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The physiological functions of sphingolipids in animals have been intensively studied, while less attention has been paid to their roles in plants. Here, we reveal the involvement of sphingolipid delta8 desaturase (SlSLD) in the chilling resistance of tomato (Solanum lycopersicum cv. Micro-Tom). We used the virus-induced gene silencing (VIGS) approach to knock-down SlSLD expression in tomato leaves, and then evaluated chilling resistance. Changes in leaf cell structure under a chilling treatment were observed by transmission electron microscopy. In control plants, SlSLD was highly expressed in the fruit and leaves in response to a chilling treatment. The degree of chilling damage was greater in SlSLD-silenced plants than in control plants, indicating that SlSLD knock-down significantly reduced the chilling resistance of tomato. Compared with control plants, SlSLD-silenced plants showed higher relative electrolytic leakage and malondialdehyde content, and lower superoxide dismutase and peroxidase activities after a chilling treatment. Chilling severely damaged the chloroplasts in SlSLD-silenced plants, resulting in the disruption of chloroplast membranes, swelling of thylakoids, and reduced granal stacking. Together, these results show that SlSLD is crucial for chilling resistance in tomato.
Gut bacteria exert beneficial and harmful effects in metabolic diseases as deduced from the comparison of germfree and conventional mice and from fecal transplantation studies. Compositional microbial changes in diseased subjects have been linked to adiposity, type 2 diabetes and dyslipidemia. Promotion of an increased expression of intestinal nutrient transporters or a modified lipid and bile acid metabolism by the intestinal microbiota could result in an increased nutrient absorption by the host. The degradation of dietary fiber and the subsequent fermentation of monosaccharides to short-chain fatty acids (SCFA) is one of the most controversially discussed mechanisms of how gut bacteria impact host physiology. Fibers reduce the energy density of the diet, and the resulting SCFA promote intestinal gluconeogenesis, incretin formation and subsequently satiety. However, SCFA also deliver energy to the host and support liponeogenesis. Thus far, there is little knowledge on bacterial species that promote or prevent metabolic disease. Clostridium ramosum and Enterococcus cloacae were demonstrated to promote obesity in gnotobiotic mouse models, whereas bifidobacteria and Akkermansia muciniphila were associated with favorable phenotypes in conventional mice, especially when oligofructose was fed. How diet modulates the gut microbiota towards a beneficial or harmful composition needs further research. Gnotobiotic animals are a valuable tool to elucidate mechanisms underlying diet-host-microbe interactions.
The whey protein beta-lactoglobulin has been proposed as a transporter for covalent bound bioactive compounds in order to enhance their stability and reduce their sensory perception. The garlic derived compounds allicin and diallyl disulfide were bound covalently to the native and heat denatured protein. The binding site and the influence of the modification on the digestibility were determined by mass spectrometric analysis of the modified beta-lactoglobulin. Further, the conformation of the modified protein was assessed by circular dichroism and dynamic light scattering. The free thiol group of Cys(121) turned out to be the major binding site. After proteolysis with trypsin at pH 7 but not with pepsin at pH 2, a limited transfer to other cysteinyl residues was observed. The covalently bound ligands did not mask any proteolytic cleavage sites of pepsin, trypsin or chymotrypsin. The modified beta-lactoglobulin showed a native like conformation, besides a moderate loosening of protein folding. The covalent binding of organosulfur compounds to beta-lactoglobulin provides a bioactive ingredient without impairing the digestibility and functional properties of the protein. (C) 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved.
Identification and LC-MS/MS-based analyses of technical enzymes in wheat flour and baked products
(2016)
The use of technical enzymes in bakery industry is necessary for a consistent and good quality of baked products. Since the cultivation of cereals leads to low amounts of endogenous enzymes being present, a need of their commercial alternatives is becoming a routine process in order to meet the consumer quality demands. Targeted quantification proteomics-based methods are necessary for their detection to meet the regulatory criteria. Here, we initially report on the identification of Lipase FE-01, a lipase from fungus Thermomyces lanuginosus, as analyzed by SDS-PAGE, in-Gel digestion, and MALDI-TOF-MS. In further experiments, the focus of the study was directed toward an extensive use and optimization of in-solution enzymatic digestion in combination with LC-MS/MS techniques in identification of specific peptide markers and finally in utilization of the latter in delivering reproducible quantification data for several different technical enzymes (alpha-amylases, xylanase, and lipases from microbial origin) in complex matrices such as baked bread and wheat flour. Two digestion protocols (a fast option using thermocycler program and the well-established overnight method) were tested, and both of these can be successfully applied. The application of isotopically labeled analogs of the MRM targeted peptides as internal standards and the addition of an internal protein standard during the extraction/digestion experiment were compared to determine the optimal quantification algorithm of the recovered enzyme concentrations. Thus, a standardized sensitive LC-MS/MS method could be developed to determine technical enzymes as forthcoming ingredients in the prefabricated food formulations in concentrations lower than 10 ppm.
Die sensorisch einwandfreie, konstant gute Qualität von Backprodukten, die beim Verbraucher einen hohen Stellenwert hat, wird maßgeblich durch den Gehalt endogener Getreideenzyme beeinflusst. Seit dem Auftreten züchtungsbedingter Enzymdefizite ist der Einsatz technischer Enzyme zur Gewährleistung dieser geforderten Qualität eine feste Größe in der Backwarenindustrie. Lebensmittelrechtlich werden technische Enzyme nicht als Zutat betrachtet, da sie theoretisch während des Backprozesses umgesetzt werden und im Endprodukt keine technologische Wirkung mehr zeigen. Vor allem in gebackenen Produkten bedarf es der Prüfung, dass die eingesetzten technischen Enzyme nicht mehr als Zutat vorliegen und sich somit einer potentiellen Deklarationspflicht entziehen. Zur Gewährleistung der Wirtschaftlichkeit muss der quantitative Einsatz technischer Enzyme in der Backwarenindustrie gesteuert werden, um optimale Effekte zu erzielen und Kosten zu sparen. Ziel dieser Arbeit war daher die Entwicklung eines Analysenverfahrens, das den simultanen Nachweis verschiedener technischer Enzyme und deren Quantifizierung im Spurenbereich auch in gebackenen Produkten ermöglicht.
Für die Einschätzung der Wirkung der technischen Enzyme Fungamyl (Novozymes), Amylase TXL (ASA Spezialenzyme GmbH) sowie Lipase FE-01 (ASA Spezialenzyme GmbH) wurden Backversuche durchgeführt, die zeigten, dass Fungamyl und Amylase TXL zu einer verbesserten Brotqualität (Volumenausbeute, Feuchtegehalt, Sensorik) beitrugen. Die Zugabe der Lipase FE-01 führte zu einer vermehrten Bildung freier Fettsäuren und wirkte sich negativ auf die sensorische Brotqualität aus. Dieser bisher nicht beschriebene Effekt konnte auf die Nutzung eines Spezialöls als Backzutat zurückgeführt werden, welches ausschließlich aus gesättigten Fettsäuren besteht. Dies bestätigt die Bedeutung der Auswahl eines geeigneten Fettes beim Zusatz technischer Lipase zum Backprozess.
Um die in Fungamyl und Lipase FE-01 enthaltenen Enzyme zu identifizieren, wurden SDS-PAGE und anschließender In-Gel-Verdau angewendet um die Analyse proteolytisch gespaltener Proteine mit MALDI-TOF-MS zu ermöglichen. Es konnte gezeigt werden, dass Fungamyl ein Gemisch aus 9,8 % alpha-Amylase (Aspergillus oryzae) und 5,2 % Endo-1,4-Xylanase (Thermomyces lanuginosus) enthält. Lipase FE-01 besteht aus der Lipase (Thermomyces lanuginosus), Amylase TXL wurde als alpha-Amylase (Aspergillus oryzae) identifiziert.
Zur Analyse der technischen Enzyme in Backwaren wurde aufgrund seiner Robustheit und Sensitivität das Verfahren der LC-MS/MS gewählt. Die Entwicklung einer solchen Methode zur Detektion spezifischer Peptide ermöglichte den qualitativen Nachweis der 3 Enzyme alpha-Amylase (Aspergillus oryzae), Endo-1,4-Xylanase (Thermomyces lanuginosus) und Lipase (Thermomyces lanuginosus). Durch eine lineare Kalibrierung aus synthetisch hergestellten Peptiden unter Einbeziehung eines Protein-Internen-Standards sowie isotopenmarkierter Peptidstandards erfolgte darüber hinaus die quantitative Bestimmung in selbst hergestellten Referenzmaterialien (Weizenmehl, Toastbrot und Biskuitkeks). In weniger als 20 Minuten Messzeit kann das Enzym alpha-Amylase ab einer Konzentration von 2,58 mg/kg (Mehl, Keks), bzw. 7,61 mg/kg (Brot) quantitativ nachgewiesen werden. Zeitgleich können die Enzyme Endo-1,4-Xylanase ab einer Konzentration von 7,75 mg/kg (Brot), 3,64 mg/kg (Keks) bzw. 15,60 mg/kg (Mehl) sowie Lipase ab einer Konzentration von 1,26 mg/kg (Mehl, Keks), bzw. 2,68 mg/kg (Brot) quantifiziert werden. Die Methode wurde nach allgemein verwendeten Richtlinien im Zuge einer Validierung statistisch geprüft und lieferte sehr robuste und reproduzierbare quantitative Werte mit Wiederfindungsraten zwischen 50 % und 122 %. Das primäre Ziel dieser Arbeit, die Entwicklung eines quantitativen Multiparameterverfahrens zum Nachweis technischer Enzyme in Backwaren, wurde somit erfolgreich umgesetzt.
Die hohe Energieaufnahme durch Fette ist ein Hauptfaktor für die Entstehung von Adipositas, was zu weltweiten Bestrebungen führte, die Fettaufnahme zu verringern. Fettreduzierte Lebensmittel erreichen jedoch, trotz ihrer Weiterentwicklung, nicht die Schmackhaftigkeit ihrer Originale. Die traditionelle Sichtweise, dass die Attraktivität von Fetten allein durch Textur, Geruch, Aussehen und postingestive Effekte bestimmt wird, wird nun durch das Konzept einer gustatorischen Wahrnehmung ergänzt. Bei Nagetieren zeigte sich, dass Lipide unabhängig von den vorgenannten Eigenschaften erkannt werden, sowie, dass Fettsäuren, freigesetzt durch linguale Lipasen, als gustatorische Stimuli fungieren und Fettsäuresensoren in Geschmackszellen exprimiert sind. Die Datenlage für den Menschen erwies sich jedoch als sehr begrenzt, daher war es Ziel der vorliegenden Arbeit molekulare und histologische Voraussetzungen für eine gustatorische Fettwahrnehmung beim Menschen zu untersuchen.
Zunächst wurde humanes Geschmacksgewebe mittels RT-PCR und immunhistochemischen Methoden auf die Expression von Fettsäuresensoren untersucht, sowie exprimierende Zellen in Kofärbeexperimenten charakterisiert und quantifiziert. Es wurde die Expression fettsäuresensitiver Rezeptoren nachgewiesen, deren Agonisten das gesamte Spektrum an kurz- bis langkettigen Fettsäuren abdecken (GPR43, GPR84, GPR120, CD36, KCNA5). Ein zweifelsfreier Nachweis des Proteins konnte für den auf langkettige Fettsäuren spezialisierten Rezeptor GPR120 in Typ-I- und Typ-III-Geschmackszellen der Wallpapillen erbracht werden. Etwa 85 % dieser GPR120-exprimierenden Zellen enthielten keine der ausgewählten Rezeptoren der Geschmacksqualitäten süß (TAS1R2/3), umami (TAS1R1/3) oder bitter (TAS2R38). Somit findet sich in humanen Geschmackspapillen nicht nur mindestens ein Sensor, sondern möglicherweise auch eine spezifische, fettsäuresensitive Zellpopulation. Weitere RT-PCR-Experimente und Untersuchungen mittels In-situ-Hybridisierung wurden zur Klärung der Frage durchgeführt, ob Lipasen in den Von-Ebner-Speicheldrüsen (VED) existieren, die freie Fettsäuren aus Triglyceriden als gustatorischen Stimulus freisetzen können. Es zeigte sich zwar keine Expression der bei Nagetieren gefundenen Lipase F (LIPF), jedoch der eng verwandten Lipasen K, M und N in den serösen Zellen der VED. In-silico-Untersuchungen der Sekundär- und Tertiärstrukturen zeigten die hohe Ähnlichkeit zu LIPF, erwiesen aber auch Unterschiede in den Bindungstaschen der Enzyme, welche auf ein differenziertes Substratspektrum hinweisen. Die Anwesenheit eines spezifischen Signalpeptids macht eine Sekretion der Lipasen in den die Geschmacksporen umspülenden Speichel wahrscheinlich und damit auch eine Bereitstellung von Fettsäuren als Stimuli für Fettsäuresensoren. Die Übertragung des durch diese Stimuli hervorgerufenen Signals von Geschmackszellen auf gustatorische Nervenfasern über P2X-Rezeptormultimere wurde mit Hilfe einer vorherigen Intervention mit einem P2X3 /P2X2/3-spezifischen Antagonisten an der Maus als Modellorganismus im Kurzzeit-Präferenztest untersucht. Es zeigte sich weder eine Beeinträchtigung der Wahrnehmung einer Fettsäurelösung, noch einer zuckerhaltigen Kontrolllösung, wohingegen die Wahrnehmung einer Bitterstofflösung reduziert wurde. Somit ist anhand der Ergebnisse dieser Arbeit eine Beteiligung des P2X3-Homomers bzw. des P2X2/3-Heteromers unwahrscheinlich, jedoch die des P2X2-Homomers und damit der gustatorischen Nervenfasern nicht ausgeschlossen.
Die Ergebnisse dieser Arbeit weisen auf die Erfüllung grundlegender Voraussetzungen für die gustatorische Fett(säure)wahrnehmung hin und tragen zum Verständnis der sensorischen Fettwahrnehmung und der Regulation der Fettaufnahme bei. Das Wissen um die Regulation dieser Mechanismen stellt eine Grundlage zur Aufklärung der Ursachen und damit der Bekämpfung von Adipositas und assoziierten Krankheiten dar.
Dipeptidyl peptidase (DPP)-4 inhibitors delay chronic kidney disease (CKD) progression in experimental diabetic nephropathy in a glucose-independent manner. Here we compared the effects of the DPP-4 inhibitor linagliptin versus telmisartan in preventing CKD progression in non-diabetic rats with 5/6 nephrectomy. Animals were allocated to 1 of 4 groups: sham operated plus placebo; 5/6 nephrectomy plus placebo; 5/6 nephrectomy plus linagliptin; and 5/6 nephrectomy plus telmisartan. Interstitial fibrosis was significantly decreased by 48% with linagliptin but a non-significant 24% with telmisartan versus placebo. The urine albumin-to-creatinine ratio was significantly decreased by 66% with linagliptin and 92% with telmisartan versus placebo. Blood pressure was significantly lowered by telmisartan, but it was not affected by linagliptin. As shown by mass spectrometry, the number of altered peptide signals for linagliptin in plasma was 552 and 320 in the kidney. For telmisartan, there were 108 peptide changes in plasma and 363 in the kidney versus placebo. Linagliptin up-regulated peptides derived from collagen type I, apolipoprotein C1, and heterogeneous nuclear ribonucleoproteins A2/B1, a potential downstream target of atrial natriuretic peptide, whereas telmisartan up-regulated angiotensin II. A second study was conducted to confirm these findings in 5/6 nephrectomy wild-type and genetically deficient DPP-4 rats treated with linagliptin or placebo. Linagliptin therapy in wild-type rats was as effective as DPP-4 genetic deficiency in terms of albuminuria reduction. Thus, linagliptin showed comparable efficacy to telmisartan in preventing CKD progression in non-diabetic rats with 5/6 nephrectomy. However, the underlying pathways seem to be different. Copyright (C) 2016, International Society of Nephrology. Published by Elsevier Inc. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).