Bereich: Grundlagenforschung Rheumatologie, Immunologie und klinische Immunologie

Dr. Stephan Gadola Bern

Struktur und Bindungskinetik von drei verschiedenen humanen CD1d/alpha-Galaktosylceramid-spezifischen T-Zell-Rezeptoren

Zusammenfassung
Allen Säugern ist eine Untergruppe von spezialisierten T-Lymphozyten – die invarianten NKT-Zellen
(iNKT) – gemeinsam, für welche kürzlich wichtige immunregulatorische Funktionen aufgezeigt wurden.
Diese T-Lymphozyten wurden ursprünglich aufgrund ihrer Koexpression von T-Zell-Rezeptoren (TZR)
und von Rezeptoren für natürliche Killerzellen (NK) phänotypisch identifiziert und demzufolge als NKTZellen bezeichnet. Weitere Studien haben gezeigt, dass der TZR dieser NKT-Zellen bei Mäusen und Menschen aus hoch konservierten variablen alpha (Vα) und variablen beta (Vβ) TZR-Kettenfamilien besteht. Ausserdem ist die sogenannte CDR3 Schleife der Vα-Kette (CDR3α), welche mit dem Antigen direkte Kontakte bildet und in normalen T-Lymphozyten hoch polymorph ist, in diesen spezialisierten NKT-Zellen invariant. Der TZR von humanen invarianten NKT- (iNKT)-Zellen ist ein aus einer invarianten Vα24-Jα18 und einer varianten Vβ11-Kette gebildetes Heterodimer. Frühere Studien an iNKT von Mäusen hatten gezeigt, dass eine TZR vermittelte Aktivierung von iNKT Zellen zu einer massiven und raschen Sekretion des TH2-Zytokins Interleukin-4 (IL-4), gefolgt von einer massiven Sekretion des TH1-Zytokins Interferon-γ (IFNγ) führt. Ein entscheidender Durchbruch zum Verständnis dieser Zellen war der Nachweis, dass iNKT-Zellen nichtpolymorphe CD1d-Moleküle, welche Glykound Phospholipidantigene präsentieren, erkennen. Ein synthetisches, von einem Meeresschwamm abgeleitetes Glykolipid, das alpha-Galaktosylceramid (KRN7000), wurde als stark stimulatorischer CD1d-Ligand für iNKT-Zellen erkannt und wird heute noch immer verwendet, um die Funktion von iNKT-Zellen zu untersuchen. KRN7000 stimulierte iNKT-Zellen sezernieren in einer strikt TZR- und CD1d-abhängigen Weise grosse Mengen von Zytokinen, und sie sind auch in der Lage, CD1d tragende Zielzellen abzutöten. Die in-vivo Stimulation von iNKT durch KRN7000 führt in
verschiedenen Mausmodellen zur Elimination von malignen Tumoren. Umgekehrt ist über die
physiologische Rolle von iNKT-Zellen vergleichsweise wenig bekannt, unter anderem weil bei
eukaryotischen Organismen bis anhin kein KRN7000-artiger stimulatorischer iNKT-Ligand
überzeugend identifiziert wurde. Neuere Studien an CD1d-K.O.- und iNKT-K.O.-Mäusen weisen auf
eine entscheidende Rolle von iNKT-Zellen bei der Erhaltung der immunologischen Toleranz hin. Diese iNKT-Funktionen sind von der TH2-Zytokinsekretion als Antwort auf die TZR–CD1d Wechselwirkung abhängig. Die Daten dieser Studien stehen im Einklang mit der Beobachtung, dass iNKT-Zellen bei Patienten mit Autoimmunerkrankungen wie z.Bsp. der Rheumatoiden Arthritis stark vermindert sind.

Bedeutung der Arbeit
Die sehr vielfältigen und potenten Funktionen von iNKT Zellen haben das Potential, falls sie für
therapeutische Zwecke nutzbar gemacht werden könnten, neue Wege für die Behandlung von Krebs
wie auch von Autoimmunerkrankungen zu eröffnen. Die Protein-Protein-Wechselwirkung des Vα24-
Jα18/Vβ11-iNKT-TZR mit dem CD1d-antigenpräsentierenden Molekül ist für alle funktionellen
Antworten von iNKT von zentraler Bedeutung. Dementsprechend haben wir zuerst die
Bindungscharakteristiken von humanen iNKT-TZR mit verschiedenen humanen CD1d/Lipid-
Komplexen untersucht. Zu diesem Zweck haben wir lösliche rekombinante humane iNKT-TZR und
auch lösliche rekombinante humane CD1d/Lipidkomplexe erzeugt. Die Bindung von iNKT-TZR an
CD1d/Lipidkomplexe wurde mittels BiaCore gemessen. Unsere Ergebnisse zeigten dass sowohl die
Bindungsstärke (d.h. die Affinität, KD) wie auch die Bindungskinetik (d.h. die ON- und OFF-Raten,
koff/kon) der Wechselwirkung ähnlich waren wie bei natürlichen hochaffinen MHC-Klasse I/Peptidspezifischen TZR. Diese Studien zeigten überdies, dass die CDR3α-Schleife für die hochaffine
Bindung an CD1d/KRN7000 essenziell ist, währenddem verschiedene variable Alphaketten (z.Bsp.
Vα3.1 und Vα10), falls sie mit Jα18 verknüpft sind, eine ähnliche Bindung an CD1d/KRN7000
ergeben können wie dies Vα24-Jα18 tut. Diese Bindungsstudien wurden durch Bestimmungen der
Atomstruktur ergänzt. Wir haben Proteinkristalle von drei verschiedenen CD1d/KRN7000, die an
humane TZR binden hergestellt: ein invarianter Vα24-Jα18/Vβ11-TZR, ein Vα3.1-Jα18/Vβ11-TZR und
ein Vα10-Jα18/Vβ11-TZR. Die Kristallstrukturen der drei unterschiedlichen TZR waren zueinander
und auch zu früher bestimmten Strukturen von peptidspezifischen TZR sehr ähnlich. Da wir zuvor
auch den CD1d/KRN7000-Komplex kristallisiert und dessen Struktur bestimmt hatten, konnten wir
unsere TZR-Strukturen verwenden, um ein plausibles atomares Andockmodell der Wechselwirkung
von humanem iNKT-TZR mit CD1d/KRN7000 zu erzeugen. Das Modell weist darauf hin, dass die
keimbahn-codierte CDR2-Schleife der Vβ11-Kette für die Stabilisierung des iNKT-TZR auf dem CD1d-
Protein wichtig ist. Dieser Mechanismus könnte die dominante Nutzung gewisser variabler Beta-
Ketten durch murine und humane iNKT-Zellen erklären.

Unsere zukünftigen Untersuchungen werden sich auf die spezifische Rolle der CDR3-Schleife der
Vβ11-Kette für die iNKT-Funktion konzentrieren. Ein vollständiges Verständnis der Struktur-Bindungs-
Eigenschaften von iNKT-Zellen an CD1d/Lipidkomplexe könnte den Weg für die Entwicklung von
iNKT-TZR und/oder CD1d ansteuernden therapeutischen Wirkstoffen zur Bekämpfung von Krebs und
Autoimmunerkrankungen ebnen.

Gadola S, Koch M, Marles-Wright J, Lissin NM, Shepherd D, Matulis G, Harlos K, Villiger PM, Stuart
JI, Jakobsen BK, Cerundolo V, Jones EY. Structure and binding kinetics of three different human
CD1d-alpha-galactosylceramide-specific T cell receptors. J Exp Med. 203:699-710; 2006
(recommended by the Faculty of 1000 Biology: evaluations for Gadola SD et al J Exp Med 2006 Mar
20 203 (3) :699-710 http://www.f1000biology.com/article/16520393/evaluation%29
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Die Forschungsarbeit
Struktur und Bindungskinetik von drei verschiedenen humanen CD1d/alpha-Galaktosylceramid-spezifischen T-Zell-Rezeptoren.pdf	179 Kb