Natürliche Killerzellen (NK-Zellen) sind große granuläre Lymphozyten und machen ca. 10 % der zirkulierenden Lymphozyten aus. Sie gehören wie phagozytierende Zellen und das Komplementsystem zur angeborenen Immunität, die als erste Hürde, nach Eindringen in den Organismus, von einem Pathogen überwunden werden muss. Die Rezeptoren der angeborenen Immunität sind, im Gegensatz zu Rezeptoren der adaptiven Immunität, durch Keimbahngene, die keine somatische Rekombination durchlaufen, verschlüsselt. NK-Zellen benötigen für die Reifung im Gegensatz zu T-Zellen keinen Thymus, dennoch ähneln sie funktionell eher T-Zellen als anderen Leukozyten der angeborenen Immunität. Sie weisen den gleichen Tötungsmechanismus (Granzym- und Perforinausschüttung, TNF-Sekretion) wie zytotoxische T-Lymphozyten auf und sezernieren INFγ wie CTL und TH1-Helferzellen (Lanier, 2005). Sie sind in der Lage, innerhalb weniger Stunden nach Infektion, ohne vorherige Immunisierung, auf Zielzellen (z. B. transformierte oder infizierte Zellen) zu reagieren.
NK-Zellen sind mit einer Vielzahl von kleinen Granula ausgestattet, die bei Kontakt mit der Zielzelle die lytischen Enzyme Granzym B und Perforin freisetzen. Diese Enzyme leiten die Apoptose der Zielzelle ein (Delves und Roitt, 2000a; 2000b; Janeway et al., 1997). Über aktivierende und inhibierende Rezeptoren interagieren die NK-Zellen mit Körperzellen. Die Summe der aktivierenden und inhibierenden Signale entscheidet dann über die Reaktion der Effektorzelle.
1.4.1 Rezeptoren natürlicher Killerzellen
Die Gene vieler Killerzellrezeptoren sind in Multigenfamilien organisiert, die sowohl aktivierende als auch inhibierende Rezeptoren umfassen. Solche Multigenfamilien sind meist in Genkomplexen organisiert. Zu diesen gehört die Lektin-Superfamilie auf Chromosom 12 und als größter Komplex der Leukozyten Rezeptor Komplex (LRC) auf Chromosom 19. Der LRC enthält Rezeptorgene der Immunglobulin-Superfamilie, zu denen die NKp46-Gene, die LAIR (leukocyte-associated immunoglobulin-like receptors) und auch die Killerzell-Immunglobulin-ähnlichen Rezeptorgene (KIR) gehören. KIR und NKp46-Rezeptoren werden nahezu ausschließlich von NK-Zellen exprimiert, wohingegen LAIR bevorzugt von Zellen der myeloischen Reihe und teilweise auch von B-, T- und NK-Zellen exprimiert werden.
Die Rezeptoren des LRC erkennen, soweit bisher bekannt, ihre Liganden im Kontext von so genannten Immunsynapsen. Die Affinität dieser Interaktionen ist relativ gering, um Blockierungen der Immunüberwachung oder Hypersensivität zu vermeiden. Diese niedrige Affinität macht die Erforschung der Interaktion, beispielsweise von MHC-Klasse-I-Molekülen und KIR, besonders schwierig.
Die inhibitorischen Zellrezeptoren CD94/NKG2 und die KIR interagieren mit der NK-Zelle, trotz ihrer unterschiedlichen Topologie, auf die gleiche Weise mit Hilfe zytoplasmatischer immunrezeptor-tryrosinbasierender inhibitorischer Motive (ITIM). Durch Ligandenbindung können Tyrosine durch Tryrosinkinasen phosphoryliert werden. Dies leitet die Signaltransduktion über Phosphatasen ein und inhibiert so die effektorische Antwort der NK-Zelle.
Die KIR-Moleküle spielen bei der Regulierung der NK-Zellaktivität eine zentrale Rolle (Moretta et al., 1996; Yokoyama und Seaman, 1993). So kann eine Überreaktion der NK-Zellen gegen gesundes, körpereigenes Gewebe verhindert und dennoch eine sofortige, gezielte Reaktion auf Tumorzellen oder infizierte Zellen gewährleistet werden.
Alle bisher bekannten humanen NK-Zellrezeptoren, deren Liganden MHC-Klasse-I-Moleküle sind, wurden in Abbildung 1.4 in einer schematischen Übersicht dargestellt.
1.4.2 Killerzell-Immunglobulin-ähnliche Rezeptoren (KIR)
KIR-Moleküle sind eine Familie von diversen und sich rasch evolvierenden MHC-Klasse-I-Rezeptoren. Sie werden hauptsächlich von NK-Zellen, aber auch auf einer Subpopulation von αβ- und γδ-T-Zellen exprimiert (Moretta et al., 1990). Strukturell zählt man die KIR zur Ig-Superfamilie. Sie weisen ein bis drei extrazelluläre Ig-Domänen auf, über die auch die Bindung an ihre MHC-Klasse-I-Liganden stattfindet. Des Weiteren gliedern sie sich in eine Stammregion und eine Signaldomäne, die aus einer Transmembranregion und einer zytoplasmatischen Region aufgebaut ist. KIR-Moleküle mit einem kurzen zytoplasmatischen Schwanz und einer geladenen Aminosäure in der Transmembranregion werden zu den
Abb. 1.4: Humane MHC-Klasse-I-Rezeptoren auf NK-Zellen (nach Parham und McQueen, 2003). Dargestellt sind die Struktur der Rezeptoren mit der jeweiligen Bezeichnung und ihre MHC-Klasse-I-Liganden (soweit be-kannt). Die Ig-Domänen der KIR sind als offene Halbkreise, die extrazellulären Domänen der CD94/NKG2-Heterodimäre (verbunden über Disulfid-brücken) als Ovale (rosa und violett) dargestellt. ITIM sind als gelbe Boxen und die geladenen AS-Reste in der Transmembranregion als rote Rauten wiedergegeben.
aktivierenden Rezeptoren gezählt, während KIR-Moleküle mit langem zytoplasmatischen Schwanz und ein oder zwei ITIM inhibierend wirken (Martin et al., 2002).
Bei Primaten sind KIR die wichtigsten NK-Zellrezeptoren. Bei Mäusen wird die gleiche Funktion dagegen von den LY49-Molekülen übernommen (Natarajan et al., 2002). Beim Menschen wurde nur ein LY49-ähnliches Gen gefunden, dass nicht funktionell ist (Westgaard et al., 1998).
Humane KIR-Haplotypen sind aufgrund von unterschiedlichen Gengehalten und allelischen Polymorphismen hoch variabel (Hsu et al., 2002; Martin et al., 2004; Shilling et al., 2002;
Yawata et al., 2002). Vergleichende Analysen konnten zeigen, dass die KIR-Genfamilie zwischen den Primatenspezies, ebenso wie die MHC-Klasse-I-Gene (Adams und Parham, 2001) erheblich variiert (Guethlein et al., 2002; Hershberger et al., 2005; Hershberger et al., 2001; Khakoo et al., 2000; Rajalingam et al., 2004). Nur das als ursprünglichstes beschriebene KIR3DL0 sowie KIR2DL4 konnten bei allen bisher untersuchten Primaten nachgewiesen werden (Sambrook et al., 2006; Sambrook et al., 2005). Bei Gorillas ist KIR2DL4 jedoch nur bei ca. 50 % der Individuen einer Population vorhanden und bei Orang-Utans ist die Funktionalität noch fraglich (Guethlein et al., 2002; Rajalingam et al., 2004).
1.4.2.1 KIR beim Rhesusaffen
Da die KIR-Genfamilie innerhalb der Primaten sehr variabel vertreten ist, unterscheiden sich der KIR-Gen-Loci des Rhesusaffen und des Menschen erheblich voneinander. Der von Sambrook und Mitarbeitern (2005) sequenzierte KIR-Haplotyp des Rhesusaffen weißt nur fünf KIR-Gene auf. Der kleinste humane Haplotyp setzt sich im Vergleich dazu aus neun KIR-Genen zusammen (Shilling et al., 2002). Sowohl die genomischen Daten als auch cDNA-Analysen (Hershberger et al., 2001) unterstreichen die Diversität der KIR-Gene des Rhesusaffen.
Wie beim Menschen findet man beim Rhesusaffen auch KIR-Sequenzen mit langem zytoplasmatischen Anteil und darin enthaltenen ITIM. Obwohl funktionell noch nicht nachgewiesen, vermitteln sie aufgrund des enthaltenen Aminosäuremotivs vermutlich ein inhibierendes Signal an die NK-Zelle. Beim Menschen tragen die aktivierenden KIR ein Lysin in der Transmembranregion, über das das Adapterprotein DAP12 gebunden werden kann, welches ein aktivierendes Signal weiterleitet. Entsprechungen finden sich beim Rhesusaffen nicht. Stattdessen wurden Sequenzen mit einem Arginin als geladene AS in der
Transmembranregion und kurzem zytoplasmatischen Anteil nachgewiesen. Sie ähneln in der Transmembran- und der zytoplasmatischen Region der Sequenz von KIR2DL4. Jedoch führt eine 53 Nukleotide umfassende Deletion zu einer Verschiebung des Leserahmens und damit zu einer verfrühten Translationstermination, wodurch diese Moleküle keine inhibitions-vermittelnden ITIM aufweisen. Sie sind Kandidaten für aktivierende NK-Zellrezeptoren beim Rhesusaffen. Des Weiteren wurde in der genomischen Sequenz des sequenzierten Haplotyps ein KIR mit nur einer vollständigen D1-Ig-Domäne gefunden (Sambrook et al., 2005).
cDNA-Analysen legen zudem alternatives Spleißen der genomischen Sequenzen nahe (Hershberger et al., 2001).
In Abbildungen 1.5 wurden alle bisher bekannten molekularen Strukturen der Rhesusaffen KIR den humanen gegenübergestellt.
Abb. 1.5: Schematische Darstellung der Molekülstruktur von humanen und Rhesusaffen KIR.
Die blauen Ovale repräsentieren die Ig-Domänen (D0 - D2). Die roten Kreise stellen geladene AS in der Transmembranregion dar. R = Arginin, K = Lysin. Die gelben Boxen entsprechen den ITIM in den zytoplasmatischen Domänen. MmKIR2DL4 weißt im Gegensatz zum humanen zwei ITIM auf. MmKIR3DH-Sequenzen haben drei Ig-Domänen und eine zu KIR2DL4-ähnliche TM-Region mit einem geladenen Arginin, der Transkriptionsabbruch erfolgt jedoch schon in Exon 8, wodurch mmKIR3DH keine ITIM aufweisen. Die molekulare Struktur von mmKIR1DL und mmKIR1D resultieren vermutlich aus Spleißvarianten von mmKIR3DL und mmKIR3DH (Hershberger et al., 2001).