Functional Immunopeptidomics by Characterizing Immunopeptides Against HLAs, TCRs, and Antibodies

Der menschliche Körper hält eine ständige, stille Wacht gegen Krebs durch ein hoch entwickeltes Überwachungssystem. Das Herzstück dieser Verteidigung sind spezialisierte Proteine namens humanen Leukozyten-Antigene, oder HLA, die als Schaufenster auf der Oberfläche jeder Zelle fungieren. Diese Fenster halten winzige Fragmente der Proteine im Inneren der Zelle hoch, sodass Immunzellen diese nach Anzeichen von Problemen scannen können. Wenn eine Zelle gesund ist, sehen die Fragmente normal aus. Wenn eine Zelle krebsartig ist, zeigt sie möglicherweise Fragmente, die mutiert oder chemisch verändert sind, was das Immunsystem dazu veranlasst, anzugreifen. Jahrelang haben sich Wissenschaftler auf der Suche nach neuen Krebstherapien fast ausschließlich darauf konzentriert, diese mutierten Fragmente zu finden, in der Hoffnung, Therapien zu entwickeln, die das Immunsystem lehren, sie zu erkennen. Dieser Ansatz stößt jedoch bei vielen häufigen Krebsarten, wie etwa dem Nierenzellkarzinom, an eine Grenze, bei denen die Zellen nicht viele Mutationen tragen. In diesen Fällen schafft es das Immunsystem dennoch, die Krankheit zu bekämpfen, was darauf hindeutet, dass der Körper etwas anderes erkennt – vielleicht Fragmente, die auf einzigartige Weise chemisch modifiziert sind, oder Proteine, die vom Tumor einfach überproduziert werden. Die Herausforderung bestand darin, dass die Werkzeuge zur Suche nach diesen Zielen große Mengen an Gewebe erfordern und oft genau jene Fragmente übersehen, mit denen das Immunsystem tatsächlich interagiert, was die Forscher mit einer Liste potenzieller Ziele zurücklässt, die möglicherweise nicht die eigentlichen Treiber der Immunreaktion sind.

Ein Forschungsteam der Johns Hopkins University hat einen neuen Weg entwickelt, um dieses Problem zu untersuchen, der mit winzigen Mengen an Gewebe arbeitet und sich darauf konzentriert, was das Immunsystem tatsächlich tut. Anstatt nur jedes Fragment zu katalogisieren, das passiv auf der Oberfläche einer Zelle liegt, trennt ihre Methode die Fragmente, die aktiv von Immunrezeptoren gegriffen werden, von denen, die dort nur passiv liegen. Sie testeten diesen Ansatz an dreißig Proben von Nierenzellkarzinom-Gewebe, einschließlich Tumoren und gesundem Gewebe desselben Patienten. Der Prozess beginnt damit, lediglich zehn Milligramm gefrorenes Gewebe in eine Flüssigkeit zu mahlen. Diese Flüssigkeit wird dann durch eine Reihe von Filtern geleitet, von denen jeder darauf ausgelegt ist, eine andere Art der Immuninteraktion einzufangen. Zuerst erfasst das System Fragmente, die an Antikörper gebunden sind, dann jene, die von einem spezifischen Typ eines Immunrezeptors gehalten werden, gefolgt von den allgemeinen Fragmenten, die von den Hauptfenstern der Zelle präsentiert werden. Entscheidend ist, dass die Forscher auch die eingefangenen Immunrezeptoren wieder mit den isolierten Fragmenten in einem Reagenzglas vermischten, um zu sehen, welche davon natürlich zusammenhalten würden. Dies ermöglichte es ihnen, zwischen Fragmenten, die lediglich vorhanden sind, und solchen, die funktionell wichtig sind, zu unterscheiden.

Die Ergebnisse offenbarten eine Zielstruktur, die weitaus reicher ist als bisher gesehen. Aus diesen kleinen Proben identifizierte das Team fast neununddreißigtausend einzigartige Fragmente, die von der ersten Art des Immunfensters präsentiert wurden, und fast siebenundzwanzigtausend einzigartige Fragmente, die von der zweiten Art präsentiert wurden. Wichtiger noch: Als sie sich die Fragmente ansah, die aktiv von Immunrezeptoren gebunden wurden, stellten sie fest, dass diese viel wahrscheinlicher einzigartig für den Tumor waren und im gesunden Gewebe fehlten. Tatsächlich erhöhte die Methode des Einfangens dieser aktiven Interaktionen die Reinheit der tumorspezifischen Ziele um das bis zu Fünffache im Vergleich zum bloßen Betrachten aller Fragmente auf der Oberfläche. Die Forscher fanden auch heraus, dass viele dieser wichtigen Ziele überhaupt nicht mutiert waren. Stattdessen handelte es_sich um normale Proteine, die chemisch verändert worden waren, wie etwa durch das Anhängen einer Phosphatgruppe, oder um Proteine, die der Tumor in übermäßigen Mengen produziert. Einige dieser Ziele traten bei verschiedenen Patienten wiederholt auf, darunter Proteine namens NNMT, TMBIM6, RPL3, VIM und ENPP3, was darauf hindeutet, dass sie zuverlässige therapeutische Ziele sind.

Die Studie deckte auch einen überraschenden Unterschied in der Regulierung der zwei Arten von Immunfenstern auf. Für die erste Art des Fensters ist die Anzahl der auf der Oberfläche präsentierten Fragmente direkt mit der Menge der Proteinmaschinerie in der Zelle verknüpft; wenn die Zelle mehr von der Maschinerie herstellt, präsentiert sie in einem vorhersagbaren, linearen Verhältnis mehr Fragmente. Dies wird durch einen Hauptschalter im Zellkern gesteuert, der die gesamte Produktionslinie aktiviert. Die zweite Art des Fensters verhält sich jedoch anders. Die Anzahl der Fragmente, die es präsentiert, entspricht nicht der Menge der verfügbaren Proteinmaschinerie. Selbst wenn die Zelle über reichlich notwendige Komponenten verfügt, kann die Präsentation der Fragmente gering oder inkonsistent sein. Die Forscher fanden heraus, dass dies daran liegt, dass die zweite Art des Fensters auf einem komplexen, mehrstufigen Prozess des Proteinabbaus innerhalb der Zelle beruht, und dieser Prozess in Krebszellen oft ungleichmäßig oder gestört ist. Manchmal baut die Zelle Proteine zu aggressiv ab und zerstört so die benötigten Fragmente, oder sie verarbeitet sie nicht korrekt, wodurch die Fenster leer bleiben, obwohl die Zelle voller Rohmaterialien ist.

Diese Arbeit liefert eine klarere Karte dessen, was das Immunsystem beim Nierenzellkarzinom tatsächlich sieht. Indem sie sich auf die Fragmente konzentrierten, die aktiv von Immunrezeptoren gebunden werden, und indem sie mit sehr kleinen Gewebeproben arbeiteten, haben die Forscher eine Gruppe von Prioritätszielen identifiziert, die sowohl tumorspezifisch als auch funktionell relevant sind. Sie fanden heraus, dass das Immunsystem oft auf chemisch veränderte Versionen normaler Proteine und auf Proteine reagiert, die einfach nur überproduziert werden, statt nur auf mutierte Proteine. Die Studie hebt auch hervor, dass die Regeln, die die Darstellung dieser Ziele bestimmen, nicht für alle Teile des Immunsystems gleich sind; ein Teil folgt einer strengen, vorhersehbaren Ordnung, während der andere einem chaotischeren und variableren Prozess unterliegt. Diese Erkenntnisse legen nahe, dass zukünftige Krebstherapien über einfache Mutationen hinausblicken und diese chemisch veränderten und überproduzierten Proteine als Schlüsselziele in Betracht ziehen sollten. Die neue Methode bietet einen praktischen Weg, um diese Ziele bei Patienten mit begrenzten Gewebeproben zu finden, was die Entwicklung von Behandlungen, die das körpereigene Immunsystem effektiverer gegen Krebs einsetzen, potenziell beschleunigen kann.