Publikationsserver der Universitätsbibliothek Marburg

Titel:Das IgE-Repertoire von Kindern und Jugendlichen mit allergischem Asthma bronchiale
Autor:Strücker, Benjamin
Weitere Beteiligte: Maier, Rolf Felix (Prof. Dr.)
Veröffentlicht:2011
URI:https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2012/0002
DOI: https://doi.org/10.17192/z2012.0002
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2012-00022
DDC: Medizin
Titel (trans.):IgE transcripts in the circulation of children and adolescence suffering from allergic asthma
Publikationsdatum:2012-02-16
Lizenz:https://rightsstatements.org/vocab/InC-NC/1.0/

Dokument

Schlagwörter:
Allergisches Asthma, Allergic asthma, Bronchialasthma, Polymerase-Kettenreaktion, Immunglobulin E, Allergy, Immunglobulin, IgE, PCR, Reverse Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktion

Zusammenfassung:
Das allergische Asthma bronchiale ist eine chronisch entzündliche Erkrankung der Atemwege und mit einer Prävalenz von ca. 10% in Deutschland die häufigste chronische Erkrankung im Kindesalter. Die Erkenntnislage bezüglich der Ursachen allergischer Erkrankungen und insbesondere ihrer Zunahme in westlichen Gesellschaften ist noch unbefriedigend. Obwohl die Pathogenese des allergischen Asthma multifaktoriell und komplex ist, darf das Immunglobulin E (IgE) als das zentrale Effektormolekül der allergischen Immunantwort vom Soforttyp angesehen werden. Gebunden auf der Oberfläche von Mastzellen, generieren die IgE-Antikörper eine entscheidende Schnittstelle zwischen Allergenen und dem Immunsystem. Auf welche Weise die IgE-Antwort und damit das IgE-Repertoire im Rahmen allergischer Erkrankungen geformt werden, ist noch unklar. Gegenstand der aktuellen wissenschaftlichen Diskussion zur Immunaktivierung bei der IgE-Antwort sind alternative Aspekte: Der von der gegenwärtigen Datenlage favorisierte Mechanismus ist eine Superantigen-ähnliche Interaktion der Allergene mit dem Antikörper. Darüber hinaus wird die Beteiligung von B1-Zellen mit niedrigaffiner polyklonaler Antikörperreifung diskutiert. Die Hypothese der vorliegenden Dissertation ist, dass die IgE-Antwort beim allergischen Asthma eine klassische Antigen-gesteuerte und oligoklonale Immunantwort vom B2-Typ darstellt. Es existieren publizierte Daten zu allen drei potentiellen Reifungsmechanismen der allergischen Immunantwort; gemeinsam ist den korrespondierenden Studien jedoch eine relativ kleine Zahl von erhobenen IgE-Sequenzen (meist unter 100), welche oftmals von lediglich einem einzigen Patienten stammen. Daten zum IgE-Repertoire während Kindheit und Adoleszenz fehlen bis dato gänzlich, obwohl dies die Lebensphase mit der größten Dynamik allergischer Krankheiten ist. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher eine statistisch ausreichende Anzahl funktioneller IgE-Sequenzen von Kindern mit allergischem Asthma zu gewinnen, um somit eine solide Datengrundlage zur Analyse der immunogenetischen Charakteristik zu schaffen. Hierzu wurde eine hochsensitive reverse Transkriptase-PCR entwickelt, welche es erlaubt, humane IgE-Transkripte auch aus relativ kleinen Blutvolumina (500 µl) zu amplifizieren. Mittels dieser IgE-PCR wurde das IgE-Repertoire aus dem peripheren Blut von 13 Kindern im Alter von 3 - 16 Jahren mit allergischem Asthma amplifiziert. Die Amplifikate wurden isoliert, kloniert und sequenziert. Dabei wurden insgesamt 1.366 funktionelle IgE-Sequenzen gewonnen. Dies stellt die bis dato größte Datenbank humaner IgE-Transkripte dar. Als Referenz wurden 308 IgM-Sequenzen derselben Kinder gewonnen. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit konnten einige der publizierten Vorarbeiten zum Thema nicht bestätigen. So fand sich bei der Analyse der VH-Familiennutzung kein Hinweis auf eine Superantigen-ähnliche Aktivierung. Das Muster der im IgE Repertoire genutzten VH-Familien entsprach der Keimbahnverteilung dieser Gene, was sowohl bei IgE (56%), als auch bei IgM (55%) VH3 zur am häufigsten verwendeten Familie machte. Verglichen mit IgM (43 ± 9,8 bp) zeigten die IgE-Sequenzen (48 ± 13 bp) eine um 5 bp längere CDR-H3 (p < 0,001). Die somatische Mutationsrate der IgE-Transkripte (72‰) war mehr als dreimal so hoch wie die der IgM-Transkripte (20‰) (p < 0,001); dabei wurde keine einzige unmutierte IgE-Sequenz gefunden. Somit erscheint eine relevante Beteiligung von B1-Zellen bei der Entstehung dieser Antikörper unwahrscheinlich. Während bei nur 9% der IgM-Sequenzen eine signifikante Anhäufung von replacement-Mutationen in der klassischen Antigenbindungsstelle gefunden wurde, zeigten 29% der IgE-Transkripte Zeichen einer signifikanten Antigenselektion (p < 0,001). Darüber hinaus waren die IgE-Transkripte klonal enger verwandt als die IgM-Transkripte: Die 281 unique IgM-Sequenzen gehörten zu 227 verschiedenen Zellklonen, während 473 unique IgE-Sequenzen nur 142 Klonen zugeordnet werden konnten. Auch dieser Befund spricht für eine zielgerichtete und oligoklonal geprägte Antwort des adaptiven Immunsystems. Zusammenfassend spiegelt das IgE-Repertoire im Blut von Kindern mit allergischem Asthma eine klassische, oligoklonale Immunantwort vom B2-Typ wider. Perspektivisch liefert die vorliegende Arbeit die erforderlichen Methoden und die Referenzdaten für eine Charakterisierung der Immunmechanismen bei therapeutischen Ansätzen mit dem Ziel, die IgE-Antwort zu modifizieren, wie z. B. der anti-IgE-Therapie mit monoklonalen Antikörpern oder der allergenspezifischen Immuntherapie.

Bibliographie / References

  1. Wagner, S., C. Milstein & M. Neuberger (1995) Codon bias targets mutation. Nature, 376, 732.
  2. Matsuda, F., K. Ishii, P. Bourvagnet, K. Kuma, H. Hayashida, T. Miyata & T. Honjo (1998) The complete nucleotide sequence of the human immunoglobulin heavy chain variable region locus. J Exp Med, 188, 2151-62.
  3. Bacharier, L., A. Boner, K. Carlsen, P. Eigenmann, T. Frischer, M. Götz, P. Helms, J. Hunt, A. Liu, N. Papadopoulos, T. Platts-Mills, P. Pohunek, F. Simons, E. Valovirta, U. Wahn & J. Wildhaber (2008) Diagnosis and treatment of asthma in childhood: a PRACTALL consensus report. Allergy, 63, 5-34.
  4. Persson, H., M. Sadegh, L. Greiff & M. Ohlin (2007) Delineating the specificity of an IgE-encoding transcriptome. J Allergy Clin Immunol, 120, 1186-92.
  5. Andymuc (2005) "Klonierung2.pgn" bzw. "Transformation2.pgn" http://de.wikipedia.org/wiki/Klonierung Bach, J. F. (2002) The effect of infections on susceptibility to autoimmune and allergic diseases. N Engl J Med, 347, 911-20.
  6. Collis, A., A. Brouwer & A. Martin (2003) Analysis of the antigen combining site: correlations between length and sequence composition of the hypervariable loops and the nature of the antigen. J Mol Biol, 325, 337-54.
  7. Chang, B. & P. Casali (1994) The CDR1 sequences of a major proportion of human germline Ig VH genes are inherently susceptible to amino acid replacement. Immunol Today, 15, 367-73.
  8. J. Gibson & D. G. Higgins (2007) Clustal W and Clustal X version 2.0. Bioinformatics, 23, 2947-8.
  9. Bhat, N., A. Kantor, M. Bieber, A. Stall, L. Herzenberg & N. Teng (1992) The ontogeny and functional characteristics of human B-1 (CD5+ B) cells. Int Immunol, 4, 243-52.
  10. Jabara, H. & R. Geha (1996) The superantigen toxic shock syndrome toxin-1 induces CD40 ligand expression and modulates IgE isotype switching. Int Immunol, 8, 1503-10.
  11. Giudicelli, V., P. Duroux, C. Ginestoux, G. Folch, J. Jabado-Michaloud, D. Chaume & M. Lefranc (2006) IMGT/LIGM-DB, the IMGT comprehensive database of immunoglobulin and T cell receptor nucleotide sequences. Nucleic Acids Res, 34, D781-4.
  12. Edwards, M., W. Brouwer, C. Choi, J. Ruhno, R. Ward & A. Collins (2002) Analysis of IgE antibodies from a patient with atopic dermatitis: biased V gene usage and evidence for polyreactive IgE heavy chain complementarity-determining region 3. J Immunol, 168, 6305-13.
  13. von Boehmer, H. & F. Melchers (2010) Checkpoints in lymphocyte development and autoimmune disease. Nat Immunol, 11, 14-20.
  14. Hui, J., A. Oka, A. James, L. J. Palmer, A. W. Musk, J. Beilby & H. Inoko (2008) A genome-wide association scan for asthma in a general Australian population. Hum Genet, 123, 297-306.
  15. Coker, H., H. Harries, G. Banfield, V. Carr, S. Durham, E. Chevretton, P. Hobby, B. Sutton & H. Gould (2005) Biased use of VH5 IgE-positive B cells in the nasal mucosa in allergic rhinitis. J Allergy Clin Immunol, 116, 445-52.
  16. Wan, T., R. Beavil, S. Fabiane, A. Beavil, M. Sohi, M. Keown, R. Young, A. Henry, R. Owens, H. Gould & B. Sutton (2002) The crystal structure of IgE Fc reveals an asymmetrically bent conformation. Nat Immunol, 3, 681-6.
  17. Rivera, J. & A. Olivera (2008) A current understanding of Fc epsilon RI-dependent mast cell activation. Curr Allergy Asthma Rep, 8, 14-20.
  18. Cook, G., I. Tomlinson, G. Walter, H. Riethman, N. Carter, L. Buluwela, G. Winter & T. Rabbitts (1994) A map of the human immunoglobulin VH locus completed by analysis of the telomeric region of chromosome 14q. Nat Genet, 7, 162-8.
  19. Snow, R., C. Chapman, A. Frew, S. Holgate & F. Stevenson (1995) Analysis of Ig VH region genes encoding IgE antibodies in splenic B lymphocytes of a patient with asthma. J Immunol, 154, 5576-81.
  20. Padlan, E. (1994) Anatomy of the antibody molecule. Mol Immunol, 31, 169-217.
  21. Davies, D. R. & S. Chacko (1993) Antibody structure. Acc. Chem. Res., 26, 421-427.
  22. Holt, P. (2000) Antigen presentation in the lung. Am J Respir Crit Care Med, 162, S151-6.
  23. Dahlke, I., D. Nott, J. Ruhno, W. Sewell & A. Collins (2006) Antigen selection in the IgE response of allergic and nonallergic individuals. J Allergy Clin Immunol, 117, 1477-83.
  24. Kantor, A., C. Merrill, L. Herzenberg & J. Hillson (1997) An unbiased analysis of V(H)-D-J(H) sequences from B-1a, B-1b, and conventional B cells. J Immunol, 158, 1175-86.
  25. Bousquet, J., P. K. Jeffery, W. W. Busse, M. Johnson & A. M. Vignola (2000) Asthma. From bronchoconstriction to airways inflammation and remodeling. Am J Respir Crit Care Med, 161, 1720-45.
  26. Hardy, R. (2006) B-1 B cell development. J Immunol, 177, 2749-54.
  27. Herzenberg, L. (2000) B-1 cells: the lineage question revisited. Immunol Rev, 175, 9-22.
  28. Silverman, G. (1998) B cell superantigens: possible roles in immunodeficiency and autoimmunity. Semin Immunol, 10, 43-55.
  29. De Monchy, J., H. Kauffman, P. Venge, G. Koëter, H. Jansen, H. Sluiter & K. De Vries (1985) Bronchoalveolar eosinophilia during allergen-induced late asthmatic reactions. Am Rev Respir Dis, 131, 373-6.
  30. Leino, H. Alenius, T. Petays, T. Haahtela, A. Laitinen, C. Laprise, T. J. Hudson, L. A. Laitinen & J. Kere (2004) Characterization of a common susceptibility locus for asthma-related traits. Science, 304, 300-4.
  31. GELL, P. G. H. & R. R. A. COOMBS. 1963. Clinical Aspects of Immunology. Clinical aspects of immunology 1963 pp. xxvi + 883 pp.
  32. Rajewsky, K. (1996) Clonal selection and learning in the antibody system. Nature, 381, 751-8.
  33. Chothia, C., A. Lesk, A. Tramontano, M. Levitt, S. Smith-Gill, G. Air, S. Sheriff, E. Padlan, D. Davies & W. Tulip (1981) Conformations of immunoglobulin hypervariable regions. Nature, 342, 877-83.
  34. Bosse, Y. & M. Rola-Pleszczynski (2007) Controversy surrounding the increased expression of TGF beta 1 in asthma. Respir Res, 8, 66.
  35. Han, W., J. Mou, J. Sheng, J. Yang & Z. Shao (1995) Cryo atomic force microscopy: a new approach for biological imaging at high resolution. Biochemistry, 34, 8215- 20.
  36. Curriculum Vitae Persönliche Daten Geburtsdatum Geburtsort Familienstand 25. Oktober 1980 Bad Oeynhausen ledig Schulausbildung 1987 – 1991
  37. Ziegner, M., G. Steinhauser & C. Berek (1994) Development of antibody diversity in single germinal centers: selective expansion of high-affinity variants. Eur J Immunol, 24, 2393-400.
  38. Betz, A., M. Neuberger & C. Milstein (1993) Discriminating intrinsic and antigen- selected mutational hotspots in immunoglobulin V genes. Immunol Today, 14, 405-11.
  39. Xu, J. & M. Davis (2000) Diversity in the CDR3 region of V(H) is sufficient for most antibody specificities. Immunity, 13, 37-45.
  40. Willis-Owen, K. C. Wong, T. Illig, C. Vogelberg, S. K. Weiland, E. von Mutius, G. R. Abecasis, M. Farrall, I. G. Gut, G. M. Lathrop & W. O. Cookson (2007) Genetic variants regulating ORMDL3 expression contribute to the risk of childhood asthma. Nature, 448, 470-3.
  41. Chirurgie, Hospital-Cosme-Argerich Buenos Aires, Argentinien 08/2006
  42. Kabat, E. & T. Wu (1991) Identical V region amino acid sequences and segments of sequences in antibodies of different specificities. Relative contributions of VH and VL genes, minigenes, and complementarity-determining regions to binding of antibody-combining sites. J Immunol, 147, 1709-19.
  43. Gould, H. J. & B. J. Sutton (2008) IgE in allergy and asthma today. Nat Rev Immunol, 8, 205-17.
  44. Janezic, A., C. Chapman, R. Snow, J. Hourihane, J. Warner & F. Stevenson (1998) Immunogenetic analysis of the heavy chain variable regions of IgE from patients allergic to peanuts. J Allergy Clin Immunol, 101, 391-6.
  45. Maizels, N. (2005) Immunoglobulin gene diversification. Annu Rev Genet, 39, 23-46.
  46. Collins, A., W. Sewell & M. Edwards (2003) Immunoglobulin gene rearrangement, repertoire diversity, and the allergic response. Pharmacol Ther, 100, 157-70.
  47. Corry, D. B. & F. Kheradmand (1999) Induction and regulation of the IgE response. Nature, 402, B18-23.
  48. Sanderson, C. (1992) Interleukin-5, eosinophils, and disease. Blood, 79, 3101-9.
  49. Murphy, K. M. 2007. Janeway's Immunobiology, Seventh Edition. Garland Science Nemazee, D. (2006) Receptor editing in lymphocyte development and central tolerance. Nat Rev Immunol, 6, 728-40.
  50. Pädiatrie, Klinikum der Philipps-Universität Marburg Beruflicher Werdegang Seit 04 / 2010
  51. Geburtshilfe, Klinikum der Philipps-Universität Marburg 09/2006
  52. Berend, N., C. Salome & G. King (2008) Mechanisms of airway hyperresponsiveness in asthma. Respirology, 13, 624-31.
  53. Berek, C., G. Griffiths & C. Milstein (1985) Molecular events during maturation of the immune response to oxazolone. Nature, 316, 412-8.
  54. Berland, R. & H. Wortis (2002) Origins and functions of B-1 cells with notes on the role of CD5. Annu Rev Immunol, 20, 253-300.
  55. Chirurgie und Geburtshilfe, Orotta-Hospital Asmara, Eritrea Praktisches Jahr 08/2008 – 12/2008
  56. Snow, R., C. Chapman, A. Frew, S. Holgate & F. Stevenson (1997) Pattern of usage and somatic hypermutation in the V(H)5 gene segments of a patient with asthma: implications for IgE. Eur J Immunol, 27, 162-70.
  57. Carroll, M. & A. Prodeus (1998) Linkages of innate and adaptive immunity. Curr Opin Immunol, 10, 36-40.
  58. Kauffman, H., J. Tomee, M. van de Riet, A. Timmerman & P. Borger (2000) Protease- dependent activation of epithelial cells by fungal allergens leads to morphologic changes and cytokine production. J Allergy Clin Immunol, 105, 1185-93.
  59. Duan, B. & L. Morel (2006) Role of B-1a cells in autoimmunity. Autoimmun Rev, 5, 403-8.
  60. Ärztliche Prüfung Famulaturen 07/2005
  61. Shinkura, R., S. Ito, N. Begum, H. Nagaoka, M. Muramatsu, K. Kinoshita, Y. Sakakibara, H. Hijikata & T. Honjo (2004) Separate domains of AID are required for somatic hypermutation and class-switch recombination. Nat Immunol, 5, 707-12.
  62. Colgan, J. & I. Hankel (2010) Signaling pathways critical for allergic airway inflammation. Curr Opin Allergy Clin Immunol, 10, 42-7.
  63. Tonegawa, S. (1983) Somatic generation of antibody diversity. Nature, 302, 575-81.
  64. Casali, P. & E. Schettino (1996) Structure and function of natural antibodies. Curr Top Microbiol Immunol, 210, 167-79.
  65. Poljak, R., L. Amzel & R. Phizackerley (1976) Studies on the three-dimensional structure of immunoglobulins. Prog Biophys Mol Biol, 31, 67-93.
  66. Marone, G., G. Spadaro, B. Liccardo, F. Rossi, C. D'Orio & A. Detoraki (2006) Superallergens: a new mechanism of immunologic activation of human basophils and mast cells. Inflamm Res, 55 Suppl 1, S25-7.
  67. Bachert, C., T. van Zele, P. Gevaert, L. De Schrijver & P. Van Cauwenberge (2003) Superantigens and nasal polyps. Curr Allergy Asthma Rep, 3, 523-31.
  68. Basu, M., M. Hegde & M. Modak (1983) Synthesis of compositionally unique DNA by terminal deoxynucleotidyl transferase. Biochem Biophys Res Commun, 111, 1105-12.
  69. Cookson, W. (1999) The alliance of genes and environment in asthma and allergy. Nature, 402, B5-11.
  70. Eder, W., M. J. Ege & E. von Mutius (2006) The asthma epidemic. N Engl J Med, 355, 2226-35.
  71. Kinet, J. P. (1999) The high-affinity IgE receptor (Fc epsilon RI): from physiology to pathology. Annu Rev Immunol, 17, 931-72.
  72. Zemlin M, Rogosch T, Kerzel S (2010) The Immunogenetics of Allergic Sensitization: Selection of the IgE Repertoire. in: MA Osborne, Advances in Genetics Research, Volume 1. Hauppauge NY 2010 (Nova Science Publishers)
  73. Lossos, I. S., R. Tibshirani, B. Narasimhan & R. Levy (2000) The inference of antigen selection on Ig genes. J Immunol, 165, 5122-6.
  74. Maddox, L. & D. A. Schwartz (2002) The pathophysiology of asthma. Annu Rev Med, 53, 477-98.
  75. Sterk, P. (1995) The place of airway hyperresponsiveness in the asthma phenotype. Clin Exp Allergy, 25 Suppl 2, 8-11; discussion 17-8.
  76. Burchell, J., D. Strickland & P. Stumbles (2009) The role of dendritic cells and regulatory T cells in the regulation of allergic asthma. Pharmacol Ther.
  77. Davies, D., E. Padlan & D. Segal (1975) Three-dimensional structure of immunoglobulins. Annu Rev Biochem, 44, 639-67.
  78. Tung, J. & L. Herzenberg (2007) Unraveling B-1 progenitors. Curr Opin Immunol, 19, 150-5.
  79. Alt, F., E. Oltz, F. Young, J. Gorman, G. Taccioli & J. Chen (1992) VDJ recombination. Immunol Today, 13, 306-14.
  80. Lim, A., S. Luderschmidt, A. Weidinger, C. Schnopp, J. Ring, R. Hein, M. Ollert & M. Mempel (2007) The IgE repertoire in PBMCs of atopic patients is characterized by individual rearrangements without variable region of the heavy immunoglobulin chain bias. J Allergy Clin Immunol, 120, 696-706.
  81. Chevenet, F., C. Brun, A. L. Banuls, B. Jacq & R. Christen (2006) TreeDyn: towards dynamic graphics and annotations for analyses of trees. BMC Bioinformatics, 7, 439.
  82. Bose, B. & S. Sinha (2005) Problems in using statistical analysis of replacement and silent mutations in antibody genes for determining antigen-driven affinity selection. Immunology, 116, 172-83.
  83. Meffre, E., M. Milili, C. Blanco-Betancourt, H. Antunes, M. Nussenzweig & C. Schiff (2001) Immunoglobulin heavy chain expression shapes the B cell receptor repertoire in human B cell development. J Clin Invest, 108, 879-86.
  84. Snow, R., R. Djukanovic & F. Stevenson (1999) Analysis of immunoglobulin E VH transcripts in a bronchial biopsy of an asthmatic patient confirms bias towards VH5, and indicates local clonal expansion, somatic mutation and isotype switch events. Immunology, 98, 646-51.
  85. Eibensteiner, P., S. Spitzauer, P. Steinberger, D. Kraft & R. Valenta (2000) Immunoglobulin E antibodies of atopic individuals exhibit a broad usage of VH- gene families. Immunology, 101, 112-9.
  86. Broide, D. H. (2008) Immunologic and inflammatory mechanisms that drive asthma progression to remodeling. J Allergy Clin Immunol, 121, 560-70; quiz 571-2.
  87. Graille, M., E. Stura, A. Corper, B. Sutton, M. Taussig, J. Charbonnier & G. Silverman (2000) Crystal structure of a Staphylococcus aureus protein A domain complexed with the Fab fragment of a human IgM antibody: structural basis for recognition of B-cell receptors and superantigen activity. Proc Natl Acad Sci U S A, 97, 5399-404.
  88. Hayakawa, K., R. Hardy, M. Honda, L. Herzenberg & A. Steinberg (1984) Ly-1 B cells: functionally distinct lymphocytes that secrete IgM autoantibodies. Proc Natl Acad Sci U S A, 81, 2494-8.
  89. Tornberg, U. C. & D. Holmberg (1995) B-1a, B-1b and B-2 B cells display unique VHDJH repertoires formed at different stages of ontogeny and under different selection pressures. Embo J, 14, 1680-9.
  90. Brezinschek, H. P., S. J. Foster, R. I. Brezinschek, T. Dorner, R. Domiati-Saad & P. E. Lipsky (1997) Analysis of the human VH gene repertoire. Differential effects of selection and somatic hypermutation on human peripheral CD5(+)/IgM+ and CD5(-)/IgM+ B cells. J Clin Invest, 99, 2488-501.
  91. Schroeder, H. J. & J. Wang (1990) Preferential utilization of conserved immunoglobulin heavy chain variable gene segments during human fetal life. Proc Natl Acad Sci U S A, 87, 6146-50.


* Das Dokument ist im Internet frei zugänglich - Hinweise zu den Nutzungsrechten