Skriptum:Immunologie u. zelluläre Mikrobiologie (Baccarini Manuela)
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Normalflora
Normalflora besiedelt den Körper nach der Geburt
überall dort, wo er mit der Außenwelt in Kontakt ist (offenes System)
Nicht alle Orte gleich gut besiedelbar, z.B. Magen: ungünstiger pH-Wert, Haut: zu trocken, Schleimhaut & Darm: ideal
Funktionen der Normalflora:
- Mutualismus (Mensch und Bakterie profitieren vom Zusammenleben)
- Stimulierung des Abwehrsystems (mehr sekretorische IgAs)
- Verhinderung der Koloniesierung durch Pathogene
- Synthese von Vitaminen
- Resorption von Steroiden
Probleme mit der Normalflora:
wird geschlossenes System besiedelt --> Krankheit
- Kreuzreaktionen
- Infektiosquellen (E. coli, C. difficile, C. albicans, S. epidermidis) wenn
> am falschen Ort (E. coli - Blase) > harmlose Normalflora durch Antibiotika reduziert (resistente Minderheit setzt sich durch - C. difficile) > immunsupprimiert (C. albicans - kann uns normalerweise nichts anhaben) > physische Beschädigung des Körpers (Verbrennung,...)
- Produktion krebserregender, schädlicher Substanzen (H. pilori)
Koch's Postulat
Koch's Postulat + Kritik daran:
Wann kann ein Bakterium als Ursache für eine bestimmten Krankheit gehalten werden?
- Das Bakterium soll in allen erkrankten Personen und Tieren, nicht aber in normalen, gesunden Individuen, gefunden werden--> Immunsuppriemierte Patienten können Krankheiten durch Mikroorganismen bekommen, die bei anderen nicht pathogen wirken
- Das Bakterium soll aus dem kranken Individuum isoliert und in Reinkultur gehalten werden können--> Nicht kultivierbare Mikroorganismen (T. pallidum, M.leprae ) Veränderung der Virulenzfaktoren während der Kultur in vitro: Pathogen in Wirt ist in Stress, in Kultur nicht ?keine Virulenzfaktoren, Polymikrobische Infektionen
- Die Reinokulierung dieser Reinkultur in gesunden Individuen soll die Symptome der ursprünglichen Krankheit hervorrufen--> Ethische Bedenken, gleiche Symptome durch untersch. Bakterien möglich
- Dasselbe Bakterium sollte aus die nunmehr kranken Individuen isoliert werden und im Labor kultiviert werden.--> wie 2.
Daher neue Definition von Koch's Postulat:
Wann kann ein bakterielles Genbzw. sein Produkt als wichtig/ notwendig für die Auslösung einer bestimmte Krankheit gehalten werden?
1. Gen bzw. Genprodukt sollen in den virulenten, nicht aber in den avirulenten Bakterienstämmen zu finden sein
2.a) Die Zerstörung des Gens sollte die Virulenz des Bakteriums mildern
2.b) Die Expression des Gens bzw. Genproduktes in avirulenten Stämmen sollte die Virulenz steigern
3. Das Gen sollte in vivo im Laufe der Krankheit exprimiert werden
4. Die gegen das Genprodukt gerichtete Immunantwort sollte vor der Krankheit schützen
Virulenz
Bestimmung der Virulenz in vivo:
Infektiösität und Toxizität:
Mikroorganismus in Tier eingebracht auf normalem infekt.Weg ?Bestimmung der Anzahl von Bakterien pro Tier
Infektiositätist Fähigkeit von Pathogen, einen Wirt zu befallen (ist zb gering wenn langer Kontakt für Infekt nötig)
Toxizität:Schadensausmaß durch ein Pathogen: LD50 (lethaldosis 50, 50% der Versuchstiere tot), LD50 auch allg für Virulenz, Virulenz ist realative pathogenizität, relative fähigkeit den wirt zu schädigen, hängt immer auch von wirtsfaktoren ab! pathogenzzität: fähigkeit krankheit in wirt auszulösen
Virulenzbestimmung in vitro:
nicht wahrheitsgetreu, in vivo haben Zellen auf extrazellulärer Matrix (ECM) auf der apikalen Seite andere Antigene als seitlich und unten (basal),
auf künstlichem Plastikuntergrund sind die Zellen unförmig und die Antigene gemischt, auf künstl ECM besser
Klonierung von Virulenzfaktoren
Gain of Function-Approach:
z.B. ausgehen von nicht-invasivem E.coli-Stamm
klonierte DNA-Fragmente von invasivem Salmonella-Stamm in E.Coli einfügen
Screen nach invasiven C.coli (die die Fähigkeit besitzen, in die Zellkultur-Zellen einzudringen)
geklontes Fragment von invasiven E.Coli-Stamm charakterisieren
Gen für Invasion schnell gefunden, geht aber nicht für alle Bakterienstämme, dafür auch Gene auf Plasmid dabei
Loss of Function:
z.B. ausgehend von invasivem Salmonella-Stamm
--> Tansposon mit Resistenzmarker gegen Q in invasiven Salmonella-Stamm einbringen
--> Selektion auf Resistenz gegen Q (findet alle Kolonien, die jetzt irgendwo im Genom ein Transposon bekommen haben)
--> Screen nach Kolonien, die nicht mehr in Zellen eindringen können
--> mithilfe von Q-Resistenz-Marker zerstörtes Gen klonieren
--> klonen nach Komplementation (sodass Invasivität wieder hergestellt ist)
schwerer, in bakt-stamm direkt, welche kolonie kann was nicht mehr? vorteil: genom direkt manipuliert
Wird die Expression des Virulenzfaktors unter einer best. Bedingung induziert?
z.B. Stress = (im Experiment) durch niedrige Eisenkonzentration
Transposon mit lacZ OHNE Promotor, mit Transposase und Selektionsmarker (Kanamycin-Resistenz) in die Zellen bringen
--> auf Transposonintegration selektiern (Selktionsmarker Kann-R)
--> auf X-Gal-Platten lacZ Expression zeigen (--> bedeutet Integration in frame hinter irgendeinen Promotor) --> Fusion von lacZ und Virulenzfaktor!
Wenn lacZ-Expression bei niedriger Eisenkonzentration positiv, aber negativ bei hoher
--> stressinduzierter Faktor (vielleicht vir)out-knocked (durch vir-lacZ-Fusion)
Finden von Regulatorgenen für den Virulenzfaktor
Mutagenisiere Bakterien, die vir-lacZ-Fusion enthalten (vir = Virulenzfaktor)
auf hoher Eisenkonzentration (nicht-induzierende Bedingung) sollten alle Kolonien LacZ negativ (weiß) erscheinen
positive (blaue) -->Verlust des Repressors
auf niedriger Eisenkonzentration (= induzierende Bedingung) sollten alle LacZ positiv (blau) erscheinen
negative (weiß) ?Verlust eines Aktivators
Wird der Virulenzfaktor sekretiert?
Fusioniere das Gen des Virulenzfaktors in frame mit dem Gen der alkalischen Phosphatase PhoA
alkalische Phasphatase ist im Cytoplasma inaktiv, aber im Periplasma und extrazellulär aktiv
Nachweis von PhoA-Aktivität (bei Zugabe von X-P, alk. Phosphatase spaltet Phosphat ab, X hat im Gegensatz zu X-P blaue Farbe)
-->Virulenzfaktor wird sekretiert!
Finden eines Gens, das in vivo, aber nicht in vitro exprimiert wird:
IVET = In Vivo Expression Technology
DNA-Stücke von z.B. Salmonella-Genom in Plasmid piVET (mit purA und lacZY und cloning site vor den beiden Markern, also vor purA) reinligieren
--> Bakterienstamm mit purA-Deletion (Purin-Auxotrophie, können Purine nicht selber herstellen) mit Salmonella-DNA-hältigen Plasmiden transformieren
--> das Plasmid muss mit Bakterien-Chromosom rekombinieren (am inserierten DNA-Stück), sonst geht es verloren
--> injiziere diese Bakterien in Maus (dabei überleben nur die, die purA+ haben, purA+ --> Plasmid in Genom integriert!!)
--> Bakterien aus der Milz der Maus wieder gewinnen, ausplattiern auf X-gal
--> Kolonien, die KEINE Galaktosidase produzieren (weiße Kolonien) tragen ein Genfragment vor purA, das zwar in vivo (also in der Maus), nicht aber in vitro (also auf der X-Gal-Platte) exprimiert wird. (In der Maus produzieren demnach alle Bakterien sowohl purA als auch lacZ)
Infektionskrankheit:
Begegnung Mikroorgansimus - Wirt
- Kolonialisierung: - Eintritt von Mko in Wirt
- Verbreitung des Mko im Wirt
- Vermehrung des Mko im Wirt
- Schädigung des Wirtes durch Mko
Ergebnis:
- Wirt gewinnt --> Koexistenz
- oder Mko gewinnt
Begegnung/Kontakt mit Mko= Infektion, aber nicht gleich Krankheit !
Exogene Begegnung:Mko die nicht in Normalflora vorkommen
Endogene Begegnung:= wunde: Mko der Normalflora
Angeborenes Immunsystem ist erste Verteidigung gegen ein Pathogen
Falls Pathogen angeb. Immunabwehr üerlebt --> adaptives Immunsystem (Antikörperproduktion, spezifischere Abwehr) aktiviert
Vermehrung des Mko im Wirt:
Unter bestimmter Anzahl an Mko im Körper keine Symptome!
Vermehrung der Mko bis zum Auftreten der ersten Symptome = Inkubationszeit
2 Möglichkeiten:
- Vermehrung der Mko bis Wirt stirbt
- Abwehr durch Immunsystem sodass Anzahl der Mko unter für Symptome kritischen Wert sinkt
Bakterien-Vermehrung in versch. Krankheitsphasen:
- Schleimhautinteraktionen: starkes Wachstum
(um Rezeptoren zu überwinden, die bakteriellen Kontakt mit Epitheloberfläche verhindern würden)
- Erster Befall des Gewebes: schnelles Wachstum von wenigen Bakterien
(um Verlust durch Wirts-Abwehr (Entzündung) auszugleichen)
- Akute Krankheit: starkes Wachstum im Gewebe
--> Krankheit bevor Abwehr angelaufen
- Gewebsbewegung (Gewebs-Tropismus): Wachstum wichtig aber nicht unbedingt schnell
- Chronische Krankheit: langsames Wachstum
(dadurch Immunantwort weniger stimuliert)
- Überträger-Status: stationäre Phase besser
Fakultativ intrazelluläre Bakterien: Salmonella, Yersinia, Shigella;
Obligat intrazelluläre Bakterien: Rickettsia, Chlamydia, Coxiella;
Extrazelluläre Bakterien: Vibrio cholerae, Pseudomonas, E.coli
Toxine
Toxine, welche die Auflösung von Zellen verursachen:
- Lipasen (C. perfrigens a-Toxin),
- Poren-bildende Toxine (S. aures a-Toxin,Streptolysin O);
- Proteinsynthese-hemmende Toxine (Diphteria Toxin);
- Pharmakologisch aktive Toxine (Cholera Toxin);
- Neurotoxine (tetanospasmin, C. botulinum Toxin);
- Endotoxine: integraler Bestandteil des Bakteriums
Ist es gut, den Wirt außer Gefecht zu setzen?
Stark virulente Mikroorganismen zerstören mit dem Wirt ihre ökologische Nische
--> erfolgreiche Parasiten beeinträchtigen ihren Wirt nur gering!
Aber: das Beste für eine Spezies ist nicht notwendigerweise mit dem Besten für jedes Individuum gleichzusetzen!
- Beeinträchtigung und Verlust des Wirts ist Nachteil der Virulenz
- schnelle Vermehrung und hohe Infektivität ist positiv für den Mikroorganismus
HIV
hohe Mutationsrate, befällt langlebige weiße Blutkörperchen und zerstört somit die Immunabwehr
niedrige Infektiosität
Infektionsroute abhängig von Sozialverhalten:
Monogame Gesellschaft --> lange Latenz, geringe Replikation
Polygame Gesellschaft --> kurze Latenz, schnelle Replikation
ANHAFTUNG
Auf Zelloberlfäche, ECM, aber auch inerten Oberflächen wie Zahnschmelz oder Plastik (Implantate!)
Zuerst reversible Adsorption (dauert sec): Haftung ohne Wechselwirkungen, dann
Irreversible Anhaftung in sec-min,
Kolonialisierung dauert h-d (Wachstum und Teilung)
dabei eigentl. Biofilmbildung: Exopolymere werden produziert --> 3D kolonie eingebettet darin--> mehrschichtig, pilzförmig (hoch!): nährstoffe hin und schadstoffe weg über kapillar-kanäle, biofilme können sehr groß werden und mit der Zeit haften auch andere Mko dort an, wird oft auch von Normalflora gebildet zb E.coli
Pilus-Adhäsine
Pyelonephritis adhesion pilus (PAP) von E. coli
Pilus = flexibler Stab mit helikaler Struktur, besteht aus mehreren Untereinheiten. Alle Gene, die zur Bildung d. Pilus notwendig sind, sitzen in einem Cluster ?PAP-Virulenzkassette, diese kodiert:
PapA: Stab (viele PapA bilden zusammen den Pilus-Stab)
PapH: Stab-Anker
PapC: Türsteher (?usher?)
PapD: Chaperon
PapJ
PapK: Adaptor
PapE: Spitze (daran noch PapF und PapG)
PapF: Adaptor
PapG: Adhäsin
- SecA abhängige Sekretion der Untereinheiten ins Periplasma
- Im Periplasma: Chaperon (PapD)bindet Untereinheiten, bringt sie zum Türsteher (PapC), welcher in äußere Membran eingebaut worden ist.
- Türsteher (PapC) lässt der Reihe nach immer nur eine Untereinheit nach der anderen auf extrazelluläre Seite durch, als erstes nur PapG (Spitze, = Adhäsin) durchgelassen
- auf d. Zelloberfläche wird dann die endgültige helikale Konformation eingenommen ? fertiger Pilus
PapG erkennt Galabiose (= Galactose-?-1-4-Galactose)-hältigeIsorezeptoren versch. Zellen. (Diese Isorezeptoren sind Glycosphingolipide = Globoside, die das Disaccharid Galabiose enthalten)
Vorkommen auf Erythrozyten und Nieren- bzw. Blasenepithelien.
Klasse I PapG-Adhäsin --> erkennt nur Galabiose auf Isorezeptoren der Gruppe 6
Klasse II PapG-Adhäsin -->erkennt Galabiose auf Isorezeptoren der Gruppe 5 und 6 --> humane Pyelonephritis (Nierenentzündung)
Klasse III PapG-Adgesin --> Galabiose auf Isorezeptoren der Gruppen 5 und 2 --> humande Blasenentzündung
95% der Menschen präsentieren eine Galabiose auf den Erythrozyten sowie den Epithelzellen der Blase --> Blutgruppe "P", 5% sind P(-) und können nicht an Blasenentzündung erkranken
Blockieren von Bakterienanheftung: vor Infektion heften sich Bakterien mithilfe von Lektinen (= bakterielle Adhäsine, die an Kohlehydrate binden) an Kohlehydrate der Zelloberflächen von Wirtszellen an
--> kann Medikamente mit ähnlichen Kohlehydraten machen die Lektin binden (zb reine Galobiose die an Pilus bindet) und somit die Lektine blockieren
--> oder: künstliche Lektine verabreichen, die die Zelloberlächen-Kohlehydrate der Wirtszellen besetzen und somit den bakteriellen Lektinen ein Andocken verunmöglichen
Streptococcus befällt unterschiedliche Schichten der Epidermis
- ist viel O2 vorhanden (obere Schicht der Epidermis),wird Adhäsin F exprimiert --> bindet an Langerhanszellen (= Immunzellen) d. Epidermis)
- ist wenig O2 aber viel CO2 vorhanden (untere Schichten der Epidermis) wird Adhäsin F expirmiert --> bindet an Keratinozyten
Flagellum:
Dient der Fortbewegung von Bakterien, kann aber auch als Invasin verwendet werden
Aufbau:Flagellin-Untereinheiten sind helikal um Kanal in der Mitte angeordnet
- Beweglichkeit erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass die Bakterie auf eine Wirtszelle trifft
- Als Adhäsin: P.aeruginosa haftet damit an Schleim,
Clostridium difficile
- Als Sekretionssystem und Invasin: (Y.enterocoliticia) --> Invasion von Epithelzellen erleichtert, entweder durch variable Domäne oder durch Flagellum selbst als Struktur
TLR5 (Toll-like Rezeptor)
auf Wirtszelle, erkennt Flagellin (aber nur Monomere, weil Teil erkannt wird der im Flagellum innen ist)
TLR5 sind zb auf Monocyten, Neutrophilen, sowie auf der apikalen Oberfläche von Epithelzellen
Flagellin-Monomere entstehen durch: Brechen des Flagellums, durch Wirtsfaktoren, außerdem können Bakterien ihr Flagellum abgeben, sobald sie an den Wirt gebunden haben
--> dabei entstehen Flagellin-Monomere
Wenn Flagellin von TLR5 erkannt wird
--> Dimerisierung von TLR5 ?NF-?B (=Transkriptionsaktivator) --> Th2-Zell-Antwort
--> Aktivierung von B-Zellen durch Th2-Zellen via Interleukin --> Antikörper-Produktion durch B-Zellen!
Angriff: Eintritt/Verbreitung des Mikroorganismus im Wirt
= Aktiver Prozess des Bakteriums, es stimuliert seine Aufnahme durch nicht-phagocytische Zellen
Eintritt via Zipper mechanism
--> benutzt von Yersinia und Listeria
Pathogene binden an Zelloberflächen-Proteine, die oft bei der Zell-Matrix-Verankerung eine wichtige Rolle spielen ?Bildung einer Membraneinstülpung, die das Bakterium umschließt, was mit einem Rearrangement des Zytoskeletts einhergeht.
Beispiel Yersinia:
Yersinia bindet mit Invasinan Integrin-Rezeptorder Wirtszelle (Integrin ist normalerweise wichtig bei der Verankerung der Zelle in der Extrazellulären Matrix)
--> Aktivierung von Integrin ?Aktivierung von versch. Kinasen (FAK, Src, Rac, PI-3 Kinase)
Listeriabindet über Internalin an E-Cadherin der Wirtszelle und verändert dabei ebenfalls das Zytoskelett lokal
Eintritt via Trigger mechanism
--> von Salmonella und Shigella genutzt
Kontakt zwischen Zelle und Bakterie hergestellt durch bakterielles Typ III Sekretions-System (TTSS)(von Bakterie benutzt, um Proteine in eukaryotische Zellen zu injizieren)
--> Bakterie kann bakterielle Effektoren direkt in Wirtszelle schleusen, wo sie mit Komponenten des Zytoskeletts der Wirtszelle interagieren können ?danach Formierung einer makropinozytischen Ausstülpung (geht einher mit der Bildung von Filopodien und Lamellipodien in der Wirts-Zellmembran rund um die Bakterie) ?Membranausstülpungen überwachsen Bakterie ?Aktin Depolimersierung und Schließen der Makropinozytischen Ausstülpungen über der Bakterie.
Zytoskelett-Reorganisation durch GTP-asen der Rho-Familie
--> haben im inaktiven Zustand GDP gebunden, durch GEF (Guanidine Exchange Factor) ?GDP gegen GTP ausgetauscht ?aktiver Zustand ?GTP-Hydrolyse durch GAP (= GTPase activating protein)
Rac --> Aktin-Polymerisation --> Ausbildung von Lamellipodien (breit & flach)
Rho --> Filament-Bündelung --> Ausbildung von Stressfasern
Cdc42 --> Aktin-Polimerisierung ?--> Ausbildung von Filopodien (dünn, wie Finger)
Aktivierung von Integrin (normalerweise durch Interaktion mit Extrazellulärmatrix) ?Aktivierung von FAK(Focal adhesion kinase) und Src?Aktivierung von GEFs ?Aktivierung von Rac / Rho / Cdc42 mit entsprechenden Änderungen des Zytoskeletts (siehe vorher)
Integrine sind Heterodimere, bestehen aus α-Kette und β-Kette
Rezeptor für Yersinia-Invasin ist Integrin β1
--> führt ebenso zu Zytoskelett-Reorganisation!
Wie wurde das Invasingen von Yersinia gefunden?
E.coli mit Genbank (Yersinia-Genom) transformieren, wachsen lassen, zu Säugerzellen geben, inkubieren, Säugerzellen gründlich waschen (um außen anhaftende Bakterienzellen entfernen), Zellen sanft lysieren, Inhalt ausplattieren, anwachsende Kolonien stammen von Bakterien die intrazellulär waren --> müssen Yersinia-Invasin-Gen bekommen haben, um in die Zelle eindringen zu können
--> E.coli mit Invasin von Yersinia am Plasmid
2 Salmonella pathogenicity islands
= Genregionen SPI1 + SPI2 (gekennzeichnet durch GC-Gehalt von nur etwa 40%)
SPI1:(codiert Gene für Invasion in Epithelzellen und Makrophagen Apoptose)
- TypIII-Sekretionssystem (TTSS)
- SipA: sorgt für längere und stabilere Actinfasern, reorganisiert Aktinskelett
- SopE: Expression verursacht dramatische Änderung des Cytoskeletts, wirkt als GEF für Cdc42 und Rac (katalysiert den Tausch von GDP nach GTP an der GTPase)
- SopB: = Inositolphosphat-Polyphosphatase, stimuliert Aktin-Rearrangement
--> vermittelt Eintritt von Bakterie
- SptP: GAP-Aktivität auf Cdc42 & Rac, wirkt SopE entgegen, wird von TTSS Sekretiert, blockiert weitere Aktin-Polymerisierung
SopE(-) SopB(-) - Bakterien könnnen Epithelzellen nicht mehr befallen!
Während der Bildung der Makropinozytischen Einbuchtung: SopE und SopB aktiv
SptP aktiv wenn sich makropinozytische Einbuchtung wieder schließt und Aktin depolimerisiert.
SipA und SopE kooperieren:
SipA--> stabilisiert Aktin & stimuliert T-Plastin-vermittelte Bildung von Aktin-Komplex-Fasern
SopE --> bindet am T-Plastin und bringt es zur Invasionsstelle
SPI2:codiert Gene fürs Überleben im Makrophagen, Verbreitung zu Leber und
Milz durch Makrophagen
Beschädigung des Wirtes durch den Mikroorganismus: Exo- und Endotoxine
Allgemeine Einteilung der Toxine
Exotoxine
- extrazelluläre Proteine
- sehr hohe biologische Aktivität (durch katalytische Aktivität)
- durch Hitze/Säure denaturierbar
- denaturierte Toxine = Toxoide als Impfstoff einsetzbar
- Spezifität und Toxizität hoch
- Membranschädigende Toxine: Lipasen und porenbildete Toxine
- AB Toxine:
- Proteinsynthese-hemmende Toxine (Diphteria Toxin)
- Pharmakologische aktive Toxine (Cholera Toxin) können second Messenger regulieren
- Neurotoxine (Tetanospasmin, Botulinum Toxin)
- Superantigene
Exotoxine oft auch ohne Bakterien schädlich: wenn zb Bakterien in Nahrungsmitteln vorkommen, die Exotoxine produzieren, können auch die Exotoxine alleine dem Wirt schaden, selbst wenn die Bakterien den Verdauungstrakt am Ende wieder ohne Ansiedelung verlassen.
Endotoxine (LPS = Lipo-Poly-Saccharide)
Glycolipide der Baktereinmembran
- nicht denaturierbar
- keine Toxoide herstellbar
- Spezifität und Toxizität niedrig
Membran-schädigende Toxine:
Poren-bildende Toxine
'--> S.aureus Alpha-Toxin' (Staphylococcus aureus, Gram+, immobil)
als Monomer synthetiesiert, bindet an die Membran von Blutplättchen und Monozyten über spezifischen (aber noch nicht identifizierten) Alpha-Toxin-Rezeptor
bildet als Heptamer einen Kanal in die Membran --> Ionen diffundieren aus
verursacht entzündliche Reaktion im Gewebe + Nekrose
Lipasen
--> C.perfrigens Alpha-Toxin (Clostridium perfrigens, gram+, sporenbildend)
spaltet die polare Gruppe von Phosphatidylcholin (Lecithin) ab, welches sich in der Membran aller tierischen Zellen befindet und diese stabilisiert
--> Membran destabilisiert ?hat katalytische Wirkung, bindet und zerstört in vivo weiße (Leukozyten) und rote Blutkörperchen (Erythrozyten)
AB-Toxine:
hat mind 2 Domänen:
A-Untereinheit --> katalytische Aktivität, Effektor des Toxins
B-Untereinheit --> zur spezifischen Bindung an Zellen
Einfache AB-Toxine:bestehen aus je einer A- und einer B-Untereinheit
Komplexe AB-Toxine:eine A & mehrere B-Untereinheiten ?binden entweder alle an den gleichen Rezeptor oder an verschiedene ?somit können verschiedene Zelltypen befallen werden!
Aufnahme des AB-Toxins über Rezeptor-vermittelte Endozytose
--> katalyt. Untereinheit A ist in Endosom nicht wirksam ?A in Cytoplasm ausgeschleust und dort an target;
--> selten wird A ohne Endozytose direkt in die Zelle eingeschleust und B gar nicht aufgenommen
B-Untereinheiten können als Impfstoff verwendet werden ?Produktion von Anti-B Antikörpern
Neurotoxin
--> '''Clostridia botulinum oder Clostridia tetani (Gram+, Sporen bildend)
Neurotoxine sind Zn-Endopeptidasen --> Ziel sind Proteine, die Sekretion der Synapse regulieren
Neurotoxin als inaktives Zymogen während der Sporen-Keimung synthetisiert
--> Zymogen durch bakterielle oder Gewebs-Proteasen gespalten ?danach Aufnahme durch rezeptorvermittelte Endozytose
Neurotoxine interagieren an neuromuskulärer junction
(= Synapse zw. Motorneuron und Muskelfaser)mit Membran-assozierten Proteinen und werden in synaptische endosomale Vesikel aufgenommen.
Aufbau:
Schwere Kette = B (zur Bindung an neurospezifischen Rezeptor)
Leichte Kette = A (hat katalytische Funktion)
--> Ketten aber über Di-Sulfid-Brücke zusammengehalten
Spaltung der leichten Kette von der schweren durch Gewebe-Proteasen
zwei schwere Ketten (B) binden den neurospezifischen Rezeptor
--> aufgenommen in Endosom, hier Konformationsänderung der schweren Kette
--> Translokation der leichten Kette (A) aus Endosom ins Zytosol
Wirkmechanismus der Neurotoxine:
VAMP: Molekül in der Membran acetylcholinhältiger Vesikel, stellt Kontakt her zu:
Syntaxin: Partnermolekül in der Zellmembran der präsynaptischen Zelle
snap25: Adaptorprotein
VAMP, Syntaxin & snap25 gehören zur Gruppe der SNARE-Proteine und stellen Verbindung von Vesikel zu Zellmembran des synaptischen Spalts her ?wichtig für die Fusion der Vesikel mit der Zellmembran und daher für die Ausschüttung des Neurotransmitters in den synaptischen Spalt!
--> die verschiedenen leichten Ketten von Botulinum-Toxin und Tetanus-Toxin greifen diese Proteine an ?keine Neurotransmitter-Ausschüttung mehr!
Botulinum-Toxin:
Botulinum-Toxin wird in synaptische Vesikel aufgenommen und damit ins Neuron internalisiert. ?im Zytosol werden versch. SNARE-Proteine (VAMP, Syntaxin, snap25) angegriffen
Bot.-Toxin bleibt nach Internalisierung in der neuro-muskulären Synapse hochaktiv, bereits ein Molekül kann alle Substrate in der Synapse spalten!
Leichte Kette inhibiert die Ausschüttung von Acetylcholin aus den
Synaptischen Vesikeln der Motorneuronen an der neuromuskulären Junction
--> Schlaffe Lähmung (Atemlähmung)
Tetanustoxin:
- Tetanus-Toxin wird nach der Internalisierung rückwärts im Axon des Motorneurons transportiert
- Freisetzung in die Synapse zwischen dem inhibitorischen Interneuron und dem Motorneuron
- Aufnahme vom inhibitor. Interneuron
Leichte Kette inhibiert die Ausschüttung von inhibitor. Neurotransmittern aus den Synaptischen Vesikeln der inhibierenden Interneurone
--> keine Inhibierung der Motorneurone mehr --> Verkrampfung!
Diphteria Toxin
--> '''Corynebacterium diphteriae (Gram+ Stäbchen, lysogeniert durch Beta-Phagen)
simples AB-Toxin
- synthetisiert als inaktives Zymogen
- bindet an HB_EGF ähnliche Wachstumsfaktorrezeptoren
- Rezeptor-vermittelte Endozytose
- Saures Milieu verursacht Konformationsänderung ? Protease spaltet Zymogen
- A-Kette des Toxins ins Cytoplasma translociert ? wechselwirkt mit EF2 & erzeugt ADP-ribosyl-EF-2 ? Translation wird geblockt
(NAD + EF-2--> ADP-ribosyl-EF2 + nicotinamide + H+
--> Ribosyl-ADP wird also von NAD auf EF-2 übertragen)
EF2 = Elongationsfaktor 2, ein G-Protein, spaltet GTP zu GDP + P + Energie, letztere wird verwendet für Translokation der Peptidkette von der A-site zur P-site des Ribosoms
Pharmakologisch aktive AB-Toxine
Cholera Toxin
(--> vibrio cholera: gram-, mobil, mit Flagellum)
1 A-Untereinheit & 5 B-Untereinheiten
erhöht cAMP-Spiegel
- Bakterium haftet mit Toxin (= Adhäsin) an Gangliosid GM1 (=Glycolipid) auf Darmepithelzellen an
- Untereinheit A tritt ein, wird in A1 + A2 gespalten
- A1 ADP-ribosyliert stimulatorisches G-Protein --> dadurch Aktivierung des G-Proteins --> aktiviert die Adenylatcyclase --> mehr cAMP
- mehr cAMP aktiviert Proteinkinase A --> schaltet über Phosphorylierung Cl- - Export (aus Crypt-Zellen) ins Darmlumen an & Na+ und Cl- Import aus dem Darmlumen (in Villus-Zellen) aus --> Cl- und Na+ - Konz. im Darmlumen steigt
- Folge: osmotischer Wasserausstrom ins Darmlumen --> Durchfall!!
Cholera Toxin wird durch eine Virulenzkassette kodiert, in der auch noch andere Enterotoxine codiert werden --> ist "Gift-package" vom filamentösen Phagen CTXφ (=Cholera toxin Phage, Toxin Teil des Phagen-Genoms!!)
koordinierte Expression von A und B Untereinheiten: teilweise überlappender ORF auf dem Vibrio Chromosom, B mRNA aber effizienter translatiert, daher bleibt das 5:1 Verhältnis im Holotoxin erhalten
TCP (= Toxin-coregulated pili) ebenfalls in Virulenzkassette kodiert, stammt von VPIφ (Vibrio Pathogenicity Island Phage)
TCP ist Rezeptor für den CTXφ Phagen
Vibrio Cholerae muss von 2 Phagen befallen werden, um Cholera-Toxin produzieren zu können!
Befall mit VPIφ --> Gen für TCP in Vibrio-Genom integriert --> Pilus-Produktion
--> dann erst kann CTXφ binden und infizieren --> integriert Toxin-Gene in Vibrio-Genom!
Pertussis-Toxin (PTX)
(-->Bordetella pertussis,Gram-, Coccobazillus)
--> erhöht ebenfalls den cAMP-Spiegel
B. pertussis bindet an Cilien von Epithelzellen (Schleimhaut) mit Toxin als Adhäsin ?Kolonialisierung
Toxin für: Inhibierung von Phagocyten-Migration, Schädigung der Schleimhautzellen, Neuronen gereizt --> Husten
PTX ist Komplex mit 5B ?wirkt/bindet auf viele versch. Zellen zb mit Untereinheit S2 an Epithelzellen, mit Untereinheit S3 an Phagopcyten (um sie zu inhibieren)
- PTX hemmt einen inhibitorischen G-Protein-Komplex (im Gegensatz zu Cholera CTX, welches einen stimulierenden G-Protein-Komplex stimuliert)
Adenylatcyclase ständig aktiv --> mehr cAMP --> Proteinkinase A - Konz. steigt --> P-prot
- zusätzlich bringt das Bakterium noch eine eigene Adenylatcyclase ein = cyaA
--> Phagocyten-Inhibierung, Wirkung auf neuronen, schleimhautschädigung
CyaA besteht aus:
- katalytische AC (=AdenlylatCyclase)-Domäne mit Calmodulin binding site
- Hdrophobem Teil (Transmembran-Domänen)
- Palmyolierungs-Stelle (zur Verankerung in die Membran)
- Ca++ bindender Domäne
- Sekretorischem Signalabschnitt
Rezeptor für sekretorisches Signal =β2Integrin (= Adhäsionsmolekül der Leukocyten, zu denen auch Makrophagen gehören) --> CyaA hauptsächlich gegen Makrophagen gerichtet
CyaA ist kein AB-Toxin, wird synthetisiert als inaktives Zymogen, durch Palmitoylierung (nötig für kurzfristige Anlagerung an Membran) aktiviert --> Einlagerung der Transmembrandomainen
Ca2+ Bindung (an Ca++ bindende Domäne) verursacht Strukturveränderungen, wodurch die AC-Domaine durch die Membran in die Zelle eingeschleust wird
--> AC wird aktiv durch Calmodulinbindung (das heißt --> AC wird nur in der Zelle aktiv!)
--> cAMP-Produktion!!
wozu cAMP?
- notwendig, damit Zelle Apoptose begeht
- Bakterie will cAMPreiche Umgebung, weil Wachstum durch cAMP reguliert wird, Bakterium kann sich dadurch besser vermehren
B.pertussis hat 2 Möglichkeiten, um die cAMP-Konzentration zu erhöhen:
- über PTX (durch Aktivierung der eukaryont. AC)
- und über CyaA (mit eigener AC)
Super-Antigene
Die meisten Super-Antigene sind Exotoxine, manche werden aber von Retro-Viren kodiert und zählen daher zu den Endotoxinen.
"Normale" Antigene: binden an Peptid-bindende Grube auf MHC-II, aktivieren nur spezifische Helfer-T-Zellen (Th-Zellen), deren T-Zell-Rezeptor das Antigen erkennt.
Super-Antigene: binden von außen an MHC-II (nicht in Peptid-bindender Grube) und können ALLE Th-Zellen aktivieren, indem sie zugleich mit best. Vβ-Segmente der TCR-Rezeptoren interagieren (TCR besteht aus je einer α- und β-Kette, Vβ = variabler Teil der β-Kette des TCR,) enthalten
--> Führt zu Aktivierung von einer großen Anzahl an Th-Zellen!
--> stimulieren Proliferation einer großen Anzahl von T-Zellen
--> überschießen der Immunatwort --> Toxic shock
Aktivierung von vielen Th-Zellen --> Produktion von IL-2 (Interleukin-2)
--> zuviel IL-2 bewirt Fieber, Übelkeit, Erbrechen, Schock
Zugleich Vermehrung von Pathogen und betroffenen Th-Zellen
--> Autoimmunität: gesundes Gewebe wird angegriffen
--> Immundepression: durch Superantigen aktivierte T-Zellen sterben nach einger Zeit ab, wodurch sie nicht mehr zur Bekämpfung späterer Infektionen zur Verfügung stehen. Allerdings kann die Immundepression teilweise die Autoimmunität ausgleichen!
Beispiele:
Enterotoxin von Staphylococcus: --> wirkt im Darm, verursacht Lebensmittelvergiftung
Streptococcen --> rheumatisches Fieber
Endotoxine: LPS
Auf äußerer Membran von Gram(-) Bakterien, tragen zur strukturellen Integrität der Bakterien bei schützen Membran vor best. bestimmten Substanzen wird während des bakteriellen Wachstums und nach dem Tod d. Bakteriums freigesetzt
Struktur von Lipopolysacchariden
Lipid A: ist toxischer Teil des LPS!! Fettsäuren + Glucosamin & Phosphat
Polysaccharid:
- inner core (vorwiegend Kdo und Heptosen)
- outer core (Hexosen) und
- O-specific chain (aus repetitiven Zuckereinheiten, sehr variabel, zur Klassifikation von Bakterienstämmen verwendet)
LPS ist essentiell für das Überleben des Bakteriums in vivo, weil es Abwehr durch den Organismus verhindert
Gram(+) "Endotoxin"
Glycopeptide + Teichonsäure in Zellwänden von gram(+) Bakterien
--> während bakt. Wachstum & nach Tod d. Bakteriums freigesetzt
-->Wirkung analog zu LPS
Reaktion des Immunsystems auf Endotoxine
Monozyten & Makrophagen haben LPS-Rezeptoren = Familie der Toll-like-Rezeptoren (=TLR, hoch konservierte Rezeptoren)
(Freies) LPS-binding protein bindet LPS --> LPS-binding protein mit gebundendem LPS aktiviert (membrangebundene) TLR auf Monozyten & Makrophagen
--> Cytokine werden produziert u.a. TNF-?, IL-8
--> Cytokine verursachen Entzündung, Fieber, Immunantwort, Phagocytose
LPS und IL-8 --> Neutrophile setzen Proteasen & toxische Sauerstoff-Radikale zur Abwehr frei!
--> Proteasen & Sauerstoff-Radikale töten naheliegende Bakterien, zerstören aber auch Gewebe!!
Wirkung von TNF & IL-1 auf Endothelzellen
--> Expression von Selektinen auf Innenseite der Kapillaren (zur Anlockung von Immunzellen)
--> Spaltenbildung zwischen Endothelzellen
-->
Diapedese (durchdringen der Endothelschicht) und Einwanderung von Immunzellen ins Gewebe
Septischer Schock:
Endotoxine (hohe Dosen) --> Überproduktion von IL-1 und TNF- α durch Makrophagen
Toxischer Schock:
Superantigen-Exotoxine (geringe Dosen) --> Crosslinking von TCR & MHC-II (auf APCs)
--> unspezifische Aktivierung von 5 – 25% aller Th-Zellen
--> Überproduktion von IL-2 --> Überstimulation von Makrophagen, die in Folge zuviel IL-1 und TNF- α produzieren
Immunantwort
Reihenfolge der Immunantwort
- Barrieren: Haut und Schleimhäute
- Angeborenes Immunsystem: (immer in gleicher Intensität vorhanden, schnell, wenig spezifisch)
Makrophagen, Neutrophile (?beide Phagozytose), Magensäure, Komplement-System
- Adaptives Immunsystem: (langsamere Reaktion, aber spezifischer und zielgerichteter)
Antikörper, Cytokine, Helfer-T-Zellen, cytotoxische T-Zellen, B-Zellen
Komponenten und Zellen, die bei inflammator. Reaktion beteiligt sind
- Makrophagen(in peripheren Organen) phagyozytieren und töten Pathogene, produzieren inflamatrische Cytokine und sind APC (präsentieren Antigene) ?haben daher MHC-II-Moleküle
- Neutrophilezur Entzündung gelockt, phagozytieren und zerstören Mikroben
- Komplementsystemerhöht die inflammatorische Reaktion und bewirkt vermehrte Phagozytose und Lyse von Zellen. > Lysozym:bewirkt Lyse der Zellwand von Bakterien
- Inflammatoriy Agents:(Bradykinin, Histamin, Prostaglandine etc.) wirken auf Blutgefäßsystem und erhöhen Blutfluss und Durchlässigkeit
- Fibrin(aus Fibrinogen im Plasma) sorgt für Gerinnung (lokale Begrenzung der Mikroorganismen)
- Antikörperneutralisieren mikrobielle Toxine oder Viren, opsonisieren (bedecken) Pathogene und stellen sie somit zur Phagozytose frei
- Pyrogene:(auch endogene Pyrogene wie IL-1) verursachen Fieber --> wirken u.a. auf Temperaturregulierung des Körpers (Hypothalamus) ein
Komplement-System
15% der Globulin-Fraktion des Serums sind Proteine die zum Komplementsystem gehören.
Funktionen:
- Lyse von Mikroben
- Opsonisierung von Mikroben (=Bedeckung & somit Markierung für Phagozytose)
- Aktivierung der Entzündungsreaktion
- Beseitigung von Immunkomplexen (Antikörper-Antigen-Komplexen)
Aktivierung:
- Klassischer Weg
--> Auslösung durch Erkennung von Antikörpern auf Oberfläche von Mikroorganismen
- Alternativer Weg
Auslösung durch direkte Erkennung mikrobieller Oberflächenstrukturen (ist phylogenetisch älter als klass. Weg, wurde aber später entdeckt)
- Lectin-Weg
Auslösung durch Erkennenmirkobieller Polysaccharide, MBL (mannose-binding-lectin) bindet polysacch und aktiviert C-system, MBL ist C1q strukturell ähnl --> aktiviert protease oder anderes C4 spaltendes enzym--> weiter wie klassisch
Folgen aller 3 Wege:
--> Aktivierung über proteolytische Kaskade, Proteolyse einzelner Complement-Proteine
--> Bildung eines Membrane Attack Complex (MAC) & anschließend Lyse der Zielzellen
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| Klassischer und Alternativer Weg der Komplement-Aktivierung (Achtung, Simplifizierung: im alternativen Weg wird C5 nicht von C3b gespalten, sondern von der C5-Konvertase, die aus C3b und Bb besteht) | Aufbau des C1-Protein-Komplexes aus den Untereinheiten C1r, C1s und C1q |
Der Klassische Weg der Komplementaktivierung
(Anmerkung: "a" und "b" sind immer Spaltprodukte, z.b. wird C3 in C3a und C3b gespalten)
C1 bindet an Antikörper-Antigen-Komplex auf der Zelloberfläche eines Mikroorganismus. Daraufhin binden C4bund C2aund bilden zusammen die C3 Convertase.
Die C3 Convertase spaltet C3 in C3a und C3b.
--> C3b bindet nun an die Antigenbedeckte MA-Oberfläche und opsonisiertsie
--> C3b bindet an C3-Convertaseund bildet so die C5-Convertase. (--> spaltet C5 zu C5b und aktiviert so die späten schritte.)
| Komplementaktivierung nach dem klassischen Weg findet nur statt, wenn der Antikörper an Antigen gebunden ist, da C1 sonst nicht an Fc binden kann. ? Frei gelöstes, ungebundenes IgM oder IgG haben kein (für C1) zugängliches Fc !! |
Der Lektinweg der Komplementaktivierung
- ausgelöst durch Mikrobielle Polysaccharide
- Mannose-binding lectin (MBL) bindet Polysaccharide und aktiviert das C-system
- MBL ist dem C1q strukturell ähnlich, aktiviert C1r/s oder MBP-associated serine esterase ? beide spalten C4
Alternativer Weg der Komplementaktrivierung:
- Spontane Spaltung von C3 in C3a und C3b. (C3 wird normalerweise im Plasma kontinuierlich mit niedriger Rate gespalten. Wenn das Spaltprodukt C3b aber nicht unmittelbar an eine Mikrobe 9700 bindet, wird es inaktiviert)
- C3b bindet an die Mikroorganismus-Oberfläche
- Factor B bindet C3b
Factor D spaltet B zu Bb.
Bb und C3bbilden zusammen die C3-Convertase des alternativen Wegs.
- Verstärkte Spaltung von C3 zu C3a und C3b durch C3-Konvertase
- C3b opsonisiert die MO-Oberfläche
- C3 bindet an die C3-Convertase (= C3bBb) und bildet so die C5-Convertase.
--> Spaltung von C5 in C5b leitet weitere Schritte ein.
Thioesterbindung von C3 (S-C=O)
Spaltung von C3 zu C3b setzt eine Thioestergruppe frei. Bei Bindung an Moleküle (Zelloberflächen-Protein, Polysaccharid, ...) der Zelloberfläche einer Mikrobe geht sie mit einer Hydroxylgruppe (R-OH) an der Oberfläche eine Thioesterbindung ein. Bei gelöstem C3b wird die Thioestergruppe von Wasser hydrolysiert und somit inaktiviert. (HS + COOH)
Effektorfunktionen beider Komplement-Aktivierungs-Wege:
- Entzündung wird eingeleitet durch Spaltprodukte C5a, C3a, C4a
- Aktivierung der späten Schritte des Komplementsystems durch C5 Convertase
- Phagozytose der mit C3b opsonisierten MO / Partikel
Spätere Schritte der Komplementaktivierung
Die C5-Convertase spaltet C5 zu C5a und C5b. C5b bindet an C6-C7?C7 verankert den Komplex in der Membran. C8 kommt hinzu, lagert sich auch in die Membran ein. An diesen Komplex wird nun aus vielen C9 ein Kanal gebildet und angelagert ? Der gesamte Komplex bildet den Membrance Attack Complex (MAC)
Durch den Kanal diffundieren Wasser und Ionen ?osmotische Anschwellung + Platzen der Zelle
--> zusätzlich Eintritt v. Ca++--> hohe Ca++-Konz. führt zur Apoptose!
Weitere Funktionen des Komplementsystems
| Komplement- Proteine | Funktion | Rezeptor |
| C3b, C4b | Blockiert Bildung von C3-Konvertase | CR1-Rezeptor (auf vielen Immunzellen) |
| iC3b | Bindet Zell-Adhäsions-Moleküle; Phagozytose | CR3 & CR4 ?Rzeptor (u.a. auf Monozyten, Makrophagen, NK-Zellen) |
| C3a, C4a | Veranlasst Degranulation von MastZellen & Basophilen! | C3a/C4a-Rezeptor (Mastzellen, Basophile) |
| C5a | Ebenfalls Degranulation von Mastzellen & Basophilen | C5a-Rezeptor (Mastzellen, Basophile u.a.) |
VERTEIDIGUNG DER MIKROBEN GEGEN DAS IMMUNSYSTEM
Verteidigung gegen das Komplement-System
- Kapsel - verhindert Bindung von Komplementproteinen (Streptococcus pneumoniae)
- Peptidoglycanschicht(der gram+) verhindert Bindung des Komplements (Streptococcus)
- Lange LPS Ketten verhindern Kontakt zwischen C3b und dem Rezeptor am Phagocyten, außerdem kann MAC nicht in Membran inserieren (E. coli, Salmonella)
- Direkte Interaktion des MAC: mit Proteinen der äußeren Membran --> Verhinderung von MAC-Integration in Membran (Neisseris gonorrhoeae)
- Mikrobielle Elastasebaut Bestandteile des Komplementsystems (C3a & C5a) ab (Pseudomonas aeruginosa)
- Sekretieren von Proteinen, die eukaryotische Komplementregulatoren nachahmen -->bewirkt Inaktivierung des Komplementsystems (Viren, Pilze, Bakterien, Protozoen)
M Protein (Streptococcus)
= coiled coil Protein, das weit über die Oberfläche hinaussteht C Terminus verankert es in der Membran und Zellwand, ein konstanter Teil bindet den eukaryontischen Faktor H, welcher die Bindung von Faktor B (für alternativen Komplementweg) an C3b verhindert
--> Faktor I spaltet Membran-gebundenes C3b in inaktives iC3b
--> keine Komplementaktivierung
--> zusätzlich Blockade der Bindung von Antikörpern gegen die konstante Region des M-Proteins, gegen die variable Region (variabel durch Deletion) werden AK gebildet, keine Opsonisierung
--> schlecht für Phagocytose, der N Terminus ist negativ geladen --> elektrische Abstoßung von Phagocyten
Kapseln
bestehen aus Polymeren, meist Polysacchariden oder Proteinen (oder beides) manchmal mit Substanzen, die dem Körper nicht fremd sind, z.B. Hyaluronsäure (Streptococcus pyogenes) oder Sialinsäure (N. meningiditis)
Phagocytose + Verteidigung
Makrophagen machen Protrusion Richtung Bakterien (Pseudopodien)
--> Endozytose des Mikroorganismums --> Endosom = Phagosom --> Phagosom fusioniert mit Lysosom --> Phagolysosom: reaktive O-intermediates, N-radikale & hydrolyt. Enzyme töten Mikroorganismus
Phagocytose durch Makrophagen ausgelöst durch:
- opsonisierte Mikroorganismen: von Antiköpern und/oder C3b
- nicht opsonisiert: viel schlechter phagozytiert
Phagozytose geht nur gegen Mikroorganismen die aufgenommen werden können ? nicht möglich zb gegen Biofilme, Aggregate: Hier wird der Lysozyminhalt nach außen abgegeben ?schädigt somit nicht nur Pathogene, sondern auch z.B. körpereigene virusinfizierte Zellen
Verteidigung gegen Phagocytose
- Kapsel: verhindert Erkennung
- M Protein (Streptococcus pyogenes) verhindert die Phagocytose - ausscheiden eines Chemotaktischen Repellents (Streptolysin -Streptococcus pyogenes)
- Streptolysin(Streptococcus pyogenes) und Leukocidin (Staphylococcus aureus) induziert Entladung der Lysosomen ins Cytoplasma (tötet Phagocyten)
- Protein A (Staphylococcus aureus) inhibiert die Opsonisierung durch AK
- Detoxifizieren der Umgebung im Phagocyten - Ansäuerung des Phagolysosoms verhindern(Mycobakteria)
- Resistenz gegen niedrigen pH und Sauerstoffradikale(SPI-2)
- 'Apoptose'induzieren(SPI-1)
- aus dem Phagosom ins Cytoplasma entweichen, durch Lyse des Phagosoms durch Listeriolysin (einfache Membran) oder Lecithinase (doppelte Membran) (Listeria monocytogenes)
IgG-bindende mikrobielle Proteine, z.B. Protein A (Staphylococcus aureus)
= Fc-Rezeptor, den die Mikrobe auf ihrer Zelloberfläche exprimiert und bewirkt, dass Antikörper die Mikrobe nicht opsonisieren können, weil sie ?verkehrt herum? auf die Prot.A - Fc-Rezeptoren gebunden werden
--> Phagozyten können Fc-Region der Antikörper nicht erkennen --> Verhinderung der Phagozytose!
Yersinia
interagiert mit Wirts-Signaltransduktion, kommt durch Zipper-Mechanismus in M-Zelle (--> im Dünndarm, M-Zellen haben die Eigenschaft, Antigene aus dem Lumen des Dünndarms via Transzytose an Antigen-präsentierende Zellen auf der anderen Seite weiterzuleiten)
Yersinia nützt ebenfalls Vorgang der Transzytose aus, bewirkt via Zipper-Mechanismus Aufnahme in M-Zellen und "Durchschleusen"
--> trifft auf der anderen Seite auf Makrophagen
--> Hemmung der Phagozytose durch die Makrophagen
--> Hemmung der TNF-Produktion durch Makrophagen
--> Bildung von Poren in Makrophagen-Membran
--> schlussendlich Apoptose der Makrophagen!
Phagozytose-Inhibiton durch Yersinia:
Yersinia besitzt auch Typ III Sekretionssystem --> injiziert Faktoren zur Aktin-Depolimerisierung in Phagozyten:
YopE --> ist GAP für Rac, Cdc42 und Rho --> Rac, Cdc42 & Rho unwirksam gemacht
YopH --> ist Phosphatase, inhibiert Cas-pY --> GEFs für Rac, Cdc42 & Rho werden nicht aktiviert!
Apoptose
--> geht von Zelle selbst aus, benötigt Energie, genau vordefinierter Ablauf:
- Chromatin-Kompaktierung + Seggregation
- Konzentrierung des Cytoplasmas
- Zelle schrumpft --> Aufteilung in viele kleine "apoptotic bodies"
- apoptotic bodies werden von Phagozyten phagozytiert
im Gegensatz zu Nekrose:
--> nicht vorprogrammiert!
- Chromatin-Verklumpung
- Angeschwollene Organellen
- Disintegration, Platzen der Zelle/Auflösung der Zellmembran
- Freiwerden des intrazellulären Inhalts
--> löst Inflammation aus!
Caspasen
= Familie von Proteasen, die u.a. die (natürlich ausgelöste) Apoptose (und auch Entzündung) regulieren. (=Cystein-Aspartat-Proteasen, schneiden mithilfe von Cystein Bindung zwischen Aspartat und anderer AS),
2 Arten:
Effektor-Caspasen und
Initiator-Caspasen (schneiden inaktive Pro-Formen von Effektor-Caspasen und aktivieren diese so)
--> bilden proteolytische Kaskade, die durch Signale aus der Umgebung in Gang gesetzt wird. Auch Entzündungsregulation: Caspase-1 spaltet pro-Interleukin-1 zu aktivem IL-1
Caspase-1 ist Effektormolekül der Pathogen-vermittelten Apoptose!
Apoptose-Induktion durch Salmonella typhemurium:
'SipB '(auf SPI-1 codiert) aktiviert über Initiatorcaspase (Kaskade) die Caspase1, welche normal nur Cytokinvorläufer spaltet ? hier für Apoptoseinduktion verwendet ?töten von Zellen ohne inflamatorische Reaktion auszulösen wie bei nekrotischer Zellzerstörung
Salmonella besitzt mehrere typIII sekret-systeme
--> Bewirkt Aufnahme und Transzytose durch M-Zellen hindurch und trifft auf Makrophagen auf anderer Seite
--> Wird von Makrophagen aufgenommen und kann im Inneren der Makrophagen überleben (Resistenz gegen niedrigen pH und Sauerstoff-Radikale in Lysosomen) ? Apoptoseinduktion durch Aktivierung von Caspase-1
(Shigella verwendet ähnlichen Mechanismus, verwendet aber statt Salmonella SipB ?IpaB)
Listeria monocytogenes
(ist gram+ Stäbchen, hat bei Raumtemperatur Flagellum, im Körper nicht)
- entkommt aus Phagosom bevor dieses mit Lysosom fusioniert
- kann via Zipper-Mechanismus auch in andere Zellen,
Entkommen aus Phagosom
Listeria lysiert Phagosom-Membran mithilfe von Phospholipase C, bevor Phagosom mit Lysosom fusioniert,und gelangt mit Hilfe von actAin nächste Zelle ABER: In aktivierten Makroph fusioniert Lysosom mit Phagosom so schnell, dass das Bakterium schon getötet wird, bevor es "ausbrechen" kann
Migration von einer Zelle zur nächsten durch Einwachsen
Listeria gelangt via Zipper zuerst in erste Zelle (mit Hilfe von Internalin)
--> wandert dann mithilfe von "Aktin-Komet" (in Form von langer Membranausbuchtung) in die nächste Zelle hinein und wächst so in die nächste Zelle hinein
--> in der neuen Zelle angekommen hat die Bakterie nun eine doppelte Membran um sich herum (eine Membran von Ausbuchtung der ersten Zelle und ein vom Einwandern in 2. Zelle)
--> Lyse der Doppel-Membran-Vakuole durch Lecithinase
--> so gelangt Listeria in andere Zellen hinein, ohne in den Interzellulärraum zu müssen
Aktin Kometen
Bestehen aus vielen (zu langem Strang) quervernetzten kurzen Einzel-Aktinfilamenten
Polymerisierung der aktinfilamente ist polar --> Aktinmonomer mit Profilin bindet immer an (+)Ende
--> sobald Monomer an (+)Ende gebunden, löst sich Profilin und macht so Platz für die Anhaftung eines weiteren Monomers
Bakterium an (-)Ende angehaftet -->Bakterium wird von den wachsenden Filamenten (die selbst stationär im Cytosol bleiben) "weggeschoben",
Actin-Kometenbildung initiiert durch ActA auf Bakterium --> wird zu (-)Ende, daran wächst Aktin-Komet
Mycobacterium:
(krummes Stäbchen, resistent gegen Säure, Lauge & Austrocknung, teilt sich extrem langsam)
--> kann in Makrophagen überleben: verhindert Fusion von Phagosom & Lysosom, verlässt Phagosom aber nicht --> hält Phagosom-Reifung an
normalerweise fusioniert das Phagosom (early phagosome) mit Vesikeln des Golgi-Apparates --> Einbau von Protonen-ATPase (pumpt Protonen in Phagosom) in Phagosome (late phagosome)
--> Absinken des pH-Wertes
--> schließlich Fusion d. Phagosoms mit Lysosom
--> Mycobacterium stoppt Reifung des Phagosoms im "early phagosome"-Stadium.
Verhältis Il-12 zu Il-4 = celluläre IA zu humorale IA Il-12 von Makrophagen stimuliert TH1-Zellen, machen Il-2, IFN-gamma und TNF-beta, aktivieren Makrophagen und CTL = zelluläre IA Il-4 von Mastzellen stimuiert TH2-Zellen, machen Il-4 u.a., aktiviert B-Zellen und Ak-Produktion = humoraleIA
Immunantwort des Wirts
Helfer-T-Zellen (Th-Zellen)
erkennen prozessierte AG an MHC-II (wenn von Makrophagen oder anderen Antigen-präsentierenden Zellen präsentiert) mit T-Zell-Rezeptor (TCR) (und MHCII durch CD4) ? Aktivierung der Th-Zelle ? aktivierte T-Zelle interagiert mit B-Zelle, die via MHC-II das spezifische Antigen an die T-Zelle präsentiert ?Th produziert Cytokine um B-Zelle zu aktivieren (B-Zelle holt sich sozusagen Erlaubnis von Th-Zelle, Antikörper gegen spezif. Antigen zu produzieren) ? B-Zelle proliferiert ?wird zur Plasmazelle und produziert Antikörper
TCR (T-Zell-Rezeptor)
=Heterodimer: 2 Ketten durch Disulfidbrücke verbunden, gehören zu Ig-Superfamilie, jede Kette hat variable und konstante Domäne, werden auf der Oberfläche von T-Zellen exprimiert.
MHC-Klasse II - Moleküle
heterodimere aus zwei nicht kovalent assoz ketten, gehören zu Ig- Superfamilie., auf Oberfläche von APCs exprimiert, mit Peptid-bindender Grube zur Antigen-Präsentation
B-Zellen
erkennen native Antigene, proliferieren nach Aktivierung durch Th-Zelle (Cytokine) --> wird zur Plasmazelle und produziert Antikörper
Antikörper (Immunoglobuline)
=Effektormoleküle der humoralen, spezifischen Immunität, alle Antikörper binden an Antigene primäre Struktur: schwere + leichte ketten mit je 1 N-term hochvariablen domäne (VHbzw. VL - das L steht für "light chain", das H für "heavy chain")und konstanten Regionen mit relativ kleiner Variabilität (κ oder λ CLsowie μ, λ, α, δ oder ε CH)
Antikörper werden nach schweren Kette in 5 Klassen (Isotypen) unterteilt (μ=IgM, λ=IgG, α=IgA, δ=IgD, und ε=IgE), die untersch. schweren ketten können mit κ oder λ leichten Ketten kombiniert sein
IgA ist Dimer (durch J-Kette verbunden)
IgM ist Pentamer IgG,
IgD, IgE sind Monomere
Sekretorische IgAs
verhindern die Kolonisierung der Schleimhäute:
IgAs kommen gehäuft in Körperflüssigkeiten, die die Schleimhäute benetzen, vor
--> werden von Plasmazellen im subepithelialen Gewebe in großen Mengen (5-15g/Tag!) produziert.
IgA-Dimere binden an einen Poly-Ig-Rezeptor auf der basolateralen Membran der Epithelzellen
--> werden durch Rezeptor-vermittelte Endocytose internalisiert
--> Rezeptor wird nach dem Transport zur apicalen Membran enzymatisch gespaltet
--> IgAs ins Lumen freigesetzt
Strategien versch. Pathogene gegen das Immunsystem
Neisseria gonorrheae:
Gram(-) Cocci, Kolonisieren den Genitaltrakt, Ändern die Sequenz ihres Pilins durch Genkonversion (Teile von "silent gene" mit exprimiertem Gen ausgetauscht), Produzieren eine Protease welche die "hinge" Domäne sekretorischer IgAs spaltet
Streptococcus:
Gram(+), ändert die Sequenz des exponierten N-Terminus vom M-Protein durch Deletion --> Bakterium kann dadurch Immunsystem besser ausweichen, an C-Terminus wenig Variation
Typanosoma brucei:
Protozoon, Ursache der Schlafkrankheit, periodisch neue Varianten des Hüll-Glykoproteins VSG (= Variable Surface Glycoprotein, Bestandteil der Hülle), alle Individuen ändern gleichzeitig die Sequenz vom VSG durch Genduplikation/Translokation: es existieren viele VGS Gen-Varianten ?rund jede Woch eine andere Version in expression site im Genom kopiert
--> Immunsystem muss von vorn anfangen mit Antikörper Produktion
Influenza:
"budding" Virus, umhüllt von der Membran der Wirtszelle, aus der das Hemagglutinin und die Neuraminidase herausragen Kolonisiert die oberen Atemwege
Hemagglutinin: bindet an Sialinsäure auf der Oberfläche von Epithelzellen, vermittelt Aufnahme des Virus in Wirtszelle
Neuraminidase: spaltet Sialinsäure & erleichtert den Austritt des Virus aus der Zelle
Nucleocapsid mit 8 separaten ssRNA-Strängen assoziiert mit Nucleoprotein, tritt von Zeit zu Zeit pandemisch auf
Ursache: extreme antigenische Variabilität: Hemagglutin hat hypervariable region, und leicht genetischer Austausch zwischen verschiedenen Influenza-Arten zb Mensch - schwein = antigenic shift: beide genome vermischt, neukombiniert
Killer-T-Zelle (Tc = cytotoxic T-cell = CTL)
CTL erkennt prozessiertes Antigen auf MHC-Klasse-I-Molekülen (fast jede kernhaltige Körperzelle hat auf ihrer Oberfläche MHC-I, im Gegensatz zu MHC-II, das nur auf speziellen APC zu finden ist)
--> z.B. Präsentation von viralen Antigenen mittels MHC-I durch eine von Viren befallene Epithelzelle
--> Tc-Zelle erkennt mit TCR auf MHC-I präsentiertes virales Antigen von infizierter Zelle
--> tötet infizierte Zelle
Cytokine
lösliche Signale, durch die Immunkompetente Zellen kommunizieren
relative Konzentration von IL-12und IL-4 in der Anfangsphase einer Infektion bestimmt die Reaktion des Wirtes
Kontakt von Th-Zelle zu Makrophage --> Makrophage schüttet IL-12 aus --> Th-Zelle wird zu Th1
Kontakt von Th-Zelle mit NK-Zelle oder Mast-Zelle --> IL-4 Ausschüttung --> Th-Zelle wird zu Th2
Th1 --> aktivieren Makrophagen und CTL --> zelluläre Antwort
Th2 --> aktiviert B-Zellen und damit Antikörper-Produktion --> humorale Antwort
Tuberkulose (Mycobakterium tuberculosis)
Bakterien siedeln sich in der Lunge an --> Bakterien können in Phagosomen von Makrophagen überleben und sich dort vermehren --> schließlich Tötung von Makrophagen --> freigesetzte Bakterien werden durch andere Makrophagen aufgenommen
infizierte Makrophagen produzieren Cytokine, die andere Phagozyten wie z.B. Monozyten, Makrophagen und Neutrophile anlocken --> Bildung eines Granulomas
Granuloma --> nekrotisierendes Gewebe in der Mitte (käsige Konsistenz), rundherum aktivierte Makrophagen sowie Th1-Zellen (TDTH Zellen = T-Zellen, die für die"delayed type hypersensitivity" = DTH zuständig sind, hauptsächlich Th1-Zellen, aber auch Tc-Zellen)
--> in 90% der Fälle heilen die Granuloma,
in 10% der Fälle reißen die Granuloma auf --> Bakterien verbreiten sich im Wirten --> extrapulmonare Tuberkulose!
Lepra (Macobacterium leprae)
Lepra tuberculoide
Starke zelluläre Immunantwort (Th1-Zellen) gegen infizierte Makrophagen
--> Bildung von Granuloma --> Haut- und Nervenschäden, wenig Bakterien, gute Überlebenschancen
Lepra lepromatosa
Starke humorale Immunantwort (Th2-Zellen) & schwache zelluläre Immunantwort
--> Hypergammaglobulinämie geringe Granuloma-Bildung, viele Bakterien, weil AK ihnen nichts anhaben können (Bakterien geschützt vor AK im Inneren von Makrophagen)
--> Knochen- und Knorpelveränderungen, Nervenschaden, schlechte Überlebenschancen!
