Immunmodulatorische Effekte von Ligandenbindungen bei Pollenallergenen

Allergische Erkrankungen repräsentieren eine der häufigsten Störungen des Immunsystems. Trotzdem ist bis dato wenig über die inhärenten Eigenschaften von Allergenen, welche die Weichen für eine TH2 Immunantwort stellen, bekannt. Allergene mit großer Homologie, wie Bet v 1 aus Birkenpollen und Cas s 1 aus dem Pollen der Edelkastanie, weisen zum Beispiel eine stark unterschiedliche Allergenizität auf. Außerdem konnte gezeigt werden, dass Pollenkörner per se nicht nur als Transporter der Allergene dienen sondern auch Stoffe enthalten, die eine TH2 Polarisierung begünstigen oder auslösen können. In diesem Zusammenhang wurden Pollen-assoziierte Lipidmediatoren wie zum Beispiel Phytoprostane identifiziert. Doch auch Lipopolysaccharide (LPS), die im Rahmen präliminärer Studien in wässrigen Pollenextrakten nachgewiesen werden konnten, können die T Zell Entwicklung in vivo in Richtung TH2 beeinflussen. An Hand des Hausstaubmilbenallegens Der p 2 wurde gezeigt, dass LPS direkt im Komplex mit dem Allergen den Toll-like-Rezeptor (TLR) 4 aktivieren, und so als Auto- Adjuvans für Allergene dienen kann. Ähnliche Mechanismen wären demnach auch für Allergene aus anderen Quellen denkbar, insbesondere unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Bindung hydrophober Liganden eine sehr häufig bei Allergenen beobachtete Eigenschaft darstellt. Daraus ergibt sich das Bild, dass höchstwahrscheinlich ein Zusammenspiel von allergenen Proteinen mit per se nicht-allergenen Substanzen notwendig ist, um eine TH2 Polarisierung einzuleiten und so allergische Erkrankungen auszulösen. Deshalb wollen wir in dem eingereichten Projekt dieses Zusammenspiel am Beispiel der Fagales Pollenallergien untersuchen und so TH2 induzierende Mechanismen aufklären und verstehen. Als ersten Schritt planen wir die wasserlöslichen Bestandteile aus Pollenextrakten per Massenspektrometrie zu analysieren und dadurch mögliche Liganden von Bet v 1 zu identifizieren. Parallel dazu werden wir die Interaktion von schon beschriebenen, hydrophoben Bestandteilen aus Fagales-Pollen, die TH2-polarisierende Eigenschaften aufweisen, mit rekombinanten Fagales Allergenen analysieren. Dabei sollen die molekularen Interaktionen mit Hilfe physico-chemischer (Struktur, Stabilität, Aggregationsverhalten, Ligandenbindung) sowie immunologischer (proteolytische Stabilität, Antikörperbindung, Antigenaufnahme, Aktivierung antigen-präsentierender Zellen) Parameter untersucht werden. Die so gewonnen Erkenntnisse sollen in einem in vivo Modell, in dem werden Tiere mit Allergen-Liganden Komplexen immunisiert und deren Immunantworten ausgewertet werden, weiter verfolgt werden. Die gewonnen Ergebnisse können gemeinsam mit den in vitro Daten verwendet dazu werden, die allergen-inhärenten Eigenschaften auf dem molekularen Level besser zu verstehen, und die Art und Weise (intrinsisch oder extrinsisch) dieser Interaktionen zu bewerten. Diese Studie soll beitragen, die Sichtweise auf Allergene neu bewerten und die Entstehung allergischer Erkrankungen besser verstehen zu können.

Warum werden harmlose Proteine zu gefährlichen Allergenen? Sind die Allergene selbst so gefährlich oder können äußere Faktoren wie Liganden, die immunologischen Eigenschaften von Allergenen beeinflussen und verändern? Diese Fragen beschäftigen Allergologen seit Jahrzehnten und können bis heute nicht einfach beantwortet werden. In einer Allergenquelle, wie Pollen, Hausstaubmilben, oder Nahrungsmitteln findet sich eine große Anzahl verschiedenster Proteine mit denen wir in Kontakt kommen. Normalerweise kann unser Immunsystem mit diesen Proteinen umgehen ohne uns krank zu machen. Allergiker hingegen reagieren mit der Bildung von IgE Antikörpern auf Proteine aus Allergenquellen. Vergleicht man die Reaktionsprofile von Allergikern untereinander, lassen sich dabei sehr konstante Muster ableiten, die zeigen, dass nur wenige Proteine einer Allergenquelle wirklich krankheitsrelevant sind. Was also macht diese Proteine potentiell gefährlich? Genau hier setzten wir mit unserem Forschungsprojekt an. Viele Allergene haben die Eigenschaft Liganden binden zu können. Diese Liganden können aus der Allergenquelle selber, oder aber aus der Umwelt stammen. Sobald nun Allergene und Liganden zusammentreffen, nehmen die Proteine diese Ladung auf, was in weiterer Folge die immunologischen Eigenschaften der Allergene verändert. Im Projekt haben wir uns auf zwei Allergenfamilien, nämlich Bet v 1-homologe Proteine, die Hauptallergene in Birkenpollen sowie in den Pollen verwandter Bäume darstellen, und Hausstaubmilbenallergene der Gruppe 2 konzentriert. Beide Allergenfamilien können Liganden binden. Vorerst haben wir das Hausstaubmilbenallergen Der p 2 als Modellallergen ausgewählt und Oberflächenmutanten des Allergens berechnet, die sich in ihrer Struktur nicht wesentlich vom Wildtypallergen unterscheiden sollten. Diese Mutanten wurden im Labor produziert, molekularbiologisch charakterisiert, und deren Fähigkeit Liganden zu binden konnte nun mit der Wildtypvariante von Der p 2 verglichen werden. Des Weiteren haben wir am Beispiel des Birkenpollenallergens Bet v 1 insgesamt sechs verschiedene Liganden getestet. Diese stammten zum Teil aus den Pollen selbst, aber auch aus Mikroben, die wir auf frisch gesammelten Pollen identifizieren konnten. Dabei konnten wir feststellen, dass das rekombinant produzierte, gereinigte Allergen Bet v 1 allein immunologisch fast inaktiv ist. Wenn es jedoch an Liganden bindet, kann dies die Immunogenität beeinflussen und steigern. Außerdem wird die Immunpolarisierung durch Liganden modifiziert. Gemeinsam mit Kooperationspartnern konnten wir die Struktur von Bet v 1 im Komplex mit verschiedenen Liganden lösen. Außerdem konnten wir mittels Nuklearmagnetresonanz (NMR) Spektroskopie die Struktur eines schwach allergenen Vertreters der Bet v 1-Familie aus Buchenpollen aufklären. Zusammenfassend fanden wir heraus, dass eine Kombination aus immunpolarisierenden Liganden mit Proteinen, die die Eigenschaft haben, diese Liganden zu transportieren, deren Allergenizität maßgeblich beeinflussen kann.