×
Log in to StudySoup
Get Full Access to Penn State - Study Guide - Midterm
Join StudySoup for FREE
Get Full Access to Penn State - Study Guide - Midterm

Already have an account? Login here
×
Reset your password

PENN STATE / Microbiology / MICRB 410 / What does immunological mean?

What does immunological mean?

What does immunological mean?

Description

School: Pennsylvania State University
Department: Microbiology
Course: Principles of Immunology
Term: Fall 2019
Tags: chapters and Ch 1-3
Cost: 50
Name: MICRB410 EXAM1
Description: comprehensive study guide of all the notes from ppt and book
Uploaded: 09/20/2019
49 Pages 133 Views 3 Unlocks
Reviews


MICRB410 EXAM 1 


What does immunological mean?



I. Immune HISTORY

a. The adjective immune comes from the Latin word immunis, which means  “exempt from public service.”

b. Resistant to a particular infection or toxin owing to the presence of specific  antibodies or sensitized white blood cells.

c. Smallpox 1978

d. “Variolation” – earliest form of vaccination

i. purposeful inoculation with dried scabs or pus from a smallpox lesion

ii. As a result, you had a good chance of being protected from severe disease  (i.e. death).

iii. Lady Mary Wortley Montague had daughters inoculated

e. Relevant People…

i. Edward Jenner­Noted that milkmaids who contracted cow pox did not  get small pox


What are the cells of the immune system and their functions?



1. First person to test vaccines (Vacca= cow)

ii. Benjamin Waterhouse­ first professor of medicine in the USA (credited  with promoting vaccines in USA)

iii. Vaccinations showed…

1. Exposure to a disease can protect you from it the next time you are 

exposed (provided it does not kill you the first time).

2. There is specificity to the protection.

3. There is diversity (can be vaccinated against many diseases)

iv. Louis Pasteur

1. Protection against disease by using attenuated organisms. Don't forget about the age old question of What is the awareness of the relationships between an individual and the wider society called?

2. Examples

a. Cholera (Attenuation by aging of the organisms)


What do surface antigens do?



b. Anthrax (Attenuation by heat treatment of the organism).

c. Rabies (Attenuation by passage in another host)

v. Roux and Yersin

1. Demonstrated protection against diphtheria with anti­diphtheria 

toxin (you don’t need exposure to the disease to be protected)

vi. Kitasato and Von Behring

1. Immunity can be transferred in serum

2. Transfer immunity to diptheria with serum from one guinea pig to  We also discuss several other topics like Where are hormones secreted by the endocrine system?

another.

vii. Metchnikoff– observed phagocytosis

1. Cells also play a role in immunity

f. Polio

i. Iron lung

ii. Franklin D. Roosevelt

iii. Vaccine

1. Inactivated vaccine­ Jonas Salk

2. Live attenuated polio vaccine­ Albert Sabin

g. 1918 H1N1 Spanish Influenza Don't forget about the age old question of According to morgenthau, what are the two mechanisms that serve as bases for peace?

i. Vaccines now available, vary in efficacy

ii. Looking for universal flu vaccine

h. HIV (AIDS) Vaccine (not yet)

i. Ebola Vaccine (underway)

II. Immunology

a. Study of the body’s defense against infection Don't forget about the age old question of What was mainly abolished in the 13th amendment?

i. Recognition of pathogens

ii. Recognition of self from non­self

iii. Recognition of danger

b. FOUR MAIN TASKS OF IMMUNE SYSTEM

i. Immunological Recognition

1. WBC (innate)

2. Lymphocytes (adaptive)

ii. Immune Effector functions

1. (how the body responds to recognition):  complement, antibodies, 

cytotoxic cells

2. Elimination or neutralization of non­self

a. Exogenous targets:  microbes, allergens

b. Endogenous targets:  tumors

iii. Immune regulation

1.  avoid autoimmunity

2.  avoid overreactions

3. Allergies

iv. Immunological memory

1. Memory function – recall of a previous response to a pathogen to 

prevent or limit re­infection

2. Basis for natural protection and vaccinations.

3. Adaptive immunity only

c. Immunological Levels

i. Anatomical and physiological barriers Don't forget about the age old question of What are examples of situations where chemical changes occur?

ii. Innate immunity 

iii. Adaptive immunity. Failure in any of these systems will greatly increase  susceptibility to infection. 

III. Overview of the Innate and Adaptive Immune Systems

a. Immune System

i. Innate (Natural/ Fast/ Non­specific)­ exists prior to infection, minutes to  hours, ancient system in plants and animals

1. Physical

a. Skin, mucous membrane

2. Cellular

a. Macrophages, granulocytes, dendritic cells, mast cells

b. WBC

3. Chemical

a. Lipids, enzymes, acids

ii. Adaptive (acquired/ slow/ specific)­ develops in response to an infection,  days, memory, lymphocytes with specialized receptors

1. Humoral

a. B­cells (T cells…), antibodies

2. Cell mediated

a. T­cells, Cytokines

IV. Cells of the Immune system

a. Bone marrow

i. The source of cells of the immune system of adults

1. Also come from blood, umbilical cord in baby

b. Hematopoietic stem cells: 

i. Hematopoietic Stem cell

1. Lymphoid (in lymph nodes)­ innate and adaptive,1012 per human,  Don't forget about the age old question of What is the most prevalent psychological disorder?

20­40% of WBC, 99% of cells in lymph are lymphocytes 

(generally just referring to B and T cells), small lymphocytes 

(naive, inactivated, not met antigen, resting G0, small), 

Lymphoblasts (activated by specific antigen, proliferated into 

effector or memory cells, large), memory cells ( both B and T 

cells, morphologically similar to naïve cells, G0, distinguished by 

cell surface antigens

a. B­cell­ plasma cells, memory cells, HUMORAL 

IMMUNITY, antigen presenting cells, B cell receptor 

recognizes specific antigen, B Cell Receptor is a surface 

expressed immunoglobulin (antibody), one B cell 

recognizes 1 antigen, originates and matures in bone 

marrow in human (bursa of fabrica in birds), activated B 

cell becomes plasma cell, Plasma cells secrete 

immunoglobulins (Abs)

b. T­Cell­ TH Cells, Cytotoxic T lymphocytes, memory cells, 

CELL MEDIATED IMMUNE RESPONSE, originate in 

bone marrow, mature in the thymus, T cell receptor (TCR) 

recognizes antigen in the form of peptides in the contect of 

MHC (Major Histocompatibility Complex) Class I and II., 

2 CD4+ to1 CD8+

i. T Helper­ CD4+ is the helper T cell, recognizes 

peptide on MHCII (provides help for B cells, 

macrophages, and other cell types), double these 

over Cytotoxic T cells

ii. T Cytotoxic­ CD8+ is the cytotoxic cell, recognizes peptides on MHCI (kills virus­infected cellsand 

tumor cells)

c. NK Cell­ release lytic granules that kill some virus­infected cells, large granular lymphocytes, lack antigen specific  receptors (CD3­, Ig­), recognize abnormal display of MHC  1 (tumor cells, virally infected cells), ADCC (Ab

Dependent Cell­mediated Cytotoxicity), Chediak­Higashi  Syndrome (no NK cells, increase in tumors)

d. Innate Lymphoid Cells (ILC)­ derived from common  lymphoid progenitor, part of innate immune system, no  antigen receptor, express innate pattern­recognition 

receptors (PAMPS) to detect pathogens, amplify signals  produced by other cells, shape T cell response, 3 groups  based on what they secrete, migrate to lymphoid tissues and peripheral organs (dermis, liver, small intestines, lung),  located inkey sites of pathogen entry

i. ILC1, ILC2, ILC3

e. Dendritic Cell­ bridge innate and adaptive

2. Myeloid­ innate immune system

a. Dendritic Cell (Blood  Tissue  lymph nodes), antigen  uptake in peripheral sites, antigen presenting, initiate and  stimulate immune response

b. Granulocyte

i. Neutrophil­ Phagocytosis and activation of 

bactericidal mechanisms AKA polymorphonuclear 

cells (PMN), 50­70% of WBC, first to arise at site 

of inflammation, chemotactic factors promote 

accumulation, extravasation (circulation from blood

to tissue)

ii. Eosinophil­ Killing of antibody coated parasites, 1­ 6% of WBC, Eosinophilic granules, allergic 

reaction

iii. Basophil­ Promotion of allergic responses (Type 1  hypersensitivity reactions) and augmentation of 

anti­parasitic immunity, 0.01­2% of WBC, non

phagocytic, Pharmacologically active (histamine, 

heparin= basophilic granules, serotonin)

iv. Mast cell Progenitor

1. Mast Cell (Tissue)­ release of granules 

containing histamine and active agents, fight

parasitic worms

v. Monocyte (immature form)

1. Macrophage (Tissue)­ phagocytosis and 

activation of bacterial mechanisms, antigen 

presenting, seek, engulf, destroy pathogens, 

phagocytic, eat other cells, 1­6% of WBC

c. Megakaryocyte

i. Platelets

d. Erythroblast

i. Erythrocyte

c. White Blood Cells

i. B cells cells, NK cells, ILC, immature dendritic cells, Neutrophil, 

Eosinophil, Basophil, mast cell (progenitor), monocyte

ii. Physical separation of blood components

1. Both granulocytes and lymphocytes

d. Cell Surface Antigens

i. CD= cluster of Differentiation 

1. Based on monoclonal antibody recognition of proteins

2. CD Markers:

a. CD3­ T cells (CD3+)

b. CD4­ T helper cells (CD3+, CD4+, CD8­)

c. CD8­ Cytotoxic T (CD3+, CD4­, CD8+)

d. CD16+, CD56+­ Null Cells, NK, (CD3­, CD4­, CD8­)

ii. T Helper cells

1. Cytokine secreting (support)

2. Pattern of secretion dictates response

3. Don’t memorized?

a. TH1 response  activates mainly Tc cells and monocytes

b. TH2 response  activates mainly B cells

c. TH17 response  recruit neutrophils

d. TFH response  promote antibody isotype switching

e. Treg response  suppress T cell and innate immune cells

iii. T Cytotoxic Cells

1. Differentiate in cytotoxic T lymphocytes (CTL) when activated

iv. Memory lymphocytes are both T and B

e. Lymphocytes Summary

i. B Cell:  immunoglobulins are expressed on the surface and then secreted  into the blood.

ii. T cells:  membrane bound molecules that recognize peptide antigens  presented by MHC molecules

1.  CD8 recognize MHC I; kill infected targets

2. CD4 recognize MHC II; activate macrophages and B cells, and 

other cells

V. Adaptive Immune Cells  

a. Based on distribution of Lymphoid Tissue

i. Central/ Primary Lymphoid Organs – where lymphocytes are generated or differentiated

1. Thymus

2. Bone Marrow

ii. Peripheral/ Lymphoid Organs­ both naïve and mature lymphocytes are  maintained, immune responses are initiated

1. Lymph nodes, spleen, mucosal tissue (gut, nasal area, respiratory 

and urogenital tract)

VI. Immune Response 

a. Inflammation, heat, redness, swelling, pain, loss of function

b. Microorganisms invade the body and are recognized by cells of the innate system c. Responses

i. Phagocytosis, release of biologically active compounds

1. Cytokines­ small proteins (peptides) made by a cell that affect oter

cells (EX: interleukins, interferons)

2. Chemokines­ subclass of cytokines that are chemoattractant, 

stimulate migration and activation of cells

ii. Major inflammatory cells­ neutrophils (blood), macrophages (tissue)

1. Bacteria triggers macrophages to release cytokines and 

chemokines

2. Vasodilation and increased vascular permeability causes redness, 

heat, and swelling

3. Inflammatory cells migrate into tissue releasing inflammatory 

mediators that cause pain

a. Combats infection

b. Recruits immune cells and proteins from blood to site of 

infection

c. Recruits effector cells (active B and T) and APC (antigen 

presenting cells­ dendritic cells, macrophage, B cells) 

which can activate T cells 

d. Immune systems discriminate between self and none self

i. PAMPS 

1. Pathogen­associated molecular patterns are present on many 

microorganisms but not on the body’s cells

2. PAMPS are recognized by PRR (Pattern recognition receptors) on 

macrophages, neutrophils, and dendritic cells (Toll like 

Receptors??)

3. Example of PAMP­ repetative structures such as 

lipopolysaccharides (LPS) in the cell walls of bacteria

e. Antigen Presenting Cells (APC)

i. Antigen and antigen presenting cells are necessary for induction of 

adaptive immunity

ii. Professional APCs: Macrophages, Dendritic Cells (DC) and B Cells 1. Dendrites:

a. Immature Dendritic cells reside in peripheral tissues b. Dendritic cells take up antigen and then migrate via  lymphatic vessels to regional lymph nodes

c. Mature dendritic cells activate native T cells in lymphoid  organs such as lymph nodes

i. How do Lymphocytes recognize antigens?

1. Antigen: any molecule or part of molecule 

that is specifically recognized by the highly 

specialized recognition proteins on 

lymphocytes

2. Antigen (Ag) can be made of:

a. Proteins

b. Glycoproteins

c. Polysaccharides

3. Epitopes (Antigenic Determinant):Part of 

Ag recognized by the receptors of Adaptive 

Immune System

2. Lymphocyte Receptors:

a. Structure of the receptors are key to selective adaptive  immunity

i. B Cells­ BCR

1. Antibody Molecule

2. Activation T dependent or independent

3. Bind soluble antigens

4. Can be membrane bound or soluable

a. B cell receptor= Membrane bound

b. Antibody = Soluble 

immunoglobulin

5. Structure:

a. Two heavy chains (long)

b. Two light chains (short just top part)

c. Variable Region (antigen binding 

site)

d. Constant region (effector function, 

Fc) 

ii. T Cell Receptor (TCR)

1. Does not bind soluble antigens

2. Membrane bound

3. Must see the antigen presented by an APC in

the context of MHC

4. Structure:

a. Two chains (alpha and beta)

b. Variable region top

c. Constant region bottom (not Fc tho)

5. Action:

a. Recognize Antigen (peptide) on APC

b. Antibodies (B cells) bind to epitopes 

displayed on the surface of the 

antigen

c. The epitopes recognized by the T 

cell receptors are often buried

d. The antigen must first be broken 

down into peptide fragments

e. The epitope peptide binds to a self

molecule an MHC molecule

f. The T cell receptor binds to a 

complex of MHC molecule and 

epitope peptide

3. Diversity in T and B cell receptors to acquire diversity and bind to  many antigens…

a. Somatic gene rearrangement

i. Limited number of genes that can express many 

proteins

ii. Each combination of gene segments causes a unique receptor

iii. All progeny of the cell will have the same receptor  (colonel expansion)

iv. This occurs during maturation in the thymus (T) and bone marrow (B)

b. Specificity

i. Each lymphocyte had a receptor for a single epitope (antigen determinant)

ii. Process:

1. A single progenitor call gives rise to a large 

number of lymphocytes each with a different

specificity 

2. Removal of potentially self­reactive 

immature lymphocytes by clonal deletion

a. Pool of mature native lymphocytes is

available 

3. If a lymphocyte recognizes a foreign antigen

(clonal selection) …

a. Postulates:

i. Each lymphocyte bears a 

single type of receptor with a 

unique specificity

ii. Interaction between a foreign 

molecule and a lymphocyte 

receptor capable of binding 

that molecules with high 

affinity lead to lymphocyte 

activation

iii. The differentiated effector 

cells derived from an 

activated lymphocyte will 

bear receptors of identical 

specificity to those of the 

parental cell from which that 

lymphocyte was derived

iv. Lymphocytes bearing 

receptors specific for 

ubiquitous self­molecules are

deleted at an early stage in 

lymphoid cell development 

and are therefore absent from

the repertoire of mature 

lymphocytes

4.  it will proliferate and differentiate to form a

clone of effector cells (clonal expansion)

a. Burnet: self­reactive lymphocytes 

are removed before maturation 

(clonal deletion hypothesis)

VII. Lymphatic system

a. Plasma seeps out of blood vessels into surrounding tissue (FROM BLOOD) i. Some interstitial fluid (plasma from blood) returns to blood via capillary  membrane

ii. Remainder, called lymph, flows into lymphatic capillaries to lymphatic  vessels

1. Lymph is not pumped but flows due to movement of body’s 

muscles, flowing one way due to one­way valve

2. The lymphatic system picks up foreign antigen and is carried to the

organized lymphoid tissues, which trap the antigen

a. Lymphocytes travel throughout the body until they 

encounter the antigen “that fits” usually in the lymph nodes

i. Antigens from sites of infection reach lymph nodes 

via lymphatic

b. Binding of lymphocyte and antigen leads to lymphocyte 

activation and proliferation.

3. Lymphatic system also enriches the lymphoid tissues with 

lymphocytes

4. Thoracic duct empties into the subclavian vein near the heart 

(RETURN TO BLOOD VIA THORACIC DUCT)

b. Peripheral Lymphoid organs

i. Lymph nodes

1. Draining lymph nodes collect lymph and pathogens from all parts  of the body and bring them to lymphoid tissues (lymph nodes)

2. Enlarged Lymph node

a. Clinical indication of inflammation/ infection

b. During an infection, free antigen and antigen­bearing 

Dendritic Cells travel to draining lymph nodes and 

activate antigen specific lymphocyte

c. Structure of the Lymph Node

i. Afferent lymphatic vessels carry lymph with 

pathogens and antigen bearing cells into nodes

1. Dendritic cells migrate to lymph nodes via 

chemokines

2. Antigens naturally appear in lymph

3. Lymphocytes attracted via same chemokines

through specialized blood vessels called 

high endothelial venules (HEV)

4. Lymphocytes enter paracortical area first 

with macrophages and dendritic cells (all 

attracted by the same chemokine)

a. Perfect so T cells can be presented 

antigen by these APCs

5. Activated T cells (helper) migrate with B 

cells to the border between follicle and 

paracortical which is the germinal center 

where B cells proliferate 

ii. B lymphocytes localize in the follicle and make up 

the outer cortex of the node

iii. T cells diffuse through the paracortical areas or the 

deep cortex/ T­cell zones of B­cells (primary 

lymphoid follicle)

iv.

ii. Spleen

1. No direct connection to lymphatics

2. Collects antigen from blood

3. Involved in immune responses to blood­borne pathogens

4. Lymphocytes enter and exit via blood vessels

5. Disposal of senescent red blood cell [RBC] (non­immune function) a. This is the bulk of the spleen

b. Red Pulp (dead RBC)

c. White pulp (isolated areas of lymphocytes surrounding 

arterioles)

6. Structure:

a. Periarteriolar lymphoid sheath (PALS) – sheath of T 

cells around arteriole

b. Lymphoid Follicles – B cell region

c. Marginal zone (MZ)– Surrounds the follicles (Few T 

cells, macrophage rich, Resident non­circulating Marginal 

zone B cells) 

i. Within the MZ, immature DC get activated, become

able to present antigens 

iii. Mucosal lymphoid organs

1. Mucosal Associated Immune System (MALT)

a. GALT (Gut­ Associated Lymphoid Tissue)

i. Adenoid/ Tonsils

ii. Appendix

iii. Peyers patch (small intestine)

b. NALT (nasal associated Lymphoid Tissue)

c. BALT (Bronchus­ associated Lymphoid Tissue)

iv. Immune Organs Overview

1. Different appearance but same basic architecture

2. Same principle (Trap antigen, process and present antigen)

3. Peripheral lymphoid tissues are not static structures (because they  initiate adaptive immunity)

4. Specialized population of lymphocytes can be found in different  sites

c. Lymphocyte Activation

i. Requires two signals:

1. Antigen

2. Co­stimulatory Signal

a. Lack of this signal causes clonal deletion (death) or 

anergy (inactivation)

b. Example: 

i. T cells presented antigen by lymphocyte which also 

sends the signal

ii. B lymphocyte is activated by binding an antigen 

and getting a signal from a T lymphocyte

ii. Antigen Presenting Cells (APC)

1. Dendritic Cells

2. Macrophages

3. B­lymphocytes

iii. Result of activation

1. Cell proliferation (lymphoblasts)

a. Clonal expansion

2. Differentiate into effector cells (increase in size too)

a. B cells= plasma cells

b. T cells= effector cells

i. Cytotoxic T cells

ii. Cytokine producing T helper cells 

3. Memory cells

VIII. Course of Immune Response

a. STAGES:

i. Innate Immune Response 

1. Level of microorganism grow until reaches threshold level of 

antigen to activate the adaptive immune response

a. Adaptive immunity is initiated when innate response fail to 

eliminate infection

2. Early Innate Response depend on Invariant Pattern Recognition 

Receptors

3. Response in minutes, lasts for days

ii. Inductive phase

1. Response in hours

iii. Effector phase

1. Response in hours­days, lasts days­weeks

iv. Memory phase

1. Can be overcome by pathogens and doesn’t yield memory

2. Response in days­ weeks, can last for life

b. Primary vs. Secondary Response

i. Shorter lag (Faster)

ii. Higher level of response (e.g. more antibodies)

iii. Higher affinity (IgG vs IgM antibodies) [Affinity Maturation]

iv. Successful vaccinations are due to memory

1. Vaccination­ deliberate stimulation of immune response

2. Mass immunization­ eradication of several diseases

3. SSPE (Subacute Sclerosing Panecephalitis)­ brain measles

a. Late consequence of measles occurs several years after 

acute infection. SSPE disappeared 15­20 years after the 

measles vaccination

c. Effector mechanisms of adaptive immunity

i. Different life types require different effector mechanisms by the immune  system

1. Antibodies and B Cells

a. Recognize native antigens and toxins from extracellular 

environment via neutralization, opsonization and 

complement activation [extracellular bacteria and toxins]

2. T cells

a. Detect peptides generated by APCs from either 

extracellular or intracellular pathogens [kill directly or help 

others kill]

ii. During the effector phase…

1. Humoral Immunity 

a. Immunoglobulins (antibodies)

i. 5 classes

1. IgM­ first to respond, relatively low affinity

2. IgD­ in blood

3. IgG­ predominant antibody

4. IgE

5. IgA­ mucosal surfaces

ii. Same receptor but different effector functions

iii. Constant region determines functional properties  (distinct effector mechanisms)

iv. Can dimerize (2 bound antibodies) or pentamerize  (5 bound antibodies)

b. Function of Humoral (3 main defense strategies) i. Neutralization:  cell receptors bind pathogens or 

toxins and prevents entry into cells by antibodies 

binding the pathogen/ toxin 

1. Antibody bound product is eventually 

phagocytosed by macrophages

ii. Opsonization: Antibodies coat pathogens in the 

extracellular space and induce Fc­Receptor 

mediated Phagocytosis by Macrophage allowing 

entry

1.   (    Targeted phagocytosis)  

iii. Complement activation: Antibodies bind to 

bacteria.  This trigger complement deposition and 

activation

1. This results in lysis of the pathogen. 

2. Antibodies + complement are also a strong 

signal to induce uptake by phagocytes. 

3. End result = disposition of the pathogens

2. Cell­mediated Immunity 

a. CD8 and CD4 are co­receptors

i. CD8 Cytotoxic T lymphocytes: directly kill 

infected cells (BINDS MHCI)

ii. CD4 T Helper cells: several different effector T  cells (BINDS MHCII)

1. TH1  control intracellular bacterial 

infections

2. TH2  control parasitic infections

3. TFH (Follicular Helper)

4. T Helper cells  produce cytokines as 

effector molecules and also help B cells, but 

do NOT directly kill

iii. MHC molecules display peptide fragments of the  antigen

1. T­Cell receptors (TCR) recognize the 

peptide in the context of MHC

2. Type of MHC utilized depends on where the antigen is sampled (inside vs outside the 

cell) and by the cell type that is sampled

3. This influences which T cell effector 

interacts with the cell

4. WHICH MHC BINDS WHAT:

a. Cytosolic pathogen (in any cell)

i. MHCI­ CD8

ii. Intracellular origin

b. Intravesicular pathogens (in 

macrophages)

i. MHCII­ CD4

ii. Extracellular origin

c. Extracellular pathogen (in B cells)

i. MHCII­ CD4

ii. Extracellular origin

b. CD8 Cell binds MHCI which is found…

i. IN ANY CELL:

1. Virus infects cell

2. Viral proteins synthesize proteins in the 

cytosol

3. Peptide fragments of viral proteins are 

bound by MHC class I in the ER

4. The peptide bound to MHCI is transported 

to the cell surface 

5. Cytotoxic T cells recognize the MHCI and 

viral peptide and kills the infected cell

c. CD4 Cell binds MHCII which is found…

i. IN A MACROPHAGE

1. Bacterium infects a macrophage and enters 

the vesicle producing peptide fragments

2. Bacterial fragments bound by MHC class II  in vesicle

3. Bound peptides transported by MHC class II to cell surface

ii. IN A B CELL

1. Antigen bound by B­cell surface receptor

2. Antigen internalized and degraded to 

peptide fragments

3. Fragments bind to MHC class II and are 

transported to the cell surface

iii. MHCII REQUIRES ACTIVE UPTAKE BY 

APC

1. T cells recognize antigen presented by 

MHCII on dendritic cells, macrophages, and

B­cells

a. Dendritic Cell

i. Antigen receptor binding and 

co­stimulation occurs when a 

T cell binds to the MHCII 

complex on a dendrite

ii. The T cell then proliferates 

and differentiates to acquire 

the effector function

b. Macrophage

i. T helper cell recognizes 

complex of bacterial peptides

with MHCII and activates the

macrophage

c. B­cell

i. T follicular helper cell 

recognizes complex of 

antigenic peptide with 

MHCII and activates B cell

d. Defects in immune system result in immunodeficiency 

i. Inherited or acquired

ii. Range from slight to complete defect

iii. AIDS­ acquired immunodeficiency disease

1. Destroys T cells, DCs, and macrophages

iv. Homeostasis

1. Pathogens > immunity = disease

a. Exogenous threat

i. infection

2. Pathogen < immunity = autoimmunity 

a. Endogenous threat

i. cancer

IX. Three levels:

a. Anatomical and physiological barriers

i. Types:

1. Ciliary clearance, lysosomes in tears/ saliva, intact skin, low 

stomach pH, etc.

b. Innate immunity

i. Natural immunity

ii. Preformed or available within hours after infection

iii. Not specific

iv. Pattern recognition

v. Limited receptors and secreted proteins that recognize features common to many pathogens

vi. Germline encoded

vii. Physical and chemical barriers,

viii. Includes phagocytic macrophages, neutrophils

ix. No memory

x. Types:

1. Host defense peptides, complement, dendritic cells, neutrophils, 

TLRs, NLRs

c. Adaptive immunity

i. Acquired immunity

ii. Available in days after infection

iii. Specificity and diversity

iv. Repertoire of Ag receptors capable of fine distinctions between related  molecules

v. Somatic gene rearrangement

vi. Memory

vii. In higher vertebrates

viii. Lymphocytes with specialized receptors

ix. Memory

x. Types:

1. T­cells

2. B­cells

d. Failure in any of these systems will greatly increase susceptibility to infection.  e. Stages of Infection and Immune Response:

i. Entry

1. Adherence to epithelium

a. Normal flora, local chemical factors, phagocytosis

2. Local infection, penetration of epithelium

a. Antimicrobial proteins and peptides, phagocytosis, 

complement

ii. Host­Pathogen Interaction

1. Local infection of tissue

a. Complement, cytokines, chemokines, phagocytes, NK 

cells, macrophages, dendritic cells, blood clotting

iii. Immune Response

1. Adaptive immunity

a. Antibody, T­cell dependent macrophages, cytotoxic T cells

X. Barriers (PHASE1) 

a. Epithelial Cells 

i. All have mechanical, chemical, and microbiological defenses

b. Internal Epithelial­ mucosa (secrete viscous fluid) mucus

i. Skin

1. Flow of air/ fluid

2. Fatty acids

3. B­defensins, lamellar bodies, cathelicidins

4. Epidermis:

a. Tight junctions­ water tight

b. Skin cells, keratinocytes, lipids, antimicrobial peptides 

(Cathelicidins, B­defensins)

i. These antimicrobial peptides are incorporated into 

lamellar bodies which are also peptide rich

ii. Lipids are used to make water tight barriers and 

antimicrobial peptides are incorporated 

ii. Gut

1. Flow of air/ fluid

2. Low pH

3. Enzymes (pepsin)

4. A­defensins (cryptids), Reglll (lecticidins), cathelicidins

iii. Lungs

1. Movement of mucous by cilia (failure = cystic fibrosis)

2. Pulmonary surfactant (premature baby lacks this)

3. A­defensins, cathelicidins

a. Type II pneumocytes produce and secrete defensins

4. There are tight junctions here too

iv. Eyes/nose/oral cavity

1. Tears, nasal cilia

2. Enzymes in tears/ saliva (lysosomes)

3. Histatins, B­defensins

c. First line of defense:

i. Mechanical barriers

ii. Chemical defenses

iii. Microbiota

1. There are 10 X bacteria than human cells ­ walking petri dishes  (we are more bacteria than human)

iv. Not all microorganisms are pathogenic

1. Beneficial microorganisms – microbiota

v. Diverse variety of pathogens (vary in size) ­ 5 groups: 

1. Viruses­ HIV (AIDS)

a. Intracellular

2. Bacteria­ salmonella (food poisoning)

a. Gram negative­ cell wall, thin non­stained peptidoglycan

b. Gram positive­ thick stained peptidoglycan

c. Intracellular or extracellular

3. Fungi­ Trichophyton (athletes foot)

a. Extracellular

4. Protozoa­ Parasite­ plasmodium (malaria)

a. intracellular

5. helminths (worms)­ parasite­ pinworm (enterobiasis)

a. extracellular 

d. Infectious agents must overcome innate host defenses to establish a focus of  infection

i. Immune system views four classes of pathogens

1. Intracellular virus, Intracellular bacteria/protozoa/parasite, 

extracellular bacteria/parasite/fungi, extracellular worms

ii. Pathogens can be classified by

1. Route of entry

2. (mouth, repiratory tract, GI, reproductive, external surfaces, 

wounds, bites)

3. Mode of transmission

4. Type of pathogen

5. Mechanisms of pathogenicity/ disease they cause

XI. Host Defense Peptides (PHASE 1) 

a. Effectors molecules

i. Produced by epithelial cells, phagocytes in GI, respiratory urogenital 

tracts, skin, and tongue

ii. Types:

1. Enzymes 

a. Lysozymes

i. 1st described protein of innate defense (Alexander 

Fleming, 1927)

ii. Predominant peptide in all body secretions (up to 

mg/ml)

iii. Glycosidase (cleaves glycans)

iv. Good activity against gram­positive bacteria

v. Activity gram­positive > gram negative bacteria

vi. In the gut, phospholipase A penetrates cell wall and 

cleaves lipid bilayer

b. Phospholipase

2. Antimicrobial peptides (30­40 AA long)­ all generated via  

proteolytic processing from inactive propeptides AKA must be  

cleaved to be activated 

a. Defensins (a, B, q)

i. Produced by most multicellular organisms

ii. Ampiphillic, cationic

iii. Defensins (+) are attracted to transmembrane field 

(­) and they squeeze into the membrane and form a 

pore to lyse bacteria

b. Cathelicidins

i. produced constitutively by neutrophils and 

macrophages

ii. keratinocytes (skin) and epithelial cells of lung and 

intestine produce in response to infection

iii. similar mechanism as defensins

c. Histatins 

i. produced in oral cavity, antifungal

ii. cationic

d. Lecticidins 

i. carbohydrate binding

ii. produced by epithelial cells

iii. RegIIIy produced by Paneth cells in the gut kills 

bacteria by forming a hexametric pore in the 

membrane

e. Activate via proteolysis

i. Cleaved by protease, activated

ii. Strategy to control when and where peptides are 

activated

XII. Complement (PHASE I) 

a. History

i. Bordet found a substance in serum that was not Ab (Ig).

ii.  This substance caused lysis of bacteria in the presence of Ab (Ig).

iii.  This substance was inactivated at 56 °C (enzymes denature) but 

immunoglobulins (Ab) were not.

iv. Experiment conducted

1.  Inject bacteria into a rabbit. 

2.   Rabbit makes antibodies to the bacteria.

3.    Antibodies can be found in the serum (anti­serum).

4.    Test the anti­serum in bacterial cultures.

a. Conclusion: There are two substances in serum 

b. Ag­specific substance: Antibody (Immunoglobulin)

c. Ag­nonspecific substance: C’ (“alexin”)

b. Important part of Innate immunity

c. Shown to be a major effector of humoral immunity

d. Functions THREE OUTCOMES:

i. Complex set of serum proteins that leads to cell lysis and/or phagocytosis ii. recruitment of inflammatory response cells

e. Ag­nonspecific

f. Composed of 30 different plasma proteins 

g. Produced mainly by the liver

i. Other sources

1. monocytes (blood)

2. macrophages (tissues)

3. epithelial cells (especially in GI tract)

h. Inactive until activated by the presence of pathogens or opsonized pathogens i. GENERAL CHARACTERISTICS

i. many pathway components 

ii. amplification along pathways

1. amplification step vs. amplification loop

iii.  pathways converge to a series of common terminal reactions which leads  to the membrane attack complex (MAC)

iv. results in lysis

v. lysis is controlled (many regulatory mechanisms)

j. Three Pathways

i. Classical

ii. Alternative

iii. Lectin

k. General theme

i. Recognition phase

1. C­ antigen antibody complexes

2. A­ pathogen surfaces

3. L­ lectin binding to pathogen surfaces

ii. Activation phase 

1. All­ compliment activation

iii. Attack phase

1. C­ recruitment of inflammatory Cells

2. A­ killing of pathogen

3. L­ opsonization of pathogens

l. Components:

i. Components are synthesized as zymogens

ii. Inactive Pro­enzymes 

iii. Become activated by proteolytic cleavage

iv. Designated with simple number

1. Ex: C1, C2

v. Classical pathway reaction sequence: C1,C4,C2,C3,C5,C6,C7,C8 and C9 vi. Active proteins – a lower case letter suffix 

vii.     Ex: C3  C3a + C3b  

viii. Larger protein = b except C2

ix. C2a – larger protein

x. C1q, C1r, C1s distinct proteins that form larger protein – are not cleavage  products

xi. Alternate pathway proteins  B and D; Cleavage products  Ba, Bb, Da,  Db

xii. Ultimate end: pore formation of a MAC

1. DETAILS

a. C3 convertase activates C3 

b. C3 protein is made up of alpha and beta chains and a 

Thioester containing domain (TED)­ disulfide bond

c. Before cleavage by C3 convertase, the thioester bond is 

protected by TED

d. Cleavage of C3 releases C3a and a change in 

conformation of C3b allows thioester bond to react with a 

chemical group on the pathogen makring it for destruction

e. If the C3b (with active thioester) does not bind to a 

pathogen’s surface, it undergoes hydrolysis

f. The hydrolysis if C3d is where the alternative pathway 

begins! See later on…

m. CLASSICAL PATHWAY 

i. C1q activates C1r activates C1s (C1 complex)

ii. C1s cleaves C4 into C4a C4b

iii. C1s cleaves C2 into C2b and C2a

iv. C2a and C4b join to C4bC2a which is the C3 convertase

v. C3 convertase cleaves C3 onto C3a and C3b

vi. C3b binds to C4b2a making C42a3b which is the C5 convertase vii. C5 convertase cleaves C5 to C5a and C5b

viii. C5b initiates MAC

1. DETAILS

a. C1 complex is a hexamer of trimers

b. It has collagen helices that bring together the globular 

head which recognizes the Fc region of the antibody 

pathogen surface

c. When C1 cleaves C2, C2a is a larger protein

d. Enzymatically inactive units play a role in inflammation

n. ALTERNATE PATHWAY­ amplification loop! 

i. C3 undergoes spontaneous hydrolysis to give C3(H2O) 

ii. C3(H2O) binds to factor B­ this is cleaved by Factor D

iii. This cleavage makes C3(H2O)Bb which is the C3 convertase for this  pathway and can cleave C3

iv. Cleaved C3 makes C3b which is deposited on surface of bacteria v. This C3b can also bind to factor B, be cleaved by factor D and result in  C3bBb which is also a C3 convertase

vi. C3bBb and another C3b make C5 convertase C3b2Bb

vii. C5 convertase cleaves C5 into C5a and C5b

viii. C5b initiates MAC

1. DETAILS:

a. Ig­independent

b. More primitive than other two pathways

c.  Phases of alternative pathway C’­mediated lysis

d. recognition phase (not required) (pathogens are required 

but are not recognized by PRR)

e. activation phase (cascade of enzymatic reactions)

f. attack phase (formation of MAC) 

g. Components:

i. C3 (main component; same as classical pathway)

ii. Factor B

iii. Factor D

iv. Properdin­ stabilizes C3(H2O)Bb, released by 

neutrophils when activated by a pathogen, deficient

individuals are susceptible ti infection with 

bacterial menigitis

v. MAC components (same as classical pathway)

o. LECTIN PATHWAY 

i. MBL or Ficolin detect carbohydrates on the surface of microbes ii. MASP­1 cleaves and activates MASP­2

iii. MASP­2 cleaves C4 and C2 producing C3 convertase

iv. C2a and C4b join to C4bC2a which is the C3 convertase

v. C3 convertase cleaves C3 onto C3a and C3b

vi. C3b binds to C4b2a making C42a3b which is the C5 convertase vii. C5 convertase cleaves C5 to C5a and C5b

viii. C5b initiates MAC

1. DETAILS

a. There are four pattern recognition receptors (PRR)—MBL 

(mannose binding lectin), ficolins (in plasma, L­ficolins, 

M­ficolins, H­ficolins which are all six headed molecules 

that form a complex with two protease zymogens 

b. MBL binds mannose, fructose, N­acetylglucosamine on 

bacterial membrane

c. Ficolins with fibronectin domains binds to 

oligosaccharides with acetylated sugars NOT MANNOSE

d. They both associated with MBL­associated serine 

proteases (MASP­1, MASP­2)

e. Bacteria and yeast glycans terminate in mannose residues. 

Whereas vertebrates terminate in sialic acid allows for 

lectin receptors to distinguish pathogens from host

f. Activation of MASP­2 to cleave C4, see above for steps

g. C4b2a can cleave up to 1000 C3 molecules

p. Complement proteins of the different pathways have a close evolutionary  relationship (i.e. they are closely related) ~ take home message

q. Complement Receptors 

i. Phagocytic cells express many different complement receptors with  distinct functions

ii. Major function­ phagocytic cells recognize complement proteins bound to pathogen via complement receptors and engulf pathogen

1. C3bi­ stimulates phagocytosis

iii. Cleavage product of C3b are also recognized by different complement  receptors

1. Cleavage of C3b by factor I and MCP cofactor release C3f 

fragment and leaves iC3b on the surface

2. The cleavage of iC3b by factor I and CR1 releases C3c and leaves  C3dg bound to the surface

3. C3dg is recognized by CR2 expressed on B­cells

iv. C5a enhances phagocytosis of opsonized microorganisms in an innate  immune response by activating macrophages

1. Bacterium coated with C3b

a. When only C3b bound to CR1, not phagocytosed

b. Needs C5a to activate macrophage to phagocytose via 

CR1

v. Other small fragments

1. Small fragments are differentially active

a. C5a>C3a>C4a

2. Responsible for local inflammatory response

3. Blood flow; Permeability

4. Recruitment of immune cells

5. C5a activates Mast Cells –> proinflammatory cytokines

r. Membrane Attack Complex (MAC)

i. C5b binds C6

ii. C5b6 binds C7 and inserts into lipid bilayer

iii. C5b67 binds C8

iv. C5b678 causes C9 polymerization

1. C9 polymerization forms a membrane spanning channel that leads  to the lysis of the cell

s. Regulation of Complement activation to protect the host cell 

i. Complement proteins especially in the alternative pathway do  spontaneously activate at low levels even in the absence of pathogens,  this requires that the host cells be protected via different mechanisms

ii. During complement activation host cells may be accidently labeled due  to the intensity of the response, again host cells have several mechanisms  to protect themselves.

1. Host cells are spared because they express complement 

regulatory proteins (native regulatory components on host cell  membranes)

a. DAF­ (decay accelerating factor/ CD55) competes with 

factor B for binding C3b (stops/ slows amplification loop)

b. MCP (membrane cofactor of proteolysis/CD46 + Factor I  (convertase inactivating) cleaves C3b into C3bi (inactive)

c. CR1 / CD35 (complement receptor 1) competes with factor B binding 

d. Factor H (soluble factor that is enriched on host cells and  only binds C3b on host cells due to affinity to sialic acid 

residue) competes with factor B for binding

iii. Complement on host cells is regulated at different stages  1. C1r and C1s

a. Can be inhibited by C1INH

2. C4b2a

a. DAF, C4BP, CR1 displace C2a from C2b2a complex

b. C4b is bound by C4BP, MCP or CR1

3. C5 convertases

a. CR1 and H displace C3b and act as cofactors in the cleaves of C3b by I

4. C9 assembly

a. CD59 prevents final assembly at C8 phase

iv. Overview of regulation:

1. Inhibition of activation (i.e. dissociation of C1r and C1s from C1q) 2. Inhibition of C3 convertase at the convergence of the pathway  (classical and lectin pathways)

3. Inhibition of C5 convertase in all pathways via displacement of  C3b

4. Inhibition of MAC Complex in all pathways

v. Immunodeficiency resulting from dysregulation of complement 1. Factor I deficiency: Uncontrolled complement activation  depletion of complement protein  recurrent bacterial infections 2. Atypical uremic syndrome: Heterozygous mutations in MCP,  Factor I or Factor H ­> chronic complement activation and  formation of blood clots especially in kidneys.  Death is usually the result of end­stage renal disease

3. Age­related macular degeneration: Polymorphisms in Factor H genes lead to inflammation on retina and progressive reduction in  vision

4. Paroxysmal nocturnal hemoglobinuria: Somatic mutations in  CD59 and DAF lead to dysfunction of DAF. Red blood cells are  not protected from complement.  As a result, chronic RBC 

destruction is thought to result in hypertension that puts stress on  the heart leading to cardiac failure

vi. Pathogens produce several types of proteins that can inhibit complement  activation 

1. Recruit host regulatory proteins:

a. Produce Factor H binding protein 

i. Recruits Factor H to the surface of the pathogen

ii. Factor H inactivates C3b on surface of pathogen

b. PorA binds C4BP and uses C4BP to inactivate C3b 

c. ClfA binds Factor I and uses it to inactive C3b

2. Directly inhibit complement:

a. Spa = binds Fc regions and interferes with C1 activation

b. SAK = cleaves immunoglobulins bound to bacterial surface

c. SCIN = binds C4b2a and C3bBb = inhibits their activity

XIII. If the anatomical barriers AND nonspecific effectors are overcome… there is  growth and replication of the pathogen

a. Result: Early Induced Innate Response (PHASE2)—essentially phagocytosis i. Types:

1. Recruitment of effector cells 

2. Recognition of PAMPS by PRR 

a. PRR­ phagocytosis 

b. PRR­ cytokine/ Chemokine expression 

3. Start of inflammation 

ii. Innate immune cells capable of phagocytosis

1. Macrophage

a. Seek, engulf, and destroy pathogens

b. Monocytes are the immature form; circulate in blood

c. 1­6% of WBC 

d. Differentiate in tissues 

e. APC – Antigen Presenting Cell (Ag 

processing/presentation)

f. Cytokine Production  

i. e.g. IL­1, IL­6, GM­CSF, G­CSF, 

g. Antimicrobial / Cytotoxic Activities

h. Oxygen­dependent killing

i. Oxygen­independent killing

2. Dendritic cell

a. Two types:

i. Conventional dendritic cells (cDC)

1. Engulfs and presents antigens

2. Bridges innate and adaptive immunity

ii. Plasmacytoid dendritic cell (pDC)—more rare

1. Selectively activated by viral antigens 

(TLR7 and 9)

2. Produces large amounts of interferons

3. Neutrophil

a. Also known as PMNs 

i. (Polymorphonuclear cells)

b. 50­70% of WBCs

c. Functions

i. Phagocytosis (better than Macrophages)

ii. First to arrive at site of inflammation

iii. Chemotactic factors promote accumulation

iv. Extravasation: Circulation from blood to tissue

v. More common and better than Eosinophil or 

Basophil

4. Eosinophil

5. Basophil

iii. Innate immune system recognizes PAMPS, DAMPS via PRR 1. PAMPS= Pathogen Associated Molecular Patterns

a. Molecules on pathogens

b. Ex: Lipopolysaccharides (LPS), dsRNA, nucleic acid, CpG  motifs, lipotechoic acid (LTA), peptidoglycans

2. DAMPS ­ Damage Associated Molecular Patterns

a. Also called danger­associated molecular patterns

b. Biomolecules that can initiate and perpetuate a 

noninfectious inflammatory response.

c. Recognize damage from: Toxins, Trauma, Hypoxia, etc., 3. How?

a. Ligand

i. PAMP = pathogen associated molecular pattern. i.e.

LPS

b. Binds receptor

i. PRR= pattern recognition receptor

c. Causes an effect depending on the cell type:

i. Phagocytosis

ii. Antimicrobial effector functions

iii. Signaling 

iv. Gene transcription

v. Inflammatory cytokine production

d. PAMP and PRR specificity is flawless

i. Pattern on microorganism is always a pattern of 

microorganism

ii. Pattern is never displayed by host

iv. PRR on phagocytic cells recognize PAMPS 

1. Membrane bound receptors

2. Induce phagocytosis

a. FcR

i. Antibody­opsonized pathogens

ii. FcgR, FceR

b. C­type Lectin­like receptors

i. Bind Carbohydrates Receptors

ii. Dectin­1 (macrophages, neutrophils & DC)

iii. Mannose Receptor (macrophages, &DC)

c. Scavenger Receptors

i. Bind various anionic polymers, and lipoproteins

ii. Class A: SRAI/II, MARCO – binds bacterial cell 

wall components

iii. Class B: CD36 – lipid receptor binds long­chain 

fatty acids

d. Complement Receptors

e. Complement­opsonized pathogens

f. CR1 (binds C3b)

g. CR3 (also recognizes and phagocytoses microbes bearing  b­glucans)

v. Phagocytosis 

1. The process of ingestion/engulfment/uptake/internalization of  particles, biomolecules, pathogens or other material by phagocytes a. PROCESS:

i. Pathogen binds cell surface receptors

ii. Pathogen­receptor complex are taken up by the 

cells = phagocytosis

iii. Pathogen­receptor are enclosed in the membrane 

bound vesicle called phagosome

iv. Maturation of phagosome 

1. Phagosome fuses with lysosome 

phagolysosome

2. Lysosome – contains enzymes and 

antimicrobial peptides and acidifies 

phagosome

v. Pathogen are killed/lyzed/degraded by enzymes and

peptides in phagolysosome

b. Mediated by receptor­ligand interactions (immune 

cells)

c. Leads to fusion with lysosome

2. Pinocytosis 

a. Macropinocytosis – non­specific ingestion of large 

amounts of extracellular fluid

b. Micropinocytosis – non­specific ingestion of small 

amounts of extracellular fluid in a small vesicle… leads to  fusion with lysosome

i. Receptor­Mediated Endocytosis (RME) 

1. specific cell surface receptor­mediate 

uptake (not restricted to phagocytes)

2. Interaction is between specific molecules on 

pathogen/antigen/protein and a cell surface 

receptor.  

3. Differs from phagocytosis as a result of 

PRR­ PAMP interactions.

ii. Effect depends on pathway that resulted in uptake  and downstream signaling

3. Phagosomal Maturation 

a. Phagosome maturation is the process by which internalized  particles (such as bacteria and apoptotic cells) are trafficked into a series of increasingly acidified membrane­bound  structures (i.e. lysosomes), leading to particle degradation i. Destruction of pathogen in phagolysosome uses 

many mechanisms

ii. Acidification is itself bactericidal, but it also 

activates enzymes such as hydrolases (enzymes that

use water to break a chemical bond).  

iii. Lysosomes can also introduce competitors such as  Lactoferrin or B12­binding protein, these 

sequester Fe or B12 away from bacteria inhibiting 

their growth.    

b. Processing

i. Macrophages & neutrophils have additional 

receptors that signal to induce killing 

ii. fMet­Leu­Phe (fMLF) receptor – binds N

formylmethionine present in prokaryotes but not 

eukaryotes

iii. C5a complement receptor – binds C5a from 

complement pathway

1.     Both receptors = G­protein coupled  

    receptors (7 membrane spanning receptors) 

2. Many chemokine receptors are also G

protein receptors 

iv. Therefore, G­protein receptors are crucial to 

function of immune system

1. 2 functions of receptors:

a. Guide macrophage and neutrophils 

to site of infection (chemotaxis)

b. Increased antimicrobial activity in 

these cells

4. GPCR 

a. Signals to initiate antimicrobial killing

b. G­coupled protein receptor enhances intracellular killing i. Recognize fMet residue, amino acid in 

prokaryotes (fMet­Leu­Phe receptor)

ii. Recognize C5a complement products

iii. Increase chemotaxis toward ligand

iv. Increase respiratory burst

c. Process:

i. Before ligand binding a GPCR is not associated  with a G protein (G protein has GDP)

ii. Ligand binding causes a conformational change in  the receptor which enables it to associate with the  heterodimeric G protein which releases its GDP and uptakes GTP

iii. G proteins dissociate into GTPases alpha (activates  Rac/Rho) and beta (activates Cdc42) subunits

iv. This stimulates chemotaxis or the travel along a  chemokine of ligand gradient to induce a 

respiratory burst

v. Alpha subunit has intrinsic GTPase activity and  cleave GTP causing association of alpha and beta  subunits to give an inactive G protein

1. Activated Rac/Rho via GPCR induces 

production of antimicrobial peptides and 

toxic products 

a. Antimicrobial peptides (defensins, 

cathelicidins, histatins)

b. Nitric oxide (NO) [iNOS2 – high 

output form of NO)

c. Reactive oxygen species (ROS) 

Super oxide anion(O2­), Hydrogen 

peroxide (H2O2), oOH, OCl 

d. Activation of fMLF and C5a 

receptors are directly involved in 

ROS (reactive oxygen species) 

generation

d. ROS 

i. C5a and fMLF induce Rac2 which promtes 

assembly of a multi­component membrane 

associated NADPH oxidase on the phagolysosome ii. The NADPH oxidase complex then produces  superoxide anion

iii. This is toxic to bacteria

iv. NADPH oxidase results in a transient increase in 

oxygen consumption in the cell—known as 

respiratory burst

1. In neutrophils­ they engulf and kill the 

microbes that bind them

2. Bacterial fMet­Leu­Phe peptides bind the 

GPCR and activate Rac2 and bacteria is 

taken up into the phagosome

3. Phagosomes fuse with primary and 

secondary granules (these granules contain 

antimicrobial peptides and enzymes) as 

Rac2 induces the assembly of a functional 

NADPH oxidase in the phagolysosome 

membrane, leading to the generation of O2­.

Acidification as a result of ion influx 

releases granule protease from the granule 

matrix

e. RESPIRATORY BURST 

i. Phagocytic cells possess an electron­transport 

system which accepts electrons from NADPH in the

cytosol to reduce oxygen to the superoxide radical 

in the vacuolar lumen

ii. The NADPH oxidase reaction that results in a 

transient increase in oxygen consumption by the 

cell is called respiratory burst

iii. The superoxide is instrumental in killing ingested 

microorganisms

1. Lacking NADPH oxidase?

a. Chronic granulomatous disease

b. Very susceptible to fungal and 

bacterial infections

2. Pus

a. Dead neutrophils

b. Neutrophils are short lived cells

c. Dye soon after round of 

phagocytosis and using primary and 

secondary granules

d. Dead and dying neutrophils are 

major component of pus formed by 

infections with bacteria such as 

streptoccoi or staphylococci

vi. Inflammation

1. In parallel to phagocytosis by neutrophils and macrophages,  interaction of pathogens with macrophages also induces cytokine  and chemokine secretion

2. Role of inflammation: 

a. Bring additional cells and effector molecules to the site.

b. Induce local blood clotting to prevent spread.

c. Promote repair of injured tissue

3. Effect on Blood Vessels 

a. Cytokines produced by macrophages cause dilation of 

local small blood vessels

i. Increase in local blood flow

ii. Reduce velocity of flow

b. Leukocytes move to periphery of blood vessels as a result  of increased expression of adhesion molecules by 

endothelium

i. Leukocytes attach and migrate from blood to tissue 

space

c. Leukocytes extravasate at the site of infection

i. Increase in vascular permeability also causes edema

ii. Leukocytes moving in from blood stream into tissue

iii. Rolling adherence, tight binding at chemokine 

signal, transendothelial migration/ diapedesis into 

the tissue, migration and differentiation into 

inflammatory mononcyte

d. Blood clotting occurs in the microvessels

i. Prevents spreading of infection

vii.     Other    PRR’s    sense pathogens but do not induce phagocytosis  1. N­formyl peptide receptors – recognizes bacterial polypeptides –  activate macrophage to kill intravesicular pathogens

2. Toll­like receptors (TLRs) 

3. Nod­like receptors (NLRs)

4. RIG­I­like receptors (RLRs) (in cytosol – not membrane bound) 5. These end up inducing cytokine and chemokine responses that  influence both the innate and adaptive reponses

viii. Cytokines and Chemokines 

1. Cytokines: small proteins (peptides) made by a cell that affect  other cells, e.g. interleukins, interferon.

2. Chemokines: subclass of cytokines that are chemoattractants;  stimulate migration and activation of cells.

3. PRR’s that induce cytokine and chemokine expression

a. Toll­like receptors (TLRs) – membrane associated

b. Nod­like receptors (NLRs) – in cytosol – not membrane  bound

c. RIG­I­like receptors (RLRs) ­ in cytosol – not membrane  bound

d. Stimulator of interferon genes (STING) – membrane  associated (recently discovered)

i. Induce the expression of cytokines and chemokines

ii. These PRR’s are present on the surface or inside of 

phagocytic cells and they recognize

1. Sugars

2. Lipids

3. Nucleic acids

4. Proteins

ix. Toll Like Receptors (TLRs) 

1. Toll receptor initially discovered in Drosophila as important  receptor in dorso­ventral embryonic pattern

2. Toll in German means ‘great’, 

3. Mammalian homologues discovered and designated as Toll­Like  Receptors (TLR)

4. 10 in humans, 13 in mice

5. Single­pass transmembrane proteins with extracellular region  composed of leucine­rich repeats that form a scaffold for ligand  binding 

6. Membrane bound receptors 

7. Present on phagocytic cells, especially in macrophages and  dendritic cells

8. Cellular Locations of Mammalian TLRs

a. TLRs = extracellular region contains 18­25 copies of 

leucine­rich repeat.  

b. TLR­1:TL2 form heterodimer

c. TLR­2:TLR­6 form heterodimer

d. All others forms a homodimer!

9. Signal transduction 

a. How information gets from the receptor to the cell control  center (nucleus)

b. Common signaling mechanism 

i. Ligand binding leads to receptor oligomerization

ii. Adaptor proteins are assembled

iii. Protein kinases are activated

iv. Ubiquitin ligase enzymes are activated

v. NFkB activates gene transcription (all pathways 

lead to this)

c. Signals via TLR Requires Oligomerization

i. The convex surfaces of TLR­1 and TLR­2 have 

binding sites for lipid side chains of triacyl 

lipopeptides

ii. Binding of each TLR to the same lipoprotein 

induces dimerization, bringing their cytoplasmic 

TIR domains in close proximity

10. Structure:

a. Cytoplasmic tails of TLRs show similarities to IL­1  receptor (Toll­IL­1 Receptor, )

b.  Common adaptor is MyD88 to the TLR receptor c.  Most TLRs likely have a MyD88 pathway (TLR3 is an  exception only interacts with TRIF/TRAM), sometimes use with MAL

d. TLR4 has a MyD88 independent pathway as well (TRIF) 11. TLR­4  

a. Recognizes bacterial lipopolysaccharide in association with the host accessory proteins MD­2 and CD14

b. TLR­4 is special!

c. Process:

i. It utilizes this adapter molecular MD­2 to recognize  LPS… It does not directly bind to LPS.

ii. The MD­2 molecule binds to multiple fatty acid 

chains in LPS that are linked to the glycan chain, 

but one chain is free.  

iii. This free chain binds to the convex surface of the  second TLR­4 inducing dimerization.  Not shown – 

but a second molecule of TLR­4/MD­2 binding to 

the pocket on the other dimer stabilizes the 

complex.  

iv. CD14 is a co­receptor that works with lipid binding  protein (LBP) to activate TLR­4.   

12. Mammalian TLRs interact with TIR­domain adaptor molecules to  activate downstream signaling pathways

a. TLR activates NFkB 

i. Ligand binding induces receptor dimerization.  This then recruits MyD88 adaptor and for some TLR’s 

MyD88 works in association with MAL (MyD88­

adaptor like)

ii. MyD88 death domain recruits serine­threonine 

kinases IRAK1 and IRAK4 in association with 

ubiquitin E3 ligase = TRAF­6

iii. IRAK undergoes autoactivation and phosphorylates  TRAF­6 this activates its ligase activity.  

iv. TRAF­6 works with UBC13 (E2 ligase) and  cofactor Uve1A to create a polyubiquitin 

scaffolds.  

v. This scaffold recruits a complex of proteins = Two  adaptor molecules TAB1 and TAB2 bind to the  scaffold along with TAK1 (TAK­1 binding protein  1 and 2)

vi. As a result TAK1 is brought into close proximity  with IRAK and is phosphorylated.  TAK1 is now  active (END panel 2)

vii. IKKgamma subunit (NEMO) binds to scaffold  and brings IKK complex into close proximity with  TAK1.

viii. TAK1 phosphorylates IKKbeta, and IKKbeta  phosphorylates IkappaB

ix.  IkappaB is the cytoplasmic inhibitor of NFkB.   x.  IkappaB is then targeted for ubiquitination (not  shown) leading to its degradation and release of  NFkB.  

xi. NFkB then moves to the nucleus where it induces  cytokine expression

1. NFkB causes pro­inflammatory cytokine 

expression­ TNF­a, IL­1b & IL­6

xii. In addition to NFkB, TLRs can also induce the  activation of a different transcription factor

1. Via TAK1 activating MAPK…

a. TLR­3, TLR­7, TLR­8, TLR­9 

induce the activation of interferon 

regulatory factor proteins (IRF)

13. TLR­3 

a. Sense viral nucleic acids and induce expression of antiviral  interferons

b. TLRs activate NFkB, AP­1, and IRF transcription  factors to induce the expression of inflammatory  cytokines and type I interferons

c. Process:

i. TLR­3 is on dendritic cells and macrophages ii. TLR­3 in endosome binds to dsRNA and signals  directly via TRIF.  TRIF is an adaptor molecule  that recruits E3 ligase TRAF3.  (TRAF3 is different from TRAF6) 

iii. TRAF3 generates ubiquitin chains or scaffold.  

iv. The scaffold then attracts NEMO and TANK

(TRAF family member associated NFkB activator) 

with associated serine­kinases IKKepsilon and 

TBK1 (TANK­binding kinase 1)

v. TBK1 phosphorylates the transcription factor IRF3.

IRF3 then moves to the nucleus and stimulates the 

induction of type I interferon genes.  

14. TLR­7 

a. Sense viral nucleic acids and induce expression of antiviral  interferons

b. TLRs activate NFkB, AP­1, and IRF transcription 

factors to induce the expression of inflammatory 

cytokines and type I interferons

c. Process:

i. TLR­7 is on plasmacytoid dendritic cells

ii. TLR­7 detects ssRNA

iii. Binding ssRNA induces dimerization and recruits 

MyD88 to TLR.  

iv. IRAK1 and IRAK4 then bind MyD88

v. But instead of recruiting an E3 ligase they instead

directly phosphorylate IRF7 which is highly 

expressed in the plasmacytoid cells.

vi. Phosphorylated IRF7 (interferon regulatory factor) 

then moves the nucleus and induces expression of 

type I interferons.  

15. Overall:

a. Adaptors: MyD888 or MyD88/MAL, TRIF

b. Transcription factors: NF­kB, AP1, IRF

c. Outcome: Infmallatory Cytokines, Chemotactic factors,  Antimicrobial peptides, Antiviral cytokines

x. Nod­Like Receptors (NLRs): 

1. Nucleotide­binding oligomerizing domain­like receptors a. Intracellular sensors of PAMPs in the cytosol

2. The NOD­like receptors are intracellular sensors of bacterial  infection and cellular damage

a. Intracellular NOD proteins sense the presence of bacteria  by recognizing bacterial peptidoglycans and activate 

NFkB to induce the expression of pro­inflammatory 

genes

b. Entire molecule is referred to as NOD protein, there is  NOD1 and NOD2 which recognize different bacterial  glycans.  

i. iE­Dap = g­glutamyl diaminopimelic acid is 

recognized by NOD1

ii. MDP= Muramyl dipeptide is recognized by NOD2 3. Process:

a. NOD proteins reside in cytoplasm as inactive proteins b. Degradation of cell wall either from endosomes or during  intracellular infection results in production of 

peptidoglycans in cytosol

c. Ligand binding induces aggregation of NOD proteins; d. CARD domains (CAspase Recruitment Domain) in close  proximity recruit serine­threonine kinase RIP2.

e. RIP2 associates with XIAP cIAP1/2 = ubiquitin E3  ligases, these then build a polyubiquitin scaffold

f. NOW NFkB GETS ACTIVATED SAME AS FOR  TLRs

i. (This scaffold recruits a complex of proteins = 

TAK1 and two adaptor molecules TAB1 and TAB 2

(TAK­1 binding protein 1 and 2). Adaptor proteins 

TAB1/2 bind to scaffold and bring TAK1 into close

proximitiy with IRAK. TAK1 is then 

phosphorylated by IRAK and becomes activated. 

IKKgamma subunit (NEMO) binds to scaffold and 

brings IKK complex into close proximity with 

TAK1. TAK1 phosphorylates IKKbeta, and 

IKKbeta phosphorylates IkappaB. IkappaB is the 

cytoplasmic inhibitor of NFkB.  IkappaB is then 

targeted for ubiquitination (not shown) leading to its

degradation and release of NFkB. NFkB then moves

to the nucleus where it induces cytokine expression.

NFkB induces proinflammatory cytokines and 

production of enzymes for production of Nitric 

Oxide (NO))

4. NOD­Like­Receptor­Proteins= NLRP 

a. Subset of NLR

b. CARD domain is replaced with a pyrin domain

c. Subset of NLRs assemble to form inflammasomes i. Induces cell death and inflammation

d. Cell damage activates NLRP3 inflammasome to produce  pro­inflammatory cytokines

e. Process:

i. In resting cells HSP90 and SGT­1 bind to NLRP3

and prevent oligomerization.

ii. NLRP3 is the best characterized and is the example

used here and that you will need to know.  

iii. NLRP3 can be activated in response to efflux of 

potassium, presence of Reactive Oxygen Species 

(ROS) or disruption of lysosomes.  K+ efflux is 

caused by cellular damage via pore forming 

bacterial toxins, or neighboring cells dying and 

releasing ATP which activates the P2X7 receptor.

iv. This causes the HSP90 and SGT1 proteins to 

dissociate from NRLP3 and NLRP3 oligomerizes 

via interactions of the NOD domains 

v. This then brings multiple PYRIN domains into 

close proximity and these interact with the adaptor 

molecule ASC (PYCARD).  The ASC molecules 

have CARD domains that are associated with the 

CARD domain of pro­caspase 1

vi. The aggregated of ASC and pro­caspase 1 

molecules induces a conformation change in the 

ASC­pro­caspase 1 molecules.  

vii. Conformation change brings several pro­caspase 1 

molecules into close proximity and these can then 

cleave each other to produce active caspase 1

viii. The activated caspase 1 is released and cleaves the 

immature forms of pro­inflammatory cytokines 

(Cleavage of pro­IL­1B /pro­IL­18 to active 

forms (if present))

ix. The cytokines then exit the cell and act on 

lymphocytes.

1. Inflammasome structure

xi. RIG­I­Like­ Receptors (RLRs) 

1. Sense viral RNAs produced within in a cell in the cytosol a. (separate from TLR­3, 7, and 9 that detect viral RNA and  DNA in extracellular space)

2. The RIG­I­like receptors detect cytoplasmic viral RNAs and  activate MAVS to induce type I interferon production and  pro­inflammatory cytokines

3. Process:

a. Before detection of cytoplasmic RNA, RIG­1 and MDA­5 are inactive.  They exist as separate molecules.  Thus figure

should actually say RIG­1 or MDA­5

b. MAVS is on the mitochondrial membrane.

c. Detection of uncapped 5’­triphosphate RNA by RIG­1 or viral dsRNA by MDA­5 changes the conformation of their

CARD domains.

d. The CARD domains recruit TRIM25 which then forms  K63­linked ubiquitin scaffolds.

e. The scaffolds help RIG­1 or MDA­5 bind to MAVS

(mitochondrial antiviral signaling protein).  Exact 

mechanism is unclear.

f. The CARD domains in RIG­1 and MDA­5 promote 

aggregation of other MAVS molecules.

g. Aggrevated MAVS can then recruit TRAFs and induce the  formation of FREE ubiquitin scaffolds

h. This can result in recruitment of TBK1 and its activation  leading to activation of IRF3 and downstream IFN type I 

expression

i. This can also lead to the recruitment of IKK complexes

and the phosphorylation of IkB and the release of active 

NFkB (as observed for TLRs).

xii. Stimulator of Interferon genes (STING) 

1. Characteristics:

a. Bound to ER

b. Senses intracellular DNA in cytoplasm

c. DNA is not typically in cytoplasm

d. Binding of DNA leads to IRF3 activation and interferon  expression

2. Process: 

a. dsDNA is introduced into cytoplasm by viruses

b. cGAS resides in cytoplasm and is sensor of dsDNA from  viruses (dsDNA should not be in the cytoplasm)

c. When cGAS binds DNA enzymatic activity is stimulated  and it produces cyclic­GMP­AMP (cGAMP)

d. Bacteria that infects cells produce similar molecules such  as cyclic­diguanylate monophosphate (c­di­GMP) and 

cyclic­deadenylate monophosphate (c­di­AMP).  

e. cGAMP and bacterial cyclic dinucleotides can bind 

activate STING dimer present on ER.  

f. STING activates TBK1 (details are unclear) and TBK1 

activates IRF3.

g. IRF3 goes to the nuclear and activates type I interferons

b. Activation of innate sensors in macrophages and dendritic cells triggers changes  in gene expression that have far­reaching effects on the immune response i. Bacterial LPS (lipopolysaccharide, component of bacterial wall) induces  changes in DCs, stimulating them to migrate and to initiate adaptive  immunity by activating T cells

ii. Immature Dendritic cells are highly phagocytic, but lack ability to activate T cells

iii. DCs migrate to Lymph nodes

iv. DCs become mature 

1. MHC expression and co­stimulatory molecules CD80 (B7.1) and  CD86 (B7.2)

2. Induce an adaptive immune response

c. Induced Innate Immune Response to Infection Leads to the Production of Pro Inflammatory Cytokines and Chemokines 

i.   REMEMBER…

1. Cytokines:  peptides made by one cell that affects behavior of self  (autocrine) or other cells (paracrine) “language of cells”, 

Interleukins (IL) are made by lymphocytes.

a. Signaling types:

i. Autocrine­ self

ii. Paracrine­nearby cell

iii. Endocrine­ circulation, distant cell

b. Cytokines are the soluble mediators’ leukocytes use to 

communicate with other cells

c. Cytokines are proteins or peptides

d. They may act on the cell that made them on neighbors or 

on distant cells

e. Naming: 

i. Classes: CXC, or CC, or CXXXC

1. cysteine residues separated by amino acids, 

CC cysteine next to each other, CXC 

cysteine separated by another amino acid, 

etc

ii.  Functions: e.g. interferon (IFN)

iii.  Activities:  e.g. T cell growth factor (TGF)

iv.  Numbers:  IL­1, IL­2, IL­3 etc (Interleukins)

2. Chemokines:  subset of cytokines that stimulate the migration and  activation of other cells.

a. Leukocytes polarize in gradients of chemoattractant  (chemokines) and crawl to the source

b. Cells respond to cytokines or chemokines depending on  their receptors

c. Interaction with a cytokine can lead to expression of more  cytokine receptors.

d. Cytokines and their receptors fall into distinct families of  structurally related proteins… know many are dimers and  which are G­coupled receptors

e. JAK STAT 

i. Cytokine receptors of the hematopoietin family are  associated with the JAK family of tyrosine kinases, 

which activate STAT transcription factors

ii. Process:

1. Many cytokines act via receptors associated 

with Janus Kinases aka JAKs.

2. Receptor consists of two chains each 

associated with a specific JAK.  Recall some

receptors are heterodimers while others are 

homodimers

3. Binding of Ligand induces dimerization and 

brings two JAKs together.  

4. JAKs phosphorylate each other at specific

TYROSINE residues in the tail of the 

receptor.

5. STAT (signal transducer and activator of 

transcription) proteins exist as inactive 

dimer and have SH2 domain that binds 

PHOSPHORYLATED tyrosine residues 

in tail of receptor

6. Upon binding STAT homodimers are 

phosphorylated by JAKs

7. After phosphorylation, STAT dimers 

reconfigure such that SH2 domains bind 

to phosphorylated TYROSINE residue on

other dimer.

8. Then translocate to the nucleus where they

bind and activate gene transcription

3. Control of Cytokine Signaling 

a. Cytokine signaling is the result of tyrosine phosphorylation, therefore dephosphorylation of receptor complex 

terminates signaling

b. Three classes of tyrosine phosphatases implicated in 

controlling cytokine signaling:

i. SHP­1 and SHP­2 – nonreceptor tyrosine 

phosphatases

ii. CD45 – transmembrane receptor tyrosine 

phosphatase

iii. Suppressor of cytokine signaling (SOCS) – 

contain SH2 domain = recruitment to 

phosphorylated JAK or receptor, directly inhibit 

JAK or compete for receptor and direct 

ubiquitination and degradation of JAKSs and 

STATS

1. SOCS are induced by STAT activation to 

turnoff signal

iv. Protein inhibitors of activated STAT (PIAS) – 

promote degradation of receptors and pathway 

components

c. Take home message: control (stopping signals) is mediated  by dephosphorylation of tyrosine residues

4. Chemokines released by macrophages and dendritic cells  recruit effector cells to sites of infection

a. Important cytokines and chemokines secreted by DCs and  Macrophages in response to bacterial products include 

IL1b, IL6, CXCL8, IL12, TNF­a

i. TNF­a – inducer of local inflammatory response

ii. CXCL8 – recruitment of immune cells

iii. IL1b, IL6, TNF­a – acute phase response

iv. IL12­ activates NK cells and CD4 T cell 

differentiation

b. Chemokine receptors are GPCRs 

c. Signaling results in more than just homing

d. Varity of different chemokines with different functions

i. CCL = ligand

ii. CCR = receptor

iii. CCL2 attracts monocytes

iv. CXCL8 attracts neutrophils

ii. Remember Extravasation? 

1. It is driven by cytokines and chemokines during inflammation 2. All leukocytes are in the blood

a. Leukocyte subsets:

i. Lymphocytes

ii. Neutrophils

iii. Basophils

iv. Eosinophils

v. Monocytes

b. Must get through endothelial cell to get to tissue of site of  inflammation—endothelial cells are the layer of cells that  comprise the inner wall of a blood vessel

3. Neutrophils go first: 

a. Rolling of the leukocyte (neutrophil)  (weak adhesion) i. Adhesion molecules­ weak interaction 

1. Endothelium Surface

a. Selectins

b. Expressed on the surface of activated

endothelium

c. Bind to carbohydrates (sialyl

Lewisx) on leukocytes

d. Initiate endothelium­leukocyte 

interaction and rolling

e. TNF­� induces expression

2. Leukocyte surface

a. Integrins

b. Expressed on the surface of 

leukocytes

c. LFA­1 and CR3 are involved in 

extravasation

d. Exist in an “inactive” state in which 

binding is easily broken

e. Chemokines induce a change to the 

“active” state that promotes strong 

binding to I­CAMs

b. Tight binding of leukocyte to endothelial cells.

i. Adhesion molecules­ strong interaction 

1. Endothelium surface

a. Intercellular adhesion molecules 

(ICAMs)

b. Belong to immunoglobulin­like 

protein family 

c. Expressed on the surface of activated

endothelial cells

d. ICAM­1 and ICAM­2 are involved 

in extravasation

e.

c. Diapedisis:  leukocyte squeezes through the endothelial  cells.

d. Migration:  neutrophils move to the site of infection.

e. Process of initiation: 

i. TNF­ � induces E and P­selectin expression on 

endothelium

ii. Enhances rolling via binding to sialyl­Lewisx 

iii. ICAM1 and 2 expression is increased on activated 

endothelium

iv. Integrins (LFA­1 and CR3) bind to ICAM1 or 2.

v. Chemokines induce change in state of integrins on 

leukocytes to promote strong binding

iii. Cytokines… Bad?

1. Tumor necrosis factor alpha TNFα

a. TNF­alpha can be good or bad.  At a local level it promotes inflammation and control of the infection.  If induced 

systemically it causes septic shock.  And if those with 

chronic systemic release it causes cachexia 

(CA_CEX_E_AHH) = wasting disease.  

b. GOOD:

i. Acts on endothelial cells to stimulate expression of 

adhesion molecules and permit extravasation of 

neutrophils 

ii. Triggers proteins of blood clotting in blood vessels 

c. BAD:

i.  Systemic release can cause septic shock

ii.  Chronic systemic release can cause cachexia

(wasting disease)—loss of weight, muscle atrophy, 

fatigue, weakness, loss of appetite

iv. Three macrophage produced cytokines also have systemic effects: 1. Cytokines that can increase body temperature (TNFα, IL­6, IL 1β)

2. These are called Endogenous pyrogens (fevers).

a. Affect the liver, bone marrow endothelium, hypothalamus,  fat, muscle, and dendritic cells

3. Pyrogenic cytokine induce fever

a. Bc most pathogens grow better at lower temperatures

4. Cytokines made by macrophages and dendritic cells induce a  systemic reaction known as the acute­phase response

a. Macrophages express IL­6

b. IL­6 induces synthesis of acute­phase proteins in the liver

c. Acute phase proteins bind pathogens and enhance pathogen

clearance via opsonization and activating complement

pathway

i. This is part of the early induced innate response 

4­96 hours after infection

ii. Acute phase proteins:

1.  C reactive protein 

2.  Serum amyloid protein

3. Mannose binding lectin

d. Innate Immune Response to Viruses 

i. Induction of Interferon Response

ii. REMEMBER: Viruses are intracellular pathogens!  Therefore, the innate  immune response must address these pathogens differently than 

extracellular bacteria.  For example, viruses evade complement detection  (unless, there are pre­existing antibodies to the virus)

iii. Virus infection induces the expression of interferons!

1. Three classes of interferons:

a. Type I Interferons (IFN) = IFN­� and IFN – �

i. expression is induced by virus infection

ii. expressed by almost all cell types, especially pDC

iii. induced by RIG­I, MDA­5, and STING

b. Type II Interferon = IFN­ � (only member of this family)

i. made by Thelper 1 cells and activate macrophages

c. Type III Interferons = IFN­�

i. receptor distribution is restricted, but on epithelial 

cells

iv. TYPE 1 IFN (alpha and beta) 

1. Activate antiviral defense in cells 

2. IFN­a and b are not to be confused with interferon­g which is  made by TH1 cells and, among other things, activates macrophages 3. Made my most cells, especially plasmacytoid DCs

4. Signal via interferon­� receptor (IFNAR)

a. IFNAR signals via JAK­STAT pathway

5. Signaling induces gene expression:

a. Protein Kinase R (PKR)

i. PKR phosphorylates eukaryotic initiation factor 2 

(eIF2 �) and inhibits protein translation =   viral  ↓

replication

b. Oligoadenylate synthetase 

i. Induces formation 2’­5’ linked ATP oligomers 

(normally 3­’5’ linked in cells)

ii.  2’­5’ linked ATP oligomers activate RNAseL

iii. degradation of RNA

c. Mx (myxoma resistant) proteins

i. Interferes with viral replication in nucleus (not well 

understood)

ii. Inbred laboratory mice are deficient in Mx genes

v. Interferons induced by viral infection make several contributions to host  defense

1. Most cells can make IFN­a and IFN­b in response to virus [e.g., in  response to double stranded RNA (dsRNA)]

2. Ribonuclease activity, Protein synthesis inhibition

3. 3 Major Functions: 

a. Activate genes that decrease viral replication or inhibit 

translation

b. Increase MHCI expression to protect uninfected cells from 

NK cells and enhance virus detection in infected cells

c. Activate NK cells to kill infected cells

4. Type I IFN’s also induce IFIT expression

a. Interferon­induced protein with tetratricoid repeats (IFIT)

b. IFIT 1 &2 suppress translation of capped mRNA by 

binding to subunits of eIF3 prevents formation of 43S pre

initiation complex

c. May be responsible for reduced cell proliferation of 

uninfected induced by Type I IFNs

e. Natural Killer Cells

i. NK cells are activated by type I IFN and macrophage derived cytokines ii. NK cells play a large role in controlling virus infections, because viruses  are inside the cell…

1. Thus phagocytes cannot readily attack them, thus to control the  infection the infected cell must be killed.  

2. NK cell activation in  response to viruses makes sense, because  you need to kill infected cells.  Phagocytes will not be able to 

control the virus because it is predominantly in the intracellular 

compartment.  PRR’s such as RIG­I and TLR’s will be activated  and drive the immune response.  

iii. Large granular lymphocytes

iv. Lack antigen specific markers

v. Early component to the host response to virus infection

1. Following virus infection, IFN­� and IFN­�, and TNF­�

and IL­12 are produced first

2. Followed by wave of NK cells which combined with

cytokines control virus infection, but do not eliminate virus

3. Virus elimination is achieved by activated CD8 T cells and 

neutralizing antibodies

vi. NK cells express activating and inhibitory receptors to distinguish  between healthy and infected cells

1. NK cells have 2 types of surface receptors:

a. Activating receptors:  trigger killing

b. Inhibitory receptors:  prevent killing

2. Overall balance of signaling via these receptors determines  whether NK cells engages and kills a target cell

3. NK cells have two mechanisms to kill cells:

a. Release of granules that induce apoptosis in the target cell b. Infected cells express death receptors DR4/DR5, and 

TRAIL (tumor necrosis factor­related apoptosis­inducing 

ligand) expressed on surface of NK cells binds these 

receptors and signals the cell to undergo apoptosis via 

caspase 8

4. NK­cell receptors belong to several structural families and  include the KIRs and KLRs

a. Both sets of receptors may belong to families based on 

structure:

i. KIRs = killer cell immunoglobulin­like receptors 

1. include KIR

ii. KLRs = killer lectin­like receptors

1. include NKG2C and NKG2A

b. Activating or inhibition of killing depends on the signaling  motifs in the cytoplasmic tail of the receptor:

i. Inhibitory receptors: immunoreceptor tyrosine

based inhibition motif (ITIM) 

1. This blocks ITAM, leading to no killing

ii. Activating receptors: immunoreceptor tyrosine

based activation motif (ITAM)

5. Normal levels of MHCI expression, NK cell does not kill a. NK cells kill cells that have low levels of MHC class I on  their surface.

i. Kill by default!!!! 

ii. (Without inhibitory signal, NK cells kill cell)

iii. The higher the MHCI, the less likely it is for a NK 

to kill the cell

b. NK cells are tuned to detect changes in surface proteins on  target cell = “dysregulated self”

i. “Stress­induced self”­ metabolic changes: 

malignant transformation or virus infection induces 

expression of molecules on surface of cell, these are

recognized by activating receptors.  DNA damage,

heat shock and TLR signaling can induce the 

expression of different proteins.  

ii. “Missing self” – loss of normal cell surface 

receptors.  Inhibitory receptors on NK molecules 

recognize constitutively expressed host proteins.  

Inhibitory receptors are not activated when these 

molecules are decreased and thus activating signals 

predominant.  Most well studied is a lack of MHCI 

leads to loss of inhibition of killing

1. Why low MHCI?

a. Virus­infected and tumor cells are 

able to alter MHC­I expression

b. Inhibit the synthesis of all proteins 

therefore decrease the amount of 

MHC­I

c. Selectively prevent the export of 

MHC­I molecules

d. Also infected cells can also change 

the proteins bound in the MHC. One 

way is by glycosylation

c.

XIV. Infectious agents’ growth and Replication

a. Infectious agents grow in all compartments

b. Immune response differed based upon location on pathogens

c. Clinical symptoms can differ based on where pathogen is located

i. End result, depending on compartment agent is removed via different 

mechanism

d. Example:

i. Extracellular

1. Interstitial spaces, blood lymph= phagocytosis, complement, 

antibodies

2. Epithelial surfaces= antimicrobial peptides, antibodies (adaptive), 

IgA (adaptive)

3. Two strategies of Innate:

a. Complement mediated lysis (or antimicrobial peptide on 

surface of the body)

b. Phagocytosis

ii. Intracellular

1. Evasion tactic (hidden from view and immune response)

a. Safe from blood factors

b. Two types:

i. Obligates­ must invade host cell for replication

ii. Facultative­ can replicate without or with host cell

2. Cytoplasmic = NK, cytotoxic T cells

3. Vesicular = T­cells, NK cells dependent on macrophage activation

4. Two strategies of Innate:

a. Phagocytosis

i. Destroy pathogen before invasion

b. NK

i. Destroy cells infected with the pathogen

XV. Tissue Damage due to mechanisms

a. Direct: Caused by pathogen itself

i. Exotoxin is secreted by bacteria

ii. Endotoxin is component of bacteria that is not secreted but triggers 

phagocytes to release cytokines that produce local or systemic effects.

iii. Direct Cytopathic effect

b. Indirect: Caused by host response to the pathogen

i. Immune complexes – bacterial components bind host protein (i.e. 

fibrinogen) and also bind to antibodies – stimulate robust macrophage and 

neutrophil response that also acts on tissues.

ii. Anti­host antibody ­ some pathogens induce antibodies that are also 

capable of binding to cells of the body.  Human body has low levels of 

antibodies against RBC’s and in during mycoplasma infection these can be

stimulated to much higher levels that result in disease.  Streptococcus 

induces antibodies with low cross reactivity against other tissues in the 

body

iii. Cell­mediated immunity – Cytotoxic T cells kill host cells

iv. Last, neutrophils most abundant phagocyte release many proteins and small­molecule inflammatory mediators that control infection but also

cause tissue damage.

XVI. Wait also host cells have sialic acid and bacterial cells have glycan such as mannose, idk  if this is important

XVII. Opsonization­ pathogen marked for digestion

XVIII. Pathogens must overcome innate host defense mechanisms in order to establish  infection

XIX. Adaptive Immune Response (PHASE #3) 

Overview stuff:

 Thus far, discussed Pattern Recognition Receptors (PRR) ­> promote 

phagocytosis & activate killing inside the cell

 Other Classes of Pattern Recognition Receptors drive cytokine and chemokine  expression

 Importantly, cytokine expression also serves as another connection between  innate and adaptive immunity 

 Pattern of cytokine expression by innate cells will eventually help shape the T  helper response

 Cytokines and chemokines orchestrate the early migration of immune cells to the  sites of infection

 Immune cells are retained via adhesion molecules

 NK cells are regulated by a complex balance of activating and inhibitory  receptors.

 Innate­like lymphocytes were recently discovered and amplify innate responses 

Page Expired
5off
It looks like your free minutes have expired! Lucky for you we have all the content you need, just sign up here