Es ist gar nicht so leicht, fremde RNA in den Organismus einzuschleusen und translatieren zu lassen – das war eine der Herausforderungen bei der Entwicklung von mRNA-Vakzinen. Denn jede somatische Zelle kontrolliert permanent das eigene Cytoplasma auf fremde Nukleinsäuren. Am Institut für Klinische Chemie und Klinische Pharmakologie der Uniklinik Bonn geht das Team um Gunther Hartmann den Mechanismen der Nukleinsäure-Immunität auf den Grund. Hartmann ist einer der 30 meistzitierten Köpfe unserer Publikationsanalyse zur Klinischen Chemie & Laboratoriumsmedizin. Er erklärt uns, woran die Zelle insbesondere fremde RNA erkennt – und warum diese Erkennung bei manchen Viren nicht funktioniert.
Wer tiefer einsteigen möchte: In einem frei zugänglichen Review aus dem Jahr 2020 fasst Hartmann gemeinsam mit Eva Bartok aktuelle Erkenntnisse zur Unterscheidung zwischen eigenen und fremden Nukleinsäuren zusammen (Immunity, 53(1): 54-77).
Beim Immunsystem denken die meisten von uns wohl zuerst an fremde Proteine, die als Antigene erkannt werden. Sie aber erforschen die Nukleinsäure-Immunität. Wie kam man überhaupt darauf, dass auch DNA und RNA als fremd erkannt werden kann?
Gunther Hartmann: Schon in den 1970ern ist aufgefallen, dass isolierte bakterielle DNA, wenn sie in eine Zelle gelangt, eine Interferon-Antwort auslösen kann. Das war damals ein erstaunlicher Befund. Heute kennen wir Interferon als klassisches und wichtigstes antivirales Cytokin. Es ist auch das erste Cytokin, das überhaupt entdeckt wurde. Der Name kommt daher, dass das Interferon eben mit Assays zur Virenvermehrung interferiert. Mit Interferon replizieren die Viren auf einmal nicht mehr. Interferon „interferiert“ also mit der Virusreplikation. Und es versetzt das gesamte System in einen Alarmzustand, weil es anzeigt, dass gerade ein virales Pathogen unterwegs ist.
RNA ist sehr labil, daher hat man das erst über die DNA bemerkt. DNA mit nicht-methylierten CpG-Motiven induziert besonders stark das Interferon. Später sah man das auch für RNA. Der Sinn dahinter ist, zu verhindern, dass virale RNA translatiert wird und somit virale Proteine gebildet werden. Wenn die Zelle das verhindert, kann ein Virus natürlich auch nicht replizieren.
Im Cytoplasma schwimmt aber auch die zelleigene mRNA. Woher weiß denn die Zelle, welche RNA fremd ist? Und falls die Zelle das erkennt – warum gibt es keinen Selektionsdruck auf die Viren, dass sie ihre eigene RNA wie zelluläre mRNA aussehen lassen?
Hartmann: Gott sei Dank haben wir vor hunderten Millionen Jahren irgendwie den Zellkern „erfunden“. Dort entsteht die RNA. Dabei werden ja durch eine Polymerase Nukleotide aneinandergereiht, die ein Triphosphat enthalten. Also GTP, CTP, UTP und ATP. Am 5’-Ende jeder RNA bleibt dann ein Triphosphat hängen. Dieses Triphosphat wird bei unserer eigenen mRNA mit einer Cap versehen: Es wird ein Molekül draufgesetzt, an die erste Base wird eine Methylgruppe angefügt – die sogenannte N1-Methylierung. Das ist dann eine komplette Cap1-Struktur, und die stellt sicher, dass mRNA als „selbst“ erkannt wird und nicht als „fremd“. Wenn ich RNA hingegen einfach nur in vitro generiere, dann sitzt dort eine Nukleinsäure, die am 5’-Ende ein Triphosphat trägt. Und das ist genau das, was in die Bindungstasche von RIG-I passt.
Die Zelle modifiziert die mRNA also unter anderem, damit sie nicht vom Abwehrsystem erkannt wird. RIG-I ist demnach eines dieser Proteine, die fremde RNA erkennt, anhand der fehlenden Cap. Wie viele dieser „Sensoren“ kennt man denn?
Hartmann: Es gibt für die Erkennung von RNA-Viren eigentlich nur zwei wesentliche Rezeptoren im Cytoplasma, die alle somatischen Zellen tragen, nämlich RIG-I (Retinoic acid–inducible protein I) und MDA5 (Melanoma differentiation-associated gene 5). Man bezeichnet beide als RIG-I-like-Rezeptoren, und beide erkennen RNA-Strukturen. Wenn Viren im Cytoplasma RNA herstellen, dann passiert damit nichts weiter, sodass die RNA eben dieses Triphosphat trägt. Die ideale Erkennungsstruktur für RIG-I ist ein glattes Doppelstrang-RNA-Ende mit einem Triphosphat – das konnten wir schon 2006 zeigen (Science, 314(5801): 994-7).
Aber virale RNA ist ja oft einzelsträngig.
Hartmann: Aber auch wenn Einzelstrang-RNA gebildet wird, dann führt dieser Mechanismus zu Nebenprodukten. Das sind ungewollte kleinere RNA-Moleküle, die dann über Rückfaltung oder Hybridisierung solche Doppelstrang-RNAs bilden. Sobald dort ein Triphosphat ist, wird das erkannt, wobei auch Diphosphat-Enden an RIG-I binden können. Es ist für Viren wahnsinnig schwierig, diese enzmatischen Fehlprodukte zu vermeiden. Im Zellkern entstehen sie ebenfalls, doch dort werden sie ja herausselektiert, sodass nur die intakte mRNA den Kern verlässt. Die meisten Viren aber stellen ihre RNA im Cytoplasma her. Und dann reichen schon kurze Doppelstrangstücke aus, um die Mechanismen zu aktivieren. Auch MDA5 erkennt irreguläre Doppelstrang-RNA. RIG-I und MDA-5 aktivieren dann über Interferon die antivirale Antwort.
Und jetzt können wir uns fragen: Warum gibt es denn dann überhaupt Viren, die uns krankmachen, wenn das alles so trivial ist? Wir haben einen Zellkern und die Viren nicht. Aber es gibt auch Viren, die in den Zellkern eindringen, zum Beispiel HIV. Andere RNA-Viren, die uns krank machen, haben „gelernt“, eine Cap draufzusetzen. Das ist biochemisch ganz schön kompliziert. Da gibt es einmal den Weg, dass man eine Cap von der mRNA des Hosts abschneidet und auf die virale RNA draufsetzt. Und es gibt auch Methyltransferasen, ohne die einige pathogene Viren nicht vermehrungsfähig wären. Diese Enzyme methylieren die virale mRNA und verhindern so die Erkennung.
Weiter gibt es die Möglichkeit, dass Viren die cytoplasmatischen Erkennungsmechanismen aktiv blockieren, indem sie irgendwelche Rezeptoren zerschneiden und deren Abbau verstärken. Wenn Sie sich anschauen, was SARS-CoV-2 alles inhibiert mit den Nicht-Strukturproteinen, dann sehen Sie, dass die an ganz vielen Ecken angreifen, um zu verhindern, dass die somatische Zelle die virale RNA erkennt.
Damit dürfte ja gar kein Interferon produziert werden und das Immunsystem wäre zunächst schutzlos gegen SARS-CoV-2.
Hartmann: Das ist tatsächlich ein frappierender Unterschied zu anderen RNA-Viren, dass wir bei SARS-CoV-2 manchmal überhaupt kein Typ-1-Interferon sehen. Wir wissen ja, dass eine frühe Interferon-Antwort mit einem milderen Verlauf korreliert. Und wir wissen, dass es einen Backup-Mechanismus im Immunsystem gibt, der in solchen Situationen greift, besonders bei gesunden jüngeren Patienten. Das ist die plasmacytoide dendritische Zelle, ein Zelltyp, der erst 1998 entdeckt wurde. Es ist die einzige Zelle, die Interferon in großen Mengen produziert, wenn sie einfach nur Nukleinsäure-haltige Partikel sieht. Und das macht sie über die Toll-like-Rezeptoren 7 und 9. Das bedeutet: Ein Virus-Partikel, egal wo er drinsteckt und wie viel Abwehrmechanismen er im Cytoplasma überlistet, wird eine Interferon-Antwort auslösen, sobald er von einer plasmacytoiden dendritischen Zelle aufgenommen wird. Solange dieses Backup-System funktioniert, greift der Interferon-Mechanismus also trotzdem.
Bleiben wir bei Corona: Für die mRNA-Impfstoffe ist die Nukleinsäure-Immunität ein Problem, gleichzeitig aber auch ein Feature – nämlich um das Immunsystem zu aktivieren.
Hartmann: Es gibt im Wesentlichen zwei Modifikationen, die eingesetzt werden, um zu verhindern, dass die RNA der Vakzine direkt erkannt wird und zu stark inflammatorisch wirkt. Zum einen setzt man eine Capping-Struktur auf die RNA. Dazu verwendet man einen ausgeklügelten Synthese-Mechanismus, bei der die RNA-Herstellung mit einem Dinukleotid startet, das schon solch eine Cap trägt. Das andere ist, dass man Uridin durch Methylpseudo-Uridin ersetzt, Das führt dazu, dass die Toll-like-Rezeptor-Erkennung nicht mehr stattfindet.
Was aber verbleibt, ist MDA5, also dieser zweite RIG-I-like-Rezeptor. Im Tierexperiment sieht man, dass ohne MDA5 bei einer Impfung weder Antikörper noch T-Zellen induziert werden. Also bleibt tatsächlich eine gewisse Aktivierung notwendig. Die RNA ist also ihr eigenes Adjuvans.
Das Gespräch führte Mario Rembold
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