Neu entdeckte Oberflächenstrukturen könnten Immunfunktion beeinflussen

Mit neuen mikroskopischen Methoden in Kombination mit einer auf maschinellem Lernen basierenden Bildanalyse haben Freiburger Forscher neue Strukturen auf der Oberfläche lebender B-Zellen entdeckt, die die Verteilung und möglicherweise die Funktion ihrer Antigenrezeptoren beeinflussen. Die Studie der Forscher ist in der Fachzeitschrift The EMBO Journal veröffentlicht worden.

B-Zellen sind ein wichtiger Teil unseres Immunsystems und erkennen Krankheitserreger durch spezialisierte Rezeptoren auf ihrer Oberfläche. Wissenschaftler der Universität Freiburg konnten nun beobachten, wie diese Rezeptoren auf der Oberfläche von lebenden und sich bewegenden Zellen verteilt sind. Sie fanden heraus, dass die Oberfläche der B-Zellen eine charakteristische Landschaft aus miteinander verbundenen Erhebungen und Vorsprüngen bildet. In dieser Landschaft häufen sich die B-Zell-Antigenrezeptoren der IgM-Klasse (IgM-BCR) in bestimmten Bereichen. Die genaue Lokalisierung der Rezeptoren und ihre Bündelung zu größeren Einheiten stellen wahrscheinlich einen Mechanismus dar, der die Rezeptorsignalisierung steuert und die Antigenerkennung und damit die Aktivierung der B-Zellen erleichtert.

Die B-Zellen sind in der Lage, die Antigene zu erkennen und zu aktivieren.

Die Oberfläche von B-Lymphozyten ist strukturiert

In den meisten immunologischen Lehrbüchern werden Lymphozyten als runde, kugelartige Zellen dargestellt, deren glatte Oberfläche zufällig verteilte Rezeptoren trägt. Die Vorstellung von einer glatten, unstrukturierten Oberfläche der B-Zellen wurde bereits durch elektronenmikroskopische Aufnahmen von fixierten und gefrorenen Lymphozyten in Frage gestellt, die dünne Membranausstülpungen, so genannte Mikrovilli, auf der Oberfläche der Zellen zeigen. Diese tentakelartigen Strukturen helfen den Immunzellen bei der Suche nach molekularen Markern von Krankheitserregern, so genannten Antigenen. B-Lymphozyten erkennen solche Antigene über verschiedene Klassen ihrer B-Zell-Antigenrezeptoren (BCR). Diese Antigenrezeptoren sind komplexe molekulare Maschinen, die, wenn sie aktiviert werden, mit anderen Molekülen interagieren, um eine Signalkaskade in Gang zu setzen, die zur Differenzierung der B-Zellen in Plasmazellen und zur Produktion von schützenden Antikörpern führt.

Bilder von lebenden Zellen mit sehr hoher Geschwindigkeit

Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Michael Reth vom Exzellenzcluster BIOSS und CIBSS – Centre for Integrative Biological Signalling Studies der Universität Freiburg hat in Zusammenarbeit mit der Gruppe von BIOSS- und CIBSS-Forscher Prof. Dr. Ralf Reski, Forschern von Euro-BioImaging (EMBL) und Forschern der Universität Osnabrück untersucht, wie sich das IgM-BCR auf der 3D-Oberfläche lebender B-Zellen verteilt. Dazu verwendeten sie eine Technik namens Lattice Light Sheet Microscopy, kurz LLSM. “Diese Methode kann volumetrische Bilder von lebenden Zellen mit sehr hoher Geschwindigkeit aufnehmen,” erklärt Dr. Deniz Saltukoglu von der Universität Freiburg, der Erstautor der Studie. “Bei anderen Arten der hochauflösenden Mikroskopie müssen die Zellen auf einer flachen Oberfläche befestigt werden, was die äußeren Strukturen der B-Zellen völlig verändert. Mit LLSM konnten wir die Zellen in einer Umgebung beobachten, die biologisches Gewebe nachahmt, was bedeutet, dass die Strukturen und Bewegungen, die wir sahen, weitgehend ungestört waren,” sagt sie.

Die Forscher entwickelten dann spezielle Bildanalysetools, um die mikroskopischen Daten zu quantifizieren und objektiv zu charakterisieren. “Wir mussten die Bilder segmentieren und morphologische Merkmale isolieren,” beschreibt Saltukoglu. Da dies bisher nur mit zweidimensionalen Daten möglich war, mussten wir neue Berechnungswerkzeuge für volumetrische Zeitverlaufsdaten entwickeln. Dabei ließen sich die Forscher von Algorithmen inspirieren, die zur Kartierung geografischer Daten für archäologische Untersuchungen verwendet werden. Mit diesem Ansatz fanden sie heraus, dass die Oberfläche der B-Zellen ein Netz von erhöhten Rippen trägt, aus deren Schnittpunkten Mikrovilli wachsen. Innerhalb dieser Zelllandschaft bilden die IgM-BCRs Cluster, die sich entlang der Grate in unmittelbarer Nähe der Mikrovilli-Basen konzentrieren. Die Position dieser Cluster wurde mit der dynamischen Bewegung der Grate auf der Zelloberfläche in Verbindung gebracht.

Die IgM-BCRs bilden sich entlang der Grate und in der Nähe der Basen der Mikrovilli.

“Wir denken, dass die 3-D-Position der Antigenrezeptoren ihre Aktivität steuert,” sagt Reth. “Die Lokalisierung an der Basis der Mikrovilli könnte ihre unerwünschte Aktivierung verhindern. Sobald B-Zellen ein Gefahrensignal erhalten, dehnen sie ihre Mikrovilli aus, und wir nehmen an, dass die IgM-BCR-Cluster dann an die Spitze rekrutiert werden, wo sie in einer optimalen Position für die Antigenerkennung lokalisiert sind.” Diese Hypothese steht im Einklang mit anderen Erkenntnissen von Reth’s Gruppe, die darauf hindeuten, dass die IgM-BCRs über laterale Interaktionen mit regulatorischen Korezeptoren reguliert werden. Dies bedeutet, dass die Position und Verteilung der Antigenrezeptoren wahrscheinlich zusätzliche Kontrollmechanismen darstellen, die die Signalgebung und Aktivierung von Zellen des Immunsystems beeinflussen.

Über den Exzellenzcluster CIBSS

Der Exzellenzcluster CIBSS – Centre for Integrative Biological Signalling Studies hat das Ziel, ein umfassendes Verständnis biologischer Signalprozesse über Skalen hinweg zu gewinnen – von Interaktionen zwischen einzelnen Molekülen und Zellen bis hin zu Prozessen in Organen und ganzen Organismen. Die Forscher nutzen das so gewonnene Wissen, um Strategien zur gezielten Steuerung von Signalen zu entwickeln. Diese Technologien ermöglichen es ihnen, nicht nur Erkenntnisse in der Forschung zu gewinnen, sondern auch Innovationen in der Medizin und den Pflanzenwissenschaften zu entwickeln.

Faktenblatt:

- Originalveröffentlichung: Deniz Saltukoglu, Bugra Özdemir, Michael Holtmannspötter, Ralf Reski, Jacob Piehler, Rainer Kurre, Michael Reth (2023): Die Topographie der Plasmamembran bestimmt die dynamische 3D-Lokalisation von IgM-B-Zell-Antigenrezeptor-Clustern. In: The EMBO Journal. DOI: https://doi.org/10.15252/embj.2022112030

- Michael Reth ist Seniorprofessor für Molekulare Immunologie an der Fakultät für Biologie der Universität Freiburg, Mitglied des Exzellenzclusters CIBSS – Centre for Integrative Biological Signalling Studies und Co-Direktor des Signalforschungszentrums BIOSS – Centre for Biological Signalling Studies. Sein Forschungsschwerpunkt liegt auf der Funktion und Aktivierung des B-Zell-Rezeptors.

- Deniz Saltukoglu ist Postdoktorand in der Abteilung für Molekulare Immunologie der Universität Freiburg

- Die Studie wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und den National Institutes of Health (NIH) gefördert.

Pressemitteilung Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau vom 11.01.2023