"Zestresowane" rośliny uczulają agresywniej

W niezwykle interesującym wywiadzie [Gazeta Wyborcza, 20.05.2022] prof. Ewa Czarnobilska z CM UJ, specjalizująca się w alergologii środowiskowej, odkrywczyni alergii na smog, zwróciła uwagę na nasilanie sezonowych objawów alergicznych u osób z wieloletnią alergią na pyłki brzozy. Zaostrzenie objawów sezonowej alergii wiąże się nie tylko z wydłużaniem okresu kwitnienia roślin wiatropylnych (styczeń/luty-październik) i  zarodnikowania grzybów pleśniowych, wynikającym z ocieplenia klimatu i nasilenia zjawisk atmosferycznych, lecz również, i to stanowi novum, z nasileniem „agresywności” alergizującego pyłku.

Wzrost „agresywności” pyłku brzozy wpływa na zmianę obserwowanego obrazu alergii. Katar, kichanie, świąd nosa i oczu, łzawienie etc., ustępują zapaleniu zatok, nieżytowi oskrzeli, duszności czy nietolerancji wysiłku. Rozwijają się objawy sezonowej astmy.

Alergia zależna od przeciwciał klasy IgE

W przypadku alergii określanej jako alergia zależna od przeciwciał klasy IgE, objawy chorobowe poprzedzane są bezobjawowym uczuleniem, którego istotą jest powstanie specyficznych dla alergenu (tj. uczulającej substancji) przeciwciał IgE – sIgE. Alergia ujawnia się po osiągnięciu pewnego krytycznego  stężenia sIgE, z prawdopodobieństwem rosnącym ze stężeniem sIgE, chociaż krzywa zależności jest dla różnych alergenów różna. Indukcja objawów alergii może być przyspieszona przez tzw. kofaktory, m.in.: czynniki drażniące śluzówki (np. pył zawieszony), stan zapalny śluzówek, stres, wysiłek fizyczny, etc.

Wiadomo było, że w skażonym powietrzu środowiska miejskiego czy przemysłowego, pyłek wiatropylnych drzew staje się podwójnie groźny dla osób uczulonych. Podrażniona przez zanieczyszczenia powietrza śluzówka dróg oddechowych, ułatwia kontakt alergenów pyłku z komórkami układu odpornościowego, a obecne na wierzchni ziaren pyłku cząstki zanieczyszczeń wzmagają jeszcze podrażnienie śluzówki, ułatwiają penetrację alergenów, a co udowodniono niedawno, indukują współuczulenie na smog.

To wszystko nie wyjaśnia tytułowego wzrostu agresywności pyłku. Zrozumienie jego mechanizmu wymaga ujęcia pojęcia alergenu zgodnie z obecnym stanem wiedzy. Uczulające czynniki: pyłek roślinny, mleko czy jad owada, kiedyś traktowane jako alergeny, dziś określane są mianem „źródeł alergenów” ze względu na złożoność składu. Są one mieszaniną komponent molekularnych posiadających potencjał uczulający o różnym nasileniu, obrazie klinicznym i konsekwencjach. Alergia na pyłek, mleko,  etc. jest więc wypadkową uczulenia na zwykle więcej niż jeden składnik uczulający – alergen molekularny obecny w „źródle alergenów”.

Diagnostyka alergologiczna oparta na pomiarze stężenia sIgE

W diagnostyce alergologicznej opartej na pomiarze stężenia sIgE rozróżnia się testy klasyczne, wykorzystujące ekstrakty źródła alergenów (np. pyłku) i testy molekularne, wykorzystujące alergeny molekularne zdefiniowane biochemicznie i immunologicznie. Przykładowo, wynik testu wykonanego z ekstraktem pyłku brzozy (t03, Bet v) wskazuje uczulenie na pyłek brzozy, nie wskazując uczulającego alergenu molekularnego. Może nim być:  Bet v 1, biochemiczne roślinne białko stresu, PR-10, odpowiedzialne za 95% przypadków uczuleń –  alergen główny, stanowiący prominentny alergen wziewny w regionach występowania brzozy; Bet v 2, profilina,  alergen mały powodujący 22% uczuleń i  kilka innych alergenów, kodowanych jako: Bet v 3, 4, etc. Wskazanie alergenu stymulującego sIgE pozwala na wnioskowanie o charakterze reakcji alergicznej (uogólniona, miejscowa), o ewolucji objawów, optymalne terapii, etc.  

Za wzrost agresywności pyłku brzozy odpowiada Bet v 1 – a zjawisko jest sygnałem SOS wysyłanym przez dewastowaną przyrodę, wskazującym zupełnie nieoczekiwaną konsekwencję tejże dewastacji.

Bet v 1 jest prototypem dużej rodziny alergenów białkowych o podobnej strukturze, tzw. „cząsteczek podobnych do PR-10”, alergenów pyłku Bukowców (leszczyna, olcha, buk, etc.), obecnych również w owocach, orzechach, warzywach, roślinach strączkowych, etc. Zbliżona struktura białek PR-10 powoduje, że stymulowana przez Bet v 1 sIgE rozpoznaje innych członków rodziny (reaktywność krzyżowa) i stymuluje, na ogół niegroźne, objawy natychmiastowe jamy ustnej i gardła. Za uczulenie pierwotne odpowiada Bet v 1, a powstałe sIgE pośredniczy w reakcjach z alergenami PR-10 z innych źródeł.

Roślinne białka stresu

Alergeny z rodziny  PR-10, należą do białek stresu, SP (ang. stress proteins), których synteza zapewnia roślinom przetrwanie w niekorzystnych warunkach. Co powoduje u roślin stres, doprowadzający od wzrostu syntezy białek stresu i adaptacji, mimochodem skutkujących wzrostem alergenności tkanek roślinnych? Lokalnymi czynnikami stresu są: skażenie środowiska, obniżanie poziomu wód gruntowych, monokulturowe rolnictwo, wyspy ciepła w miastach, etc. Czynnikiem globalnym jest wzrost średniej temperatury ze wszystkimi konsekwencjami z tym związanymi.

Do roślinnych białek stresu należą białka związane  z patogenezą, PR (ang. pathogenesis-related proteins), początkowo uważane za czynniki chroniące przed atakiem patogenów odpowiedzialnych za tzw. stres biotyczny. Wkrótce wykazano powstawanie PR w wyniku stresu abiotycznego powodowanego przez środowiskowe czynniki fizyczne. PR wydzielane są wewnątrz  lub zewnątrzkomórkowo.

Synteza białek roślinnych

W warunkach prawidłowych, ich synteza przebiega w sposób ciągły na niskim poziomie, dzięki ekspresji genów konstytutywnych, a  nasila się w określonych stadiach rozwoju (np. w tkankach rosnących). PR sklasyfikowano w 17 rodzin w oparciu o homologię sekwencji i podobną aktywność biologiczną. Podrodzina PR-10 (ang. pathogenesis-related class 10 proteins) reprezentowana jest przez wysoce konserwatywne, małe (15-16 kDa) białka, obecne u wielu gatunków. Z alergologicznego punktu widzenia, białka PR-10 istotne są jako główne roślinne alergeny molekularne uczulające drogą wziewną (obecne w pyłku) i drogą pokarmową. PR-10 ulegają silnej ekspresji w tkankach: pyłku; korzeni i liści (seler,  marchew); nasion (soja, orzeszki ziemne) i owoców (m.in. jabłko, pestkowce, orzechy).

Do tej pory u ponad 70 gatunków roślin zidentyfikowano ponad 100 przedstawicieli PR-10. Wszystkie posiadają możliwość wewnątrzkomórkowego magazynowania i transportu cząsteczek hydrofobowych: kwasów tłuszczowych, naturalnych insektycydów i fungicydów, cytokinin (regulatory wzrostu) czy sterydowych hormonów roślinnych, uczestniczących we wzroście i rozwoju roślin, a także, co istotne dla omawianych zagadnień, w odpowiedzi na stres i w mechanizmach obronnych. PR-10 są kodowane przez wielogenowe rodziny genów.

Synteza Bet v 1

W  syntezie Bet v 1 uczestniczy dziesięć genów, w syntezie jego homologu z jabłka, Mal d 1, aż osiemnaście. Geny białka stresu PR-10 ulegają aktywacji w odpowiedzi na czynniki biotyczne: wirusy, bakterie i grzyby, owady i nicienie;  rany fizyczne oraz czynniki abiotyczne: chłód, suszę, zasolenie, stres oksydacyjny, promieniowanie, związki chemiczne, etc. Nasilenie syntezy  PR-10 zapoczątkowuje wczesne reakcje obronne, reakcje długotrwałe (np. grubienie ścian komórkowych), a także przyczynia się do zwiększonej tolerancji stresu. Reasumując –  wynikłe z działalności człowieka czynniki potęgujące stres roślin wzmagają syntezę roślinnych białek obronnych, trochę myląco nazwanych białkami stresu. Białka stresu będąc silnymi alergenami, zwiększają  alergenność pyłku i jego „agresywność” wobec człowieka, sprawcy stresu roślin.

Synteza alergenów rodziny PR-10 a nasilenie reakcji z alergenami pokarmowymi

Mechanizm obserwowany w przypadku pyłku brzozy i jej głównego alergenu molekularnego: Bet v 1 z rodziny PR-10, może zachodzić w przypadku homologów PR-10 pyłku innych drzew bukowatych. Równoczesne nasilenie syntezy alergenów rodziny PR-10 w pyłku i tkankach roślin skutkować może nasileniem reakcji krzyżowych sIgE z homologicznymi alergenami pokarmowymi w jabłkach, marchwi, orzechach, etc. Nie można wykluczyć wzrostu „agresywności” pokarmu pochodzenia roślinnego, związanego z innymi alergennymi białkami stresu, przykładowo białkami PR-14, określanymi jako białka transportujące lipidy, LTP (ang. lipid transfer proteins), do których należą:  Mal d 3 jabłka; Cor a 8 orzechów laskowych czy Ara h 9 orzechów ziemnych i szereg podobnych alergenów  warzyw i zbóż.

Dr Tomasz Ochałek