Pressemitteilung/News

25.07.2022

Wie winzige Veränderungen T-Zellen helfen zu überleben

Forscher gewinnen eine grundlegende Erkenntnis für die Epitranskriptomik und Immunantwort. Die Gruppe um Vigo Heissmeyer und Taku Ito-Kureha von Helmholtz Munich und der Ludwig-Maximilians-Universität München hat die wesentliche Funktion von m6A-Modifikationen in T-Zellen aufgedeckt.

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Die Abteilung Molekulare Immunregulation (AMIR) von Helmholtz Munich legt den Forschungsschwerpunkt auf die molekularen Mechanismen der Gen-Regulation in T-Zellen. „Wir studieren die Gen-Regulation, die stattfindet, wenn die mRNA gemacht ist und sich dann in ein Protein umsetzen lässt. Das Transkript ist unser Fokus. Wir erforschen, in welcher Art und Weise nach erfolgter Transkription entschieden wird, wie viel von der Message eines Boten-Moleküls in Protein umgesetzt wird. Und wie sich dieser Prozess steuern lässt. Denn er trägt ganz entscheidend zu verschiedenen Immunantworten bei“, sagt Vigo Heissmeyer, Professor für Immunologie und Abteilungsleiter bei Helmholtz Munich.

Die mRNA-Methylierung m6A

Seit Jahrzehnten ist bekannt, dass eine chemische Modifikation von Nukleinsäuren, die Methylierung, nicht nur auf der DNA, sondern auch auf der RNA existiert. Aber dass die Methylierung dort auch eine Funktion hat, haben Wissenschaftler:innen erst vor wenigen Jahren entdeckt. Daraus entstand der Forschungsbereich der Epitranskriptomik. Der Fokus liegt hier auf Untersuchungen des regulatorischen Potenzials der mRNA-Methylierung. Ob diese Methylierung für bestimmte Zelltypen wichtig ist und welche Auswirkungen sie auf das Zusammenwirken von Zellen im Körper hat, ist nach heutigem Wissensstand noch unklar.
Die am häufigsten vorkommende mRNA-Modifikation ist das N6-Methyladenosin (auch m6A genannt). Sie scheint eine entscheidende Rolle bei der Zelldifferenzierung zu spielen und eine Reihe von biologischen Vorgängen zu beeinflussen. Bei m6A wird eine Methylgruppe an das sechste Kohlenstoffatom der Nukleinbase Adenosin angehängt. Forscher fanden heraus, dass hierfür ein sogenannter Writer-Komplex verantwortlich ist – wie bei der DNA. Er entscheidet darüber, welches Adenosin in welcher mRNA modifiziert wird und damit zusätzlich zum genetischen Code eine neue Information trägt. Diese Information wird dann von sogenannten Reader-Proteinen „gelesen“, die dann über die Lebensdauer oder Translation der mRNA in das kodierte Protein entscheiden.

Ein neuer Erfolg für die Grundlagenforschung

Vigo Heissmeyer und sein Forscherteam untersuchte, wie sich der Verlust von m6A auf die Biologie der T-Zellen auswirkt. Dazu haben die Wissenschaftler:innen in ihrer Studie eine Komponente des m6A-Writer-Komplexes in der Maus ausgeknockt – sowohl in regulatorischen T-Zellen als auch in naiven T-Zellen. Aus vergangenen Studien leiteten die Forscher ab, dass m6A-Modifikationen essenziell für T-Zellen sind, wenn diese ein Antigen erkennen. Normalerweise würde die Antigenerkennung dazu führen, dass es zur T-Zell-Aktivierung, Zellteilung und zum Erwerb der Effektorfunktion kommt. Regulatorische T-Zellen ohne m6A würden ihre Kontrolle über die Immunantwort verlieren. Naive Zellen blieben dagegen in ihrer Entwicklung stehen und fielen in eine Art Koma – so der Stand der Forschung. Die neue Studie zeigt etwas anderes für naive T-Zellen: Die genetische Inaktivierung der m6A Genregulation ist mit stärkeren und nachhaltigeren Ca2+-Signalen nach Antigenrezeptoraktivierung verbunden. Frühere Arbeiten deuten darauf hin, dass naive T-Zellen m6A nutzen, um die Zytokin-Signalgebung im Aktivierungsprozess zu regulieren. Wie die Forscher jetzt wissen, können T-Zellen ohne m6A weiterhin durch Zytokine aktiviert werden. Nach Antigenerkennung können jedoch nur wenige dieser T-Zellen sich teilen, da die meisten den aktivierungsinduzierten Zelltod (AICD) durchlaufen und dann verschwinden (s. Abbildung 2).  Überraschenderweise zeigen die T-Zellen ohne m6A-Modifikationen sogar eine Überaktivität. Diese Veränderung erklärt sich durch die m6A-abhängige Regulierung des ORAI1-Ca2+-Kanals, der zusammen mit der ebenfalls m6A-abhängig regulierten RIPK1 Kinase in T-Zellen am beobachteten plötzlichen Zelltod beteiligt ist. Die fehlende Regulation in den T-Zellen durch den Verlust der Adenosin-Methylierung zeigt bei Mäusen eine heftige Entzündungsreaktion. Sie leiden an chronisch-entzündlicher Darmerkrankung. Diese Krankheit wird durch ein Übermaß an aktivierten konventionellen T-Zellen ausgelöst. Ein Ungleichgewicht entsteht, weil die regulatorischen T-Zellen die Aktivierung der naiven T-Zellen nicht mehr ausbremsen können. Bei Abwesenheit von m6A in T-Zellen entsteht eine komplexe Deregulierung der Immunantwort, naive T-Zellen werden zwar durch Antigenerkennung aktiviert, teilen sich zunächst, sterben jedoch auch vermehrt – und können dennoch, vermutlich wegen fehlender Unterdrückung durch regulatorische T-Zellen, die Erkrankung auslösen.

Welche Anschlussforschung lässt sich daraus ableiten?

Ein nächster Schritt wird sein, die Moleküle zu untersuchen, die die Methylierung erkennen. „Unsere Idee ist, durch die Erkenntnisse zur Genregulation neue Schlüsselmoleküle zu definieren. Wir sehen anhand unserer Studie, welche mRNAs modifiziert sind und damit genau in ihrer Menge definiert sein müssen, damit Immunantworten fehlerfrei ablaufen. Wenn wir es ganz verstehen, wie diese Regulation Zelltod oder Überaktivierung verhindert, wissen wir auch, welche Knotenpunkte therapeutisch manipulierbar sind“, erklärt Vigo Heissmeyer. Hierzu hat der Studienleiter mit seinem Team eine Kartierung erstellt, die jede:r Forscher:in der Publikation entnehmen kann (Beispiel s. Abbildung 2). Darauf finden Experten die m6A-Modifikationen auf den mRNAs des T-Zell-Transkriptoms. Jede:r kann ablesen, wo die Methylierungen auf einem beliebigen Gen positioniert sind – oder ob sie nicht existieren, ob sie vom Reader gebunden sind oder nicht. Diese Information kann als Grundlage für weitere Untersuchungen und Fragestellungen dienen.

Relevanz für die Praxis

Die Studie hebt die Ziel-mRNAs der posttranskriptionellen Gen-Regulation hervor, die in ihrer Expression genau reguliert werden müssen, da bereits geringe Abweichungen das Zellschicksal dramatisch verändern. Dieses Wissen kann beispielsweise bei adoptiven T-Zell-Therapien genutzt werden, bei denen das Überleben der T-Zellen bei wiederholten Antigenbegegnungen entscheidend für den Erfolg ist.

Originalpublikation

Taku Ito-Kureha et al., 2022: The function of Wtap in N6-adenosine methylation of mRNAs controls T cell receptor signaling and survival of T cells. Nature Immunology. DOI: 10.1038/s41590-022-01268-1

Abbildungen

* Abbildung 1 - T-Zell-rezeptorabhängige Zellteilung
(© Nature Immunology / Vigo Heissmeyer)
Experiment, in dem T-Zellen in Mäuse transferiert werden, die selbst gar keine T- und B-Zellen haben.
(Links) Abbildung des Transfers von T-Zellen einer Wildtyp-Maus mit m6A: Eine hohe Zellteilungsaktivität (Zellen mit geringem CTV-Signal) wird in T-Zellen nach Erkennung von Antigenen der Darm-Bakterien (TCR-dependent) festgestellt. Das Zytokin IL-7 führt zu einer geringen Anzahl an Zellteilung, die langsam, aber in allen Zellen stattfindet. (Rechts) Abbildung des Transfers von T-Zellen der Knockout-Maus ohne m6A: Schwach ausgeprägter Peak von T-Zellen im Zellteilungsmuster, das charakteristisch für Stimulation durch den T-Zell-Rezeptor ist. Mehr Zellen reagieren auf IL-7. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass die T-Zellen sich zwar genauso schnell teilen können, dann aber verschwinden, wie mit weiteren Experimenten bewiesen wurde.

** Abbildung 2 -Karte der m6A-Modifikationen in der mRNA des Gens „Orai1“
(© Nature Immunology / Vigo Heissmeyer)
Die oberste Zeile zeigt, wie der Writer die Methylierung m6A auf der Orai1 mRNA positioniert. Für die Methylierung sind Berge mit steil abfallenden Hängen zu Bereichen fehlender Markierung charakteristisch. In der Zeile darunter ist ein Reader zu sehen, der im Fokus der Studie stand. Er bindet dort am stärksten, wo m6A positioniert ist. Darunter sind die Abbruch-Kanten in überlappenden Bereichen als Balken zusammengefasst.

Bildnachweis (von links) Dr. Taku Ito-Kureha und Prof. Dr. Vigo Heissmeyer
© Christoph Olesinski - LMU