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Antigen
Nach der Bindung von Antikörpern an ihr jeweiliges Antigen erfolgt die erworbene Immunantwort, um gegen einen Krankheitserreger vorzugehen. Es kann sich bei den …
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Definition und zentrale Eigenschaften
Ein Antigen ist eine molekulare Struktur, an die sich Antikörper oder Antigenrezeptoren von B- und T-Zellen im Rahmen der erworbenen Immunantwort binden können. Antigene können beispielsweise Proteine, Lipide oder Kohlenhydrate sein. Monosaccharide, Disaccharide, Aminosäuren und einzelne Fettsäuren können in der Regel keine Bindung zu Antikörpern aufbauen.
Die erkannte Stelle auf einem Antigen heißt Epitop. Ein Antikörper bindet daran mit seinem passenden Paratop. Diese reversible Antigen-Antikörper-Reaktion ist ein wesentlicher Bestandteil der adaptiven, also erworbenen Immunität gegen Krankheitserreger. B-Zell-Rezeptoren und Antikörper können native Antigene in voller Länge erkennen; T-Zell-Rezeptoren erkennen dagegen meist nur präsentierte Proteinfragmente.
Je nach Herkunft unterscheidet man exogene Antigene aus dem Körperäußeren, endogene Antigene aus dem Körperinneren, Autoantigene aus dem eigenen Körper, Neoantigene, die neu auftretende Autoantigene sind, sowie Tumor-assoziierte Antigene. Ein Antigen kann mehrere Epitope besitzen.
Immunogenität, Spezifität und Bindung
Nicht jedes Antigen löst eine Immunantwort aus. Immunogene Antigene aktivieren das Immunsystem, während tolerogene Antigene eine Immuntoleranz fördern. Antikörper und B-Zell-Rezeptoren binden meistens Proteine, aber auch Kohlenhydrate, Lipide, Nukleinsäuren oder andere Stoffe. T-Zell-Rezeptoren binden meistens Peptide, also Proteinfragmente.
Kommt ein Epitop nur einmal vor, ist das Antigen monovalent. Wiederholen sich gleiche Epitope, etwa bei Nukleinsäuren, Polysacchariden oder mehrfach vorhandenen Membranproteinen, ist es polyvalent. Dadurch steigt die Avidität, B-Zell-Rezeptoren werden gruppiert und B-Zellen können aktiviert werden.
Zu kleine Moleküle sind häufig nicht immunogen. Haptene, auch Halbantigene genannt, lösen allein keine Antikörperreaktion aus, können aber zusammen mit einem Trägerprotein eine Immunreaktion bewirken. Eine Substanz, die diese Reaktion allein ermöglicht, heißt Vollantigen.
Nach der Klon-Selektionstheorie erkennt jede B- oder T-Zelle mit ihrem Rezeptor spezifisch ein bestimmtes Antigen. Ähnliche Moleküle können jedoch eine Kreuzreaktivität auslösen. Für eine vollständige Immunaktivierung ist meistens neben dem präsentierten Antigen ein zweites, kostimulatorisches Signal nötig. Bei Impfstoffen können Adjuvanzien dieses Signal unterstützen. Superantigene benötigen kein zweites Aktivierungssignal.
Die Bindungsstärke zwischen Antigen und Rezeptor heißt Affinität. Die Bindung beruht auf elektrostatischen Wechselwirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen, Van-der-Waals-Kräften und hydrophoben Wechselwirkungen, nicht auf kovalenten Bindungen. Typische Affinitäten von Antikörperbindungen liegen zwischen 10^{−7} und 10^{−11} M. Epitope, die besonders starke Immunantworten auslösen, heißen immundominant. Veränderungen solcher Epitope können durch Immunevasion zu Fluchtmutationen führen. Liegen mehrere Epitope nahe beieinander, kann die Bindung eines Rezeptors eine andere Bindung räumlich behindern (sterische Hemmung). Seltener verändert sie die Struktur des Antigens (allosterische Hemmung).
Selbst- und Fremderkennung
Autoantigene sind normalerweise tolerogen. Neu auftretende Antigene, darunter Tumor-Neoantigene, können dagegen gefährlich sein. Auch Zellen eines anderen Menschen werden wegen ihrer individuellen Kombination von Oberflächenproteinen als fremd erkannt. Deshalb müssen bei Bluttransfusionen Blutgruppen und bei Organtransplantationen Gewebeverträglichkeiten berücksichtigt werden. Falsche Blutgruppen können zur Verklumpung des Blutes führen; bei Transplantationen sind Abstoßungsreaktionen oder eine Schädigung des Empfängers durch das übertragene Organ möglich.
Die Immuntoleranz verhindert normalerweise Reaktionen gegen körpereigene und harmlose Stoffe. Fehlreaktionen können jedoch Autoimmunerkrankungen, Immunpathogenesen oder Allergien verursachen. Antigene, die Allergien auslösen, heißen Allergene. Antigene werden zur Entwicklung von Impfstoffen gegen Krankheitserreger oder Tumoren untersucht sowie zur Prüfung vor Transfusionen und Transplantationen.
Antigenpräsentation sowie B- und T-Zell-Antigene
Bei der Antigenpräsentation werden Antigene für T-Zellen auf MHC-Molekülen an der Zelloberfläche dargestellt. Die Anpassung von B- und T-Zell-Rezeptoren wird durch V(D)J-Gen-Umlagerung erreicht; bei B-Zellen kommt zusätzlich die somatische Hypermutation hinzu. T-Zellen erkennen Antigene nur als präsentierte Fragmente, die durch Enzyme in Peptide zerlegt wurden.
B-Zell-Antigene liegen häufig auf Oberflächen von Pollenkörnern, Bakterien, Hausstaubmilben oder Zellen. Nach der Bindung eines B-Zell-Rezeptors werden B-Zellen entweder direkt durch T-unabhängige Antigene oder mit Hilfe von T-Helferzellen aktiviert. T-Helferzellen setzen Cytokine frei, die die Antikörperbildung und den Wechsel zwischen Antikörperklassen wie IgG, IgE und IgA steuern. Plasma-Zellen sezernieren die Antikörper. Diese markieren Eindringlinge durch Opsonisierung, sodass beispielsweise Makrophagen sie über Fc-Rezeptoren erkennen und phagozytieren können. Die meisten B-Zell-Antigene benötigen zusätzlich eine Präsentation auf MHC-II gegenüber T-Helferzellen.
Antigenpräsentierende Zellen sind vor allem dendritische Zellen, Makrophagen und B-Zellen. MHC-I kommt auf allen kernhaltigen Zellen vor. Zytotoxische T-Zellen erkennen MHC-I-präsentierte Peptide mit durchschnittlich 8–10 Aminosäuren und zerstören die betroffene Zelle durch Perforine und Granzym B. MHC-II präsentiert T-Helferzellen Peptidsequenzen aus circa 12–24 Aminosäuren. Die Aktivierung der T-Helferzellen verstärkt anschließend die Antikörperbildung. Eine MHC-I-Untergruppe, CD1, präsentiert Lipide; der MHC-I-ähnliche Rezeptor MR-1 präsentiert Metaboliten bakterieller Vitaminsynthesen.
Diagnostik und Anwendung
Antigene werden routinemäßig zur Diagnose von Infektionskrankheiten, Allergien und Autoimmunerkrankungen untersucht. Native Antigene werden quantitativ meist mit einem ELISA bestimmt; qualitative Nachweise können durch Schnelltests erfolgen. Immunogene und tolerogene Epitope werden häufig durch Epitopkartierung mit EliSPOT, release assay oder Tetramerfärbung untersucht. Impfstoffe enthalten Antigene, damit eine adaptive Immunantwort entsteht. Bei der Hyposensibilisierung werden über längere Zeit geringe Antigendosen verabreicht, um eine Immuntoleranz auszubilden.
