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Wie das Immunsystem Eindringlinge erkennt Die klebrigen Finger von T-Zellen beim Kraftmessen

Redakteur: Christian Lüttmann

Freund oder Feind? Diese Unterscheidung müssen T-Zellen im Körper treffen, damit unser Immunsystem Eindringlinge erkennen und abwehren kann. Dazu nutzen die T-Zellen „klebrige Finger“. Wie sie damit ihr Fahndungsziel finden, hat ein Team der TU Wien und der MedUni Wien entschlüsselt.

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Wie mit klebrigen Fingern tasten T-Zellen die Oberfläche von Eindringlingen ab. An der Haftkraft erkennen sie die Verdächtigen von ihrer „Fahndungsliste“ (Symbolbild).
Wie mit klebrigen Fingern tasten T-Zellen die Oberfläche von Eindringlingen ab. An der Haftkraft erkennen sie die Verdächtigen von ihrer „Fahndungsliste“ (Symbolbild).
(Bild: gemeinfrei, Catherine Heath / Unsplash)

Wien/Österreich – T-Zellen spielen in unserem Immunsystem eine zentrale Rolle: Sie erkennen gefährliche Eindringlinge oder Krebszellen im Körper woraufhin sie eine Immunreaktion auslösen. Es ist zwar bekannt, dass die T-Zellen spezielle Rezeptoren zum Aufspüren der Eindringlinge nutzen, die so genannten T-cell receptors, kurz: TCR. Die molekularen Abläufe dieses Erkennungsprozesses sind aber noch nicht hinreichend geklärt.

Ein wichtiger Schritt in diese Richtung gelang nun einem interdisziplinären Team aus den Forschungsbereichen Immunologie, Biochemie und Biophysik der TU Wien. Die Forscher untersuchten, welche mechanischen Prozesse ablaufen, wenn ein Antigen erkannt wird: Mit einem extrem empfindliche Kraftmesser zeigten sie, dass die T-Zelle mit ihrem Rezeptor mit einer winzigen Kraft am Antigen zieht und über dieses „Anzupfen“ herausfindet, ob es sich tatsächlich um das gesuchte Antigen handelt.

T-Zellen kennen nur das eine

T-Zellen sind beim Entdecken von Eindringlingen wahre Spezialisten. „Jede T-Zelle kann ein bestimmtes Antigen besonders gut erkennen“, sagt Johannes Huppa, Biochemiker und Immunologie-Professor an der MedUni Wien. „Dafür hat sie an ihrer Oberfläche rund 100.000 gleichartige T-Zell-Rezeptoren.“

Wenn etwa Viren den menschlichen Körper befallen, präsentieren infizierte Zellen verschiedene Bruchstücke von viralen Proteinen an ihrer Oberfläche. T-Zellen untersuchen diese erkrankten Zellen auf das Vorliegen solcher so genannter Antigene. „Das funktioniert nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip“, erklärt Huppa. „Für jedes Antigen muss der Körper T-Zellen mit passenden Rezeptoren produzieren. Vereinfacht gesagt, erkennt jede T-Zelle nur ein bestimmtes Antigen, um dann in der Folge eine Immunreaktion zu veranlassen.“

Haftkraft als Erkennungsmerkmal

Jenes Antigen, oder genauer gesagt, jedes präsentierte antigene Proteinfragment, das genau zum T-Zell-Rezeptor der T-Zelle passt, kann eine relativ stabile Bindung eingehen.

Die T-Zelle (gelb) gerät in Kontakt mit der Antigen-präsentierenden Zelle (blau). Winzige Zugkräfte treten an der Oberfläche auf, irgendwann löst sich die Bindung, daran erkennt die T-Zelle, ob es sich um das gesuchte Antigen handelt.
Die T-Zelle (gelb) gerät in Kontakt mit der Antigen-präsentierenden Zelle (blau). Winzige Zugkräfte treten an der Oberfläche auf, irgendwann löst sich die Bindung, daran erkennt die T-Zelle, ob es sich um das gesuchte Antigen handelt.
(Bild: TU Wien)

Die Frage, die von der T-Zelle beim Erkennen von Antigenen beantwortet werden muss, ist also: Wie stabil ist die Bindung zwischen Antigen und Rezeptor? „Angenommen, wir wollen herausfinden, ob eine Oberfläche klebrig ist – dann testen wir, wie stabil die Bindung zwischen der Oberfläche und unserem Finger ist“, sagt Gerhard Schütz, Professor für Biophysik an der TU Wien. „Wir berühren die Oberfläche und ziehen den Finger weg, bis er sich löst. Das ist eine gute Strategie, weil uns dieses Abrissverhalten schnell und einfach Information über die anziehende Kraft zwischen Finger und Oberfläche liefert.“

Im Prinzip macht die T-Zelle es genauso. Sie ist nicht statisch, sie verformt sich ununterbrochen, ihre Zellmembran ist in ständiger Bewegung. Wenn ein T-Zell-Rezeptor an ein Antigen bindet, übt die Zelle eine stetig wachsende Zugkraft aus, bis die Bindung schließlich reißt. Das kann Information darüber liefern, ob es sich um das gesuchte Antigen handelt.

So misst man die Bindungskraft von T-Zell-Rezeptoren

Obwohl die Kräfte, mit denen der T-Zell-Rezeptor am Antigen zieht, winzig sind, haben die Wiener Forscher einen Weg gefunden, sie genauer zu bestimmen. „Diesen Prozess kann man tatsächlich messen, und zwar auf der Ebene einzelner Moleküle“, sagt Dr. Janett Göhring, welche als Koordinatorin und Erstautorin der Studie an der MedUni Wien und der TU Wien aktiv war. Dazu nutzten die Forscher ein spezielles Protein, welches sich fast wie eine perfekte Nanofeder verhält: Je mehr Zugkraft auf das Protein ausgeübt wird, desto länger wird es. Mit speziellen fluoreszierenden Marker-Molekülen maßen die Wissenschaftler, wie stark sich die Länge des Proteins geändert hat, und schlossen so auf die herrschenden Zugkräfte zurück.

Auf diese Weise zeigte die Gruppe, dass die T-Zelle eine Kraft von bis zu fünf Piko-Newton ausübt – eine winzige Kraft, mit der dennoch der Rezeptor vom Antigen getrennt werden kann. Zum Vergleich: man müsste an mehr als 100 Millionen solcher Federn gleichzeitig ziehen, um mit dem Finger eine Klebrigkeit zu spüren.

„Das Verhalten der T-Zellen auf molekularer Ebene zu verstehen, wäre für die Medizin ein gewaltiger Sprung nach vorn. Davon sind wir noch ein gutes Stück entfernt“, sagt Biochemiker Huppa. „Aber“, fügt Biophysiker Schütz hinzu, „wir konnten zeigen, dass nicht nur chemische, sondern auch mechanische Effekte eine Rolle spielen. Zusammen betrachtet ergibt es viel mehr Sinn.“

Originalpublikation: J. Göhring et al.: Temporal analysis of T-cell receptor-imposed forces via quantitative single molecule FRET measurements, Nature Communications 12, 2502 (2021); DOI: 10.1038/s41467-021-22775-z

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