Zellaktivierung und -hemmung durch Rezeptoren der CD28-Familie: Kostimulatorische und -inhibitorische Signale für T-Zellen

DOI: https://doi.org/10.47184/ti.2021.01.01

Die CD28-Rezeptorfamilie spielt eine zentrale Rolle bei der Modulation der Immunantwort. Durch ein grundlegendes Verständnis der beteiligten Signalwege und Partner konnten Kliniker nicht nur die Therapieoptionen für eine Reihe von Autoimmunerkrankungen und Immundefizienzen erweitern, sondern auch den Grundstein für eine ganz neue Kategorie von Krebsbehandlungen legen. In dieser Übersichtsarbeit werden wir einige grundlegende Informationen zu den Signalwegen, den murinen Modellen und der klinischen Relevanz der einzelnen Rezeptoren der CD28-Familie geben.

Schlüsselwörter: CD28, Kostimulation, Koinhibition, Checkpoint Inhibitors, Immundefizienz

Einleitung: Die CD28-Familie

Die CD28-Rezeptorfamilie besteht aus fünf strukturell verwandten Proteinen, die an der Regulierung der T-Zell- Immunantwort zentral beteiligt sind (Abb. 1).

Abb. 1: ein Überblick über die CD28-Rezeptorfamilie, ihre Liganden und ihre Wirkung auf die ImmunantwortRezeptoren: ICOS (Inducible T-cell Costimulator), PD-1(Programmed cell death protein 1), BTLA (B- and T-Lymphocyte Attenuator)Liganden: ICOL-L (ICOS ligand), PDL-1/2 (Programmed cell death protein Ligand 1/2) HVEM (herpes virus entry mediator)

Funktionsstörungen von CD28, des induzierbaren Co-Stimulators (ICOS), des zytotoxischen T-Lymphozyten-Antigens-4 (CTLA-4), des programmierten Zelltodproteins 1 (PD-1) oder des B- und T-Lymphozyten-Attenuators (BTLA) sind Ursache für eine Vielzahl klinisch relevanter Erkrankungen. Folglich ist die Erforschung ihrer Struktur und ihres Mechanismus ein aufkeimendes Gebiet von wissenschaftlichem Interesse, das zu mehreren entscheidenden Entdeckungen geführt hat. Während das Verständnis für den Beitrag der Immunhomöostase zur Auslösung und zum Fortschreiten verschiedener Krankheitszustände zunimmt, wird es immer klarer, dass ein grundlegenderes Verständnis der Signalwege, die das Immunsystem ein- oder ausschalten, von großer Bedeutung für die Medizin ist. Diese Erkenntnisse haben bereits zu Nobelpreis-gekrönten Ergebnissen im Bereich der Onkologie für die Behandlung verschiedener Krebsarten geführt, die sich lange Zeit dem therapeutischen Erfolg entzogen haben. Auch bei Autoimmunerkrankungen haben sich die Behandlungsmöglichkeiten erweitert – mit vielen neuen Möglichkeiten am Horizont. In diesem Artikel werden wir den aktuellen Wissensstand für jedes Mitglied der CD28-Familie diskutieren, einschließlich der Hypothesen, die die Richtung der zukünftigen Forschung bestimmen. Wir werden auch die klinischen Erkrankungen und Therapien beschreiben, an denen diese Proteine beteiligt sind.

Grundlagen der Kostimulation

Die Erkennung des Antigens wird als das erste Signal für die T-Zell-Aktivierung angesehen, gefolgt von einem zweiten Signal, das aus einer interzellulären Kostimulation besteht, die von CD28 angeführt wird („Einschalter“). Erst die Kombination dieser beiden Signale ermöglicht eine vollständige T-Zell-Aktivierung, die zu Zellproliferation und Zellmigration führt. Um jedoch eine überaktive T-Zell-Antwort zu verhindern, werden verschiedene Mechanismen aktiviert – meist durch regulatorische T-Zellen orchestriert –, um die Immunantwort zu dämpfen oder sogar abzuschalten und die Immunhomöostase wiederherzustellen („Ausschalter“). T-Zellen verfügen über eine sehr breite Rezeptordiversität, die die Erkennung von Millionen von Antigenen gewährleistet. Da die Rezeptordiversität jedoch ein Zufallsprodukt ist (ein Prozess, der als VDJ-Rekombination bekannt ist), werden auch Zellen erzeugt, die wirtseigene Komponenten erkennen. Durch verschiedene Mechanismen eliminiert das Immunsystem diese autoreaktiven Zellen, entweder in frühen Stadien in Knochenmark und Thymus oder in späteren Stadien in der Peripherie. Im letzteren Fall sind mehrere Rezeptoren – heute als negative Immunregulatoren bekannt – identifiziert worden. Unter ihnen bindet zum Beispiel das Programmed cell death Protein 1 (PD-1; CD279) an den Programmed cell death Ligand 1 (PD-L1; CD274), der hauptsächlich auf der Oberfläche von T-Zellen exprimiert wird. Die Bindung von PD-1 an PD-L1 schwächt das TCR-Signal ab, wodurch die T-Zell-Antwort herunterreguliert wird. Bemerkenswerterweise hat sich gezeigt, dass Krebszellen diese Methode nutzen, um der Immunerkennung zu entgehen [1]. Ein weiteres für die periphere Toleranz relevantes Protein ist das Cytotoxic T-lymphocyte-associated Protein 4 (CTLA-4). Wie PD-1 spielt es vor allem für T-Zellen eine Rolle und ist bei verschiedenen Krebsarten hochreguliert; es unterscheidet sich jedoch dadurch, dass es sowohl intrinsisch als auch extrinsisch dämpfend auf die T-Zellaktivierung wirkt. CTLA-4-Agonisten werden bei der Behandlung von rheumatoider Arthritis eingesetzt, und Antagonisten wurden (auch in Kombination mit Anti-PD-1-Antikörpern) bei bahnbrechenden Behandlungen des malignen Melanoms verwendet. Der Inducible Co-Stimulator und der B- und T-Lymphozyten-Attenuator sowie die bereits erwähnten Proteine CTLA-4, PD-1 und CD28 haben alle gemeinsam, dass sie entweder an der Hoch- oder Herunterregulierung der Immunantwort beteiligt sind. Ein optimales Gleichgewicht zwischen ihnen garantiert eine vollständige T-Zell-abhängige Aktivierung ohne kollaterale Gewebeschäden. Aufgrund der gemeinsamen strukturellen Homologie werden diese fünf Proteine in die CD28-Rezeptorfamilie eingeordnet. In den folgenden Abschnitten werden die Struktur, die Lokalisierung, die Liganden und die Signalwege für jedes dieser Proteine im Detail beschrieben.

CD28: der Einschalter

CD28 ist ein 44 kDa großes Oberflächenprotein, das konstitutiv auf naiven T-Zellen (T_naiv) exprimiert wird, insbesondere auf menschlichen CD4+ T-Zellen (zu ca. 80 %) und auf etwa 50 % der CD8+ T-Zellen [2]. Auf der T-Zelloberfläche findet sich CD28 als glykosyliertes, disulfidverknüpftes Homodimer, das zwei Mitglieder der B7-Proteinfamilie bindet: B7.1/CD80 oder B7.2/CD86. CD86 wird konstitutiv auf antigenpräsentierenden Zellen (APCs) exprimiert, während die CD80-Expression nach APC-Stimulation hochreguliert wird.
Zusätzlich zu seiner extrazellulären Bindungsdomäne besitzt CD28 auch eine Transmembrandomäne und einen kurzen, 41 Aminosäuren langen zytoplasmatischen Schwanz. Der zytoplasmatische Schwanz enthält mehrere Tyrosin-basierte Signaltransduktionsmotive (ITAMs), die sowohl im phosphorylierten als auch im unphosphorylierten Zustand für eine effektive Signalisierung wichtig sind. Bemerkenswert ist, dass diesen Motiven eine intrinsische katalytische Aktivität fehlt.

Signaltransduktionsweg

Nach der Bindung an seinen Liganden ist CD28 in der Lage, über den zytoplasmatischen Schwanz mit einer Vielzahl von Bindungspartnern zu interagieren, darunter befinden sich Phosphoinositid-3-Kinase (PI3K), Growth factor receptor-bound protein 2 (GRB2), GRB2-related adapter protein 2 (GADS), Protein kinase C theta (PKCθ) und Lck. In der Folge wird eine nachgeschaltete Proteinkaskade aktiviert, die letztlich zur Hochregulierung des anti-apoptotischen Proteins Bcl-xL und zur Translokation folgender Transkriptionsfaktoren in den Zellkern führt: Nuclear factor-kappa B (NF-κB), Nuclear factor of activated T-cells (NFAT) und Activator protein-1 (AP-1). Die Aktivierung dieser Faktoren führt zur Produktion von Molekülen wie z. B. IL-2, die die Zellproliferation und das Überleben stimulieren (Abb. 2).

Abb. 2: Eine vereinfachte Darstellung des CD28 Signalwegs. Nach Ligandenbindung führt der CD-28 Signalweg zur Aktivierung und nukleären Lokalisierung der Transkriptionsfaktoren NFAT, AP-1 und NFkB (nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells) PI3K aktiviert PDK1, was wiederum zur Aktivierung von AKT und PKCθ führt. Das Endergebnis ist eine Aktivierung von NFAT und NF-κB. Über GRB2 aktiviert CD28 den JNK-Signalweg der letztlich die Aktivierung von AP-1 bewirkt. Diese drei Transkriptionsfaktoren führen zur Transkription von Genen, die für das Überleben, die Proliferation, IL-2-Produktion und die Produktion des anti-apoptotischen Proteins BCL-xl sorgen. Der Lck/Vav1/PIP5K-Komplex ist entscheidend für die Reorganisation des Aktin-ZytoskelettsAP-1 (Activator protein 1), NFAT (Nuclear factor of activated T-cells, NFkB (nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells), PI3K (Phosphoinositid-3-Kinase), PDK1 (3 phosphoinositide-dependent protein kinase-1), GRB2 (GRB2-related adapter protein 2), JNK (c-Jun N-terminal kinase), BCL-xl (B-cell lymphoma-extra large), Proteinkinase C theta (PKCθ), Vav1 (Proto-oncogene vav), PIP5K (Phosphatidylinositol-4-phosphate 5-kinases)

Es wurde auch gezeigt, dass CD28 eine Rolle bei der Umstrukturierung des Zytoskeletts spielt, die während der Bildung und Polarisierung der immunologischen Synapse (IS) beobachtet wird, d. h. der organisierten und räumlich getrennten Schnittstelle zwischen einem T-Lymphozyten und der APC. Indem CD28 die Phosphorylierung von Vav1 auslöst, bewirkt es die Rekrutierung von PIP5Kα, von der bekannt ist, dass sie das Aktin-Remodeling initiieren und potenzieren [67]. Außerdem hängt die Rekrutierung und Akkumulation von Lck – einem Schlüsselmediator der T-Zell-Rezeptor-Signaltransduktion an der IS – ebenfalls von der CD28/Vav1-Interaktion ab. Obwohl der genaue Mechanismus noch unentdeckt ist, ist bekannt, dass sowohl die Lipid-Raft- als auch die Lck-Lokalisierung zum TCR in Abwesenheit von CD28-Signaltransduktion, signifikant gestört ist [68]. Wichtig ist, dass diese Ergebnisse im Gegensatz zu früheren Untersuchungen stehen, die CD4 als Vermittler dieses Prozesses implizierten.

Mausmodell

CD28^-/--Mäuse sind unter normalen Bedingungen asymptomatisch. Nach Antigenstimulation hingegen zeigen ihre T-Zellen eine deutlich reduzierte proliferative Kapazität, die nur teilweise durch exogenes IL-2 gerettet werden kann. Bemerkenswert ist, dass die zytotoxische CD8-Antwort nach viraler Infektion bei diesen Mäusen normal ist. Während die Entwicklung von B- und T-Zellen unbeeinflusst blieb, wiesen normale IgM-Spiegel in Kombination mit niedrigen IgG-Titern auf eine verminderte Fähigkeit zum Ig-Klassenwechsel hin – ein Prozess, bei dem T- und B-Zellen zusammenarbeiten. Mäuse, denen CD28 fehlt, erwiesen sich außerdem als hochgradig resistent gegenüber kollageninduzierter Arthritis (CIA) [3].

Menschlicher Phänotyp

Aktivierende Mutationen in CD28 wurden bei Patienten mit T-Zell-Lymphomen dokumentiert [4]. Im Gegensatz dazu wurden homozygote Funktionsverlustmutationen in CD28 bei Menschen mit einer schweren Anfälligkeit für humane Papillomavirus-Infektionen (Tree-Man-Syndrom) von der Gruppe von V Beziat und JL Casanova auf wissenschaftlichen Tagungen berichtet.

ICOS: der Vermittler

Struktur und Funktion

Der induzierbare Co-Stimulator wird auf der Zelloberfläche als 55–60 kDa disulfid-verknüpftes Homodimer nach Aktivierung der T-Zelle exprimiert. ICOS teilt die gemeinsame chromosomale Lage (auf Chrom. 2q) und einen hohen Grad an Homologie mit CD28 – insbesondere in der zytoplasmatischen Domäne. Dies unterstreicht ihre gemeinsame Fähigkeit, als Enhancer der TCR-Signalisierung zu wirken; allerdings muss die ICOS-Expression erst durch TCR-Cross-Linking und/oder CD28-Kostimulation induziert werden, d. h. sie wird ausschließlich auf aktivierten T-Zellen exprimiert.

Ligand und Signaltransduktion

Die ICOS-Signaltransduktion wird durch Bindung des nach ICOS benannten inducible T-Zell-costimulator-Liganden (ICOS-L) eingeleitet. ICOS-L wird auf der Oberfläche von APCs, Endothel- und Epithelzellen exprimiert – insbesondere unter entzündlichen Bedingungen [5]. Diese breite Gewebeexpression deutet darauf hin, dass ICOS-L vielfältige biologische Funktionen hat. Die ICOS-Signaltransduktion gleicht der von CD28, indem sie T-Zell-Antworten unterstützt, z. B. Proliferation, IS-Bildung und Zytokin-Synthese. Wichtig ist jedoch, dass die beiden Rezeptoren ein unterschiedliches Zytokinprofil auslösen, das im Falle von CD28 durch IL-2 und bei ICOS durch IL-4 gekennzeichnet ist [6]. Es muss jedoch noch viel mehr Forschung zu den Unterschieden der CD28- und ICOS-Signalwege betrieben werden. Darüber hinaus wurde vorgeschlagen, dass im Vergleich zum CD28-Signalweg, die bevorzugte Affinität von ICOS für die aktivere p50α-Untereinheit von PI3K für den erheblichen Anstieg der Phosphatidylino-sitol(3,4,5)-Trisphosphat(PIP3)-Konzentration und eine konsekutive Akt-Phosphorylierung verantwortlich ist [7, 8]. Eine erhöhte Akt-Phosphorylierung führt wiederum zur Aktivierung des Transkriptionsfaktors krüppel-like factor 2 (Klf2), der für die Expression der Homing-Rezeptoren CXCR5 und CCR7 verantwortlich ist [9]. Zusätzlich wurde festgestellt, dass die kontinuierliche CD40/CD40L-Interaktion zwischen Tfh und B-Zellen, die für die Bildung von Keimzentren erforderlich ist, auch von der ICOS-Signaltransduktion abhängt [10]. Ohne diese Rezeptoren gelingt es den T_fh nicht, ihre Lokalisation in den sekundären lymphoiden Organen zu etablieren, und sie werden reversibel zu T_eff.

Murine Modelle

Diese Effekte sind besonders deutlich in ICOS-Knockout(ICOS-KO)-Mäusen. Diese zeigen eine stark reduzierte T-Zell-Akkumulation in B-Zell-Follikeln der lymphatischen Organe, eine defekte Proliferation von Antigen-spezifischen B-Zellen und ein Fehlen von sekundären Antikörper-sezernierenden Zellen [11]. Diese Mäuse sind extrem anfällig für chronische und rezidivierende Infektionen, obwohl in einigen Fällen, z. B. bei Plasmodium-Infektionen, die Schwere der Erkrankung durch eine erhöhte Th1-Antwort gemildert wurde [12]. Bei den publizierten ICOS-KO-Mausmodellen ist der Prozentsatz der Differenzierung von CD4+-Zellen zu Th1, Th2, Th17 und/oder T_reg signifikant unterschiedlich, sodass es hier noch mehr Wissen zu erlangen gibt [13].

Die ICOS-Defizienz beim Menschen

Im Jahr 2003 wurden Mutationen im ICOS-Gen als erste monogenetische Ursache für CVID entdeckt [14]. Seitdem wurden bisher jedoch nur 16 Patienten diagnostiziert, was weniger als 1 % aller CVID-Patienten mit bekannten Gendefekten ausmacht [15]. Der ICOS-Mangel ist eine autosomal rezessive Erkrankung mit einem durchschnittlichen Erkrankungsbeginn in der Jugend (Altersspanne 1 Monat bis 35 Jahre) [16]. Die Patienten haben eine Vielzahl von Symptomen, darunter rezidivierende bakterielle und virale Infektionen der Atemwege und des Verdauungstrakts, Antikörpermangel und Krebs. Die peripheren T-Zellzahlen der Patienten waren meist normal, jedoch wurden verschiedene Anomalien in der Balance der T-Zell-Subsets beobachtet. Übereinstimmend beobachteten die Ärzte eine erhebliche Reduktion der zirkulierenden follikulären T-Helfer-Zellen (Tfh), sowie der klassengewechselten Memory-B-Zellen – ein Spiegelbild des immunologischen Phänotyps der ICOS-KO-Maus. Wichtig ist jedoch, dass alle erwachsenen Patienten eine signifikant reduzierte Gesamtanzahl an B-Zellen aufwiesen, im Gegensatz zu den betroffenen Kindern und den Mausmodellen. Kinder wiesen durchweg einen erhöhten Anteil an naiven B-Zellen auf, der sich bei einigen Patienten später zu einem reduzierten Gesamt-B-Zell-Phänotyp entwickelte [17]. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass ICOS beim Menschen eine bedeutendere Rolle bei der B-Zell-Reifung spielt als bei Mäusen. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass die normale B-Zellzahl in der Kindheit teilweise das relativ späte Auftreten der Symptome erklärt [18]. Das derzeitige Behandlungsschema ist Symptom-basiert und umfasst Immunglobulin-Substitutionstherapie, Antibiotika, Virostatika, Kortikosteroide und – in schweren Fällen – sogar die hämatopoetische Stammzelltransplantation (HSCT) [19].

PD-1: der Generalausschalter

Struktur und Lokalisation

Das Programmed Cell Death Protein 1, auch bekannt als PD-1 und CD279, ist ein 31 kDa großer Zelloberflächenrezeptor, der eine wichtige Rolle bei der Dämpfung des Immunsystems und der Förderung der Selbsttoleranz spielt, indem er die entzündliche Aktivität der T-Zellen unterdrückt. Beim Menschen wird PD-1 durch das PDCD1 kodiert. PD-1 besteht aus einer extrazellulären IgV-Domäne, einem Transmembransegment und einem zytoplasmatischen Schwanz, der ein ITIM und ein ITSM beherbergt [20]. Seine Expression wurde auf den Oberflächen von aktivierten T-Zellen, B-Zellen, NK-T-Zellen, Monozyten und dendritischen Zellen nachgewiesen und ist konstitutiv in T_reg [21].

Ligand und Signalisierung

Als Rezeptor hat PD-1 zwei Liganden, PD-L1 (B7-H1) und PD-L2 (B7-DC). PD-L1 wird in allen hämatopoetischen und einer Vielzahl von nicht-hämatopoetischen Zellen exprimiert, während PD-L2 eine induzierbare Expression auf Makrophagen, dendritischen Zellen (DCs) und Mastzellen aufweist. Nach Bindung an seine Liganden induziert PD-1 einen dualen Mechanismus zur Förderung der Apoptose (programmierter Zelltod) in Antigen-spezifischen T-Zellen in Lymphknoten bei gleichzeitiger Reduktion der Apoptose von regulatorischen T-Zellen (entzündungshemmende, suppressive T-Zellen). In aktivierten T-Zellen beginnt die PD-1-Signalkaskade mit der Rekrutierung von SHP-1/2-Phosphatasen an das ITSM. Diese Phosphatasen beginnen dann, die TCR-Aktivierungssignale CD3ζ und ZAP70 zu dephosphorylieren. Die daraus resultierende Downregulation der PI3K/Akt/mTOR- und Ras/MEK/ERK-Wege führt zu erhöhter Apoptose (weniger Bcl-xl-Transkription) und verminderter Zytokinproduktion (IL-2) und Proliferation [22, 23]. Die Repression der oben genannten TCR-Signalwege ist essenziell für die Differenzierung einer T-Zelle zu einer regulatorischen T-Zelle (T_reg) [24]. Darüber hinaus wird die Expression des T_reg-spezifischen Transkriptionsfaktors Foxp3 durch exogenes PD-L1 sowohl induziert als auch aufrechterhalten, was seine entscheidende Rolle bei peripheren Toleranzmechanismen untermauert [25]. Die Oberflächenexpression von PD-L1 trägt ebenfalls wesentlich zur immunsuppressiven Funktion der T_reg bei. Durch Bindung an PD-1, das auf autoreaktiven B-Zellen exprimiert wird, hemmen T_reg direkt die Aktivierung, Proliferation und das Überleben von B-Zellen [26].

Maus-Modell

PD-1^-/--Mäuse entwickeln sich normal, weisen aber durchweg eine Splenomegalie auf. Es wurde gezeigt, dass der Defekt in diesen Mäusen vor allem das B-Zell-Kompartiment auf folgende Weise beeinflusst: 1. erhöhte B-Zell-Zahl 2. verstärkte B-Zell-Proliferationsreaktion und 3. erhöhter Ig-Klassenwechsel (insbesondere zu IgG3). Im fortgeschrittenen Alter (> 6 Monate) können bei Mäusen – abhängig vom Stamm – spontan verschiedene Autoimmunerkrankungen auftreten, z. B. eine Lupus-artige proliferative Arthritis oder eine Glomerulonephritis [27].

PD-1 bei genetischen Erkrankungen beim Menschen

Obwohl der PDCD1-Locus mit einer erhöhten Anfälligkeit für Lupus erythematodes in Verbindung gebracht wurde und ein Modifikator in der Progression der Multiplen Sklerose sein soll, ist bisher kein menschlicher Phänotyp mit einer monogenetischen Mutation auf PD-1 oder PD-1-Ligand beschrieben worden.

CTLA-4: der spezifische Ausschalter

CTLA-4 ist ein 33–37 kDa großes Rezeptorprotein, das fast ausschließlich in T-Zellen exprimiert wird. Die CTLA-4-Oberflächenexpression ist jedoch stark abhängig von der Art der T-Zelle und ihrem Aktivierungszustand. Zum Beispiel exprimieren entzündungshemmende T_reg CTLA-4 konstitutiv auf der Zelloberfläche und besitzen noch mehr CTLA-4 gespeichert in Vesikeln. Nach TCR/CD28-Aktivierung mobilisieren naive T-Zellen (die zu Effektor-T-Zellen (T_eff) werden) intrazellulär gespeichertes CTLA-4 an die Oberfläche und initiieren die Translation des CTLA-4-Proteins [28]. Sowohl in aktivierten T-Zellen (T_eff) als auch in T_regs ist die CTLA-4-Expression durch ein hochdynamisches Shuttling von Homodimeren, die durch zwei Sulfidbindungen gebunden sind, zur und von der Oberfläche gekennzeichnet. Am initialen Transport vom Golgi-Apparat zur Zelloberfläche ist der TRIM/LAX/Rab8-Komplex beteiligt [29]. In ruhenden T_reg verbleibt der überwiegende Teil von CTLA-4 (90 %), aufgrund der Interaktion an der Zelloberfläche mit dem Clathrin-Adapterprotein-Komplex AP2, intrazellulär [30]. AP2 steuert die Endozytose von CTLA-4 durch Bindung an einen spezifischen Rest in der zytoplasmatischen Domäne von CTLA-4. Bei der Aktivierung von T-Zellen kann dieser Rest phosphoryliert werden, was zu einer verminderten Endozytose und damit zu einer erhöhten Oberflächenexpression führt [31]. Wichtig ist, dass diese erhöhte Oberflächenexpression immer noch einen kleinen Prozentsatz der Gesamtexpression darstellt. Nach der Internalisierung wird das Schicksal von CTLA-4 hauptsächlich durch die Assoziation mit dem Trans-Golgi-Netzwerk-assoziierten Protein-Assembly-Protein-Komplex 1 (AP1) oder LRBA (Lipopolysaccharid-responsive and beige-like anchor protein) bestimmt. AP-1 vermittelt das Shuttling in endosomale und lysosomale Kompartimente zum Abbau, während LRBA das vesikuläre Trafficking von CTLA-4 zurück zur Plasmamembran vermittelt [32].

CTLA-4-Signalisierung: extrinsischer Weg

Die Wirkung der CTLA-4-Signaltransduktion wird in zwei Teile unterteilt: zellextrinsisch und zellintrinsisch. Beide Mechanismen ergeben sich nach der Bindung an die CTLA-4-Liganden, nämlich CD80 und CD86. Zwar teilt sich CTLA-4 die Liganden mit CD28, jedoch bindet CTLA-4 mit höherer Affinität und Avidität [33]. Das Verhältnis der Bindung von CTLA-4/CD80 zu CD28/CD80 und CTLA-4/CD86 zu CD28/CD86 auf der Zelloberfläche wurde mit 20 : 1 bzw. 8 : 1 gemessen [34]. Die resultierende kompetitive Hemmung wird durch die endozytotische Natur des CTLA-4-Rezeptors noch verstärkt. Es konnte gezeigt werden, dass Zellen die CTLA-4 exprimieren, nach dem TCR-Engagement CD80 und CD86 von der Oberfläche des APCs in einem als Transendozytose bezeichneten Prozess entfernen [35]. Die intrazellulären CTLA-4/CD80- und CTLA-4/CD86-Komplexe werden dann abgebaut, wodurch die CD28-Signaltransduktion und damit die T-Zell-Aktivierung weiter eingeschränkt wird (Abb. 3).

Abb. 3: Eine vereinfachte Darstellung des CTLA-4-Kreislaufs. CTLA-4 durchläuft nach Assoziation mit AP-2 Clathrin-vermittelte Endozytose (CME). Nach der Endozytose konkurrieren LRBA und AP1 um die Bindung von CTLA-4. Die CTLA-4/LRBA-Interaktion führt zum Rücktransport an die Zelloberfläche. Die CTLA-4/AP1-Bindung führt zum lysosomalen Abbau. Diese dynamische Zirkulation führt auch zur Entfernung von CD80/86 von der Zelloberfläche in einem Prozess, der Transendozytose genannt wird. CTLA-4 (cytotoxic T-lymphocyte-associated protein 4)LRBA(Lipopolysaccharide-responsive and beige-like anchor protein)AP1 (Adaptor protein 1)AP2 (Adaptor protein 2)CME: Die Clathrin-vermittelte Endozytose ist eine Form des vesikulären Transports, wobei eine Vielzahl von Molekülen von der Zelloberfläche ins Zellinnere transportiert werden.

CTLA-4-Signalgebung: Hypothesen über intrinsische Signalwege

Im Gegensatz zu den weithin akzeptierten extrinsischen und Shuttling-Wegen lieferten Untersuchungen zu intrinsischen Mechanismen und Interaktionen oft widersprüchliche Ergebnisse, was darauf hinweisen könnte, dass es hier noch viel zu entdecken gibt. Zwei wesentliche intrinsische Mechanismen sind jedoch im Fokus der Forschung:

a) Störung der TCR/CD28-Kostimulation
Über die Rekrutierung der Phosphatase SHP-2 wurde gezeigt, dass CTLA-4 die Tyrosinphosphorylierung der CD3ζ-Ketten hemmt. Die Phosphorylierung von Signaltransduktionsmotiven auf CD3ζ ist ein notwendiger Schritt für die TCR-Signalgebung [36]. Andere Berichte stellten jedoch die direkte Interaktion von CTLA-4 mit SHP-2 infrage und zeigten, dass die Effekte eher durch die PI3K/SHP-2-Bindung vermittelt werden [37]. Eine Wirkung auf die AKT-Aktivität wurde ebenfalls postuliert, wobei eine Studie eine PP2A-vermittelte (eine an vielen mitogenen Signalwegen beteiligte Phosphatase) AKT-Inhibition fand [38] und eine andere eine erhöhte AKT-Aktivität nach CTLA-4-Ligandenbindung [39]. Trotz der Einstufung der CTLA-4/PP2A-Interaktion als inhibitorisch, scheint eine CTLA-4-Mutante in der PP2A-Bindungsstellen zu fehlen, eine erhöhte Treg-Inhibitionsfunktion zu zeigen [40].

b) Unterbrechung der immunologischen Synapse
Die Bildung der immunologischen Synapse (IS) beinhaltet nicht nur die Aktinpolymerisation, sondern auch den Aufbau von Lipid Rafts, um die für eine effektive TCR-Signalisierung notwendige Rezeptorkompartimentalisierung zu gewährleisten. Es wurde berichtet, dass CTLA-4 einen molekularen Komplex mit phosphoryliertem TCRζ innerhalb der Rafts bildet. Diese Vernetzung führt zu einer Gesamtreduktion von TCRζ im IS [41]. Die Aktivierung der T-Zelle führt auch zu einem „Stopp“-Signal, das einen stabilen Kontakt zwischen ihr und einem APC ermöglicht. Durch die Aufhebung der ZAP70-Microcluster-Bildung durch CTLA-4, ist CTLA-4 in der Lage, die Kontaktzeit zwischen den Zellen zu reduzieren, was die T-Zell-Aktivierung weiter hemmt [42].

Mausmodell

CTLA-4^-/--Mäuse haben den drastischsten Phänotyp der CD28-Familie. Innerhalb von 2–3 Lebenswochen kommt es bei diesen Mäusen zu einer massiven Lymphoproliferation und sie verenden an einer katastrophalen T-Zell-Organinfiltration und -zerstörung. Es konnte gezeigt werden, dass dieser Zustand primär auf eine CD28-vermittelte Expansion von autoreaktiven Th2-Zellen zurückzuführen ist [43].

CTLA-4-Mangel bei Menschen

Anders als bei Mäusen (kein abnormaler Phänotyp bei heterozygoten CTLA-4^+/--Mäusen) leiden etwa 70 % der Menschen mit zugegebenerweise sehr selten auftretenden heterozygoten CTLA-4-Mutationen an Enteropathie, rezidivierenden Atemwegsinfektionen, Antikörpermangel und ausgedehnter CD4+ T-Zell-Infiltration nicht-lymphoider Organe [44]. Obwohl die meisten dokumentierten CTLA-4-Mutationen in der extrazellulären Domäne lokalisiert sind, gibt es bis heute keine eindeutige Genotyp-Phänotyp-Korrelation, was die Vorhersagekraft der genetischen Diagnose erschwert. Alle Patienten mit CTLA-4-Symptomen weisen eine Dysregulation des T_reg-Zell-Kompartiments auf – so wie es die in vitro- und murinen Modelle vorhersagen. Dysregulierte T_reg erklären auch die Symptome der Immundysregulation der Patienten. Interessanterweise führen bi-allelische Mutationen in LRBA und DEF6 zu einer Phänokopie von CTLA-4-insuffizienten Patienten, was deren wichtige Rolle im CTLA-4-Recycling weiter verifiziert.
Die defekte Fähigkeit der T_reg bei diesen Patienten die T-Zell-Proliferation zu unterdrücken, ist die Grundlage für die Behandlungen. Daher benötigen diese Patienten oft sowohl eine immunsuppressive als auch eine Immunglobulin-Ersatztherapie. Die immunsuppressiven Behandlungen sind in der Regel langfristig, und ihre therapeutischen Effekte werden oft nicht für alle Symptome bei den einzelnen Patienten beobachtet. Hier wird insbesondere die CTLA-4-Substitutionstherapie mit Abatacept, einem CTLA-4-Immunglobulin-Fusionsprotein, auf ihre Langzeitwirksamkeit hin untersucht [45]. Die hämatopoetische Stammzelltransplantation (HSCT) ist eine weitere Therapieoption, die vor allem in schweren Fällen eingesetzt wurde und vielversprechende Ergebnisse gezeigt hat.
Paradoxerweise zeigen CTLA-4-insuffiziente Patienten eine höhere Anfälligkeit für die Tumorentstehung. In einer von Egg et al. berichteten Patientenkohorte wurden bei 12,9 % der CTLA-Mutationsträger metastasierende Krebserkrankungen diagnostiziert [46]. Zu diesen Krebsarten gehörten Lymphome, Myelome, Melanome und Magenkrebs [46]. Mehr als die Hälfte der Krebsarten waren EBV-assoziiert.

BTLA: der ungewöhnliche Ausschalter

Struktur und Expression

BTLA wird als 34,6-kDa-Monomer auf der Oberfläche von sich entwickelnden B- und T-Zellen, reifen, Lymphozyten, Milzmakrophagen, reifen aus dem Knochenmark stammenden dendritischen Zellen und natürlichen Killerzellen (NK) exprimiert [47]. In aktivierten Lymphozyten ist das Expressionsmuster konsistent mit einer Zunahme von CD4+ T-Zellen, insbesondere anergischen und T-Helfer-Zellen Typ 1 (Th1), sowie einer vernachlässigbaren Expression auf T_reg [48].
Strukturell enthält BTLA eine extrazelluläre Ig-ähnliche V-Domäne, eine Transmembran- und eine zytoplasmatische Domäne. Sein zytoplasmatischer Schwanz beherbergt vier Signalmotive, die sowohl als inhibitorisches als auch als stimulierendes Signal wirken [49]. Im Einzelnen handelt es sich um 1.) ein inhibitorisches Immunrezeptor-Tyrosin-basiertes Inhibitionsmotiv (ITIM), 2.) ein inhibitorisches Immunrezeptor-Tyrosin-basiertes Switch-Motiv (ITSM) und 3.) zwei stimulierende Grb2/Grap-Stellen, die PI3K rekrutieren (diese Stellen sind auch in CD28 zu finden). Bemerkenswert ist, dass ITAM und ITSM ihre inhibitorische Funktion durch Bindung und Aktivierung der Tyrosinphosphatasen SHP-1 und SHP-2 ausüben. Während man zunächst dachte, dass die Rekrutierung von SHP-1 und SHP-2 für die Abschwächung der aktivierenden Tyrosinkinasen um den TCR verantwortlich ist, stellte sich heraus, dass 1.) nur SHP-1 rekrutiert wird und 2.) Mutationen, die diese Funktion störten, die BTLA-Funktion nicht beeinträchtigten [50]. Interessanterweise war nur die gleichzeitige Mutation aller vier zytoplasmatischen Bindungsdomänen ausreichend, um die BTLA-Funktion signifikant aufzuheben [51].
Nach der Entdeckung wurde BTLA als Mitglied der CD28-Familie klassifiziert, weil es eine IgV-ähnliche Domäne enthielt und ein Mitglied der B7-Familie (B7-H4) zu binden schien [52]. Spätere Studien zeigten jedoch, dass der Ligand von BTLA im Gegensatz zum Rest der CD28-Familie kein Mitglied der Ig-Superfamilie, sondern der Tumor-Nekrose-Familie (TNF)⁄TNF-Rezeptor(TNFR)-Superfamilie ist: der Herpes-Virus-Entry-Mediator (HVEM). Interessanterweise ist HVEM auch ein Ligand für Lymphotoxin α (LTα) und LIGHT, Herpes-Simplex-Virus-Glykoprotein D (gD) und CD160. Die HVEM-Signaltransduktion aktiviert sowohl stimulierende als auch hemmende Signalwege, die für die Immunhomöostase entscheidend sind. Auffallend ist auch, dass BTLA/HVEM sowohl in cis (gleiche Zelle) als auch in trans (andere Zelle) bindet und dass diese Interaktionen gegensätzliche Ergebnisse haben. Die cis-BTLA/HVEM-Interaktion, die vorwiegend in T_naiv zu finden ist, hemmt die HVEM-induzierte Aktivierung von anderen Rezeptoren, die in der Mikroumgebung exprimiert werden, was zu einer Hemmung des NF-κB-Signalwegs führt und darauf abzielt, T-Zellen in einem naiven Zustand zu halten (Abb 4).

Abb. 4: Eine vereinfachte Darstellung von den cis- und trans BTLA-Signalwegen.Die primäre Funktion von BTLA ist die kompetitive Hemmung der trans HVEM/LIGHT-Bindung durch einer cis-Bindung mit HVEM. Durch ITIMs an seinem zytoplasmatischen Schwanz ist BTLA auch in der Lage, den TCR-Signalweg direkt abzuschwächen. Das Endergebnis dieser Interaktionen ist die Aufrechterhaltung der T-Zelle in einem naiven Zustand.Die trans-BTLA/HVEM-Bindung spielt eine wichtige Rolle bei der Graft-versus-Host-Reaktion. Der Verlust von BTLA von der Zelloberfläche führt zu einer reduzierten Überlebensrate bei reaktiven T-Zellen, was darauf hinweist, dass BTLA sowohl bei der Stimulation, als auch bei der Hemmung der Immunantwort eine Rolle spieltBTLA (B- and T-Lymphocyte Attenuator)HVEM (herpes virus entry mediator)LIGHT (homologous to lymphotoxin, exhibits inducible expression and competes with HSV glycoprotein D for binding to herpesvirus entry mediator, a receptor expressed on T lymphocytes)

Obwohl die cis-Bindung vorherrschend ist, haben Studien in Graft vs. Host Disease- und Colitis-Modellen die Bedeutung des HVEM/BTLA-trans-Komplexes für die Aufrechterhaltung des Überlebens von T_reg gezeigt: Btla^-/- T-Zellen, die auf Alloantigene reagieren, konnten in diesen Modellen nicht überleben, was den Ausbruch der Krankheit/die Abstoßung verzögerte. Lösliches BTLA war in der Lage, diese Zellen zu retten, was die Bedeutung von BTLA in diesem Krankheitsmodell unterstreicht [53]. Hier sind weitere Studien erforderlich, um die Regulation der cis- und trans-Bindung von BTLA während der adaptiven Immunantwort zu bestimmen

Murine Modelle

BTLA^-/--Mäuse weisen unter normalen Bedingungen keinen beobachtbaren Phänotyp auf. Typisch für diese Mäuse war eine erhöhte Anzahl von Memory-CD8+ T-Zellen [54]. Diese erhöhte T-Zell-Subpopulation wurde als Ursache für die erhöhte Anfälligkeit dieser Mäuse für Autoimmundiabetes angesehen [55]. Darüber hinaus entwickeln Mäuse, denen BTLA fehlt, im späteren Leben eine Hypergammaglobulinämie, eine autoimmune, Hepatitis-ähnliche Erkrankung und eine Infiltration mehrerer Organe durch aktivierte T-Zellen [56].

BTLA bei genetischen Erkrankungen des Menschen

Obwohl der BTLA-Locus durch GWAS-Studien mit Sarkoidose in Verbindung gebracht wurde [57], sind bisher keine Menschen mit schädlichen Mutationen in BTLA bekannt.

Rezeptoren der CD28-Familie in der Klinik: therapeutische Optionen

Die sich abzeichnende immunsuppressive Funktion von CD8+CD28- T-Zellen hat Implikationen für CD28-basierte Therapien bei Empfängern von soliden Organtransplantaten. Diese Zellen fördern nachweislich die Allotransplantat-Toleranz und bieten daher Schutz vor Organabstoßung [58]. Zusätzlich können erhöhte CD4+CD28- T-Zellzahlen bei Patienten mit akutem Koronarsyndrom, rheumatoider Arthritis (RA), Multipler Sklerose (MS) und chronischen Virusinfektionen gemessen werden. Der Zusammenhang zwischen diesen Erkrankungen und den T-Zellen bleibt unklar, jedoch könnte der Verlust von CD28 ein Indikator für das Fortschreiten der Erkrankung sein [59].
Nach dem Northwick-Park-Desaster, das durch die ungewollte Aktivierung des CD28-Signalwegs durch monoklonale Antikörper gegen CD28 verursacht wurde [60], hat die selektive Aktivierung von T_reg nach einer niedrig dosierten Therapie mit einem CD28-Superagonisten (TAB08) in Kombination mit Kortikosteroiden auch in präklinischen Studien zur RA-Therapie vielversprechende Ergebnisse gezeigt [61].

CTLA-4: Arthritis und mehr

Die Bedeutung der CD28/CTLA-4-Achse bei autoimmunen arthritischen Erkrankungen hat in den letzten Jahren zugenommen. Im Jahr 2007 wurde Abatacept, ein CTLA-4-Agonist (CTLA-4-Fc), für die Behandlung von moderater bis schwerer RA zugelassen. Wirksame Ergebnisse wurden auch bei Patienten mit Psoriasis-Arthritis und juveniler idiopathischer Arthritis sowie bei Typ-1-Diabetes mellitus beobachtet [62]. Belatacept – ein neuerer CTLA-4-Agonist mit noch höherer Avidität als sein Vorgänger – wurde als Prophylaxe gegen Organabstoßung bei erwachsenen Nierentransplantationspatienten zugelassen [63].

BTLA

Bei Patienten mit ANCA-assoziierter Vaskulitis (AAV) – einer Erkrankung, bei der neutrophile Granulozyten die kleinen und mittleren Gefäße des Körpers angreifen – wurde ein abweichendes BTLA-Expressionsmuster festgestellt. Die stark verminderte Expression auf naiven und Doppelt-negativen (DN)-T-Zellen korrelierte mit dem Fortschreiten der Erkrankung oder einem Rückfall [64].

Krebs: Hemmung der Checkpoints

Die größte klinische Bedeutung der CD28-Rezeptorfamilie wird jedoch im Kampf gegen Krebs gesehen. Unsere Mechanismen der Immuntoleranz stellen „Checkpoints“ dar, an denen Krankheitserreger, Krebszellen aber auch Ärzte das Immunsystem zu ihrem eigenen Vorteil manipulieren können: Krebszellen exprimieren nachweislich viele Immuninhibitor-Rezeptoren wie z. B. BLTA, CTLA-4 und PD-1 [65] auf ihrer Zelloberfläche, was zu dem Schluss führte, dass eine pharmakologische Hemmung dieser Inhibitoren das Potenzial hat, den Krebs von einer anderen Seite her anzugreifen. Diese Klasse von Medikamenten sind als Checkpoint-Inhibitoren bekannt, und ihre Anwendung war revolutionär in der Krebstherapie, was ihnen 2018 den Nobelpreis einbrachte. Bemerkenswert ist, dass alle sieben aktuellen Checkpoint-Inhibitoren entweder Mitglieder der CD28-Rezeptorfamilie oder deren Rezeptoren betreffen: CTLA-4, PD-1 und PD-L1.

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Autoren

Jorrell Rush-Kittle

Centrum für Chronische Immundefizienz (CCI)

Universitätsklinikum Freiburg

rush-kittle.jorrell@uniklinik-…

Dr. Laura Gámez-Díaz

laura.gamez@uniklinik-freiburg…