Publikation

Decoding complement: A multi-technique approach to complex interactions

Outline:

J. Strasser - Decoding complement: A multi-technique approach to complex interactions - Phd Thesis, Johannes Kepler Universität - Institut für Biophysik, Österreich, 2018

Abstract:

Die Welt der Biologie besteht auf fundamentaler Ebene aus dynamischen Wechselwirkungen zwischen Molekülen, Proteinen, Zellen und deren Aggregaten. Das Komplementsystem im Zuge der menschlichen Immunantwort stellt ein Paradebeispiel für diese Komplexität dar und ist ein wichtiger Interventionspunkt für Pharmazie und Medizin. Neue Publikationen zeigen, dass der klassische Weg der Komplementkaskade über Immunoglobulin (IgG)-Hexamere auf der Oberfläche von Pathogenen führt. Diese Hexamere beruhen auf Fc:Fc Interaktionen, die genauen molekularen Abläufe der Oligomerisierung sind jedoch noch weitgehend unbekannt. Die vorliegende Dissertation beschreibt die Kombination dreier Methoden – Einzelmolekülkraftspektroskopie (SMFS), Quarzkristall-Mikrowaage (QCM) und Hochgeschwindigkeits-Rasterkraftmikroskopie (HS-AFM) – um diesem lebenswichtigen Prozess auf den Grund zu gehen. Zunächst werden die Techniken individuell betrachtet: SMFS zeigt, dass IgGs in Lösung nur schwach über ihre Fc-Regionen wechselwirken und untermauert dieses Ergebnis mit kinetischen Raten. Antikörper-Oligomerisierung ohne Antigen-Oberfläche ist demnach nahezu unmöglich. QCM macht klar, dass die Stabilität der Antikörper-Bindung maßgeblich von der Anzahl der Kontaktpunkte zwischen Oberfläche und Molekül abhängt: Monovalente Fab-Fragmente binden nur vorübergehend an Antigen-Membranen, bivalente IgGs hingegen dauerhaft. Aber auch funktionell monovalente bispezifische Antikörper bilden stabile Populationen auf der Oberfläche. Diese Moleküle können Fc:Fc Bindungen eingehen und so multivalente Komplexe formen, was sie davor bewahrt vollständig zu dissoziieren. HS-AFM wurde verwendet um die Assoziation von IgGs, deren Oligomerisierung sowie die Rekrutierung von C1q, des ersten Komplementproteins der klassischen Kaskade, direkt zu beobachten. Zusätzlich wurde die Struktur der Hexamere bestätigt, deren strukturelle Stabilität demonstriert und der Einfluss von Punktmutationen auf die Oligomerisierung untersucht. Schließlich wurden die drei Techniken kombiniert um ein detailliertes Modell der klassischen Komplement-Aktivierung zu entwickeln, inklusive kinetischer Raten und Interaktionsenergien. Dieses zeigt die Erkennung und Bindung von Antigenen durch Antikörper, die Bildung von Nukleationspunkten für die Oligomerisierung auf der Oberfläche und die Hexamerisierung selbst.