In silico method development for epitope localization

Allergische Erkrankungen sind ein weltweit ernstzunehmendes Gesundheitsproblem. Ein Schlüsselschritt in der Reaktionskaskade der Typ-I-Allergien ist die Vernetzung von IgE-Antikörpern auf Granulozyten durch Allergenmoleküle, und folglich stellt die Charakterisierung antikörperbindender Epitope auf der Oberfläche allergener Proteine ein Hauptziel der Forschung dar, das Strategien sowohl für die Diagnose als auch für die Therapie von Typ-I-Überempfindlichkeit ermöglichen würde. Trotz fehlender Kristallstrukturen von Allergenen im Komplex mit IgE ist die Kristallographie eine leistungsstarke Methode zur strukturellen Aufklärung von Allergenen bzw. Epitopen. Beispielsweise dienen Strukturmodelle dem Homology Modeling verwandter Allergene und der Abbildung linearer T-Zell-Epitope auf den Allergen-Oberflächen. Ansätze der Bioinformatik umfassen u. a. den Aufbau von Epitop-Datenbanken sowie die Vorhersage der Eigenschaften von Epitopen basierend auf Sequenzmotiven. Das beantragte Forschungsvorhaben sieht die Entwicklung und wissenschaftliche Anwendung eines Computerprogramms für den strukturbasierten, quantitativen Vergleich von Proteinoberflächen vor. Somit wird die Palette bestehender Vorhersagemethoden für strukturelle Epitope um einen neuartigen Ansatz erweitert, den wir "In-silico Epitop-Lokalisierung" nennen. Im Rahmen eines auf sechs Monate befristeten Projekts wurde das Programm im Kern bereits geschrieben und zur Abschätzung der Realisierbarkeit des Vorhabens angewandt. Momentan kann die Software zwei Proteinoberflächen auf der Basis geometrischer Parameter vergleichen. Die vorläufigen Ergebnisse für Allergene der TLP/PR-5-Familie bestätigen die prinzipielle Tauglichkeit der Methode. In der folgenden Stufe werden die elektrostatischen und Hydrophobizitäts-Eigenschaften der Oberflächen mitberücksichtigt und die zugrundeliegende globale Strukturüberlagerung wird um einen verfeinerten Algorithmus mit lokalen Superpositionen ergänzt werden. Darüber hinaus ist die dreidimensionale Darstellung der Ergebnisse einschließlich der Abbildung von Ähnlichkeits-Wertungen auf den Oberflächenmodellen vorgesehen. In der zukünftigen Forschungsphase werden die TLP-Studien intensiviert und auf andere Allergenfamilien ausgeweitet werden, für die ebenfalls mehrere Kristallstrukturen existieren (die Bet v 1-Gruppe und die EF-hand-Proteine). Auf diese Weise soll die Korrelation zwischen Kreuzreaktivität und lokaler Oberflächenähnlichkeit von Allergenen innerhalb einer Familie ermittelt werden. Mit Hilfe des resultierenden Ähnlichkeits-Filters ließen sich Epitope als sehr ähnliche, auf kreuzreaktive Allergene beschränkte Oberflächenregionen definieren und vorhersagen. Kollaborierende Arbeitsgruppen werden unsere Vorhersagen mittels experimenteller Methoden (NMR, Massenspektrometrie, Mutationsstudien und kristallographische Antikörper-Komplex-Bestimmung) überprüfen. Unseres Wissens berücksichtigt der in diesem Vorhaben gewählte Ansatz erstmalig in vollem Umfang die Bedeutung struktureller Oberflächenanalyse für die computergestützte Vorhersage von Epitopen. Darüber hinausgehend könnte die Auswertung resultierender Epitopmerkmale generelle Regeln für die Zusammensetzung und Eigenschaften von Epitopen aufzeigen, was letztlich die Entwicklung einer Methode zur direkten und familien- unabhängigen Vorhersage ermöglichte. Der Antragsteller ist sehr erfahren auf dem Gebiet der kristallographischen Software-Entwicklung und daher gut geeignet, in Prof. Kellers ansonsten strukturbiologisch sehr versierten Gruppe entscheidende innovative Beiträge hinsichtlich bioinformatischer Methodik zu leisten.