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Origine des réactions croisées

dimanche 22 mars 2009, par Allerdata

Les réactivités croisées entre allergènes (et donc entre produits allergisants naturels) s’expliquent intuitivement avec la parenté qu’ont ces produits : pollens de différentes graminées, acarien D. pteronyssinus et D. farinae, fruits de la famille des Rosacées, etc..

Mais la classification des êtres vivants, la taxonomie, n’explique pas tout. Qu’y a-t-il de commun entre une pomme et un grain de pollen de bouleau ?

Ces 2 produits naturels contiennent-ils le MEME allergène, comme, par exemple, le lait de vache et la viande de boeuf qui contiennent la même albumine ?

En fait, non. Il est tout à fait exceptionnel que deux organismes vivants d’espèces différentes possèdent les MEMES protéines et donc les mêmes allergènes.

La réactivité croisée proviendra d’une "double inconstance" comme dirait Marivaux : des allergènes qui se ressemblent beaucoup et des IgE qui ne sont pas d’une fidélité à toute épreuve !

Toute la question de la réactivité croisée tourne donc autour d’une même notion : l’homologie.

Jusqu’où l’homologie influe-t-elle sur les réactivités croisées ?

Pour une même molécule d’IgE, une liaison est possible avec différents allergènes pour autant qu’une ressemblance suffisante existe au niveau des épitopes de ces allergènes.

Cette ressemblance est en grande partie conditionnée par l’existence des mêmes acides aminés (AA) aux mêmes endroits sur la chaîne polypeptidique de chacun des allergènes.

On chiffre l’homologie entre 2 protéines sous la forme d’un % d’identité séquentielle.

Existe-t-il un seuil d’identité séquentielle au dessus duquel on assistera à des réactions croisées et en dessous duquel elles ne peuvent avoir lieu ? Non, il n’y a pas de limite précise entre ces 2 éventualités. Quand l’identité entre 2 allergènes est proche de 100% ou, au contraire, extrêmement faible on peut se prononcer sans trop de risque. Mais sinon on se situe dans une large zone grise.

Pourquoi cette imprécision ?

Plusieurs facteurs interviennent :

  • Certaines protéines sont un assemblage de « domaines » juxtaposés : cela provient de la duplication ou de l’épissage de gènes au fil de l’évolution des espèces. Par exemple, les chitinases de classe 1 ont un domaine dit « hévéine » qui est retrouvé également sur une autre sorte de protéines, les « barwin ». Seul ce domaine est partagé entre chitinases et barwin, le reste des molécules étant très différent.

On comprend que, si des réactions croisées (RC) peuvent se manifester entre les domaines hévéine de 2 allergènes différents, l’homologie séquentielle sera limitée à une partie seulement des molécules globale et que le % d’identité globale pourra être loin de 100%.

On peut donc avoir parfois des RC avec seulement 40-60% d’identité globale.

  • Un grand nombre de protéines se présentent sous une forme repliée, dite « globulaire ». Cette conformation dans l’espace est importante pour que la fonction biochimique de la protéine puisse s’exercer pleinement. Le repliement n’est pas le résultat du hasard : c’est notamment la présence de tel ou tel AA, à telle ou telle distance d’un autre, qui va permettre que la protéine prenne la forme désirée en 3D. Il n’est pas indispensable que 2 protéines aient un % d’identité maximal pour qu’elles adoptent une conformation 3D similaire.

Les lipocalines sont un exemple classique de ce décalage entre forte ressemblance 3D et faible niveau d’identité séquentielle.

Sachant que ces allergènes des phanères animales croisent très peu entre eux, doit-on en déduire que la conformation dans l’espace est sans influence sur la reconnaissance par une IgE d’un épitope croisant ? Et que seule l’identité séquentielle est en jeu ?

Cela n’est pas si simple. Il faut raisonner en homologie locale plutôt que globale. Et tenir compte des deux composantes, séquentielle et spatiale, qui s’additionnent en fait :

    • D’un côté, l’identité des AA est importante au niveau local, celui de l’épitope. Pour qu’une RC ait des chances de survenir, il faudra un maximum d’AA identiques entre les 2 allergènes parmi les 10-15 AA des zones épitopiques ; et notamment certains AA identiques aux mêmes endroits pour assurer une bonne affinité de liaison avec l’IgE croisante. En effet, il suffit parfois d’un seul AA différent pour que l’IgE-réactivité chute ou disparaisse (cf. Bet v 1).
    • D’un autre côté, il faut aussi prendre en considération le caractère spatial de l’interaction IgE-épitope :
      • L’accessibilité réelle des IgE : en effet, pour des protéines globulaires, il importe que la ressemblance s’exerce surtout à la surface des allergènes, là où les IgE vont pouvoir se lier. On peut donc avoir des % d’identité globaux moyennement élevés avec malgré tout des RC si les % d’identité en surface sont suffisants : dans la pomme, par exemple, Mal d 1 a seulement 56% d’identité globale avec son équivalent Bet v 1 dans le pollen de bouleau, mais ce taux monte à 71% en surface.
      • Le repliement de la protéine : il faut se souvenir que pour la majorité des allergènes la zone épitopique résulte du rapprochement de petites séquences d’AA, au départ distantes sur la chaîne polypeptidique, mais finalement côte à côte après le repliement de la protéine sur elle-même . L’homologie entre ces épitopes conformationnels (ou « discontinus » ) ne peut être basée sur de simples comparaisons de séquences d’AA : il faut tenir compte de la configuration 3D finale des protéines.
      • La forme dans l’espace de l’épitope lui-même : la modélisation en 3D des protéines montre que de très petites variantes locales en AA modifient parfois significativement la forme spatiale d’un épitope (cf. domaine hévéine).
      • Enfin, l’influence des paramètres physiques (ex. chaleur) ou biochimiques (ex. présence ou non d’un ligand pour la protéine) est susceptible de modifier la configuration 3D tant au niveau de la protéine elle-même qu’au niveau de ses épitopes. Ce qui est pris pour une identité suffisante sur le papier peut tout à fait n’avoir aucune incidence dans les conditions réalistes du contact du patient avec les protéines en question.

On pourrait illustrer ces diverses composantes avec le schéma suivant (les flèches vertes favorisent la réactivité croisée, contrairement aux flèches rouges) :

Ce schéma s’applique particulièrement aux protéines globulaires. Pour celles qui adoptent une configuration 3D de type plus linéaire (ex. tropomyosines) ou désordonné (ex. caséines, gluténines, ..), la reconnaissance d’un épitope croisant est moins dépendante d’une identité 3D précise. Et les perturbations induites par le chauffage, par exemple, sont moins sensibles sur la liaison aux IgE.

La relation homologie - réactivité croisée : l’exemple de la famille des tropomyosines

L’absence de globularité des tropomyosines simplifie les choses : les épitopes IgE-réactifs seront assez fidèlement déterminés par la technique des peptides chevauchants. Par ailleurs, on connaît la séquence en AA d’un grand nombre de tropomyosines ; et ces dernières sont connues pour être IgE-réactives dans un très large éventail d’animaux invertébrés : on les considère comme des « panallergènes ».

Les tropomyosines constituent donc un exemple assez didactique pour expliquer l’intrication entre distance taxonomique, degré d’homologie et réactivité croisée.

Les schémas ci-dessous illustrent les 2 étapes qui conduisent à une réactivité croisée éventuelle :

  • dans un premier temps, le potentiel immunogène d’une protéine va dépendre (notamment) de l’ « étrangeté » de cette dernière : on compare donc le % d’identité de cette protéine avec la protéine correspondante chez l’homme. Il faut un certain niveau de non-ressemblance avec la protéine humaine pour qu’une réponse immunitaire soit lancée


% d’identité globale des tropomyosines comparativement à la tropomyosine humaine (BLAST-P effectué le 01/03/09 sur Uniprot)

On voit que l’homologie entre la tropomyosine humaine et les tropomyosines de mammifères est très élevée : ces dernières généreront très difficilement une réponse IgE. Inversement, les tropomyosines des arthropodes et autres invertébrés peuvent s’avérer des allergènes.

C’est ainsi que les tropomyosines des viandes de bœuf, lapin, poulet, etc.. sont considérées comme non allergéniques. Ayuso, par exemple, a étudié 57 patients présentant une allergie aux viandes  : il n’a pu trouver qu’un seul patient positif en blot pour la tropomyosine de poulet, 1 pour celle de porc et aucun pour celles de bœuf ou de lapin.

A ce déficit d’ « étrangeté » des tropomyosines de mammifères pourrait s’ajouter une digestibilité plus facile rendant ces protéines encore moins immunogènes. Il a ainsi été suggéré que la pepsine scindait la tropomyosine de poulet à des endroits différents de ceux touchés dans le cas d’une tropomyosine de crevette et que cela pouvait rompre un épitope chez le poulet qui restait intact chez la crevette . Cependant, les tests classiques de digestion simulée en laboratoire (pH 1,2 + pepsine) ne montrent pas de différence notable entre tropomyosine de poulet et tropomyosine de crevette : les deux protéines ne sont plus détectées (> 2,5 kDa) après 5 min de digestion .

  • par la suite, en admettant que des IgE aient été produites en réponse à ce contact immunogène, le potentiel cross-réactif d’autres protéines sera estimé en comparant ces protéines à la protéine immunogène. On cherchera alors l’inverse, à savoir quelles sont les protéines qui ressemblent suffisamment à la protéine immunogène.


% d’identité globale des tropomyosines comparativement à la tropomyosine de crevette Pen a 1

Ainsi, on assistera à des réactivités croisées aisées entre tropomyosines de crustacés, et un peu moins aisées, par exemple, entre ces dernières et celles des acariens ou des nématodes. Et a priori pas d’expansion de la réactivité (et, partant, de l’allergie) aux tropomyosines des viandes en cas d’allergie aux crustacés.

C’est bien ce qui est constaté en clinique mais aussi in vitro . Il semble que le niveau d’identité entre les tropomyosines de mammifères et celles de crustacés au niveau des épitopes n’atteigne pas une valeur suffisante, même si ce niveau semblerait parfois plus favorable que ne le laisse prévoir le % d’identité global entre les protéines (cf. tableau ).

[1] - Aalberse RC. Structural features of allergenic molecules. Chem Immunol Allergy 2006;91:134-146
In this paper the relation between protein allergenicity (the capacity to induce IgE antibody production or the capacity to activate mast cells sensitized with IgE antibodies induced by a cross-reactive allergen) and protein structure is discussed. While cross-reactivity is to a large degree predictable from primary sequence comparisons, the IgE-inducing capacity is mostly determined by factors other than the primary sequence. Two routes to IgE are discussed: (1) the atopic route (used by allergens from pollen and mites) in which a direct switch from mu to epsilon is common and (2) the 'modified Th2' route (used by allergens from pets) in which the class switch to IgE is often preceded by a switch to IgG4. According to this working hypothesis, the choice between these two routes is determined at the level of the germinal center activity.
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[2] - Altschul SF, Madden TL, Schaffer AA, Zhang J, Zhang Z, Miller W et al. Gapped BLAST and PSI-BLAST: a new generation of protein database search programs. Nucleic Acids Res 1997;25:3389-3402
The BLAST programs are widely used tools for searching protein and DNA databases for sequence similarities. For protein comparisons, a variety of definitional, algorithmic and statistical refinements described here permits the execution time of the BLAST programs to be decreased substantially while enhancing their sensitivity to weak similarities. A new criterion for triggering the extension of word hits, combined with a new heuristic for generating gapped alignments, yields a gapped BLAST program that runs at approximately three times the speed of the original. In addition, a method is introduced for automatically combining statistically significant alignments produced by BLAST into a position-specific score matrix, and searching the database using this matrix. The resulting Position-Specific Iterated BLAST (PSI-BLAST) program runs at approximately the same speed per iteration as gapped BLAST, but in many cases is much more sensitive to weak but biologically relevant sequence similarities. PSI-BLAST is used to uncover several new and interesting members of the BRCT superfamily.
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[3] - Ayuso R, Lehrer SB, Tanaka L, Ibanez MD, Pascual C, Burks AW, et al. IgE antibody response to vertebrate meat proteins including tropomyosin. Ann Allergy Asthma Immunol 1999;83:399-405
Although meat is a main source of proteins in western diets, little information is available regarding allergy to vertebrate meats or the allergens implicated in these reactions. OBJECTIVE: To evaluate the in vitro IgE antibody response to different vertebrate meats in suspected meat-allergic subjects, as well as the possible role of tropomyosin in meat allergy and to analyze the cross-reactivity between vertebrate meats and the effect of heating on the IgE-binding to meat proteins. METHODS: Fifty-seven sera from suspected meat-allergic subjects were tested by grid blot to extracts of beef, lamb, pork, venison, chicken, and turkey and to four mammalian tropomyosins of different origins. RESULTS: Meat-allergic subjects have IgE antibodies to proteins in different mammalian meats (43/57 subjects); cross-reactivity with avian meat was limited: less than 50% (19/43) of meat positive sera reacted to chicken. In contrast, most of the poultry-positive sera also reacted to different mammalian meats. In general, there was stronger IgE reactivity to raw meats in comparison to cooked meats; an exception was six cases in which IgE reactivity to cooked poultry was stronger. Weak IgE reactivity to tropomyosin was detected in only 2/57 sera tested. CONCLUSIONS: Suspected meat-allergic subjects have serum IgE directed to meat proteins. In vitro cross-reactivity among mammalian meats appears to be important, while cross-reactivity to poultry is limited indicating mammalian-specific proteins. Although cooking in general denatures meat proteins rendering them less allergenic, in some cases the process of cooking may result in the formation of new allergenic moieties. The muscle protein tropomyosin is not an important vertebrate meat allergen.
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[4] - Mikita CP, Padlan EA. Why is there a greater incidence of allergy to the tropomyosin of certain animals than to that of others ? Med Hypotheses 2007;69:1070-1073
Tropomyosin is a major allergen in various foods, implicated in a spectrum of mild to life threatening systemic reactions. The incidence of allergy to tropomyosin varies greatly by species, with sensitivity to crab, shrimp, cockroach, and dust mite tropomyosins, among others, being the highest, while tropomyosins in vertebrate species are considered non-allergenic. We have analyzed the possible fragments which may result from Pepsin A digestion of tropomyosins from various species and find that larger fragments of the tropomyosins from crab, shrimp, cockroach, and especially, dust mites will probably survive gastric digestion, compared to those from, for example, chicken, cattle, rabbit, or fish. These larger peptide fragments may enter the bloodstream and assume a three-dimensional structure whose stability approaches that of the intact molecule. Antibodies, including IgE, would be expected to be produced specifically against stable regions of the tertiary structure. We propose that this is a plausible explanation for the greater ability of the larger molecules derived from invertebrate tropomyosins to trigger an immediate hypersensitivity response.
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[5] - Fu TJ, Abbott UR, Hatzos C. Digestibility of food allergens and nonallergenic proteins in simulated gastric fluid and simulated intestinal fluid-a comparative study. J Agric Food Chem 2002;50:7154-7160
Information on the comparative digestibility of food allergens and nonallergenic proteins is crucial when stability to digestion is to be used as a criterion to assess the allergenic potential of novel proteins. In this work, we compared the digestive stability of a number of food allergens and proteins of unproven allergenicity and examined whether allergens possess a higher stability than nonallergenic proteins of similar cellular functions, and whether there is a correlation between protein digestibility and allergenicity. The stability of groups of storage proteins, plant lectins, contractile proteins, and enzymes, both allergens and proteins with unproven allergenicity, in a standard simulated gastric fluid and a standard simulated intestinal fluid was measured. Food allergens were not necessarily more resistant to digestion than nonallergenic proteins. There was not a clear relationship between digestibility measured in vitro and protein allergenicity.
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[6] - Arlian LG, Morgan MS, Vyszenski-Moher DL, Sharra D. Cross-reactivity between storage and dust mites and between mites and shrimp. Exp Appl Acarol 2009;47:159-172
Many patients have sensitivities to multiple species of storage and house dust mites. It is not clear if this is because patients have multiple sensitivities to species-specific mite allergens or if these mites share many cross-reacting allergens. Our objective was to further define the cross-allergenicity between several species of storage and house dust mites using crossed-immunoelectrophoresis (CIE), crossed-radioimmunoelectrophoresis (CRIE), immunoblotting, and ELISA. CIE and CRIE reactions revealed that storage mites shared two cross-antigenic molecules and one of these bound IgE in a serum pool from mite allergic patients. Antibody in anti-sera built to each species of mite recognized many SDS-PAGE resolved proteins of other mite species and this suggested the potential for other cross-reactive allergens. Among patient sera, IgE bound to many different proteins but few had IgE that bound to a protein with common molecular weights across the mite species and this suggested mostly species-specific allergens. Antiserum built to each mite species precipitated one protein in shrimp extracts that bound anti-Der p 10 (tropomyosin) and IgE in the serum pool. Anti-Der p 10 showed strong binding to shrimp tropomyosin but very little to any of the mite proteins. ELISA showed the mite extracts contained very little tropomyosin. The storage and dust mites investigated contain mostly species-specific allergens and very small amounts of the pan-allergen tropomyosin compared to shrimp and snail.
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[7] - Reese G, Tracey D, Daul CB, Lehrer SB. IgE and monoclonal antibody reactivities to the major shrimp allergen Pen a 1 (tropomyosin) and vertebrate tropomyosins. Adv Exp Med Biol 1996;409:225-230
Pen a 1, the major shrimp allergen from brown shrimp Penaeus aztecus has been identified as the muscle protein tropomyosin. To identify Pen a 1 IgE binding sites, the reactivities of Pen a 1-specific monoclonal antibodies (mAbs) and shrimp-allergic subjects' IgE to shrimp and homologous mammalian tropomyosins were analyzed. Pen a 1, purified by preparative SDS-PAGE and commercially obtained porcine, bovine and rabbit tropomyosin were cleaved by CNBr or digested by endoproteinases Lys-C, Glu-C, trypsin, Arg-C and chymotrypsin. Reactivities of Pen a 1-specific mAbs and IgE to the resulting peptides were analyzed by dot blot and immunoblotting. The dot blot analysis showed that mAbs and IgE antibodies did not react with any of the mammalian tropomyosins. The immunoblot analysis showed that all Pen a 1 digests bound IgE or mAbs. However, not all peptides in each digest possessed an IgE binding site. IgE binding intensity and frequency varied by subject and peptide digest. IgE and mAb reactivity patterns were similar but no mAb reproduced the IgE binding patterns indicating that subject' IgE bound some epitopes that were not recognized by the Pen a 1-specific mAbs. These studies suggest that IgE-binding epitopes are restricted to certain parts of the Pen a 1 molecule, Pen a 1 may have several similar epitopes, and that Pen a 1 epitopes do not appear to be located in the highly homologous parts of the tropomyosin molecule.
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[8] - Leung PS, Chow WK, Duffey S, Kwan HS, Gershwin ME, Chu KH. IgE reactivity against a cross-reactive allergen in crustacea and mollusca: evidence for tropomyosin as the common allergen. J Allergy Clin Immunol 1996;98:954-961
Although cross-reactivity between mollusks and other crustaceans in shrimp-sensitive subjects has been reported, the mechanism of this allergenic cross-reactivity has not been studied in detail. OBJECTIVE: To investigate this cross-reactivity in vitro, we have taken advantage of a complementary DNA that expresses tropomyosin, the immunodominant shrimp allergen. METHODS: Serum IgE from nine patients with known anaphylaxis to shrimp and five normal volunteers were analyzed by immunoblotting against 13 distinct crustaceans and mollusks. As additional antigens, muscle preparations were isolated from grasshopper, cockroach, fruit fly, chicken, and mouse. RESULTS: Sera from all patients, but not control subjects, reacted specifically with a 38 kd protein in all crustaceans and mollusks studied. In addition, 8 of 9 sera from patients, but from none of the normal control subjects, recognized proteins of various other molecular weights among the mollusk extracts studied. The 38 kd protein was identified as tropomyosin and was shown to share immunodominant epitopes among all species of crustaceans and mollusks tested by specific absorption studies. Moreover, sera from all nine subjects with shrimp allergy demonstrated IgE reactivities against grasshopper, cockroach, and fruit fly but not chicken or murine muscle. CONCLUSION: The allergic epitopes on tropomyosin are conserved among invertebrates including not only shellfish but also insects. This latter observation suggests that persons sensitive to shrimp should undergo further study for potential cross-reactive inhalant or ingested insect sensitivity.
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