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Störungen des T-Zell-Rezeptors und der primären Signaltransduktion

V. Wahn1, K. Schwarz2, H.J. Girschick3, W. Friedrich4

1 Immundefektzentrum der Charité, Klinik für Pädiatrie mit Schwerpunkt Pneumologie und Immunologie, Augustenburger Platz 1, 13353 Berlin

2 Abteilung Transfusionsmedizin, Universitätsklinikum Ulm, und Institut für Klinische Transfusionsmedizin und Immungenetik Ulm, DRK Blutspendedienst Baden-Württemberg-Hessen

3 Univ.-Kinderklinik, Pädiatrische Rheumatologie und Osteologie, Würzburg

4Univ.-Kinderklinik Ulm


Einleitung

Einige Defekte dieser Gruppe, die sich phänotypisch gut charakterisieren lassen, wurden bereits im Beitrag Hönig/Schwarz (Allergologie, im Druck) dargestellt. In diesem Beitrag werden wir uns auf die Darstellung folgender Störungen konzentrieren:

CD3γ-Defekt

ZAP-70-Defekt

P56lck-Defekt

CD8α-Defekt

Wenn wir von "primärer Signaltransduktion" reden, so ist der Weg eines Signals vom T-Zell-Rezeptor zum Zellkern gemeint, wo die Transkription vieler Gene u.a. der Zytokingene initiiert wird. Die gebildeten Zytokine reagieren dann mit spezifischen Rezeptoren u.a. auch der T-Zellen, über die dann eine weitere, die so genannte "sekundäre Signaltransduktion" induziert wird .

CD3γ-Defekt

Der T-Zell-Rezeptor, welcher der T-Zelle ihre Spezifität verleiht, ist zwar in der Lage, Peptide zu erkennen, kann aber keine Signale in die Zelle übermitteln. Dazu werden die verschiedenen Ketten des CD3-Moleküls (γ-, δ-, ε- und ζ-) benötigt, welches eng mit dem T-Zell-Rezeptor assoziiert ist. Dies ist in Abbildung 1 illustriert. Störungen der δ- und ε-Kette wurden von Hönig und Schwarz dargestellt, da beide Defekte sich dem T-/B+/NK+ SCID-Phänotyp zuordnen lassen. Charakteristisch ist ein vollständiges Fehlen von T-Zellen. Der CD3γ-Defekt präsentiert sich dagegen mit einem Phänotyp, der am besten mit Tlow/B+/NK+ beschrieben werden kann. An diesen Defekt muss gedacht werden, wenn insbesondere CD3+/CD8+ Zellen stark erniedrigt sind. Numerisch und funktionell sind B- und NK-Zellen weitgehend normal. Die Proliferation der T-Zellen auf PHA und anti-CD3 sowie auf Antigene ist vermindert, während die Stimulation mit anti-CD2 + PMA (Phorbolmyristat-Azetat) oder PMA + Ionomycin, die den T-Zell-Rezeptor umgeht und die T-Zellen transmembranös stimuliert, normal ausfällt.

Abb. 1: Struktur des T-Zell-Antigen-Rezeptors mit assoziiertem CD4-Molekül und den Untereinheiten von CD3.

Abbildung 1

Die erste klinische Beschreibung erfolgte durch Regueiro et al. 1986, weitere Details durch Alarcon et al. 1988. Die molekularbiologische Abklärung folgte 4 Jahre später (Arnaiz-Villena et al., 1992). Klinisch sind die bisher wenigen beschriebenen Kinder den SCID-Patienten teilweise ähnlich mit frühem Tod im Säuglings- oder Kleinkindalter. Der Verlauf kann aber auch erheblich milder sein, so dass der zweite CD3g-Defekt-Patient erst im Rahmen einer Familienuntersuchung entdeckt wurde. Autoimmunologische Phänomene (z.B. autoimmunhämolytische Anämie, Enteropathie mit Darmepithelautoantikörpern, Mikrosomen- und Thyreoglobulinantikörper, Kardiomyopathie) können zum klinischen Bild hinzu kommen. Ein drittes bekannt gewordenes Kind stammt aus der Türkei (Sanal et al., 1996).

Die exakte Diagnose wird gestellt, indem das Fehlen der g-Kette auf der Oberfläche der T-Zellen flow-zytometrisch nachgewiesen wird. Eine molekularbiologische Analyse schließt sich an. Die Therapie war bisher symptomatisch. Über Stammzell-Transplantationen liegen keine Berichte vor.

ZAP-70-Mangel

Die Erstbeschreibung erfolgte wahrscheinlich im Jahre 1992 (Monafo et al., 1992). Im Jahre 1994 wurden mehrere Arbeiten publiziert, die bei Kindern mit SCID-ähnlicher Symptomatik Mutationen im Gen für die Tyrosinkinase ZAP-70 (= Zeta-assoziiertes Protein, Molekulargewicht 70 kD) verantwortlich machen konnten (Arpaia et al., 1994; Chan et al., 1994; Elder et al., 1994). Die Erkrankung wird autosomal rezessiv vererbt.

Die Funktion von ZAP-70, einer intrazellulären Tyrosinkinase, ist in Abb. 2 dargestellt. Nach Aktivierung einer T-Zelle kann ZAP-70 an die ζ-Kette des T-Zell-Rezeptors binden. Es folgen eine Vielzahl von Sekundärreaktionen unter Einbeziehung weiterer Signaltransduktionsproteine (Sharfe et al., 2000).

Abb. 2: Zentrale Vorgänge bei der Signalübertragung in T-Zellen. Über LCK und FYN, 2 Tyrosinkinasen, wird die ζ-Kette des TZR phosphoryliert, wonach ZAP-70 andocken kann. Diverse weitere Zwischenschritte führen zur Gentranskription im Zellkern.

Abbildung 2

Klinisch haben betroffene Patienten dieselben schweren systemischen Infektionen mit Viren, Bakterien, Pilzen und Parasiten wie Kinder mit SCID, unter Einschluss opportunistischer Infektionen. Im Gegensatz zu Kindern mit SCID finden sich aber palpable Lymphknoten, wenn auch mit abnormer Histologie, sowie ein radiologisch nachweisbarer Thymus.

Bereits der Lymphozytenphänotyp liefert einen ersten Hinweis auf einen möglichen ZAP-70-Defekt, da selektiv die CD8-Zellen stark vermindert sind oder fehlen (Differentialdiagnose: MHC I-Defekt, CD8a-Defekt), während B-, CD4- und NK-Zellen normal nachweisbar sind. Funktionell zeigen sich aber schwerste Störungen in erster Linie bei den T-Zellen. Die Zellen proliferieren weder auf PHA, anti-CD3 oder Antigene, sie synthetisieren kein IL-2. Die Mobilisierung von intrazellulärem Kalzium ist erheblich gestört (Abb. 3, eigener Patient, unpubliziert). Exogenes IL-2 kann die Proliferation der Zellen weitgehend normalisieren. Nur T-Zellen, die entweder CD4 oder CD8 exprimieren, sind betroffen. CD4/CD8 doppelt positive Thymozyten dagegen können Signale über den T-Zell-Rezeptor vermitteln (Gelfand et al., 1995).

Abb. 3: Hier Messungen der intrazellulären Ca-Freisetzung nach Stimulation mit zunächst dem T-Zell-spezifischen anti-CD3, in 2. Stufe mit einem anti-Maus-Antikörper von der Ziege (GAM). Beim Patienten (rechts) kommt es zu keiner messbaren Ca-Freisetzung.

Abbildung 3

Die Diagnose kann z.B. mittels Western Blot gestellt werden, wobei das Fehlen von ZAP-70-Protein nachgewiesen wird. Definitive Diagnose und Familienuntersuchung werden molekulargenetisch durchgeführt.

Wie ist zu erklären, dass selektiv CD8-Zellen fehlen? Abb. 4 verdeutlicht die Zusammenhänge (Elder, 1996). Die intrathymische Entwicklung der CD8-Zellen hängt stark von ZAP-70 ab, und diese Abhängigkeit kann durch andere Kinasen wie etwa Syk nicht kompensiert werden, im Gegensatz dazu gelingt bei CD4-Zellen eine Ausdifferenzierung auch ohne ZAP-70.

Abb. 4: Hier wird die Rolle von ZAP-70 und Lck bei der Ausdifferenzierung von CD4- und CD8-Zellen verdeutlicht. CD8-Zellen können ohne ZAP-70 praktisch nicht den Thymus verlassen, während CD4-Zellen dies zwar möglich ist, eine weitere Ausreifung zum IL-2-Produzenten nicht erfolgt.

Abbildung 4

Therapeutisch ist die hämatopoetische SCT wirksam. Sie muss möglichst frühzeitig erfolgen und kann zur vollständigen Überwindung der Erkrankung führen. Die Verabreichung hämatopoetischer Progenitorzellen als Injektion in den Thymus erwies sich im Tiermodell als erfolgreicher als die intravenöse Zellinfusion (Adjali et al., 2005a). Schon früh wurden auch experimentelle Untersuchungen zur somatischen Gentherapie durchgeführt (Taylor et al., 1997; Steinberg et al., 2000; Otsu et al., 2002). Sie waren in Zelllinien und Tiermodellen erfolgreich. Aufmerksamkeit erregte eine jüngere Arbeit, in der ein erfolgreicher Gentransfer mittels intrathymischer Injektion des ZAP-70-Gens mit einem lentiviralen Vektor beschrieben wurde (Adjali et al., 2005b).

P56 lck-Defekt

Reife periphere T-Zellen sind neben CD3 in der Regel durch entweder Koexpression von CD4 (Helferzellen) oder CD8 (zytotoxische Zellen) charakterisiert. Diese Moleküle sind intrazellulär mit Signaltransduktionsmolekülen (Fyn, Lck) assoziiert (Abb. 5). Dabei ist Fyn wahrscheinlich übergeordnet in die Regulation der Lck-Aktivität involviert.

Goldman et al. (1998) beschrieben ein Kind mit SCID-ähnlicher Klinik, bei dem CD4 leicht vermindert war mit invertierter CD4/8-Ratio. Zudem fand sich eine erhebliche Verminderung CD28-positiver CD8-Zellen. IgA und IgM waren stark vermindert. Die T-Zellen zeigten multiple Funktionsstörungen bei Stimulation mit Mitogenen und IL-2. P59fyn und ZAP-70 Proteine waren normal vorhanden, p56lck dagegen stark vermindert als Folge einer Spleißstörung im Exon 7 der mRNA. Überzeugende Familienuntersuchungen, die eine Vererbung belegen, liegen nicht vor. Eine relative Verminderung von p56lck wurde auch bei Erwachsenen mit idiopathischer CD4-Lymphopenie beschrieben, auch in diesem Fall ohne Hinweis auf einen Vererbungsmodus (Hubert et al., 2000)

Die Therapie war zunächst symptomatisch. Zudem wurden Immunglobuline verabreicht, später eine erfolgreiche Stammzell-Tx durchgeführt.

CD8α-Defekt

Wegen der engen Verbindung des CD8-Moleküls mit CD3 und dem T-Zell-Rezeptor soll dieser Defekt hier diskutiert werden. Der Defekt wird aus der Struktur von CD8 (Abb. 5) verständlich: Fehlt CD8α, ist auch die β-Kette instabil und wird abgebaut.

Abb. 5: Grobstruktur von CD8, das wie CD4 mit dem T-Zell-Rezeptor assoziiert ist, als Homo- oder Heterodimere. Die β-Kette ist ohne α-Kette instabil.

Abbildung 5

Klinisch ist der Defekt außerordentlich mild. Index-Patient war ein 25 Jahre alter Mann mit rezidivierenden respiratorischen Infektionen und Bronchiektasen. 3 asymptomatische Geschwister mit demselben CD8-Mangel wurden erst im Laufe der Familienuntersuchung gefunden. Sie hatten vermehrt TZR α/β+CD4-CD8- T-Zellen.

Immunologisch zeigte sich keine Expression von CD8 (Fehlen der CD8α Immunglobulin-Domäne) bei normaler Expression von TAP (= transporter associated with antigen processing, fehlt bei MHC I-Defekt) und ZAP-70, Immunglobuline und Antikörper waren normal. Auf DNA Ebene fand sich eine homozygote Missense-Mutation (Gly→Ser). Die Therapie war symptomatisch.

Zusammenfassung:

Die Beispiele zeigen, welche klinische Variabilität Störungen im Bereich des T-Zell-Rezeptors haben können mit schwersten Verläufen bereits bei Säuglingen bis hin zu zufällig entdeckten gesunden Erwachsenen. Eine detailierte auch molekulare Analyse lässt in der Regel eine Diagnose stellen, worauf aufbauend spezifische Therapiekonzepte entwickelt werden können.

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