B. B-Zell-Epitope
Wir beschränken uns auf die Diskussion von B-Zell-Epitopen auf Proteinen und Peptiden; Epitope auf anderen Biopolymeren und haptenischen Gruppen werden nicht behandelt. Die erste wichtige Verallgemeinerung über B-Zell-Epitope ist, dass sie gegen dreidimensionale Merkmale der molekularen Oberfläche von Proteinen und Polypeptiden gerichtet sind. Eine besondere dreidimensionale Topologie ist ein Markenzeichen von B-Zell-Epitopen im Gegensatz zu T-Zell-Epitopen. Es ist wahrscheinlich, dass jeder Aminosäurerest, der von der Oberfläche eines Proteins zugänglich ist, Teil des einen oder anderen B-Zell-Epitops sein kann (Benjamin et al., 1984). Daher können Proteine sehr viele verschiedene Epitope enthalten, obwohl aus sterischen Gründen immer nur eine begrenzte Anzahl von Antikörpern an das Antigen binden kann. Die B-Zell-Antwort ist stereospezifisch und viel schwächer gegen d-Enantiomere von Peptiden (Gill et al., 1963) und Proteinen (Dintzis et al., 1993), möglicherweise weil d-enantiomere Proteine nicht effizient verarbeitet werden, um Peptide für die T-Zell-Hilfe zu liefern.
Früher glaubte man, dass Proteine eine wohldefinierte antigene Struktur haben, die durch eine begrenzte Anzahl von Epitopen gekennzeichnet ist. Die Einsicht in die komplexe Natur der B-Zell-Immunantwort und ihrer Regulierung sowie in die Spezifität monoklonaler Antikörper gegen Proteine machte deutlich, dass ein Protein keine definierte antigene Struktur besitzt. Im Gegensatz zu den Behauptungen einiger Forscher (Atassi und Lee, 1978; Atassi, 1984) ist es nicht möglich, die „vollständige antigene Struktur“ eines Proteins zu definieren. Die Antigenität eines Proteins ist sowohl eine Eigenschaft der Proteintopographie als auch der Regulationsmechanismen des Wirtsimmunsystems, einschließlich der Toleranz gegenüber Strukturen, die den eigenen Proteinen des Wirts ähneln, der Spezifität der T-Zell-Hilfe und der idiotypischen Netzwerke (Benjamin et al., 1984; Berzofsky, 1985). Immunodominante Stellen, d. h. Stellen, auf die die meisten, aber nicht alle Antikörper der Immunantwort gerichtet sind, sind keine intrinsische Eigenschaft des Proteins an sich. Wie bereits von anderen betont, existieren Epitope nicht als solche, sondern nur aufgrund einer Verbindung mit der komplementären Antikörperbindungsstelle, dem so genannten Paratop (Berzofsky, 1985; Van Regenmortel, 1986, 1989). Ein Epitop ist also ein relationales Konzept, und die Definition eines Epitops ist notwendigerweise operational (Van Regenmortel, 1986). Mit anderen Worten, die Definition eines bestimmten Epitops hängt in hohem Maße von der molekularen Geometrie und der chemischen Beschaffenheit des entsprechenden Paratops und, was vielleicht noch wichtiger ist, von dem experimentellen Ansatz ab, der zur Kartierung des Epitops gewählt wurde.
Dieser Sachverhalt lässt sich am Beispiel des ersten Protein-Antikörper-Komplexes veranschaulichen, dessen Struktur durch Röntgenkristallographie gelöst wurde (Amit et al., 1986). In diesem Komplex treffen 16 Reste von Lysozym auf 17 Reste eines monoklonalen Fab (Antikörperfragment) gegen Lysozym. Das Epitop erstreckt sich über 750 Å2 der Lysozymoberfläche. Im Gegensatz dazu zeigt die Epitopkartierung mit einer Reihe von sequenzverwandten Vogellysozymen, dass nur wenige Reste für die Bindung von Lysozym an monoklonale Antilysozym-Antikörper wichtig sind. Die Mutation sehr weniger Reste kann die Assoziationskonstante des Lysozym-Antikörper-Komplexes radikal reduzieren (Harper et al., 1987). In einem Fall verringerte eine einzige Substitution von Arg zu Lys die Affinität von Lysozym für einen monoklonalen Antikörper um zwei Größenordnungen (Smith-Gill et al., 1982). Theoretische Berechnungen auf der Grundlage der Kristallstrukturen von zwei Lysozymkomplexen mit Fab-Fragmenten zeigten, dass von den vielen Resten, die das Epitop im Kristall definieren, nur einige wenige tatsächlich zur Stabilität des Komplexes beitragen (Novotny et al., 1989). Auf der Grundlage ihrer Berechnungen unterschieden Novotny et al. zwischen einem energetischen Epitop und einem passiven Epitop. Das energetische Epitop umfasst diejenigen Reste, die zur Energetik der Bindung beitragen. Das passive Epitop bietet nur Oberflächenkomplementarität um die Reste, die das energetische Epitop bilden. Dass nur wenige der in der Kristallstruktur sichtbaren Wechselwirkungen eine wichtige Rolle bei der Stabilisierung des Antigen-Antikörper-Komplexes spielen, wurde für die Bindung der Influenzavirus-Neuraminidase an einen monoklonalen Antikörper bestätigt. Neunzehn Reste der Neuraminidase kontaktieren 17 Reste des Antikörpers im Kristall, aber die ortsspezifische Mutation von nur drei Resten hebt die Bindung vollständig auf (Air et al., 1990; Nuss et al., 1993).
Eine allgemeinere operative Unterscheidung von Epitopen ist die zwischen einem Kontaktepitop und einem funktionellen Epitop. Das Kontaktepitop bezieht sich auf Informationen, die aus der dreidimensionalen Struktur des Antigen-Antikörper-Komplexes gewonnen werden; das funktionelle Epitop bezieht sich auf Informationen aus nichtkristallographischen Kartierungsverfahren, einschließlich der Epitopkartierung mit Peptiden. Ein Kontaktepitop wird durch eine Passung zwischen großen komplementären Oberflächenbereichen von Antigen und Antikörper dargestellt, wie sie in mehreren Röntgenstrukturen von Protein-Antikörper-Komplexen zu sehen ist (Davies und Padlan, 1990; Wilson und Stanfield, 1994; Braden und Poljak, 1995). Kontaktepitope bedecken mehrere hundert Quadratangström der Moleküloberfläche. Das funktionelle Epitop definiert Reste, die für die Antikörperbindung von Bedeutung zu sein scheinen und deren Mutation die Bindung verringern oder ganz aufheben kann. Das funktionelle Epitop kann aus nur 2 bis 3 Resten bestehen, wie bei den oben genannten Beispielen von Lysozym und Neuraminidase. Es ist nicht möglich, das Kontaktepitop aus dem funktionellen Epitop abzuleiten. Auch das Kontaktepitop allein gibt keinen Aufschluss über das funktionelle Epitop. Auf der Seite des Antikörpers kann man ebenfalls zwei Arten von Paratopen unterscheiden: ein funktionelles Paratop und ein Kontaktepitop. Dies ergibt sich aus der thermodynamischen Analyse der komplementaritätsbestimmenden Regionen eines monoklonalen Antikörpers (Kelley und O’Connell, 1993).
Die duale Natur eines Epitops, wie sie durch kristallographische und nicht-kristallographische Kartierungstechniken aufgedeckt wird, spiegelt zwei verschiedene Modelle der molekularen Erkennung wider. So gesehen verlagert sich die Schwierigkeit, die Natur von Epitopen zu definieren, auf die Ebene einer erkenntnistheoretischen Schwierigkeit: Wie sollen wir die Realität mit den uns zur Verfügung stehenden begrenzten experimentellen Mitteln modellieren? Diese Grenzen werden wir im Auge behalten, wenn wir die Epitopkartierung durch Peptide erörtern.
Hier müssen wir die seit langem bekannte konzeptionelle Klassifizierung von B-Zell-Epitopen in sequentielle und konformationelle Epitope erwähnen (Sela et al., 1967; Sela, 1969; Atassi und Smith, 1978). Ein Epitop wird als sequentiell oder kontinuierlich bezeichnet, wenn es durch eine Reihe von zusammenhängenden Resten einer Polypeptidkette dargestellt werden kann. Ein Antikörper erkennt ein sequentielles Epitop, wenn er mit einem kurzen, flexiblen Peptid oder mit der denaturierten, ungefalteten Polypeptidkette reagiert. Ein Konformationsepitop, auch diskontinuierliches oder topografisches oder assembliertes Epitop genannt, wird aus nicht zusammenhängenden Teilen der Aminosäuresequenz durch Faltung der Polypeptidkette im nativen Protein aufgebaut. Ein Antikörper erkennt ein konformationelles Epitop, wenn er mit einem nativen Protein und nicht mit der entfalteten Polypeptidkette reagiert, oder wenn er mit einem Peptid mit einzigartiger Konformation, z. B. einer Helix, reagiert, aber nicht mit einem zufälligen Coil-Peptid.
Die Unterscheidung zwischen sequentiellen und konformationellen Epitopen ist etwas willkürlich und kann irreführend sein. Da jedes Paratop eine wohldefinierte dreidimensionale Struktur hat, ist die Interaktion zwischen Paratop und Epitop immer eine Anpassung der Strukturen im dreidimensionalen Raum. Dies gilt sowohl für ein Epitop auf einem gut geordneten globulären Protein als auch für ein Epitop auf einem kurzen flexiblen Peptid. Im letzteren Fall muss das Peptid bei der Bindung an den Antikörper ebenfalls eine einzigartige Konformation annehmen; daher ist ein kontinuierliches Epitop auch „konformationell“. Die Bindungskonformation ist entweder bereits vorhanden oder wird durch das Paratop induziert (siehe Abschnitte V,B und V,C).
Im Falle von Antikörpern gegen native Proteine wurde argumentiert, dass die meisten oder vielleicht alle Epitope diskontinuierlich sind (Barlow et al., 1986). Aufgrund der Größe eines typischen Kontaktepitops in einem Antigen-Antikörper-Kristall ist es in der Tat unwahrscheinlich, dass ein Antikörper ausschließlich an einen zusammenhängenden Abschnitt der Polypeptidkette bindet und nicht auch an Kontaktreste, die in der Sequenz auseinander liegen, aber räumlich nahe beieinander. Raumfüllende Modelle von Proteinen zeigen nur wenige lineare Abschnitte, die länger als 4 bis 5 Reste in direkter Peptidbindung auf der Moleküloberfläche zugänglich sind. Das soll nicht heißen, dass ein Antikörper, der gegen ein zusammengesetztes Epitop auf der Oberfläche eines Proteins gerichtet ist, nicht auch mit einem Peptid kreuzreagieren kann, das einem Segment des Proteins entspricht.
Abschließend zu unserem Überblick über die Natur der B-Zell-Epitope betonen wir noch einmal die schiere Schwierigkeit, eine allgemeine Definition des Begriffs „Epitop“ zu geben. Ein pragmatischer Rückgriff auf operationale Definitionen mag den Puristen nicht gefallen, aber operationale Definitionen können bei der Beantwortung von Fragen über den Charakter einer bestimmten Antigen-Antikörper-Interaktion hilfreich sein.