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Neues Protein hilft B-Zellen bei der Immunabwehr

Das Immunsystem spielt eine wichtige Rolle für die Gesunderhaltung des Menschen. Dr. Gina Fiala hat im Team von Prof. Dr. Wolfgang Schamel an der Immunologie der Universität Freiburg mit dem Protein Kidins220/ARMS einen wichtigen Baustein im immunologischen Netzwerk charakterisiert. Dieser ist an der Reifung der B-Zellen beteiligt und so mitverantwortlich für die adaptive Immunabwehr.

Analysiert die Entwicklung und Ausprägung des B-Zell-Rezeptors (BCR) auf B-Zellen: Dr. Gina Fiala. © privat

Die Bestandteile der adaptiven spezifischen Abwehr des Immunsystems sind die B- und T-Zellen, deren Vorläuferzellen aus dem Knochenmark stammen und an unterschiedlichen Orten reifen und ausdifferenzieren. Sie tragen membranständige Rezeptoren, mit denen sie Fremdstoffe und Antigene erkennen können. B-Lymphozyten beginnen im Knochenmark als Prä-B-Zellen, die erst einen Vorläufer des Rezeptors an ihrer Zelloberfläche besitzen. Kidins220 ist am Ausprägungsprozess des B-Zell-Rezeptors (BCR) mitbeteiligt, der in der Entwicklung und Reifung von B-Zellen eine sehr zentrale Rolle spielt. Dabei beeinflusst es die Weiterleitung des Signals vom Rezeptor ins Zellinnere, indem es mit dem BCR interagiert. Fehlen die Signale des Rezeptors, weil Kidins220 nicht vorhanden ist, ist auch die B-Zell-Entwicklung beeinträchtigt.

Der Rezeptor ist ein Multiproteinkomplex auf der Zelloberfläche, der die entscheidenden Signale für die Proliferation und Aktivierung in jedem Schritt der Entwicklung sendet. „Wenn es den B-Zell-Rezeptor nicht gibt oder er keine Signale leitet, gibt es keine B-Zelle", bringt Postdoktorandin Dr. Gina Fiala es auf eine einfache Formel.

Sie forscht am Institut für Biologie III der Universität Freiburg im Team von Prof. Dr. Wolfgang Schamel an B-Zellen und B-Zell-Rezeptoren. B-Zellen zirkulieren durch Blut- und Lymphbahnen, bis ein Antigen an den BCR bindet. Das setzt den Aktivierungsprozess in Gang: Die B-Zelle nimmt das Antigen auf, zerlegt es und exponiert es zusammen mit MHC II als Komplex an der Zelloberfläche. T-Helferzellen, die diesen Komplex erkennen, produzieren Zytokine und unterstützen so die Aktivierung und Antikörperproduktion der B-Zellen.

Glossar

  • Antigene sind Fremdstoffe, die das Immunsystem zur Produktion von Antikörpern anregen.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Immunologie ist eine Wissenschaft, die sich u. a. mit den Abwehrreaktionen von Mensch und Tier gegen Organismen wie Bakterien, Pilze und Viren, aber auch mit Abwehrreaktionen gegen fremde Zellen und Gewebe bzw. gegen eigene Zellen und Gewebe (Autoimmunreaktionen) beschäftigt.
  • Kilodalton (Abk.: kDa) ist das Maß für die Masse eines Atoms oder Moleküls (ein Dalton entspricht der Masse von 1/12 C-Atom, k = kilo (1.000).
  • Lymphozyten sind eine Klasse der weißen Blutkörperchen, die in B- und T-Lymphozyten unterteilt werden und bei der Immunantwort des Körpers unterschiedliche Funktionen übernehmen (z. B. produzieren B-Lymphozyten Antikörper).
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Rezeptoren sind Moleküle, die u. a. auf Zelloberflächen anzutreffen sind und die in der Lage sind, ein genau definiertes Molekül – ihren Liganden – zu binden. Das Zusammentreffen von Ligand und Rezeptor kann eine Abfolge von Reaktionen innerhalb der Zelle auslösen.
  • Die Ribonukleinsäure (Abk. RNS oder RNA) ist eine in der Regel einzelsträngige Nukleinsäure, die der DNA sehr ähnlich ist. Sie besteht ebenfalls aus einem Zuckerphosphat-Rückgrat sowie einer Abfolge von vier Basen. Allerdings handelt es sich beim Zuckermolekül um Ribose und anstelle von Thymin enthält die RNA die Base Uracil. Die RNA hat vielfältige Formen und Funktionen; sie dient z. B. als Informationsvorlage bei der Proteinbiosynthese und bildet das Genom von RNA-Viren.
  • Transduktion hat im biologischen Kontext zwei Bedeutungen: 1) Bei der Signaltransduktion wird ein äußerer Reiz (z.B. Licht) in ein physiologisches Signal (Nervenimpuls) umgewandelt und zum Gehirn weitergeleitet. Zum anderen wird aber auch die Vermittlung eines Signals in eine Zelle (z.B. Hormonwirkung) als Signaltransduktion bezeichnet. 2) In der Genetik ist mit dem Begriff Transduktion die Übertragung von DNA durch Viren von einem Bakterium auf das andere gemeint. Dieser natürlichen Vorgang wird auch in der Gentechnik angewandt.
  • Mit Transkription im biologischen Sinn ist der Vorgang der Umschreibung von DNA in RNA gemeint. Dabei wird mithilfe eines Enzyms, der RNA-Polymerase, ein einzelsträngiges RNA-Molekül nach der Vorlage der doppelsträngigen DNA synthetisiert.
  • Neuron ist der Fachausdruck für Nervenzelle. Diese besteht aus einem Zellkörper, einem Axon und Dendriten.
  • Proliferation in einem biologischen bzw. medizinischen Kontext bedeutet Zellvermehrung infolge von Zellteilung bzw. Gewebsvermehrung. Sie tritt z. B. bei Wundheilung, Regeneration von Gewebe sowie bei Wucherungen auf.
  • Ein Transkriptionsfaktor ist ein Protein, dass die Herstellung einer RNA-Kopie eines Gens (Transkription) steuert. Transkriptionsfaktoren binden an bestimmte Sequenzen auf der DNA und interagieren mit der RNA-Polymerase, die dadurch ihre Transkriptionsaktivität verändert.
  • Eine Zelllinie ist eine dauerhaft etablierte Zellkultur, die sich unter definierten Bedingungen unbegrenzt vermehrt.
  • Inhibitoren sind Stoffe, die chemische oder biologische Reaktionen verlangsamen oder verhindern.
  • Kinasen sind Enzyme, die eine Phosphatgruppe von ATP (Adenosintriphosphat) auf andere Enzyme oder chemische Verbindungen übertragen und diese somit phosphorylieren.
  • Die Expression ist die Biosynthese eines Genprodukts (= Umsetzung der genetischen Information in Proteine). Sie erfolgt in der Regel als Transkription von DNA zu mRNA und anschließender Translation von mRNA zu Protein.
  • Das Immunsystem ist das körpereigene Abwehrsystem von Lebewesen, das Gefahren durch Krankheitserreger abwenden soll. Es schützt vor körperfremden Substanzen und vernichtet anormale (entartete) Körperzellen. Dies wird durch ein komplexes Zusammenspiel mehrerer Organe, Zelltypen und chemischer Moleküle vermittelt.
  • Die Zelldifferenzierung bezeichnet die Spezialisierung von Zellen in Bezug auf ihre Funktion und ihre Struktur. So entstehen aus undifferenzierte Stammzellen verschiedene Zelltypen wie Herzmuskel-, Nerven- oder Leberzellen, die ganz unterschiedlich ausssehen und verschiedene Aufgaben erfüllen.
  • Ein Melanom ist eine Entartung der Pigmentzellen der Haut (Melanozyten). Die bösartige Form, das sogenannte maligne Melanom, wird auch schwarzer Hautkrebs genannt und ist ein Tumor, der tendenziell schon früh Tochtergeschwulste (Metastasen) bildet und daher als äußerst gefährlich gilt.
  • T-Lymphozyten oder kurz T-Zellen sind wichtige Zellen der Immunabwehr (weiße Blutkörperchen), die Fremdstoffe (Antigene) erkennen, wenn sie an die Oberfläche anderer Zellen gebunden sind. T-Lymphozyten sind zusammen mit B-Lymphozyten an der erworbenen (adaptiven) Immunantwort beteiligt, d.h. sie reagieren spezifisch auf einen Erreger.
  • Synapsen sind die Kontaktstellen zwischen Nervenzellen untereinander bzw. Nervenzellen und anderen Zellen (z.B. Muskelzellen). In chemischen Synapsen wird ein ankommender elektrischer Impuls der Nervenzelle in ein chemisches Signal umgewandelt: Es werden sogenannte Neurotransmitter ausgeschüttet, die wiederum die Zielzelle zur Erzeugung eines elektrischen Impulses anregen.
  • Die Massenspektrometrie ist ein Verfahren zur Messung des Masse-zu-Ladung-Verhältnisses eines Teilchens. Bei biologischen Fragestellungen werden meist Proteine massenspektrometisch untersucht.
  • Zytokine sind regulatorisch wirkende Proteine oder Glykoproteine. Sie sind verantwortlich für das Wachstum und die Differenzierung von Körperzellen und dienen auch ihrer Kommunikation untereinander, so zum Beispiel bei Immunreaktionen. Zu den Zytokinen gehören Interferone, Interleukine, Tumornekrosefaktoren, koloniestimulierende Faktoren und Chemokine.
  • Als Transplantation bezeichnet man die Verpflanzung eines Transplantates (Zellen, Gewebe Organe). Es gibt verschiedene Transplantationsarten, die sich nach Herkunft, Funktion und Ort einteilen lassen. So wird bei einer xenogenen Transplantation ein Organ einer anderen Art transplantiert, während dagegen bei einer allogenen der Spender von einer Art stammt. Daneben gibt es noch die autologe Transplantation, bei der Spender und Empfänger dasselbe Individuum sind. Ist der Spender der eineiige Zwilling so spricht man von einer syngenen Transplantation. Eine alloplastische Transplantation wird das Transplantieren von künstlichem Material genannt. Bei Transplantationen werden Immunsuppressiva verabreicht, um die natürliche Abwehrreaktion des Körpers gegenüber Fremdstoffen zu unterbinden und damit das Transplantat im Körper zu erhalten. Die Zulässigkeit der Organspenden wird durch das Transplantationsgesetz (TPG) seit 1997 in Deutschland geregelt. Tritt Hirntod ein, muss ein Familienangehöriger der Entnahme zustimmen oder ein entsprechender Organspendeausweis des Spenders vorliegen. Am Häufigsten werden heutzutage Niere, Augenhornhaut, Herz und Leber transplantiert.

Kidins220/ARMS: Zwei Namen – ein Protein

Unabhängig von zwei Arbeitsgruppen entdeckt, bekam dasselbe Protein zwei verschiedene Namen, aufgrund des unterschiedlichen Augenmerks der Forscher. Die einen nannten es ARMS (ankyrin repeat rich membrane spanning) und die anderen, die es ursprünglich als Substrat für Proteinkinase D in Neuronen fanden, Kidins220 (kinase-D-interacting substrate of 220 kDa). Es ist ein sehr großes, hoch konserviertes integrales Membranprotein, das mit vielen Motiven verschiedene Protein-Protein-Wechselwirkungen vermitteln kann. Mit seinen multiplen Interaktionsbereichen ist Kidins220 ein geeigneter Kandidat, als Signalplattform zu agieren, indem es zellspezifische Effektoren für die Aktivierung bestimmter Rezeptoren rekrutiert. Man findet Kidins220 durch alle phylogenetischen Gruppen hindurch und ubiquitär exprimiert auf den meisten Zellen des Organismus. „Es scheint in generellen Prozessen der Zelle eine Rolle zu spielen, so auch im Immunsystem", erzählt Fiala.

Zuerst wurde es in Nervenzellen entdeckt, wo es mit Mikrotubuli und Aktin interagiert und neben neuronaler Differenzierung und Überleben auch die synaptische Plastizität moduliert. Embryonen ohne das lebenswichtige Kidins220 sterben bei der Geburt mit schweren neuronalen und vaskulären Defekten. Es ist involviert in die Regulation von Gleichgewicht zwischen Zelltod und Überleben, indem es essenzielle Signalwege beeinflusst. Fiala fand Kidins220 per Zufall. „Wir hatten uns gefragt, ob es Proteine gibt, die an den Rezeptor binden, bevor dieser aktiviert wird", sagt sie, „und sind per Massenspektrometrie auf Kidins220 als neuen Interaktionspartner gestoßen." BCR-Signaltransduktionen scheinen ohne Kidins220 anders abzulaufen.

B-Zell-Entwicklung und -Aktivierung beeinträchtigt

Auf der Zelloberfläche exprimieren B-Zellen den B-Zell-Rezeptor (BCR), dessen Signale für die Entwicklung und Aktivierung von B-Zellen elementar sind. Bindet Antigen an den BCR, werden die ITAM im BCR phosphoryliert und das Signal ins Zellinnere geleitet, wodurch Signalkaskaden aktiviert und zelluläre Entscheidungen getroffen werden. (ITAM (Immunreceptor tyrosine-based activation motif): Intrazelluläres Motiv, bei dem die Tyrosinreste phoshoryliert werden und bei der Signaltransduktion mitwirken.) Das Protein Kidins220 interagiert mit dem BCR und beeinflusst die Aktivierbarkeit der B-Zelle, indem es verstärkend auf die BCR-Signalkaskade wirkt. © Dr. Gina Fiala, Universität Freiburg

Mittlerweile sind viele Interaktionen mit Rezeptoren bekannt, in die Kidins220 involviert ist. Einer ist der BCR, der beispielsweise über den MAP-Kinase-Signalweg die Entwicklung von B-Zellen und ihre optimale Zellaktivierung während der Immunantwort induziert. Der BCR stellt die Spezifität für die Antigene her, indem er nach Aktivierung die Signalkaskade in Gang setzt, an deren Ende ERK (Extracellular-signal Regulated Kinase) letztlich das Feintuning von Transkriptionsfaktor und damit die Aktivierung der B-Zelle reguliert. Die Experimente von Fiala zeigen, dass ohne Kidins220 nur eine abgeschwächte Signalleitung stattfinden kann. „Wir konnten zeigen, dass Kidins220 für eine volle Aktivierbarkeit der B-Zellen wichtig ist", sagt die Immunbiologin. Sowohl die Anzahl der produzierten B-Zellen als auch ihre Qualität ist geringer, wenn Kidins220 durch Knock-out im Mausmodell oder shRNA (small hairpin RNA, ein Hilfsmittel zur RNA-Interferenz) in Zelllinien deletiert wurde. Im BCR gibt es sogenannte leichte und schwere Ketten, die an der Antigenerkennung mitwirken. Zellen mit der leichten Kette Lambda, die Lambda-light-chain (λ LC), werden ohne Kidins220 gar nicht mehr hergestellt, sondern nur noch solche mit Kappa-light-chain (κ LC). „Der Verlust von Kidins220 führt dazu, dass die B-Zellen, die aus dem Knochenmark entlassen werden, für bestimmte Antigene blind sind, weil diese Lambda-light-chain-abhängig sind", meint Fiala, „und für diejenigen, die sie erkennen, sind sie weniger sensitiv, also schlechter aktivierbar." Das resultiert in einem schwächeren Signal bei der Antigenbindung und einer weniger effizienten Immunantwort.

Bedeutung für Immundefizienz und Krebs

Wie Kidins220 exakt in der Signaltransduktion agiert, ist noch Teil der aktuellen Forschung. Bisher kam Kidins220 im BCR-induzierten MAP-Kinase-Signalweg nicht vor, und nun weiß man, dass es ein positiver Regulator der BCR-Funktion ist und schon weit oben in die Kaskade eingreift. „Wir gehen davon aus, dass Kidins220 schon die Aktivierung der ersten beiden Kinasen Lyn und Syk beim BCR beeinflusst", verrät Fiala, „und so ein Modulator von Signalstärke und -länge ist." Man geht davon aus, dass Kidins220 eine tragende Rolle in Zellproliferation und Zyklusprogression hat. Im Immunsystem kann ein zu schwaches Rezeptor-Signal neben einer ineffektiven Immunantwort auch den Verlust der Selbsttoleranz zur Folge haben, da während der Entwicklung potenziell auto-reaktive Zellen nicht zuverlässig eliminiert werden. Aufgrund der Beteiligung in Überlebenssignalwegen muss Kidins220 auch als potenzielles Onkogen angesehen werden. „Ein von Krebszellen häufig genutzter Weg ist, die ERK-Kaskade vermehrt anzuschalten und damit eine starke Proliferation auszulösen", meint Fiala, „wenn Kidins220 hier eine Regulatorfunktion hat, könnte es die Kaskade auch stark aktivieren."

Eine andere Arbeitsgruppe hat bereits gezeigt, dass in manchen Melanoma-Zellen Kidins220 überexprimiert wird. Ebenso ist eine mögliche Rolle in der Leukämie-Entstehung naheliegend. Ist Kidins220 defizient, könnte man es möglicherweise den Patienten über Knochenmarks-Transplantationen übertragen oder über zellbasierte Therapien die Immunzellen mit vollständigen Antikörpern ausstatten. Ist es überexprimiert, könnte man eventuell mit inhibitorischen Medikamenten den MAP-Kinase-Weg wieder optimal regulieren.

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