셀리악병이 점차 심해지고 복잡해지는 면역기전. 탈아미드화 글루텐의 epitope spreading

[현준]

Focused B cell response to recurring gluten motif with implications for epitope spreading in celiac disease

셀리악병에서 반복되는 글루텐 분자 패턴에 대한 면역세포 B cell의 반응과, epitope spreading(항원결정부확산)과의 관련성

Zhou C, Østerbye T, Bach E, Dahal-Koirala S, Høydahl LS, Steinsbø Ø, Jahnsen J, Lundin KEA, Buus S, Sollid LM, Iversen R. Focused B cell response to recurring gluten motif with implications for epitope spreading in celiac disease. Cell Rep. 2022 Oct 25;41(4):111541. doi: 10.1016/j.celrep.2022.111541. PMID: 36288703.

내용정리 요약

TG2에 의해 탈아미드화 된 글루텐에 들어있는 QPEQPFP(PEQ가 항원모티프)가 면역반응을 처음 유도한다. 이 반응이 누적되면 점차 교차반응성을 지닌 B세포가 늘어나게 되면서 기존의 QPEQPFP구조가 아니더라도 PEQ가 있으면 반응하게 된다. 즉, 탈아미드화 되지 않은 글루텐에도 반응하고 점점 다양한 글루텐 펩타이드들에 대해 반응하게 된다(글루텐 단백질에 포함된 펩타이드 구조들은 무척 다양함) 그 결과

1. QPEQPFP 하나에서만 유도되던 면역반응이 여러개의 펩타이들에 의해 유도되면서 면역반응의 총량이 늘어나게 된다.

2. 교차반응성 B 세포는 서로 다른 T 세포를 자극하고 만들게 된다. 서로 다른 T세포는 각각 다른 종류의 면역반응들이 유발할 수 있다. 그 결과 글루텐 민감 질환, 셀리악병의 병태생리가 점점 더 복잡해질 수 있다.

-> 글루텐에 면역반응, 염증반응이 있는데도 자꾸 글루텐을 먹어서 증상을 유발하다보면 점점 더 병이 심각해지고 복잡해진다. 글루텐 먹지말고, 밀 뿐만 아니라 호밀, 보리도 문제가 된다. 귀리는 병을 유발하는 글루텐 펩타이드가 없어서 괜찮다. 밀 대신에 귀리 먹자

-> 탈아미드화된 글루텐 펩타이드가 면역반응을 유도하는 시초이다. TG2는 우리몸 세포에 전체적으로 다 들어있다. TG2 외에도 식품첨가제인 mTG, 장내 유해균도 글루텐 펩타이드를 탈아미드화 할 수 있다.

그러므로 mTG 들어간 가공식품 먹지말기, 프로바이오틱스 먹어서 유해균을 줄이고 건강한 유익균 늘리기도 중요하다.

Summary

Antibodies to deamidated gluten peptides are accurate diagnostic markers of celiac disease. However, binding of patient antibodies to all possible gluten epitopes has not previously been investigated. Here, we assess serum antibody specificity across the gluten proteome by use of high-density peptide arrays. We confirm‎ the importance of deamidation for antibody binding, and we show that the response is remarkably focused on the known epitope QPEQPFP (where E results from deamidation of Q). In addition, we describe an epitope in native (non-deamidated) gluten, QQPEQII (where E is gene encoded), which is associated with both B cell and T cell reactivity. Antibodies to this native epitope are cross-reactive with the major deamidated epitope due to recognition of the shared PEQ motif. Since cross-reactive B cells can present peptides to different gluten-specific T cells, we propose that such B cells play a role in epitope spreading by engaging T cells with multiple specificities.

탈아미드화된 글루텐 펩타이드에 대한 항체의 유무는 셀리악병을 진단하는 지표로 사용된다.

글루텐 단백질이 가지고 있는 모든 항원결정기(epitope)에 대한 연구는 아직 미진하다.

연구결과, 우리몸의 면역항체반응은 탈아미드화된 epitope에 집중되어있다. 이 epitope는 QPEQPFP 순서의 구조로 되어있다.

QPEQPFP는 원래 QPQQPFP 구조였는데 tTG=TG2 효소에 의해 탈아미드화 되면서 QPEQPFP 구조로 변하고, 이렇게 변한 구조는 우리 몸의 면역세포에 대해 높은 정도의 면역원성을 가지게 되어 면역반응을 촉진한다. (PEQ 구조가 문제가 있음..)

P = Proline Q = Glutamine E = Glutamic acid

변형되지 않는 글루텐이 가지고 있는 epitope 구조에 QQPEQII가 있었는데, 탈아미드화된 글루텐 펩타이드 QPEQPFP에 대해 작동한 B cell의 면역반응이 QQPEQII도 유사한 항원결정기를 가지고 있어서 이것을 항원으로 인식해서 T cell에 면역정보를 전달하게 된다.

즉 QPEQPFP와 QQPEQII 두 구조에 대해 교차반응성을 가지고 있어서 (특징적 구조 PEQ) 면역반응의 교차반응이 일어나고

탈아미드화된 글루텐 펩타이드 뿐만 아니라 PEQ를 가지고 있는 다른 글루텐에 대해서도 항원으로 인식하고 다양한 종류의 T cell들에 면역정보를 넘겨주면서 활성화시키게 되는, epitope spreading 즉 항원결정부 확산이 발생하게 된다.

글루텐 펩타이드에 TG2 효소가 작용하여 Q -> E 로 탈아미드화 시킨다.

변형된 글루텐 펩타이드가 B cell의 표면에 있는 BCR(B cell receptor)에 결합되어 B세포에게 항원정보를 전달한다. 이후 B세포는 이 항원이 신체의 일부인지 문제가 있는 외부항원인지 구분후에 표면에 있는 HLA-DQ2.5 (Human Leukocyte antigen) 을 통해 T cell(CD4+ T cell = helper T cell)에게 탈아미드화된 글루텐 펩타이드가 항원이라는 정보를 전달한다.

이러한 B세포와 T세포의 상호작용으로 B cell가 T cell이 증식되면서 면역반응이 일어나게 되는데 원래라면 처음 문제요소로 인식한 QPEQPFP 탈아미드화된 글루텐 펩타이드에만 반응해야 하는데 같은 구조를 공유하는(PEQ) 유사한 구조의 글루텐 펩타이드 QQPEQII에도 B cell이 반응할 수 있게 된다. 이러한 교차반응성은 B세포의 증식과정에서 BCR(B cell Receptor)이 기존의 탈아미드화 글루텐 펩타이드 뿐만 아니라 다른 것에도 반응 할 수 있게 적응, 개선되기 때문이다. (다양한 항원들에 대한 면역력을 갖추기 위한 우리 몸의 면역시스템 능력)

이런식으로 원래 문제가 되는 요소 뿐만 아니라 비슷한 구조를 가진 다른 요소들도 항원으로 인식하게 되는 과정이 Epitope spreading = 황원결정부 확산이다.

글루텐의 항원결정부 확산에는 PEQ 구조가 핵심적이다.

Introduction

Gluten is a collective term describing the protein families gliadin (divided into α, γ, and ω subtypes) and glutenin (divided into high- and low-molecular-weight subtypes), which are abundant in wheat flour. The term is also increasingly used to describe related proteins of rye (secalin), barley (hordein), and oats (avenin). Common for these proteins are high contents of the amino acids (aa) proline (P) and glutamine (Q) and a primary structure dominated by repetitive sequences (Bromilow et al., 2017; Shewry and Tatham, 1990). In celiac disease (CeD), gluten proteins become targets of a harmful immune response that leads to tissue inflammation and characteristic morphological changes of the small-intestinal mucosa (Sollid, 2002).

셀리악병 환자에게는 글루텐 단백질이 우리몸의 해로움을 초래하는 면역반응의 타겟이 된다. 그 결과 소장 점막 조직에 염증을 일으키고 그 구조를 변형시키게 된다.

Key pathogenic players are CD4+ T cells that recognize gluten peptides in the context of disease-associated human leukocyte antigen (HLA)-DQ molecules (Sollid, 2017). The majority of patients express HLA-DQ2.5 (encoded by DQA1∗05 and DQB1∗02), and the remaining express either HLA-DQ2.2 (encoded by DQA1∗02:01 and DQB1∗02) or HLA-DQ8 (encoded by DQA1∗03 and DQB1∗03:02). Notably, conversion of certain gluten glutamine residues into glutamic acid (E) by deamidation stabilizes peptide binding to HLA and significantly increases T cell reactivity (Molberg et al., 1998; Sjostrom et al., 1998; van de Wal et al., 1998). 글루텐 펩타이드의 탈아미드화는 펩타이드와 HLA와의 결합을 단단하게 하고, T 세포의 반응도를 높여서 면역반응이 더 잘 일어나게 한다.

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Results

Identification of antibody epitopes in wheat gluten

It is well established that serum antibodies to gluten are specific markers of CeD (Rostom et al., 2005). However, the antibody epitopes have not been mapped across the entire gluten proteome. In order to characterize antibody reactivity in CeD, we first generated overlapping peptides covering 904 individual gluten proteins identified in wheat. The peptides were synthesized on a high-density peptide array as 15mers with 14 aa overlap, resulting in display of 36,231 unique peptide sequences. The peptides were incubated with pooled serum samples of 10 CeD patients (Table S1), followed by detection of bound IgA or IgG antibodies. In addition, two non-celiac donors were included as negative controls to confirm‎ specificity of the assay. While no reactivity was observed in the control sera, a number of peptides were recognized by IgA and IgG antibodies in CeD patients (Table S2). Among the IgA antibodies, there was a strong preference for binding of peptides containing the TG2 target motif QXP (Figure 1A). This selectivity could also be observed for the peptides with the highest IgG reactivity, indicating that both the IgA and IgG anti-gluten response in CeD are biased toward peptides that can be deamidated by TG2.

IgA와 IgG의 항 글루텐 면역반응은 TG2 효소에 의해 탈아미드화 될 수 있는 펩타이드를 가지고 있는 글루텐에 대해서 더 높게 나타났다. -> TG2에 반응하는 특정분자구조가 면역반응을 더 강하게 유도한다.

Figure 1. Serum antibody reactivity to wheat gluten peptides

(A) Occurrence of the QXP motif in unique 15mer gluten peptides synthesized on a high-density peptide array. The number of peptides associated with high IgA and IgG reactivity in pooled sera of CeD patients is indicated.

(B) Antibody reactivity to individual peptides that were synthesized in both their native (QXP) and deamidated (EXP) form. Signals are given as means of technical triplicates.

(C) Relationship between IgA and IgG reactivity to individual deamidated and native gluten peptides. The gray areas indicate the top-20 IgA-reactive peptides.

(D) Sequence alignment of the top-20 IgA-reactive deamidated and native peptides generated with the Clustal Omega multiple sequence alignment tool (Madeira et al., 2019). Three recurring seven-aa epitopes present in both deamidated and native peptides are indicated with colored boxes. Within these epitopes, glutamic acid residues resulting from deamidation are indicated in red.

(E) Occurrence of the PEQ motif in deamidated and native gluten peptides that were represented on the array.

면역반응을 강하게 유도하는 (IgG IgA) 글루텐의 펩타이드들은 공통적으로 PEQ 구조가 있었음.

탈아미드화 된 것이 아닌, 천연의 글루텐(Native)에서도 PEQ 구조가 발견되었음

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Gluten epitopes are shared across grains and patient HLA-DQ allotypes

To understand if there are additional antibody epitopes in other grains than wheat, we next assessed binding of IgA and IgG in pooled sera of 15 CeD patients (Table S1) to a new peptide array covering proteins of wheat, rye, barley, and oats (1,451 proteins in total; Table S4). For each peptide, all possible combinations of Q/E replacements were represented (up to eight replacements per 15mer peptide). Again, we saw preferred binding to peptides where glutamine had been substituted with glutamic acid, and the number of substitutions appeared to be important for antibody reactivity (Figure S4A). In addition to the expected reactivity to wheat gluten, CeD serum antibodies showed reactivity to peptides of rye and barley, but not oats (Figure 2A).

셀리악병 환자 혈청의 항체는 밀, 호밀, 보리와는 반응했지만 귀리와는 반응하지 않았음

A의 IgA, IgG 파트를 보면 Oats(귀리)는 반응한 성분이 없음

-> 셀리악병, 글루텐 관련 질환자는 밀 대신 귀리를 먹자

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Discussion

In summary, we have shown that the anti-gluten antibody response in CeD is highly focused on the deamidated epitope QPEQPFP, which is found in γ- and ω-gliadin of wheat as well as in related proteins of rye and barley. In some patients, recognition of the PEQ motif facilitates formation of cross-reactive antibodies that can bind PEQ-containing sequences in both native and deamidated gluten proteins. B cells showing this type of cross-reactivity can efficiently present peptides to T cells with different specificities, and they may thereby mediate spreading of the T cell response to include rare epitopes such as DQ2.5-sec-3.

셀리악병에서 항원이 되는 글루텐 펩타이드의 epitope는 QPEQPFP이다.(그중에서도 PEQ부분) 이 구조는 밀뿐만 아니라 호밀과 보리에서도 발견된다.

일부 환자들은 PEQ에 대한 면역반응, 항체반응을 자꾸 반복하다 보면 교차 반응성을 가진 B세포가 생기게 된다. (교차반응 BCR을 가진 B세포) 이러한 교차반응성을 가진 B세포는 처음의 QPEQPFP epitope 뿐만 아니라 다른 PEQ가 포함된 epitope하고도 반응하게 된다. (QQPEQII 같은)

다른 epitope하고 반응한 B cell은 서로 다른 특이성을 가진 여러 T세포들에게 항원을 제시하면서 면역반응들이 촉진된다. (=Epitope spreading)