Die physiologische und immunologische Rolle von PR-10 Allergenen

Titelangaben

Seutter von Loetzen, Christian:
Die physiologische und immunologische Rolle von PR-10 Allergenen.
Bayreuth , 2015 . - V, 125 S.
( Dissertation, 2015 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Die allergische Sofortreaktion vom Typ I ist die am weitesten verbreitete Form der Hypersensitivität. Hierbei wirken prinzipiell harmlose Proteine als Allergene, die von Immunoglobulinen der Klasse E (IgE) erkannt werden und in kürzester Zeit zu allergischen Beschwerden führen. In Nordamerika und Zentraleuropa wird ein Großteil der allergischen Sofortreaktionen von Pollen– und Nahrungsmittelallergenen der Bet v 1-Superfamilie ausgelöst. Die Bet v 1-homologen Vertreter werden meist in Form von multiplen, beinahe identischen Isoformen durch umweltbedingten Stress induziert und in die pathogenesis related 10 Proteinfamilie (PR-10) untergeordnet. Trotz jahrzehntelanger Forschung und der zunehmenden klinischen Relevanz ist die genaue physiologische Funktion, sowie die Anzahl und Lage der Interaktionsflächen (Epitope) von PR-10 Allergenen mit IgE bis heute unbekannt. In dieser Arbeit wurde durch gezielte Variation von Aminosäuren ein potentielles IgE-Epitop des Hauptbirkenpollenallergens Bet v 1 auf das strukturell homologe, jedoch nicht allergene PR-10 Enzym (s)-Norcoclaurin-Synthase (NCS) übertragen. Nach Bestätigung der strukturellen Integrität mittels Circulardichroismus- (CD) und magnetischer Kernspinresonanz-Spektroskopie (NMR), konnte eine Interaktion der konstruierten NCS-Varianten mit IgE nachgewiesen werden. Dieses System, welches als epitope grafting bezeichnet wird, ermöglicht die zukünftige Analyse von PR-10-Epitopen auf molekularer Ebene und könnte zur Herstellung von hypoallergenen Varianten für die Allergenspezifische Immuntherapie beitragen. Ein vergleichsweise neues Mitglied der PR-10 Familie ist das Erdbeerallergen Fra a 1. Die in dieser Arbeit mittels NMR-Spektroskopie bestimmte dreidimensionale Struktur der rekombinanten Isoform Fra a 1E zeigt eine für PR-10 Allergene typische Faltung. Im Vergleich zu anderen homologen Allergenen sorgen einige signifikante strukturelle Unterschiede in Fra a 1E jedoch zur Ausbildung eines größeren hydrophoben Innenraums, der zum Transport oder der Lagerung verschiedener Liganden im Biosyntheseweg des Erdbeerfarbstoffes dienen könnte. Das Hauptbirkenpollenallergen Bet v 1 ist bereits biochemisch, strukturell und immunologisch umfangreich untersucht. Seit Aufklärung seiner dreidimensionalen Struktur vor etwa 20 Jahren wurde jedoch nach einem physiologischen Bindungspartner im hydrophoben Hohlraum des Allergens gesucht. In dieser Arbeit konnte Bet v 1 im Komplex mit seinem natürlichen Interaktionspartner Quercetin-3-O-Sophorosid (Q3OS) aus reifen Birkenpollen extrahiert und gereinigt werden. Anhand von Ultraviolett- (UV), Fluoreszenz- und NMR-Experimenten wurde die hohe Spezifität der Interaktion in vitro analysiert und das diglykosylierte Flavonoid als natürlicher Bindungspartner von Bet v 1 bestätigt. Weiterhin zeigen antikörperbasierende Nachweisverfahren, dass die Bindung von Q3OS keinen direkten Einfluss auf das IgE-Interaktionsverhalten von Bet v 1 ausübt. Ein möglicher sensibilisierender oder indirekter Effekt des Bet v 1-Liganden auf das Immunsystem ist jedoch nicht auszuschließen. Die an diese Erkenntnisse anknüpfenden Experimente beschäftigten sich schließlich mit der Rolle von drei Bet v 1-Isoformen mit unterschiedlichem allergenen Potential. Hierfür wurden die Isoformen rekombinant produziert, gereinigt und deren Interaktion mit verschiedenen potentiellen Bindungspartnern mittels NMR– und UV-Spektroskopie analysiert. Dabei zeigte sich, dass weitere glykosylierte Flavonoide physiologische Liganden von Bet v 1 darstellen könnten. Jede Isoform weist dabei ein individuelles Bindungsverhalten auf, wobei die Spezifität der Bindung von der Stereochemie und der Anzahl an Zuckerresten der Liganden abhängt. Bedingt durch ihre variablen Absorptionseigenschaften und der hohen UV-Toleranz, dienen Komplexe aus Bet v 1-Isoformen und Flavonoiden vermutlich dem anpassungsfähigen Schutz der Pollen-DNA vor örtlicher Sonnenstrahlung.

Abstract in weiterer Sprache

Immediate type I allergies are the most common and widespread form of hypersensitivity reactions. Thereby, mainly proteins from plants and animals are recognized as allergens by Immunoglobulin E (IgE) which results in instant allergic reactions. The main elicitors of type I allergies in North America and Central Europe are pollen and food allergens which belong to the Bet v 1-superfamily. The Bet v 1-homologous members are induced as multiple isoforms upon environmental stress and are further sub-grouped into the family of class 10 pathogenesis related proteins (PR-10). Despite extensive research and rising clinical significance neither the precise physiological function nor the number and location of the interaction surfaces (epitopes) from PR-10 allergens with IgE had been identified yet. In this work, a putative IgE-epitope of the major birch pollen allergen Bet v 1 was transferred to the structural homologue but non-allergenic PR-10 enzyme (s)-norcoclaurine synthase (NCS) by the variation of specific amino acids. After verifying the structural integrity by circular dichroism (CD) and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, the constructed NCS variants showed significant interaction with IgE. This system will allow analysing epitopes in patients with Bet v 1- related allergies and might help to design hypoallergenic variants for allergen specific immunotherapy. The major strawberry allergen Fra a 1 was recently identified as a member of the PR-10 family. The three dimensional solution structure of the recombinant isoform Fra a 1E was solved in this work using NMR spectroscopy. While the overall fold is typical for PR-10 allergens, significant structural differences result in a larger hydrophobic cavity in the interior of Fra a 1E compared to other homologous proteins. This cavity might transport or store ligands involved in pigment formation in strawberry plants. In contrast, the major allergen from birch Bet v 1 has been studied for decades and is well characterized by structural, biochemical and immunological methods. Ever since the determination of its three dimensional structure many attempts have been made to determine a putative physiological ligand in the hydrophobic cavity of Bet v 1. In this work, Bet v 1 was isolated from mature birch pollen in complex with its natural ligand quercertin-3-O-sophoroside (Q3OS). By using ultraviolet (UV), fluorescence and NMR spectroscopy, the binding parameters and the specificity of Q3OSbinding to Bet v 1 were determined in vitro and confirm Q3OS as natural ligand of Bet v 1. However, the influence of Q3OS on the allergenicity of Bet v 1 seems to be limited. The obtained data from enzyme linked assays suggest the lack of a direct ligand effect on IgE recognition of Bet v 1, but leave open the possibility of indirect influences such as sensitization. Subsequent research focused on the physiological properties of three recombinant Bet v 1 isoforms with different allergic potential. The interaction of the isoforms with a variety of binding partners was analysed using UV and NMR spectroscopy. The obtained results suggest that further glycosylated flavonoids, such as quercetin-3-O-sophoroside, are the physiological ligands of the Bet v 1 isoforms. Each isoform shows an individual, highly specific binding behaviour for the ligands. This specificity is driven by the sugar moieties of the ligands rather than the flavonols. The physiological function of Bet v 1 is probably linked with adaptable DNA protection from solar radiation due to the variable absorption properties and high UV tolerances of the complexes formed by Bet v 1 isoforms and flavonoids