Structural analysis of the specific inactivation of Toll-like receptor 2

Kuklik, Nils

Die Toll-ähnlichen Rezeptoren (TLRs) sind entscheidende Rezeptoren bei der Erregererkennung nach mikrobiellen Infektionen. Darüber hinaus sind sie in der Reaktion auf eine Vielzahl durch Gewebeschäden freigesetzter endogener Moleküle beteiligt. In beiden Prozessen induziert die Bindung eines Liganden die Dimerisierung zweier TLRs und stimuliert zelluläre Immunantworten. Gelegentlich kann jedoch eine Überaktivierung von TLRs chronische Entzündungen hervorrufen. Dies geschieht in Situationen, in denen die Kontrolle über die Freisetzung pro-inflammatorischer Zytokine verloren geht. Eine mögliche Behandlung ist der Einsatz antagonistischer Medikamente, die die TLR-induzierte Immunantwort hemmen. Der monoklonale Antikörper OPN-305, ein effizienter Inhibitor von humanem TLR2, wurde erfolgreich zur Behandlung von septischem Schock und rheumatoider Arthritis bei Mäusen sowie Ischämie-Reperfusionsschäden beim Menschen getestet. Während jedoch die Wirksamkeit des Antikörpers etabliert ist, blieb der molekulare Mechanismus ungeklärt. In dieser Arbeit wurde der Komplex zwischen der extrazellulären Domäne von TLR2 und des Antigen-bindenden Fragments von OPN-305 erzeugt und gereinigt. Eine erste strukturelle Beschreibung dieses Komplexes gelang durch Negativfärbung-Elektronenmikroskopie bei einer Auflösung von 22 Å. Die dreidimensionale Rekonstruktion des Komplexes zeigt eine Bindung des Antikörpers an TLR2 lateral im Bereich der TLR1/TLR6 Dimerisierungsfläche. Dabei sind die Leucin-reichen Wiederholungen 11 bis 14 an der Protein-Protein-Wechselwirkung beteiligt. Zehn Aminosäuren auf der Oberfläche von TLR2 konnten als wahrscheinlicher Bestandteil des stark diskontinuierlichen Epitops identifiziert werden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Mechanismus der TLR2-Inhibierung und die antagonistische Eigenschaft des OPN-305 auf dessen Fähigkeit beruht, die Heterodimerisierung von TLR2 zu blockieren und so nachgeschaltete Signalkaskaden auszuschalten.

Toll-like receptors (TLRs) are critical receptors for pathogen detection following microbial infections. In addition, they participate in responding to a variety of tissue damage-derived endogenous molecules. In both processes, binding of a ligand induces the dimerization of two TLRs and stimulates cellular immune responses. Occasionally, however, the activation of TLRs can also result in chronic inflammation diseases. This happens in situations where control over the release of pro-inflammatory cytokines is lost. Possible treatments include the usage of antagonistic drugs that inhibit the TLR-based immune response. The monoclonal antibody OPN-305, an efficient inhibitor of TLR2, has successfully been used to treat septic shock and rheumatoid arthritis in mice and ischemia/reperfusion injury in humans. However, whereas the efficacy of the antibody was well established, its molecular mechanism remained unexplained. In this thesis, the complex between the extracellular domain of murine TLR2 and the fragment antigen-binding domain of OPN-305 was generated and purified. A first structural description of this complex was achieved by negative stain electron microscopy (EM) at a resolution of ~22 Å. The three-dimensional reconstruction reveals that the antibody binds laterally within the TLR1/TLR6 dimerization interface. The results indicate that the leucine rich repeats 11 to 14 are involved in the protein-protein interaction allowing ten amino acids on the surface of TLR2 to be identified as constituting the probable, highly discontinuous epitope. These results immediately suggest the mechanism of TLR2 inhibition and the antagonistic property of OPN-305 to derive from its ability to block the heterodimerization of TLR2 resulting in silencing of downstream signaling cascades.

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Kuklik, Nils: Structural analysis of the specific inactivation of Toll-like receptor 2. 2012.

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