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Genetische Störungen der Antigenpräsentation


V. Wahn*, H. Wolf**, C. Klein*** und W. Friedrich****

* Immundefektzentrum der Charité, Klinik für Pädiatrie mit Schwerpunkt Pneumologie und Immunologie, Augustenburger Platz 1, 13353 Berlin
** Immunologische Tagesklinik, Schwarzspanierstrasse 15, A-1090 Wien

*** Abteilung Pädiatrische Hämatologie/Onkologie, Medizinische Hochschule Hannover, Carl Neuberg Strasse 1, 30625 Hannover

**** Universitätsklinik für Kinder- und Jugendmedizin, Universitätsklinikum Ulm, Eythstraße 24, 89075 Ulm

Einleitung

Immundefekte werden oft nur vermutet, wenn bestimmte Blutzellen fehlen. Schwieriger ist die Diagnostik, wenn alle Zellen vorhanden sind, aber Funktionen mit zentraler Bedeutung innerhalb des Immunsystems ausfallen. Ein Beispiel hierfür sind die HLA-Expressionsdefekte.

Die Gene für das menschliche HLA-System befinden sich auf dem kurzen Arm von Chromosom 6. Eine grobe Struktur der Genanordnung findet sich in Abb. 1. Die Genprodukte spielen eine zentrale Rolle für die adaptive Immunität, da sie Peptide zur Erkennung durch T-Zellen präsentieren. Klinisch sind die HLA Antigene insbesondere für die Transplantationsmedizin von großer Bedeutung, eine HLA-Disparität zwischen Donor und Empfänger führt zu Abstoßungsreaktionen bzw. zur Graft-versus-Host Erkrankung. Bei Störungen der Expression von HLA Antigenen ist die Präsentation von Peptiden gestört, als Folge sind Antigen-spezifische T-Zell-Reaktionen eingeschränkt. Genetische Defekte der HLA-Expression werden als „Bare Lymphocyte Syndrome“ (BLS), meist aber als MHC I- und II-Expressionsdefekte bezeichnet. Sie werden autosomal rezessiv vererbt.

Abb. 1. Wir sehen hier die Struktur des menschlichen HLA-Komplexes, lokalisiert auf dem kurzen Arm von Chromosom 6. Zwischen HLA II und I befinden sich Gene, die für wichtige Komplementfaktoren, Stressproteine und TNF kodieren. Sie werden auch als Klasse III-Gene bezeichnet. Film

MHC I-Defekt (TAP-1-, TAP-2-Defekt; Typ I BLS)

Pathogenetisch ist diese Störung gut aus dem Mechanismus der Antigenpräsentation zu verstehen. Abb. 2 verdeutlich die Vorgänge, die zur Aktivierung zytotoxischer CD8-positiver T-Zellen führen. Intakte MHC-Klasse-I-Expression ist auch für eine normale Reifung der CD8-positiven T-Zellen notwendig. Genetische Defekte wurden sowohl für TAP-1 (TAP = transporter associated with antigen processing) wie auch TAP-2, die zwei Untereinheiten des Transporterproteins TAP, beschrieben, welche interessanterweise innerhalb des MHC lokalisiert sind. Die Genprodukte sind in der Membran des endoplasmatischen Retikulums (ER) mit transmembranösen Domänen verankert (Ritz 2001). Ins Zytosol hinein ragen enzymatisch wichtige Domänen, die sowohl für die Substrat- alsauch für die ATP-Bindung relevant sind. TAP sorgt für den Transport von antigenen Peptiden aus dem Zytosol in das ER, diese werden dann auf MHC-Klasse-I-Moleküle geladen was für eine stabile Klasse-I-Expression notwendig ist.

Abb. 2. An Ribosomen des endoplasmatischen Retikulums werden zunächst die partiell gefaltete schwere Kette sowie β2-Mikroglobulin gebildet und assoziiert. Wir eine Zelle von Viren infiziert, werden virale Proteine im Proteasom enzymatisch in Peptide zerlegt, die Mit Hilfe von TAP 1 und 2 (transporters of antigen processing) zum MHC I-Komplex transportiert werden. Über Golgi-Apparat und Lysosom gelangt dieser Komplex auf die Zelloberfläche, wo er von CD8 tragenden zytotoxischen T-Zellen erkannt wird. Film

Weltweit sind nur 15 Patienten aus 11 Familien beschrieben (Cerundolo 2006). Das klinische Bild ist geprägt von rezidivierenden bakteriellen Infektionen der oberen und unteren Atemwege, die im Spätstadium zur Destruktion der Atemwege mit Bronchiektasenbildung führen. Granulomatöse, zum Teil nekrotisierende Läsionen an Haut und Atemwegen treten bei 50% der Patienten auf und können eine differentialdiagnostische Abgrenzung zur Wegener’schen Granulomatose erforderlich machen. Im Gegensatz zum SCID können Symptome erst spät, unter Umständen erst bei Erwachsenen auftreten, und sogar über asymptomatische Erwachsene wurde berichtet. Patienten mit TAP-2-Defekt sind in der Regel schwerer erkrankt als solche mit TAP1-Defekt.

Die Bildung spezifischer Antikörper ist weitgehend intakt, wobei allerdings eine defekte Antikörperproduktion gegen Polysaccharidantigene und IgG2-Subklassendefizienz beschrieben wurde. Auch Autoantikörper, z.B. gegen BPI (bactericidal permeability-increasing protein), finden sich bei Patienten mit chronischer Lungenerkrankung. Ein TAP-1- oder -2-Defekt muss vermutet werden, wenn im peripheren Blut sehr niedrige Zahlen an CD8+ αβ-T-Zellen gefunden werden. NK- und γδ-T-Zellen sind oft erhöht. Die HLA I-Expression ist stark reduziert, aber nicht komplett fehlend. Die Diagnose wird molekularbiologisch gesichert. Alle bisher beschriebenen TAP-1- und TAP-2-Mutationen führen zur Synthese mutierter dysfunktioneller TAP-Proteine.

Differentialdiagnostisch müssen die seltenen Erkrankungen des Tapasin-Mangels (Tapasin ist am Peptid-bindenden Komplex aus MHC-Klasse-I-Schwerkette, ß2-Mikroglobulin und TAP beteiligt; Yabe 2002) wie auch einer CD8a-Mutation (de la Calle Martin 2001) bedacht werden. Auch bei diesen Defekten ist die Zahl der CD8+ Zellen stark vermindert. Auf den CD8-Mangel bei ZAP-70-Defekt wurde in dieser Zeitschrift an anderer Stelle (Wahn et al. 2006) bereits eingegangen.

MHC II-Defekte (Typ II BLS)

Während MHC Klasse I vor allem zytosolische Peptide präsentiert, werden über den MHC Klasse II Komplex primär die Spaltprodukte exogener Proteine präsentiert. Die Antigenpräsentation über den MHC II-Komplex wird in Abb. 3 veranschaulicht. Im Gegensatz zu ubiquitär exprimierten MHC-I Molekülen unterliegt die Expression von MHC II einer strikten transkriptionellen Kontrolle. Eine konstitutionelle Expression findet nur auf wenigen Zellen, so auf B-Zellen und Monozyten, statt. Unter dem Einfluss von Interferon-γ wird diese Expression verstärkt, oder auf primär Klasse-II-negativen Zellen wie Fibroblasten de-novo induziert; zudem wird MHC II ebenfalls auf T-Zellen als Zeichen der Aktivierung exprimiert.

Abb. 3. Hier der Prozess der Antigenpräsentation durch HLA II-Moleküle. An den Ribosomen im Bereich des endoplasmatischen Retikulums werden zunächst partiell gefaltete a- und ß-Ketten gebildet, die assoziiert und danach mit der invarianten Kette verbunden werden. Über den Golgiapparat gelangt dieser Komplex zum Endosom, wo die invariante Kette enzymatisch zum CLIP abgebaut wird. Dieser Komplex gelangt in die Lysosomen. Proteine müssen zur Antigenpräsentation zunächst im Lysosom zu Peptiden verdaut werden, welche im Lysosom im Austausch gegen CLIP von HLA a/ß übernommen werden. CLIP wird von HLA DM übernommen. Film

Ursache der MHC II Defekte sind Mutationen in regulatorischen Proteinen, welche die Transkription der MHC II Moleküle steuern (Abb 4). Die MHC II-Expression wird über den entsprechenden Promoter geregelt. Dazu bedarf es zunächst einiger DNA-bindender Proteine. Hinzu kommen muss CIITA, der zwar selbst nicht an die Promotorregion bindet, aber zur Aktivierung der anderen Proteine beiträgt. Bisher wurden 4 verschiedene molekulare Defekte beschrieben, die unterschiedlichen Komplementierungsgruppen A-D zugeordnet werden (Reith und Mach 2001): CIITA (A), RFXANK (B), RFX5 (C) und RFXAP (D). Die 3 letztgenannten Proteine sind Untereinheiten des DNA-bindenden RFX-Proteins. Am häufigsten unter allen MHC II-Defekten sind Mutationen von RFXANK (B).

Abb. 4. Zum Verständnis des MHC II-Defekts ist wichtig zu verstehen, wie HLA Klasse II Moleküle intrazellulär exprimiert werden. Nachdem Interferon-g mit seinem Rezeptor reagiert hat, kommt es nach einigen Zwischenschritten zur Aktivierung des Klasse II Transaktivator-Gens. Das Genprodukt (CIITA) bindet nicht direkt an DNA, sondern reagiert mit einem Komplex aus DNA-bindenden Proteinen innerhalb der Promoterregion. Sind all diese Proteine vorhanden, wird eine RNA-Polymerase aktiviert und veranlasst die Expression der MHC II-Genprodukte. Film

Bisher wurden ca. 80 Patienten aus 60 Familien beschrieben. Das klinische Bild entspricht dem eines relativ mild verlaufenden SCID (Klein 1993, Villard 2001). Betroffene Kinder können also durchaus auch ohne kausale Therapie wenige Jahre alt werden. Ein erwachsener Patient wurde im Alter von 29 Jahren mit einer milden Variante des RFXANK-Defektes diagnostiziert (Prod’homme 2003), eine Familie mit teilweise asymptomatischer MHC-Klasse-II-Defizienz hatte einen CIITA-Defekt. Der Grund für den klinisch leichten bis asymptomatischen Phänotyp dürfte in einer residualen Expression von funktionellen Klass-II-Molekülen auf professionellen antigenpräsentierenden Zellen wie dendritischen Zellen liegen, wie dies für Zwillinge mit RFX5-Defekt beschrieben wurde. Typische klinische Manifestationen bei 47 Patienten mit „klassischem“ Krankheitsbild sind in Tab. 1 zusammengefasst (Reith und Mach 2001):

Klinische Manifestation

Betroffen

Rezidivierende schwere Infektionen

47/47

Protrahierte Durchfälle

45/47

Untere Atemwegsinfektionen

40/47

Gedeihstörung

34/47

Schwere Virusinfektionen

27/47

Obere Atemwegsinfektionen

24/47

Mukokutane Candidiasis

16/47

Progressive Lebererkrankung

8/47

Cryptosporidiose

8/47

Autoimmunzytopenie

4/47

Sklerosierende Cholangitis

5/47

Die Diagnose kann mit Hilfe der Durchflusszytometrie gestellt werden: MHC II fehlt entweder ganz oder ist nur residual vorhanden auf Blutzellen, auf denen es normalerweise konstitutiv exprimiert ist, wie B-Zellen und Monozyten. Abb. 5 zeigt ein typisches Beispiel (Patient beschrieben von Hauber et al. 1995). Begleitend ist oft die MHC I-Expression vermindert. CD4-Zellen sind meist erniedrigt. Proliferationstests mit Mitogenen fallen üblicherweise normal aus, solche mit Antigenen sind in der Regel negativ. Serum-Immunglobuline können in einigen Fällen normal sein, im Regelfall sind sie aber erniedrigt. Spezifische Antikörper werden auch nach Impfungen nicht gebildet, nur eine Ausnahme von dieser Regel wurde veröffentlicht (Wolf 1995).

Abb. 5. FACS-Analyse bei MHC II-Defekt. Im rot umrandeten Areal sehen wir bei Analyse peripherer mononukleärer Zellen einer Kontrollperson (links) eine nennenswerte Population HLA DR-positiver Monozyten (Marker CD14). Beim Patienten (rechts) fehlt diese Population. Dagegen ist die Population CD14-positiver HLA DR-negativer Monozyten (gelb umrandet) stark vermehrt. Film

Wenn immer ein MHC II-Defekt vermutet wird, sollte eine molekulargenetische Abklärung erfolgen, um die Diagnose abzusichern und eine Zuordnung zu einer Komplementierungsgruppe zu ermöglichen. Für die Prognose und Therapieentscheidung insbesondere bei früher Diagnose scheint das Ausmaß einer eventuellen residualen MHC-Klasse-II-Expression sowie die Fähigkeit zur Bildung einer Antikörper- und T-Zellantwort z.B. nach Impfung mit Totimpfstoffen wichtig zu sein, um das Ausmaß des funktionellen Defekts und damit der Schwere des Immundefekts besser abschätzen zu können.

Therapie

Antibiotika, regelmäßig verabreichte i.v. Immunglobuline, ausreichende Ernährung und andere supportive Maßnahmen können das Leben verlängern, stellen aber keine kurativen Maßnahmen dar. Dies ist nur durch eine Stammzelltransplantation möglich. Diese sollte bei der klassischen Form der MHC-Klasse-II-Defizienz mit klinisch signifikantem Immundefekt frühzeitig erfolgen, bevor sich chronische Infektionskomplikationen entwickeln. Nach Möglichkeit sollte ein HLA-identischer Familien- oder Fremdspender verwendet werden. Die Erfolgsaussichten bei partiell identischen verwandten Spendern, z.B. einem Elternteil, sind derzeit eher ungünstig. Die somatische Gentherapie wird bisher nur in präklinischen Experimenten getestet.

LITERATUR

Cerundolo V, de la Salle H. Description of HLA class I- and CD8-deficient patients: Insights into the function of cytotoxic T lymphocytes and NK cells in host defense. Semin Immunol 18, 330-6 (2006)

de la Calle-Martin O, Hernandez M, Ordi J, Casamitjana N, Arostegui JI, Caragol I, Ferrando M, Labrador M, Rodriguez-Sanchez JL, Espanol T. Familial CD8 deficiency due to a mutation in the CD8 alpha gene. J Clin Invest 108, 117-23 (2001)

Hauber I, Wolf HM, Eibl M, Wahn V. More on MHC class II deficiency. N Engl J Med 335, 977-978 (1996)

Klein C, Lisowska-Grospierre B, Le Deist F, Fischer A, Griscelli C. Major Histocompatibility Complex class II deficiency - clinical manifestation, immunologic features and outcome. J Pediatr 123, 921-928 (1993)

Prod'homme T, Dekel B, Barbieri G, Lisowska-Grospierre B, Katz R, Charron D, Alcaide-Loridan C, Pollack S. Splicing defect in RFXANK results in a moderate combined immunodeficiency and long-duration clinical course. Immunogenetics. 55, 530-9 (2003)

Reith W und Mach B. The bare lymphocyte syndrome and the regulation of MHC expression. Annu Rev Immunol 19, 331–73 (2001)

Ritz U, Seliger B. The transporter associated with antigen processing (TAP): structural integrity, expression, function, and its clinical relevance. Mol Med 7, 149-58 (2001)

Villard J, Masternak K, Lisowska-Grospierre B, Fischer A, Reith W. MHC class II deficiency: a disease of gene regulation. Medicine (Baltimore) 80, 405-18 (2001)

Wahn V, Schwarz K, Girschick HJ, Friedrich W. Störungen des T-Zell-Rezeptors und der primären Signaltransduktion. Allergologie 29, 71-75 (2006)

Waldburger JM, Masternak K, Muhlethaler-Mottet A, Villard J, Peretti M, Landmann S, Reith W. Lessons from the bare lymphocyte syndrome: molecular mechanisms regulating MHC class II expression. Immunol Rev 178, 148-65 (2000)

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Yabe T, Kawamura S, Sato M, Kashiwase K, Tanaka H, Ishikawa Y, Asao Y, Oyama J, Tsuruta K, Tokunaga K, Tadokoro K, Juji T. A subject with a novel type I bare lymphocyte syndrome has tapasin deficiency due to deletion of 4 exons by Alu-mediated recombination. Blood. 100, 1496-8 (2002)

Korrespondenzadresse

Prof. Dr. Volker Wahn

Immundefektzentrum der Charité
Klinik für Pädiatrie mit Schwerpunkt Pneumologie und Immunologie
Augustenburger Platz 1

13353 Berlin