MEDIZIN AKTUELL
Gamma/delta-T-Zellen
Eine neue Untergruppe
menschlicher T-Lymphozyten
Dieter Kabelitz
T
-Lymphozyten (kurz T-Zellen) sind die Träger der zellulären Immunabwehr. Um dieser Funktion gerecht zu werden, müssen T-Lymphozyten Fremdanti- gen „erkennen" und damit „Selbst"und „Nicht-Selbst" unterscheiden können. Die Struktur auf der Oberflä- che von T-Zellen, welche die Erken- nung von Fremdantigen erlaubt, wird als T-Zellrezeptor-Molekül, oder kurz T-Zellrezeptor, bezeichnet. Der T- Zellrezeptor setzt sich aus zwei Prote- in-Ketten zusammen, die in der Mem- bran der T-Zellen verankert sind. Bei- de Proteinketten bestehen (ähnlich wie die Antikörper) aus konstanten und variablen Bereichen.
1. Aufbau
des T-Zellrezeptors
Bei der großen Mehrzahl aller reifen T-Lymphozyten im peripheren Blut und in den lymphoiden Organen besteht der T-Zellrezeptor aus einer Alpha- und einer Beta-Kette. Diese sogenannten Alpha/beta-T-Zellen erkennen als Fremdantigen kurze Proteinfragmente (Peptide), die ih- nen von den antigen-präsentierenden Zellen des Immunsystems zusammen mit den körpereigenen Transplanta- tions-Antigenen (HLA-Antigene, Humane Leukozyten Antigene) dar- gereicht werden. Dabei „sehen" die CD4-positiven Helfer-T-Zellen die fremden Peptide zusammen mit eige- nen HLA-Klasse-II(HLA-DR)-Anti- genen, während die CD8-positiven zytotoxischen („Killer")-T-Lympho- zyten fremde Peptide zusammen mit HLA-Klasse-I-(HLA-A-, HLA-B-) Antigenen erkennen (siehe Deut- sches Ärzteblatt 88 (1991), A-33-36,
Abteilung Immunologie (Leiter: Prof. Dr.
med. Dieter Kabelitz), Paul-Ehrlich-Institut, Bundesamt für Sera und Impfstoffe, Langen
Die thymusabhängigen T-Lymphozy- ten sind für die zelluläre Immunab- wehr zuständig. Die Antigen-Erken- nung erfolgt dabei über ein membran- ständiges T-Zellrezeptor-Molekül. Eine kleine Untergruppe von T-Lymphozy- ten trägt anstelle des vorherrschenden Alpha/beta-T-Zellrezeptors einen al- ternativen Gamma/delta-T-Zellrezep- tor. Die physiologische Bedeutung der sogenannten Gamma/delta-T-Zellen ist weitgehend unbekannt. Gamma/
delta-T-Zellen lassen sich mit spezifi- schen Antikörpern nachweisen. Die aus- geprägte Reaktivität der Gamma/del- ta-T-Zellen gegenüber manchen Mi- kroorganismen läßt vermuten, daß die Zellen in der Immunpathologie be- stimmterInfektioneneine Rolle spielen.
[Heft 1/2]. Das System der alpha/be- ta-positiven T-Lymphozyten ist in der Lage, eine schier grenzenlose Viel- zahl von unterschiedlichen Antige- nen zu erkennen, wobei jedoch die einzelne Alpha/beta-T-Zelle nur ei- nen T-Zellrezeptor mit individuell charakteristischer Antigen-Spezifität trägt. Die molekulare Grundlage für dieses sehr große T-Zellrezeptor- Repertoire von Alpha/beta-T-Zellen stellt (ähnlich wie bei den Immunglo- bulinen) der Prozeß der T-Zellrezep- tor-Gen-Umlagerung („Rearrange- ment") dar, der während der intra- thymischen Reifung von T-Lympho- zyten stattfindet. Hierbei kommt es in jedem Thymozyten zur Selektion von einem Element aus einer Viel- zahl vorhandener Gen-Elemente, die für variable Bereiche der Alpha- und der Beta-Kette kodieren.
2. Ein zweiter T-Zellrezeptor
Vor etwa sieben Jahren zeigte sich, daß neben den Alpha/beta-T- Zellen eine kleine Gruppe von T- Lymphozyten existiert, welche ein anderes T-Zellrezeptor-Molekül tra- gen (2). Hierbei handelt es sich um einen sogenannten Gamma/delta-T- Zellrezeptor, der ebenfalls aus zwei membranverankerten Proteinketten (Gamma und Delta) besteht (Abbil- dung 1). Strukturell ähneln sich Gamma/delta- und Alpha/beta-T- Zellrezeptor sehr, jedoch werden zum Aufbau des Gamma/delta-T- Zellrezeptors andere Gen-Elemente (nämlich Gamma- und Delta-Gene) benutzt (9). Genau wie der Alpha/
beta-T-Zellrezeptor ist auch der Gamma/delta-T-Zellrezeptor auf der Oberfläche einer T-Zelle sehr eng mit dem sogenannten CD3-Molekül- Komplex verbunden. Während die eigentliche Antigen-Erkennung über das T-Zellrezeptor-Molekül erfolgt, dient das CD3-Antigen der Signal- übertragung in das Zell-Innere.
Gamma/delta-T-Lymphozyten ma- chen etwa ein bis fünf Prozent der T-Zellen im peripheren Blut des Er- wachsenen aus; dagegen tragen 90 bis 98 Prozent der T-Zellen den konven- tionellen Alpha/beta-T-Zellrezeptor.
Ähnlich ist das Verhältnis von Gam- ma/della- zu Alpha/beta-T-Zellen auch in den lymphoiden Organen.
3. Durchflußzyto- metrische Analyse von Gamma/delta-T-Zellen
Zur Identifizierung von Gamma/
delta-T-Zellen sind in den vergange- nen Jahren eine Reihe von monoklo- nalen Antikörpern (MAK) entwik- kelt worden, die zum Teil kommer- A1-1730 (40) Deutsches Ärzteblatt 90, Heft 23, 11. Juni 1993
Biermann Biermann Biermann
Völ Völ Va2 6TCS1
SV 1(a) ÖV2(a)
Tabelle 1: Kommerziell verfügbare monoklonale Antikörper (MAK) gegen den menschlichen Gamma/delta-T-Zellrezeptor
Hersteller/Vertrieb Biermann, Bad Nauheim Becton Dickinson, Heidelberg
Spezifität pan-yö (Ca) pan-yö (Ca) Dianova, Hamburg
Biermann Biermann
Labor des Autors
Vy9 Vy9 Vy4 Vy2, 3, 4 MAK
TCRöl_
TCRy/al TCR-Vy9 yV2(a) yV1.4 23D12
Abbildung 1: Schematische Darstellung des yö-T-Zellrezeptors: Der yö-T-Zellrezeptor besteht aus zwei Proteinketten (y und 6), die sich aus konstanten (C) und variablen (V) Bereichen zusammensetzen. Da- zwischen befinden sich noch D („diversity" ; 6-Kette) und J („joining" ; y- und 6-Kette) Elemente. Beide Ketten können über eine Disulfidbrücke miteinander verbunden sein. Der Gamma/delta-T-Zellrezeptor ist räumlich eng mit dem CD3-Molekülkomplex verbunden. CD3 besteht aus mehreren Untereinheiten (y, ö, r, 1). Über das CD3-Molekül erfolgt die Signal-Weiterleitung in das Zellinnere.
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ziell erhältlich sind. Unter Verwen- dung eines Durchflußzytometers läßt sich mit Immunfluoreszenz-Metho- den die Verteilung von Gamma/del- ta- (und Alpha/beta-) T-Zellen an isolierten Lymphozytenpopulationen oder im Vollblut analysieren (6).
Während einige MAK gegen ein Epi- top im konstanten Bereich des Garn- ma/delta-T-Zellrezeptors gerichtet sind (und somit als „pan-Gamma/del- ta"-Antikörper alle Gamma/delta-T- Zellen unabhängig von deren Anti- gen-Spezifität erkennen), definieren andere MAK mit Spezifität für varia- ble Bereiche der Gamma- oder Del- ta-Kette Subpopulationen von Garn- ma/delta-T-Zellen (Tabelle 1). Da diese Antikörper in der Regel gekop- pelt an unterschiedliche fluoreszie- rende Farbstoffe erhältlich sind (zum Beispiel Fluorisothiozyanat oder Phycoerythrin), läßt sich nach Dop- pelmarkierung in der Zweifarben- Immunfluoreszenz die Verteilung unterschiedlicher Subpopulationen am FACScan untersuchen. Ein Bei- spiel hierfür ist in Abbildung 2 darge- stellt. Unter Verwendung eines „pan- Alpha/beta"- und eines „pan-Garn- ma/delta"-Antikörpers sind beim Ge- sunden im peripheren Blut ganz überwiegend (91 Prozent) Alpha/be- ta- und nur wenige (2 Prozent) Garn- ma/delta-T-Zellen zu finden (Abbil- dung 2 a), von denen wiederum die Mehrzahl die variable Region Vy9, nicht aber V61 exprimiert (Abbildung 2 b). Bei einer Patientin mit Gamma/
delta-Leukozytose setzen sich die Blutlymphozyten zu 92 Prozent aus Gamma/delta- und nur zu sechs Pro- zent aus Alpha/beta-T-Zellen zusam- men (Abbildung 2 c); in diesem Fall exprimieren die pathologisch ver- mehrten Gamma/delta-T-Zellen das V61-, nicht aber das Vy9-Epitop (Abbildung 2 d).
4. Unterschiede zwischen Alpha/beta-
und Gamma/delta- T-Lymphozyten
Außer durch die Expression ei- nes anderen T-Zellrezeptors unter- scheiden sich Alpha/beta- und Garn- ma/delta-T-Lymphozyten noch in an-
deren Merkmalen (8). Im peripheren Blut tragen etwa zwei Drittel der Al- pha/beta-T-Lymphozyten den „Hel- ferzell"-Marker CD4, und etwa ein Drittel den „Killerzell/Suppressor- zell"-Marker CD8. Die Mehrzahl der Gamma/delta-T-Zellen trägt weder CD4 noch CD8 („doppelt negativ"), nur etwa ein Viertel der Gamma/del- ta-T-Zellen exprimiert schwach den CD8-Marker (siehe Tabelle 2). Die
Zahl der im Keimbahn-Genom ver- fügbaren Elemente, die für variable Bereiche der Alpha- und der Beta- Kette kodieren können, ist groß;
demgegenüber gibt es nur einige we- nige solcher Elemente für die Gam- ma- und die Beta-Kette. Die struktu- relle Vielfalt des Gamma/delta-T- Zellrezeptors ist deshalb kleiner als die des Alpha/beta-T-Zellrezeptors.
Andererseits ist bekannt, daß insbe-
A1 -1732 (42) Deutsches Ärzteblatt 90, Heft 23, 11. Juni 1993
Tobelle 2: Eigenschaften von Alpha/bete- und Gamma/delta-T-Lymphozyten
Alpha/beta Gamma/delta Verteilung im
peripheren Blut:
95% 5%
Oberflächenmarker:
CD4+CD8 - CD4 CD8+
CD4 CD8 - CD4+CD8+
60%
30%
<1%
< 1%
< 1%
25% (schwach) 70%
< 1%
Genetische Vielfalt (Zahl der verfüg- baren variablen Elemente):
groß klein
(a) Peptid plus HLA- Klasse-I-Molekül (CD8+ -T-Zelle) (b) Peptid plus HLA- Klasse-Il-Molekül (CD4 + -T-Zelle)
unbekannt (HLA-Klasse-II- oder
HLA-ähnliche Moleküle [CD1]
erforderlich) Mechanismus der
Antigen-Erkennung:
Effektor- Eigenschaften:
Interleukin-Produk- tion, Zytotoxizität
Interleukin-Produk- tion, Zytotoxizität
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sondere beim Aufbau des Gamma/
delta-T-Zellrezeptors genetisch nicht festgelegte Mechanismen zum T- Zell-Repertoire beitragen können („N-Regionen-Diversifikation"). Die Funktion des Alpha/beta-T-Zellre- zeptors ist die Erkennung fremder Antigen-Peptide zusammen mit HLA-Klasse-I- oder Klasse-Il-Mole- külen; dagegen ist bisher nur unzu- reichend bekannt, wie die Antigen- Erkennung über den Gamma/delta- T-Zellrezeptor abläuft. Insbesondere ist nicht eindeutig geklärt, ob zur
„Präsentation" von Antigenen für Gamma/delta-T-Zellen grundsätzlich HLA-Klasse-I- oder Klasse-Il-Mole- küle auf der antigenpräsentierenden Zelle erforderlich sind, oder ob hier vielleicht andere Moleküle eine Rol- le spielen. Wie Alpha/beta-T-Zellen, so können auch Gamma/delta-T- Lymphozyten nach Aktivierung lösli- che Mediatoren (Interleukine) sezer- nieren, wobei sich allerdings das Spektrum der produzierten Mediato- ren unterscheidet. Darüber hinaus besitzen Gamma/delta-T-Lymphozy-
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ten zumindest nach Aktivierung in der Gewebekultur starke zytotoxi- sche Aktivität, ähnlich wie CD8 -zy- totoxische Alpha/beta-T-Zellen oder
„natürliche Killer"(NK)-Zellen.
5. Antigen-Spezifität von Gamma/delta-T- Lymphozyten
Für Immunologen von besonde- rem Interesse ist die Frage, welche Antigene Gamma/delta-T-Lympho- zyten über ihren T-Zellrezeptor „se- hen" können. Es zeigte sich, daß Gamma/delta-T-Zellen besonders gut durch bestimmte Bakterien sti- muliert werden, so zum Beispiel durch Mykobakterien (sowohl patho- gene als auch apathogene) und be- stimmte Serogruppen von Strepto- kokken (1, 5). Darüber hinaus kön- nen auch andere mikrobielle Ligan- den, wie zum Beispiel Plasmodium- falciparum-Merozoiten von Gamma/
delta-T-Zellen erkannt werden (3).
Schließlich gibt es einige Tumorzell-
Linien, welche Gamma/delta-T-Zel- len aktivieren (siehe Tabelle 3).
Zumindest in Tiermodellen ist darüber hinaus gut belegt, daß soge- nannte Hitzeschock- oder „Streß"- Proteine von Gamma/delta-T-Lym- phozyten als Antigen erkannt wer- den. Hierbei handelt es sich um Pro- teine, die unter Streß-Einwirkung (wie zum Beispiel Temperatur-Erhö- hung) von Zellen gebildet werden.
Da zwischen den prokaryonten (bak- teriellen) und eukaryonten (mensch- lichen) Hitzeschockproteinen große Homologie besteht, wäre denkbar, daß Gamma/delta-T-Lymphozyten im Rahmen einer Infektion durch bakterielle Hitzeschockproteine akti- viert werden und dann später gegen körpereigene Zellen (kreuz)reagie- ren, die Streßproteine exprimieren.
Ein solches Szenario würde Gamma/
Tabelle 3: Antigene für Gammaidelta-T- Lymphozyten
■ Bakterien (Mykobacteri- um tuberculosis, Strepto- kokken der Serogruppen A, B, C; andere)
■ Plasmodium-falciparum- Merozoiten
■ Tumorzell-Linien (Daudi, Molt-4)
■ Hitzeschock(Streß)- Proteine
delta-T-Lymphozyten eine Rolle bei der Entstehung zellulärer Autoim- mun-Reaktionen zuweisen. Die auf- fallend starke In-vitro- und In-vivo- Reaktivität von Gamma/delta-T-Zel- len gegen Mykobakterien und Plas- modien läßt vermuten, daß Gamma/
delta-T-Lymphozyten in der Immun- abwehr bestimmter Infektions-Erre- ger eine Rolle spielen.
6. Gamma/delta-T- Lymphozyten und Krankheit
Gamma/delta-T-Lymphozyten können - wie andere Lymphozyten auch - Ausgangspunkt einer mali- Deutsches Ärzteblatt 90, Heft 23, 11. Juni 1993 (43) A1-1733
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Abbildung 2: Durchflußzytometrische Analyse der T-Zellrezeptor Expression: Lymphozyten aus dem peri- pheren Blut eines gesunden Probanden (A) und einer Patientin mit Gamma/delta-Leukozytose (B) wur- den in der Zweifarben-Immunfluoreszenz mit monoklonalen Antikörpern gegen den Alpha/beta- und Gamma/delta-T-Zellrezeptor (TZR ; Abb. 2 a, 2 c) und gegen die variablen Regionen Vy9 und Völ (Abb.
2 b, 2 d) gefärbt. Die Intensität der Fluorisothiocyanat (X-Achse)- und der Phycoerythrin (Y-Achse)-Fluo- reszenz wurde an einem Durchflußzytometer (FACScan, Becton Dickinson) gemessen.
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gnen Transformation sein. Gamma/
delta-T-Zellrezeptorexprimierende Leukämien oder Lymphome sind je- doch selten. Neben der durchflußzy- tometrischen Analyse der malignen Zellen mit Hilfe der in Tabelle 1 ge- nannten Antikörper (siehe Beispiel in Abbildung 2) ist die molekularge- netische Analyse des T-Zellrezeptor- Gen-Rearrangements sinnvoll, um die klonale Herkunft der entarteten Zellen zu dokumentieren. Dies ist insbesondere deshalb wichtig, weil die malignen Zellen in einem Rei- fungsstadium arretiert sein können, wo zwar das Rearrangement der Gamma- und Delta-T-Zellrezeptor- Gene stattgefunden hat, aber keine Membran-Expression der T-Zellre- zeptor-Proteine nachweisbar ist.
Darüber hinaus sind quantitative oder qualitative Veränderungen der Gamma/delta-T-Zell-Population bei
verschiedenen Krankheitsbildern nachweisbar. In Übereinstimmung mit der starken In-vitro-Reaktivität von Gamma/delta-T-Zellen gegen Mykobakterien ist auch bei mykobak- teriellen Infektionen in vivo eine Be- teiligung von Gamma/delta-T-Zellen wahrscheinlich. So finden sich Garn- ma/delta-T-Lymphozyten in den Granulomen bei Lepra- und Sarkoi- dose-Patienten (10, 11); molekular- genetische Untersuchungen deuten darauf hin, daß es sich bei der An- sammlung von Gamma/delta-T-Zel- len in Sarkoidose-Granulomen um eine klonale Expansion von Gamma/
delta-T-Lymphozyten handelt (11).
Ein Anstieg von Gamma/delta-T- Lymphozyten im peripheren Blut wurde bei Patienten mit akuter Ma- laria-Infektion (Plasmodium falcipa- rum) festgestellt (4). Während die bei Mykobakterien- oder Plas-
modien-Infektionen nachweisbaren Gamma/delta-T-Zellen einen Vy9/
V82-T-Zellrezeptor tragen, treten bei Erkrankungen wie der rheuma- toiden Arthritis oder während der HIV-Infektion andere Gamma/delta- Subpopulationen (V81-positive Zel- len) in den Vordergrund. So lassen sich Vh1 -T-Zellen durchflußzyto- metrisch in der Synovialflüssigkeit von Patienten mit rheumatoider Arthritis sowie im peripheren Blut von HIV-positiven Probanden ver- mehrt nachweisen (7). In beiden Fäl- len ist jedoch der Zusammenhang zur Immunpathologie des jeweiligen Krankheitsbildes unklar.
Zusammenfassend läßt sich fest- stellen, daß gegenwärtig noch unklar ist, warum sich das Immunsystem zwei unterschiedliche T-Zellrezepto- ren leistet. Mit der Verfügbarkeit entsprechender monoklonaler Anti- körper gegen variable Regionen des Gamma/delta-T-Zellrezeptors haben wir jedoch Werkzeuge in der Hand, um quantitative und/oder qualitative Veränderungen der Gamma/delta-T- Zellen bei Erkrankungen festzustel- len und somit hoffentlich weitere In- formationen über die physiologische Bedeutung dieser kleinen Untergrup- pe von T-Lymphozyten zu erhalten.
Deutsches Arzteblatt
90 (1993) A 1-1730-1734 [Heft 23]
Die Zahlen in Klammern beziehen sich auf das Literaturverzeichnis im Sonderdruck, anzufordern beim Verfasser.
Anschrift des Verfassers:
Prof. Dr. med. Dieter Kabelitz Abteilung Immunologie Paul-Ehrlich-Institut Paul-Ehrlich-Straße 51-59 W-6070 Langen 1
A1 -1734 (44) Deutsches Ärzteblatt 90, Heft 23, 11. Juni 1993
