title: The impact of protein nitration on different aspects of allergic asthma, including the antioxidant metabolism
title: Auswirkung der Nitrierung von Allergenen auf die Ausprägung des allergischen Asthmas unter Einbeziehung des Antioxidantien-Metabolismus
Creators: name: Wege, Cordula
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2012
Subjects: Allergisches Asthma
Proteinnitrierung
Typ-II-Pneumozyten
Superoxiddismutasen
Surfactant-Faktor
Allergic asthma
Surfactant factor
Protein nitration
Superoxide dimutase
Medizin, Gesundheit
Type II pneumocytes

description: Allergic diseases have increased
      in prevalence worldwide during the last few decades and are
      now a global burden that affects people of all ages and
      ethnic backgrounds. Due to growing medical, social and
      economic problems, it is becoming increasingly necessary to
      gain a better understanding of this subject. The search for
      explanations for the observed increase in allergic disorders
      has generated the ‘environmental hypothesis’, which suggests
      that inhaled air pollutants are responsible for the increase
      in prevalence. In addition to their inflammatory and
      sensitizing effects on the airway epithelia, air pollutants
      are also capable of modifying airborne proteins. Recent
      investigations have shown that tyrosine residues of various
      proteins are efficiently nitrated by polluted urban air, and
      that this post-translational modification can alter their
      immunogenicity and allergenicity.During respiration, the lung
      is directly exposed to atmospheric air pollutants that can
      reach the terminal lung tissue. Therefore, alterations of
      lung structure and function can be expected. Furthermore,
      other important targets for air pollutants are the pulmonary
      surfactant system as well as the respiratory tract
      antioxidant capacity.  This study analyzes the influence of
      protein nitration on different structural, biochemical and
      biomolecular parameters of asthma and allergic disease using
      nitrated and unmodified samples of the food allergen
      ovalbumin (OVA) and the metalloprotein keyhole limpet
      hemocyanin (KLH). All experiments were done on C57BL/6 mice,
      which were intra-peritoneally sensitized and inhalatively
      challenged with either PBS, (n)OVA or (n)KLH. Methacholine
      responsiveness was measured using the FlexiVent® system to
      assess AHR, subsequently followed by the histological
      analysis of the lung ex situ (hematoxylin and eosin stain,
      immunohistochemical analysis of CuZnSOD and MnSOD). Plasma
      and bronchoalveolar lavage fluid (BALF) were collected and
      type II pneumocytes isolated. The plasma was used for the
      detection of total SOD activity. The BALF was centrifuged,
      the supernatant used for the measurement of total protein and
      total phospholipid, and the cell pellet re-suspended for
      differential cell counts on cytospins (May-Grünwald/Giemsa
      stain). Using real time RT-PCR the isolated type II
      pneumocytes were analyzed regarding their mRNA levels of
      phospholipide-synthesizing enzymes (choline kinase α and β,
      CTP:Phosphocholine Cytidylyltransferase α) and antioxidative
      enzymes of the SOD-subunits (CuZnSOD, MnSOD, ECSOD). In
      addition, western immunoblots were performed for the
      detection of MnSOD protein within type II cells.  The
      comparison of the OVA/OVA and nOVA/nOVA groups have answered
      the question: “Do nitrated allergens induce a more pronounced
      inflammatory response in a whole individual than the
      unmodified proteins?” The results of this study showed that
      the histological changes in the form of structural lesions
      and cellular infiltrations were far more distinct in the
      nitrated group than in the unmodified group. Both
      demonstrated a significant influx of lymphocytes, eosinophils
      and neutrophils with higher numbers in the nOVA/nOVA group.
      Moreover, the latter showed a higher increase in total
      protein in the BALF, which can be interpreted as impaired
      integrity and permeability of the bronchial epithelia. No
      inter-group differences were seen in the investigations
      concerning pulmonary lung function, the amount of total
      phospholipid and phospholipid synthesizing enzymes, as well
      as the expression of superoxide dismutases. To answer the
      second main question of this study: “Is an individual, after
      being sensitized against a well-defined nitrated allergen,
      also responsive to another nitrated allergen of different
      origin?” nOVA/nKLH was compared to nOVA/KLH and PBS/nKLH
      which served as control groups. The investigation of the
      nOVA/nKLH group revealed inflammatory alterations in both
      histology and cytology, whereas the lungs of control mice
      showed no pathological changes. More intergroup differences
      were seen in the amounts of total protein in the BALF and of
      MnSOD mRNA in type II pneumocytes. The nOVA/nKLH treated mice
      showed slightly elevated levels of total protein whereas
      their MnSOD mRNA was somewhat reduced. Apart from these
      insignificant differences the remaining results were
      consistent with the control animals.  This work has
      contributed to the understanding of some biochemical and
      molecular mechanisms in the immune response to nitrated and
      unmodified allergens. Collectively, these observations
      suggest that the environmental nitration of allergens
      enhances their allergenic potential and that an individual,
      after being sensitized against a well-defined nitrated
      allergen, develops a tendency to respond against another
      nitrated allergen of different origin. These findings could
      be an explanation for the increased prevalence of allergies
      and allergic asthma, especially in polluted urban
      environments.
description: Die Prävalenz allergischer
      Erkrankungen hat in den letzten Jahrzehnten stetig zugenommen
      und stellt heute eine globale Belastung dar, die Menschen
      jeglichen Alters und ethnischen Hintergrundes betrifft.
      Aufgrund wachsender medizinischer, sozialer und
      wirtschaftlicher Probleme, gibt es weltweit einen dringenden
      Bedarf, die Allergieproblematik intensiver anzugehen. Die
      Suche nach Erklärungen für die beobachtete Zunahme
      allergischer Erkrankungen führte zu der Umwelt-Hypothese,
      nach der Umweltschadstoffe in der Atemluft für die steigenden
      Prävalenzen verantwortlich gemacht werden. Neben direkt und
      indirekt schädigender Wirkung auf die Atemwege können sich
      Luftschadstoffe auch gegen die Allergene selbst richten und
      luftübertragene Proteine modifizieren. In diesem Zusammenhang
      zeigen Experimente, dass Proteine durch atmosphärisches
      Stickstoffdioxid nitriert werden können und dass eine solche
      posttranslationale Proteinmodifikation die Immunogenität der
      Allergene verstärkt. Da die Lunge aufgrund ihrer großen
      Oberfläche in besonderem Maße gegenüber diesen Fremdstoffen
      exponiert wird, sind Veränderungen ihrer Struktur und
      Funktion zu erwarten. Weitere Angriffspunkte stellen das
      pulmonale Surfactant-System und das physiologische
      Antioxidantien-Gleichgewicht dar.  Im Rahmen dieser Arbeit
      sollte an einem Mausmodell, durch Verwendung zweier Allergene
      in nativer und nitrierter Form (Ovalbumin und Keyhole Limpet
      Hemocyanin) der Einfluss der Proteinnitrierung auf
      verschiedene strukturelle, biochemische und
      molekularbiologische Parameter des allergischen Asthmas
      untersucht werden. Dazu wurden C57BL-6-Wildtyptiere
      entsprechend des Protokolls zur Induktion eines akuten
      allergischen Asthmas behandelt und mit PBS / (n)OVA / (n)KLH
      intraperitoneal sensibilisiert und inhalativ provoziert. Bei
      einem Teil der Tiere wurde mit Hilfe des FlexiVent®Systems
      die Atemwegshyperreaktivität gegenüber Methacholin gemessen
      und die Lungen anschließend histologisch aufgearbeitet. Bei
      dem anderen Teil der Tiere wurden Plasma und bronchoalveoläre
      Lavage (BAL) gewonnen sowie Typ-II-Pneumozyten isoliert. Im
      Plasma wurde die Gesamt-SOD-Aktivität gemessen, mittels
      Zytospin die BAL-Zytologie ermittelt und aus dem zellfreien
      Lavage-Überstand Gesamtprotein und Gesamtphospholipid
      bestimmt. Die isolierten Typ-II-Pneumozyten wurden mittels
      real-time RT-PCR hinsichtlich ihres mRNA-Gehalts an
      Phospholipid-synthetisierenden Enzymen (Cholinkinase α and β,
      CTP:Phosphocholinecytidylyltransferase α) und antioxidativen
      Enzymen der SOD-Untergruppen untersucht. Darüber hinaus wurde
      in den Typ-II-Zellen der Proteingehalt der MnSOD mittels
      Western Blot bestimmt.  Der Vergleich der Gruppen OVA/OVA und
      nOVA/nOVA diente der Beantwortung der Frage, ob nitrierte
      Allergenen in einem kompletten Individuum eine stärkere
      Entzündungsreaktion hervorrufen als die entsprechenden nicht
      nitrierten Allergene. Als Ergebnis zeigte sich einerseits,
      dass die histologischen Veränderungen in Form von
      strukturellen Läsionen und zellulären Infiltraten in der
      nOVA/nOVA-Gruppe deutlicher ausgeprägter waren, als bei den
      OVA/OVA-Tieren. In der Zytologie wies die nitrierte Gruppe
      eine höhere Anzahl an Entzündungszellen auf. Darüber hinaus
      fand sich bei den nOVA/nOVA-Tieren als Ausdruck einer
      gestörten Integrität und Permeabilität des Lungenepithels ein
      höherer Gesamtproteingehalt in der BAL. Auf der anderen Seite
      zeigten sich in den Untersuchungen von Lungenfunktion,
      Phospholipiden und Superoxiddismutasen keine Unterschiede
      zwischen der nitrierten und nicht nitrierten Gruppe. Anhand
      des Vergleichs von nOVA/nKLH mit den Gruppen nOVA/KLH und
      PBS/nKLH sollte die zweite Hauptfragestellung der Arbeit
      beantwortet werden, ob ein Individuum bei bestehender
      Sensibilisierung gegen ein definiertes nitriertes Allergen
      auch gegen andere nitrierte Allergene reagiert. In den
      Versuchen zeigte die nOVA/nKLH-Gruppe im Gegensatz zu den
      Kontrollen sowohl in der Histologie als auch in der Zytologie
      eine entzündliche Reaktion. Weitere Unterschiede gegenüber
      den Kontrollen wies die nOVA/nKLH-Gruppe hinsichtlich ihres
      Gesamtproteingehalts in der BAL sowie ihres
      MnSOD-mRNA-Gehaltes in den Typ-II-Pneumozyten auf. Abgesehen
      von diesen nicht signifikanten Veränderungen entsprachen die
      restlichen Ergebnisse dieser Gruppe weitgehend denen der
      Kontrollen.  Die Ergebnisse haben zum Verständnis der
      biochemischen und molekularen Mechanismen bei der
      Immunantwort auf native und nitrierte Allergene beigetragen.
      Die dabei gemachten Beobachtungen, dass eine umweltbedingte
      Nitrierung von Allergenen die entzündliche Reaktion gegen
      diese verstärkt und dass ein Individuum bei bestehender
      Sensibilisierung gegen ein definiertes nitriertes Allergen
      eine Tendenz entwickeln, auch gegen ein anderes nitriertes
      Allergen zu reagieren, könnten eine Erklärung für die
      allgemein beobachtete Zunahme von Allergien und allergischem
      Asthma darstellen.