De ontdekking van een eigenaardige eiwitstructuur en de zoektocht om deze te bevestigen heeft geleid tot de beschrijving van interagerende receptorclusters op natural killer (NK) cellen. De studie door het onderzoeksteam van Dr. Ondřej Vaněk van de afdeling Biochemie, Faculteit Wetenschappen, Charles University, en zijn collega's van het Instituut voor Biotechnologie van de Tsjechische Academie van Wetenschappen in het centrum BIOCEV werd onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Het laboratorium voor structurele biochemie van immuunherkenning, geleid door Dr. Ondřej Vaněk, produceerde een spannend verhaal. Het begon allemaal een paar jaar geleden met het observeren van een onverwachte eiwitstructuur van een receptor, en eindigde met een gedetailleerde beschrijving van specifieke structuren en interacties van het immuunsysteem.

"We zijn geïnteresseerd in hoe de cellen van het immuunsysteem herkennen of andere cellen in ons lichaam gezond of ongezond zijn", legt Dr. Vaněk uit. Zijn onderzoeksteam richt zich vooral op NK-cellen, die deel uitmaken van de aangeboren immuniteit, en als ze voelen dat een andere cel in het lichaam niet gezond is, deze snel kunnen elimineren. Structurele immunologie probeert hier te ontdekken hoe receptoren op het oppervlak van immuuncellen eiwitten (of andere structuren) op het oppervlak van een andere cel herkennen. "Deze eiwitten vertellen de NK-cel of alles in orde is. Wat er uiteindelijk gebeurt, is niet alleen de interactie van twee eiwitten, maar het is het samenspel van een aantal interacties, en uiteindelijk zal ofwel een remmend of een activerend signaal de overhand hebben, " legt Dr. Vaněk uit.

De zojuist gepubliceerde studie richt zich op twee eiwitten en hun interactie. Een daarvan is een receptor op NK-cellen, NKR-P1 genaamd. Deze receptor is interessant omdat hij dient als een van de belangrijkste oppervlaktemarkers waarmee NK-cellen kunnen worden gedefinieerd, hoewel de structuur tot nu toe onbekend was. De NKR-P1-receptor wordt ook aangetroffen op het oppervlak van enkele specifieke subpopulaties van T-lymfocyten, die betrokken zijn bij verschillende auto-immuunziekten. In deze context is de werking ervan echter nog niet goed gekarakteriseerd, waarschijnlijk veranderend van puur remmend naar costimulerend en zo bijdragend aan de ontwikkeling van deze ziekten.

Het tweede eiwit waarop het onderzoek zich richt, is het ligand van de NKR-P1-receptor, het eiwit dat LLT1 wordt genoemd. Dit eiwit wordt normaal gesproken gevonden op andere cellen van het immuunsysteem, en zoals Dr. Vaněk beschrijft:"Als cellen op elkaar inwerken en elkaars oppervlak aanraken, zeggen ze dat ze van elkaar weten en dat alles in orde is." De laatste vijftien jaar van onderzoek hebben echter aangetoond dat in veel gevallen van kanker het LLT1-eiwit tot expressie wordt gebracht op het oppervlak van kankercellen, waar het dient om de immuunrespons te remmen. Dr. Vaněk voegt hieraan toe:"Helaas, hoe slechter het tumortype, hoe hoger de oppervlakte-expressie van LLT1-eiwit." Hij en zijn collega's waren de eersten die de structuur van LLT1 in 2015 beschreven.

Dit artikel beschrijft de twee eiwitten en hun interactie op vele niveaus, van de atomaire structuur tot het cellulaire niveau. Het onderzoeksteam produceerde eerst de eiwitten, kristalliseerde ze en loste de structuur van hun complex op.

"Het resultaat was nogal onverwacht en interessant. Je vraagt ​​je op dat moment af of dit slechts een artefact van het kristal is of dat er echt zo'n structuur op het celoppervlak bestaat", merkt Dr. Vaněk op. De volgende nogal complexe stap van het onderzoek was superresolutiemicroscopie en de volgende fasen van het onderzoek werden uitgevoerd op het celoppervlak en levende NK-cellen geïsoleerd uit donorbloed. Door verschillende methoden te combineren, verifieerde het onderzoeksteam eerdere waarnemingen in de kristalstructuur van het complex van beide eiwitten en beschreef de resulterende functionele gevolgen - onder welke omstandigheden de NKR-P1- en LLT1-eiwitten moeten voldoen om een ​​remmend signaal te produceren.

Zowel de NKR-P1-receptor als zijn ligand LLT1 zijn homodimeren, d.w.z. ze vormen altijd paren van twee identieke ketens op het celoppervlak, verbonden door disulfidebindingen. Tot nu toe was het idee dat wanneer de twee eiwitten interageren, één dimeer van de receptor één dimeer van het ligand bindt. Dankzij de kristalstructuur van het NKR-P1-complex met LLT1 weten we echter dat dit niet waar is:de helft van het receptordimeer interageert met de helft van het liganddimeer, waardoor de vorming van bindende clusters van deze moleculen op het oppervlak van de NK-cel wanneer deze interageert met de doelcel.

Het vergde verscheidene jaren van onderzoek om deze hypothese van atomair tot cellulair niveau te testen. De affiniteit van de bestudeerde eiwitten is erg zwak en alleen door clustering wordt het sterk genoeg voor de NK-cel om het remmende signaal waar te nemen. De noodzaak dat meerdere moleculen elkaar ontmoeten is dus een soort evolutionaire bescherming tegen onnodige of valse stimuli, en dankzij de nieuwe studie kunnen we precies zien hoe deze interactie op structureel niveau werkt. Dit kan helpen bij het ontwerpen van therapeutische eiwitten die op wenselijke wijze de interactie tussen het immuunsysteem en kankercellen kunnen beïnvloeden.

De studie werd uitgevoerd door het team van Dr. Ondřej Vaněk aan de Faculteit Wetenschappen van de Charles University in samenwerking met het team van Dr. Jan Dohnálek ​​van het Instituut voor Biotechnologie van de Tsjechische Academie van Wetenschappen (BIOCEV), die voornamelijk betrokken was bij de structurele analyses. Two researchers from the University of Oxford also contributed significantly to the research, performing crystallization and X-ray diffraction measurements.

"Several generations of students from our lab have been involved in this study, and the first author, Jan Bláha, did his Ph.D. on this research. Gradually, we learned more and more methods, and the students advanced a lot. Some of them are now working at some of the best European research institutes," Dr. Vaněk explains.

Jan Bláha, the first author of the study and now a postdoctoral fellow at EMBL Hamburg, says, "The most interesting thing for me while working on this project was discovering new insights in relatively common data that led us to more complex experiments. I learned not to be afraid to follow my own crazy ideas as long as they are based on the data. I have come to understand that many of the world's experts are only human, and the most passionate ones are playful and willing to help with any crazy scientific idea." + Verder verkennen

Immune system:First image of antigen-bound T-cell receptor at atomic resolution