La quête de motifs structuraux des protéines allergéniques – Heimo Breiteneder

C’est une quête, donc toujours en cours…

Le potentiel allergénique d’une protéine ne devient évident que quand elle interagit avec un système immunitaire atopique.

Plan de l’exposé :

• Familles de protéines
• Distance évolutive
• Potentiel allergénique
• Distribution de l’allergénicité
• Réactivité croisée et émergence de l’allergénicité

Familles de protéines :

• Prenons l’exemple des Rosacées, une famille botanique, et des PR-10, une famille de protéines.

L’évolution au niveau moléculaire est parallèle à l’évolution macroscopique.

Les vingt dernières années ont vu un approfondissement massif de notre connaissance des protéines de plantes en raison de la possibilité d’avoir accès aux séquences d’acides aminés et aux structures tridimensionnelles.

Sur la base de leurs relations structurelles et évolutives, les protéines ont été classées en familles et en superfamilles.

Cette classification permet l’étude systématique de la distribution des protéines allergéniques en familles et superfamilles de protéines.

La base de données Allfam (www.meduniwien.ac.at/allergens/allfam) est basée sur la classification de la base de données Pfam.

Allfam liste la distribution des allergènes par familles de protéines, sources, et voies d’exposition.

Les 181 allergènes alimentaires issus des plantes appartiennent à (seulement) 35 familles parmi les 9318 familles recensées dans Pfam. (0.38%).

4 de ces familles sur 35 contiennent 66% de tous les allergènes alimentaires végétaux connus.

Les 205 allergènes polliniques connus sont trouvés dans 46 des 9318 familles de Pfam (0.49%).

13 des 46 familles contiennent 77% des allergènes polliniques connus.

Les 93 allergènes alimentaires d’origine animale appartiennent à (seulement) 20 familles parmi les 9318 familles recensées dans Pfam. (0.21%).

3 de ces familles sur 20 contiennent 62% de tous les allergènes alimentaires d’origine animale connus.

Conclusions sur les familles de protéines.

• Les allergènes appartiennent à un nombre restreint de familles de protéines.
• Tous les allergènes connus appartiennent à 138 des 9318 (soit 1.5%) des familles de Pfam.
• La capacité à sensibiliser un système immunitaire atopique semble limitée à certaines familles de protéines.

Distance évolutive :

• Tous les allergènes alimentaires d’origine animale ont des homologues dans le protéome humain.
• Ceci affecte la manière dont ils sont reconnus par le système immunitaire humain.

Selon Jenkins JA et al, (JACI 2007, 120 :1399) les tropomyosines humaines ont :

• 98% d’identité avec les tropomyosines de porc
• 95% d’identité avec les tropomyosines de poule
• 93% d’identité avec les tropomyosines de thon
• 54% d’identité avec les tropomyosines de crabe
• 53% d’identité avec les tropomyosines de homard
• 52% d’identité avec les tropomyosines de crevette

Donc il n’y a pas de problème quand l’identité est forte, mais elles peuvent être allergéniques quand l’identité de séquence est plus faible.

Dans cette même étude, les auteurs se sont intéressés aux parvalbumines et les pourcentages d’identité avec les parvalbumines humaines sont variables :

• 87% d’identité avec les parvalbumines de lapin
• 78% d’identité avec les parvalbumines de poule
• 56% d’identité avec les parvalbumines de carpe
• 55% d’identité avec les parvalbumines de saumon
• 53% d’identité avec les parvalbumines de morue
• 49% d’identité avec les parvalbumines de colin d’Alaska

Tableau dont on tire des conclusions similaires aux tropomyosines.

Toujours dans la même étude : les caséines.

Pour l’alpha S1 caséine, les pourcentages d’identité avec l’homologue humain :

• 29% pour la vache
• 44% pour la jument (dont l’alpha S1 cas a 39% d’homologie avec l’homologue de la vache)

Pour l’alpha S2 caséine :

• 16% pour la vache
• non précisé pour la jument

Pour la béta caséine :

• 53% pour la vache
• 58% pour la jument

Pour la Kappa caséine :

• 53% pour la vache
• 66% pour la jument

Les allergènes connus de caséine du lait de vache ont tous moins de 54% d’identité de séquence.

Ceci paraît lié à leur IgE réactivité, les caséines les moins semblables à leurs homologues humains étant les plus réactives.

Ainsi, dans un groupe d’enfants allergiques au lait de vache (Natale M. et al, Mol Nutr Food Res 2004, 48 :363) :

• 90% ont des IgE sériques contre l’alpha S2 caséine
• 55% contre l’alpha S1 caséine
• 15% contre la béta caséine, la caséine bovine ayant la plus haute identité de séquence avec la caséine humaine.

Conclusions sur la distance évolutive :

• Dans les séquences analysées, les protéines ayant moins de 56% d’identité de séquence avec leurs homologues humaines étaient toutes allergéniques.
• Les protéines avec une identité de séquence supérieure à 63% avec leurs homologues humains étaient rarement allergéniques.

En d’autres termes, l’allergénicité des membres d’une famille de protéines décroît en fonction de leur proximité aux homologues humains.

L’existence d’un homologue humain est une restriction pour des structures potentiellement allergéniques.

Potentiel allergénique :

Selon Heimo Breitenender, on peut distinguer :

• Les allergènes complets : protéines capable de sensibiliser un individu atopique et d’induire une réponse IgE. (par ex Bet v 1)
• Les allergènes incomplets : protéines incapables de sensibiliser un individu atopique, capables de liaison aux IgE, liaison induite par un allergène complet de structure similaire. (par ex Mal d 1).

Le contenu des fruits en allergènes est variable.

Prenons l’exemple des nsLTP (protéines de transfert de lipides non spécifiques) :

• pêche : pour 300g de fruit, 1.8mg de Pru p 3 (Sonja Gaier et al, Mol Nutr Food Res 2008)
• Pomme : pour 250g de fruit, 0.9 mg de Mal d 3 (Christina Oberhuber et al, Mol Nutr Food Res 2008)
• Pomme : pour 250g de fruit, 1.6 mg de Mal d 3 (Ana Sancho et al, Int Arch Allergy Immunol 2008 ;146 :19-26)

Protéines de stockage de légumes et de graines :

Source	2S albumine	Viciline	Légumine
Arachide	Ara h 2, 6, 7	Ara h 1	Ara h 3/4
Soja	3 napin-type 2S albumine	Béta-conglycinine	Glycinine
Pois	n.d.	Pis s 1, 2	Numerous
Haricot	n.d.	Phaséoline	n.d.

Dans les Fabacées, beaucoup d’identité entre ces protéines.

Source	2S albumine	Contenu en protéine	Pourcentage en 2S alb
Arachide	Ara h 2, 6, 7	24-29%	Ara h 2 : 5.9-9.3%
Graines de tournesol	SFA-8	20-40%	2S alb : 33%

Références pour l’arachide : Koppelman SJ et al, Allergy 2001, 56 :132.
Pour le tournesol : Burnett GR et al, J Colloid Interf Sci 2002, 247 :177 et Pantoja-Uceda D et al, Biochem 2004, 43 :6976.

Pour la stabilité à la digestion : Ara h 2 a une très forte stabilité protéolytique (Sen M et al, J Immunology 2002, 169 :182 et Lehmann K et al, Biochem J 2006, 395 :463) et SFA-8 est hautement résistante à la digestion protéolytique (Murtagh et al, Clin Exp Allergy 2003, 33 :1147)

Conclusion sur le potentiel allergénique :

• Il existe des degrés très variables de potentiel allergénique à l’intérieur d’une même famille de protéines.

Distribution de l’allergénicité.

Dans les prolamines SF, on recense Prolamines, nsLTP1, nsLTP2, 2S albumines, Puroindolines, des protéines hydrophobiques et HyPRP.

Si l’on regarde le cladogramme des Bet v 1-like, on constate que les PR-10 des dicots sont très proches des PR-10 des monocots et des conifères.

Allergènes et non allergènes sont côte à côte :

PR-10	MLP/RRP	CSBP
Fra a 1	3.1.R4
Gly m 4	MSG
Vig r 1		CSBP
Cap ch 17kDa	Sn-1, Sn-2

Conclusions sur la distribution de l’allergénicité :

• A l’exception de la superfamille des prolamines, les protéines allergéniques des plantes sont trouvées dans un nombre restreint de membres de familles de leurs superfamilles respectives.
• Toutes les variations de structure ne sont pas allergéniques.

Réactivité croisée et émergence de l’allergénicité.

Réactivité croisée et allergénicité dans les Bet v 1-like.

Bet v 1 et ses homologues des pollens des autres espèces des Fagales sont les seules protéines à l’intérieur de cette superfamille à être capable d’initier une réponse immune allergique.

La réactivité croisée avec les autres membres de la famille Bet v 1 (PR-10) est élevée ; elle est responsable du syndrome pollen de bouleau-aliments d’origine végétale.

La distribution des allergènes à l’intérieur de la superfamille des prolamines contraste fortement avec la superfamille de Bet v 1.

Des allergènes ont été identifiés dans de nombreuses familles membres.

La réactivité croisée entre les membres allergéniques des familles variées n’existe pas.

Conclusion sur la réactivité croisée et l’émergence de l’allergénicité.

• Le cœur structural des prolamines, présent dans le dernier ancêtre commun a un haut potentiel allergénique.
• L’allergénicité des membres de la superfamille de Bet v 1 semble avoir évolué comme une modification structurelle de la configuration spatiale de Bet v 1.

Les études comparatives des homologues structuraux allergéniques et non allergéniques nous éclairera sur les caractéristiques structurales clés des allergènes.

En matière d’allergénicité, il y a bien des caractéristiques structurales…

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Fonction biologique des allergènes et son impact sur l’allergénicité

Michael D Spangfort

On peut partir d’un modèle simple, constitué d’un triangle dont les 3 sommets sont le système immunitaire, l’extrait allergénique et l’allergène, triangle encadré par l’atopie d’une part et l’exposition d’autre part.

Un même allergène n’aura pas les mêmes conséquences chez un atopique et chez un non atopique.

Prédire les sources de sensibilisation et le moment de survenue de ces sensibilisations est difficile…

De l’allergène à l’extrait, il y a une certaine distance, sans parler du fait que des composants non allergéniques des extraits peuvent également intervenir.

Première fonction biologique étudiée : les enzymes

Les allergènes des acariens sont souvent des enzymes (Thomas et al Int Arch Allergy Immunol 2002) :

Groupe	Fonction biologique	Poids mol en kDa	%Prévalence liaison IgE
1	Cystéine protéase	25	80-100
2	inconnue	14	80-100
3	Trypsine	25	16-100
4	Alpha-amylase	57	40-46
5	inconnue	14	50-70
6	Chymotrypsine	25	40
7	inconnue	25 (26.29.31)	50
8	Glutathion-S-transférase	26	40
9	Sérine protéase	30	90
10	Tropomyosine	33	50-95
11	Paramyosine	96 (92.98)	80
12	inconnue	14	50
13	Protéine se liant aux ac. gras	15	non précisée
14	Vitellogénine/Apolipophorine	180	90
15	Chitinase 98k	63 (98)	70
16	Gelsoline	55kDa	35
17	Protéine se liant au Ca	30	35
18	Chitinase 60k	60	60
19	Peptide antimicrobien	7	10

Activation de Der p 1 :

• Glutathion transférase (Enzyme red : GSSG) Glutathion oxydase (Enzyme ox : GSH) Glutathion transférase…
• GSH dans les voies aériennes
• Der p 8 est une glutathion transférase.

L’activité de Der p 1 est catalysée par Der p 8.

Pro-Der p 1, Der p 1 inactive qui passe à une forme active soit par DTT, Cys, GSH, soit (surtout) par GSH et Der p 8.

L’activation de Der p 1 par 100µM GSH est semblable à celle obtenue par 5mM DTT, mais se passe plus lentement.

L’addition de Der p 8 provoque une activation plus forte et plus rapide de Der p 1 par GSH in vitro.

Der p 8 catalyse l’activité protéolytique de Der p 1.

Deuxième fonction biologique étudiée : les protéines de transport.

Bet v 1 peut se lier à de nombreux ligands (acides gras, hormones de croissance, stéroïdes,…)

Cette liaison peut avoir une action sur la perméabilisation de membranes cellulaires.

Bet v 1 peut se lier à des phospholipides chargés négativement ; à la suite d’un réarrangement structural, il y a insertion partielle dans la structure bi-couche lipidienne. (Morgensen et al, Biochemistry, 2007).

Ceci peut être une explication à l’allergénicité renforcée de Bet v 1, combinée à des ligands et interagissant avec des membranes cellulaires.