CD1-gebundene T-Zellen an der Schnittstelle zwischen angeborener und adaptiver Immunität
Abstract
Lipid-spezifische T-Zellen umfassen eine Gruppe von T-Zellen, die an die MHC-Klasse-I-ähnlichen CD1-Moleküle gebundene Lipide erkennen. Es gibt vier Isoformen von CD1, die auf der Oberfläche von Antigen-präsentierenden Zellen exprimiert werden und daher Lipidantigene präsentieren können: CD1a, CD1b, CD1c und CD1d. Jede dieser Isoformen weist unterschiedliche strukturelle Merkmale und zelluläre Lokalisationen auf, die die Bindung an ein breites Spektrum unterschiedlicher Lipide fördern. Lipidantigene stammen entweder aus dem eigenen Gewebe oder aus fremden Quellen wie Bakterien, Pilzen oder Pflanzen, und ihre Erkennung durch CD1-gebundene T-Zellen hat wichtige Auswirkungen auf Infektionen, aber auch auf Krebs und Autoimmunität. In dieser Übersicht werden die Merkmale von CD1-Molekülen und CD1-restringierten lipidspezifischen T-Zellen beschrieben, wobei die angeborenen und adaptiven Merkmale verschiedener CD1-restringierter T-Zell-Subtypen hervorgehoben werden.
1. Einleitung
CD1-gebundene T-Zellen erkennen Lipidantigene, die an MHC-Klasse-I-ähnliche CD1-Moleküle gebunden sind. Die erste Arbeit, in der CD1-gebundene T-Zellen beschrieben wurden, wurde 1989 veröffentlicht, aber die Art des präsentierten Antigens wurde nicht identifiziert. Das Auftauchen von Lipiden als T-Zell-Antigene, die von CD1-Molekülen präsentiert werden, wurde erst 5 Jahre später durch die Entdeckung der antigenen Eigenschaften von Mykolsäure festgestellt. Heute ist bekannt, dass eine Vielzahl von Lipiden eigener und fremder Herkunft CD1-Moleküle binden und an der Entwicklung und Aktivierung lipidspezifischer T-Zellen beteiligt sind.
CD1-gebundene T-Zellen umfassen spezialisierte Subtypen, die an Immunantworten mit angeborenen und adaptiven Merkmalen beteiligt sind. Die Bedeutung dieser Zellen wurde im Zusammenhang mit Infektionen und der Immunantwort gegen Tumore beschrieben. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Eigenschaften der CD1-Moleküle, den Mechanismus der CD1-vermittelten Lipid-Antigenpräsentation und die Biologie der CD1-gebundenen T-Zellen zu verstehen, um neue Strategien zur Bekämpfung von Infektionen und Krebs zu entwickeln.
2. CD1-Moleküle
Die menschlichen CD1-Moleküle werden von 5 verschiedenen Genen kodiert, die auf Chromosom 1 lokalisiert sind. Diese Gene kodieren für 5 verschiedene CD1-Isoformen: CD1a-CD1e. Die funktionellen CD1-Moleküle sind Heterodimere, die durch Assoziation von CD1 mit β2-Mikroglobulin entstehen. Aufgrund der Sequenzhomologie lassen sich die CD1-Isoformen in drei Gruppen einteilen. Gruppe I besteht aus den Isoformen CD1a, CD1b und CD1c, Gruppe II aus CD1d und Gruppe III aus CD1e.
2.1. Expression
Die CD1-Moleküle der Gruppe I werden fast nur auf Thymozyten und dendritischen Zellen (DCs) exprimiert und sind beim Menschen, nicht aber bei Mäusen oder Ratten vorhanden. CD1a wird auch auf Langerhans-Zellen und CD1c in einer Untergruppe von B-Zellen exprimiert. CD1d hat ein breites Expressionsmuster und kommt sowohl in hämatopoetischen als auch in nicht-hämatopoetischen Zellen vor. CD1d wird auf kortikalen Thymozyten stark exprimiert, aber in medullären Thymozyten wird es herunterreguliert. Im peripheren Blut exprimieren B-Zellen, Monozyten, DCs und aktivierte T-Zellen CD1d. CD1d wird auch im Darm, in der Leber, im Gallengangsepithel, in der Bauchspeicheldrüse, in der Niere, im Endometrium, in den Hoden, den Nebenhoden, der Bindehaut, der Brust und der Haut exprimiert. Im menschlichen Darm exprimieren und präsentieren Darmepithelzellen Antigene durch CD1d. In jüngerer Zeit wurde festgestellt, dass auch Adipozyten CD1d exprimieren, und es wurde eine Rolle bei der Präsentation von Lipidantigenen vermutet. CD1e wird auf DCs exprimiert, fungiert aber nicht als antigenpräsentierendes Molekül, da es nicht an der Plasmamembran vorhanden ist. Dieses Molekül fungiert als Lipidtransferprotein (LTP).
2.2. Strukturelle Merkmale
CD1 teilt viele strukturelle Merkmale mit MHC-Klasse-I-Molekülen. Alle CD1-Isoformen bestehen aus einer schweren Kette, die drei extrazelluläre Domänen (α1, α2 und α3), eine Transmembrandomäne und einen intrazellulären Schwanz enthält. Die extrazellulären Domänen α1 und α2 bestehen aus zwei antiparallelen α-Helices an der Spitze von 6 β-Strängen. Diese werden von der α3-Domäne unterstützt, die mit β2-Mikroglobulin (der leichten Kette) interagiert und ein Heterodimer bildet. Der markante Unterschied zwischen CD1 und MHC-Klasse-I-Molekülen liegt in den Antigenbindetaschen. Im Gegensatz zu MHC Klasse I sind die CD1-Taschen mit hydrophoben Resten ausgekleidet, die mit dem hydrophoben Teil der Lipide interagieren, während die polaren Teile für die TCR-Erkennung frei liegen. Größe, Form und Anzahl der Taschen variieren zwischen den CD1-Isoformen und ermöglichen die Aufnahme von Lipiden mit variabler Fettsäurekettenlänge (Abbildung 1).
Gleich wie MHC Klasse I besitzen CD1-Moleküle zwei tiefe Taschen: A′ und F′. CD1b hat zwei zusätzliche Taschen, C′ und T′, die die Bindung von Lipiden mit größeren hydrophoben Ketten ermöglichen. CD1a hat die kleinste Bindungsfurche, und im Gegensatz zu den anderen CD1-Isoformen ist die A′-Tasche nicht direkt mit den anderen Taschen verbunden, sondern endet abrupt tief in der Bindungsfurche und fungiert als „molekulares Lineal“, das die Bindung langer hydrophober Ketten verhindert (Abbildung 1). Die F′-Tasche ist freizügiger und ermöglicht die Bindung von Lipopeptiden. CD1a hat auch eine halboffene Konformation, die das Laden von Lipiden bei neutralem pH-Wert und ohne die Wirkung von LTP erleichtert. CD1b hat die größere Bindungsstelle, die aus vier Taschen besteht, von denen drei miteinander verbunden sind und einen großen A′T′F′-Superkanal bilden. Diese Eigenschaft verleiht CD1b die einzigartige Fähigkeit, langkettige Mykolyl-Lipide zu binden. Der saure pH-Wert der Lysosomen ermöglicht eine Entspannung von CD1b, was die Lipidbindung verbessert. Ähnlich wie CD1a verfügt CD1c über eine F′-Tasche, die eine Lipopeptidbindung zulässt und normalerweise mit Antigenen assoziiert, die nur eine Alkylkette haben, was darauf hindeutet, dass die A′-Tasche von Spacer-Lipiden besetzt sein könnte, die die CD1c-Struktur stabilisieren. CD1d wurde im Komplex mit mehreren Lipiden kristallisiert. In allen Glykosphingolipiden mit Ceramid-Grundgerüst bindet die Sphingosinkette die F′-Tasche, während die Fettsäure die A′-Tasche besetzt und den Zuckerkopf für den TCR freilegt. Trotz seiner Unfähigkeit, Lipidantigene zu präsentieren, enthält die CD1e-Struktur ebenfalls A′- und F′-Taschen, die jedoch nicht klar voneinander getrennt sind, wodurch eine größere Furche entsteht. Außerdem hat CD1e eine lösungsmittelexponierte Furche. Diese beiden Eigenschaften zusammen ermöglichen eine schnelle Bindung und Freisetzung verschiedener Arten von Lipiden, was mit der Funktion von CD1e bei der LTP vereinbar ist.
2.3. Synthese und Transport
Nach der Translation beginnen die CD1-Moleküle ihren Reifungsprozess im endoplasmatischen Retikulum (ER). Im ER ermöglicht die Glykosylierung die Bindung von Calnexin, Calreticulin und der Thioloxidoreduktase ERp57, die die korrekte Faltung und den Zusammenbau mit β2-Mikroglobulin fördern. Ein weiteres ER-Protein, das eine zentrale Rolle bei der CD1-Assemblierung spielt, ist das mikrosomale Triglycerid-Transferprotein (MTP). Das Fehlen von MTP führt zu schweren Defekten bei der Präsentation von Lipid-Antigenen durch CD1-Isoformen der Gruppe I und II. Die Analyse der löslichen CD1-Moleküle ergab, dass sie während des Zusammenbaus mit verschiedenen Lipiden assoziiert sind und keine leeren Taschen haben. Es wurde daher vermutet, dass MTP ER-Lipide in diese Taschen laden und die Moleküle stabilisieren könnte. Ein anderer Bericht zeigte jedoch, dass das Fehlen von MTP die Biosynthese, die Reifung der Glykosylierung oder die Internalisierung der CD1-Moleküle durch die Plasmamembran nicht verändert, aber für das Recycling vom Lysosom zur Zelloberfläche wichtig ist, was auf eine andere Funktion von MTP neben der Stabilisierung von CD1 durch die Beladung mit Lipiden hindeutet.
CD1-Moleküle setzen ihre Reifung im trans-Golgi-Netzwerk fort (Abbildung 2). Die Identifizierung einiger Golgi-synthetisierter Lipide, die an CD1 gebunden sind, lässt vermuten, dass sie entlang des sekretorischen Weges nach dem Verlassen des ER geladen werden. Im trans-Golgi-Netzwerk schließen die CD1-Moleküle auch ihren Glykosylierungsprozess ab, bevor sie an der Zelloberfläche exponiert werden. In der Plasmamembran werden die CD1-Moleküle über den endosomalen Weg recycelt, wo sie auf Lipidantigene treffen (Abbildung 2). Die Internalisierung von CD1b, CD1c und CD1d wird durch die Interaktion des zytoplasmatischen Schwanzes mit dem Adaptorproteinkomplex (AP-2) vermittelt, der die Frachtproteine in mit Clathrin beschichtete Gruben sortiert. Im Gegensatz dazu interagiert CD1a nicht mit AP-2 und wird über Clathrin- und Dynamin-unabhängige Wege internalisiert. Nach der Internalisierung in Sortierendosomen haben die verschiedenen CD1-Isoformen unterschiedliche Schicksale (Abbildung 2). CD1a und CD1c lokalisieren sich im endozytischen Recycling-Kompartiment, was darauf hindeutet, dass sie dem langsamen Recycling-Weg zurück zur Plasmamembran folgen. CD1c kann jedoch auch in späten Endosomen gefunden werden. CD1b und Maus-CD1d (mCD1d) interagieren mit AP-3, das diese Moleküle zu den späten Endosomen und Lysosomen sortiert. Merkwürdigerweise interagiert das menschliche CD1d nicht mit AP-3 und kann in späten Endosomen gefunden werden. Studien mit mCD1d, dem der zytoplasmatische Schwanz fehlt (und das daher nicht für das Recycling internalisiert wurde), ergaben das Vorhandensein von mCD1d-Molekülen in Lysosomen, was auf die Existenz eines alternativen Weges hindeutet, der mCD1d direkt in Lysosomen sortiert. Dies wurde durch die Assoziation von mCD1d mit der invarianten Kette (Ii) und der MHC-Klasse II im ER erklärt, wodurch mCD1d direkt in MHC-Klasse-II-Kompartimente oder Lysosomen gelangt. Später wurde gezeigt, dass Ii auch mit CD1a assoziiert, was darauf hindeutet, dass dies für alle CD1-Isoformen gelten könnte. Nachdem sie die endozytischen Kompartimente erreicht haben, tauschen CD1-Moleküle die während des Zusammenbaus erworbenen nicht-immunogenen Lipide mit Hilfe mehrerer LTP gegen antigene Lipide aus. Die Mechanismen, die für das Targeting der CD1-Moleküle vom Lysosom zur Plasmamembran verantwortlich sind, sind nicht genau bekannt, aber es ist bekannt, dass die Lokalisierung dieser Moleküle in Lipid Rafts die Antigenpräsentation verbessert. Kürzlich wurde gezeigt, dass der lysosomale pH-Wert einen Einfluss auf die CD1d-Lokalisierung an der Plasmamembran hat.
2.4. CD1-bindende Lipide
Zu den Lipidantigenen gehören hauptsächlich Phospholipide und Sphingolipide (Tabelle 1). Interessanterweise sind Sphingolipide die einzigen Lipide, die bisher von allen CD1-Isoformen präsentiert werden. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass eine Vielzahl von Lipidklassen einige CD1-Isoformen binden und CD1-restringierte T-Zellen aktivieren (Tabelle 1). Interessanterweise können einige Antigene von mehr als einer CD1-Isoform präsentiert werden. Das auffälligste Beispiel ist Sulfatid, das die einzigartige Eigenschaft hat, T-Zellen zu binden und zu aktivieren, die auf alle CD1-Isoformen beschränkt sind.
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| PE: Phosphoethanolamin; PC: Phosphatidylcholin; PG: Phosphatidylglycerin; PI: Phosphatidylinositol; DPG: Diphosphatidylglycerin; Sph: Sphingomyelin; GalCer: Galactosylceramid; GlcCer: Glucosylceramid; GlcSph: Glucosylsphingosin; iGb3: Isoglobotriaosylceramid; GSL-1: Glycosphingolipid 1; pLPE: Lysophosphatidylethanolamin; mLPA: Methyl-Lysophosphatidsäure; eLPA: Lysophosphatidsäure; GalDag: Galaktosyldiacylglycerin; GMM: Glukosemonomykolat; PIM: Phosphatidylinositol-Mannose; LAM: Lipoarabinomannan; LPG: Lipophosphoglykan; MPM: Mannosylphosphomycoketid; PM: Phosphomycoketid. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Nicht alle CD1-bindenden Lipide sind immunogen. Eine weitere wichtige Gruppe von CD1-bindenden Lipiden sind Spacer-Lipide. CD1-Isoformen binden in der Regel Lipide mit hydrophoben Ketten, die der Größe der Bindungsfurche entsprechen, was auf eine 1:1-Stöchiometrie schließen lässt. Es wurde jedoch festgestellt, dass CD1b mit eher kleinen Lipiden assoziiert ist, die die Bindungstasche nicht vollständig ausfüllen. Dies warf die Frage auf, ob CD1b in der Lage ist, zwei Lipide gleichzeitig zu binden. Bei der kristallographischen Analyse der CD1b-Struktur und der lipidomischen Analyse der eluierten CD1b-Lipide wurden neben dem antigenen Lipid mehrere Spacer-Lipide identifiziert, die das CD1b-Molekül stabilisieren und sich bei der Bindung neu anordnen, um die Antigenerkennung zu ermöglichen. Hinweise aus kristallographischen Studien deuten auch auf das Vorhandensein von Spacer-Lipiden in CD1a, CD1c und CD1d hin.
Unter den nicht-immunogenen CD1-bindenden Lipiden finden wir auch Moleküle mit hemmenden Eigenschaften. Das Glykosphingolipid Globotriaosylceramid bindet nachweislich CD1d und hemmt die Aktivierung einer Untergruppe von CD1d-restringierten T-Zellen, den invarianten natürlichen T-Killer-Zellen (iNKT). Die Hemmung wird durch eine direkte Konkurrenz zwischen Globotriaosylceramid und den Antigenen der iNKT-Zellen um die Bindung von CD1d erreicht. Es ist möglich, dass diese hemmende Eigenschaft auch für andere CD1-bindende Lipide gilt, die nicht von einem TCR erkannt werden, und somit einen wichtigen Mechanismus zur Kontrolle der Aktivierung lipidspezifischer T-Zellen darstellt.
2.5. Lipidbeladung von CD1-Molekülen
Lipide sind hydrophob und benötigen daher Unterstützung für Transport, Aufnahme und Verarbeitung. Diese Aufgabe übernehmen die LTPs. Im Blutkreislauf werden Lipide in Lipoproteinpartikeln sehr geringer oder hoher Dichte oder in Verbindung mit einigen monomeren Proteinen transportiert. Die Aufnahme der Lipidantigene durch die Zellen erfolgt durch Interaktion mit zellulären Rezeptoren wie den Low-Density-Lipoprotein-Rezeptoren und den Scavenger-Rezeptoren. Die Nutzung der Rezeptoren scheint von der Art der Zelle abzuhängen und von der Lipidstruktur beeinflusst zu werden. Die Lipidstruktur beeinflusst auch den intrazellulären Transport. Während Lipidantigene mit kurzen ungesättigten Alkylketten im endozytischen Recycling-Kompartiment lokalisiert werden, gelangen Lipide mit langen gesättigten Schwänzen in die späten endozytischen Kompartimente. Dieser Unterschied im Trafficking ermöglicht das Zusammentreffen der verschiedenen CD1-Isoformen mit ihren bevorzugten Liganden.
In den endozytischen Kompartimenten unterstützen spezialisierte LTPs die Bindung von Lipiden an CD1. Obwohl einige Eigenlipide während der Faltung im ER in CD1 geladen werden, müssen exogene Lipide aus Membranen oder Lipid-Protein-Komplexen geladen werden, sobald sie internalisiert sind. Zu den lysosomalen Proteinen, die diesen Prozess erleichtern, gehören Saposine, das GM2-Aktivatorprotein, das Niemann-Pick-C2-Protein (NPC2) und CD1e . Saposine sind eine Gruppe von 4 Proteinen, die durch die Spaltung eines gemeinsamen Vorläufers entstehen: Prosaposin. Es wurde gezeigt, dass sie für die Entfernung endogener und exogener Lipide und deren Einlagerung in das CD1d von Maus und Mensch sowohl im Dauerzustand als auch während einer Infektion wichtig sind. Saposin B verbessert die durch menschliches CD1d vermittelte Lipid-Antigenpräsentation erheblich, aber auch die Saposine A und C bewirken einen effizienten Lipidaustausch in mCD1d-Molekülen. Saposin C bindet sowohl an CD1b als auch an CD1c und erleichtert so die Lipidladung in diesen Molekülen. Wichtig ist, dass diese Funktion auf den Lipidaustausch beschränkt ist, was bedeutet, dass Saposine nicht in der Lage sind, Lipide von CD1 zu entfernen, wenn sie nicht durch andere ersetzt werden können. Das GM2-Aktivatorprotein ist ein Kofaktor für die β-Hexosaminidase A, aber es entfernt auch an mCD1d gebundene Lipide, ohne dass andere Lipide gebunden werden müssen. Eine ähnliche Funktion wurde für das NPC2-Protein festgestellt. CD1e wurde als eine Isoform beschrieben, die nicht in der Lage ist, Lipidantigene zu präsentieren, da sie nicht an der Plasmamembran lokalisiert ist. Die endosomale Lokalisierung und die Ähnlichkeiten in der Bindungstasche, die die verschiedenen CD1-Isoformen gemeinsam haben, legen jedoch nahe, dass CD1e Lipidantigene bindet. Im Jahr 2005 wurde die Rolle von CD1e bei der Verarbeitung von Lipidantigenen durch die Identifizierung von CD1e als Kofaktor für α-Mannosidase nachgewiesen, einem lysosomalen Enzym, das in Gegenwart von CD1e komplexe, nicht-immunogene mykobakterielle Lipide zu antigenen Formen abbaut. Wichtig ist, dass CD1e das Laden und Entladen von Lipiden in CD1d fördert und auch die Lipidpräsentation durch CD1b und CD1c beeinflusst.
Neben der LTP wird der Lipidaustausch von CD1 in endosomalen Kompartimenten auch durch den niedrigen pH-Wert erleichtert, der eine Entspannung der CD1-Struktur bewirkt und eine dynamischere Bindung und Dissoziation von Lipiden fördert.
3. CD1-restringierte T-Zellen
CD1-restringierte T-Zellen können als auf CD1-Moleküle der Gruppe I oder auf CD1d beschränkt klassifiziert werden. CD1d-restringierte T-Zellen werden auch als Natürliche Killer-T-Zellen (NKT) bezeichnet, da die meisten dieser Zellen Oberflächenmarker von NK- und T-Zellen gemeinsam haben. NKT-Zellen werden weiter in zwei Untergruppen unterteilt. NKT-Zellen vom Typ I oder iNKT-Zellen sind durch die Expression eines semi-invarianten TCR (Vα24Jα18Vβ11 beim Menschen und Vα14Jα18 gepaart mit einem begrenzten Repertoire an Vβ-Ketten bei Mäusen) und durch die Erkennung des Lipidantigens α-Galactosylceramid (α-GalCer) gekennzeichnet. NKT-Zellen vom Typ II erkennen eine Vielzahl von Lipidantigenen und exprimieren variable TCRs, wenn auch mit einer Vorliebe für einige Vα- und Vβ-Ketten.
Die CD1-begrenzten T-Zellen der Gruppe I sind polyklonal und durchlaufen wahrscheinlich eine klonale Expansion an der Peripherie, nachdem sie auf ein Antigen gestoßen sind. Dies führt zu einer verzögerten Effektor-Antwort, die mit einer adaptiven-ähnlichen Immunantwort übereinstimmt, ähnlich wie bei den MHC-gebundenen T-Zellen. iNKT-Zellen unterscheiden sich von den meisten T-Zellen durch ihre angeborenen-ähnlichen Funktionen. Nach der Expansion und Reifung im Thymus sind iNKT-Zellen in der Lage, innerhalb von Stunden auf angeborene Signale, wie z. B. Zytokinstimulation, zu reagieren. Sie reagieren jedoch auch auf die TCR-Bindung durch spezifische Antigene und stehen damit in der Mitte zwischen der angeborenen und der adaptiven Immunantwort.
3.1. Adaptiv-ähnliche CD1-gebundene T-Zellen der Gruppe I
Bislang gibt es keine spezifische Methode zur Identifizierung aller lipidspezifischen CD1-gebundenen T-Zellen der Gruppe I. In Studien, in denen selbstreaktive CD1-restringierte T-Zellen der Gruppe I untersucht wurden, wurde jedoch eine hohe Häufigkeit dieser Zellen beschrieben, ähnlich wie sie bei autoreaktiven konventionellen T-Zellen zu beobachten ist. Darüber hinaus sind autoreaktive CD1-restriktive T-Zellen der Gruppe I sowohl im Nabelschnurblut als auch im peripheren Blut in ähnlicher Häufigkeit vorhanden. Sie exprimieren hauptsächlich den Marker CD45RA, aber im peripheren Blut ist eine Abnahme der CD45RA-positiven Zellen im Vergleich zum Nabelschnurblut festzustellen, was mit einem adaptiven Phänotyp übereinstimmt. Ebenfalls in Übereinstimmung mit dem adaptiv-ähnlichen Phänotyp dieser Zellen ist das Vorhandensein von Mycobacterium-tuberculosis-spezifischen CD1b-restringierten T-Zellen von einem früheren Kontakt mit M. tuberculosis abhängig.
Bei Aktivierung weisen CD1-restringierte T-Zellen der Gruppe I einen Th0- oder Th1-Phänotyp auf und produzieren große Mengen von IFN-γ und TFN-α. Sie können auch eine zytotoxische Aktivität aufweisen und die Lyse von intrazellulären Mykobakterien induzieren.
CD1a-gebundene T-Zellen gehören zu den häufigsten selbstreaktiven CD1-gebundenen T-Zellen im peripheren Blut. Außerdem sind sie häufig in der Haut zu finden. CD1a-gebundene T-Zellen der Haut werden aktiviert, wenn sie mit dem von Langerhans-Zellen exprimierten CD1a in Kontakt kommen. Nach der Aktivierung produzieren sie IFN-γ, IL-2 und IL-22, ein Zytokin, von dem vermutet wird, dass es eine Rolle bei der Hautimmunität spielt. CD1a-gebundene T-Zellen sind insofern einzigartig, als ihr TCR das CD1a-Molekül direkt erkennen kann, ohne dass ein Lipidantigen miterkannt wird. Selbstliganden für CD1a können entweder permissiv sein, wie z. B. Lysophosphatidylcholin, das die Aktivierung autoreaktiver T-Zellen ermöglicht, da es den Kontakt des CD1a mit dem TCR erlaubt, oder nichtpermissiv, wie z. B. Sphingomyelin, das die TCR-CD1a-Kontaktzone unterbricht und auf diese Weise die Aktivierung von CD1a-restringierten T-Zellen nicht zulässt. Dennoch wurde gezeigt, dass einige CD1a-gebundene T-Zellklone Antigene erkennen, die aus der CD1a-Tasche herausragen, wie z. B. Sulfatid, was darauf hindeutet, dass einige TCRs ein Lipid-Antigen zur Erkennung benötigen.
Die Zahl der CD1b-gebundenen selbstreaktiven T-Zellen im Blut ist sehr gering. CD1b-restringierte T-Zellen scheinen bei der mykobakteriellen Immunität besonders wichtig zu sein. Kürzlich wurde gezeigt, dass Lipide von Staphylococcus aureus, Brucella melitensis und Salmonella Typhimurium CD1b-restringierte T-Zellen aktivieren. Interessanterweise zeigten diese Zellen auch Autoreaktivität, was darauf hindeutet, dass Bakterien und Säugetierzellen CD1b-Antigene teilen.
Die Häufigkeit von CD1c-autoreaktiven T-Zellen ist in der Literatur nicht einheitlich, wobei eine Studie von einer sehr geringen Häufigkeit berichtet und eine zweite Studie von einer mittleren Häufigkeit zwischen den sehr häufigen CD1a-autoreaktiven T-Zellen und den wenig häufigen CD1b- und CD1d-autoreaktiven T-Zellen. Obwohl CD1c in DCs und B-Zellen aus peripherem Blut weit verbreitet ist, wurden nur Sulfatid und mLPA als von CD1c präsentierte Selbstantigene identifiziert (Tabelle 1). Ähnlich wie bei anderen CD1-begrenzten T-Zellen induzieren mykobakterielle Lipide CD1c-abhängige T-Zell-Reaktionen (Tabelle 1).
3.2. Innate-Like CD1-restringierte T-Zellen: iNKT-Zellen
iNKT-Zellen lassen sich leicht durch Färbung mit CD1d-Tetrameren, die mit α-GalCer beladen sind, oder mit Antikörpern gegen den semi-invarianten TCR identifizieren. Sie sind daher die am besten untersuchten lipidspezifischen T-Zellen. Die Häufigkeit von iNKT-Zellen variiert zwischen Mäusen und Menschen. Bei Mäusen kommen iNKT-Zellen häufiger in der Leber und im Fettgewebe vor und sind zu einem geringeren Prozentsatz in Thymus, Milz, Knochenmark, peripherem Blut und Lymphknoten vorhanden. Beim Menschen sind iNKT-Zellen häufiger im Fettgewebe, gefolgt von der Leber, und treten zu einem geringeren Prozentsatz in der Milz, im peripheren Blut, in den Lymphknoten, im Knochenmark und im Thymus auf.
Ein wichtiges Merkmal der iNKT-Zellen hängt mit ihrer Fähigkeit zusammen, bei Stimulierung schnell große Mengen an Zytokinen zu produzieren, entweder auf eine TCR-abhängige oder unabhängige Weise. Dieser angeborene Phänotyp von iNKT-Zellen wird auch durch die Expression von CD45RO beim Menschen und CD44 bei Mäusen sowie des frühen Aktivierungsmarkers CD69 belegt. Darüber hinaus weisen iNKT-Zellen eine hohe Autoreaktivität auf. Bis heute sind die Mechanismen, die die Kontrolle der Autoreaktivität von iNKT-Zellen ermöglichen, nicht vollständig geklärt. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass einige Eigenlipide in der Lage sind, die Aktivierung von iNKT-Zellen zu hemmen, und daher möglicherweise als Begrenzer der iNKT-Zellaktivierung fungieren.
Die Entwicklung von iNKT-Zellen beginnt im Thymus durch Interaktionen von CD1d, das mit Selbstantigenen beladen ist, die in doppelt-positiven (DP) Thymozyten exprimiert werden, mit DP-Thymozyten, die den semi-invarianten TCR exprimieren. Diese Interaktion führt schließlich zur Expression des Transkriptionsfaktors PLZF und zur Reifung von iNKT-Zellen. In Mäusen exprimieren iNKT-Zellen verschiedene Arten von Transkriptionsfaktoren, die sie zu NKT1-, NKT2- oder NKT17-Untergruppen machen (Tabelle 2).
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| In C57BL/6-Mäusen. hi: hoch; lo: niedrig. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
NKT1-Zellen exprimieren hauptsächlich IFN-γ, hohe Mengen an T-bet und geringe Mengen an GATA3. Sie sind auch durch die Expression von NK1.1, das Fehlen von IL-17RB und die Abhängigkeit von IL-15 gekennzeichnet. Während der Differenzierung regulieren diese Zellen PLZF herunter.
NKT2-Zellen produzieren hauptsächlich IL-4 und sind durch die Expression des Transkriptionsfaktors GATA-3 gekennzeichnet. Sie sind hauptsächlich in der Lunge lokalisiert und kommen bei BALB/c-Mäusen häufiger vor. Im Gegensatz zu NKT1-Zellen sind NKT2-Zellen für ihre Entwicklung auf die Expression von IL-17RB angewiesen und exprimieren hohe Konzentrationen von PLZF . Beim Menschen sind die funktionellen Eigenschaften von CD4+ iNKT-Zellen in hohem Maße mit dem NKT2-Phänotyp assoziiert.
Die NKT17-Untergruppe ist durch die bevorzugte Produktion von IL-17 und IL-22 anstelle von IL-4 und IFN-γ gekennzeichnet. Sie wurden innerhalb der NK1.1- CD4-Zellen identifiziert und sind hauptsächlich in der Lunge, den Lymphknoten und der Haut zu finden. Kürzlich wurde nachgewiesen, dass sie Syndecan-1 exprimieren. Obwohl einige IL-17-produzierende Zellen im Thymus auf dieses Schicksal festgelegt sind, können iNKT-Zellen diese Fähigkeit unter bestimmten Bedingungen auch in der Peripherie erwerben. Auf der Transkriptionsebene wird die Entwicklung von NKT17-Zellen durch ThPOK unterdrückt und durch die Expression von RORγt vorangetrieben. Es wurde auch gezeigt, dass das E-Protein eine wichtige Rolle bei der Festlegung von Untergruppen spielt. Eine erhöhte Expression dieses Proteins führt zu einer Verringerung der NKT1-Zellen und zu einer Zunahme der NKT2- und NKT17-Zellen.
Bislang war die Existenz dieser Untergruppen beim Menschen nicht geklärt. Daher werden beim Menschen iNKT-Zelluntergruppen nach wie vor anhand der Expression von Zelloberflächenmolekülen (wie CD4 und CD8) und der Zytokinproduktion definiert. Im Gegensatz zu Mäusen können iNKT-Zellen beim Menschen nur CD4, nur CD8 oder keines der Moleküle exprimieren. Wichtig ist, dass die Expression von CD4 und CD8 funktionell unterschiedliche Untergruppen definiert. CD4-iNKT-Zellen (zu denen sowohl CD8+ als auch doppelt negative Zellen gehören) sind durch einen Th0-Phänotyp gekennzeichnet, während CD4+-iNKT-Zellen tendenziell größere Mengen an Th2-Zytokinen produzieren. Unter den CD4-iNKT-Zellen weisen diejenigen, die CD8 exprimieren, eine Th1-Ausrichtung auf und produzieren im Vergleich zu den doppelt negativen Zellen größere Mengen an IFN-γ und fast kein IL-4. Sie weisen auch die höchste zytotoxische Aktivität auf. Eine andere Untergruppe ist durch Zellen gekennzeichnet, die IL-17 produzieren, die als Reaktion auf proinflammatorische Bedingungen entstehen und CD161 exprimieren. Es ist daher notwendig, die verschiedenen Untergruppen der iNKT-Zellen in der Pathologie zu analysieren, da ihre Auswirkungen auf Krankheiten unterschiedlich sein können. In der Tat wurden bei der Fabry-Krankheit, einer lysosomalen Speicherkrankheit, die durch eine Anhäufung von Glykosphingolipiden gekennzeichnet ist, Veränderungen in den CD4+/CD4-Untergruppen der iNKT-Zellen beschrieben, obwohl im peripheren Blut der Patienten ein normaler Prozentsatz an iNKT-Zellen insgesamt festgestellt wurde.
3.3. Typ-II-NKT-Zellen: Eine gemischte Population von angeborenen und adaptiven T-Zellen
Typ-II-NKT-Zellen sind die häufigsten CD1d-restringierten T-Zellen beim Menschen, stellen aber bei Mäusen die Minderheit dar. Im Gegensatz zu den iNKT-Zellen exprimieren die NKT-Zellen vom Typ II verschiedene TCRs und reagieren auf eine Vielzahl von Lipidantigenen, die entweder selbst oder nicht selbst stammen (Tabelle 1). Daher ist die Identifizierung der gesamten Population von Typ-II-NKT-Zellen derzeit eine Herausforderung. Zunächst wurde durch den Vergleich von MHC-defizienten Mäusen (denen konventionelle T-Zellen fehlen) mit MHC/CD1d-Doppelknockouts eine Population von CD4+ nicht-α-GalCer-reaktiven T-Zellen beschrieben, die einen Effektor-Gedächtnis-Phänotyp und eine Vorliebe für einige autoreaktive TCRs aufweisen.
Kürzlich wurde anhand von 4get-Mäusen (bei denen IL-4 exprimierende Zellen GFP+ sind) gezeigt, dass Typ-II-NKT-Zellen konstitutiv IL-4 exprimieren. Daher wurden diese Mäuse mit Jα18-/- gekreuzt, um ein Modell zu erhalten, in dem Typ-II-NKT-Zellen durch GFP-Expression identifiziert werden. Eine polyklonale Population, die einige Entwicklungsmerkmale mit iNKT-Zellen teilt, wurde charakterisiert. Ein Mangel an SAP und PLZF beeinträchtigt die Entwicklung von iNKT-Zellen, führt aber auch zu einer Verringerung des Anteils an Typ-II-NKT-Zellen. Phänotypisch sind diese polyklonalen Typ-II-NKT-Zellen den iNKT-Zellen sehr ähnlich. Sie sind durch einen aktivierten Gedächtniszustand gekennzeichnet, der durch die Expression von CD69 und CD44 bestimmt wird. Was die Expression von Korezeptoren betrifft, so können sie nur CD4 oder weder CD4 noch CD8 exprimieren. Hinsichtlich der Zytokinproduktion unterscheiden sie sich jedoch von den iNKT-Zellen. Sie produzieren weniger IL-4 und weniger IFN-γ, aber ähnliche Mengen an IL-13 und GM-CSF. Obwohl sie polyklonal sind, zeigen Typ-II-NKT-Zellen eine Tendenz zur Verwendung von TCR Vβ 8.1/8.2-Ketten.
Ein anderer Ansatz zur Charakterisierung von Typ-II-NKT-Zellen beruht auf der Verwendung von CD1d-Tetrameren, die mit Lipidantigenen beladen sind. Die Färbung von humanen PBMCs mit Sulfatid-beladenen CD1d-Tetrameren zeigte, dass die meisten Sulfatid-reaktiven NKT-Zellen γδ-TCRs besitzen, die das Vδ1-Segment exprimieren. Ein anderer Bericht, der β-Glucosylceramid- und β-Glucosylsphingosin-spezifische Typ-II-NKT-Zellen charakterisierte, zeigte, dass diese Zellen CD4 oder CD8 exprimieren können. Darüber hinaus können diese Zellen nach Injektion von Antigen in einen T-Follikel-Helfer-Phänotyp übergehen und die Antikörperproduktion, die Bildung von Keimzentren und die Differenzierung von B-Zellen in Plasmablasten induzieren, was auf eine Rolle bei der Hilfe für B-Zellen hinweist, wie sie zuvor für iNKT-Zellen beschrieben wurde. Wichtig ist, dass die in dieser Studie identifizierten β-Glucosylceramid- und β-Glucosylsphingosin-spezifischen Typ-II-NKT-Zellen hauptsächlich CD45RA exprimierten, was mit einem naiven Phänotyp übereinstimmt, anstelle des zuvor bei Mäusen beschriebenen Effektor-Gedächtnis-Phänotyps .
Insgesamt deuten diese Studien darauf hin, dass Typ-II-NKT-Zellen eine heterogene Gruppe von CD1d-begrenzten T-Zellen darstellen, mit Zellen, die eine angeborene Reaktion ähnlich wie iNKT-Zellen zeigen, aber auch mit anderen Zellen, die adaptive Immunfunktionen aufweisen. Der relative Beitrag der angeborenen und adaptiven Zellen zur Gesamtgruppe der Typ-II-NKT-Zellen ist noch unklar.
4. Abschließende Bemerkungen
Lipid-spezifische CD1-gebundene T-Zellen stellen einen wichtigen Teil des Immunsystems dar. Allerdings konnten die bisherigen Studien CD1-restringierte T-Zellen nicht vollständig charakterisieren und eindeutig in die angeborene oder adaptive Immunantwort einbeziehen. Stattdessen stehen sie an der Kreuzung dieser Reaktionen und könnten eine wichtige Rolle bei der Überbrückung des adaptiven und des angeborenen Arms des Immunsystems spielen. Eine vollständige Charakterisierung der lipidspezifischen CD1-restringierten T-Zellen wird durch den Mangel an spezifischen Markern zur Identifizierung der verschiedenen CD1-restringierten T-Zellpopulationen erschwert. Daher stammen die meisten verfügbaren Informationen über diese Zellen aus der Untersuchung einzelner T-Zell-Klone. Obwohl diese Informationen wertvoll sind, sind sie möglicherweise nicht repräsentativ für die Dynamik in vivo. In den letzten Jahren wurden auf diesem Gebiet große Fortschritte erzielt, vor allem durch die Entwicklung von CD1-Tetrameren, die mit Lipidantigenen beladen sind. Mit Hilfe von CD1-Tetrameren ist es möglich, lipidspezifische CD1-restringierte T-Zellen ex vivo zu analysieren und sie phänotypisch und funktionell zu charakterisieren. Es wurde gezeigt, dass Lipidantigene in Krebszellen und Infektionserregern vorhanden sind, und daher ist die vollständige Kenntnis dieser Zellen wichtig, um neue Strategien gegen Krebs und Infektionskrankheiten zu entwickeln.
Konkurrierende Interessen
Die Autoren erklären, dass es keinen Interessenkonflikt bezüglich der Veröffentlichung dieser Arbeit gibt.
Danksagungen
Finanzielle Unterstützung wurde durch das Projekt Norte-01-0145-FEDER-000012 gewährt, das vom regionalen operationellen Programm NORTE Portugal (NORTE 2020) im Rahmen des Partnerschaftsabkommens PORTUGAL 2020 durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert wurde. Catia S. Pereira wurde von der Fundação para a Ciência e a Tecnologia (SFRH/BD/79211/2011) unterstützt.
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