NMR-spektroskopische Untersuchung der Struktur und Funktion von Birkenpollenallergenen und birkenpollenassoziierten Nahrungsmittelallergenen

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "NMR-spektroskopische Untersuchung der Struktur und Funktion von Birkenpollenallergenen und birkenpollenassoziierten Nahrungsmittelallergenen"

Annika Sternberg
vor 7 Jahren
Abrufe

1 NMR-spektroskopische Untersuchung der Struktur und Funktion von Birkenpollenallergenen und birkenpollenassoziierten Nahrungsmittelallergenen Philipp Neudecker 1, Jörg Nerkamp 1, Katrin Lehmann 1, Kristian Schweimer 1, Anke Eisenmann 1, Thomas Lauber 1, Stephan Scheurer 2, Stefan Vieths 2, Heinrich Sticht 1 und Paul Rösch 1 1 Lehrstuhl für Biopolymere, Universität Bayreuth, Bayreuth 2 Abteilung Allergologie, Paul-Ehrlich-Institut, Langen P. Neudecker, K. Schweimer, J. Nerkamp, M. Boehm, S. Scheurer, S. Vieths, H. Sticht und P. Rösch: Sequence-specific 1 H, 13 C and 15 N resonance assignments of the major cherry allergen Pru a 1, J. Biomol. NMR 18, (2000) P. Neudecker, K. Schweimer, J. Nerkamp, S. Scheurer, S. Vieths, H. Sticht und P. Rösch: Allergic Cross-Reactivity Made Visible: The Solution Structure of the Major Cherry Allergen Pru av 1, J. Biol. Chem. 276, (2001) P. Neudecker, H. Sticht und P. Rösch: Improving the efficiency of the Gaussian conformational database potential for the refinement of protein and nucleic acid structures, J. Biomol. NMR 21, (2001) P. Neudecker, K. Lehmann und P. Rösch: Sequence-specific 1 H, 13 C and 15 N resonance assignments of SAM22, an allergenic stress-induced protein from soy bean, J. Biomol. NMR 26, (2003)

Abteilung Allergologie, Paul-Ehrlich-Institut, 63225 Langen P. Neudecker, K. Schweimer, J. Nerkamp, M. Boehm, S. Scheurer, S. Vieths, H. Sticht und P.

2 Allergien vom Typ I Allergien vom Typ I sind Überempfindlichkeitsreaktionen des Immunsystems auf eigentlich harmlose Antigene, die sogenannten Allergene. Typische Symptome: Heuschnupfen (besonders bei Pollenallergenen) Asthma Dermatitis Reizung der Mund- und Rachenschleimhäute (besonders bei Nahrungsmittelallergenen) Systemische Anaphylaxis (in seltenen Fällen) Erster Kontakt mit einem Allergen Produktion von allergenspezifischen IgE-Antikörpern (Sensibilisierung) Spätere Kontakte mit diesem Allergen gleichzeitige Erkennung durch zwei auf einer Mastzelle gebundene IgE- Antikörper, Ausschüttung von Mediatoren, Immunreaktion Voraussetzung: Existenz von mindestens zwei verschiedenen IgE-Erkennungsregionen, sogennanten IgE-Epitopen, auf der Moleküloberfläche des Allergens

seltenen Fällen) Erster Kontakt mit einem Allergen Produktion von allergenspezifischen IgE-Antikörpern (Sensibilisierung) Spätere Kontakte mit diesem Allergen gleichzeitige Erkennung durch zwei

3 Allergische Kreuzreaktionen Sensibilisierung auf ein Allergen A, anschließend Kontakt mit einem anderen Allergen B, dessen Homologie zu A so groß ist, dass mindestens zwei der IgE-Epitope von A auch auf seiner Moleküloberfläche existieren B kann von zwei A-spezifischen IgE-Antikörpern erkannt werden allergische Kreuzreaktion zwischen den beiden Allergenen A und B genaue Beschaffenheit der IgE-Epitope individuell verschieden allergische Kreuzreaktionen nur bei bestimmten Patienten Nahrungsmittelallergien bei Erwachsenen beruhen fast immer auf Kreuzreaktionen nach Sensibilisierung auf Pollen- oder Hautallergene. Beispiele: Latex mit Avocado, Banane, Kiwi Gräserpollen mit Melone, Banane, Zucchini, Gurke Birkenpollen mit Apfel, Birne, Kirsche, Pfirsich, Aprikose, Pflaume, Sellerie, Karotte, Soja, Haselnuss

IgE-Epitope individuell verschieden allergische Kreuzreaktionen nur bei bestimmten Patienten Nahrungsmittelallergien bei Erwachsenen beruhen fast immer auf Kreuzreaktionen nach Sensibilisierung auf

4 Die Familie der mit Bet v 1 verwandten Allergene Über 90 % der Birkenpollenallergiker sind auf Bet v 1 sensibilisiert, was bei manchen Patienten mit einer allergischen Kreuzreaktion auf das zu 59 % mit Bet v 1 identische Hauptallergen der Kirsche Pru av 1 und/oder das zu 47 % mit Bet v 1 identische Hauptallergen der Sojabohne Gly m 4 verbunden ist. Eigenschaften: Monomere aus Aminosäuren (17 kda, 4 < pi < 6) konstitutive Expression bei Bet v 1 und Pru av 1, aber stressinduzierbare Expression bei Gly m 4 genaue Funktion unbekannt Sequenzalignment: Position: Bet v 1a: GVFNYETETTSVIPAARLFKAFILDGDNLFPKVAPQAISSVENIEGNGGPGTIKKISFPE Pru av 1: GVFTYESEFTSEIPPPRLFKAFVLDADNLVPKIAPQAIKHSEILEGDGGPGTIKKITFGE Gly m 4: GVFTFEDEINSPVAPATLYKALVTDADNVIPK-ALDSFKSVENVEGNGGPGTIKKITFLE GFPFKYVKDRVDEVDHTNFKYNYSVIEGGPIGDTLEKISNEIKIVATPDGGSILKISNKY GSQYGYVKHKIDSIDKENYSYSYTLIEGDALGDTLEKISYETKLVASPSGGSIIKSTSHY DGETKFVLHKIESIDEANLGYSYSVVGGAALPDTAEKITFDSKLVAGPNGGSAGKLTVKY HTKGDHEVKAEQVKASKEMGETLLRAVESYLLAHSDAYN HTKGNVEIKEEHVKAGKEKASNLFKLIETYLKGHPDAYN ETKGDAEPNQDELKTGKAKADALFKAIEAYLLAHPDYN

Eigenschaften: Monomere aus 157-159 Aminosäuren (17 kda, 4 < pi < 6) konstitutive Expression bei Bet v 1 und Pru av 1, aber stressinduzierbare Expression bei Gly m 4 genaue Funktion unbekannt

5 Vergleich von Bet v 1, Pru av 1 und Gly m 4

6 NMR-Spektroskopie an Pru av 1 mit Brassinosteroiden Brassinosteroide schlecht wasserlöslich Lösungsmittel: 90 % H 2 O / 10 % DMSO-d 6 (v/v) 28-Homocastasteron

7 Der hydrophobe Hohlraum im Innern von Pru av 1

8 Die Familie der mit Bet v 4 verwandten Allergene Etwa 5 bis 20 % der Birkenpollenallergiker sind auf Bet v 4 sensibilisiert, was bei manchen Patienten mit einer allergischen Kreuzreaktion auf andere Pollenallergene wie beispielsweise das zu 69 % mit Bet v 4 identische Pollenallergen des Wiesenlischgrases Phl p 7 verbunden ist. Eigenschaften: Monomere oder Dimere aus Aminosäuren (9 kda, 4 < pi < 5) Expression ausschließlich in Pollen, daher sind keine kreuzreaktiven Nahrungsmittelallergene bekannt 2 EF-Hände (binden Ca 2+, aber nicht Mg 2+ ) genaue Funktion unbekannt Sequenzalignment: Position: Bet v 4: ADDHPQDKAERERIFKRFDANGDGKISAAELGEALKTLGSITPDEVKHMMAEIDTDGDGF Phl p 7: ADDMERIFKRFDTNGDGKISLSELTDALRTLGSTSADEVQRMMAEIDTDGDGF Ca2+: * * * * * * * * * ISFQEFTDFGRANRGLLKDVAKIF IDFNEFISFCNANPGLMKDVAKVF *

Eigenschaften: Monomere oder Dimere aus 77-84 Aminosäuren (9 kda, 4 < pi < 5) Expression ausschließlich in Pollen, daher sind keine kreuzreaktiven Nahrungsmittelallergene bekannt 2 EF-Hände (binden

9 Die Struktur von holo Bet v 4 in Lösung α 2 N21 α 5 E30 D19 α 1 S27 K25 β 1 D23 α 3 F60 S62 β 2 α 4 D58 D54 E65 D56

10 Vergleich von holo Phl p 7 und holo Bet v 4 α 3 β 2 α 5 α 1 α 4 α 2 α 4 β 1 α 2 β 1 β 2 α 5 α 1 α 3

11 NH2 2 1 α 1 Die Moleküloberfläche von holo Bet v 4 a) hydprophil/hydrophob b) elektrostatisch 5 α 5 4 α 4 1 β 1 2 β 2 2 α 2 α 3 3 D2 D7 R13 E10 K78 D3 R74 R71 Bet v 4 zeigt eine deutliche reversible Konformationsänderung bei Bindung von Ca 2+, wobei eine hydrophobe Furche für die Bindung eines potentiellen Liganden exponiert wird. Dies ist der typische Mechanismus von EF-Hand- Proteinen mit einer regulatorischen Funktion wie Calmodulin oder Troponin C, im Gegensatz zu solchen mit einer Ionenspeicherfunktion wie Parvalbumin oder Calbindin D 9k. R11 K82 D68 D79 E45 E52 H48 D44 K47

eines potentiellen Liganden exponiert wird.

12 Zusammenfassung 1. Sowohl die Sekundärstrukturelemente als auch deren Anordnung zur Tertiärstruktur von Bet v 1, Pru av 1 und Gly m 4 sind so gut wie identisch. Dies macht die Existenz kreuzreaktiver IgE-Epitope höchst wahrscheinlich und erklärt somit die klinisch beobachteten allergischen Kreuzreaktionen. 2. Der hydrophobe Hohlraum von Pru av 1 zeigt eine Wechselwirkung mit Brassinosteroiden in vitro. Die Vermutung liegt nahe, dass auch seine physiologische Funktion in vivo mit der Bindung pflanzlicher Steroide oder anderer Lipide verbunden ist. 3. Abgesehen vom unterschiedlichen Oligomerisierungszustand ist die Tertiärstruktur von holo Phl p 7 und holo Bet v 4 so gut wie identisch. Dies macht wiederum die Existenz kreuzreaktiver IgE-Epitope höchst wahrscheinlich und erklärt somit die klinisch beobachteten allergischen Kreuzreaktionen. 4. Bet v 4 exponiert bei Ca 2+ -Bindung eine hydrophobe Furche, die vermutlich zur Bindung eines potentiellen Liganden im Rahmen einer durch die Ca 2+ -Konzentration gesteuerten regulatorischen Funktion dient.

Der hydrophobe Hohlraum von Pru av 1 zeigt eine Wechselwirkung mit Brassinosteroiden in vitro.

13 Danksagung Dr. Stephan Scheurer, Prof. Dr. Stefan Vieths (Allergologie) Petra Deuerling, Nadine Herz, Ulrike Herzing, Katrin Lehmann, Jörg Nerkamp (Proben) Andrea Hager, Dr. Kristian Schweimer (NMR-Spektroskopie) Beate Diaw, Dr. Rainer Haeßner, PD Dr. Gerd Gemmecker, Prof. Dr. Horst Kessler (NMR-Spektroskopie am DMX750) Anke Eisenmann (NMR-Relaxation) Markus Zeeb, PD Dr. Jochen Balbach (NMR-Diffusion) Rainer Hofmann, Prof. Dr. Heinrich Sticht (Moleküldynamik) Thomas Lauber (Analytische Ultrazentrifugation) Prof. Dr. Paul Rösch (Arbeitsgruppenleiter) Freistaat Bayern, FCI, DFG, BMBF (Finanzierung)

Jochen Balbach (NMR-Diffusion) Rainer Hofmann, Prof. Dr. Heinrich Sticht (Moleküldynamik) Thomas Lauber (Analytische Ultrazentrifugation) Prof. Dr. Paul Rösch (Arbeitsgruppenleiter) Freistaat Bayern, FCI, DFG, BMBF (Finanzierung)

Ähnliche Dokumente

Prof. Barbara Ballmer-Weber, Leitende Aerztin Allergiestation, Dermatologische Klinik, USZ, Gloriastr. 31, 8091 Zürich

Management des Patienten mit Nahrungsmittelallergie Prof. Barbara Ballmer-Weber, Leitende Aerztin Allergiestation, Dermatologische Klinik, USZ, Gloriastr. 31, 8091 Zürich Fallbeispiele: 15 jähriger Schüler