Eines der eindrucksvollsten Merkmale unseres Immunsystems ist seine inhärente Fähigkeit, anhand der primären Proteinstruktur zwischen schädlichen und harmlosen Antigenen zu unterscheiden. T-Zellen verkörpern diese Eigenschaft der adaptiven Immunität durch ihre einzigartige Fähigkeit, antigene Peptide zu erkennen. Dies erfolgt durch αβT-Zellrezeptoren (TCRs) auf der T-Zelle, die an bestimmte antigene, mit Peptiden beladene MHC-Moleküle (pMHC) binden, die von Antigen-präsentierenden Zellen angezeigt werden. T-Zellen reagieren äußerst empfindlich auf Antigene: Sie können sogar ein einziges antigenes pMHC-Molekül unter einer großen Zahl strukturell ähnlicher, aber nicht stimulierender pMHCs erkennen. Die molekularen/zellulären Mechanismen, die dieser bemerkenswerten Eigenschaft zugrunde liegen, sind noch völlig unerforscht, obwohl ihre Bedeutung sowohl für den Krankheitsverlauf als auch für Interventionen unumstritten ist. Ungünstige Veränderungen der T-Zell-Reaktivität können schädlich, wenn nicht gar tödlich sein, da sie die körpereigene Abwehr gegen Krankheitserreger und Krebs schwächen und Allergien oder Autoimmunität auslösen können.

Deshalb ist es von entscheidender Bedeutung, die Eigenschaften der Berührungsfläche zwischen einer T-Zelle und einer APC, der sogenannten immunologischen Synapse, zu verstehen. Bildgebende Verfahren zeigen eine inhomogene und hochgradig orchestrierte Verteilung verschiedener Schlüsselkomponenten der frühen T-Zell-Signalmaschinerie an der Plasmamembran. In unserem Labor verwenden wir häufig ein Modellsystem für die spezifische T-Zell-Aktivierung, bei dem die APC durch eine funktionalisierte Lipiddoppelschicht auf einem Deckglas nachgeahmt wird. Dieses Modell hat den Vorteil, dass die immunologische Synapse auf die Fokusebene des Mikroskops ausgerichtet ist. Darüber hinaus ermöglicht das Modell eine Beleuchtung durch interne Totalreflexionsmikroskopie (TIRFM), wodurch der intrazelluläre Hintergrund erheblich reduziert wird.

wissenschaftliche Darstellung einer T-Zelle

© TU Wien

Kinetisches Segregationsmodell für die T-Zellaktivierung

Laterale Anordnung von Proteinen in der Immunsynapse zwischen einer T-Zelle (blau gefärbte Proteine) und einer funktionalisierten Lipiddoppelschicht (rot gefärbte Proteine). Die Abbildung zeigt das kinetische Segregationsmodell für die T-Zellaktivierung: Nach der Bindung zwischen TCR und pMHC wird die große Phosphatase CD45 aus dem engen Spalt ausgeschlossen, wodurch sich das Gleichgewicht in Richtung TCR-Phosphorylierung und anschließender T-Zellaktivierung verschiebt.

Unsere wichtigsten Publikationen

TCRs are randomly distributed on the plasma membrane of resting antigen-experienced T cells

Rossboth, B., A.M. Arnold, H. Ta, R. Platzer, F. Kellner, J.B. Huppa, M. Brameshuber, F. Baumgart, and G.J. Schütz. 2018. TCRs are randomly distributed on the plasma membrane of resting antigen-experienced T cells. Nature Immunology. 19:821-827, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster.

Mit Hilfe der Einzelmolekül-Lokalisierungsmikroskopie (SMLM) und der STED-Mikroskopie wurde die räumliche Verteilung des TCR in der Plasmamembran von ruhenden T-Zellen untersucht. Unsere Daten zeigen eine völlig zufällige Verteilung. 

Monomeric TCRs drive T cell antigen recognition

Brameshuber, M., F. Kellner, B.K. Rossboth, H. Ta, K. Alge, E. Sevcsik, J. Göhring, M. Axmann, F. Baumgart, N.R.J. Gascoigne, S.J. Davis, H. Stockinger, G.J. Schütz, and J.B. Huppa. 2018. Monomeric TCRs drive T cell antigen recognition. Nature Immunology. 19:487–496, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster.

Frühere Experimente wiesen auf höhere TCR-Oligomere vor der Aktivierung hin, doch waren die Ansätze eher indirekt.Wir haben TOCCSL, Einzelmolekül-Koinzidenzanalyse, Photonen-Antibunching-basierte FCS und FRET angewandt, um diese Ergebnisse zu überprüfen.  Wir beobachteten rein monomere TCR vor der Aktivierung, und selbst nach der Aktivierung waren die gegenseitigen Abstände der TCR innerhalb von Mikroclustern größer als der Förster-Abstand von 5nm.  

TCR-peptide-MHC interactions in situ show accelerated kinetics and increased affinity

Huppa, J.B., M. Axmann, M.A. Mörtelmaier, B.F. Lillemeier, E.W. Newell, M. Brameshuber, L.O. Klein, G.J. Schütz, and M.M. Davis. 2010. TCR-peptide-MHC interactions in situ show accelerated kinetics and increased affinity. Nature. 463:963-967, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster.

Wir verwendeten Einzelmolekül-FRET zwischen TCR und pMHC, um die Lebensdauer der Interaktion direkt an der immunologischen Synapse zu messen. Es wurde eine bis zu fünffach schnellere Interaktionskinetik im Vergleich zu In-vitro-Systemen mit gereinigten Proteinen beobachtet.

Weitere Lektüre

Phenotypic models of T cell activation

Lever, M., P.K. Maini, P.A. van der Merwe, and O. Dushek. 2014. Phenotypic models of T cell activation. Nat Rev Immunol. 14:619-629., öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Vergleich verschiedener Modelle zur Beschreibung der T-Zellen-Aktivierung

Functional Anatomy of T Cell Activation and Synapse Formation

Fooksman, D.R., S. Vardhana, G. Vasiliver-Shamis, J. Liese, D. Blair, J. Waite, C. Sacristán, G. Victora, A. Zanin-Zhorov, and M.L. Dustin. 2010. Functional Anatomy of T Cell Activation and Synapse Formation. Annual Reviews of Immunology. 28:79-105, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster.

Er beschreibt sehr schön die Konzepte, die hinter der immunologischen Synapse zwischen einer T-Zelle und einer Antigen-präsentierenden Zelle stehen.