過敏重現系統發育

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多年來,我一直生活在對過敏的恐懼中。雖然我從未有過任何危及生命的反應,但在我的童年時期,我以驚人的頻率發展出新的過敏。首先,是摸了我四年級最好的朋友的兔子後出現的蕁麻疹,然後是溫帶森林春季常見的季節性過敏,然後是一長串使我口咽發癢和腫脹的生水果、蔬菜和堅果。我開始認為我很快就會對所有東西都過敏。

為了尋求某種神奇的藥物,或者至少是開一些西替利嗪,我去看了一次過敏症專科醫生,但結果給了我更好的東西:一個診斷結果。我患有口腔過敏綜合徵,這是一種對新鮮水果和蔬菜的區域性過敏,在患有季節性過敏的人群中很常見。

過敏是你的身體對無害事物過度反應。免疫系統的抗體識別一種通常無害的蛋白質,並激活免疫系統來對抗它,從而引起你所知道和厭惡的所有症狀。對於像我這樣的許多季節性過敏患者來說,產生對抗花粉蛋白的抗體也意味著當這種蛋白質出現在其他植物(包括水果和蔬菜)中時會發生反應。一些抗體與蛋白質中的氨基酸序列結合,但許多抗體與蛋白質的3D形狀結合。烹飪使溫度升高到足以使3D結構變性,阻止抗體結合,使其再次可食用。


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我對樺樹過敏,其主要過敏原稱為Bet v 1(過敏原蛋白以其宿主的拉丁名稱命名。樺樹是Betula verrucosa,因此為Bet v 1)。Bet v 1是一種幫助植物應對病原體的蛋白質,出現在許多其他水果和蔬菜中,使我對以下食物過敏(按大致的過敏性順序):桃子、櫻桃、杏仁、李子、杏子、蘋果、梨、漿果、獼猴桃、大豆、胡蘿蔔、芹菜、西紅柿、辣椒、歐芹和土豆。

隨著清單越來越長,我假設我對某些東西過敏,除非另有證明。為了謹慎起見,我避免了所有未煮熟的水果和沙拉。但是最近,當我開始更多地瞭解植物時(典型的分子生物學教育中嚴重缺乏),我開始瞭解我過敏的東西和我可以吃的東西之間的聯絡。黃瓜和瓜類屬於同一科!櫻桃和杏仁密切相關!西蘭花和捲心菜是同一物種!我的過敏似乎不再那麼隨機,並且更容易與服務員和舉辦晚宴的朋友談論要避免什麼。

將我能吃和不能吃的水果和蔬菜繪製到開花植物進化樹上,這種聯絡變得更加清晰。在下面的圖表中,該圖表修改自被子植物系統發育組構建的樹狀圖,紅色突出顯示的植物科包含我過敏的東西,綠色突出顯示的科是我可以吃的,而黑色留下的科是未知或不可食用的

單子葉植物和真雙子葉植物之間存在非常明顯的分裂,而過敏性植物肯定聚集在薔薇分支和菊分支中,接近包括可怕的樺樹在內的山毛櫸目。這種聚集是有道理的,因為蛋白質在親緣關係更近的物種中應該更密切相關,儘管我不太確定包括非過敏性黃瓜和瓜類在內的葫蘆目如何能如此接近母體過敏原。為什麼只有這種蛋白質的樺樹版本(是存在於許多不同生物中的普遍超家族的一部分)會引起這種過敏反應,這仍然是一個懸而未決的問題。

從這項對映練習中值得注意的一個發現是,我的過敏反應的強度似乎與植物在系統發育樹上的位置相關。從喉嚨閉合的桃子和櫻桃到輕微刺激的(但美味的)香菜,我的過敏反應在很大程度上與系統發育關係保持一致。Bet v 1的進化距離越遠的變體與原始過敏原的相似性就越低,因此我的抗體結合得越不好,導致過敏反應減弱。

這些系統發育樹通常是透過比較所有成員之間共享的基因序列的相似性來構建的,通常是核糖體RNA的一部分。使用可以比對蛋白質序列的軟體重新構建基於Bet v 1的樹狀圖

並根據相關性對其進行聚類

產生一棵非常相似的樹!這些系統發育樹現在使我更容易透過在維基百科上查詢分類資訊而不是品嚐來了解我對某些東西是否過敏以及我的反應有多強烈。我仍然不能吃任何這些東西(儘管我的iGEM學生確實試圖為我設計非過敏性植物),但由於科學,我至少不再害怕我的過敏了。

Christina Agapakis is a biologist, designer, and writer with an ecological and evolutionary approach to synthetic biology and biological engineering. Her PhD thesis projects at the Harvard Medical School include design of metabolic pathways in bacteria for hydrogen fuel production, personalized genetic engineering of plants, engineered photosynthetic endosymbiosis, and cheese smell-omics. With Oscillator and Icosahedron Labs she works towards envisioning the future of biological technologies and synthetic biology design.

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