Mikrobiologie, Immunologie, Virologie - Exam

Aufgabe 1)

Du wirst gebeten, ein Szenario zu betrachten, in dem ein Bakterium eine Infektion in einem menschlichen Wirt verursacht. Die folgenden Mechanismen wurden für die Virulenz des Bakteriums festgestellt:

• Adhäsion: Anheftung an Wirtszellen durch Pili, Fimbrien oder Adhäsine
• Invasion: Eindringen in Wirtsgewebe, oft durch Enzyme wie Hyaluronidase und Kollagenase
• Immunevasion: Umgehen des Immunsystems mittels Kapseln, Biofilme und Antigenvariation
• Toxinproduktion: Exotoxine wie Ab-Toxine und Endotoxine (LPS)
• Eisenaufnahme: Sequestration von Eisen durch Siderophore und Transportproteine
• Quorum sensing: Regulierung der Genexpression in Abhängigkeit von der Zelldichte

a)

Teilaufgabe A: Erläutere detailliert die Rolle von Hyaluronidase und Kollagenase bei der bakteriellen Invasion des Wirtsgewebes. Warum sind diese Enzyme für die Pathogenität des Bakteriums von besonderer Bedeutung?

Lösung:

Teilaufgabe A: Erläutere detailliert die Rolle von Hyaluronidase und Kollagenase bei der bakteriellen Invasion des Wirtsgewebes. Warum sind diese Enzyme für die Pathogenität des Bakteriums von besonderer Bedeutung?

Hyaluronidase und Kollagenase sind Enzyme, die eine wichtige Rolle bei der bakteriellen Invasion des Wirtsgewebes spielen. Sie helfen Bakterien dabei, die strukturellen Barrieren des Wirtsgewebes zu überwinden und somit tief in das Gewebe einzudringen, um eine Infektion zu verursachen.

• Hyaluronidase: Dieses Enzym baut Hyaluronsäure ab, welche ein wichtiger Bestandteil der extrazellulären Matrix ist und die Zellen im Gewebe zusammenhält. Durch den Abbau der Hyaluronsäure wird die extrazelluläre Matrix destabilisiert, was den Bakterien das Eindringen und die Ausbreitung im Wirtsgewebe erleichtert. Hyaluronidase erhöht somit die Permeabilität der Gewebe und unterstützt die Verbreitung der Infektion.
• Kollagenase: Kollagenase ist ein Enzym, das Kollagen abbaut, ein weiteres wesentliches Strukturprotein in der extrazellulären Matrix. Kollagen bildet einen Großteil des Bindegewebes und verleiht dem Gewebe Stärke und Integrität. Durch den Abbau von Kollagen können Bakterien Hindernisse überwinden und tiefer in das Gewebe eindringen. Dies erleichtert nicht nur die Ausbreitung der Infektion, sondern ermöglicht es den Bakterien auch, sich in Geweben zu verstecken und schwer auffindbar für das Immunsystem zu werden.

Pathogenität: Diese Enzyme sind für die Pathogenität des Bakteriums von besonderer Bedeutung, da sie es dem Pathogen ermöglichen:

• Effektiv in den Wirtsorganismus einzudringen und sich auszubreiten.
• Den natürlichen Abwehrmechanismen des Wirts zu entkommen, indem sie Gewebestrukturen abbauen und Nischen für sich schaffen, wo sie weniger anfällig für das Immunsystem sind.
• Die strukturellen Barrieren des Gewebes zu durchbrechen, was zu einer effizienteren Verbreitung der Infektion führt.

Zusammengefasst ermöglichen Hyaluronidase und Kollagenase den Bakterien, die strukturellen Barrieren des Wirtsgewebes zu durchbrechen, das Immunsystem zu umgehen und sich innerhalb des Wirts auszubreiten, was ihre Rolle bei der bakteriellen Pathogenität besonders hervorhebt.

b)

Teilaufgabe B: Betrachte die Toxinproduktion des Bakteriums. Angenommen, das Bakterium produziert ein AB-Toxin. Erkläre den Mechanismus dieses Toxins und beschreibe, wie es die Wirtszelle schädigt. Verwende zur Verdeutlichung eine Skizze des AB-Toxin Mechanismus.

Lösung:

Teilaufgabe B: Betrachte die Toxinproduktion des Bakteriums. Angenommen, das Bakterium produziert ein AB-Toxin. Erkläre den Mechanismus dieses Toxins und beschreibe, wie es die Wirtszelle schädigt. Verwende zur Verdeutlichung eine Skizze des AB-Toxin Mechanismus.

AB-Toxine sind eine Klasse von Exotoxinen, die aus zwei Komponenten bestehen: der A-Komponente und der B-Komponente. Diese Komponenten spielen unterschiedliche, aber komplementäre Rollen bei der Vermittlung der Toxizität des Bakteriums.

• A-Komponente: Dies ist die aktive enzymatische Komponente des Toxins, die die eigentliche toxische Wirkung auf die Wirtszelle ausübt. Sie wird häufig in das Zytoplasma der Wirtszelle aufgenommen, wo sie spezifische zelluläre Funktionen stört.
• B-Komponente: Diese Komponente bindet spezifisch an Rezeptoren auf der Oberfläche der Wirtszelle. Die Bindung der B-Komponente ermöglicht es der A-Komponente, in die Zelle einzudringen.

Mechanismus des AB-Toxins:

1. Bindung an die Zielzelle: Die B-Komponente des Toxins bindet spezifisch an Rezeptoren auf der Oberfläche der Wirtszelle. Diese Bindung ist der erste Schritt im Prozess der Zellschädigung.
2. Endozytose: Nach der Bindung wird das Toxin-Rezeptor-Komplex von der Wirtszelle durch Endozytose internalisiert. Dadurch gelangt das Toxin in Vesikel innerhalb der Zelle.
3. Aktivierung und Freisetzung: Im Inneren der Zelle wird die A-Komponente vom Rest des Toxins abgespalten und aktiviert. Dies geschieht oft durch Veränderungen der pH-Werte oder enzymatische Prozesse innerhalb der Endozytenvesikel.
4. Wirkung auf die Zelle: Die aktivierte A-Komponente gelangt in das Zytoplasma der Wirtszelle und interferiert mit normalen zellulären Prozessen. Ein bekanntes Beispiel ist das Cholera-Toxin, bei dem die A-Komponente die Adenylatcyclase aktiviert und zu einem unkontrollierten Anstieg von cAMP führt. Dies stört den Ionenhaushalt und kann zu schwerem Durchfall führen.

Diese Schritte können in der folgenden Skizze des AB-Toxin Mechanismus veranschaulicht werden:

Zusammenfassung: AB-Toxine bestehen aus zwei Funktionseinheiten: einer Bindungseinheit (B-Komponente) und einer aktiven Einheit (A-Komponente). Sie schädigen Wirtszellen, indem sie an spezifische Rezeptoren binden, in die Zelle eindringen, und dann spezifische zelluläre Prozesse stören, die zur Zellschädigung und Krankheitssymptomen führen.

Aufgabe 2)

Ein bakterielle Pathogen hat mehrere Mechanismen entwickelt, um im Wirt Krankheiten zu verursachen. Zu diesen Mechanismen gehören die Produktion von Toxinen, die Verwendung von Adhäsinen zur Anhaftung an Wirtszellen, die Nutzung von Invasinen zur Förderung der Invasion und Eindringen in Wirtsgewebe sowie die Produktion von Enzymen, die das Gewebe des Wirts abbauen. Darüber hinaus besitzen einige Bakterien Mechanismen zur Immunevasion, die ihnen helfen, dem Immunsystem des Wirts zu entkommen.

a)

(a) Erkläre den Unterschied zwischen Endotoxinen und Exotoxinen. Beschreibe dabei jeweils ein Beispiel und wie diese beiden Toxintypen Zellfunktionen stören oder Zellen zerstören können.

Lösung:

(a) Unterschied zwischen Endotoxinen und Exotoxinen:

• Endotoxine: Endotoxine sind Bestandteile der äußeren Membran von gramnegativen Bakterien. Sie bestehen hauptsächlich aus Lipopolysacchariden (LPS). Ein Beispiel für ein Endotoxin ist das Lipid A, das Teil des LPS ist und toxische Wirkung entfaltet, wenn die Bakterien absterben und zerfallen. Endotoxine sind hitzestabil und können Fieber, Entzündungen und sogar septischen Schock verursachen. Beispielsweise kann das Endotoxin von Escherichia coli (E. coli) zu einer schweren Entzündungsreaktion führen, die als septischer Schock bekannt ist.
• Exotoxine: Im Gegensatz dazu werden Exotoxine von Bakterien aktiv sekretiert und können von sowohl grampositiven als auch gramnegativen Bakterien stammen. Sie sind meist Proteine und wärmeempfindlich. Ein Beispiel für ein Exotoxin ist das Diphtherietoxin, das von Corynebacterium diphtheriae produziert wird. Exotoxine wirken oft hochspezifisch auf Zielstrukturen im Körper und können Enzymaktivitäten hemmen oder Membranstrukturen zerstören. Das Diphtherietoxin inaktiviert beispielsweise den Elongationsfaktor EF-2, was zur Hemmung der Proteinsynthese in Wirtszellen und somit zu Zellschäden und -tod führt.

b)

(b) Bakterien verwenden Adhäsine, um sich an Wirtszellen anzuheften. Erläutere den Mechanismus der Adhäsion und wie Mutationen in Adhäsin-Genen die Virulenz eines Bakteriums beeinflussen könnten.

Lösung:

(b) Mechanismus der Adhäsion und Einfluss von Mutationen in Adhäsin-Genen auf die Virulenz:

• Mechanismus der Adhäsion: Adhäsine sind spezielle Proteine oder Glykoproteine auf der Oberfläche von Bakterien, die es den Bakterien ermöglichen, an spezifischen Rezeptoren auf der Oberfläche von Wirtszellen zu haften. Dieser Prozess der Adhäsion ist oft der erste Schritt bei der bakteriellen Infektion. Adhäsine erkennen und binden an bestimmte Moleküle auf der Oberfläche der Wirtszelle, wie beispielsweise Glykokonjugate oder Integrine. Durch diese Interaktion wird die Bindung des Bakteriums an die Wirtszelle stabilisiert, wodurch das Bakterium an Ort und Stelle bleibt und seine Kolonisierung des Wirtsgewebes beginnen kann.
• Einfluss von Mutationen in Adhäsin-Genen auf die Virulenz: Mutationen in den Genen, die für Adhäsine kodieren, können eine Vielzahl von Auswirkungen auf die Virulenz eines Bakteriums haben. Wenn eine Mutation die Struktur des Adhäsins verändert, kann dies seine Fähigkeit, an die entsprechenden Rezeptoren auf der Wirtszelle zu binden, beeinträchtigen. Eine solche Veränderung könnte die Effizienz der Adhäsion verringern oder sie sogar verhindern, was die Fähigkeit des Bakteriums einschränkt, eine Infektion zu etablieren. Andererseits könnten bestimmte Mutationen zu einer verbesserten Bindung oder einer erweiterten Spezifizität der Adhäsine führen, was die Virulenz des Bakteriums erhöhen könnte. Letztlich hängt die Auswirkung von Mutationen stark davon ab, wie sie die Struktur und Funktion des Adhäsins beeinflussen.

c)

(c) Einige Bakterienarten nutzen Enzyme wie Kollagenase und Hyaluronidase, um das Gewebe des Wirts abzubauen. Berechne, wie viel Kollagenase (in mg) benötigt wird, um 10 g Kollagen zu degradieren, wenn die Enzymaktivität 4 U/mg beträgt und eine Einheit (U) 1 mg Kollagen pro Minute abbaut.

Lösung:

(c) Berechnung der benötigten Menge an Kollagenase:

Gegeben:

• Enzymaktivität: 4 U/mg
• 1 Einheit (U) baut 1 mg Kollagen pro Minute ab.
• Zu degradierende Kollagenmenge: 10 g (10.000 mg)

Lass uns Schritt für Schritt zur Lösung gelangen:

• Erstens berechnen wir die Anzahl der Enzymeinheiten (U), die benötigt werden, um 10.000 mg Kollagen abzubauen:

\[ \text{{Gesamt benötigte Enzymeinheiten}} = 10.000 \text{{ mg Kollagen}} \times \frac{{1 \text{{ U}}}}{{1 \text{{ mg Kollagen}}}} = 10.000 \text{{ U}} \]

• Als Nächstes verwenden wir die Enzymaktivität, um die benötigte Menge an Kollagenase in mg zu berechnen:

\[ \text{{Menge an Kollagenase (mg)}} = \frac{{\text{{Gesamt benötigte Enzymeinheiten}}}}{{\text{{Enzymaktivität (U/mg)}}}} = \frac{{10.000 \text{{ U}}}}{{4 \text{{ U/mg}}}} = 2.500 \text{{ mg}} \]

Es werden also 2.500 mg Kollagenase benötigt, um 10 g Kollagen zu degradieren.

Aufgabe 3)

Angeborene und adaptive Immunität:Die angeborene Immunität stellt die erste Verteidigungslinie gegen Pathogene dar und zeichnet sich durch eine schnelle, nicht-spezifische Antwort aus. Diese umfasst physikalische Barrieren, Phagozyten, NK-Zellen und das Komplementsystem. Die adaptive Immunität dagegen reagiert langsamer, ist spezifisch und besitzt ein Gedächtnis. Zu den wichtigen Mechanismen der adaptiven Immunität zählen die klonale Selektion, Antigenpräsentation und das Immungedächtnis.

• Angeborene Immunität erkennt Pathogen-assoziierte molekulare Muster (PAMPs) über Mustererkennungsrezeptoren (PRRs).
• Adaptive Immunität erkennt spezifische Antigene durch hochspezifische Rezeptoren auf B- und T-Zellen.
• Dauerhafte Immunität resultiert größtenteils aus der adaptiven Immunantwort.

a)

Erkläre die Rolle der klonalen Selektion in der adaptiven Immunität. Welche Schritte beinhaltet dieser Prozess und warum ist er essentiell für die spezifische Immunantwort?

Lösung:

Die Rolle der klonalen Selektion in der adaptiven Immunität: Die klonale Selektion ist ein zentraler Mechanismus in der adaptiven Immunität, der sicherstellt, dass spezifische Immunantworten gegen Antigene effizient und gezielt sind. Im Folgenden werden die Schritte dieses Prozesses detailliert erläutert:

• Erkennung und Bindung des Antigens: Ein bestimmtes Antigen wird von einem reifen naiven B- oder T-Lymphozyten erkannt. Dieser Lymphozyt besitzt hochspezifische Rezeptoren, die ausschließlich das entsprechende Antigen binden können.
• Aktivierung der Lymphozyten: Die Bindung des Antigens an seinen spezifischen Rezeptor aktiviert den Lymphozyten. Dies geschieht oft durch kostimulatorische Signale von Zellen, die das Antigen präsentiert haben, wie z.B. dendritische Zellen.
• Proliferation: Der aktivierte Lymphozyt beginnt sich zu teilen und kloniert sich selbst. Dies führt zu einer großen Anzahl von Tochterzellen, die alle identische Antigenrezeptoren besitzen.
• Differenzierung: Einige der klonierten Zellen differenzieren sich weiter zu Effektorzellen. B-Lymphozyten werden zu Plasmazellen, die Antikörper gegen das Antigen produzieren, während T-Lymphozyten zu cytotoxischen T-Zellen oder zu T-Helferzellen differenzieren, die andere Immunzellen aktivieren.
• Bildung eines Immungedächtnisses: Ein Teil der klonierten Lymphozyten differenziert sich zu Gedächtniszellen. Diese Zellen bleiben langfristig im Körper und ermöglichen eine schnelle und effektive Antwort bei einer erneuten Exposition gegenüber demselben Antigen.

Essentielle Bedeutung für die spezifische Immunantwort: Die klonale Selektion ist entscheidend, weil sie die Spezifität und die Stärke der adaptiven Immunantwort gewährleistet. Durch diesen Mechanismus wird sichergestellt, dass nur die Lymphozyten, die das spezifische Antigen erkannt haben, aktiviert und vermehrt werden. Dies führt zu einer gezielten Eliminierung der Pathogene, während gleichzeitig Gedächtniszellen gebildet werden, die eine schnellere und effizientere Antwort bei einer erneuten Infektion ermöglichen. Die klonale Selektion trägt somit zur enormen Anpassungsfähigkeit und Effizienz des adaptiven Immunsystems bei.

b)

Vergleiche und kontrastiere die Erkennungsmechanismen von PAMPs durch PRRs in der angeborenen Immunität und die Erkennung spezifischer Antigene durch B- und T-Zell-Rezeptoren in der adaptiven Immunität. Welche Unterschiede und Gemeinsamkeiten bestehen?

Lösung:

Vergleich und Kontrast der Erkennungsmechanismen von PAMPs durch PRRs in der angeborenen Immunität und der Erkennung spezifischer Antigene durch B- und T-Zell-Rezeptoren in der adaptiven Immunität:

• Angeborene Immunität:

• Erkennungsmechanismen: Die angeborene Immunität nutzt Mustererkennungsrezeptoren (PRRs), um Pathogen-assoziierte molekulare Muster (PAMPs) zu erkennen, die auf der Oberfläche oder innerhalb von Pathogenen wie Bakterien, Viren und Pilzen vorkommen.
• Spektrum der Erkennung: PRRs sind unspezifisch und erkennen weit verbreitete molekulare Muster, die in vielen verschiedenen Pathogenarten vorkommen. Ein PRR kann viele verschiedene PAMPs erkennen.
• Schnelligkeit der Reaktion: Die Reaktion der angeborenen Immunität erfolgt schnell, oft innerhalb von Minuten bis Stunden nach der Infektion.
• Gedächtnisfunktion: Die angeborene Immunität besitzt kein Gedächtnis; jede Begegnung mit einem Pathogen erfolgt unabhängig von früheren Begegnungen.

• Adaptive Immunität:

• Erkennungsmechanismen: Die adaptive Immunität verwendet hochspezifische Rezeptoren auf B- und T-Lymphozyten, um spezifische Antigene zu erkennen. Diese Rezeptoren werden während der Entwicklung der Lymphozyten durch einen Prozess der somatischen Rekombination erzeugt.
• Spektrum der Erkennung: B- und T-Zell-Rezeptoren sind hochspezifisch und können nur ein individuelles Antigen oder sehr ähnliche Antigene erkennen. Jeder B- oder T-Lymphozyt hat einzigartige Rezeptorspezifität.
• Schnelligkeit der Reaktion: Die adaptive Immunantwort erfolgt langsamer als die angeborene, meist Tage nach der ersten Exposition gegenüber dem Antigen, da die spezifischen Lymphozyten erst aktiviert und proliferieren müssen.
• Gedächtnisfunktion: Die adaptive Immunität hat ein Gedächtnis; Gedächtniszellen ermöglichen eine schnellere und stärkere Reaktion bei einer erneuten Exposition gegenüber demselben Pathogen.

• Gemeinsamkeiten:

• Beide Systeme sind essenziell für den Schutz des Körpers vor Infektionen.
• Beide erkennen und bekämpfen Pathogene, jedoch auf unterschiedliche Weisen.
• Einige Signalwege und Reaktionsmechanismen können sich überschneiden oder kooperativ wirken, um eine effektive Immunantwort zu gewährleisten.

Unterschiede:

• Der wichtigste Unterschied liegt in der Spezifität der Erkennung: PRRs sind breit gefächert, während B- und T-Zell-Rezeptoren hochspezifisch sind.
• Während die angeborene Immunität sofort reagiert, erfordert die adaptive Immunität mehr Zeit zur Aktivierung und Proliferation spezifischer Lymphozyten.
• Nur die adaptive Immunität entwickelt ein Gedächtnis, das eine effektivere und schnellere Reaktion bei wiederholtem Kontakt mit demselben Pathogen ermöglicht.

Durch diese Unterschiede und Gemeinsamkeiten arbeiten die angeborene und adaptive Immunität zusammen, um den Körper effektiv gegen eine Vielzahl von Pathogenen zu verteidigen.

c)

Betrachte ein Szenario, in dem ein Individuum zum ersten Mal mit einem spezifischen Pathogen konfrontiert wird. Beschreibe detailliert, wie die angeborene und adaptive Immunität zusammenarbeiten, um diesen Erreger zu bekämpfen. Füge eine mathematische Schätzung der zeitlichen Abfolge der Immunantworten hinzu, indem Du die durchschnittliche Zeit der Aktivierung für angeborene und adaptive Immunmechanismen angibst.

Lösung:

Szenario: Erste Konfrontation mit einem spezifischen Pathogen:In diesem Szenario wird ein Individuum zum ersten Mal mit einem spezifischen Pathogen konfrontiert. Sowohl die angeborene als auch die adaptive Immunität arbeiten zusammen, um den Erreger effektiv zu bekämpfen. Hier ist eine detaillierte Beschreibung der Zusammenarbeit beider Immunsysteme mit einer mathematischen Schätzung der zeitlichen Abfolge der Immunantworten:

• Phase 1: Angeborene Immunität (innerhalb von Sekunden bis Stunden nach der Infektion)

• Physikalische Barrieren: Die erste Verteidigungslinie ist die physikalische Barriere der Haut und Schleimhäute, die das Eindringen von Pathogenen verhindern.
• Phagozyten: Sollten Pathogene diese Barrieren überwinden, erkennen und fressen Phagozyten (z.B. Makrophagen und neutrophile Granulozyten) die Pathogene schnell. Diese Zellen nutzen PRRs, um PAMPs auf den Pathogenen zu erkennen.
• Entzündungsreaktion: Die Aktivierung von PRRs führt zur Freisetzung von pro-inflammatorischen Zytokinen und Chemokinen, die eine Entzündungsreaktion auslösen. Diese Reaktion erhöht die Durchblutung und zieht weitere Immunzellen an die Infektionsstelle.
• NK-Zellen und das Komplementsystem: Natürliche Killerzellen (NK-Zellen) zerstören infizierte Zellen, und das Komplementsystem unterstützt die Zerstörung von Pathogenen durch Lyse und Opsonierung.

• Phase 2: Adaptive Immunität (innerhalb von Tagen nach der Infektion)

• Antigenpräsentation: Dendritische Zellen nehmen die Pathogene auf, verarbeiten sie und präsentieren deren Antigene auf ihrer Oberfläche. Diese antigenpräsentierenden Zellen wandern zu den Lymphknoten.
• Aktivierung und klonale Selektion: In den Lymphknoten präsentieren die dendritischen Zellen die Antigene den naiven B- und T-Zellen. Nur die Zellen, deren Rezeptoren spezifisch für das präsentierte Antigen sind, werden aktiviert. Dies dauert typischerweise etwa 1-2 Tage.
• Proliferation und Differenzierung: Die aktivierten B- und T-Zellen beginnen sich zu teilen und klonieren sich selbst, was 3-5 Tage in Anspruch nimmt. B-Zellen differenzieren sich zu Plasmazellen, die spezifische Antikörper produzieren, während T-Zellen zu cytotoxischen T-Zellen und T-Helferzellen differenzieren.
• Eliminierung des Pathogens: Die spezifischen Antikörper von Plasmazellen neutralisieren das Pathogen und markieren es für die Zerstörung durch Phagozyten. Cytotoxische T-Zellen zerstören infizierte Zellen direkt, und T-Helferzellen unterstützen die Immunantwort durch die Freisetzung von Zytokinen.
• Gedächtniszellen: Nach der Elimination des Pathogens bleiben spezialisierte Gedächtniszellen im Körper, die eine schnellere und stärkere Reaktion bei erneuter Infektion ermöglichen.

• Mathematische Schätzung der zeitlichen Abfolge der Immunantworten:

• Angeborene Immunität: Reaktion innerhalb von Minuten (0.1 Stunden) bis Stunden (ca. 6 Stunden) nach der Infektion.
• Adaptive Immunität: Initiale Antigenpräsentation und Aktivierung der naiven B- und T-Zellen: 1-2 Tage (24-48 Stunden).
• Proliferation und Differenzierung der spezifischen Lymphozyten: Zusätzliche 3-5 Tage (72-120 Stunden).
• Effektive Eliminierung des Pathogens: Innerhalb von 5-7 Tagen (120-168 Stunden) nach der ersten Infektion.

Zusammenfassung:Insgesamt dauert die anfängliche Reaktion der angeborenen Immunität nur wenige Stunden, während die vollständige Aktivierung und Wirkung der adaptiven Immunität etwa 5-7 Tage in Anspruch nimmt. Beide Systeme arbeiten synergistisch zusammen: Die angeborene Immunität reagiert schnell und verlangsamt die Ausbreitung des Pathogens, während die adaptive Immunität eine gezielte, starke und dauerhafte Antwort bereitstellt.

Aufgabe 4)

Während einer viralen Infektion sind sowohl MHC-Klasse I als auch MHC-Klasse II wichtig für die Aktivierung des Immunsystems. In einer Experimentalsituation werden Mäuse mit einem Virus infiziert, und ihre Immunantwort wird beobachtet. In diesem Zusammenhang spielen die verschiedenen Schritte der Antigenpräsentation und die Rolle der unterschiedlichen MHC-Komplexe eine entscheidende Rolle.

a)

Beschreibe den Mechanismus, wie MHC-Klasse I endogene virale Peptide präsentiert. Erläutere die Rolle von zytosolischen Proteasen und dem Peptid-Loading-Komplex. Wie wird dieser Prozess durch Interferone reguliert?

Lösung:

Die Präsentation endogener viraler Peptide durch MHC-Klasse I ist ein wesentlicher Mechanismus, durch den das Immunsystem infizierte Zellen erkennt und eine Immunantwort auslöst. Hier ist eine detaillierte Beschreibung des Mechanismus, einschließlich der Rolle der zytosolischen Proteasen, des Peptid-Loading-Komplexes und der Regulation durch Interferone:

• Erkennung und Abbau der viralen Proteine: Nachdem ein Virus eine Zelle infiziert hat, produziert diese virale Proteine. Diese viralen Proteine werden im Zytosol durch proteasomale Proteasen abgebaut. Diese Proteasen zerlegen die Proteine in kleinere Peptide.
• Transport der Peptide ins Endoplasmatische Retikulum (ER): Die resultierenden Peptide werden durch Transporterproteine, die als TAP (Transporter associated with Antigen Processing) bezeichnet werden, in das ER transportiert. TAP-Proteine sind essenziell für den Import von Peptiden in das ER, wo die MHC-Klasse I-Moleküle synthetisiert werden.
• Peptid-Loading-Komplex: Im ER binden die Peptide an neu synthetisierte MHC-Klasse I-Moleküle. Dieser Prozess wird vom Peptid-Loading-Komplex unterstützt, der aus mehreren Proteinen besteht, darunter TAP, Calreticulin, Erp57 und Tapasin. Tapasin bindet sowohl an MHC-Klasse I als auch an TAP und erleichtert so den Transfer der Peptide auf die MHC-Klasse I-Moleküle. Calreticulin und Erp57 stabilisieren den gesamten Komplex und stellen sicher, dass die MHC-Klasse I-Moleküle korrekt gefaltet und beladen werden.
• MHC-Klasse I-Trafficking: Nach der Beladung mit Peptiden wird das MHC-Klasse I-Peptid-Komplex aus dem ER zum Golgi-Apparat transportiert und von dort zur Zelloberfläche. Auf der Zelloberfläche präsentiert der MHC-Klasse I-Komplex die viralen Peptide an CD8+ zytotoxische T-Zellen.
• Regulation durch Interferone: Interferone (IFNs) sind Zytokine, die während einer viralen Infektion produziert werden und eine Schlüsselrolle in der antiviralen Immunantwort spielen. Insbesondere Typ I Interferone (wie IFN-α und IFN-β) und Typ II Interferon (IFN-γ) induzieren die Expression von MHC-Klasse I-Molekülen und erleichtern so die Erkennung infizierter Zellen durch CD8+ T-Zellen. Darüber hinaus steigern Interferone die Expression von Komponenten des Peptid-Loading-Komplexes wie TAP, Tapasin und anderen chaperonierenden Proteinen, was zu einer effizienteren Präsentation viraler Peptide führt.

Zusammengefasst ermöglichen diese Schritte dem Immunsystem, infizierte Zellen zu erkennen und zu eliminieren, wodurch die Verbreitung des Virus im Körper verhindert wird.

b)

Erkläre die Unterschiede in der Antigenpräsentation zwischen MHC-Klasse I und MHC-Klasse II. Beziehe dich auf den Ursprungsort der Antigene, den Prozess der Aufnahme und den Weg zur Präsentation an die jeweiligen T-Zellen.

Lösung:

Die Antigenpräsentation durch MHC-Klasse I und MHC-Klasse II unterscheidet sich in mehreren wichtigen Aspekten, einschließlich des Ursprungs der Antigene, des Prozesses der Aufnahme und des Wegs zur Präsentation an die jeweiligen T-Zellen. Hier ist eine detaillierte Erklärung dieser Unterschiede:

• Ursprungsort der Antigene:
  • MHC-Klasse I: Die präsentierten Antigene stammen hauptsächlich aus endogenen Quellen, das heißt, sie werden innerhalb der Zelle produziert. Typischerweise handelt es sich um zytosolische Proteine, einschließlich viraler Proteine bei einer Infektion.
  • MHC-Klasse II: Die präsentierten Antigene stammen hauptsächlich aus exogenen Quellen, das heißt, sie werden von außerhalb der Zelle aufgenommen. Diese Antigene können von pathogenen Mikroorganismen, wie Bakterien und Viren, oder von phagozytiertem Zellmaterial stammen.
• Prozess der Aufnahme:
  • MHC-Klasse I: Endogene Antigene werden zunächst durch das Proteasom im Zytosol in kleinere Peptide geschnitten. Diese Peptide werden dann durch den Transporter associated with Antigen Processing (TAP) ins Endoplasmatische Retikulum (ER) transportiert.
  • MHC-Klasse II: Exogene Antigene werden durch Endozytose oder Phagozytose in die Zelle aufgenommen. Die aufgenommenen Antigene werden in Vesikeln eingeschlossen, die sich zu Endolysosomen entwickeln, wo die Antigene durch saure Proteasen in Fragmente geschnitten werden.
• Weg zur Präsentation:
  • MHC-Klasse I: Im ER laden neu synthetisierte MHC-Klasse I-Moleküle die Peptide und transportieren den MHC-Peptid-Komplex über den Golgi-Apparat zur Zelloberfläche. Auf der Zelloberfläche präsentiert der MHC-Klasse I-Komplex die Peptide an CD8+ T-Zellen (zytotoxische T-Zellen).
  • MHC-Klasse II: Die Peptide, die von exogenen Antigenen stammen, werden in endosomalen Vesikeln mit MHC-Klasse II-Molekülen kombiniert. Diese MHC-Klasse II-Moleküle werden in Vesikeln aus dem ER synthetisiert und enthalten ein invariantes Kettenpeptid (CLIP), das den Peptidbindungsplatz blockiert. In den endolysosomalen Vesikeln ersetzt ein anderes Chaperon, HLA-DM, CLIP durch die antigene Peptide. Danach wird der MHC-Klasse II-Peptid-Komplex zur Zelloberfläche transportiert und dort den CD4+ T-Zellen (T-Helferzellen) präsentiert.

Zusammengefasst zeigen die MHC-Klasse I und MHC-Klasse II unterschiedliche Wege der Antigenaufnahme und -präsentation, um eine angemessene Immunantwort zu gewährleisten:

• MHC-Klasse I präsentiert endogene Antigene an CD8+ T-Zellen, was zur Zerstörung infizierter Zellen führt.
• MHC-Klasse II präsentiert exogene Antigene an CD4+ T-Zellen, was zur Aktivierung von T-Helferzellen und der Koordination der adaptiven Immunantwort führt.

c)

In einem Experiment wird die Expression von MHC-Klasse I und II auf dendritischen Zellen nach der Infektion mit einem Virus quantifiziert. Der Forscher beobachtet, dass die Expression von MHC-Klasse I im Verhältnis 2:1 in Vergleich zu MHC-Klasse II erhöht ist. Wenn die absolute Anzahl der MHC-Klasse I Moleküle 600 auf einer Zelloberfläche beträgt, berechne die Anzahl der MHC-Klasse II Moleküle.

Lösung:

Um die Anzahl der MHC-Klasse II Moleküle zu berechnen, basierend auf dem gegebenen Verhältnis und der absoluten Anzahl der MHC-Klasse I Moleküle, folge diesen Schritten:

• Verhältnis Analyse: Es ist angegeben, dass das Verhältnis der Expression von MHC-Klasse I zu MHC-Klasse II 2:1 beträgt.
• Absolute Anzahl von MHC-Klasse I Molekülen: Die absolute Anzahl der MHC-Klasse I Moleküle beträgt 600.
• Verständnis des Verhältnisses: Da das Verhältnis 2:1 ist, bedeutet dies, dass die Anzahl der MHC-Klasse I Moleküle doppelt so hoch ist wie die Anzahl der MHC-Klasse II Moleküle.

Um die Anzahl der MHC-Klasse II Moleküle zu berechnen, kannst Du die einfache Verhältnisregel anwenden:

• Berechnung: Wenn 2 Teile MHC-Klasse I Moleküle gleich 600 Molekülen sind, dann ist 1 Teil MHC-Klasse II Moleküle gleich der Hälfte davon:

\frac{600}{2} = 300

• Also beträgt die Anzahl der MHC-Klasse II Moleküle 300.

Zusammengefasst ergibt sich aus dem Verhältnis 2:1 und der absoluten Anzahl von 600 MHC-Klasse I Molekülen die Zahl der MHC-Klasse II Moleküle zu 300.