antikörper-Repertoire

• In jedem Lebewesen gibt es zu jedem Zeitpunkt mindestens 108 verschiedene
  Lymphocytenspezifitäten; eine so große Anzahl, dass sie nie in der DNA
  codiert werden könnte
• Zur Herstellung von spezifischen Antikörpern bei einer Immunantwort
  durchläuft der Organismus zwei Schritte:
  • Erstens: Bei der Reifung von B-Zellen (oder bei TCRs) wird ihre
    Rezeptorspezifität durch den Prozesse der somatischen Rekombination
    rein zufällig aus DNA-Segmenten irreversibel geprägt. Auch spielt die
    junktionale Vielfalt eine Rolle.
  • Zweitens: Nach der Aktivierung einer B-Zelle kann durch somatische
    Hypermutation (der V-Domänen) und dem Klassenwechsel (der C-
    Region) eine weitere Anpassung auf dem Weg zur differenzierten
    Plasmazelle und den sezenierten Antikörpern vorgenommen werden

                                                                              9

von der DNA zum Antikörper: V(D)J-Rekombination

• während der Reifung der B-
  Lymphocyten im
  Knochenmark werden
  unterschiedliche DNA-
  Abschnitte für die leichten
  und schweren Ketten zufällig
  miteinander kombiniert
• V-Regionen beider Ketten
  setzen sich aus V,D,J-
  Segmenten bei den
  schweren und V,J-
  Segmenten bei den leichten
  zusammen
• Obwohl es von jedem
  Segment im Genom mehrere
  Varianten gibt (Allotypen), ist
  es Zufall, welches Variante
  zum Zug kommt                                 10

von der DNA zum Antikörper: V(D)J-Rekombination

• Dieses Ereignis ist einmalig und
  irreversibel, alle Nachkommen weisen die
  gleiche Spezifität auf
• Es ist der einzige Prozess im Lebewesen,
  bei dem die DNA in somatischen,
  proliferierenden Zellen gezielt verändert
  wird
• In der Tabelle rechts sind die daraus
  entstehende Möglichkeiten beim Menschen
  errechnet

• Die Diversität wird weiterhin durch Deletion
  oder Hinzufügen von Nucleotiden während
  der Rekombination erhöhrt. Dieser Prozess
  beschreibt die junktionale Vielfalt

                                                 11

von der DNA zum Antikörper: Klassenwechsel &
somatische Hypermutation
• Im Zuge der Immunantwort sind jedoch weitere Genveränderungen möglich
• Durch gehäufte Punktmutation im Prozess der somatischen
  Hypermutation können in der V-Region Änderungen hervorgerufen werden,
  die im B-Zellklon zu einer stärkeren Stimulierung durch das Antigen führen
   • Dadurch wird ihm ein Wachstumsvorteil gegeben
   • Dieser Mechanismus der Affinitätsreifung ist nur bei B-Zellen beobachtet
     worden

• Obwohl der variable Teil eines Antikörpermoleküls bei einer klonalen Zelllinie
  gleich bleibt, ist beim konstanten Teil der Austausch zu einer anderen Klasse
  möglich
   • Dieser Prozess heißt Klassenwechsel und wird durch Cytokine von T-
     Lymphozyten beeinflusst
   • Die Synthese kann immer nur in folgender Reihenfolge ablaufen:
      • IgM, IgD, IgG, IgE und IgA                                                 12

Antigenerkennung im Antikörper

• Antigenerkennung durch den V-Teil

Hypervariable Regionen
Innerhalb der V-Regionen von Antikörper-Molekülen finden sich auffällige Bereiche, in
denen die Aminosäure-Sequenzen stark variieren, hypervariabel sind. Diese Bereiche
determinieren die Bindungseigenschaften des Antikörpers und sind komplementär
zum Antigen CDR = complementarity determining region

CDRs
Die Domänen von Immunglobulinen besitzen eine charakteristische Tertiärstruktur, die
sich auch bei vielen Molekülen findet, die keine Antikörper sind.
Jede H- und jede L-Kette besitzt innerhalb ihrer V-Region drei complementarity
dertermining regions (CDRs), von denen Antigenbindung und damit die Spezifität
des Antikörpers bestimmt werden.

• Die kombinatorische Vielfalt lässt sich also durch Verbindung verschiedener
  variablen Regionen der schweren und leichten Kette stark erhöhen (vgl.
  zusätzlich zur V(D)J-Kombination)                                                     13