Neuartige Kryo-EM-Ergebnisse könnten das Design der T-Zell-Immuntherapie revolutionieren

Neuartige Kryo-EM-Ergebnisse könnten das Design der T-Zell-Immuntherapie revolutionieren

Einer der aufregendsten Fortschritte bei der Krebsbehandlung im letzten Jahrzehnt ist die Entwicklung von T-Zell-Immuntherapien, bei denen das eigene Immunsystem eines Patienten darauf trainiert wird, gefährliche Zellen zu erkennen und anzugreifen. Doch ein umfassendes Verständnis ihrer tatsächlichen Funktionsweise ist den Forschern bislang verwehrt geblieben. Dies stellte eine erhebliche Einschränkung dar, denn während T-Zell-Immuntherapien bei bestimmten Krebsarten hochwirksam sind, sind sie bei den meisten von ihnen unwirksam – und die Gründe dafür sind unklar. Sie verstehen Vorgehensweise könnten einer viel größeren Gruppe von Krebspatienten von Nutzen sein.

Jetzt haben Forscher der Rockefeller University wichtige Details über den T-Zell-Rezeptor (TCR) enthüllt, der in der Zellmembran eingebettet und für T-Zell-Therapien unerlässlich ist. Mithilfe von Kryo-EM zur Abbildung des Proteins in einer biochemischen Umgebung, die sein natürliches Milieu nachbildet, haben Forscher des Labors für Molekulare Elektronenmikroskopie herausgefunden, dass der Rezeptor eine Art Wundertüte ist, die aufspringt, wenn ihm ein Antigen oder ein ähnlich verdächtiges Partikel präsentiert wird. Diese Entdeckung steht im Widerspruch zu allen früheren Kryo-EM-Studien des Komplexes.

Der neuartige Befund, veröffentlicht in Naturkommunikationhat das Potenzial, T-Zell-Therapien zu verfeinern und zu erweitern.

„Dieses neue grundlegende Verständnis der Funktionsweise des Signalsystems kann dazu beitragen, die nächste Generation von Behandlungen neu zu gestalten“, sagt Erstautor Ryan Notti, Dozent für klinische Untersuchungen in Walz‘ Labor und Sonderbeauftragter in der medizinischen Abteilung des Memorial Sloan Kettering Cancer Center, wo er Patienten mit Sarkomen oder Krebsarten behandelt, die in Weichgewebe oder Knochen entstehen.

„Der T-Zell-Rezeptor ist tatsächlich die Grundlage praktisch aller onkologischen Immuntherapien. Daher ist es bemerkenswert, dass wir das System verwenden, aber keine Ahnung haben, wie es tatsächlich funktioniert – und hier kommt die Grundlagenforschung ins Spiel“, sagt Walz, ein weltweiter Experte für Kryo-EM-Bildgebung. „Dies ist eine der wichtigsten Arbeiten, die jemals aus meinem Labor hervorgegangen sind.“

Aktivierung von T-Zellen

Walz‘ Labor ist auf die Visualisierung makromolekularer Komplexe, insbesondere Zellmembranproteine, spezialisiert, die Wechselwirkungen zwischen dem Zellinneren und -äußeren vermitteln. Der TCR ist ein solcher Komplex. Diese komplizierte Multiproteinstruktur ermöglicht es T-Zellen, Antigene zu erkennen und darauf zu reagieren, die von humanen Leukozyten-Antigen-Komplexen (HLA) anderer Zellen präsentiert werden. Diese Reaktion haben sich T-Zelltherapien zunutze gemacht, um das eigene Immunsystem des Patienten in den Kampf gegen den Krebs einzubeziehen.

Doch während die Bestandteile des TCR seit Jahrzehnten bekannt sind, sind die frühesten Schritte seiner Aktivierung unbekannt geblieben. Als Arzt und Wissenschaftler war Notti über diese Wissenslücke frustriert: Viele seiner Sarkompatienten profitierten nicht von den Vorteilen der T-Zell-Immuntherapien, und er wollte verstehen, warum.

Dies zu bestimmen, würde uns helfen zu verstehen, wie die Informationen von außerhalb der Zelle, wo diese Antigene von HLAs präsentiert werden, ins Innere der Zelle gelangen, wo die Signalübertragung die T-Zelle anschaltet.“

Ryan Notti, Rockefeller University

Notti, der seinen Ph.D. Er promovierte in struktureller Mikrobiologie bei Rockefeller, bevor er seinen Schwerpunkt auf die Onkologie verlagerte, und schlug Walz vor, diese zu untersuchen.

Von maßgeschneiderten Membranen bis hin zu verbesserten Immuntherapien und Impfstoffen

Walzs Gruppe ist auf die Entwicklung maßgeschneiderter Membranumgebungen spezialisiert, die darauf abzielen, die natürliche Umgebung bestimmter Membranproteine ​​nachzuahmen. „Wir können die biochemische Zusammensetzung, die Dicke der Membran, die Spannung und Krümmung, die Größe verändern – alle möglichen Parameter, von denen wir wissen, dass sie einen Einfluss auf das eingebettete Protein haben“, sagt Walz.

Für die Studie wollten die Forscher eine native Umgebung für den TCR schaffen und beobachten, wie er sich verhält. Dazu platzieren sie den Rezeptor in einer Nanoscheibe, einem kleinen scheibenförmigen Membranstück, das durch ein Gerüstprotein, das sich um den Rand der Scheibe wickelt, in Lösung gehalten wird. Es war keine leichte Aufgabe; „Es war eine Herausforderung, alle acht dieser Proteine ​​richtig in die Nanoscheibe zu integrieren“, sagt Notti.

Alle bisherigen Strukturarbeiten am TCR wurden in Detergens durchgeführt, das dazu neigt, die Membran vom Protein zu lösen. Dies war die erste Studie, bei der der Komplex wieder in eine Membran eingebaut wurde, bemerkt Walz.

Anschließend begannen sie mit der Kryo-EM-Bildgebung. Diese Bilder zeigten, dass der T-Zell-Rezeptor im Ruhezustand eine geschlossene, kompakte Form hatte. Sobald es durch ein antigenpräsentierendes Molekül aktiviert wurde, öffnete es sich und streckte sich aus, als würde es seine Arme weit ausbreiten.

Das war eine tiefe Überraschung. „Die Daten, die zu Beginn dieser Forschung verfügbar waren, zeigten, dass dieser Komplex in seinem Ruhezustand offen und erweitert war“, erklärt Notti. „Soweit irgendjemand wusste, erfuhr der T-Zell-Rezeptor bei der Bindung an diese Antigene keine Konformationsänderungen. Aber wir fanden heraus, dass er doch aufsprang und wie eine Art Jack-in-the-Box aufsprang.“

Die Forscher vermuten, dass die Kombination zweier Schlüsselmethoden ihre neue Sichtweise ermöglicht hat. Erstens stellten sie den richtigen Membran-Lipid-Cocktail zusammen, um die TCRs zu reproduzieren in vivo Umfeld. Und zweitens haben sie den Rezeptor vor der Kryo-EM-Analyse mithilfe von Nanoscheiben in diese Membranumgebung zurückgebracht. Sie fanden heraus, dass eine intakte Membran der Schlüssel ist, da sie den TCR bis zur Aktivierung an Ort und Stelle hält. Durch das Entfernen der Membran mit einem Reinigungsmittel hatten frühere Studien versehentlich die Verriegelung des Jack-in-the-Box gelöst, wodurch dieser vorzeitig aufsprang.

„Wichtig war, dass wir eine Lipidmischung verwendeten, die der der nativen T-Zellmembran ähnelte“, sagt Walz. „Wenn wir nur ein Modelllipid verwendet hätten, hätten wir diesen geschlossenen Ruhezustand auch nicht gesehen.“

Die Forscher sind begeistert vom Potenzial ihrer Erkenntnisse für die Optimierung von Therapien auf Basis von T-Zell-Rezeptoren. „Die Neugestaltung der nächsten Generation von Immuntherapien steht im Hinblick auf den ungedeckten klinischen Bedarf an erster Stelle“, sagt Notti. „Zum Beispiel werden adoptive T-Zelltherapien erfolgreich zur Behandlung bestimmter sehr seltener Sarkome eingesetzt. Man könnte sich also vorstellen, unsere Erkenntnisse zu nutzen, um die Empfindlichkeit dieser Rezeptoren durch Anpassung ihrer Aktivierungsschwelle neu zu gestalten.“

„Diese Informationen können auch für die Impfstoffentwicklung genutzt werden“, fügt Walz hinzu. „Menschen auf diesem Gebiet können jetzt unsere Strukturen nutzen, um verfeinerte Details über die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Antigenen zu sehen, die von HLA- und T-Zell-Rezeptoren präsentiert werden. Diese unterschiedlichen Wechselwirkungsmodi könnten Auswirkungen auf die Funktionsweise des Rezeptors haben – und auf Möglichkeiten, ihn zu optimieren.“

Quellen: