TCR clustering und serielle Bindung in der T-Zellaktivierung

Unser Imunsystem uns schützt uns ununterbrochen vor einer Unzahl an Keimen: besonders Fresszellen und T-Zellen kommt hier eine wichtige Aufgabe zu. Fresszellen patrouillieren durch unseren Körper, umschliessen Eindringlinge, beispielsweise Viren oder Bakterien, und zerlegen sie in winzige Bruchstücke (Antigene), um diese dann auf ihrer Zelloberfläche zu präsentieren. Mit hochsensiblen Rezeptoren erkennen T-Zellen diese Antigene und starten eine Immunantwort. Wie die Antigenerkennung auf molekularer Ebene genau geschieht, ist noch nicht geklärt. Ein fundiertes Verständnis dieses Prozesses würde nicht nur Aufschluss über die Funktionsweise des Immunsystems geben, sondern ist auch für den biomedizinischen Fortschritt unerlässlich, etwa für die Entwicklung moderner, maßgeschneiderter Therapien gegen Krebs. Die Projekt-Hypothese ist, dass ein einzelnes Antigen mehrere T-Zellrezeptoren in rascher Folge nacheinander einschalten kann, und dadurch ein Hot Spot zur Signalweiterleitung entsteht. Somit kommt der Dauer der Rezeptor-Antigenbindung sowie den Abständen der einzelnen Rezeptoren und Antigene eine wichtige Rolle zu. Um derart komplexe Erkennungsmechanismen besser untersuchen zu können, werden wir den Prozess der Antigenerkennung im Labor nachbauen. Hierbei wird die antigen-präsentierende Zelle durch eine künstliche Zellmembran ersetzt. Dies erlaubt, die Art und Zahl der Antigene selbst festzulegen, um dann die Reaktion der T-Zellen darauf zu untersuchen. Um den räumlichen Abstand zwischen den einzelnen Antigenen, sowie anderen beteiligten Proteinen genau einstellen zu können, verwenden wir Werkzeuge im Nanometerbereich. Das Material und Bauprinzip dafür kommt dabei aus der Natur selbst: DNA, der Träger der Erbinformation in unserem Körper, besteht aus zwei genau zueinander passenden Einzelsträngen, die sich ohne äußeres Zutun zu einer DNA Doppelhelix zusammenfügen. Diese Eigenschaft macht man sich in der DNA Nanotechnologie zunutze: Durch cleveres Design von kurzen Einzelsträngen, die abschnittsweise zu einem langen Einzelstrang passen, kann man mehrere Doppelhelices miteinander verbinden und so komplizierte Strukturen herstellen. Diese Technik bezeichnet man als DNA-Origami statt Papier werden DNA-Stränge gefaltet. Auf diese Weise werden DNA-Plättchen hergestellt, auf denen man ein oder mehrere Antigene und Hilfsproteine gezielt platzieren kann. Diese DNA-Plättchen werden auf die künstliche Membran gesetzt und bewegen sich dort wie ein Floß. Die DNA-Origamistrukturen erlauben es so, direkt in den Antigen-Erkennungsprozeß einzugreifen, indem die Organisation der Antigene manipuliert wird. Beobachtet werden können die DNA-Origamistrukturen mittels hochauflösender Mikroskopiemethoden. In Zusammenarbeit mit der Forschungsgruppe von Johannes Huppa (Medizinische Universität Wien) werden wir auch neue experimentelle Ansätze entwickeln, um die Bindung mehrerer T-Zellrezeptoren durch ein einzelnes Antigen mit Hilfe fortgeschrittener Mikroskopietechniken nachzuweisen.