Die spezifische Antigen-Erkennung durch den TCR

Der Zell-Rezeptor (TCR) ist ein hochvariables Transmembranglycoprotein, das der T-Zelle zur Antigenerkennung dient. Der TCR ist ein Multiproteinkomplex aus variablen Proteinen, die das Antigen erkennen, und unveränderlichen Proteinen, die für die Signalweiterleitung zuständig sind. Das T-Zell-Rezeptor-Heterodimer besteht aus den beiden Transmembranglykoproteinketten α und β (siehe Schema Abb. 2). Der extra-zelluläre Teil jeder Kette besteht jeweils aus einer membrannäheren, konstanten (C-)Region und einer variablen (V-)Region am Aminoterminus. Für die spätere variable Region codieren V, J und D (nur bei der β-Kette) Gensegmente, welche sich in jeder T-Zelle während der T-Zell-Entwicklung im Thymus durch somatische Rekombination zu vollständigen V-Exons umordnen und zusammen für die spätere variable Region kodieren. Da die einzelnen Gensegmente in geringfügig unterschiedlichen Versionen vorkommen, kommt es durch die zufällige Auswahl der Gensegmente beim

Zusammenbau zu einer hohen Diversität. Eine weitere Quelle der Diversität ist ein ungenauer Verknüpfungsmechanismus der einzelnen Segmente. Diejenigen Stellen der DNA, welche später für die hypervariablen CDR3-Schleifen codieren, sind am variabelsten. Da das Zentrum der Antigenbindungsstelle von den hypervariablen CDR3-Schleifen geformt wird, kann eine große Vielzahl von Antigenen erkannt werden.

Aufgrund der somatischen Umorganisation der TCR-Gene exprimiert jede T-Zelle nur eine einzige Art von TCR, was sie zu einer hochspezialisierten Immunzelle macht.

An der erfolgreichen Wechselwirkung zwischen den extrazellulären Domänen von TCR und pMHC-Komplex sind außerdem Adhäsionsmoleküle wie Leukozytenintegrine (z.B.

LFA-1) und die interzellulären Adhäsionsmoleküle (z.B. ICAM 1,2,3) beteiligt (siehe Schema, Abb. 2). Die TCR-pMHC Interaktion, welche sich durch eine eher niedrige Affinität auszeichnet, wird Killerzelle) stabilisiert, wobei nicht genau geklärt ist, ob die akzessorischen Moleküle ein energetisch günstigeres Andocken des TCR ermöglichen, oder ob durch ihre Interaktion Konformationsänderungen stattfinden [110].

Aus einer polyklonalen T-Zell-Population, die während einer akuten Infektion in von den auf der T-Zelle exprimierten akzessorischen Molekülen CD4 (Helferzelle) und CD8 (vivo expandiert, wachsen bevorzugt hochaffine T-Zell-Klone aus, wodurch es zu einer Affinitätssteigerung bzgl. des pMHC-Moleküls innerhalb der T-Zell-Population kommt [111]. Die spezifische Erkennung des Antigens z.B. auf einer APC durch den TCR bewirkt sowohl bei der T-Zelle als auch der Zielzelle weitreichende membrannahe sowie cytosolische Umorganisierungsprozesse. Hierzu zählen z.B. Clusterbildung [112;113], die Reorganisation von Membrandomänen [114;115], bis hin zur Beteiligung des Cytoskeletts [116]. Ein noch wenig verstandener Prozess ist der Transfer von MHC-Molekülen von der APC auf die T-Zelle, der nach einem Antigen-spezifischen Kontakt beschrieben wird [35;117]. Weitere Aktivierungssignale erhält die T-Zelle über die Bindung des CD40-L an CD40 auf der APC [118].

Man nimmt an, dass der permanente Internalisierungs- und Recyclingprozess von TCR Molekülen einer unstimulierten Zelle nach spezifischer Antigenerkennung sofort zum Erliegen kommt. Aufgrund dieses fehlenden TCR-Rücktransportes auf die Zelloberfläche kann eine scheinbare Herunterregulation von TCR nach spezifischer Stimulation verzeichnet werden [119]. Dieser Zustand, welcher mit verschiedenen Methoden nachgewiesen wurde, erschwert das Monitoring von spezifischen, stimulierten T-Zellen [120-122]. Dieser Mechanismus könnte als möglicher Schutz der T-Zelle vor Überstimulation interpretiert werden.

α β

ζ ζ

ε δ γ ε

ZAP- 70

TCR CD3 CD3

Lck ITAMs

second mes senger

Reorganisation des Zytoskeletts

Proliferatio n Differenzierung Ap optose Transkription elle Aktivierung

CD8 ICAM

CD40

CD40-L

α2 α3

α1 β2 Mikroglobulin

Ag

pMH C Molekül

APC

T-Zelle

LFA-1

B7.1 ( CD80) oder B7.2 ( CD86)

CD28

Abb. 2: Molekularer Aufbau von TCR- und pMHC-Komplex. Modifiziert nach [123]

Man weiss inzwischen, dass nur sehr wenige TCR für die erfolgreiche Interaktion einer T-Zelle mit einer APC notwendig sind. Die Interaktion zwischen dem TCR und dem pMHC weist in der Regel eine niedrige Affinität sowie eine hohe Dissoziationsrate auf, wodurch, wie von A. Lanzavecchia et al. beschrieben, ein einzelnes pMHC-Molekül nacheinander 200 TCR Moleküle ligieren kann [124]. Seit 1996 steht die Tetramer-Technologie als Methode zur Detektion Antigen-spezifischer T-Zellen zur Verfügung. Sie ist bis heute die Methode der Wahl zur Erfassung und Visualisierung Antigen-spezifischer T-Zellen in Kombination mit phänotypischen Analysen, Proliferations- und Apoptose-Tests, Zytokinsekretionstests, Intrazellulärfärbungen usw. (z.B. Review [125]).

Bei MHC-Tetrameren handelt es sich um vier einzelne rekombinante, rückgefaltete, biotinylierte MHC-Moleküle, die über ein Streptavidinmolekül ein Tetramer bilden. Die MHC-Moleküle enthalten jeweils ein einziges definiertes Peptid-Epitop und binden sehr effizient an T-Zellen, deren Rezeptoren für den eingesetzten pMHC-Komplex spezifisch sind. Durch die vier gleichzeitig bindenden pMHC-Komplexe des Tetramers wird die normalerweise sehr schwache Wechselwirkung zwischen TCR und pMHC verstärkt und das Problem der sehr schwachen Bindungsaffinität umgangen.

Die Hauptanwendung von Tetrameren besteht in der Detektion und Visualisierung Antigen-spezifischer T-Zell-Subpopulationen. Die funktionelle Wirkung von Tetrameren auf aktivierte T-Zellen stand bisher eher im Hintergrund. Dennoch gibt es einige Arbeiten über die funktionellen Eigenschaften von Tetrameren. Diese zeigen, dass pMHC-Komplexe in Form von Mono-,Di-, Tri- oder Tetrameren in der genannten Reihenfolge zunehmend aktivierende Wirkung auf T-Zellen haben [126]. Die Phosphorylierung der TCRζ -Kette, ein frühes Zeichen der T-Zell-Aktivierung, ist für diese Oligomere in ebendieser Reihenfolge konsistent gezeigt [127]. Durch die Verwendung mutierter pMHC-Oligomere kann außerdem die Funktion verschiedener Domänen innerhalb des pMHC-Komplexes für T-Zell-Aktivierung und Signaltransduktion untersucht werden [127]. Auch deren apoptotische Eigenschaften auf CD8⁺ CTL wurden mit Hilfe von Tetramer-beschichteten Beads untersucht: Tetramer-Beads konnten mit ansteigendem Beads : CTL Verhältnis Apoptose in den CTL induzieren [128]. Diese Versuche sind deswegen von großem Interesse, weil in einem Zielzell-freien System in Abwesenheit von Adhäsionsmolekülen, Todesrezeptoren und akzessorischen Stimuli gezeigt werden konnte, dass pMHC-Moleküle Apoptose induzieren können. Auch Takahashi et al.

konnten zeigen, dass H-2D(d)/P18-I10 Tetramere in HIV-envelope-spezifischen CTL Apotose induzieren können. Dieser Mechanismus scheint Caspase-3-abhängig zu sein, jedoch scheinen Fas/FasL und TNF-α bei der Apoptose-Induktion keine Rolle zu spielen [129].