用PAN变应原噬菌体库分析血清抗体鉴定小麦变态反应表位

当IgE分子被食物蛋白质等抗原交联时，就会发生过敏反应。在这里，我们建立了‘AllerScan’可编程噬菌体展示系统，以确定抗变应原IgG和IgE抗体在血清中与来自数百种生物的数千种变应原蛋白结合的特异性。利用AllerScan，我们鉴定了小麦过敏个体的抗小麦IgE活性，而在小麦致敏个体中没有。同时，α-嘌呤硫蛋白的一个关键小麦表位可引起变态反应患者的显性IgE反应，致敏和非过敏患者的IgG反应频繁。一项双盲安慰剂对照试验显示，α-嘌呤硫蛋白的反应性，除其他外，在耐受人群中受到口服免疫治疗的强烈调节。因此，AllerScan可以作为一个高通量平台，对抗过敏原抗体的特异性进行公正的分析。

近几十年来，食品过敏已成为一个重大的公共卫生问题，影响到西方化国家10%的人口。1。在IgE介导的食物过敏患者中，接触致敏食物会导致预先形成的食物特异性IgE(fs-IgE)与肥大细胞和嗜碱性细胞表面的高亲和力的IgE受体FCεRI交联，从而导致潜在的危及生命的过敏反应。高流行的食物过敏导致临床实践中对食物过敏检测的需求越来越大。虽然口服食物挑战是诊断食物过敏的金标准，但这一过程耗时，需要训练有素的人员，并可能引起急性过敏反应。因此，食物过敏的诊断往往是根据患者的临床病史和RF-IgE检测和皮肤点刺试验的结果进行的。然而，这些测试往往检测到对食物的敏感性，这些食物在摄入时没有症状，这可能导致不必要的食物回避。在诊断IgE介导的小麦过敏时，fs-IgE检测的缺点得到了证明，其中一项Meta分析发现，小麦特异性IgE水平在预测小麦过敏方面的特异性仅为43%。2。花粉与小麦之间强烈的交叉反应可能是导致假阳性率高的原因之一。3.

虽然成分检测已经成为诊断特定食物(花生、榛子)过敏的有用辅助手段，但这种方法仅限于测试单个过敏原。通过成分测试对过敏进行全面的表征需要相对较大的样本量和大量的费用。其他改善食物过敏诊断的策略依赖于抗原表位定位，即评估IgE与组成过敏蛋白的连续短肽库的结合。已经开发了几种方法，包括SPOT膜、微阵列免疫分析以及最近的基于珠的表位分析方法。4,5。这些方法揭示了某些免疫优势肽以及公认的IgE表位的总体多样性，与牛奶和鸡蛋过敏患者发生持续过敏的可能性和更严重的反应有关。4.

然而，这些方法在很大程度上只能评估抗体对某些已知过敏成分的反应性(通常是一种到几十种)，而且往往很难解释。重要的是，识别新的致敏表位既昂贵又耗时；因此，廉价的高通量方法能够有效地识别新的表位，因此对于临床成分和变应原表位测试的发展具有很大的实用价值。

本文提出了一种基于可编程噬菌体展示的方法，在单一的多重反应中，综合分析1847个过敏原蛋白的抗变应原IgE和IgG抗体，并与56个氨基酸肽重叠。类似于其他噬菌体免疫共沉淀测序(phip-seq)库。6,7,8我们使用寡核苷酸库合成编码一个过敏原肽序列数据库，以显示在T7噬菌体上(“AllerScan”文库)，可以用高通量DNA测序进行分析。尽管缺乏高度构象、不连续和翻译后修饰的表位，phip-seq能够对更长、更高质量的肽进行高分辨率分析，而不是用合成的肽微阵列进行分析，并且大大降低了每个样品的成本。

利用AllerScan噬菌体展示库，通过肽水平分辨鉴定了数千种IgE和IgG抗体对数百种不同生物的反应性。与非过敏和小麦致敏个体相比，我们发现小麦过敏个体的抗小麦IgE反应性存在显著差异。最后，我们在α-嘌呤硫蛋白中鉴定了一个小麦过敏原表位，该表位在区分小麦过敏和小麦敏化方面可能特别有用。AllerScan是一种大规模的多功能血清学检测方法，用于将临床特征与抗变应原IgE和IgG反应在队列规模上联系起来。

AllerScan库

为了构建一个完整的变应原蛋白库，建立了变应原数据库。9从uniprot下载(2017年8月6日访问)，并用作phip-seq pe瓶库设计管道的输入。7。Allergome数据库中的1847个蛋白质被表示为一组包含28个氨基酸重叠的19,332 56个氨基酸肽砖，由一个合成的200-聚寡核苷酸库(图1)编码。1A)。该文库被扩增并克隆到T7噬菌体展示系统中。6用于自动血清学分析7。我们把这个库称为T7AllerScan库。

我们以前曾使用蛋白A和蛋白G包覆磁性珠来免疫沉淀主要是IgG结合的噬菌体。7。与血液中IgG的高度丰富和相对一致的水平相比，IgE在个体间往往是低丰度和高度可变的。10。虽然有报道说蛋白A确实对IgE有轻微的亲和力11，蛋白A与IgG的结合亲和力明显增强。结合亲和力的这种差异，再加上血清IgG与IgE的丰度差异，提示蛋白A与IgE之间的潜在结合是可以忽略不计的。为了使AllerScan文库特异性IgE免疫共沉淀，我们将生物素与治疗性单克隆抗IgE抗体omalizumab共价结合。12链霉亲和素偶联磁珠可以不可逆转地包覆这种IgE捕获抗体(图1)。1A).

为了评估AllerScan文库的质量，我们以66倍的覆盖率对扩增后的噬菌体文库进行了PCR扩增和测序。我们从AllerScan文库中的19,331个唯一克隆中检测到了95.8%的序列，发现它们是从一个相对均匀的分布中提取出来的。1B)。接下来，我们从两个人中连续稀释血清，一个是已知的IgE介导的小麦过敏，另一个是已知的IgE介导的花生过敏。在这两种情况下，AllerScan揭示了免疫沉淀组分中预期致敏肽的浓度依赖性富集(图1)。1C，d)。根据这些数据，选择100 ng的总量归一化IgE输入进行后续分析。其次，为了建立IgE免疫切取过程的重复性和特异性，我们用小麦过敏个体的血清进行了两种IgE和两种蛋白A/G(以下简称IgG)免疫修复。我们在比较来自同一免疫捕捉技术(IgE)的复制时，注意到了高度的一致性：R2=0.996，图1。1E)，当将IgE与IgG进行比较时，IgE与IgG之间存在高度的不一致(IgE与IgG：R2=0.0157，(图1)。1F)。这种不一致，特别是最强烈的反应，突出了以omalizumab为基础的IgE免疫损伤的同型特异性。

基于AllerScan的IGE分析

接下来，我们收集了一组临床特征为IgE介导的食物过敏的人群，包括小麦和/或花生，以及与年龄相匹配的健康对照者。关于这些人的其他临床元数据显示在补充表中。1。图形2A，b显示两个IgE的结果(如图所示)。2(A)和IgG(如图所示)。2(B)免疫捕捉。在这些热图中，每一列对应的肽至少与三份血清反应。各列的顺序对应于每一肽来源的有机体的分类同一性。为了清楚起见，指示了相关有机体群，而不是单个有机体。组成员身份显示在补充表中。2。行对应于个别样本，并按小麦过敏分组。各组采用IgE谱的分级聚类方法进行组织。列和行的顺序保持在IgG热图上(如图所示)。2B)。对小麦肽的反应性与预期过敏组相关，同时还观察到许多其他过敏反应。图形2C强调了与输入(启动)AllerScan库相比，该库的花生和小麦在免疫沉淀组分中的表现形式发生了变化。正如预期的那样，小麦和花生在免疫沉淀后表现出明显的增加.

小麦IgE和IgG特异性分析

由于很少有研究在表位水平上研究抗小麦的反应性，我们试图用AllerScan系统广泛地描述抗小麦抗体的精细特性。为此，我们比较了三组患者血清中IgE和IgG的免疫情况：IgE介导的小麦过敏个体(用免疫CAP法检测小麦特异性IgE阳性)，以及在最近一次家庭暴露或临床小麦食品挑战中，急性IgE介导的反应的令人信服史；N=32)，具有小麦“敏感性”的个体13(致敏；可检测到的小麦特异性IgE检测，但在他们的饮食中容忍小麦；N和非过敏物质(不能检测到的小麦IgE和在他们的饮食中耐受性小麦；N=27)。在AllerScan文库中的1525个小麦相关肽中，有577个小麦肽在小麦过敏组中普遍存在IgE反应。从致敏或非过敏个体的血清中检测到对噬菌体显示的小麦肽的最低反应性(见图)。3A).

在小麦过敏IgE反应中，我们注意到广泛的免疫优势和不同的反应性模式。在检测同一三组中小麦肽的IgG反应性时，我们注意到变态反应者--主要是同一IgE免疫显性表位--的反应性显著提高，致敏个体之间的反应性也较低，而非过敏者的反应性最低(图一)。3B)。以前发现的几个小麦表位是由重复的和多余的肽序列组成的。14,15,16。因此，我们使用了一种基于网络图的方法来确定，对于每个个体的免疫捕获，反应肽的“最大独立顶点集”不具有任何序列同源性。我们以前使用这个指标作为多克隆反应的“宽度”的代用品。17,18。小麦过敏个体的IgE和IgG反应的宽度明显增大(图二)。3C，d)与非过敏者(p=2.5×10−11对于IgE和p=1.9×10−4IgG)。只有在IgG免疫应答中，致敏个体和非过敏个体对小麦肽的反应宽度显著提高(p=0.0034)。综上所述，这些发现表明，抗小麦肽IgE库的宽度可能在区分小麦过敏和敏化方面有实用价值。

抗α-蛹硫蛋白反应性

在对小麦肽反应性矩阵的检查中，我们注意到，虽然过敏个体对几乎每个显性表位都表现出较高的IgG反应性，但似乎是一组不同的肽(图一)。3B弓箭)常被非过敏者和致敏者的IgG所识别，而不常被过敏者的IgG所识别。这些肽都是从α-嘌呤硫蛋白(也称为Tri a 37)的两个区域中提取出来的，在AllerScan文库中以三种不同的异构体形式存在。19。N端区包含一个显性表位(图1)。4A，b)，而C末端区域包含一个很少单独识别的亚显性表位。Ige对显性α-嘌呤硫蛋白基序的反应性在过敏个体中很常见，但在非过敏或致敏个体中几乎从未检测到。4C)。这些数据表明，IgE相对于IgG抗-α-purothionin反应性的相对数量在区分过敏和致敏个体方面也可能有实用价值(图1)。4D).

小麦变态反应亚组分析

接下来，我们询问在小麦过敏人群中是否存在可区分的病人和肽亚组，根据他们的抗小麦IgE反应谱的模式。为此，将IgE小麦反应性数据细分为仅包括至少4个小麦过敏个体识别的肽，并进行分级聚类，显示6个不同的肽簇和3个患者群体(图1)。5A)。其中两个肽簇完全由高分子量(HMW)谷蛋白肽组成，一个组几乎全部由低分子量(LMW)谷蛋白肽组成，另两个组主要由α、γ和omega醇溶蛋白肽组成，最后一个组主要由α-嘌呤硫蛋白肽组成。在群体水平上，患者组2是唯一识别HMW谷蛋白的簇，而第2组和第3组的患者均表现出对LMW谷蛋白的反应性。第2组和第3组抗小麦IgE宽度明显高于第1组(图1)。5B)。此外，我们还研究了IgE和IgG对特异性肽的反应性的潜在差异。5C)在抗体同型水平上发现肽反应的整体不一致，80%以上的肽仅表现为IgE或IgG反应性。

我们探讨了所观察到的多肽反应的聚类是否至少部分通过肽序列同源性来解释。因此，构建了一种基于肽序列比对的网络图，其中肽节点根据其来源的蛋白质着色(如图所示)。5D)。该图分为三个不连通子图：一个HWM谷蛋白肽簇，一个由醇溶蛋白和LMW谷蛋白组成的簇，以及一个完全由α-purothionin组成的簇。此外，还有22种单一肽缺乏与其他富集肽的排列(未显示)。我们注意到在lmw和hmw谷蛋白肽中所代表的同源肽的稠密家族，这反映了在谷蛋白中发现的重复序列。15。事实上，HMW谷蛋白子图中的所有肽都有一个严格保守的表位(图1)。5D，左上角)。

小麦口服免疫治疗的抗体应答

接下来我们使用AllerScan来表征小麦口服免疫治疗(Woit)后IgE和IgG反应性的变化。在先前描述的食物过敏队列中，23名参与者也被纳入了一项随机、双盲、安慰剂对照的Woit临床试验。20。这项试验的参与者要么服用重要的小麦面筋，要么服用安慰剂，每两周增加一次，最多44周，直到达到每天1445毫克小麦蛋白或安慰剂的维持剂量为止。参与者的血清在三个时间点进行评估：试验开始时，安慰剂治疗1年后(最初作为安慰剂登记的参与者)和一年活跃小麦oit之后。在这些AllerScan分析中，数据是以成对的方式绘制的；y = x对角线，而随着时间的增加或减少的反应性分别出现在左上角或右下象限。大多数人在试验的安慰剂臂显示他们的抗过敏原IgE或IgG的变化很小(见图)。6A有代表性的例子)。然而，与之形成鲜明对比的是，我们观察到许多人在Woit治疗期间小麦特异性IgE和IgG反应性发生了显著的变化(见图一)。6B如所料，对非小麦过敏原的反应性在这段时间内保持稳定.小麦处理后，IgE和IgG对小麦肽的反应性呈下降趋势(见图1)。6C(用于聚合数据)。接下来，我们分别比较了所有患者在积极治疗前后抗小麦IgE和IgG的反应性，以判断是否有任何新的反应性发生在对治疗的反应中(图一)。沙一)。总之，我们发现大多数IgE反应最初都出现在基线上，尽管只有免疫治疗后才能检测到少量IgE反应。我们发现IgG反应的趋势正好相反，大多数反应直到免疫治疗后才会出现。

在试验的安慰剂阶段，无论是IgE还是IgG，抗小麦宽度和对α-嘌呤硫蛋白的特异性反应都没有明显变化。6d)。相反，抗小麦IgE曲目的宽度明显减少，以响应Woit(p=0.01，图1。6E)，而特异性抗α-purothioninIgG反应则显著增加(p=0.0006，图1。6E)。抗α-purothioninIgE与Woit治疗结果无相关性.综上所述，我们的数据表明α-嘌呤硫蛋白IgG反应性是小麦不敏感和脱敏的重要生物标志物。

我们建立了AllerScan噬菌体展示库，该库由Allergome数据库中的所有蛋白序列组成，并用于描述食品过敏人群中IgE和IgG抗体的反应性。类似于以前的PhIP-Seq文库，AllerScan采用高通量的寡核苷酸合成，有效编码高质量、重叠的56个氨基酸肽序列。目前，这种长度的多肽不能可靠地通过化学合成。在此，我们使用IgE特异性免疫沉淀法对噬菌体展示的肽进行免疫沉淀，然后进行高通量DNA测序，以鉴定反应性肽.如我们在本研究中所做的那样，液体处理自动化技术的引入提高了样品的处理量，提高了分析的重现性。在汇集和测序之前，通过将DNA条码整合到PCR片段中，可以实现高水平的样品复用；在测序深度为10倍的情况下，可以在一次运行的Illumina NextSeq 500中分析~500 AllerScan检测结果。因此，批量分析可以将分析成本降低到每个样本仅几美元。

带有AllerScan文库的PhIP-Seq在表位水平提供了来自数百种生物的大约2000种蛋白质的定量抗体反应性数据。这种不偏不倚的方法评估抗体对主要过敏原和小过敏原的反应性，包括明确的和研究不足的表位。该图书馆可以随时更新，只要添加新的过敏原，因为他们是确定的。未来的研究使用更多的库，如人类或病毒噬菌体库。6,8，将能够更广泛地分析IgE的反应性。

所有可编程噬菌体分析的局限性包括缺乏翻译后修饰和不连续表位。虽然这两种表位对某些过敏原可能是至关重要的21，蛋白质在消化过程中变性被认为降低了它们对食物过敏的功能意义。22。因此，AllerScan文库可能会降低对非食物过敏抗体的敏感性。这一专题将在今后的工作中讨论。

在本研究中，我们利用总IgE和sIgE的恒定输入来探讨AllerScan在识别任何潜在的过敏抗体反应性方面的无偏效用。通过sIgE的输入来正常化可能在未来的研究中是有用的，重点放在特定的过敏原上。然而，我们想知道，小麦sIgE的数量是否混淆了我们对过敏反应和致敏反应的分析。补充图2作为小麦sIgE的函数，分别为过敏和致敏个体提供AllerScan结果数据。这些数据表明，对过敏个体来说，反应中较高的sIgE与更高的AllerScan反应性有关。然而，对致敏个体而言，较高的sIgE滴度与更高的AllerScan反应性无关。

在此，我们分析了100多万抗体-过敏原肽相互作用，从花生和/或小麦过敏患者以及非过敏对照患者的横截面队列中对泛过敏原血清学进行了综合研究。花生和小麦过敏原是这一群体中最广泛认识的，但我们也检测到了对许多其他过敏原来源的反应性，包括坚果、无脊椎动物肌球蛋白和牛奶蛋白。这一观察并不出人意料，因为我们研究的许多参与者都有额外的食物过敏，这通常是一般人群中食物过敏患者的情况。23。IgE介导的小麦过敏的诊断尤其具有挑战性，因为小麦特异性IgE水平不能可靠地预测过敏。虽然在IgE介导的小麦过敏患者中已经发现了许多主要的小麦过敏原，但IgE组分检测尚未达到将其纳入临床实践所需的敏感性和特异性。我们试图表征抗小麦抗体的反应，因为目前的知识差距，其相关的优良特性。我们的结果表明，肽水平的IgE反应性可能增强小麦过敏和敏化之间的区别.我们还发现，与非过敏者相比，致敏(但不过敏)个体的抗小麦IgG反应升高。这些数据与致敏个体对小麦产生IgE反应的可能性是一致的，但代偿IgG能有效地阻断致病性IgE与小麦表位的结合。24.

我们观察到变态反应队列中小麦的反应性模式一致，80%以上的小麦过敏个体中有一些肽是反应性的，而大多数肽与本研究中的任何个体的血清没有反应。小麦的显性反应往往发生在高度重复的变应原蛋白区，这种现象也被其他过敏原所描述。25。此外，我们还比较了小麦肽反应活性的同型差异，发现大多数肽的IgE和IgG反应活性存在明显的不一致，在其他表位研究中也有发现，只有16%的反应肽同时与IgE和IgG亚型结合。这种不一致可能是由两个抗体类之间的竞争造成的。用纯化的IgE和IgG进行AllerScan分析的未来实验将验证这一假设。使用AllerScan的未来研究也可能提供关于B细胞发育、类切换和亲和力成熟的问题，特别是在高分辨率纵向研究或过敏性疾病动物模型中。

在小麦过敏个体中，最具反应性的小麦表位来自α、β、γ和omega醇溶蛋白以及HMW和LMW谷蛋白。这些蛋白质都含有高度重复的结构域。21。我们用序列比对方法对所有显性表位的同源性进行了研究，发现所有醇溶蛋白肽之间的同源性较小。反应性omega和γ-醇溶蛋白表位是特别同源的，这是以前报道过的。26。IGE反应的LMW谷蛋白肽与醇溶蛋白也有一定的同源性，但与HMW谷蛋白肽没有同源性。从HMW谷蛋白中提取的活性肽具有少量高重复序列的特征。所有反应性高分子量谷蛋白肽至少有一个IgE结合表位，与以前报道的hmw麦谷蛋白表位有很强的一致性。21.

α-蛹硫蛋白是一种在小麦种子中大量表达的植物防御蛋白。19。认识到这种蛋白质的ige与对小麦发生严重过敏反应的风险增加了四倍。27。有趣的是，在我们的研究中，虽然我们没有发现过敏严重程度和α-purothionin反应性之间的联系，但我们确实确定在非过敏和致敏个体中，抗-αpurothioninIgG反应性是最普遍(72%)的反应性，而在小麦过敏的个体中，IgG反应性较低。相反，28%的小麦过敏个体和2%的非过敏/致敏个体对α-嘌呤硫蛋白有IgE反应性。因此，IgG和IgE对α-嘌呤硫蛋白的反应性在区分对小麦过敏和致敏方面可能非常有用。

AllerScan数据的数量特性使得在一项安慰剂对照双盲研究中对Woit的反应进行了纵向分析，该研究涉及23名小麦过敏者。在对Woit的反应中，我们注意到从IgE到IgG与小麦肽的反应性发生了很大的变化，而对其他过敏原的反应性则没有受到影响。正如预期的那样，在试验的安慰剂组中，个体的抗小麦反应性没有变化。几乎每一位接受治疗的参与者都表现出抗小麦IgE曲线图的总体宽度减少，而IgG曲线图的宽度同时增加，这一观察在其他食品口服免疫治疗试验中已有报道。28。有趣的是，大多数(82.6%)接受Woit的过敏患者对α-嘌呤硫蛋白的IgG反应性增加。此外，我们还比较了IgE和IgG小麦反应性的变化与临床反应，并发现在多假设检验校正后没有显着性关联；未来更有动力的研究可能会确认显著的相关性。

总之，AllerScan是一种用于变应原相关IgE和IgG反应的抗原表位水平表征的方法.我们已经证明了它在广泛的泛变应原分析以及抗小麦抗体的精细特性方面的应用。我们的初步研究证实了小麦过敏的许多已知特性，并揭示了对区分小麦过敏和敏化的表位的反应性。因此，AllerScan是研究变态反应的一种有价值的工具，最终可能为诊断食物过敏和监测免疫治疗的反应提供一种强有力的辅助手段。