Analysis of allergenic proteins by mass spectrometry

MS Analysis of Allergenic Proteins. Food allergy is a significant worldwide public health issue. Proteins from cow's milk, chicken eggs, soybean and peanuts are the most frequent allergens contained in the complex foods prepared by industrial processes. Allergenic proteins can induce allergic reaction in their native structural state or upon chemical or conformational changes induced by the industrial treatments. Nowadays, the identification of allergenic proteins in foods is conducted by using immunochemical methods such as ELISA tests, but these techniques suffer from several limitations due to cross-reactivity and false negative results. Indeed, alterations in the allergen’s structure or chemical modifications can prevent the interaction with the antibody, thus causing misleading data. Since allergens are toxic even in trace amounts, there is a need for reliable and sensitive analytical methods for allergenic proteins. The purpose of this PhD project was to develop procedures for the identification of these proteins in food samples by using mass spectrometry (MS), likely overcoming some limitations of the immunochemical assays. Indeed, the MS approach for identifying proteins makes use of data pertaining to the amino acid sequence of the protein, while immunochemical methods are linked to the integrity of the three-dimensional structure of proteins. In order to test immunochemical approaches, polyclonal antibodies raised against the main allergenic proteins of milk (α-lactalbumin and β-lactoglobulin) and eggs (ovomucoid, ovalbumin and lysozyme) were purchased. Preliminary studies were performed in order to check the quality of the antibodies, in terms of specificity of recognition and cross-reactivity. Moreover, the responses of the antibodies using as antigens the purified commercial proteins and the same proteins contained in complex food matrices after thermal treatment were checked. Since allergenic proteins usually are contained in complex mixtures of huge amounts of other proteins, the methodology nowadays named “targeted proteomics” was considered very appropriate. By this approach, a protein contained in a complex mixture can be identified by a MS analysis of a peptide fragment that is specific for the protein of interest and contained in the very complex mixture of a tryptic digest of a protein sample. The procedure involves specific labelling and isolation of the specific peptide, named “proteotypic”. To this aim, tryptophan (Trp) residues in proteins were modified by reaction with 2,4-dinitrophenyl-sulfenyl chloride (DNPS-Cl), that leads to a Trp-derivative with the DNPS label attached at 2-position of the indole nucleus. The selection of Trp(DNPS)- peptides from the complex mixture of a tryptic digest of a protein sample was achieved by exploiting the significant change in hydrophobicity and retention time of DNPS-modified peptides in a reverse-phase HPLC column. Moreover, DNPS-labelled Trp-peptides were isolated by hydrophobic interaction chromatography, as well as by immunoaffinity chromatography using a column prepared with anti-DNP antibodies. The “targeted proteomics” procedure was optimised using a mixture of model proteins and then applied to identify a protein allergen contained in a raw bakery product. Overall, it was demonstrated that the novel procedure of selective labelling and isolation of Trp-peptides allows a considerable simplification of the fingerprinting/MS approaches nowadays used for the identification of proteins in proteomics research. Other Research Activities. During the PhD course I had the opportunity to collaborate with other members of the lab in a couple of additional projects, partly as a continuation of previous research conducted for the doctoral thesis. Documentation of this activity is herewith included as an Appendix at the end of this PhD Thesis. The molecular properties of the complex formed by α-lactalbumin with oleic acid were investigated in detail. This complex appears to be very interesting, since it has been shown to display cellular toxicity specifically for cancer cells. It was shown that the protein in the complex is in an oligomeric state, at variance from previous statements that the protein was monomeric. Moreover, it was shown the oleic acid can interact also with other proteins, including apomyoglobin. The main conclusion of this work was that the protein moiety serves as a carrier of the otherwise poorly soluble fatty acid, thus leading to an enhancement of its water solubility and consequently of its intrinsic cytotoxic properties. A manuscript rescrubbing these results is in an advanced state of preparation. Enterocin AS-48 is a 70-residue circular polypeptide produced by Enterococcus faecalis displaying a wide antibacterial activity. Limited proteolysis of AS-48 was used to prepare a linear form of this enterocin, as well as 38- and 55-residue fragments. Nicked AS-48 showed a lower helicity by far-ultraviolet circular dichroism and a reduced stability to thermal denaturation, but it was active against the sensitive bacteria assayed. The fragments also partly retained the biological activity of the intact protein. These results indicate that the circularization phenomenon is not required for the antibacterial activity, but it is crucial for the stabilization of the native structural state. This research was published in FEBS Lett. (2008).

Analisi di proteine allergeniche mediante spettrometria di massa. Le allergie alimentari rappresentano ormai una problematica clinica di livello mondiale. Tra i prodotti alimentari considerati pericolosi per il loro elevato contenuto in proteine allergeniche troviamo il latte bovino, le uova, la soia e le arachidi. Le proteine allergeniche possono scatenare reazioni allergiche sia mantenendo la loro struttura nativa, sia in seguito a modifiche chimiche e conformazionali indotte dai processi industriali. I metodi d’elezione applicati per l’identificazione di proteine allergeniche negli alimenti sono rappresentati dai saggi immunochimici come i test ELISA. Tali metodi presentano però numerose limitazioni causate da fenomeni di cross reattività e da falsi positivi. Inoltre, alterazioni nella struttura delle proteine allergeniche o eventuali modifiche chimiche possono modificare l’interazione con gli anticorpi specifici, invalidando i risultati. Dal momento che gli allergeni sono tossici anche in tracce, è necessario sviluppare dei metodi analitici efficaci e affidabili per la loro identificazione. Lo scopo di questo progetto di tesi è stato quello di sviluppare delle procedure per l’identificazione di proteine allergeniche mediante spettrometria di massa (MS) che possano superare i limiti metodici dei saggi immunologici. Oltretutto, l’identificazione delle proteine mediante MS si basa sull’analisi della sequenza amminoacidica di quest’ultime, mentre i saggi immunochimici sono strettamente dipendenti dall’integrità della struttura tridimensionale della proteina antigenica. Al fine di testare la validità dell’approccio immnuchimico, sono stati testati alcuni anticorpi policlonali diretti contro le principali proteine allergeniche di latte α-lattalbumina e β-lattoglobulina) e uova (ovomucoide, ovalbumina e lisozima). Sono stati condotti alcuni studi preliminari per validare la qualità di questi anticorpi, in termini di specificità di riconoscimento della proteina antigenica e della presenza di eventuali fenomeni di cross reattività. Inoltre, è stata valutata la risposta anticorpale usando come antigeni sia le proteine commerciali purificate, sia le stesse proteine contenute in prodotti alimentari prima e dopo trattamento termico. Dato che le proteine allergeniche sono contenute in miscele complesse costituite da altre proteine, è stata considerata estremamente appropriata l’applicazione di una tecnica detta “targeted chromatography”. Secondo questo strategia, è possibile identificare mediante MS una proteina contenuta in una miscela complessa attraverso l’analisi di alcuni frammenti peptidici derivati dalla digestione triptica, che sono specifici della proteina stessa. Questa procedura prevede la modifica chimica e il successivo isolamento di specifici peptidi detti “prototipici”. A tale scopo, i residui di triptofano contenuti nelle proteine sono stati chimicamente modificati mediante una reazione con il composto 2,4- dinitrofenilsulfenil cloruro (DNPS-Cl), che porta alla formazione di un derivato triptofanilico, con il DNPS legato in posizione 2 dell’anello indolico. La selezione dei peptidi modificati con il DNPS-Cl contenuti in una miscela triptica è stata effettuata sfruttando l’aumento di idrofobicità e del tempo di ritenzione di questi peptidi modificati in una colonna HPLC a fase inversa. Inoltre, gli stessi peptidi modificati con DNPS-Cl sono stati isolati mediante cromatografia per immunoaffinità utilizzando una resina derivatizzata con anticorpi monoclonali diretti contro il gruppo DNP. La strategia di ”targeted proteomics” è stata ottimizzata utilizzando una miscela modello di sette proteine e successivamente è stata applicata per l’identificazione di una proteina allergenica contenuta in un prodotto dolciario. È stato inoltre dimostrato che queste nuove procedure di modifica selettiva e di selezione dei peptidi triptofanilici permette di semplificare considerevolmente l’analisi di fingerprinting/MS che è solitamente utilizzata per l’identificazione di proteine nei protocolli di proteomica. Altre attività di ricerca. Durante il periodo di dottorato, ho avuto l’opportunità di collaborare con altri membri del laboratorio in due progetti addizionali come continuazione di un progetto di ricerca precedente. La documentazione relativa a queste attività è riportata in appendice alla tesi di dottorato. Sono state investigate le proprietà molecolari del complesso formato da α-lattalbumina con l’acido oleico. Il complesso appare interessante poiché ha mostrato avere tossicità cellulare diretta selettivamente contro cellule tumorali. È stato dimostrato che la proteina nel complesso ha una struttura oligomerica, diversamente da quanto riportato nelle prime osservazioni, che ipotizzavano fosse in uno stato monometrico. Inoltre, è stato osservato che l’acido oleico interagisce anche con altre proteine, come l’apomioglobina. La principale conclusione di questo lavoro è stata che il motivo oligomerico della proteina veicola l’acido oleico, normalmente poco solubile, favorendo quindi la solubilizzazione dell’acido grasso e conseguentemente della sua proprietà citotossica. È in preparazione un articolo riguardante questi risultati. L’enterocina AS-48, è un polipeptide circolare di 70 residui prodotto da Enterococcus faecalis che mostra a vere attività antibatterica. La proteolisi limitata è stata usata per preparare una forma lineare e due frammenti di questa enterocina. Misure di dicroismo circolare nel lontano ultravioletto hanno dimostrato che la proteina ha una bassa ellitticità e una ridotta stabilità alla denaturazione termica, ma mantiene la sua attività antibatterica., mentre i frammenti presentano un’attività ridotta. Questi risultati indicano che la circolarizzazione è un fenomeno che non è richiesto per l’attività antibatterica, ma è cruciale per la stabilizzazione della struttura nativa. Questa ricerca è stata pubblicata in FEBS Lett. (2008).