Proteine des Haupthistokompatibilitätskomplexes (MHC-I) der Klasse I spielen eine wesentliche Rolle im Immunsystem aller Kieferwirbeltiere. Das MHC-I präsentiert Peptidfragmente von Proteinen aus dem Zellinneren auf der Zelloberfläche und „präsentiert“ sie dem Immunsystem, das den Körper ständig nach fremden oder toxischen Antigenen absucht.
Wenn fremde Peptide identifiziert werden, lösen sie eine Kaskade aus, die es zytotoxischen T-Zellen ermöglicht, Eindringlinge zu eliminieren. Dieser Prozess wurde bei der Entwicklung von Impfstoffen und Immuntherapien genutzt, wobei Forscher Fragmente von Peptiden identifizieren, die für Viren oder Krebs einzigartig sind, und dann nach T-Zellen suchen, die diese Ziele erkennen und eine Immunantwort auslösen.
Der derzeitige Prozess der Verwendung von MHC-I-Molekülen als Sonden bei der Entwicklung von Impfstoffen und Immuntherapien ist jedoch mühsam. MHC-I-Moleküle sind extrem instabil, und die Herstellung nur eines dieser Moleküle kann eine Woche dauern, was es unmöglich macht, große Peptidbibliotheken effizient zu scannen.
Jetzt haben Forscher des Children’s Hospital of Philadelphia (CHOP) dieses Problem möglicherweise gelöst, indem sie stabile, universelle MHC-I-Moleküle entwickelt haben, die schnell in großem Maßstab hergestellt werden können. Dies ermöglicht es Forschern nicht nur, Impfstoffe und Immuntherapien schneller zu entwickeln, sondern auch Moleküle zu identifizieren kann flächendeckend in der Bevölkerung wirken. Die Ergebnisse werden im veröffentlicht Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
„Die Erkenntnisse in diesem Artikel haben das Potenzial, dieses Gebiet zu revolutionieren, sowohl in der Art und Weise, wie wir diese Moleküle herstellen, als auch in der Geschwindigkeit, mit der wir nach wirksamen und universellen Immuntherapien suchen können“, sagte der leitende Autor Nikolaos G. Sgourakis, Ph.D., Außerordentlicher Professor am Center for Computational and Genomic Medicine am Children’s Hospital of Philadelphia. „Wir sind nicht mehr durch die Instabilität dieser Moleküle und den langen Zeitrahmen, der früher für ihre Herstellung benötigt wurde, eingeschränkt. Diese stabilisierten MHC-I-Moleküle könnten den Screening-Prozess und die anschließende Entwicklung wirksamer Therapien beschleunigen.“
Unter der Leitung der Sgourakis-Labormitglieder Yi Sun, Michael C. Young und Claire H. Woodward stabilisierten die Forscher MHC-I-Moleküle, indem sie sich auf ihre 3D-Struktur konzentrierten. Klassische MHC-I-Moleküle bestehen aus drei Hauptteilen: einem Peptidantigen, das aus 8 bis 15 Aminosäuren besteht; eine leichte Kette, die für alle MHC-I-Moleküle gleich ist; und eine hochpolymorphe schwere Kette.
Beim Menschen wird MHC-I als menschliches Leukozytenantigen oder HLA bezeichnet und hat sich aufgrund der ständigen evolutionären Anpassung in der menschlichen Bevölkerung auf mehr als 35.000 Varianten ausgeweitet, wobei sich eine Vielzahl unterschiedlicher Reste in der Furche befinden, an die Peptide binden können. Da HLA so polymorph ist, weisen verschiedene HLA-Typen unterschiedliche Peptidrepertoires auf, binden unterschiedliche molekulare Chaperone und weisen unterschiedliche T-Zell-Rezeptoren (TCRs) auf, die letztendlich Immunantworten und Krankheitsanfälligkeit definieren. Daher war es eine Herausforderung, universelle Ziele und Immuntherapien zu finden, die in der gesamten menschlichen Bevölkerung wirken.
Um MHC-I zu stabilisieren und es für die universelle Peptidbeladung und das Screening nutzbar zu machen, konzentrierten sich die Forscher auf die leichte Kette des Moleküls, da diese über alle HLA-Typen hinweg konserviert ist. Die leichte Kette spielt eine wichtige Rolle bei der Stabilisierung von MHC-I-Molekülen. Sobald die leichte Kette abfällt, löst dies die Zerlegung des MHC-I-Moleküls aus. An diesem Punkt wird es im Wesentlichen zur Wiederverwertung für zukünftige Peptidbeladungen geschickt und dient als eine Art „Ein/Aus“-Schalter für das MHC-I-Molekül . Um diese grundlegende Technik auszunutzen, haben die Forscher die schwere Kette an die leichte Kette gebunden und so den MHC-I in einer Konformation stabilisiert, die „offen“ und für Peptide empfänglich ist.
Die Forscher bestätigten die Stabilität dieser manipulierten MHC-I-Moleküle durch biophysikalische Charakterisierung mittels Kernspinresonanz (NMR) und zeigten, dass ihre offenen MHC-I-Moleküle eine erhöhte Stabilität aufweisen, wenn sie mit Peptiden beladen sind, selbst solche mit geringer bis mäßiger Affinität. Die Forscher zeigten auch, dass ihre manipulierten MHC-I-Moleküle den Peptidaustausch über mehrere HLA-Allotypen hinweg fördern und Vertreter von fünf HLA-A-, sechs HLA-B-Supertypen und HLA-Ib-Molekülen abdecken, die viele verschiedene Formen haben.
Eine Schlüsselkomponente bei der Verwendung dieses Systems zur Ermöglichung einer Peptidaustauschplattform mit hohem Durchsatz war die Entwicklung maßgeschneiderter „Platzhalter“-Peptide mit unnatürlichen Aminosäuremodifikationen, die in enger Zusammenarbeit mit dem Labor des chemischen Biologen George Burslem, Ph.D., erfolgte. , an der University of Pennsylvania.
„Die offene MHC-I-Plattform nutzt minimale Proteinmodifikationen, um Ligandenaustauschreaktionen bei allen bekannten HLA-Allotypen sowie bei oligomorphen MR1-Molekülen zu verbessern, die abweichende Metaboliten aufweisen, die mit vielen Tumoren assoziiert sind“, sagte Dr. Sgourakis. „Diese neuen Moleküle könnten ein vielseitiges Werkzeug zum Screening antigener Epitope sein und den Nachweis von Niederfrequenzrezeptoren und manipulierten Antikörpern für die Entwicklung gezielter Therapien ermöglichen.“
Mehr Informationen:
Yi Sun et al., Universelle offene MHC-I-Moleküle für schnelle Peptidbeladung und verbesserte Komplexstabilität über HLA-Allotypen hinweg, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2023). DOI: 10.1073/pnas.2304055120