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Freiburger Wissenschaftler zeigen, wie monovalente Antigene B-Zellen aktivieren
Das Dissociation-activation Modell geht davon aus, dass nach der Bindung von monovalenten Antigenen eine spezifische Anordnung der B-Zellrezeptoren gestört wird und dadurch die Öffnung und Aktivierung erfolgt. Die Öffnung des Rezeptors durch monovalente Antikörper-fragmente benötigt die Anwesenheit und Aktivität des Proteins Lyn. Bild: Arbeitsgruppe Reth

Nach einer Infektion oder erfolgreichen Impfung produzieren die B-Zellen des Immunsystems große Mengen von Antikörpern. Diese bekämpfen eine akute Infektion und schützen Menschen im Folgenden vor weiteren Infektionen. Bevor es zur Freisetzung von spezifischen Antikörpern kommt, müssen die B-Zellen jedoch zunächst aktiviert werden. Dies geschieht durch die Bindung von B-Zellen an fremde oder immunogene Stoffe, die von Immunologen als Antigene bezeichnet werden. Die B-Zellen tragen auf ihrer Oberfläche einen sogenannten B-Zell-Antigenrezeptor (BCR). Wird eine B-Zelle durch die Bindung eines fremden Antigens an ihren BCR aktiviert, differenziert sie sich im Folgenden zu Antikörper-produzierenden Plasmazellen, sodass die feindlichen Strukturen im Rahmen der Immunantwort bekämpft werden.

Das Labor von BIOSS-Sprecher Prof. Dr. Michael Reth am BIOSS Centre for Biological Signalling Studies und am Max-Planck-Institut für Immunbiologie und Epigenetik in Freiburg untersucht die Struktur und Mechanismen der Signalleitung der über 100.000 B-Zell-Antigenrezeptoren auf der Oberfläche jeder B-Zelle. Im Verlauf dieser Forschung entwickelte das Team ein neues Modell der B-Zellaktivierung. Bisher war angenommen worden, dass die vielen Rezeptoren auf der Oberfläche der B-Zellen zufällig verteilt sind und dass die Bindung von Antigenen zu einer sogenannten Kreuzvernetzung („Cross-Linking“) zweier Rezeptoren somit deren Aktivierung führt.

Das Cross-Linking Modell (CLM) kann jedoch nicht die Aktivierung des BCR durch monovalente Antigene erklären. Diese Antigene haben nur eine Bindungsstelle und wären gemäß des Cross-Linking Modells nicht in der Lage, zwei B-Zell-Antigenrezeptoren zu vernetzen und den Signalmechanismus für den Start der Immunantwort auszulösen. Das „Dissociation-Activation“ Modell (DAM), das 2010 von Dr. Jianying Yang und Michael Reth vorgeschlagen wurde, hält hingegen für diesen Fall eine einfache und überzeugende Lösung bereit. „Wir entwickelten eine Methode, um die Organisation von B-Zell-Antigenerezeptoren im Nanometerbereich zu untersuchen. Basierend auf diesen Beobachtungen gehen wir davon aus, dass die Bindung von sowohl mono- als auch polyvalenten Antigenen an die Rezeptoren eine bei unseren Untersuchungen entdeckte und spezifisch strukturierte Anordnung der Rezeptoren stört und somit die Öffnung und Aktivierung hervorgerufen wird”, sagt Reth.

Um die jeweilige Plausibilität der beiden vorgeschlagenen Modelle (CLM oder DAM) zu prüfen, ist es entscheidend, die exakten Veränderungen der Organisation der Rezeptoren – ihre Zusammenballung durch Kreuzvernetzung oder Öffnung der Anordnung – nach Bindung von monovalenten Antigenen zu untersuchen. Die aktuelle Studie des Labors von Reth setzt hierfür auf eine neu entwickelte Mikroskopie-Methode mit verbesserter Auflösung zur Beobachtung. Mittels eines sogenannten Fabbasierten Proximity Ligation Assay (Fab-PLA) konnten zwei Doktoranden des Teams, Christoph Volkmann und Naema Brings, die Veränderung des Abstandes zweier Rezeptoren im 10- bis 20-Nanometer-Bereich nachweisen. Mit diesem Testverfahren studierten sie die Organisation der BCR von B-Zellen aus der Milz von Mäusen. „Als wir die B-Zellen monovalenten Antigen aussetzten, führte dies zum Verlust des IgM:IgM Fab-PLA-Signals. Dieser Befund deutet auf eine Aufspaltung statt auf eine Zusammenballung von Rezeptoren hin und unterstützt entsprechend die Thesen des DAM-Modells“, sagen die beiden Erstautoren der Studie, Volkmann und Brings.

Frühere Experimente hatten gezeigt, dass der Rezeptor der B-Zellen, der speziellen anti-Rezeptor-Antikörpern (divalent) ausgesetzt wurde, aktiviert wird, während die Aktivierung durch monovalente Fab-Fragmente fehlschlug. Bei letzteren handelt es sich um monovalente Fragmente eines anti-Rezeptor-Antikörpers. Diese Ergebnisse interpretierten die Forschenden als Beweis, dass nur durch zweiwertige Antikörper oder polyvalente Antigene über die Vernetzung zweier Rezeptoren eine B-Zellaktivierung erfolgt. Die Untersuchungen des Teams von Reth zeigen jedoch, dass ein monovalentes Fab-Fragment durchaus in der Lage ist, den Rezeptor zu öffnen. Jedoch nur dann, wenn es direkt mit der Antigen-Bindungsstelle des Rezeptors interagiert. „Basierend auf unserem Dissociation-Activation-Modell vermuten wir, dass innerhalb der Rezeptorstrukturen die Antigenbindungsstellen eine sehr spezifische Ausrichtung haben. Diese erlaubt es ihnen, sich gegenseitig zu berühren und in der Antigen-wahrnehmung zu kooperieren“, erläutert Yang.

Das Team fand auch heraus, dass der Erkennungsvorgang sowie die Öffnung des Rezeptors die Anwesenheit und Aktivität des Proteins Lyn benötigen. „Wenn den B-Zellen Lyn fehlt, dann sind sie nur noch in der Lage polyvalente Antigene zu erfassen, aber nicht mehr monovalente Antikörperfragmente“, so Volkmann. Diese Ergebnisse zeigen, dass der Rezeptor einen speziellen Mechanismus entwickelt hat, um monovalente Antigene wahrnehmen zu können und ein Signal zur B-Zell-Aktivierung auszusenden.

„Unsere Untersuchungen sind Teil des sehr erfolgreichen ‚BIOSS nanoscale explorer‘ (BiNEP)“, sagt Reth. Er und sein Team sind davon überzeugt, dass der eingeschlagene Weg in die Nanowelt der Zelle in der Zukunft zu einem besseren Verständnis der B-Zell-Aktivierung führen wird. Dadurch können neue Strategien zur Kontrolle der B-Zell-Aktivierung entwickelt und die Therapie von Autoimmunerkrankungen oder Krebs verbessert werden.

 

Original Publikation:

Molecular requirements of the B-cell antigen receptor for sensing monovalent antigens.
Volkmann C, Brings N, Becker M, Hobeika E, Yang J, Reth M
EMBO J. 2016 Sep 15. [Epub ahead of print]

http://emboj.embopress.org/content/35/21/2371.long

 

Bericht über die Forschung von Michael Reth auf dem Portal "surprising science"

http://www.pr.uni-freiburg.de/pm/surprisingscience/koerper/zellmembran/zellmembran?set_language=de