Nano-Ordnung auf der B-Zelle

Freiburger Biologen bestimmen mit Nano-Maßband den Abstand von Membranmolekülen

25. Juni 2014

Die Oberfläche einer Zelle ist für deren Kommunikation von zentraler Bedeutung. Bislang wurde in Frage gestellt, ob die Moleküle im Nanobereich geordnet vorliegen und ob damit bestimmte Funktionen verbunden sind. Dank einer neuen Technik konnten Forscher der Universität Freiburg und vom Max-Planck-Institut für Immunbiologie und Epigenetik jetzt Oberflächenstrukturen und deren Änderungen weit unterhalb der Auflösungsgrenze des Lichts nachweisen. So konnten sie zeigen, dass B-Zellen aktiviert werden, indem sich die Untereinheiten der Antigen-Rezeptoren auf ihrer Oberfläche wenige Nanometer voneinander trennen und so zur Bildung von Antikörpern angeregt werden. Dies widerspricht der bisherigen Lehrmeinung.

A) Auf ruhenden B Zellen liegt der B-Zell-Antigenrezeptor (BCR) als Gruppe (Oligomer) vor. Die an die Rezeptor-Untereinheiten gebundenen Antikörperfragmente leuchten nur dann rot auf (roter Stern), wenn sie näher als zehn bis 20 Nanometer zusammen liegen. Unter dem Mikroskop erscheinen die Rezeptorgruppen dann als rote Punkte (unten).
B) Nach der B-Zell-Aktivierung durch ein Antigen (Ag) verschwindet das Lichtsignal, da jetzt die Fragmente zu weit auseinander liegen. Der Öffnungsprozess wird auch durch die Spleen-Tyrosin Kinase (SYK) gefördert.

Mit der sogenannten Fab-PLA-Methode konnten Michael Reth und sein Team nun erstmalig untersuchen, wie Rezeptoren auf der Zellmembran verteilt sind und wie sich ihre Organisation im Zehn-Nanometer-Bereich nach ihrer Aktivierung verändert. Bei der Fab-PLA-Methode kommt es nur dann zu einer Farbreaktion (rote Punkte in Abb.), wenn zwei Moleküle näher als zehn bis 20 Nanometer (Millionstel Millimeter) zusammen liegen. Bei der Untersuchung der Antigen-Rezeptoren mit dieser Methode konnten die Forscher genau solche roten Punkte auf ruhenden B-Zellen nachweisen. Dies ist ein Hinweis darauf, dass Antigen-Rezeptoren auf der Membran Gruppen bilden, sogenannte Rezeptor-Cluster.

Sobald die B-Zellen aber ein Antigen erkennen und aktiviert werden, verschwinden die Punkte. „Das zeigt uns, dass die Rezeptoren sich voneinander entfernt haben“, erklärt Reth, der am MPI für Immunbiologie und Epigenetik die Abteilung für Molekulare Immunologie und an der Universität Freiburg das Exzellenzcluster BIOSS Centre for Biological Signalling Studies leitet.

Dieses Ergebnis unterstützt das im Jahr 2010 von Michael Reth und Jianying Yang vorgeschlagene Dissoziationsmodell der B-Zell-Aktivierung. Dieses besagt, dass sich Gruppen von Membranrezeptoren auflösen, wenn sie aktiviert werden. Bis dahin war die gängige Lehrmeinung, dass die Rezeptoren ungeordnet in der Zellmembran vorliegen und sich erst nach Kontakt mit einem Bindungspartner zusammenlagern.

Weitere Untersuchungen zeigten, dass an der Trennung der Rezeptoren das Signalmolekül Syk entscheidend beteiligt ist. Denn auf veränderten B-Zellen, die Syk nicht mehr produzieren, bleiben die Rezeptoren auch nach der Bindung eines Antigens eng zusammen. Syk ist damit der molekulare Schlüssel, der die Rezeptorgruppen öffnet und die Abwehrreaktion startet. Die Wissenschaftler haben zudem herausgefunden, dass erst die Bindung von Syk an den inneren Teil des Rezeptors die Gruppen auflöst.

In der Studie wurden auch weitere Rezeptoren auf B-Zellen, darunter das CD19- oder CD20-Molekül, auf deren Organisation im Nanobereich hin untersucht. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass viele Rezeptoren auf der Membran in bestimmten Nanobereichen geordnet vorliegen“, erklärt Kathrin Kläsener die Erstautorin der Studie.

JF/HR

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