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