mini|255px|Bindung eines Antigens an eine passende Stelle eines Antikörpers Ein Antigen (von engl. antibody-generating ‚Antikörper-erzeugend‘)Peter J. Delves, Seamus J. Martin, Dennis R. Burton, Ivan M. Roitt: Essential Immunology. 2017, ISBN 978-1-118-41577-1, S. 143. ist eine molekulare Struktur, an die sich Antikörper im Rahmen einer erworbenen Immunantwort binden können. Nach der Bindung von Antikörpern an ihr jeweiliges Antigen erfolgt die erworbene Immunantwort, um gegen einen Krankheitserreger vorzugehen. Es kann sich bei den Antigenen zum Beispiel um Proteine, Lipide oder Kohlenhydrate handeln, nicht jedoch um Monosaccharide, Disaccharide, Aminosäuren oder einzelne Fettsäuren, weil derartige kleine Moleküle in der Regel keine Bindung zum Antikörper etablieren können (siehe Haptene).
Ursprünglich wurde der Begriff nur auf Substanzen angewendet, die nach Injektion in einen fremden Organismus zur Antikörperbildung führten. Heute umfasst die Definition Moleküle, die spezifisch von Antigenrezeptoren von B- und T-Zellen gebunden werden. Außer Antikörpern können sich auch Lymphozyten über B-Zell-Rezeptoren oder T-Zell-Rezeptoren an Antigene binden, wodurch die Bildung von Antikörpern verstärkt wird oder Zytotoxische T-Zellen gebildet werden.
Eigenschaften Die spezifische Bindung von Antikörpern und Antigenrezeptoren an Antigene ist ein wesentlicher Teil der adaptiven Immunität (auch erworbene Immunität) gegen Pathogene (Krankheitserreger). Dieser Teil des Immunsystems wird als adaptiv bezeichnet, weil die Antigen-bindenden Proteine des Immunsystems für eine bessere Bindung an das Antigen angepasst werden. Als erworben wird dieser Teil bezeichnet, weil erst nach einem ersten Kontakt eine adaptive Immunantwort entsteht – im Gegensatz zur angeborenen Immunantwort. Die Stelle auf der Oberfläche eines Antigens, die von einem Antikörper erkannt wird, wird als Epitop bezeichnet. Ein Antigen kann mehrere Epitope besitzen. An dieses Epitop bindet ein Antikörper mit dem sogenannten Paratop, der gegenüberliegenden passgenauen Stelle auf der Oberfläche des Antikörpers. Die Bindung eines Antikörpers an sein Antigen wird auch als Antigen-Antikörper-Reaktion bezeichnet. Ein Antikörper bindet nur an ein bestimmtes Epitop, je nach Aufbau des Paratops. Je nach Ursprung werden Antigene als exogene (von außerhalb des Körpers), endogene (von innerhalb des Körpers), Autoantigene (aus dem eigenen Körper stammend), Neoantigene (neu auftretende Autoantigene, synonym Tumor-spezifische) und Tumor-assoziierte Antigene bezeichnet.
Immunogenität Antigene können eine Immunantwort auslösen und damit immunogen wirken – oder auch tolerogen (toleranzbildend) wirken und in Folge keine Immunantwort auslösen. Beispielsweise müssen Krankheitserreger vom Immunsystem erkannt und eliminiert werden, nicht aber harmlose (z. B. Nahrungsmittel)Y. Xiong, G. Xu, M. Chen, H. Ma: Intestinal Uptake and Tolerance to Food Antigens. In: Frontiers in immunology. Band 13, 2022, S. 906122, doi:10.3389/fimmu.2022.906122. PMID 35757706, .K. S. Kim, C. D. Surh: Induction of Immune Tolerance to Dietary Antigens. In: Advances in Experimental Medicine and Biology. Band 850, 2015, S. 93–118, . PMID 26324349. oder körpereigene Moleküle.J. Březina, M. Vobořil, D. Filipp: Mechanisms of Direct and Indirect Presentation of Self-Antigens in the Thymus. In: Frontiers in immunology. Band 13, 2022, S. 926625, doi:10.3389/fimmu.2022.926625. PMID 35774801, . Antigene, die von Antikörpern oder B-Zell-Rezeptoren gebunden werden, sind meistens Proteine, können aber auch Kohlenhydrate,S. Miyagawa, T. Ueno, H. Nagashima, Y. Takama, M. Fukuzawa: Carbohydrate antigens. In: Current opinion in organ transplantation. Band 17, Nummer 2, April 2012, S. 174–179, doi:10.1097/MOT.0b013e3283508189. PMID 22262104. Lipide,C. M. Dowds, S. C. Kornell, R. S. Blumberg, S. Zeissig: Lipid antigens in immunity. In: Biological chemistry. Band 395, Nummer 1, Januar 2014, S. 61–81, doi:10.1515/hsz-2013-0220. PMID 23999493, . Nukleinsäuren oder andere Stoffe sein.Abdul K. Abbas, Andrew Lichtman, Shiv Pillai: "Antibodies and Antigens". In: Cellular and Molecular Immunology. 9. Auflage. Elsevier 2018, ISBN 978-0-323-52324-0. Kapitel Antibody Binding of Antigens. Dagegen werden von T-Zell-Rezeptoren meistens Proteinfragmente (Peptide) gebunden.
Epitopwiederholungen Normalerweise kommt ein Epitop nur einmal auf einem Antigen vor. Diese Epitope werden als monovalent (einwertig) bezeichnet. Bei Polymeren wie Nukleinsäuren und Polysacchariden sowie bei räumlich gruppierten gleichen Antigenen (wie beispielsweise gleiche Membranproteine auf einer Zelloberfläche) kommen gleiche Epitope auch mehrfach nah beieinander vor. In diesem Fall werden sie als polyvalent (mehrwertig) bezeichnet, was sich in einer Erhöhung der Avidität, einer Gruppierung von B-Zell-Rezeptoren zu Clustern und somit in einer Aktivierung von B-Zellen äußert.
Niedermolekulare Verbindungen Nicht jedes Antigen ist auch immunogen; beispielsweise wirken zu kleine Moleküle (darunter die Haptene) nicht immunogen. Bestimmte niedermolekulare Stoffe, die alleine keine Antikörperreaktion hervorrufen können, sondern erst durch die Bindung an ein Trägerprotein eine Immunreaktion auslösen können, heißen Haptene. Diese Haptene waren bei der Erforschung der Bindung durch Antikörper an ein Antigen wichtig, indem sie als chemisch definierte und veränderbare Versuchsobjekte dienten. Dementsprechend wird eine (meist höhermolekulare) Substanz, die diese Reaktion alleine ermöglicht, als Vollantigen bezeichnet, ein Hapten als Halbantigen. Kleine Moleküle wie Monosaccharide, Amino- oder Fettsäuren können keine adaptive Immunreaktion bewirken.
Spezifität Damit ein Antigen immunogen ist, muss es zunächst von B- oder T-Zellen erkannt werden. Jede dieser Zellen bindet spezifisch nur ein Antigen mit ihrem jeweiligen Rezeptor nach der Klon-Selektionstheorie. Gelegentlich kommt es zu einer Bindung von Molekülen, die strukturell sehr ähnlich sind (Kreuzreaktivität). Antigene können entweder von B-Zell-Rezeptoren, T-Zell-Rezeptoren oder (von B-Zellen produzierten) Antikörpern erkannt bzw. gebunden werden. Für die Einleitung einer Immunantwort muss generell zusätzlich zum präsentierten Antigen zweiter Mechanismus aktiviert werden (ein Kostimulator auf der präsentierenden Zelle bindet an sein Gegenstück auf der Immunzelle). Bei Impfstoffen wird dieses zweite Aktivierungssignal teilweise durch Zugabe von Adjuvanzien erreicht. Eine Ausnahme bilden die Superantigene, welche zur Aktivierung der adaptiven Immunantwort kein zweites Aktivierungssignal benötigen.
Bindungsstärke Antigene erzeugen je nach Stärke der Bindung an Teile des Immunsystems unterschiedlich starke Immunreaktionen. Die Bindung von Antigenen ist reversibel und ohne kovalente Bindung. Sie erfolgt über elektrostatische Wechselwirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen, Van-der-Waals-Kräfte und hydrophobe Wechselwirkungen. Die Stärke der Bindung wird als Affinität bezeichnet, und typische Werte für Antikörperbindungen liegen zwischen 10−7 bis 10−11 M. In Blut und Lymphe kommen Millionen verschiedene Antikörper mit unterschiedlichen Affinitäten und unterschiedlichen Epitopen vor, aber jeder Antikörper bindet nur ein Epitop.
Die Epitope, die eine stärkere Immunantwort erzeugen, werden als immundominant bezeichnet. Oftmals kommt es vor, dass sich Antigene von Krankheitserregern verändern, die zuvor gut vom Immunsystem erkannt wurden. Da durch eine starke adaptive Immunantwort gleichzeitig auch ein starker negativer Selektionsdruck auf die Epitope ausgeübt wird, kommt es häufiger im Zuge einer Immunevasion zu solchen Veränderungen, die sich in der Ausbildung von Fluchtmutationen von Krankheitserregern äußern, wodurch die Antigene verändert sind und schlechter oder gar nicht mehr vom Immunsystem erkannt werden.
Gegenseitige Hemmung Wenn mehrere Epitope nahe beieinander liegen, kann die Bindung eines Antikörpers, B- oder T-Zell-Rezeptors an das erste Epitop räumlich die Bindung eines zweiten Antikörpers, B- oder T-Zell-Rezeptors an ein in direkter Nachbarschaft liegendes zweites Epitop behindern (sterische Hemmung). In seltenen Fällen kann die Bindung eines Antikörpers, B- oder T-Zell-Rezeptors eine Konformationsänderung im Antigen hervorrufen, wodurch ein anderes Epitop mit verändert wird und nicht mehr erkannt wird (allosterische Hemmung).
Selbst- und Fremderkennung Körpereigene Antigene (Autoantigene) sind prinzipiell tolerogen, neu auftretende Antigene (darunter Neoantigene von Tumoren) sind potentiell gefährlich. Auch die Strukturen auf den Zellen eines fremden Menschen werden als körperfremd erkannt, denn die Kombination der Proteine auf den Zelloberflächen (Zellmembran) ist bei jedem Menschen anders. Daher wirken sich diese menschlichen Antigene bei der Übertragung von organischem Material von einem Menschen auf einen anderen nachteilig aus, z. B. bei der Bluttransfusion oder Organtransplantation.P. Parham: Molecular definition of the transplantation antigens. In: The FEBS journal. Band 285, Nummer 15, 08 2018, S. 2728–2745, doi:10.1111/febs.14474. PMID 29673068. Hier muss auf Blutgruppen- bzw. Gewebeverträglichkeit geachtet werden. Die Übertragung falscher Blutgruppen führt zur Verklumpung des Blutes, bei Transplantationen kann es zur Abstoßungsreaktion gegen das übertragene Organ oder zur Schädigung des Empfängers durch das transplantierte Organ kommen (Graft-versus-Host Disease). Damit körpereigene oder harmlose Stoffe nicht als Antigene erkannt werden, wird eine Immuntoleranz ausgebildet. Dennoch kommt es gelegentlich zu Fehlreaktionen, wie Autoimmunerkrankungen (z. B. durch Autoantikörper),M. Benvenuto, R. Mattera, L. Masuelli, I. Tresoldi, M. G. Giganti, G. V. Frajese, V. Manzari, A. Modesti, R. Bei: The crossroads between cancer immunity and autoimmunity: antibodies to self antigens. In: Frontiers in bioscience. Band 22, 03 2017, S. 1289–1329, doi:10.2741/4545. PMID 28199204. ImmunpathogenesenB. Yang, K. D. Yang: Immunopathogenesis of Different Emerging Viral Infections: Evasion, Fatal Mechanism, and Prevention. In: Frontiers in immunology. Band 12, 2021, S. 690976, doi:10.3389/fimmu.2021.690976. PMID 34335596, . oder Allergien.E. G. Liu, X. Yin, A. Swaminathan, S. C. Eisenbarth: Antigen-Presenting Cells in Food Tolerance and Allergy. In: Frontiers in immunology. Band 11, 2020, S. 616020, doi:10.3389/fimmu.2020.616020. PMID 33488627, .L. Pontes-de-Carvalho, J. Mengel: A Question of Nature: Some Antigens are Bound to be Allergens. In: Frontiers in immunology. Band 5, 2014, S. 373, doi:10.3389/fimmu.2014.00373. PMID 25140169, . Antigene, die Allergien auslösen können, werden Allergene genannt. Auch körpereigene Strukturen können als Antigene wirken, wenn sie fälschlicherweise als fremd angesehen werden. Antigene werden unter anderem zur Entwicklung von Impfstoffen gegen Pathogene oder Tumoren (TumorantigeneO. J. Finn: Human Tumor Antigens Yesterday, Today, and Tomorrow. In: Cancer immunology research. Band 5, Nummer 5, 05 2017, S. 347–354, doi:10.1158/2326-6066.CIR-17-0112. PMID 28465452, .S. Kelderman, P. Kvistborg: Tumor antigens in human cancer control. In: Biochimica et Biophysica Acta. Band 1865, Nummer 1, Januar 2016, S. 83–89, doi:10.1016/j.bbcan.2015.10.004. PMID 26542849. und Tumor-assoziierte Antigene) eingesetzt oder werden vor einer Bluttransfusion oder Organtransplantation untersucht, um eine Immunreaktion gegen fremde Blutgruppen bzw. eine Abstoßungsreaktion zu vermeiden.
Antigenpräsentation mini|MHC-Klasse I und II