Konformationelle Heterogenität im Birkenpollenallergen

Die strukturelle Flexibilität von Proteinen stellt eine Grundvoraussetzung für ihre bio- logische Funktion dar. So kann zum Beispiel die Umwandlung zwischen verschiedenen Raumstrukturen von Proteinen (Konformeren) mit unterschiedlichen Eigenschaften Prozes- se wie Liganden-Erkennung und Bindung oder etwa die enzymatische Katalyse entschei- dend beeinflussen. Mit wenigen Ausnahmen beschäftigen sich Strukturuntersuchungen von Proteinen mittels Röntgenkristallographie oder kernmagnetischer Resonanzspektro- skopie (NMR) jedoch lediglich mit dem stabilsten vorhandenen Konformer, wodurch eine strukturbasierte Erklärung der experimentellen Beobachtungen vielfach nicht möglich ist. Im Rahmen dieses FWF-Einzelprojekts streben wir eine umfassende Beschreibung der konformationellen Heterogenität von verschiedenen Isoformen sowie einer genetisch modi- fizierten Variante des Birkenpollenallergens Bet v 1 an. Dieses Protein stellt die Haupt- ursache für die allergische Sensibiliseirung gegen Birkenpollen dar, welche Millionen von Menschen in Nordamerika und Westeuropa betrifft. Auf struktureller Ebene ist die Funktion von Bet v 1 jedoch nicht vollständig geklärt. So besitzen beispielsweise Isoformen dieses Proteins unterschiedliche immunologische Eigenschaften, obwohl ihre Raumstrukturen praktisch ident sind. Eine stukturbasierte Erklärung für die Wirkungsweise der Bet v 1 Aller- gene ist somit nicht möglich und ein entscheidender Beitrag durch konformationelle Hete- rogenität wird vermutet. Es ist beispielsweise bekannt, dass die dynamische Entfaltung von Proteinstrukturen, sei es auf molekularer oder lokaler Ebene, einen effizienten Mechanis- mus zur proteolytischen Spaltung darstellt, im Zuge dessen mögliche Schnittstellen an die Oberfläche der Struktur befördert werden. Tatsächlich spielt Proteolyse bei der allergi- schen Sensibilisierung gegen Bet v 1 Allergene eine wesentliche Rolle. Im vorliegenden Projekt werden wir mit Hilfe von dynamisch NMR-Spektroskopischen Methoden die konformationelle Heterogenität des Bet v 1 Allergens charakterisieren. Diese Techniken ermöglichen die direkte Beobachtung von strukturellen Umwandlungsprozessen mit atomarer Auflösung. Zusätzlich werden wir die dynamisch NMR-spektroskopischen Ex- perimente mit verschiedenen biophysikalischen Methoden kombinieren, wie etwa isother- mer Titrationskalorimetrie, Proteinstrukturbestimmung und systematischer Mutation. Durch die Verknüpfung unterschiedlicher Techniken erhoffen wir uns umfassende Einsicht in den molekularen Mechanismus der konformationellen Heterogenität von Bet v 1 Allergenen und somit einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis der immunologischen Wirkungsweise dieser Proteine.

Im vorliegenden Projekt des Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung FWF wurde das Birkenpollen-Allergen Bet v 1 im Detail charakterisiert. Inhalation dieses Proteins ist verantwortlich für allergische Reaktionen gegen Birkenpollen und betrifft mehr als 100 Millionen Patienten weltweit. Von Bet v 1 sind mehrere, natürlich vorkommende Isoformen bekannt, welche Unterschiede bezüglich ihrer immunologischen Eigenschaften aufweisen. Einige Isoformen gelten als wenig allergen, während andere trotz beinahe identer dreidimensionaler Strukturen als hochallergen eingestuft werden. Eine strukturelle Begründung für die unterschiedlichen immunologischen Eigenschaften von Bet v 1 Isoformen fehlt somit. Mit Hilfe kernmagnetischer Resonanz (NMR) Spektroskopie zur Strukturaufklärung und Relaxationsmessung untersuchten wir die strukturelle Flexibilität von Bet v 1 Isoformen im Detail. Um eine authentische Beschreibung der Flexibilität dieser Proteine zu ermöglichen, wurden ausschließlich NMR-spektroskopische Techniken verwendet, die atomare Auflösung ermöglichen. Wir konnten zeigen, dass verschieden Isoformen von Bet v 1 markant unterschiedliche Beweglichkeit um die gemittelten Struktur-Koordinaten aufweisen. Solche strukturellen Fluktuationen sind von entscheidender Wichtigkeit, da sie den Zugang von Proteasen und die darauf folgende Aufspaltung in kleinere Proteinfragmente ermöglichen. Dies ist ein notwendiger und wesentlicher Schritt zur Auslösung von Allergien. Unsere Daten deuten klar darauf hin, dass strukturelle Flexibilität und Immunogenizität direkt miteinander korreliert sind. Wir untersuchten zudem einen weiteren zentralen Aspekt dieser Proteine. Es ist bekannt, dass Bet v 1 eine Anzahl unterschiedlicher, niedrigmolekularer Verbindungen (Liganden) in einem Hohlraum binden kann, wodurch die Immunantwort von Birkenpollenallergikern beeinflusst wird. Im vorliegenden Projekt konnten wir zeigen, dass das Binden von Liganden an Bet v 1 an die strukturelle Flexibilität dieses Proteins gekoppelt ist und das Proteingerüst durch Liganden-Bindung kompakter wird. Diese Ergebnisse verdeutlichen die Wichtigkeit von Flexibilitätsmessungen für das Verständnis von Wechselwirkungen zwischen Allergenen und Liganden. Zudem wurde in diesem Projekt auf jene Proteine in Lebensmitteln eingegangen, welche bei Birkenpollenallergikern sogenannte Kreuzallergien auslösen. Wir ermittelten die dreidimensionale Struktur des Apfelallergens Mal d 1 aus Granny Smith Äpfeln und untersuchten das Binden von Liganden an dieses Protein im Detail mittels NMR-spektroskopischer Methoden. Unsere Resultate stellen die strukturbiologische Basis für die beobachteten immunoligischen Kreuzreaktionen zwischen Birkenpollen und Äpfeln dar.