(08.06.2020) BONN: Wie der Mensch intrazelluläre Pathogene abwehrt, schien lange Zeit geklärt. Jüngste Forschungsergebnisse rücken jedoch einen neuen (alten) Player ins Rampenlicht.
Der Mensch ist definitiv keine 70-Kilogramm-Maus. Die kleinen, aber feinen Unterschiede zwischen den Spezies führen mitunter dazu, dass wichtige Zusammenhänge im Dunkeln bleiben. So fristete auch der in Mäusen funktionslose Immunrezeptor Toll-Like-Rezeptor 8 (TLR-8) bis vor wenigen Jahren ein Schattendasein und das völlig zu Unrecht, wie Eva Bartok vom Universitätsklinikum Bonn erklärt: „TLR-8 ist ein wichtiger Player in der Erkennung und Bekämpfung intrazellulärer Bakterien und Einzeller wie dem Malaria-Erreger Plasmodium falciparum. Man wusste zwar schon früh, dass der Rezeptor in Monozyten stark exprimiert wird, konnte dem Protein aber nur indirekt eine Funktion zuordnen.“ Der Grund: Durch die fehlende Aktivität in Mäusen sind die üblichen Gen-Knockouts nicht möglich gewesen. Erst die Entwicklung der CRISPR-Cas9-Genschere ermöglichte Forschern zu untersuchen, welche Funktion TLR-8 im Menschen einnimmt.
Bereits 2002 zeigte ein Team um den Münchner Mikrobiologen Stefan Bauer, dass die antivirale Ribonukleinsäure-Verbindung R-848 TLR-8 aktiviert. Über zehn Jahre später lösten japanische Wissenschaftler eine Kristallstruktur des Rezeptors mit gebundenem R-848 auf und brachten so den Nachweis, dass der Rezeptor kurze RNA-Fragmente binden kann.
Auf Basis dieser Ergebnisse vermutete Bartok, dass bei TLR-8 bestimmte RNA-zerlegende Enzyme eine Rolle spielen müssen – und machte sich schließlich auf die Suche nach den entsprechenden RNasen. Ein interessantes Feld auch für Bartoks Doktoranden Thomas Ostendorf. „Besonders spannend für mich als Mediziner war, dass Mutationen in einer dieser RNasen zu einer schwerwiegenden Erkrankung führen. Dass ein solch neues, experimentelles Projekt für eine Doktorarbeit ziemlich riskant ist, habe ich damals etwas leichtsinnig in Kauf genommen“, scherzt Ostendorf. Seine Risikobereitschaft zahlte sich aus: Er und sein Kollege Thomas Zillinger teilen sich die Erstautorenschaft der kürzlich in Immunity erschienenen Studie (52: 591-605.E6).
TLR-8 ist einer von insgesamt zehn derartigen Rezeptoren, die in Menschen exprimiert werden. Sie zählen zu den sogenannten Muster-Erkennungs-Rezeptoren (Pattern Recognition Receptors), die bestimmte Moleküle detektieren, die Wirbeltieren fremd sind. Jeder Rezeptor identifiziert und reagiert auf unterschiedliche Signale, seien es Zellwandbestandteile von Bakterien, fremde DNA, oder im Falle von TLR-8 RNA. Die meisten TLRs sitzen auf der Oberfläche von Immunzellen, um umhertreibende Krankheitsmarker aus der Umgebung fischen zu können.
Die Rezeptoren TLR-3, -7 sowie -8 befinden sich hingegen in Endolysosomen, die unter anderem entstehen, wenn Fresszellen ein Bakterium verspeisen. In ihnen warten auf die Erreger harsche Bedingungen, wie ein sehr niedriger pH-Wert und ein Arsenal an zerstörerischen Enzymen. Platzt der Erreger, können die endosomalen Rezeptoren dessen Bestandteile erkennen und entsprechende Maßnahmen einleiten. Dazu gehört beispielsweise die Produktion des Interleukins IL-12p70, das die natürlichen Killerzellen und T-Helfer-Zellen stimuliert, die dann infizierte Zellen aufspüren und zerstören.
Dabei ist TLR-8 wenig wählerisch, wie Bartok beschreibt: „Die Erkennung der Fragmente läuft über zwei separate Bindetaschen ab. Der Rezeptor ist sehr unspezifisch und reagiert sowohl auf eine Kombination aus freien Uridin-Nukleotiden als auch auf kurze Fragmente aus zwei bis drei RNA-Basen.“ Interessanterweise löst die körpereigene RNA, die ebenfalls Uridin enthält und hin und wieder in ihre Bestandteile zerlegt werden muss, keine starke Immunantwort aus – warum sei noch zu klären.
Wie der menschliche Organismus intrazelluläre Pathogene erkennt, untersuchen Thomas Ostendorf, Gunther Hartmann, Eva Bartok und Thomas Zillinger (v. l. n. r.). Foto: Rolf Müller/UKB
Damit TLR-8 an freies Uridin gelangt, muss das Nukleosid erst aus einem größeren RNA-Stück ausgeschnitten werden. Diesen Job erledigen die beiden RNasen 2 und T2, wie Bartoks Gruppe beobachten konnte. Es stellte sich außerdem heraus, dass die Enzyme besonders gut bei niedrigen pH-Werten arbeiten – also genau den Bedingungen, die in Endolysosomen vorherrschen. „Die beiden RNasen wirken synergistisch: Die eine schneidet bevorzugt vor Uridin, die andere danach, sodass die einzelnen Nukleotide sehr effizient freigesetzt werden. Wir konnten auch zeigen, dass beide Enzyme zusammenarbeiten müssen, um komplexe RNA-Stücke zu zerlegen“, erläutert Bartok.
Die Bonner konnten als erste Gruppe nachweisen, wie die Fremd-RNA bearbeitet werden muss, um vom Rezeptor erkannt zu werden. Dies testeten die Forscher mit zahlreichen synthetischen RNA-Molekülen. „Von diesen Verbindungen, wie beispielsweise R-848, wusste man bereits, dass sie eine starke TLR7/TLR8-Antwort hervorrufen“, so Bartok. „Sie kommen so in der Natur nicht vor, stellen aber einen guten Ausgangspunkt dar, um zu verstehen, wie genau solche Fragmente vom Rezeptor erkannt werden.“
Einige der synthetischen RNAs verfügen über ein sogenanntes Phophorothioate-(PTO)-Rückgrat. Diese künstliche Modifikation erschwert den RNasen eigentlich ihre Arbeit, indem die Nukleasen die RNA-Moleküle nicht mehr so einfach aufbrechen können. Die Ergebnisse von Bartok zeichneten jedoch ein anderes Bild: Die beiden RNasen 2 und T2 konnten die PTO-haltigen RNAs sehr wohl zerlegen, allerdings nur, wenn diese zusammenarbeiteten. Wie genau die TLR-8-RNasen die modifizierten RNAs verdauen können, bleibt ein Rätsel. Für Bartoks Gruppe hatte diese Gegebenheit einen entscheidenden Vorteil: So war es den Forschern möglich, im Endolysosom verdaute, also PTO-haltige Fragmente, von anderen RNA-Bruchstücken zu unterscheiden.
Das Bonner Team fragte sich nun, ob die Expression der beiden RNasen durch Entzündungsbotenstoffe wie beispielsweise Zytokine ausgelöst und so auch reguliert wird. Sie stellten jedoch fest, dass beide Nukleasen kontinuierlich und unabhängig von solchen Signalmolekülen produziert werden. Die RNase T2 wird dabei in nahezu allen Zellen hergestellt, wohingegen RNase 2 hauptsächlich in Eosinophilen sowie neutrophilen Granulozyten und Monozyten exprimiert werden. „Da beide RNasen vorhanden sein müssen, um TLR-8 effizient zu aktivieren, kann diese zellspezifische Expression der RNase 2 eine Regulationsebene des Rezeptors darstellen“, schlussfolgert Bartok.
Zur weiteren Aufklärung der Funktionsweise der beiden RNasen verwendeten die Bonner Wissenschaftler das Malaria-Medikament Chloroquin, das bis vor Kurzem noch als potenzielles Corona-Wundermittel galt. Im Experiment hemmten therapeutische Dosen des Malaria-Mittels die TLR-8-Antwort. „Chloroquin wird schon seit geraumer Zeit in der Zellkultur verwendet, um die Ansäuerung des Endolysosoms zu unterbinden. Darauf basiert auch der Wirkmechanismus gegen den Malaria-Erreger, der in seinen eigenen lysosomartigen Vakuolen einen niedrigen pH-Wert benötigt, um Hämoglobin zu verdauen“, erklärt Ostendorf. Da das Endolysosom nicht mehr sauer genug sei, arbeiteten die beiden RNasen nicht mehr effizient. So ließe sich die reduzierte TLR-8-Aktivität erklären. Dies sei auch ein möglicher Hinweis auf den Mechanismus der anti-entzündlichen Wirkung von Chloroquin in der Behandlung von Autoimmunerkrankungen wie Lupus oder Rheuma.
Bartoks Ergebnisse habe auch konkrete medizinische Bedeutung. Im Jahre 2009 beschrieb die Göttinger Ärztin Jutta Gärtner die Erkrankung Zystische Leukoenzephalopathie ohne Megaenzephalie (CLWM, Cystic Leukoencephalopathy Without Megalencephaly) als Erste auf molekularer Ebene. Die Erkrankung äußert sich in schwerwiegenden neuronalen Entwicklungsstörungen und ist sehr selten. Bisher wurden laut der Datenbank für seltene Erkrankungen ORPHAN weltweit weniger als fünfzig Fälle beschrieben. „Patienten, die unter dieser Erkrankung leiden, verfügen über eine defekte RNase T2“, erklärt Bartok. „Wir konnten zeigen, dass ihre Zellen eine stark abgeschwächte TLR-8-Antwort aufweisen, wenn sie mit bakteriellen Erregern konfrontiert werden.“ Die Zellen seien nicht mehr in der Lage, die Erreger-RNA im Endolysosom korrekt zu zerlegen. Die Bonner Forscher wiesen jedoch nach, dass TLR-8 in CLWM-Patienten völlig normal funktioniert. Der Rezeptor wird lediglich nicht mehr mit den richtigen Bindungspartnern versorgt. Bartok: „Es ist ein wenig paradox, aber Betroffene neigen zu einem eher überaktiven Immunsystem. Sie sind durch die fehlende Aktivierung von TLR-8 zwar anfälliger für bakterielle Infektionen, produzieren aber wegen der fehlerhaften Prozessierung der RNA vermehrt Entzündungssignale, vermutlich über andere Toll-Like-Rezeptoren.“
Wie genau die neurologischen Symptome der Erkrankung mit dem Funktionsverlust der RNase T2 zusammenhängen, ist noch Gegenstand der Forschung, an der sich auch Bartoks Gruppe weiter beteiligen wird. Prinzipiell wollen die Bonner die Wechselwirkungen der RNasen mit dem Toll-Like-Rezeptor noch genauer unter die Lupe nehmen. Von besonderem Interesse ist dabei die Frage, warum der Verdau körpereigener RNA TLR-8 nicht aktiviert. Auch für die Therapie von CLWM, bestimmten Autoimmunerkrankungen und sogar Krebs könnte ein gezieltes An- oder Ausschalten der TLR-8-Kaskade von großem Nutzen sein. „Da haben wir in der nächsten Zeit viel zu tun“, sagt Bartok und lacht.