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Kleine RNAs und das Immungeschehen

Patienten mit variablem Immundefekt fehlen Antikörper, um sich vor Infektionen zu schützen. Nur bei einem geringen Teil der Betroffenen ist das Krankheitsbild auf einzelne Gendefekte zurückzuführen. Wie die Entwicklung der B-Lymphozyten durch kleine RNA-Moleküle gesteuert wird und warum das manchmal schief läuft, untersucht die Forschungsgruppe von Dr. Ulrich Salzer am Centrum für Chronische Immundefizienz (CCI) der Universitätsklinik Freiburg. Eines wird dabei immer deutlicher: In den Zellen des Immunsystems finden keine Schwarz-Weiß-Entscheidungen statt, sondern eher ein komplexes Feintuning.

Diese Grafik zeigt die Anzahl verschiedener Zelltypen im Blut von Gesunden (oben) und CVID-Patienten (unten). Die Anzahl der B-Zellen, die Antikörper produzieren können, ist bei CVID-Patienten viel geringer (blauer Kreis). © Dr. med. Ulrich Salzer
Das variable Immundefektsyndrom (engl.: Common Variable Immunodeficiency, kurz CVID) tritt oft erst bei Erwachsenen auf - anders als viele andere angeborene Störungen des Immunsystems, die aufgrund ihrer genetischen Ursachen oft schon im Kindesalter ausbrechen. Patienten mit CVID haben einen Mangel an Antikörpern, die normalerweise Eindringlinge wie etwa Bakterien abwehren. Schuld daran ist unter anderem eine gestörte Entwicklung der B-Lymphozyten, also derjenigen Zellen, die in unserem Blut und in unserer Lymphe Antikörper produzieren. Chronische Atemwegsinfekte oder Lungenentzündungen durch Bakterienbefall sind die Folgen. Es treten aber auch exotischere Komplikationen auf, wie etwa Autoimmunphänomene oder Tumoren. „Die CVID hat kein einheitliches Krankheitsbild zur Folge“, sagt Dr. Ulrich Salzer, Forschungsgruppenleiter am Centrum für Chronische Immundefizienz (CCI) der Universitätsklinik Freiburg, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird. „Und das macht die Diagnostik und die Therapie manchmal schwierig.“

Schalter zur Kontrolle in der Zelle

Neben der genauen Diagnose von Ursachen für jeden einzelnen Patienten sind auch die Hintergründe der Symptome rund um die CVID wenig erforscht. Denn Forscher haben zwar einige Gene gefunden, die im Falle eines Defektes oder einer Mutation die Krankheit auslösen können. So hat zum Beispiel auch Salzer in seiner Postdoc-Zeit das TACI-Gen als möglichen Verursacher entdeckt, das für ein Rezeptorprotein auf der Oberfläche von B-Zellen kodiert. Aber das TACI-Gen und möglicherweise noch andere Gene wirken oft nur als Risiko-Faktoren, die die CVID begünstigen können. Nur für wenige Patienten gilt, dass ein Defekt in einem einzelnen Erbfaktor zum Ausbruch der Krankheit ausreicht.

Außerdem wird heute immer deutlicher, dass möglicherweise nur ein kleiner Teil aller CVID-Erkrankungen tatsächlich allein auf monogenetische Ursachen zurückzuführen ist. Salzer hat deshalb schon vor einigen Jahren kleine RNA-Moleküle in den Fokus seiner Forschung gerückt. Denn diese entpuppen sich auch in anderen Bereichen wie etwa der Onkologie immer mehr als wichtige Dirigenten des molekularen Geschehens in einer Zelle.

Die nur einige Nukleotid-Bausteine großen Moleküle aus der Gruppe der sogenannten microRNAs besitzen Sequenzabfolgen, die komplementär zu bestimmten Sequenzen von Messenger-RNAs sind, also den Abschriften der Gene, die für Proteine kodieren. Bindet eine microRNA an eine solche Sequenz der Messenger-RNA, dann wird die Übersetzung dieser Messenger-RNA in das Protein gestört. In einer Zelle wird dann weniger von dem entsprechenden Protein produziert. „Auf diese Weise regulieren microRNAs indirekt die Ableserate von Genen. Sie stellen Schalter dar, die eine Kontrolle über viele zelluläre Vorgänge ausüben können“, sagt Salzer.

In der Krebsforschung ist schon seit einigen Jahren bekannt, dass Störungen in diesen Regulationsprozessen für die Entstehung von Tumoren relevant sein können. Für das variable Immundefektsyndrom war der mögliche Einfluss von microRNAs aber noch nicht erörtert worden. Ein wegweisender Ausgangspunkt waren daher Forschungsdaten, die eine Rolle von microRNAs bei der Entwicklung von B-Lymphozyten nahelegten.

Salzer und sein Team untersuchen seit 2009 in einem Teilprojekt des Sonderforschungsbereichs 620 (gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft) zum Beispiel, ob in den B-Lymphozyten (kurz: B-Zellen) von CVID-Patienten andere microRNAs exprimiert werden als in den B-Zellen von gesunden Probanden. Die Idee dahinter ist, dass Störungen in der B-Zell-Entwicklung aufgrund des Vorhandenseins oder Fehlens bestimmter microRNAs auftreten könnten. Nach einer Vielzahl solcher molekularer Screens fanden die Forscher knapp zwei Dutzend auffällige Kandidaten, darunter ein Cluster von mehreren microRNAs, das bis dahin noch nicht mit der B-Zell-Entwicklung in Zusammenhang gebracht worden war. Momentan prüfen Salzer und sein Team, welche Funktion dieses Cluster in einer B-Zelle ausübt.

Kein Schwarz-Weiß-Prozess

So funktioniert ein Reportergen: Die abgebildeten Zellen sind sogenannte HeLa-Zellen, die sich besser mikroskopieren lassen als B-Zellen. Der Reporter besteht aus einem Gen für das grün fluoreszierende Protein (GFP, engl.: green fluorescent protein) und der daran fusionierten DNA-Sequenz für die Ziel-mRNA mit den entsprechenden Bindestellen für eine microRNA. Wird dieses Konstrukt in ein Protein übersetzt, leuchtet die Zelle grün. Wird die Übersetzung auf mRNA-Ebene durch eine microRNA gehemmt, ist die Zelle nur rot und blau gefärbt. Der rote Farbstoff (WGA) färbt Zellmembranen, der blaue (DAPI) Zellkerne. Mit einem solchen Reportergen-System können Forscher zum Beispiel testen, ob eine hinzugegebene microRNA eine Messenger-RNA blockiert und damit deren Übersetzung in ein Protein verhindert, da eine Zelle dann ihr grünes Leuchten verlieren würde. In den hier zu sehenden rot /blau gefärbten Zellen hat der Einbau des Reportergens nicht funktioniert. © Dr. med. Ulrich Salzer

Und das wird nicht einfach sein, denn die Zielstrukturen von microRNAs, also die Messenger-RNAs, besitzen oft zahlreiche Bindestellen für die kleinen Regulatoren, sodass es sich wahrscheinlich eher um ein komplexes Netzwerk-Regulationssystem handelt. Eine einfache kausale Abfolge zwischen einer einzelnen microRNA und einem hoch- oder runterregulierten Gen wird sich vermutlich nicht nachweisen lassen. „Unsere Hypothese ist, dass es am Ende immer eine Kombination aus verschiedenen fehlerhaft exprimierten microRNAs und deren Zielgenen ist, die letztlich ein Krankheitsbild auslöst“, sagt Salzer. „MicroRNAs regulieren die zelluläre Entwicklung nicht in einem Schwarz-Weiß-Prozess, sondern vollführen eher eine Art Feintuning an verschiedenen Stellen in der Zelle.“ Immerhin haben die Freiburger inzwischen verschiedene Transkriptionsfaktoren gefunden, die von microRNAs kontrolliert werden und mit der B-Zell-Entwicklung zu tun haben.

Viel Bioinformatik wird zum Beispiel nötig sein, um alle Mitspieler in dem System zu finden. Danach werden die Forscher die Rolle der einzelnen Mitspieler in der B-Zell-Entwicklung erforschen, zum Beispiel durch Knockdown-Versuche mit Inhibitoren oder durch Überexpression in gesunden Zellen und mit Hilfe sogenannter Reportergene. Bei diesen kann die Regulation durch microRNAs mittels fluoreszierender Proteine wie GFP (engl.: green fluorescent protein, grün fluoreszierendes Protein) oder Luciferase gemessen werden (siehe auch Abbildung rechts).

Wie verhalten sich die Zellen, wenn bestimmte microRNAs fehlen oder in einer höheren Konzentration vorhanden sind? Produzieren sie noch Antikörper? Am Ende werden die Studien von Salzer und seinem Team vielleicht dazu beitragen, die Diagnostik für einzelne Patienten- und Patientengruppen zu verbessern. Denn kennt man die Hintergründe einer konkreten Immunstörung, dann lassen sich auch Vorhersagen über die Entwicklung des Leidens und seiner jeweils unterschiedlichen Symptome aufstellen. Und auch für die Grundlagenforschung wäre ein solches Wissen wichtig. Denn dass es in der Zelle jenseits der genetischen Kontrolle noch andere Ebenen der Regulation gibt, ist eine verhältnismäßig neue Erkenntnis. Dies birgt auch in vielen anderen klinischen Bereichen noch viel unerforschtes Potenzial.

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