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Elmar Krause:
Molekulare Mechanismen der T Zellen Funktion

Forschung

Zytotoxische T Zellen gehören zum adaptiven Immunsystem. Ihre Funktion ist die Identifikation und das Abtöten von viral oder bakteriell infizierten Körperzellen. Dies geschieht, indem zytotoxische T Zellen giftige Substanzen, die in lytischen Granula gespeichert sind, über Exozytose freisetzen. Dazu bilden zytotoxische T Zellen zunächst einen fokalen Kontakt mit der infizierten Zelle,  eine sog. immunologische Synapse (IS), aus. Im Zentrum der IS sammeln sich lytische Granula an, die schließlich mit der Plasmamembran der T Zelle fusionieren und so die giftigen Substanzen (Perforin, Granzyme) freisetzen, die schließlich die Zielzelle töten (Fig.1) (1). Der Fokus unserer Forschung liegt auf der Identifizierung molekularer Komponenten (Proteine) dieses Prozesses und ihrer Regulation. Diese Forschung ist nicht nur von grundlegendem Interesse für das Verständnis des Immunsystems, sondern hat auch klinische Relevanz für eine Gruppe lebensbedrohlicher Erkrankungen (familiäre hämophagozytische Lymphohistiozytose (2)), bei der verschiedene Gene, die für die von uns untersuchten Proteine kodieren, mutiert sind.

In den vergangenen Jahren haben wir verschiedene Proteine wie Munc13-4, Syntaxin11 und Synaptobrevin2 auf ihre Beteiligung an der Exozytose lytischer Granula sowohl in Maus als auch humanen Zellen getestet (3-8) und beschrieben. Diese Proteine gehören zur Familie der SNARE bzw. SNARE-assoziierten Proteine, die auch bei der synaptischen Transmission eine entscheidende Rolle spielen (9). Somit zeichnet sich ab, dass die molekularen Grundlagen der Exozytose im neuronalen System und im Immunsystem ähnlich sind. Gegenwärtig untersuchen wir weitere Proteine wie NCS1 und VAMP8, die möglicherweise ebenfalls an der Sekretion zytotoxischer Substanzen beteiligt sind. 

Um diese Fragestellungen zu bearbeiten, bedienen wir uns eines umfangreichen Methodenspektrums, das Höchstauflösungsmikroskopie (Fig. 2,3), TIRF-Mikroskopie, Patch Clamp, FACS, Gentechnologie und biochemische Verfahren umfasst.  

Figure 1

A CTL (left) recognizes an infected target cell (right) by its T cell receptor (1, T cell receptor and co stimulatory receptors). Subsequently the CTL builds a tight contact with the target cell (immunological synapse (IS)) through adhesion molecules (2, adhesion complex, mainly composed of ICAM, LFA, Talin). While the IS is still under construction lytic granules (LG) migrate to the IS and fuse with the plasmamembrane as soon as the IS is mature. The fusion process itself is catalyzed by a protein complex (3) composed of several SNARE and SNARE-associated proteins like, Syntaxin11, Synaptobrevin2 and Munc13-4.

Figure 2

(left) CTL overexpressing fluorescently labeled fusion proteins. (middle) fluorescence intensity through a cell region as indicated by the dotted line in the left image. (right) quantitative analyses of co-localization of Rab11a with Stx11. Most Stx11-containing vesicles also contain Rab11a (Rab11a is a marker for recycling endosomes).  

Figure 3

View on the surface of an IS of a CTL which is directed against a coated coverslip. Mikrotubules (α‐Tubulin) were stained with Alexa 647. dSTORM‐reconstruction from 9100 single frames. Resolution is better than 50 nm. 

Literaturangaben

  1. De Saint Basile G, Ménasché G & Fischer A (2010) Molecular mechanisms of biogenesis and exocytosis of cytotoxic granules. Nat. Rev. Immunol. 10: 568–579
  2. Janka GE (2012) Familial and acquired hemophagocytic lymphohistiocytosis. Annu. Rev. Med. 63: 233–246
  3. Becherer U, Medart MR, Schirra C, Krause E, Stevens D & Rettig J (2012) Regulated exocytosis in chromaffin cells and cytotoxic T lymphocytes: how similar are they? Cell Calcium 52: 303–312
  4. Dudenhöffer-Pfeifer M, Schirra C, Pattu V, Halimani M, Maier-Peuschel M, Marshall MR, Matti U, Becherer U, Dirks J, Jung M, Lipp P, Hoth M, Sester M, Krause E & Rettig J (2013) Different Munc13 isoforms function as priming factors in lytic granule release from murine cytotoxic T lymphocytes. Traffic 14: 798–809
  5. Halimani M, Pattu V, Marshall MR, Chang HF, Matti U, Jung M, Becherer U, Krause E, Hoth M, Schwarz EC & Rettig J (2014) Syntaxin11 serves as a t-SNARE for the fusion of lytic granules in human cytotoxic T lymphocytes. Eur. J. Immunol. 44: 573–584
  6. Matti U, Pattu V, Halimani M, Schirra C, Krause E, Liu Y, Weins L, Chang HF, Guzman R, Olausson J, Freichel M, Schmitz F, Pasche M, Becherer U, Bruns D & Rettig J (2013) Synaptobrevin2 is the v-SNARE required for cytotoxic T-lymphocyte lytic granule fusion. Nat Commun 4: 1439
  7. Pattu V, Halimani M, Ming M, Schirra C, Hahn U, Bzeih H, Chang H-F, Weins L, Krause E & Rettig J (2013) In the Crosshairs: Investigating Lytic Granules by High-Resolution Microscopy and Electrophysiology. Front Immunol 4: 411
  8. Pattu V, Qu B, Marshall M, Becherer U, Junker C, Matti U, Schwarz EC, Krause E, Hoth M & Rettig J (2011) Syntaxin7 is required for lytic granule release from cytotoxic T lymphocytes. Traffic 12: 890–901
  9. Becherer U, Medart MR, Schirra C, Krause E, Stevens D & Rettig J (2012) Regulated exocytosis in chromaffin cells and cytotoxic T lymphocytes: how similar are they? Cell Calcium 52: 303–312