Antikörper (Immunglobuline) sind Y-förmige Proteine, die bestimmte Krankheitserreger erkennen und neutralisieren. Ihre Fähigkeit, auf bestimmte Moleküle oder Zellen abzuzielen, hat sie zu vielversprechenden Kandidaten für die zukünftige Arzneimittelentwicklung gemacht. Ihre leichten Ketten – Teile des Antikörpers, die an der Erkennung und Bindung spezifischer Antigene beteiligt sind – falten sich jedoch falsch und aggregieren, was zu Amyloidose führt, einem Zustand, der zu Komplikationen und Gewebestörungen im Körper führt.
Im Zusammenhang mit der Arzneimittelentwicklung kann die Aggregation von Antikörpern ihre Fähigkeit zur Bindung an Antigene beeinträchtigen und ihr therapeutisches Potenzial verringern. Der Mangel an detaillierten Strukturinformationen zu seiner Aggregation ist jedoch einer der Faktoren, die den Fortschritt auf diesem Gebiet behindern.
Daher zielen die laufenden Bemühungen darauf ab, detaillierte Berichte über Aggregatstrukturen und ihre Bildungsmechanismen bereitzustellen, um die Entwicklung von Antikörper-Medikamenten voranzutreiben.
In einer Studie veröffentlicht in Naturkommunikationhat ein Forscherteam aus Japan unter der Leitung von Shun Hirota vom Nara Institute of Science and Technology (NAIST) kürzlich neue Einblicke in die Strukturen geliefert, die während der Antikörperaggregation durch 3D-Domänenaustausch (3D-DS) gebildet werden, einem Prozess, bei dem ein spezifischer Ein Bereich eines Proteins wird zwischen zwei oder mehr Molekülen desselben Proteins ausgetauscht.
Der 3D-DS-Prozess wurde bis zur vorliegenden Studie in verschiedenen Proteinen beobachtet, jedoch nicht in leichten Ketten von Antikörpern.
Bei ihrer Untersuchung verwendeten die Forscher eine modifizierte Version der leichten Kette des Antikörpers. In dieser modifizierten Form wurde ein Cysteinrest (Cys), der typischerweise eine Disulfidbindung mit einer schweren Cysteinkette bildet, durch Alanin (Ala) ersetzt. Diese Veränderung ermöglichte es dem Team, die aus 3D-DS resultierenden Strukturen in dem Segment des Antikörpers zu isolieren und zu untersuchen, das an der Antigenbindung beteiligt ist.
Der 3D-DS der leichten Kette des Antikörpers beinhaltet die Bildung von Dimeren (Strukturen bestehend aus zwei identischen Untereinheiten) und Tetrameren (Strukturen bestehend aus zwei Dimeren mit vier identischen Untereinheiten).
„Unsere Studie liefert den ersten Bericht über die Struktur des 3D-DS-Phänomens auf atomarer Ebene in der variablen Region einer Antikörper-Leichtkette“, betont Hirota.
Die Größenausschlusschromatographie der leichten Kette des Antikörpers Nr. 4C214A ergab, dass der Antikörper als einzelne Monomere und Tetramere mit vier Untereinheiten vorliegt. Um die Region zu bestimmen, in der Tetramere gebildet werden, unterteilten die Forscher die leichte Kette des Antikörpers in die variable Region (die Spitze des Y-förmigen Antikörpers) und die konstante Region (den mittleren Teil des Y-förmigen Antikörpers).
Sie fanden heraus, dass die variable Region #4VL zwischen monomeren und tetrameren Zuständen wechseln kann.
Weitere Analysen mittels Röntgenkristallographie und thermodynamischen Simulationen ergaben, dass die Tetramerbildung durch hydrophobe Wechselwirkungen zwischen zwei 3D-DS-Dimeren vorangetrieben wird.
Im Vergleich zu Monomeren wurde festgestellt, dass die Tetramere starrere β-Faltblattstrukturen aufweisen, was sie weniger flexibel macht. Die Bildung des 3D-DS-Tetramers kann dazu beitragen, die Proteinaggregation zu verhindern, indem die Flexibilität verringert wird, wodurch möglicherweise die Bildung unlöslicher Aggregate vermieden wird. Andererseits kann 3D-DS die Aggregation von Antikörpern fördern.
Hirota kommt zu dem Schluss: „Diese Ergebnisse klären nicht nur die domänenvertauschte Struktur der leichten Kette des Antikörpers, sondern tragen auch dazu bei, die Qualität der Antikörper zu kontrollieren und die Entwicklung zukünftiger molekularer Erkennungsmittel und Medikamente voranzutreiben.“
Mehr Informationen:
Strukturelle und thermodynamische Einblicke in die Bildung von Antikörper-Leichtketten-Tetrameren durch 3D-Domänenaustausch, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43443-4