TY  - THES
A1  - Wieneke, Nadine
T1  - Ursachen und Folgen vermehrter Expression des nukleären Rezeptors Constitutiver-Androstan-Rezeptor (NR1I3) durch Agonisten des nukleären Rezeptors Peroxisomenproliferator-aktivierter-Rezeptor-alpha (NR1C1)
T1  - Cause and Effect of enhanced expression of the nuclear receptor constitutive androstane receptor (NR1I3) induced by agonists of the nuclear receptor peroxisome proliferator activated receptor alpha (NR1C1)
N2  - Der Fettsäurestoffwechsel unterliegt vielfältigen Kontrollmechanismen. So wird der Fettsäureabbau über die Induktion und Aktivität spezifischer Enzyme reguliert. Ein zentraler Regulator ist dabei der nukleäre Rezeptor Peroxisomenproliferator-aktivierter-Rezeptor-α (PPARα). PPARα wird durch freie Fettsäuren in der Zelle aktiviert und fördert über die Induktion von Zielgenen den Fettsäuretransport und -abbau sowie die Gluconeogenese und Ketogenese. Der Anstieg an freien Fettsäuren beim Fasten, aber auch im Diabetes aktiviert PPARα. Unabhängig davon wurde in beiden Stoffwechsellagen auch eine erhöhte Expression des nukleären Rezeptors Constitutiver-Androstan-Rezeptor (CAR) und einiger CAR-Zielgene, vorrangig Enzyme des Fremdstoffmetabolismus wie Cytochrom P450 2B (CYP2B), festgestellt. Bei der Adaption an eine Fastensituation scheinen PPARα- und CAR-Signalwege über einen bisher unbekannten Mechanismus miteinander verschaltet zu sein. In der vorliegenden Arbeit sollte der der Verschaltung zugrunde liegende Mechanismus anhand eines Modelsystems, der PPARα-Agonisten-vermittelten Verstärkung der Phenobarbital (PB)-abhängigen Induktion des CAR-Zielgens CYP2B, in vitro untersucht werden. Zudem sollte die physiologische Relevanz einer durch PPARα-Agonisten vermittelten Modulierung der CYP2B-Aktivität in einer Ganztierstudie in vivo belegt werden. Die verwendeten synthetischen PPARα-Agonisten steigerten in primären Hepatozyten der Ratte signifikant die Phenobarbital (PB)-abhängige mRNA- und Protein-Expression sowie die Aktivität von CYP2B. Ohne vorherige PB-Behandlung induzierten PPARα-Agonisten CYP2B nicht. In Gegenwart von PB war die Steigerung der CYP2B-Aktivität durch PPARα-Agonisten dosisabhängig. In einem Luciferase-Reportergenassay wurde gezeigt, dass die Induktion durch PB unter der Kontrolle des CYP2B1-Promotors von einem distalen PBREM (PB-responsive-enhancer-module), an welches CAR binden kann, abhängig war. PPARα-Agonisten steigerten diese PB- und PBREM-abhängige Reportergentranskription und induzierten die CAR-mRNA und CAR-Proteinexpression. Sie aktivierten die Transkription eines Reportergens unter der Kontrolle eines Promotorfragments von bis zu 4,4 kb oberhalb des mutmaßlichen CAR-Transkriptionsstarts. Mit Hilfe von Deletionskonstrukten konnte ein potentielles Peroxisomenproliferator-aktivierter-Rezeptor-responsives Element (PPRE) im CAR-Promotorbereich von -942 bp bis -930 bp identifiziert werden, welches essentiell für die Initiation der Transkription durch PPARα-Agonisten ist. In band shift Experimenten akkumulierte verstärkt Kernprotein mit diesem PPRE. Ein Überschuss an unmarkiertem Wildtyp-CAR-Reportergenvektor, nicht aber an CAR-Reportergenvektor mit PPRE-Deletion, konnte mit dem markierten PPRE um die Bindung von Kernprotein konkurrieren. Nach Chromatin-Immunpräzipitation mit einem PPARα-Antikörper wiederum wurde das betreffende PPRE amplifiziert. Bei in vivo Experimenten an männlichen Ratten resultierte die Behandlung mit PPARα-Agonisten in einer signifikanten Induktion der CAR-mRNA-Expression und signifikant erhöhter PB-abhängiger CYP2B-Aktivität. Die physiologisch Relevanz wurde durch weiterführenden Experimente unterstrichen, in denen gezeigt wurde, dass die Fasten-abhängige Induktion von CAR in PPARα-defizienten Mäusen unterdrückt war. Diese Experimente legen nahe, dass durch PPARα-Agonisten aktiviertes PPARα an das PPRE im CAR-Promotorbereich von -942 bp bis -930 bp bindet und dadurch die CAR-Transkription induziert. Somit kann CAR als PPARα-Zielgen betrachtet werden, was die Schlussfolgerung zulässt, dass die PPARα- und CAR-Signalwege über die direkte Bindung von PPARα an den CAR-Promotor unmittelbar miteinander verknüpft sind. Allerdings ist davon unabhängig eine Aktivierung von CAR, etwa durch PB, für die vermehrte Induktion von CAR-Zielgenen notwendig . Die physiologische Relevanz der PPARα-abhängige CAR-Expression zeigt sich in den Ganztierexperimenten, bei denen die Wirksamkeit der PPARα-Agonisten bestätigt werden konnte. CAR-abhängig induzierte Enzyme sind nicht nur in großem Umfang am Fremdstoffmetabolismus beteiligt, sondern auch am Abbau von Schilddrüsenhormonen und Glucocorticoiden. Sie können damit direkt Einfluss auf den Kohlenhydrat- und Energiestoffwechsel sowie die Regulation der Nahrungsaufnahme nehmen. Über eine PPARα-abhängige Induktion von CAR im Rahmen der Fastenadaption könnten die CAR-Zielgene UDP-Glucuronyltransferase 1A1 und Sulfotransferase N beispielsweise verstärkt Schilddrüsenhormone abbauen und in der Folge den Grundumsatz senken. Der in dieser Arbeit erstmals beschriebene Mechanismus ist dafür von zentraler Bedeutung.
N2  - Fatty acid metabolism is tightly regulated. Thus the activity and expression level of specific enzymes involved in fatty acid turnover are controlling fatty acid catabolism. The nuclear receptor peroxisome proliferator activated receptor α (PPARα) acts as the key regulator of these pathways. PPARα is activated by intracellular free fatty acids and promotes the fatty acid transport and break down, as well as gluconeogenesis and ketogenesis, via induction of target genes. An increase in free fatty acids as seen in fasting and diabetes activates PPARα. Under these conditions, an elevated expression of another nuclear receptor, the constitutive androstane receptor (CAR) and its target genes, mainly enzymes catalysing biotransformation such as cytochrome P450 2B (CYP2B1), was also observed. It is therefore likely that as yet unidentified modes of interaction between PPARα and CAR signalling exist. The object of the present work was to discover these underlying mechanisms utilising an in vitro model, the PPARα-agonist induced increase of the phenobarbital (PB)-dependent induction of the CAR target gene CYP2B1. Furthermore, an in vivo study would serve to demonstrate the physiological relevance of a PPARα-agonist induced modulation of the CYP2B activity. The synthetic PPARα agonists under investigation significantly enhanced the PB-dependent mRNA and protein expression as well as activity of CYP2B in primary rat hepatocytes. Without prior treatment with PB, PPARα agonists did not induce CYP2B activity. In the presence of PB, PPARα agonists increased the CYP2B activity dose-dependently. Luciferase reporter gene assays showed that the PB-dependent induction of the CY2B1 promoter relied on a distal PBREM (PB-responsive enhancer module), a well-known CAR binding site. PPARα agonists enhanced this PB- and PBREM-dependent reporter gene transcription and induced the upregulation of CAR mRNA and CAR protein expression. The PPARα agonists also activated the transcription of a reporter gene controlled by up to 4.4 kb upstream of the putative CAR-transcription start site. A potential peroxisome proliferator activated receptor responsive element (PPRE), essential for the initiation of transcription by PPARα agonists, could be identified between -942 bp to -930 bp upstream of the transcription start site using CAR promoter deletion constructs. In subsequent band shift experiments, enhanced nuclear protein accumulation with this specific promoter region was observed. In contrast to unlabelled wild-type CAR reporter gene vector, an excess of unlabelled CAR reporter gene vector with PPRE deletion did not compete with the binding of nuclear protein. Furthermore, this PPRE could be amplified with specific primers after chromatin immunoprecipitation with a PPARα antibody. Treatment of rats with a PPARα agonist resulted in a significant induction of CAR mRNA expression and significantly increased PB-dependent CYP2B activity. A physiological relevance of this newly-discovered mechanism is confirmed by the observation that PPARα-deficient mice, unlike wild-type mice, do not respond to fasting with an increase of CAR mRNA expression. The results of these experiments suggest that activated PPARα binds to the PPRE of the CAR promoter to initiate transcription of the CAR gene. CAR therefore could be regarded as a PPARα target gene, which implicates that PPARα- and CAR-signalling are directly linked through binding of PPARα to the CAR promoter. For subsequent enhanced induction of CAR target genes, activation of CAR, for instance using PB, is required. In vivo studies with PPARα agonists in rats support the relevance of the PPARα-dependent CAR expression. CAR target genes code for enzymes that metabolise not only a wide range of xenobiotics, but also thyroid hormones and glucocorticoids. CAR target genes could therefore directly interfere with carbohydrate and energy metabolism, as well as with food intake. PPARα-dependent induction of CAR upon fasting could lead to an increased expression of the CAR target genes UDP-glucuronyl transferase 1A1 and sulfotransferase N, resulting in an enhanced degradation of thyroid hormones, and decreased resting energy expenditure. The findings of this present study are of primary importance since it is the first time that this mechanism has been described.
KW  - Fremdstoffmetabolismus
KW  - nukleärer Rezeptor
KW  - CAR
KW  - PPARalpha
KW  - Energiestoffwechsel
KW  - biotransformation
KW  - nuclear receptor
KW  - CAR
KW  - PPARalpha
KW  - energy metabolism
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-19167
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wiedmer, Petra
T1  - Geschlechtsspezifische Körpergewichtsregulation bei Mäusen :Untersuchungen zur Set-point-Theorie der Körpermasse
N2  - Entsprechend der sogenannten Set-point-Theorie besitzt jeder Mensch eine individuell festgelegte Körpermasse, die über große Zeiträume konstant gehalten und gegen Abweichungen verteidigt wird. Es wird angenommen, dass der Körper auf noch unbekannte Weise Änderungen in der Körpermasse per se wahrnimmt und daraufhin Mechanismen aktiviert, die zur Regenerierung der ursprünglichen Masse führen. In dieser Arbeit wurde die Hypothese getestet, dass eine künstliche Erhöhung der Körpermasse zu einer kompensatorischen Reduktion in der Körpermasse führt, um das Ausgangsgewicht wieder zu regenerieren. Die Körpermasse von männlichen und weiblichen Mäusen wurde akut durch die Implantation von Gewichten mit einer Masse von 10% der aktuellen Körpermasse in die Bauchhöhle erhöht. Bei Gültigkeit der Set-point-Theorie sollte die Körpermassereduktion der Masse des zusätzlichen Gewichtsimplantats entsprechen. Die Mäuse reagierten auf die künstlich erhöhte Körpermasse geschlechtsspezifisch. Männchen zeigten eine partielle Reduktion in der Körpermasse. Weibchen zeigten langfristig jedoch keine Änderungen in der Körpermasse. Die Reduktion der Körpermasse erfolgte bei den Männchen durch eine Abnahme in der Fettmasse. Die fettfreie Masse war in beiden Geschlechtern nicht verändert. Änderungen in der Körpermasse wurden vor allem durch Änderungen in der Energieaufnahme hervorgerufen. Ein Einfluss des Energieumsatzes auf Änderungen in der Körpermasse konnte nicht nachgewiesen werden. Die Regulation der Körpermasse entsprechend eines massespezifischen Set-points konnte partiell für die Männchen gezeigt werden. Bei den Männchen könnte daher die Wahrnehmung der Körpermasse in die Regulation der Körpermasse teilweise integriert sein. Weibchen verminderten ihre Körpermasse dagegen trotz der künstlichen Körpermasseerhöhung nicht. Das führte zur Bewahrung der Energiereserven und spricht eher für die Regulation der Körpermasse entsprechend des notwendigen Energiebedarfs im Vergleich zu Änderungen in der Körpermasse per se. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Regulation der Körpermasse geschlechtsspezifischen Mechanismen unterliegt. Dementsprechend sind auch geschlechtsspezifische Ansätze zur Therapie von Übergewicht und Adipositas notwendig.
N2  - The set-point theory of body mass assumes that humans possess an individually determined body mass which is maintained over long periods and which is defended against deviations. It is supposed that the body can perceive changes in body mass per se, this process leading to activation of mechanisms aiming at regeneration of initial body mass. Here the following hypothesis was tested: An artificial increase in body weight leads to a compensatory reduction in body mass in order to regenerate initial body weight. Body mass of male and female mice was acutely increased by implanting weight loads into the abdominal cavity. Additional weights corresponded to 10% of initial body mass. According to the set-point theory we expected the mice to decrease body mass to the extend of the additional weight. A gender-specific response was observed. Males showed a partially reduced body mass. In contrast, females did not show body mass changes in the long-term. Males reduced their body mass at the expense of fat mass. Fat free mass was unchanged in both genders. Changes in body mass were mainly caused by changes in energy intake. An impact of energy expenditure on body mass changes could not be demonstrated. Body mass regulation according to a mass-specific set-point could be partially shown for males. Therefore, in males perception of body mass could be partially integrated in the regulation of body weight. Females did not decrease their body mass despite artificially increased body mass pointing to preservation of their energy depots. This argues for regulation of body mass according to needed energy requirements rather than according to changes in body mass per se. These results show that body mass regulation underlies gender-specific mechanisms. Accordingly, gender-specific approaches are needed for treating overweight and obesity.
T2  - Geschlechtsspezifische Körpergewichtsregulation bei Mäusen : Untersuchungen zur Set-point-Theorie der Körpermasse
KW  - Körpermasse
KW  - Körpergewicht
KW  - Set-Point
KW  - Geschlecht
KW  - Energiestoffwechsel
KW  - Körperzusammensetzung
KW  - Schwerkraft
KW  - Ponderostat
KW  - body mass
KW  - body weight
KW  - set-point
KW  - gender
KW  - energy metabolism
KW  - body composition
KW  - gravity
KW  - ponderostat
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001733
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wenk, Sebastian
T1  - Engineering formatotrophic growth in Escherichia coli
N2  - To meet the demands of a growing world population while reducing carbon dioxide (CO2) emissions, it is necessary to capture CO2 and convert it into value-added compounds. In recent years, metabolic engineering of microbes has gained strong momentum as a strategy for the production of valuable chemicals. As common microbial feedstocks like glucose directly compete with human consumption, the one carbon (C1) compound formate was suggested as an alternative feedstock. Formate can be easily produced by various means including electrochemical reduction of CO2 and could serve as a feedstock for microbial production, hence presenting a novel entry point for CO2 to the biosphere and a storage option for excess electricity. Compared to the gaseous molecule CO2, formate is a highly soluble compound that can be easily handled and stored. It can serve as a carbon and energy source for natural formatotrophs, but these microbes are difficult to cultivate and engineer. In this work, I present the results of several projects that aim to establish efficient formatotrophic growth of E. coli – which cannot naturally grow on formate – via synthetic formate assimilation pathways. In the first study, I establish a workflow for growth-coupled metabolic engineering of E. coli. I demonstrate this approach by presenting an engineering scheme for the PFL-threonine cycle, a synthetic pathway for anaerobic formate assimilation in E. coli. The described methods are intended to create a standardized toolbox for engineers that aim to establish novel metabolic routes in E. coli and related organisms. The second chapter presents a study on the catalytic efficiency of C1-oxidizing enzymes in vivo. As formatotrophic growth requires generation of both energy and biomass from formate, the engineered E. coli strains need to be equipped with a highly efficient formate dehydrogenase, which provides reduction equivalents and ATP for formate assimilation. I engineered a strain that cannot generate reducing power and energy for cellular growth, when fed on acetate. Under this condition, the strain depends on the introduction of an enzymatic system for NADH regeneration, which could further produce ATP via oxidative phosphorylation. I show that the strain presents a valuable testing platform for C1-oxidizing enzymes by testing different NAD-dependent formate and methanol dehydrogenases in the energy auxotroph strain. Using this platform, several candidate enzymes with high in vivo activity, were identified and characterized as potential energy-generating systems for synthetic formatotrophic or methylotrophic growth in E. coli.   In the third chapter, I present the establishment of the serine threonine cycle (STC) – a synthetic formate assimilation pathway – in E. coli. In this pathway, formate is assimilated via formate tetrahydrofolate ligase (FtfL) from Methylobacterium extorquens (M. extorquens). The carbon from formate is attached to glycine to produce serine, which is converted into pyruvate entering central metabolism. Via the natural threonine synthesis and cleavage route, glycine is regenerated and acetyl-CoA is produced as the pathway product. I engineered several selection strains that depend on different STC modules for growth and determined key enzymes that enable high flux through threonine synthesis and cleavage. I could show that expression of an auxiliary formate dehydrogenase was required to achieve growth via threonine synthesis and cleavage on pyruvate. By overexpressing most of the pathway enzymes from the genome, and applying adaptive laboratory evolution, growth on glycine and formate was achieved, indicating the activity of the complete cycle. The fourth chapter shows the establishment of the reductive glycine pathway (rGP) – a short, linear formate assimilation route – in E. coli. As in the STC, formate is assimilated via M. extorquens FtfL. The C1 from formate is condensed with CO2 via the reverse reaction of the glycine cleavage system to produce glycine. Another carbon from formate is attached to glycine to form serine, which is assimilated into central metabolism via pyruvate. The engineered E. coli strain, expressing most of the pathway genes from the genome, can grow via the rGP with formate or methanol as a sole carbon and energy source.
N2  - Um den steigenden Bedarf einer wachsenden Weltbevölkerung zu decken und gleichzeitig die CO2-Emissionen zu reduzieren, ist es notwendig, CO2 aufzufangen und zu recyceln. Durch gentechnische Veränderungen von Mikroorganismen ist es möglich diese zur Produktion wertvoller organischer Verbindungen zu nutzen. Da mikrobielle Kulturen primär mit Glucose gefüttert werden und somit mit menschlicher Nahrungsversorgung konkurrieren, wurde die C1-Verbindung Formiat als alternativer bakterieller Nährstoff vorgeschlagen.. Formiat kann durch unterschiedliche Verfahren hergestellt werden, unter anderem durch elektrochemische Reduktion von CO2. Dieses Verfahren ermöglicht das Recycling von CO2 und weiterhin eine Speichermöglichkeit für überschüssige Elektrizität. Formiat ist im Vergleich zum gasförmigen CO2 gut wasserlöslich, was den Transport und die Verwendung als mikrobiellen Nährstoff erleichtert. Natürlich vorkommende formatotrophe Mikroorganismen nutzen Formiat als Kohlenstoff- und Energiequelle. Diese lassen sich allerdings meist schwierig kultivieren und genetisch verändern. In dieser Arbeit stelle ich die Ergebnisse verschiedener Projekte vor, die gemeinsam darauf abzielen, effizientes formatotrophes Wachstum von E. coli – welches natürlicherweise nicht auf Formiat wachsen kann – mittels synthetischer Formiat-Assimilierungswege zu ermöglichen. In der ersten Studie stelle ich eine Strategie für wachstumsgekoppeltes Stoffwechsel-Engineering in E. coli vor. Ich erläutere diese Strategie anhand eines Beispiels, der schrittweisen Etablierung eines synthetischen Formiat- Assimilierungswegs, des PFL-Threonin-Zyklus. Die in diesem Kapitel beschriebenen Methoden sollen einen Leitfaden für Ingenieure bereitstellen, die neue Stoffwechselwege in E. coli und verwandten Organismen etablieren wollen. Im zweiten Kapitel stelle ich eine Studie über die katalytische Effizienz von C1-oxidierenden Enzymen vor. Da formatotrophes Wachstum sowohl die Erzeugung von Energie als auch von Biomasse aus Formiat erfordert, müssen synthetisch formatotrophe E. coli Stämme mit einer hocheffizienten Formiat-Dehydrogenase ausgestattet werden, welche Reduktionsäquivalente und ATP für die Assimilierung von Formiat liefert. Um die Effizienz verschiedener Enzyme testen und vergleichen zu können, entwickelte ich einen E. coli Stamm, der aus Acetat weder Reduktionsäquivalente noch Energie für das Zellwachstum erzeugen kann. Dieser „energie-auxotrophe“ Stamm benötigt eines zusätzlichen enzymatischen Systems zur NADH-Regenerierung, um auf Acetat wachsen zu können. Ich testete verschiedene NAD-abhängige Formiat- und Methanol-Dehydrogenasen in diesem Stamm und konnte zeigen, dass Wachstum auf Acetat durch Zugabe von Formiat oder Methanol ermöglicht wurde. Dies zeigt, dass der Stamm eine zuverlässige Testplattform für C1-oxidierende Enzyme darstellt. Unter Verwendung dieser Plattform wurden mehrere Kandidatenenzyme mit hoher in vivo-Aktivität identifiziert und als Kandidatenenzyme für synthetisches formatotrophes oder methylotrophes Wachstum in E. coli charakterisiert.   Im dritten Kapitel stelle ich die Etablierung des Serin-Threonin-Zyklus (STZ) – eines synthetischen Formiat-Assimilationswegs – in E. coli vor. In diesem Stoffwechselweg wird Formiat über die Formiat-Tetrahydrofolat-Ligase (FtfL) aus Methylobacterium extorquens (M. extorquens) assimiliert. Der Kohlenstoff aus Formiat wird an Glycin gebunden, um Serin zu produzieren, welches im nächsten Schritt in Pyruvat umgewandelt wird und so in den zentralen Kohlenstoffmetabolismus gelangt. Über den natürlichen Threonin-Synthese- und Spaltweg wird Glycin regeneriert und Acetyl-CoA als Produkt des Stoffwechselwegs generiert. Ich entwickelte mehrere E. coli Selektionsstämme, deren Wachstum von verschiedenen STZ-Modulen abhängt, und konnte Schlüsselenzyme bestimmen, die einen hohen Reaktionsfluss durch die Threonin-Synthese und -Spaltung ermöglichen. Ich konnte zeigen, dass die Expression einer Formiat-Dehydrogenase erforderlich ist, um Wachstum auf Pyruvat über Threonin zu erreichen. Durch Integration und Überexpression der meisten Enzyme des STZ auf Genomebene und Anwendung adaptiver Laborevolution wurde Wachstum auf Glycin und Formiat erreicht, was bedeutet, dass der gesamte Serin-Threonin-Zyklus in E. coli aktiv ist. Das vierte Kapitel zeigt die Etablierung des reduktiven Glycinwegs (rGW) – eines kurzen, linearen Formiat-Assimilierungswegs – in E. coli. Wie im STZ wird Formiat über M. extorquens FtfL assimiliert. Dabei wird das Kohlenstoffatom aus Formiat mit CO2 über die umgekehrte Reaktion des Glycin-Spaltungssystems zu Glycin kondensiert. Ein weiteres Kohlenstoffatom aus Formiat wird an Glycin gebunden, um Serin zu bilden, welches über Pyruvat in den Zentralstoffwechsel gelangt. Durch Expression der rGW Enzyme auf Genomebene und adaptive Laborevolution wurde ein E. coli Stamm erzeugt welcher über den rGW auf Formiat oder Methanol als einziger Kohlenstoff- und Energiequelle wachsen kann.
KW  - metabolic engineering
KW  - E. coli
KW  - formate assimilation
KW  - methanol assimilation
KW  - energy metabolism
Y1  - 2020
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Kartal, Oender
A1  - Mahlow, Sebastian
A1  - Skupin, Alexander
A1  - Ebenhoeh, Oliver
T1  - Carbohydrate-active enzymes exemplify entropic principles in metabolism
JF  - Molecular systems biology
N2  - Glycans comprise ubiquitous and essential biopolymers, which usually occur as highly diverse mixtures. The myriad different structures are generated by a limited number of carbohydrate-active enzymes (CAZymes), which are unusual in that they catalyze multiple reactions by being relatively unspecific with respect to substrate size. Existing experimental and theoretical descriptions of CAZyme-mediated reaction systems neither comprehensively explain observed action patterns nor suggest biological functions of polydisperse pools in metabolism. Here, we overcome these limitations with a novel theoretical description of this important class of biological systems in which the mixing entropy of polydisperse pools emerges as an important system variable. In vitro assays of three CAZymes essential for central carbon metabolism confirm the power of our approach to predict equilibrium distributions and non-equilibrium dynamics. A computational study of the turnover of the soluble heteroglycan pool exemplifies how entropy-driven reactions establish a metabolic buffer in vivo that attenuates fluctuations in carbohydrate availability. We argue that this interplay between energy- and entropy-driven processes represents an important regulatory design principle of metabolic systems.
KW  - energy metabolism
KW  - entropic enzymes
KW  - glycobiology
KW  - metabolic regulation
Y1  - 2011
U6  - https://doi.org/10.1038/msb.2011.76
SN  - 1744-4292
VL  - 7
IS  - 10
PB  - Nature Publ. Group
CY  - New York
ER  - 
TY  - THES
A1  - Friedrich, Maika
T1  - Wirkung von Teecatechin Epigallocatechingallat auf den Energiestoffwechsel der Maus
T1  - Effect of tea catechin epigallocatechin gallate on energy metabolism in mice
N2  - Die gesundheitsfördernden Eigenschaften von grünem Tee sind weitgehend akzeptiert. Den Teecatechinen, insbesondere dem Epigallocatechin-3-gallat (EGCG), werden zahlreiche positive Effekte zugesprochen (z. B. antioxidativ, antikanzerogen, antiinflammatorisch, Blutdruck und Cholesterinspiegel senkend). Die Mechanismen, die zu einer Reduktion der in Tierversuchen beschriebenen Körper- und Fettmasse führen, sind nicht ausreichend geklärt. Ziel dieser Arbeit bestand darin, die kurz- und mittelfristigen Wirkungen einer TEAVIGO®-Applikation (mind. 94 % EGCG) am Mausmodell im Hinblick auf den Energie- und Fettstoffwechsel sowie die Expression daran beteiligter Gene in wichtigen Organen und Geweben zu untersuchen. In verschiedenen Tierversuchen wurde männlichen C57BL/6-Mäusen eine Hochfettdiät (HFD) mit und ohne Supplementation (oral, diätetisch) des entkoffeinierten Grüntee-Extraktes TEAVIGO® in unterschiedlichen Dosierungen gefüttert. Es wurden sowohl kurz- als auch mittelfristige Wirkungen des EGCG auf die Energiebilanz (u. a. indirekte Tierkalorimetrie) und Körperzusammensetzung (NMR) sowie die exogene Substratoxidation (Stabilisotopentechnik: Atemtests, Inkorporation natürlicher 13C-angereicherter Triglyceride aus Maiskeimöl in diverse Organe/Gewebe) und Gen-expression (quantitative real-time PCR) untersucht. Die Applikationsform und ihre Dauer riefen unterschiedliche Wirkungen hervor. Mäuse mit diätetischer Supplementation zeigten bereits nach kurzer Zeit eine verminderte Körperfettmasse, die bei weiterer Verabreichung auch zu einer Reduktion der Körpermasse führte. Beide Applikationsformen resultieren, unabhängig von der Dauer der Intervention, in einer erhöhten Energieausscheidung, während die Futter- und Energieaufnahme durch EGCG nicht beeinflusst wurden. Der Energieverlust war von einer erhöhten Fett- und Stickstoffausscheidung begleitet, deren Ursache die in der Literatur beschriebene Interaktion und Hemmung digestiver Enzyme sein könnte. Besonders unter postprandialen Bedingungen wiesen EGCG-Mäuse erniedrigte Triglycerid- und Glycogengehalte in der Leber auf, was auf eine eingeschränkte intestinale Absorption der Nährstoffe hindeutet. Transkriptanalysen ergaben im Darm eine verminderte Expression von Fettsäuretransportern, während die Expression von Glucosetransportern durch EGCG erhöht wurde. Weiterhin reduzierte EGCG, nach Umstellung von Standard- auf eine maiskeimölhaltige Hochfettdiät, die Inkorporation natürlicher 13C-angereicherter Triglyceride in diverse Organe und Gewebe – insbesondere Leber, viszerales und braunes Fettgewebe sowie Skelettmuskel. Die Analyse der 13C-Anreicherung im Atem der Mäuse und die Energieumsatzmessungen ergaben nach kurzer Applikation eine erhöhte Fettoxidation, die im weiteren Verlauf der Intervention auf eine erhöhte Kohlenhydratoxidation umgeschaltet wurde. Weiterhin war die orale Applikation von EGCG bei gleichzeitiger Fütterung einer Hochfettdiät von makroskopischen und mikroskopischen degenerativen Veränderungen der Leber begleitet. Diese Effekte wurden nach diätetischer Supplementation der Hochfettdiät mit EGCG nicht beobachtet. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass die Körpergewichts- und Fettgewebs-abnahme durch diätetisches EGCG sich durch eine herabgesetzte Verdaulichkeit der Nahrung erklären lässt. Dies führte zu verschiedenen kurz- und mittelfristigen Veränderungen in der Fettverteilung und im Fettmetabolismus.
N2  - The health-promoting properties of green tea are widely accepted. Tea catechins, particularly epigallocatechin-3-gallate (EGCG), are attributed to many positive effects (anti-oxidative, anti-cancerogen, anti-inflammatory, blood pressure and cholesterol lowering). Mechanisms leading to a reduction of body mass and fat mass in animal experiments are not fully elucidated. The aim of this study was to examine multiple effects of TEAVIGO® application (at least 94% EGCG) in a mouse model in terms of energy and fat metabolism. Expressions of genes involved in these processes were also determined in different organs and tissues. In several animal studies, male C57BL/6 mice were fed a high fat diet supplemented with decaffeinated TEAVIGO® (oral, dietetic) at different dosages. Short- and medium-term effects of EGCG were investigated on energy balance (indirect animal calorimetry), body composition (NMR), exogenous substrate oxidation (stable isotopes: breath tests, incorporation of naturally 13C-enriched triglycerides from corn oil into various organs/tissues), and gene expression (quantitative real-time PCR). Type of application and its duration elicited different effects. Supplemented mice already showed a reduced body fat mass after short- and medium-term treatment. Further administration lead to a reduction of body weight. Regardless of the duration of intervention, both types of application resulted in an increased energy excretion, while food and energy intake was not affected by EGCG. Fecal energy loss was accompanied by an increased fat and nitrogen excretion, which was probably due to an inhibition of digestive enzymes. Fed mice displayed a decreased triglyceride and glycogen content in liver suggesting a reduced absorption of nutrients in the intestine. This was supported by a decreased expression of intestinal fatty acid transporters. However, expression of glucose transporters was increased after short- and medium term application. Furthermore, EGCG attenuated incorporation of naturally 13C-enriched triglycerides into various organs and tissues – particularly liver, visceral and brown adipose tissue, and skeletal muscle. Analysis of 13C-enrichment in breath and measurement of energy expenditure revealed an initial increased fat oxidation, which was switched to an increased carbohydrate oxidation over time. Besides, a combination of oral administration of EGCG and high fat feeding was accompanied by macroscopic and microscopic deleterious changes in liver. These effects were not observed after dietary supplementation of EGCG. Altogether, reduction in body mass and fat mass by EGCG can be explained by a decreased food digestibility leading to various short- and medium-term changes in fat distribution and lipid metabolism.
KW  - Grüner Tee
KW  - Teecatechin
KW  - Epigallocatechingallat
KW  - Energiestoffwechsel
KW  - Fettstoffwechsel
KW  - green tea
KW  - tea catechin
KW  - epigallocatechin gallate
KW  - energy metabolism
KW  - fat metabolism
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-48159
ER  -