TY  - THES
A1  - Neymeyer, Hanna
T1  - Annexin A1 im chronischen Nierenversagen
T1  - Annexin A1 in chronic renal failure
N2  - Die Expansion des renalen Tubulointerstitiums aufgrund einer Akkumulation zellulärer Bestandteile und extrazellulärer Matrix ist eine charakteristische Eigenschaft der chronischen Nierenerkrankung (CKD) und führt zu einer Progression der Erkrankung in Richtung eines terminalen Nierenversagens. Die Fibroblasten Proliferation und ihre Transformation hin zum sekretorischen Myofibroblasten-Phänotyp stellen hierbei Schlüsselereignisse dar. Signalprozesse, die zur Induktion der Myofibroblasten führen, werden aktiv beforscht um anti-fibrotische Therapieansätze zu identifizieren. Das anti-inflammatorische Protein Annexin A1 und sein Rezeptor Formyl-Peptid Rezeptor 2 (FPR2) wurden in verschiedenen Organsystemen mit der Regulation von Fibroblastenaktivität in Verbindung gebracht, jedoch wurden ihre Expression und Funktion bei renalen fibrotischen Erkrankungen bisher nicht untersucht. Ziel der aktuellen Studie war daher die Untersuchung der renalen Annexin A1- und FPR2-Expression in einem Tiermodell des chronischen Nierenversagens, sowie die Charakterisierung der funktionellen Rolle von Annexin A1 in der Regulation des Fibroblasten Phänotyps und ihrer Syntheseleistung. Dazu wurden neugeborene Sprague-Dawley Ratten in den ersten zwei Wochen ihres Lebens entweder mit Vehikel oder mit einem Angiotensin II Typ I Rezeptor Antagonisten behandelt und ohne weitere Intervention bis zu einem Alter von 11 Monaten (CKD Ratten) gehalten. Die Regulation und Lokalisation von Annexin A1 und FPR2 wurden mit Hilfe von Real-Time PCR und Immunhistochemie erfasst. Annexin A1- und FPR2-exprimierende Zellen wurden weiter durch Doppelimmunfluoreszenzfärbungen charakterisiert. Gefärbt wurde mit Antikörpern gegen endotheliale Zellen (rat endothelial cell antigen), Makrophagen (CD 68), Fibroblasten (CD73) und Myofibroblasten (alpha-smooth muscle actin (α-sma)). Zellkulturstudien wurden an immortalisierten renalen kortikalen Fibroblasten aus Wildtyp- und Annexin A1-defizienten Mäusen, sowie an etablierten humanen und murinen renalen Fibrolasten durchgeführt. Eine Überexpression von Annexin A1 wurde durch eine stabile Transfektion erreicht. Die Expression von Annexin A1, α-sma und Kollagen 1α1 wurde durch Real-Time PCR, Western Blot und Immuhistochemie erfasst. Die Sekretion des Annexin A1 Proteins wurde nach TCA-Fällung des Zellkulturüberstandes im Western Blot untersucht. Wie zu erwarten zeigten die CKD Ratten eine geringere Anzahl an Nephronen mit deutlicher glomerulären Hypertrophie. Der tubulointerstitielle Raum war durch fibrilläres Kollagen, aktivierte Fibroblasten und inflammatorische Zellen expandiert. Parallel dazu war die mRNA Expression von Annexin A1 und Transforming growth factor beta (TGF-β) signifikant erhöht. Die Annexin A1-Lokalisation mittels Doppelimmunfluorsezenz identifizierte eine große Anzahl von CD73-positiven kortikalen Fibroblasten und eine Subpopulation von Makrophagen als Annexin A1-positiv. Die Annexin A1-Menge in Myofibroblasten und renalen Endothelien war gering. FPR2 konnte in der Mehrzahl der renalen Fibroblasten, in Myofibroblasten, in einer Subpopulation von Makrophagen und in renalen Epithelzellen nachgewiesen werden. Eine Behandlung der murinen Fibroblasten mit dem pro-fibrotischen Zytokin TGF-β führte zu einem parallelen Anstieg der α-sma-, Kollagen 1α1- und Annexin A1-Biosynthese und zu einer gesteigerten Sekretion von Annexin A1. Eine Überexpression von Annexin A1 in murinen Fibroblasten reduzierte das Ausmaß der TGF-β induzierten α-sma- und Kollagen 1α1-Biosynthese. Fibroblasten aus Annexin A1-defizienten Mäusen zeigten einen starken Myofibroblasten-Phänotyp mit einer gesteigerten Expression an α-sma und Kollagen 1α1. Der Einsatz eines Peptidantagonisten des FPR2 (WRW4) resultierte in einer Stimulation der α-sma-Biosynthese, was die Vermutung nahe legte, dass Annexin A1 FPR2-vermittelt anti-fibrotische Effekte hat. Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse, dass renale kortikale Fibroblasten eine Hauptquelle des Annexin A1 im renalen Interstitium und einen Ansatzpunkt für Annexin A1-Signalwege in der Niere darstellen. Das Annexin A1/FPR2-System könnte daher eine wichtige Rolle in der Kontrolle des Fibroblasten Phänotyp und der Fibroblasten Aktivität spielen und daher einen neuen Ansatz für die anti-fibrotischen pharmakologischen Strategien in der Behandlung des CKD darstellen.
N2  - Expansion of the renal tubulointerstitium due to an accumulation of cellular constituents and extracellular matrix is a characteristic feature of chronic kidney disease (CKD) and leads to the progression towards renal failure. Fibroblast proliferation and transformation to the secretory myofibroblast phenotype present key events herein. The signaling process which leads to the generation of myofibroblasts is actively investigated to identify targets for antifibrotic therapeutic strategies. The antiinflammatory protein annexin A1 and its receptor formyl peptide receptor 2 (FPR2) have been implicated in the regulation of fibroblasts from various organs but the expression and function of the two products in renal fibrotic disease have not been elucidated so far. Aim of the present study was therefore to investigate the renal expression of annexin A1 and FPR2 in an animal model of chronic kidney disease and to characterize the role of annexin A1 in the regulation of fibroblast phenotype and synthetic activity. To this end, newborn Sprague-Dawley rats were treated either with vehicle or with an angiotensin II type I receptor antagonist during the first two weeks of their life and kept without further intervention until the age of 11 month (CKD rats). Regulation and localization of annexin A1 and FPR2 were studied using real-time PCR and immunohistochemistry. Annexin A1 and FPR2 expressing cells were further characterized by double labeling immunofluorescence with markers for endothelial cells (rat endothelial cell antigen), macrophages (CD68), fibroblasts (CD73), and myofibroblasts (alpha-smooth muscle actin (α-sma)). Cell culture studies were conducted in immortalized renal cortical fibroblast derived from wildtype and from annexin A1-deficient mice as well as in established cell lines of human and murine renal fibroblasts. Overexpression of annexin A1 was achieved by stable transfection. Expression of annexin A1, α-sma and collagen 1α1 was determined using real-time PCR, Western blotting and immunohistochemistry. Secretion of annexin A1 was studied using trichloroacetic acid protein precipitation of cell culture supernatants and Western blotting. As expected, CKD rats had an overall lower number of nephrons with a marked glomerular hypertrophy. The tubulointerstitial space was expanded due to an accumulation of fibrillar collagens, activated fibroblasts and inflammatory cells. In parallel, mRNA expression for Annexin A1 and transforming growth factor beta (TGF-β) was significantly increased. Double labeling immunofluorescence localization of annexin A1 demonstrated a high abundance in CD73 positive cortical interstitial fibroblasts and in a subset of CD68 immunoreactive macrophages. The abundance in myofibroblasts and renal endothelia was low. FPR2 was found in the majority of renal fibroblasts, myofibroblasts, a subset of macrophages, and in renal endothelial cells. Treatment of cultured murine fibroblasts with the profibrotic cytokine TGF-β resulted in a parallel induction of α-sma-, collagen 1α1- and annexin A1 biosynthesis. In addition, annexin A1 secretion was markedly increased. Overexpression of annexin A1 in murine fibroblasts reduced TGF β-induced α-sma- and collagen 1α1-biosynthesis. Fibroblasts derived from annexin A1-deficient mice showed a strong myofibroblast phenotype with increased expression of both, α-sma-, and collagen 1α1. Application of a peptide antagonist of FPR2 receptor (WRW4) caused a stimulation of α-sma biosynthesis thus suggesting a role of FPR2 in the antifibrotic effects of annexin A1. In conclusion, these results identify renal cortical interstitial fibroblasts as major source and as a target for annexin A1 signalling in the kidney. The annexin A1/FPR2 signalling system may therefore play an important role in the control of fibroblast phenotype and activity and may therefore provide a novel target for antifibrotic pharmacological strategies in the treatment of CKD.
KW  - Myofibroblasten
KW  - Transforming Growth Factor beta
KW  - Formyl-Peptid Rezeptor 2
KW  - extrazelluläre Matrix
KW  - myofibroblast
KW  - transforming growth factor beta
KW  - formyl peptide receptor 2
KW  - extracellular matrix
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69670
ER  - 
TY  - THES
A1  - Müller, Mike-Freya
T1  - Die Glutathionperoxidase 2 : physiologische Funktion und Rolle in der Azoxymethan-induzierten Colonkanzerogenese
T1  - The glutathione peroxidase 2 : physiological function and role in azoxymethane-induced colon carcinogenesis
N2  - Das Selenoprotein Glutathionperoxidase 2 (GPx2) ist ein epithelzellspezifisches, Hydroperoxide-reduzierendes Enzym, welches im Darmepithel, vor allem in den proliferierenden Zellen des Kryptengrundes, exprimiert wird. Die Aufrechterhaltung der GPx2-Expression im Kryptengrund auch bei subadäquatem Selenstatus könnte darauf hinweisen, dass sie hier besonders wichtige Funktionen wahrnimmt. Tatsächlich weisen GPx2 knockout (KO)-Mäuse eine erhöhte Apoptoserate im Kryptengrund auf. Ein Ziel dieser Arbeit war es deshalb, die physiologische Funktion der GPx2 näher zu untersuchen. In Kryptengrundepithelzellen aus dem Colon selenarmer GPx2 KO-Mäuse wurde eine erhöhte Caspase 3/7-Aktivität im Vergleich zum Wildtyp (WT) festgestellt. Zudem wiesen diese Zellen eine erhöhte Suszeptibilität für oxidativen Stress auf. Die GPx2 gewährleistet also den Schutz der proliferierenden Zellen des Kryptengrundes auch bei subadäquater Selenversorgung. Des Weiteren wurde im Colon selenarmer (-Se) und -adäquater (+Se) GPx2 KO-Mäuse im Vergleich zum WT eine erhöhte Tumornekrosefaktor α-Expression und eine erhöhte Infiltration von Makrophagen festgestellt. Durch Fütterung einer selensupplementierten Diät (++Se) konnte dies verhindert werden. In GPx2 KO-Mäusen liegt demnach bereits basal eine niedriggradige Entzündung vor. Dies unterstreicht, dass GPx2 vor allem eine wichtige antiinflammatorische Funktion im Darmepithel besitzt. Dem Mikronährstoff Selen werden protektive Funktionen in der Colonkanzerogenese zugeschrieben. In einem Mausmodell der Colitis-assoziierten Colonkanzerogenese wirkte GPx2 antiinflammatorisch und hemmte so die Tumorentstehung. Auf der anderen Seite wurden jedoch auch prokanzerogene Eigenschaften der GPx2 aufgedeckt. Deshalb sollte in dieser Arbeit untersucht werden, welchen Effekt ein GPx2 knockout in einem Modell der sporadischen, durch Azoxymethan (AOM) induzierten, Colonkanzerogenese hat. Im WT kam es in präneoplastischen Läsionen häufig zu einer erhöhten GPx2-Expression im Vergleich zur normalen Darmmucosa. Eine derartige Steigerung der GPx2-Expression wurde auch in der humanen Colonkanzerogenese beschrieben. Das Fehlen der GPx2 resultierte in einer verminderten Entstehung von Tumoren (-Se und ++Se) und präneoplastischen Läsionen (-Se und +Se). Somit förderte GPx2 die Tumorentstehung im AOM-Modell. Acht Stunden nach AOM-Gabe war im GPx2 KO-Colon im Vergleich zum WT eine erhöhte Apoptoserate in der Kryptenmitte (-Se, +Se), nicht jedoch im Kryptengrund oder in der ++Se-Gruppe zu beobachten. Möglicherweise wirkte GPx2 prokanzerogen, indem sie die effiziente Elimination geschädigter Zellen in der Tumorinitiationsphase verhinderte. Eine ähnliche Wirkung wäre auch durch die erhöhte GPx2-Expression in der Promotionsphase denkbar. So könnte GPx2 proliferierende präneoplastische Zellen vor oxidativem Stress, Apoptosen, oder auch der Antitumorimmunität schützen. Dies könnte durch ein Zusammenwirken mit anderen Selenoproteinen wie GPx1 und Thioredoxinreduktasen, für die ebenfalls auch prokanzerogene Funktionen beschrieben wurden, verstärkt werden. Eine wichtige Rolle könnte hier die Modulation des Redoxstatus in Tumorzellen spielen. Die Variation des Selengehalts der Diät hatte im WT einen eher U-förmigen Effekt. So traten in der –Se und ++Se-Gruppe tendenziell mehr und größere Tumore auf, als in der +Se Gruppe. Zusammenfassend schützt GPx2 also die proliferierenden Zellen des Kryptengrundes. Sie könnte jedoch auch proliferierende transformierte Zellen schützen und so die sporadische, AOM-induzierte Colonkanzerogenese fördern. In einem Modell der Colitis-assoziierten Colonkanzerogenese hatte GPx2 auf Grund ihrer antiinflammatorischen Wirkung einen gegenteiligen Effekt und hemmte die Tumorentstehung. Die Rolle der GPx2 in der Colonkanzerogenese ist also abhängig vom zugrunde liegenden Mechanismus und wird maßgeblich von der Beteiligung einer Entzündung bestimmt.
N2  - The selenoprotein glutathione peroxidase 2 (GPx2) is a hydroperoxide-reducing enzyme that is mainly expressed in the gastrointestinal epithelium, especially in the crypt base were the proliferating cells reside. GPx2 expression is maintained even when the selenium supply is limited, which indicates that GPx2 might have an important function in these cells. Indeed, GPx2 knockout (KO)-mice have an enhanced rate of apoptosis in the crypt base. Therefore one aim of this study was to further elucidate the physiological function of the GPx2. Isolated colonic crypt base epithelial cells of selenium deficient GPx2 KO-mice were found to have a higher caspase 3/7 activity than wild type (wt) cells. Moreover they exhibited an enhanced susceptibility for oxidative stress. Thus GPx2 protects the proliferative crypt base cells of the intestine, especially when the selenium supply is limited. Additionally an enhanced expression of tumor necrosis factor α and an enhanced infiltration of macrophages were detected in the colon of GPx2 KO-mice in comparison to the wt. These effects were observed on a selenium deficient (-Se) and -adequate (+Se) diet, but could be prevented by feeding a selenium supplemented (++Se) diet. Accordingly, GPx2 KO-mice have a basal low grade inflammation. This underlines, that GPx2 has an important anti-inflammatory function in the intestinal epithelium. Selenium deficiency is linked to an increased risk of developing colorectal cancer. In a mouse model of colitis-associated colon carcinogenesis, GPx2 had anti-inflammatory and thus anticarcinogenic effects. However, also procarcinogenic functions of the GPx2 have been observed. Therefore, this study aimed to analyse the role of GPx2 in a model of non-inflammation triggered, sporadic colon carcinogenesis induced by azoxymethane (AOM). In preneoplastic lesions of wt mice, an enhanced expression of GPx2 in comparison to the normal mucosa was frequently observed. An upregulation of GPx2 expression has also been described in human colon carcinogenesis. GPx2 KO mice had less tumors (-Se and ++Se) and less preneoplastic lesions (-Se, +Se) than wt mice. Accordingly GPx2 promotes colon carcinogenesis in the AOM-model. Eight hours after AOM-application, a higher rate of apoptosis was observed in the mid-crypt region of the colon of GPx2 ko mice in comparison to wt mice in the –Se and +Se groups, but not in the ++Se group or in the crypt base. Thus GPx2 might act procarcinogenic by preventing the elimination of cells with DNA-damage in the tumor initiation stage. Similarly, the enhanced GPx2-expression in preneoplastic cells could promote tumorigenesis by protecting these cells from oxidative stress, apoptosis or antitumor immunity. This effect might be enhanced by other selenoproteins like GPx1 or thioredoxin reductases that have also been reported to possess procarcinogenic properties and it might be closely related to the regulation of the redox state of tumor cells. In wt mice, the selenium content of the diet turned out to have a rather U-shaped effect on colon carcinogenesis. In the –Se and ++Se groups, wt mice tended to have more and larger tumors than in the ++Se group. In conclusion, GPx2 protects the proliferating cells of the intestinal crypt base, but it could also protect proliferating transformed cells and thus promote sporadic, AOM-induced colon carcinogenesis. In contrast, GPx2 acted anticarcinogenic in a model of colitis-associated colon carcinogenesis due to its antiinflammatory properties. Thus, the role of GPx2 in colon carcinogenesis depends on the underlying mechanisms, especially on the involvement of an inflammation.
KW  - Glutathionperoxidase
KW  - Selen
KW  - Colonkanzerogenese
KW  - Entzündung
KW  - Redox
KW  - glutathione peroxidase
KW  - selenium
KW  - colon carcinogenesis
KW  - inflammation
KW  - redox
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-66955
ER  - 
TY  - THES
A1  - Junick, Jana
T1  - Einfluss von Synbiotika auf die intestinale Mikrobiota gesunder Neugeborener
T1  - Effect of starter formula with synbiotics on the intestinal microbiota of healthy newborn infants
N2  - Hintergrund: Gestillte Kinder haben im Vergleich zu nicht gestillten Kindern eine geringere Inzidenz von gastrointestinalen Infektionen und atopischen Erkrankungen. Man geht davon aus, dass der gesundheitsfördernde Effekt der Muttermilch teilweise über die intestinale Mikrobiota vermittelt wird. Diese ist in Stillkindern durch eine geringe Diversität und einen hohen Anteil an Bifidobakterien charakterisiert. Neueste Ansätze in der Weiterentwicklung industriell hergestellter Säuglingsnahrung zielen darauf ab, eine intestinale Mikrobiota zu fördern, die der von gestillten Kindern ähnelt. Die Supplementation von Säuglingsnahrung mit Probiotika (lebende Mikroorganismen) oder Präbiotika (unverdauliche Kohlenhydrate, die als Energiesubstrat für probiotische Bakterien dienen) könnte die bifidogene und antipathogene, aber auch immunmodulierende Wirkung der Muttermilch nachahmen. Aufgrund unterschiedlicher Interaktionen mit der Darmmikrobiota und dem Immunsystem fokussiert man mit der gleichzeitigen Gabe von Pro- und Präbiotika (Synbiotika) eine synergistische Wirkung an. Zielstellung und Studiendesign: In einer randomisiert-kontrollierten, klinischen Studie wurde untersucht, ob sich in den ersten drei Lebensmonaten von gesunden und termingerecht geborenen Kindern mit einer Synbiotikum-haltigen Säuglingsnahrung eine intestinale Mikrobiota etabliert, die der von gestillten Kindern gleicht. Das Synbiotikum setzte sich aus Bifidobacterium animalis ssp. lactis CNCM I 3446 (ältere Bezeichnung B. lactis BB-12) und Kuhmilcholigosacchariden zusammen. Die Studie umfasste zwei Gruppen von Kindern, die eine Säuglingsnahrung mit (SYN-Gruppe, n=21) oder ohne Supplement (KON-Gruppe, n=18) erhielten. Gestillte Kinder dienten als Referenz (REF-Gruppe, n=23). Um die Diversität der Bifidobakterien auf Speziesebene umfassend zu charakterisieren, wurden quantitative Real-Time PCR (qPCR)-Verfahren, basierend auf dem single-copy groEL als phylogenetisches Zielgen, zur spezifischen Quantifizierung von zwölf Bifidobakterienspezies in humanen Fäzes entwickelt und validiert. Ergebnisse: Die supplementierte Säuglingsnahrung war gut verträglich und unterstützte eine gesunde Entwicklung; vergleichbare anthropometrische Daten von SYN- und REF-Gruppe. Das Synbiotikum stimulierte selektiv das Wachstum von Laktobazillen und Bifidobakterien. Die Zellzahl für Laktobazillen der SYN-Gruppe war zur REF-Gruppe äquivalent (9,07±0,32 versus 9,90±0,27 log10 Zellen/g Fäzes TM [MW±SEM]; p<0,0019; Äquivalenzdifferenz von 1 log10 Zellen/g Fäzes TM) und höher als in der KON-Gruppe (8,27±0,31 log10 Zellen/g Fäzes TM [MW±SEM]). Die Zellzahl für Bifidobakterien war in der SYN-Gruppe am höchsten (11,54±0,05 versus 11,00±0,17 [REF-Gruppe] und 10,54±0,24 [KON-Gruppe] log10 Zellen/g Fäzes TM [MW±SEM]). In der SYN-Gruppe wurde die höchste Anzahl an Bifidobakterienspezies erfasst (167 mit [128 ohne] B. animalis in 56 Fäzesproben versus 98 und 93 in jeweils 51 Fäzesproben der REF- und KON-Gruppe). Neben Kinder-typischen Spezies wie B. bifidum und B. breve wurden auch Spezies, die für Erwachsene charakteristisch sind (B. adolescentis), häufiger in der SYN-Gruppe als in den Vergleichsgruppen nachgewiesen. Der pH-Wert in Fäzes von Kindern aus der SYN-Gruppe war niedriger als der aus der KON-Gruppe (6,07±0,20 versus 6,45±0,17 [MW±SEM]) und näher an dem von gestillten Kindern mit 5,29±0,12 (MW±SEM). Schlussfolgerung: Die Supplementation einer Säuglingsnahrung mit dem Synbiotikum aus CNCM I-3446 und Kuhmilcholigosacchariden führte zu einer Angleichung in der Zusammensetzung der intestinalen Mikrobiota und des fäkalen pH-Wertes an gestillte Kinder. Die in dieser Arbeit entwickelten groEL-basierten qPCR-Verfahren erlaubten eine spezifische und genaue Analyse der Bifidobakterienpopulation unter dem Einfluss eines Synbiotikums.
N2  - Background: Compared to formula-fed infants, breast-fed infants have a reduced incidence of gastrointestinal infections and atopic diseases. The health-promoting effect of breast milk is assumed to be partly mediated by the intestinal microbiota, which is characterized by a low diversity and a high proportion of bifidobacteria. Recent approaches in further development of infant formulae aim at promoting an intestinal microbiota similar to that of breast-fed infants. The supplementation of infant formula with probiotics (live microorganisms) or prebiotics (non-digestible carbohydrates, which serves as energy substrates for probiotic bacteria) could mimic the bifidogenic and antipathogenic, but also immunomodulating effect of breast milk. Due to various interactions with the gut microbiota and the immune system, the simultaneous administration of pro- and prebiotics (synbiotics) is focussed to have a synergistic effect. Objective and study design: In a randomized-controlled, clinical trial healthy full-term infants receiving an infant formula with synbiotic for the first three months of life were studied, whether an intestinal microbiota is induced, which is equivalent to that of breast-fed infants. The synbiotic consisted of Bifidobacterium animalis ssp. lactis CNCM I 3446 (previously known as B. lactis BB-12) and cow milk oligosaccharides. The study comprised two groups of infants receiving a starter formula with (SYN-group, n=21) or without supplement (KON-group, n=18). Breast-fed infants served as a reference (REF-group, n=23). In order to comprehensively characterize the bifidobacteria diversity at species level, quantitative real-time PCR (qPCR) assays based on the single-copy groEL as phylogenetic marker for the specific quantification of twelve bifidobacteria species in human feces were established and validated. Results: The supplemented formula was well tolerated and supported a healthy development; comparable anthropometric data of SYN- and REF-group. The synbiotic selectively stimulated the growth of lactobacilli and bifidobacteria. Lactobacilli levels were equivalent in SYN- and REF-group (9.07±0.32 versus 9.90±0.27 log10 cells/g feces DM [Mean±SEM]; p<0.0019; equivalence margin of 1 log10 cells/g feces DM) and higher than the KON-group (8.27±0.31 log10 cells/g feces DM [Mean±SEM]). The highest levels of bifidobacteria were observed in the SYN-group (11.54±0.05 versus 11.00±0.17 [REF-group] and 10.54±0.24 [KON-group] log10 cells/g feces DM [Mean±SEM]). The highest number of bifidobacteria species were obtained in the SYN-group (167 with [128 without] B. animalis in 56 fecal samples versus 98 and 93 in each of 51 fecal samples of the REF- and KON-group). Beside species, typically found in infants such as B. bifidum und B. breve, also species, which are characteristic for adults (B. adolescentis), were detected more often in the SYN-group than in the other study groups. Fecal pH was lower in the SYN- than in the KON-group 6.07±0.20 versus 6.45±0.17 [Mean±SEM]) and closer to that of breast-fed infants (5.29±0.12 [Mean±SEM]). Conclusion: In infants fed a starter formula supplemented with a synbiotic (CNCM I-3446 and cow milk oligosaccharides), composition of intestinal microbiota and fecal pH were closer to that of breast-fed infants. The groEL-based qPCR-assays, developed in this study, allowed a specific and accurate analysis of the bifidobacterial population in response to the synbiotic intake.
KW  - Synbiotika
KW  - Säuglingsnahrung
KW  - intestinale Mikrobiota
KW  - Bifidobacterium
KW  - groEL
KW  - synbiotics
KW  - starter formula
KW  - intestinal microbiota
KW  - bifidobacterium
KW  - groEL
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69525
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ganesh, Bhanu Priya
T1  - Host-microbe interactions in the inflamed gut
T1  - Wirt-Mikroben-Interaktionen im entzündenden Darm
N2  - Initiation and perpetuation of inflammatory bowel diseases (IBD) may result from an exaggerated mucosal immune response to the luminal microbiota in a susceptible host. We proposed that this may be caused either 1) by an abnormal microbial composition or 2) by weakening of the protective mucus layer due to excessive mucus degradation, which may lead to an easy access of luminal antigens to the host mucosa triggering inflammation. We tested whether the probiotic Enterococcus faecium NCIMB 10415 (NCIMB) is capable of reducing chronic gut inflammation by changing the existing gut microbiota composition and aimed to identify mechanisms that are involved in possible beneficial effects of the probiotic. To identify health-promoting mechanisms of the strain, we used interleukin (IL)-10 deficient mice that spontaneously develop gut inflammation and fed these mice a diet containing NCIMB (106 cells g-1) for 3, 8 and 24 weeks, respectively. Control mice were fed an identically composed diet but without the probiotic strain. No clear-cut differences between the animals were observed in pro-inflammatory cytokine gene expression and in intestinal microbiota composition after probiotic supplementation. However, we observed a low abundance of the mucin-degrading bacterium Akkermansia muciniphila in the mice that were fed NCIMB for 8 weeks. These low cell numbers were associated with significantly lower interferon gamma (IFN-γ) and IFN-γ-inducible protein (IP-10) mRNA levels as compared to the NCIMB-treated mice that were killed after 3 and 24 weeks of intervention. In conclusion, NCIMB was not capable of reducing gut inflammation in the IL-10-/- mouse model. To further identify the exact role of A. muciniphila and uncover a possible interaction between this bacterium, NCIMB and the host in relation to inflammation, we performed in vitro studies using HT-29 colon cancer cells. The HT-29 cells were treated with bacterial conditioned media obtained by growing either A. muciniphila (AM-CM) or NCIMB (NCIMB-CM) or both together (COMB-CM) in Dulbecco’s Modified Eagle Medium (DMEM) for 2 h at 37 °C followed by bacterial cell removal. HT-29 cells treated with COMB-CM displayed reduced cell viability after 18 h (p<0.01) and no viable cells were detected after 24 h of treatment, in contrast to the other groups or heated COMB-CM. Detection of activated caspase-3 in COMB-CM treated groups indicated that death of the HT-29 cells was brought about by apoptosis. It was concluded that either NCIMB or A. muciniphila produce a soluble and heat-sensitive factor during their concomitant presence that influences cell viability in an in vitro system. We currently hypothesize that this factor is a protein, which has not yet been identified. Based on the potential effect of A. muciniphila on inflammation (in vivo) and cell-viability (in vitro) in the presence of NCIMB, we investigated how the presence of A. muciniphila affects the severity of an intestinal Salmonella enterica Typhimurium (STm)-induced gut inflammation using gnotobiotic C3H mice with a background microbiota of eight bacterial species (SIHUMI, referred to as simplified human intestinal microbiota). Presence of A. muciniphila in STm-infected SIHUMI (SIHUMI-AS) mice caused significantly increased histopathology scores and elevated mRNA levels of IFN-γ, IP-10, tumor necrosis factor alpha (TNF-α), IL-12, IL-17 and IL-6 in cecal and colonic tissue. The number of mucin filled goblet cells was 2- to 3- fold lower in cecal tissue of SIHUMI-AS mice compared to SIHUMI mice associated with STm (SIHUMI-S) or A. muciniphila (SIHUMI-A) or SIHUMI mice. Reduced goblet cell numbers significantly correlated with increased IFN-γ (r2 = -0.86, ***P<0.001) in all infected mice. In addition, loss of cecal mucin sulphation was observed in SIHUMI-AS mice. Concomitant presence of A. muciniphila and STm resulted in a drastic change in microbiota composition of the SIHUMI consortium. The proportion of Bacteroides thetaiotaomicron in SIHUMI, SIHUMI-A and SIHUMI-S mice made up to 80-90% but was completely taken over by STm in SIHUMI-AS mice contributing 94% to total bacteria. These results suggest that A. muciniphila exacerbates STm-induced intestinal inflammation by its ability to disturb host mucus homeostasis. In conclusion, abnormal microbiota composition together with excessive mucus degradation contributes to severe intestinal inflammation in a susceptible host.
N2  - Die Initiation and die Manifestation von entzündlichen Darmerkrankungen (inflammatory bowel diseases - IBD) können aus einer übersteigerten mukosalen Immunreaktion auf die luminale Mikrobiota in einem empfänglichen Wirt resultieren. Wir schlagen vor, dass dies entweder durch 1) eine abnormale mikrobielle Zusammensetzung oder 2) die Abschwächung der schützenden Schleimschicht, eingeleitet durch deren fortgeschrittenen Abbau, verursacht werden kann. Diese Entwicklung ermöglicht einen erleichterten Zugang des luminalen Antigens zu der Mukosa des Wirts und somit die Auslösung der Entzündung. Wir haben getestet, ob das probiotische Bakterium Enterococcus faecium NCIMB 10415 (NCIMB) in der Lage ist, der chronischen Darmentzündung durch Veränderung der Zusammensetzung der Darmmikrobiota entgegenzuwirken und strebten an, die zugrunde liegenden Mechanismen der probiotischen Wirkungsweise zu identifizieren. Für die Aufklärung der gesundheitsfördernden Mechanismen dieses Bakterienstammes wurden Interleukin-10 defiziente Mäuse verwendet, die spontan eine Darmentzündung entwickeln. Den Mäusen wurde für 3, 8 und 24 Wochen eine NCIMB enthaltende Diät verabreicht. Nach der Fütterung waren keine eindeutigen Unterschiede zwischen den Gruppen hinsichtlich der Genexpression von pro-inflammatorischen Zytokinen und der Zusammensetzung der Darmmikrobiota zu beobachten, obwohl eine geringere Zellzahl des schleimabbauenden Bakteriums Akkermansia muciniphila in den mit NCIMB gefütterten Mäusen nach 8 Wochen festgestellt wurde. Daraus folgt, dass NCIMB nicht in der Lage ist, dem Verlauf der Darmentzündung im IL-10-/--Mausmodell entgegenzuwirken. In der nachfolgenden Studie wurde untersucht, wie die Anwesenheit von A. muciniphila den Ausprägungsgrad einer intestinalen Salmonella enterica Typhimurium (STm) induzierten Darmentzündung beeinflusst. Dafür wurden gnobiotische C3H-Mäuse mit einem mikrobiellen Hintergrund von acht Bakterienspezies (SIHUMI) verwendet. Die gleichzeitige Anwesenheit von A. muciniphila und STm verursachte eine drastische Veränderung der Mikrobiota-Zusammensetzung des SIHUMI-Konsortiums. Diese Ergebnisse zeigen, dass A. muciniphila durch seine Fähigkeit, die Homöostase/Selbstregulation der Schleimbildung zu stören, die STm-induzierte Darmentzündung verschärft. Es kann geschlußfolgert werden, dass eine abweichende Zusammensetzung der Mikrobiota in Kombination mit einem massiven Abbau des Mucus zur schweren intestinalen Entzündung im empfänglichen Wirt beiträgt.
KW  - IBD
KW  - probiotics
KW  - immune response
KW  - mucus
KW  - goblet cells
KW  - chronic and acute inflammation
KW  - apoptosis
KW  - commensal
KW  - cytokines
KW  - pathogen
KW  - infection
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69558
ER  - 
TY  - THES
A1  - Slezak, Kathleen
T1  - Impact of intestinal bacteria on the anatomy and physiology of the intestinal tract in the PRM/Alf mouse model
T1  - Einfluss intestinaler Bakterien auf die Anatomie und Physiologie des Darmes in der PRM/Alf Maus
N2  - Introduction: Intestinal bacteria influence gut morphology by affecting epithelial cell proliferation, development of the lamina propria, villus length and crypt depth [1]. Gut microbiota-derived factors have been proposed to also play a role in the development of a 30 % longer intestine, that is characteristic of PRM/Alf mice compared to other mouse strains [2, 3]. Polyamines and SCFAs produced by gut bacteria are important growth factors, which possibly influence mucosal morphology, in particular villus length and crypt depth and play a role in gut lengthening in the PRM/Alf mouse. However, experimental evidence is lacking. Aim: The objective of this work was to clarify the role of bacterially-produced polyamines on crypt depth, mucosa thickness and epithelial cell proliferation. For this purpose, C3H mice associated with a simplified human microbiota (SIHUMI) were compared with mice colonized with SIHUMI complemented by the polyamine-producing Fusobacterium varium (SIHUMI + Fv). In addition, the microbial impact on gut lengthening in PRM/Alf mice was characterized and the contribution of SCFAs and polyamines to this phenotype was examined. Results: SIHUMI + Fv mice exhibited an up to 1.7 fold higher intestinal polyamine concentration compared to SIHUMI mice, which was mainly due to increased putrescine concentrations. However, no differences were observed in crypt depth, mucosa thickness and epithelial proliferation. In PRM/Alf mice, the intestine of conventional mice was 8.5 % longer compared to germfree mice. In contrast, intestinal lengths of C3H mice were similar, independent of the colonization status. The comparison of PRM/Alf and C3H mice, both associated with SIHUMI + Fv, demonstrated that PRM/Alf mice had a 35.9 % longer intestine than C3H mice. However, intestinal SCFA and polyamine concentrations of PRM/Alf mice were similar or even lower, except N acetylcadaverine, which was 3.1-fold higher in PRM/Alf mice. When germfree PRM/Alf mice were associated with a complex PRM/Alf microbiota, the intestine was one quarter longer compared to PRM/Alf mice colonized with a C3H microbiota. This gut elongation correlated with levels of the polyamine N acetylspermine. Conclusion: The intestinal microbiota is able to influence intestinal length dependent on microbial composition and on the mouse genotype. Although SCFAs do not contribute to gut elongation, an influence of the polyamines N acetylcadaverine and N acetylspermine is conceivable. In addition, the study clearly demonstrated that bacterial putrescine does not influence gut morphology in C3H mice.
N2  - Einleitung: Die intestinale Mikrobiota beeinflusst die Morphologie des Darmes durch Beeinflussung der Epithelzellproliferation, Entwicklung der Lamina Propria, Zottenlänge und Kryptentiefe [1]. Zudem stehen bakterielle Faktoren im Verdacht, die Entwicklung eines 30 % längeren Darmes in der PRM/Alf Maus gegenüber anderen Mausstämmen zu begünstigen [2, 3]. Die von der intestinalen Mikrobiota produzierten Polyamine und kurzkettigen Fettsäuren (SCFA) stellen wichtige Wachstumsfaktoren dar, die bei der Ausbildung des Darmes sowie an der Darmverlängerung in der PRM/Alf Maus beteiligt sein könnten. Zielstellung: Ziel dieser Arbeit war, den Einfluss von bakteriell-produzierten Polyaminen auf die Kryptentiefe, Schleimhautdicke und Epithelzellproliferation zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden keimfreie C3H Mäuse mit einer vereinfachten menschlichen Mikrobiota (SIHUMI) assoziiert und mit C3H Mäusen, die mit einer SIHUMI plus dem polyaminproduzierendem Fusobacterium varium (SIHUMI + Fv) besiedelt worden waren, verglichen. Weiterhin sollte der mikrobielle Einfluss sowie die Rolle von SCFAs und Polyaminen bei der Ausbildung eines verlängerten Darms in der PRM/Alf Maus untersucht werden. Ergebnisse: Die SIHUMI + Fv Mäuse zeigten eine bis zu 1,7 fach höhere intestinale Polyaminkonzentration im Vergleich zu SIHUMI-Mäusen, welche vor allem auf eine Erhöhung von Putrescin zurückzuführen war. Trotz der höheren Polyaminkonzentrationen wurden keine Unterschiede in der Kryptentiefe, Schleimhautdicke und Epithelzellproliferation beobachtet. Die Untersuchung der Darmlänge in PRM/Alf Mäusen in Abhängigkeit vom Besiedlungsstatus ergab einen 8,5 % längeren Darm in konventionell besiedelten PRM/Alf Mäusen im Vergleich zu keimfreien PRM/Alf Mäusen. Im Gegensatz dazu wurden in C3H-Mäusen keine Unterschiede in der Darmlänge in Abhängigkeit von der Besiedlung beobachtet. Der Vergleich zwischen PRM/Alf und C3H Mäusen, die beide mit der SIHUMI + Fv Mikrobiota assoziiert wurden, zeigte einen 35,9 % längeren Darm in PRM/Alf Mäusen. Trotz des längeren Darmes waren die intestinalen SCFA- und Polyaminkonzentrationen vergleichbar bzw. geringer als in C3H Mäusen, mit einer Ausnahme: Die Konzentration von N Acetylcadaverin war in PRM/Alf Mäusen 3,1-fach erhöht. Wurden keimfreie PRM/Alf Mäuse mit einer komplexen PRM/Alf Mikrobiota assoziiert, so war ihr Darm ein Viertel länger als bei PRM/Alf Mäusen, die mit einer C3H Mikrobiota besiedelt wurden. Dieser längere Darm korrelierte mit der N Acetylsperminkonzentration. Schlussfolgerung: Die intestinale Mikrobiota ist in der Lage, die Darmlänge abhängig von der mikrobiellen Zusammensetzung und von dem Genotyp des Wirtes zu beeinflussen. Obwohl SCFAs die Darmlänge nicht beeinflussten, ist eine Beteiligung der Polyamine N Acetylcadaverin und N Acetylspermin denkbar. Darüber hinaus zeigte die Studie, dass Putrescin die Anatomie des Darmes in C3H Mäusen nicht beeinflusst.
KW  - Darmbakterien
KW  - Darmlänge
KW  - Polyamine
KW  - Kurzkettige Fettsäuren
KW  - PRM/Alf Maus
KW  - gut microbiota
KW  - gut length
KW  - polyamines
KW  - short chain fatty acids
KW  - PRM/Alf mouse
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-68946
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schumann, Sara
T1  - Influence of intestinal inflammation on bacterial protein expression in monoassociated mice
T1  - Der Einfluss chronisch-entzündlicher Darmerkrankungen auf die Proteinexpression intestinaler E. coli
N2  - Background: Increased numbers of intestinal E. coli are observed in inflammatory bowel disease, but the reasons for this proliferation and it exact role in intestinal inflammation are unknown. Aim of this PhD-project was to identify E. coli proteins involved in E. coli’s adaptation to the inflammatory conditions in the gut and to investigate whether these factors affect the host. Furthermore, the molecular basis for strain-specific differences between probiotic and harmful E. coli in their response to intestinal inflammation was investigated. Methods: Using mice monoassociated either with the adherent-invasive E. coli (AIEC) strain UNC or the probiotic E. coli Nissle, two different mouse models of intestinal inflammation were analysed: On the one hand, severe inflammation was induced by treating mice with 3.5% dextran sodium sulphate (DSS). On the other hand, a very mild intestinal inflammation was generated by associating interleukin 10-deficient (IL-10-/-) mice with E. coli. Differentially expressed proteins in the E. coli strains collected from caecal contents of these mice were identified by two-dimensional fluorescence difference gel electrophoresis. Results DSS-experiment: All DSS-treated mice revealed signs of a moderate caecal and a severe colonic inflammation. However, mice monoassociated with E. coli Nissle were less affected. In both E. coli strains, acute inflammation led to a downregulation of pathways involved in carbohydrate breakdown and energy generation. Accordingly, DSS-treated mice had lower caecal concentrations of bacterial fermentation products than the control mice. Differentially expressed proteins also included the Fe-S cluster repair protein NfuA, the tryptophanase TnaA, and the uncharacterised protein YggE. NfuA was upregulated nearly 3-fold in both E. coli strains after DSS administration. Reactive oxygen species produced during intestinal inflammation damage Fe-S clusters and thereby lead to an inactivation of Fe-S proteins. In vitro data indicated that the repair of Fe-S proteins by NfuA is a central mechanism in E. coli to survive oxidative stress. Expression of YggE, which has been reported to reduce the intracellular level of reactive oxygen species, was 4- to 8-fold higher in E. coli Nissle than in E. coli UNC under control and inflammatory conditions. In vitro growth experiments confirmed these results, indicating that E. coli Nissle is better equipped to cope with oxidative stress than E. coli UNC. Additionally, E. coli Nissle isolated from DSS-treated and control mice had TnaA levels 4- to 7-fold higher than E. coli UNC. In turn, caecal indole concentrations resulting from cleavage of tryptophan by TnaA were higher in E. coli Nissle- associated control mice than in the respective mice associated with E. coli UNC. Because of its anti-inflammatory effect, indole is hypothesised to be involved in the extension of the remission phase in ulcerative colitis described for E. coli Nissle. Results IL-10-/--experiment: Only IL-10-/- mice monoassociated with E. coli UNC for 8 weeks exhibited signs of a very mild caecal inflammation. In agreement with this weak inflammation, the variations in the bacterial proteome were small. Similar to the DSS-experiment, proteins downregulated by inflammation belong mainly to the central energy metabolism. In contrast to the DSS-experiment, no upregulation of chaperone proteins and NfuA were observed, indicating that these are strategies to overcome adverse effects of strong intestinal inflammation. The inhibitor of vertebrate C-type lysozyme, Ivy, was 2- to 3-fold upregulated on mRNA and protein level in E. coli Nissle in comparison to E. coli UNC isolated from IL-10-/- mice. By overexpressing ivy, it was demonstrated in vitro that Ivy contributes to a higher lysozyme resistance observed for E. coli Nissle, supporting the role of Ivy as a potential fitness factor in this E. coli strain. Conclusions: The results of this PhD-study demonstrate that intestinal bacteria sense even minimal changes in the health status of the host. While some bacterial adaptations to the inflammatory conditions are equal in response to strong and mild intestinal inflammation, other reactions are unique to a specific disease state. In addition, probiotic and colitogenic E. coli differ in their response to the intestinal inflammation and thereby may influence the host in different ways.
N2  - Hintergrund: Chronisch entzündliche Darmerkrankungen zeichnen sich unter anderem durch eine starke Proliferation intestinaler E. coli aus. Unbekannt ist jedoch, ob diese Vermehrung eine Ursache oder eine Folge der Erkrankung darstellt. Ziel der vorliegenden Doktorarbeit war es daher, E. coli-Proteine zu identifizieren, welche der Anpassung an die entzündlichen Bedingungen im Darmtrakt dienen und unter Umständen einen Effekt auf den Gesundheitszustand des Wirtes haben. Weiterhin sollten die molekularen Ursachen für stammesspezifische Unterschiede zwischen probiotischen und gesundheitsschädlichen E. coli näher untersucht werden. Methoden: In den tierexperimentellen Analysen wurden keimfreie Mäuse entweder mit dem probiotischen E. coli Nissle oder dem adhärent-invasiven E. coli UNC monoassoziiert und in zwei verschiedenen Entzündungsmodellen näher untersucht. Einerseits wurde eine starke Darmentzündung durch die Gabe von 3,5% Natrium-Dextransulfat (DSS) ausgelöst. Andererseits wurde in Interleukin 10-defizienten (IL-10-/-) Mäusen eine sehr milde Form der Entzündung durch Besiedlung mit E. coli induziert. Die E. coli Bakterien wurden am Ende der Versuche aus den Caecuminhalten der Mäuse isoliert und die bakterielle Proteinexpression wurde mittels zwei-dimensionaler Gelelektrophorese analysiert. Ergebnisse des DSS-Versuchs: Alle Tiere des DSS-Versuchs entwickelten unabhängig vom E. coli Stamm, mit dem sie besiedelt waren, eine moderate Entzündung im Caecum und eine starke im Colon, wobei die Entzündungsreaktion durch die Monoassoziation mit E. coli Nissle leicht abgeschwächt wurde. In beiden E. coli Stämmen führte die Darmentzündung zu einer verringerten Expression von Enzymen des Kohlenhydratabbaus und der Energiegewinnung. In Folge dessen waren die intestinalen Konzentrationen bakterieller Fermentationsprodukte in den entzündeten Tieren geringer als in den gesunden Kontrolltieren. Weitere differentiell exprimierte Proteine umfassen das Fe-S- Cluster Reparaturprotein NfuA, die Tryptophanase TnaA und das uncharakterisierte Protein YggE. In beiden E. coli Stämmen, welche aus den DSS-Tieren isoliert wurden, war das NfuA Protein dreifach höher exprimiert. Eine Darmentzündung führt zu einer vermehrten Bildung reaktiver Sauerstoffspezies, welche die Fe-S-Cluster in Eisen-Schwefel-Proteinen zerstören und damit zu einer Inaktivierung dieser Proteine führen. In vitro Untersuchungen bestätigten, dass die Reparatur der Eisen-Schwefel-Proteine durch NfuA ein wichtiger Mechanismus ist um oxidativem Stress entgegenzuwirken. Das YggE Protein, welches laut Literaturangaben einen hemmenden Einfluss auf die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies hat, war in E. coli Nissle 4- bis 8-fach erhöht (verglichen mit E. coli UNC unter Kontroll- und Entzündungsbedingungen). In vitro Versuche bestätigten diese Daten und zeigten, dass E. coli Nissle im Vergleich zu E. coli UNC eine erhöhte Resistenz gegenüber oxidativem Stress aufweist. Außerdem wurde im Vergleich E. coli Nissle vs. E. coli UNC (unter Entzündungs- und Kontrollbedingungen) ein 4- bis 7-fach erhöhter TnaA-Gehalt nachgewiesen. Indol, das Produkt der TnaA-katalysierten Tryptophanspaltung wurde in erhöhten Mengen im Intestinaltrakt E. coli Nissle-assoziierter Kontrolltiere detektiert. Seit längerem werden entzündungshemmende Eigenschaften für Indol postuliert, die aufgrund der Ergebnisse dieser Doktorarbeit nun auch mit den gesundheitsfördenden Eigenschaften von E. coli Nissle in Zusammenhang gebracht werden können. Ergebnisse des IL-10-/-- Versuchs: Nach einer 8-wöchigen Assoziationsdauer wurde nur in den mit E. coli UNC besiedelten IL-10-/- Tieren eine schwache Entzündungsreaktion nachgewiesen. Bedingt durch diese sehr schwach ausgeprägte Entzündungsantwort waren auch die Veränderungen im bakteriellen Proteom von E. coli UNC nur gering. Wie im DSS-Versuch waren Proteine des bakteriellen Energiestoffwechsels reprimiert, allerdings wurde keine Induktion von NfuA beobachtet. Daher scheint die Induktion von NfuA nur der Anpassung an eine starke Entzündung zu dienen. Weiterhin wurde nachgewiesen, dass E. coli Nissle aus IL-10-/- Tieren den Hemmer für das vertebrate C-Typ Lysozym (Ivy) sowohl auf mRNA- als auch auf Proteinebene stärker exprimiert als E. coli UNC. Überexpression von Ivy unter in vitro Bedingungen zeigte, dass es an der erhöhten Lysozymresistenz von E. coli Nissle beteiligt ist und somit eine Rolle als möglicher Fitnessfaktor von E. coli Nissle spielt. Schlussfolgerungen: In dieser Doktorarbeit wurde gezeigt, dass Darmentzündungen die Proteinexpression eines im Darm lebenden Bakteriums beeinflussen. Einige der aufgedeckten bakteriellen Anpassungsreaktionen werden sowohl bei einer starken als auch bei einer schwachen Entzündung ausgelöst; andere wiederum sind spezifisch für nur einen dieser Entzündungszustände. Weiterhin wurde deutlich, dass sich E. coli-Stämme hinsichtlich ihrer Reaktion auf eine Darmentzündung unterscheiden und damit möglicherweise den Wirt beeinflussen. 
KW  - E. coli
KW  - chronisch-entzündliche Darmerkrankungen
KW  - Proteom
KW  - Ivy
KW  - Probiotika
KW  - E. coli
KW  - inflammatory bowel disease
KW  - proteomics
KW  - Ivy
KW  - probiotics
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-67757
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mostafa Kamel Abdelfatah, Ali
T1  - Interactions of food proteins with plant phenolics – modulation of structural, techno- and bio-functional properties of proteins
T1  - Wechselwirkungen der Nahrungsproteine mit Pflanzenphenolen - Modulation der strukturellen, techno- und biofunktionellen Eigenschaften der Proteine
N2  - The phenolic compounds as food components represent the largest group of secondary metabolites in plant foods. The phenolic compounds, e.g. chlorogenic acid (CQA), are susceptible to oxidation by enzymes specially, polyphenol oxidase (PPO) and at alkaline conditions. Both enzymatic and non-enzymatic oxidations occur in the presence of oxygen and produce quinone, which normally further react with other quinone to produce colored compounds (dimers), as well as is capable of undergoing a nucleophilic addition to proteins. The interactions of proteins with the phenolic compounds have received considerable attention in the recent years where, plant phenolic compounds have drawn increasing attention due to their antioxidant properties and their noticeable effects in the prevention of various oxidative stress associated diseases. Green coffee beans are one of the richest sources of chlorogenic acids. Therefore, a green coffee extract would provide an eligible food relevant source for phenolic compounds for modification of proteins. The interaction between 5-CQA and amino acid lysine showed decrease in both free CQA and amino acid groups and only a slight effect on the antioxidative capacity depending on the reaction time was found. Furthermore, this interaction showed a large number of intermediary substances of low intensities. The reaction of lysine with 5-CQA in a model system initially leads to formation of 3-CQA and 4-CQA (both are isomers of 5-CQA), oxidation giving rise to the formation of a dimer which subsequently forms an adduct with lysine to finally result in a benzacridine derivative as reported and confirmed with the aid of HPLC coupled with ESI-MSn. The benzacridine derivative containing a trihydroxy structural element, was found to be yellow, being very reactive with oxygen yielding semiquinone and quinone type of products with characteristic green colors. Finally, the optimal conditions for this interaction as assessed by both the loss of CQA and free amino groups of lysine can be given at pH 7 and 25°C, the interaction increasing with incubation time and depending also on the amount of tyrosinase present. Green coffee bean has a higher diversity and content of phenolics, where besides the CQA isomers and their esters, other conjugates like feruloylquinic acids were also identified, thus documenting differences in phenolic profiles for the two coffee types (Coffea arabica and Coffea robusta). Coffee proteins are modified by interactions with phenolic compounds during the extraction, where those from C. arabica are more susceptible to these interactions compared to C. robusta, and the polyphenol oxidase activity seems to be a crucial factor for the formation of these addition products. Moreover, In-gel digestion combined with MALDI-TOF-MS revealed that the most reactive and susceptible protein fractions to covalent reactions are the α-chains of the 11S storage protein. Thus, based on these results and those supplied by other research groups, a tentative list of possible adduct structures was derived. The diversity of the different CQA derivatives present in green coffee beans complicates the series of reactions occurring, providing a broad palette of reaction products. These interactions influence the properties of protein, where they exposed changes in the solubility and hydrophobicity of proteins compared to faba bean proteins (as control). Modification of milk whey protein products (primarily b-lactoglobulin) with coffee specific phenolics and commercial CQA under enzymatic and alkaline conditions seems to be affecting their chemical, structural and functional properties, where both modifications led to reduced free amino-,thiol groups and tryptophan content. We propose that the disulfide-thiol exchange in the C-terminus of b-lactoglobulin may be initiated by the redox conditions provided in the presence of CQA. The protein structure b-lactoglobulin thereupon becomes more disordered as simulated by molecular dynamic calculation. This unfolding process may additionally be supported by the reaction of the CQA at the proposed sites of modification of -amino groups of lysine (K77, K91, K138, K47) and the thiol group of cysteine (C121). These covalent modifications also decreased the solubility and hydrophobicity of b-lactoglobulin, moreover they provide modified protein samples with a high antioxidative power, thermally more stable as reflected by a higher Td, require less amount of energy to unfold and when emulsified with lutein esters, exhibit their higher stability against UV light. The MALDI-TOF and SDS-PAGE results revealed that proteins treated at alkaline conditions were more strongly modified than those treated under enzymatic conditions. Finally, the results showed a slight change in emulsifying properties of modified proteins.
N2  - Für die Verbesserung von Nahrungsmitteleigenschaften können Modifikationen an verschiedenen Inhaltsstoffen vorgenommen werden. Beispielsweise werden bereits Proteine miteinander verknüpft und bilden sogenannte „Crosslinks“ oder vernetzte Biomoleküle. Diese werden für die Herstellung fester, viskoelastischer Produkte, die zum Verdicken als auch zum Stabilisieren von Emulsionen oder Schäumen eingesetzt werden, genutzt. Da die Verbraucher sich Zunehmens mit gesundheitsfördernden Lebensmitteln befassen, ist das Einbringen von gesundheitsfördernden Inhaltsstoffen wie z.B. phenolische Verbindungen, immer mehr in den Fokus der Forschung gerückt. Demnach ist das wissenschaftliche Bestreben phenolische Verbindungen in die Vernetzung von Proteinen mit einzubeziehen und deren positive Wirkungen (antioxidativ) auszunutzen, vorteilhaft. Als Phenole werden Verbindungen bezeichnet, die eine oder mehrere Hydroxygruppen am Benzolring aufweisen. Phenole liegen in der Enolform vor, da diese, bedingt durch den Erhalt des aromatischen Benzolringes, energetisch begünstigt ist. Kaffeesäure ist eine Hydroxyzimtsäure und in Kaffeebohnen zu finden. Der am häufigsten anzutreffende Ester besteht aus Kaffee- und Chinasäure. Der einfachste Vertreter ist die Chlorogensäure (5-Caffeoylchinasäure, 5-CQA), die in vielen Pflanzenteilen enthalten ist. Chlorogensäure und ihre Derivate besitzen ebenfalls antioxidative Eigenschaften. Zusätzlich wirken sie auf Enzyme, die an entzündlichen- oder allergischen Reaktion teilnehmen, inhibierend. Während Verarbeitungs- und Lagerungsprozessen können phenolische Komponenten pflanzlicher Lebensmittel mit den Aminosäuren der Proteine in Lebensmitteln reagieren. Solche Reaktionen können die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Proteinen verändern und deren ernährungsphysiologische Wertigkeit vermindern. Proteine weisen verschiedene reaktive Seitengruppen (Sulfhydryl-, Hydroxyl-, Aminogruppen) auf, mit denen sie über kovalente und nicht-kovalente Wechselwirkungen mit Phenolen Verbindungen eingehen können. Zu den nicht-kovalenten Verbindungen gehören u. a. Wasserstoffbrückenbindungen, hydrophobe Wechselwirkungen und Ionenbindungen. Phenole (z.B. Chlorogensäuren) können bei Anwesenheit von Sauerstoff enzymatisch bzw. nichtenzymatisch oxidiert werden. Die Reaktionsprodukte (Chinone) bilden anschließend mit reaktiven Thiol- bzw. Aminogruppen von Proteinen Addukte. Die Erfassung dieser verschiedenen Facetten von Interaktionen stellt somit die primäre Forschungsaufgabe im Rahmen dieser Arbeit. Die primäre Aufgabe der vorliegenden Arbeit besteht demzufolge in der Etablierung der Analysen- und der Charakterisierungsmöglichkeiten solcher Wechselwirkungen (Bindung) pflanzlicher Verbindungen bzw. deren Reaktionsprodukten mit Proteinen u.a. über massenspektrometrische Methoden. Da die Wechselwirkung mit Proteinen auch zu Veränderungen der Proteinstruktur führt, können deren funktionelle Eigenschaften auch verändert sein. Dies soll anhand der Messung von isolierten Proteinen die an der Wechselwirkung beteiligt sind, nachgewiesen werden. Anschließend sollen über Docking-Untersuchungen die entsprechenden Bindungsstellen näher charakterisiert werden. Durch die vorliegenden Ergebnisse wurden mögliche Reaktionen von phenolischen Verbindungen mit Proteinen, näher charakterisiert. Es wurde festgestellt, dass die Apfelsorte Braeburn über die höchste PPO- Enzymaktivität beim gleichzeitigen niedrigen CQA Gehalt im Vergleich zu den anderen untersuchten Sorten verfügt. Die PPO/Tyrosinase modulierte Reaktionen zwischen CQA und Lysine wurden in Abhängigkeit der vorherrschenden Bedingungen optimiert und die Reaktionsprodukte analysiert. In dem zweiten Teil wurden solche Reaktionsmöglichkeiten in den Grünen Kaffeebohnen lokalisierte und modelliert. Dazu wurden die sortenabhängige CQA-Zusammensetzung ermittelt und die möglichen Reaktionen mit den Hauptspeicherproteinen des Kaffees dargestellt. Im letzten Teil wurden dann diese Reaktionen mit Molkenproteinen simuliert und Einflüsse auf die Struktur und die funktionellen Eigenschaften erfasst. Die Ergebnisse belegen eine umfangreiche und sehr heterogene Adduktbildung mit den Aminoseitenketten des Lysins und Cysteins. Ein Katalog der unterschiedlichen Reaktionsprodukte wurde erstellt und am Protein modelliert. Die entsprechende Veränderung an die Proteinstruktur wurde experimentell belegt und der Einfluss wurde in den technofunktionelle Eigenschaften (wie die Löslichkeit, Emulgierbarkeit usw.) wiederspiegelt. Ein Anstieg des antioxidativen Potentials der Proteine wurde erreicht und diese so modifizierten Proteine wurden weiter zur Stabilisierung und Produktentwicklung getestet. Die ersten Ergebnisse eröffnen Nutzungsmöglichkeiten der modifizierten Proteine zur Verkapselung von bioaktiven Sekundären Pflanzenstoffen.
KW  - Protein-Wechselwirkungen
KW  - Kaffeeproteine
KW  - Chlorogensäure
KW  - Molkenproteine
KW  - Proteinmodifizierung
KW  - protein interactions
KW  - coffee proteins
KW  - chlorogenic acid
KW  - whey proteins
KW  - protein modification
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69033
ER  - 
TY  - THES
A1  - Thalmann, Sophie
T1  - Korrelation zwischen der genetischen und der funktionellen Diversität humaner Bitterrezeptoren
T1  - Correlation between the genetic and the functional diversity of bitter receptors
N2  - Der Mensch besitzt ~25 funktionelle Bitterrezeptoren (TAS2R), die für die Wahrnehmung potenziell toxischer Substanzen in der Nahrung verantwortlich sind. Aufgrund der großen genetischen Variabilität der TAS2R-Gene könnte es eine Vielzahl funktionell unterschiedlicher TAS2R-Haplotypen geben, die zu Unterschieden der Bitterwahrnehmung führen. Dies konnte bereits in funktionellen Analysen und sensorischen Studien für einzelne Bitterrezeptoren gezeigt werden. In dieser Arbeit wurden die häufigsten Haplotypen aller 25 Bitterrezeptoren verschiedener Ethnien funktionell charakterisiert. Das Ziel war eine umfassende Aussage über die funktionelle Diversität der TAS2Rs, die die molekulare Grundlage für individuelle Bitterwahrnehmung bildet, treffen zu können. Fehlende Varianten wurden aus genomischer DNA kloniert oder durch gezielte Mutagenese bereits vorhandener TAS2R-Konstrukte generiert. Die funktionelle Analyse erfolgte mittels Expression der TAS2R-Haplotypen in HEK293TG16gust44 Zellen und anschließenden Calcium-Imaging-Experimenten mit zwei bekannten Agonisten. Die Haplotypen der fünf orphanen TAS2Rs wurden mit über hundert Bitterstoffen stimuliert. Durch die gelungene Deorphanisierung des TAS2R41 in dieser Arbeit, wurden für die 21 aktivierbaren TAS2Rs 36 funktionell-unterschiedliche Haplotypen identifiziert. Die tatsächliche funktionelle Vielfalt blieb jedoch deutlich hinter der genetischen Variabilität der TAS2Rs zurück. Neun Bitterrezeptoren wiesen funktionell homogene Haplotypen auf oder besaßen nur eine weltweit vorherrschende Variante. Funktionell heterogene Haplotypen wurden für zwölf TAS2Rs identifiziert. Inaktive Varianten der Rezeptoren TAS2R9, TAS2R38 und TAS2R46 sollten die Wahrnehmung von Bitterstoffen wie Ofloxacin, Cnicin, Hydrocortison, Limonin, Parthenolid oder Strychnin beeinflussen. Unterschiedlich sensitive Varianten, besonders der Rezeptoren TAS2R47 und TAS2R49, sollten für Agonisten wie Absinthin, Amarogentin oder Cromolyn ebenfalls zu phänotypischen Unterschieden führen. Wie für den TAS2R16 bereits gezeigt, traten Haplotypen des funktionell heterogenen TAS2R7 und TAS2R41 ethnien-spezifisch auf, was auf lokale Anpassung und verschiedene Phänotypen hinweisen könnte. Weiterführend muss nun eine Analyse der funktionell-variablen TAS2Rs in sensorischen Tests erfolgen, um ihre phänotypische Relevanz zu prüfen. Die Analyse der funktionsmodulierenden Aminosäurepositionen, z.Bsp. des TAS2R44, TAS2R47 oder TAS2R49, könnte weiterführend zum besseren Verständnis der Rezeptor-Ligand- und Rezeptor-G-Protein-Interaktion beitragen.
N2  - Bitter taste perception varies markedly from person to person, due to a high number of polymorphisms present in the 25 known functional bitter receptors (TAS2Rs). These polymorphisms lead to a number of haplotypes for each receptor, which are common in different populations, but vary in frequency. The individual combination of receptor variants seems to determine the person’s sensitivity of bitter perception, as could already be shown for single TAS2Rs. Bitter is an aversive taste quality, indicating the ingestion of harmful substances. Different sensitivity could have an impact on food choice. In order to characterize functional consequences of the genetic diversity, we performed calcium imaging experiments with all main haplotypes for the 25 bitter receptors. The obtained information about receptor properties enables us on the one hand to analyze structure-function relationships and on the other hand gives us the functional diverse candidates to focus on in psychophysical studies. The overall aim is to show genotype-phenotype correlation for bitter taste perception and their impact on food choice and therefore diet and health. Our first aim was to identify agonists for the 5 receptors, which could not be deorphaned in previous screens. We challenged all main haplotypes of these TAS2Rs with 106 bitter compounds and could identify the antibiotic chloramphenicol as agonist for bitter receptor TAS2R41. In total we identified 36 functionally different receptor variants of the 21 deorphaned TAS2Rs. Main haplotypes of nine TAS2Rs were functionally homogeneous while twelve TAS2Rs possessed between two and three functionally heterogeneous receptor variants. In summary the observed functional diversity is not as big as expected. Based on our in vitro findings the shown functional diversity of these twelve bitter receptors might be the molecular basis for individual differences in bitter taste perception and will be further analyzed in psychophysical studies.
KW  - Bittergeschmack
KW  - TAS2R
KW  - heterologe Expression
KW  - funktionelle Variabilität
KW  - bitter taste
KW  - TAS2R
KW  - heterologous expression
KW  - functional diversity
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-66845
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mabrok, Hoda Hussein Bakr
T1  - Protective role of lignan-converting bacteria on chemically-induced breast cancer in gnotobiotic rats
T1  - Der protektive Einfluss von Lignan-aktivierenden Bakterien auf chemisch induzierten Brustkrebs im gnotobiotischen Rattenmodell
N2  - Enterolignans (enterodiol and enterolactone) exhibit structural similarity to estradiol and have therefore been hypothesized to modulate hormone related cancers such as breast cancer. The bioactivation of the plant lignan secoisolariciresinol diglucoside (SDG) requires the transformation by intestinal bacteria including the deglycosylation of SDG to secoisolariciresinol (SECO) followed by demethylation and dehydroxylation of SECO to enterodiol (ED). Finally, ED is dehydrogenated to enterolactone (EL). It is unclear whether the bacterial activation of SDG to ED and EL is crucial for the cancer preventing effects of dietary lignans. The possible protective effect of bacterial lignan transformation on a 7,12 dimethylbenz(a)anthracene (DMBA)-induced breast cancer in gnotobiotic rats was investigated. Germ-free rats were associated with a defined lignan-converting consortium (Clostridium saccharogumia, Blautia producta, Eggerthella lenta, and Lactonifactor longoviformis). The rats colonized with lignan-converting bacteria consortium (LCC) were fed a lignan-rich flaxseed diet and breast cancer was chemical induced. Identically treated germ-free rats served as control. All bacteria of the consortium successfully colonized the intestine of the LCC rats. The plant lignan SDG was converted into the enterolignans ED and EL in the LCC rats but not in the germ-free rats. This transformation did not influence cancer incidence but significantly decreased tumor numbers per tumor-bearing rat, and tumor size. Cell proliferation was significantly inhibited and apoptosis was significantly induced in LCC rats. No differences between LCC and control rats were observed in the expression of the genes encoding the estrogen receptors (ERα and ERβ) and G-coupled protein receptor 30 (GPR30). Similar findings were observed for both insulin-like growth factor 1 (IGF-1) and epidermal growth factor receptor (EGFR) genes involved in tumor growth. Proteome analysis revealed that 24 proteins were differentially expressed in tumor tissue from LCC and germ-free. RanBP-type and C3HC4-type zinc finger-containing protein 1 (RBCK1) and poly(rC)-binding protein 1 (PBCP1) were down-regulated by 3.2- and 2.0-fold, respectively. These proteins are associated with cell proliferation. The activity of selected enzymes involved in the degradation of oxidants in plasma and liver was significantly increased in the LCC rats. However, plasma and liver concentrations of reduced glutathione (non-enzymatic antioxidant) and malondialdehyde (oxidative stress marker) did not differ between the groups. In conclusion, the bacterial conversion of plant lignan to enterolignans beneficially influences their anti-cancer effect. However, the mechanisms involved in these effects remain elusive.
N2  - Enterolignanen (Enterodiol ED und Enterolacton EL) wird aufgrund ihrer strukturellen Ähnlichkeit zu Estradiol ein modulierender Einfluss auf hormonell bedingte Krebserkrankungen wie Brustkrebs nachgesagt. Das pflanzliche Lignan Secoisolariciresinoldiglucosid (SDG) wird durch Darmbakterien zum Enterolignan aktiviert. Dies erfolgt über dessen Deglykosylierung zu Secoisolariciresinol (SECO) gefolgt durch die Demethylierung und die Dehydroxylierung zu Enterodiol (ED). Schließlich wird ED zu Enterolacton (EL) dehydrogeniert. Es ist allerdings noch nicht bewiesen, dass die bakterielle Aktivierung von SDG zu ED und EL für die antikanzerogenen Wirkungen verantwortlich ist, die für dieses in der menschlichen Ernährung vorkommende Lignan beschrieben wurden. Um dies zu klären, wurde der Einfluss der bakteriellen Lignan-Transformation auf die Protektion gegenüber einem durch 7,12-Dimethylbenz(a)anthracen (DMBA)-induzierten Brustkrebs im gnotobiotischen Rattenmodell untersucht. Keimfreie Ratten wurden hierfür mit einem Konsortium aus vier Bakterienstämmen (Clostridium saccharogumia, Blautia producta, Eggerthella lenta, und Lactonifactor longoviformis) besiedelt, das die Umsetzung von SDG zu ED und EL katalysiert (LCC-Ratten). Ratten, die über den gesamten Versuchszeitraum keimfrei blieben, dienten als Kontrolle. Die Tiere wurden über 16 Wochen mit einer Leinsamen-Diät gefüttert, die reich an pflanzlichen Lignanen war. Während der Fütterung wurde bei allen Tieren Brustkrebs chemisch induziert. Das pflanzliche Lignan SDG wurde nur in den LCC Ratten zu den Enterolignanen ED und EL umgewandelt. Keimfreie Ratten zeigten keine Transformation von SDG. Die bakterielle Transformation von SDG hatte zwar keinen Einfluss auf die Inzidenz von Brustkrebs, jedoch verringerten sich durch die Besiedlung der Ratten mit SDG-transformierenden Bakterien die Anzahl von Tumoren pro tumortragender Ratte und die Tumorgröße deutlich. Zudem wurde die Zellproliferation in den LCC-Ratten deutlich gehemmt und die Apoptose induziert. Unterschiede in der Genexpression der Östrogenrezeptoren (ERα und ERß) und G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPR30) wurden zwischen den LCC-Ratten und den Kontrolltieren nicht beobachtet. Ebenso verhielt es sich für die Gene des Insulinähnliche Wachstumsfaktoren 1 (IGF-1) und Epidermale Wachstumsfaktor rezeptoren (EGFR), welche in das Tumorwachstum involviert sind. Die Analyse des Proteoms des Tumorgewebes ergab 24 differentiell exprimierte Proteine zwischen keimfreien und LCC-Ratten. So wurden zum Beispiel die Proteine RanBP-type and C3HC4-type zinc finger-containing protein 1 (RBCK1) und poly(rC)-binding protein 1 (PBCP1), die mit der Zellproliferation assoziiert sind, in LCC-Ratten um das 3,2 bzw. 2,0-fache herunterreguliert. Die Aktivität ausgewählter antioxidativer Enzyme in Plasma und Leber war in den LCC-Ratten im Vergleich zu den keimfreien Tieren deutlich erhöht. Allerdings unterschieden sich die Konzentrationen von reduziertem Glutathion (nichtenzymatisches Antioxidans) und Malondialdehyd (oxidativer Stress-Marker) in Plasma und Leber nicht zwischen den beiden Besiedlungs-Gruppen. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass die bakterielle Umwandlung von pflanzlichen Lignanen zu Enterolignanen deren antikanzerogene Wirkung entscheidend beeinflusst. Allerdings bleiben die zugrunde liegenden Mechanismen weiterhin ungeklärt.
KW  - Pflanzliches Lignan
KW  - Enterolignanen
KW  - Lignan-umwandelnde Bakterien
KW  - Brustkrebs
KW  - Zellproliferation
KW  - Plant lignan
KW  - Enterolignans
KW  - Lignan-converting bacteria
KW  - Breast cancer
KW  - Cell proliferation
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-64933
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rothe, Monique
T1  - Response of intestinal Escherichia coli to dietary factors in the mouse intestine
T1  - Anpassung von Escherichia coli an Ernährungsfaktoren im Intestinaltrakt der Maus
N2  - Diet is a major force influencing the intestinal microbiota. This is obvious from drastic changes in microbiota composition after a dietary alteration. Due to the complexity of the commensal microbiota and the high inter-individual variability, little is known about the bacterial response at the cellular level. The objective of this work was to identify mechanisms that enable gut bacteria to adapt to dietary factors. For this purpose, germ-free mice monoassociated with the commensal Escherichia coli K-12 strain MG1655 were fed three different diets over three weeks: a diet rich in starch, a diet rich in non-digestible lactose and a diet rich in casein. Two dimensional gel electrophoresis and electrospray tandem mass spectrometry were applied to identify differentially expressed proteins of E. coli recovered from small intestine and caecum of mice fed the lactose or casein diets in comparison with those of mice fed the starch diet. Selected differentially expressed bacterial proteins were characterised in vitro for their possible roles in bacterial adaptation to the various diets. Proteins belonging to the oxidative stress regulon oxyR such as alkyl hydroperoxide reductase subunit F (AhpF), DNA protection during starvation protein (Dps) and ferric uptake regulatory protein (Fur), which are required for E. coli’s oxidative stress response, were upregulated in E. coli of mice fed the lactose-rich diet. Reporter gene analysis revealed that not only oxidative stress but also carbohydrate-induced osmotic stress led to the OxyR-dependent expression of ahpCF and dps. Moreover, the growth of E. coli mutants lacking the ahpCF or oxyR genes was impaired in the presence of non-digestible sucrose. This indicates that some OxyR-dependent proteins are crucial for the adaptation of E. coli to osmotic stress conditions. In addition, the function of two so far poorly characterised E. coli proteins was analysed: 2 deoxy-D gluconate 3 dehydrogenase (KduD) was upregulated in intestinal E. coli of mice fed the lactose-rich diet and this enzyme and 5 keto 4 deoxyuronate isomerase (KduI) were downregulated on the casein-rich diet. Reporter gene analysis identified galacturonate and glucuronate as inducers of the kduD and kduI gene expression. Moreover, KduI was shown to facilitate the breakdown of these hexuronates, which are normally degraded by uronate isomerase (UxaC), altronate oxidoreductase (UxaB), altronate dehydratase (UxaA), mannonate oxidoreductase (UxuB) and mannonate dehydratase (UxuA), whose expression was repressed by osmotic stress. The growth of kduID-deficient E. coli on galacturonate or glucuronate was impaired in the presence of osmotic stress, suggesting KduI and KduD to compensate for the function of the regular hexuronate degrading enzymes under such conditions. This indicates a novel function of KduI and KduD in E. coli’s hexuronate metabolism. Promotion of the intracellular formation of hexuronates by lactose connects these in vitro observations with the induction of KduD on the lactose-rich diet. Taken together, this study demonstrates the crucial influence of osmotic stress on the gene expression of E. coli enzymes involved in stress response and metabolic processes. Therefore, the adaptation to diet-induced osmotic stress is a possible key factor for bacterial colonisation of the intestinal environment.
N2  - Sowohl Humanstudien als auch Untersuchungen an Tiermodellen haben gezeigt, dass die Ernährung einen entscheidenden Einfluss auf die Zusammensetzung der Darmmikrobiota hat. Aufgrund der Komplexität der Mikrobiota und der inter individuellen Unterschiede sind die zellulären Mechanismen, die dieser Beobachtung zugrunde liegen, jedoch weitgehend unbekannt. Das Ziel dieser Arbeit war deshalb, Anpassungsmechanismen von kommensalen Darmbakterien auf unterschiedliche Ernährungsfaktoren mittels eines simplifizierten Modells zu untersuchen. Dazu wurden keimfreie Mäuse mit Escherichia coli MG1655 besiedelt und drei Wochen mit einer stärkehaltigen, einer laktosehaltigen oder einer kaseinhaltigen Diät gefüttert. Mittels zwei dimensionaler Gelelektrophorese und Elektrospray Ionenfallen-Massenspektrometrie wurde das Proteom der intestinalen E. coli analysiert und differentiell exprimierte bakterielle Proteine in Abhängigkeit der gefütterten Diät identifiziert. Die Funktion einiger ausgewählter Proteine bei der Anpassung von E. coli auf die jeweilige Diät wurde im Folgenden in vitro untersucht. E. coli Proteine wie z.B. die Alkylhydroperoxid Reduktase Untereinheit F (AhpF), das DNA Bindeprotein Dps und der eisenabhängige Regulator Fur, deren Expression unter der Kontrolle des Transkriptionsregulators OxyR steht, wurden stärker exprimiert, wenn die Mäuse mit der laktosehaltigen Diät gefüttert wurden. Reportergenanalysen zeigten, dass nicht nur oxidativer Stress, sondern auch durch Kohlenhydrate ausgelöster osmotischer Stress zu einer OxyR abhängigen Expression der Gene ahpCF and dps führte. Weiterhin wiesen E. coli Mutanten mit einer Deletion der ahpCF oder oxyR Gene ein vermindertes Wachstum in Gegenwart von nicht fermentierbarer Saccharose auf. Das spricht dafür, dass OxyR abhängige Proteine eine wichtige Rolle bei der Anpassung von E. coli an osmotischen Stress spielen. Weiterhin wurde die Funktion von zwei bisher wenig charakterisierten E. coli Proteinen untersucht: die 2 Deoxy D Glukonate 3 Dehydrogenase (KduD) wurde im Darm von Mäusen, die mit der laktosehaltigen Diät gefüttert wurden, induziert, während dieses Protein und die 5 Keto 4 Deoxyuronate Isomerase (KduI) nach Fütterung der kaseinhaltigen Diät herunterreguliert wurden. Mittels Reportergenanalysen wurde gezeigt, dass Galakturonat und Glukuronat die kduD und kduI Expression induzierten. KduI begünstigte die Umsetzung dieser Hexuronate. In E. coli wird die Umsetzung von Galakturonat und Glukuronat typischerweise von den Enzymen Uronate Isomerase (UxaC), Altronate Oxidoreduktase (UxaB), Altronate Dehydratase (UxaA), Mannonate Oxidoreduktase (UxuB) und Mannonate Dehydratase (UxuA) katalysiert. Weitere Experimente verdeutlichten, dass osmotischer Stress die Expression der Gene uxaCA, uxaB und uxuAB verminderte. Darüber hinaus zeigten kduID defiziente E. coli Mutanten in Gegenwart von Galakturonat oder Glukuronat und durch Saccharose ausgelösten osmotischen Stress eine Verlangsamung des Wachstums. Das deutet darauf hin, dass KduI und KduD die durch osmotischen Stress bedingten Funktionseinschränkungen der regulären hexuronatabbauenden Enzyme kompensieren. Die beobachtete Bildung von intrazellulären Hexuronaten während des Laktosekatabolismus in vitro stellt eine Verbindung zu dem ursprünglichen Tierexperiment her und deutet darauf hin, dass der Ernährungsfaktor Laktose die Verfügbarkeit von Hexuronat für intestinale E. coli beeinflusst. Diese Studie weist somit den Einfluss von osmotischem Stress auf die Expression von OxyR abhängigen Genen, die für Stressantwortproteine sowie für metabolische Enzymen kodieren, in E. coli nach. Durch Nahrungsfaktoren entstandener osmotischer Stress stellt demnach einen entscheidenden Faktor für die bakterielle Kolonisation des Darmes dar.
KW  - Mikrobiota
KW  - Escherichia coli
KW  - Proteom
KW  - Ernährungsfaktoren
KW  - OxyR
KW  - microbiota
KW  - Escherichia coli
KW  - proteome
KW  - dietary factors
KW  - OxyR
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-66387
ER  -