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Mycobacterium tuberculosis (M. tuberculosis) is the intracellular bacterium responsible for tuberculosis disease (TD). Inside the phagosomes of activated macrophages, M. tuberculosis is exposed to cytotoxic hydroperoxides such as hydrogen peroxide, fatty acid hydroperoxides and peroxynitrite. Thus, the characterization of the bacterial antioxidant systems could facilitate novel drug developments. In this work, we characterized the product of the gene Rv1608c from M. tuberculosis, which according to sequence homology had been annotated as a putative peroxiredoxin of the peroxiredoxin Q subfamily (PrxQ B from M. tuberculosis or MtPrxQ B). The protein has been reported to be essential for M. tuberculosis growth in cholesterol-rich medium. We demonstrated the M. tuberculosis thioredoxin B/C-dependent peroxidase activity of MtPrxQ B, which acted as a two-cysteine peroxiredoxin that could function, although less efficiently, using a one-cysteine mechanism. Through steady-state and competition kinetic analysis, we proved that the net forward rate constant of MtPrxQ B reaction was 3 orders of magnitude faster for fatty acid hydroperoxides than for hydrogen peroxide (3x10(6) vs 6x10(3) M-1 s(-1), respectively), while the rate constant of peroxynitrite reduction was (0.6-1.4) x10(6) M-1 s(-1) at pH 7.4. The enzyme lacked activity towards cholesterol hydroperoxides solubilized in sodium deoxycholate. Both thioredoxin B and C rapidly reduced the oxidized form of MtPrxQ B, with rates constants of 0.5x10(6) and 1x10(6) M-1 s(-1), respectively. Our data indicated that MtPrxQ B is monomeric in solution both under reduced and oxidized states. In spite of the similar hydrodynamic behavior the reduced and oxidized forms of the protein showed important structural differences that were reflected in the protein circular dichroism spectra.
Der Bittergeschmack warnt den Organismus vor potentiell verdorbener oder giftiger Nahrung und ist somit ein wichtiger Kontrollmechanismus. Die initiale Detektion der zahlreich vorkommenden Bitterstoffe erfolgt bei der Maus durch 35 Bitterrezeptoren (Tas2rs), die sich im Zungengewebe befinden. Die Geschmacksinformation wird anschließend von der Zunge über das periphere (PNS) ins zentrale Nervensystem (ZNS) geleitet, wo deren Verarbeitung stattfindet. Die Verarbeitung der Geschmacksinformation konnte bislang nicht gänzlich aufgeklärt werden. Neue Studien deuten auf eine Expression von Tas2rs auch im PNS und ZNS entlang der Geschmacksbahn hin. Über Vorkommen und Aufgaben dieser Rezeptoren bzw. Rezeptorzellen im Nervensystem ist bislang wenig bekannt.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Tas2r-Expression in verschiedenen Mausmodellen untersucht, Tas2r-exprimierende Zellen identifiziert und deren Funktionen bei der Übertragung der Geschmacksinformationen analysiert. Im Zuge der Expressionsanalysen mittels qRT-PCR konnte die Expression von 25 der 35 bekannten Bittergeschmacksrezeptoren im zentralen Nervensystem der Maus nachgewiesen werden. Die Expressionsmuster im PNS sowie im ZNS lassen darüber hinaus Vermutungen zu Funktionen in verschiedenen Bereichen des Nervensystems zu. Basierend auf den Ergebnissen der Expressionsanalysen war es möglich, stark exprimierte Tas2rs mittels In-situ-Hybridisierung in verschiedenen Zelltypen zu visualisieren. Des Weiteren konnten immunhistochemische Färbungen unter Verwendung eines genetisch modifizierten Mausmodells die Ergebnisse der Expressionsanalysen bestätigen. Sie zeigten eine Expression von Tas2rs, am Beispiel des Tas2r131-Rezeptors, in cholinergen, dopaminergen, GABAergen, noradrenergen und glycinerg-angesteuerten Projektionsneuronen sowie in Interneuronen. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen daher erstmals das Vorkommen von Tas2rs in verschiedenen neuronalen Zelltypen in weiten Teilen des ZNS. Dies lässt den Schluss zu, dass Tas2r-exprimierende Zellen potentiell multiple Funktionen innehaben. Anhand von Verhaltensexperimenten in genetisch modifizierten Mäusen wurde die mögliche Funktion von Tas2r131-exprimierenden Neuronen (Tas2r131-Neurone) bei der Geschmackswahrnehmung untersucht. Die Ergebnisse weisen auf eine Beteiligung von Tas2r131-Neuronen an der Signalweiterleitung bzw. -verarbeitung der Geschmacksinformation für eine Auswahl von Bittersubstanzen hin. Die Analysen zeigen darüber hinaus, dass Tas2r131-Neuronen nicht an der Geschmackswahrnehmung anderer Bitterstoffe sowie Geschmacksstimuli anderer Qualitäten (süß, umami, sauer, salzig), beteiligt sind. Eine spezifische „Tas2r131-Bittergeschmacksbahn“, die mit anderen potentiellen „Bitterbahnen“ teils unabhängige, teils überlappende Signalwege bzw. Verarbeitungsbereiche besitzt, bildet eine mögliche zelluläre Grundlage zur Unterscheidung von Bitterstoffen. Die im Rahmen dieser Arbeit entstandene Hypothese einer potentiellen Diskriminierung von Bitterstoffen soll daher in weiterführenden Studien durch die Etablierung eines Verhaltenstest mit Mäusen geprüft werden.
The visceral protein transthyretin (TTR) is frequently affected by oxidative post-translational protein modifications (PTPMs) in various diseases. Thus, better insight into structure-function relationships due to oxidative PTPMs of TTR should contribute to the understanding of pathophysiologic mechanisms. While the in vivo analysis of TTR in mammalian models is complex, time- and resource-consuming, transgenic Caenorhabditis elegans expressing hTTR provide an optimal model for the in vivo identification and characterization of drug-mediated oxidative PTPMs of hTTR by means of matrix assisted laser desorption/ionization – time of flight – mass spectrometry (MALDI-TOF-MS). Herein, we demonstrated that hTTR is expressed in all developmental stages of Caenorhabditis elegans, enabling the analysis of hTTR metabolism during the whole life-cycle. The suitability of the applied model was verified by exposing worms to D-penicillamine and menadione. Both drugs induced substantial changes in the oxidative PTPM pattern of hTTR. Additionally, for the first time a covalent binding of both drugs with hTTR was identified and verified by molecular modelling.
The visceral protein transthyretin (TTR) is frequently affected by oxidative post-translational protein modifications (PTPMs) in various diseases. Thus, better insight into structure-function relationships due to oxidative PTPMs of TTR should contribute to the understanding of pathophysiologic mechanisms. While the in vivo analysis of TTR in mammalian models is complex, time- and resource-consuming, transgenic Caenorhabditis elegans expressing hTTR provide an optimal model for the in vivo identification and characterization of drug-mediated oxidative PTPMs of hTTR by means of matrix assisted laser desorption/ionization – time of flight – mass spectrometry (MALDI-TOF-MS). Herein, we demonstrated that hTTR is expressed in all developmental stages of Caenorhabditis elegans, enabling the analysis of hTTR metabolism during the whole life-cycle. The suitability of the applied model was verified by exposing worms to D-penicillamine and menadione. Both drugs induced substantial changes in the oxidative PTPM pattern of hTTR. Additionally, for the first time a covalent binding of both drugs with hTTR was identified and verified by molecular modelling.
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.
Monitoring the apple polyphenol oxidase-modulated adduct formation of phenolic and amino compounds
(2016)
Minimally processed fruit products such as smoothies are increasingly coming into demand. However, they are often combined with dairy ingredients. In this combination, phenolic compounds, polyphenoloxidases, and amino compounds could interact. In this work, a model approach is presented where apple serves as a source for a high polyphenoloxidase activity for modulating the reactions. The polyphenoloxidase activity ranged from 128 to 333 nakt/mL in different apple varieties. From these, ‘Braeburn’ was found to provide the highest enzymatic activity. The formation and stability of resulting chromogenic conjugates was investigated. The results show that such adducts are not stable and possible degradation mechanisms leading to follow-up products formed are proposed. Finally, apple extracts were used to modify proteins and their functional properties characterized. There were retaining antioxidant properties inherent to phenolic compounds after adduct formation. Consequently, such interactions may also be utilized to improve the textural quality of food products.
In this study, the applicability of semi-direct cold atmospheric pressure plasma (CAPP) during postharvest processing of Tenebrio molitor flour is investigated. Besides analyzing the decontamination efficacy, plasma induced impact on techno-functionality, protein solubility, composition and structure was determined and compared to heat induced effects. Following CAPP treatment, the total microbial load of the Tenebrio flour of 7.72 log(10) cfu/g was reduced to 7.10 (1 min), 6.72 (2.5 min), 5.79 (5 min), 5.19 (7.5 min), 521 (10 min) and 4.73 (15 min) log(10) cfu/g. With increasing exposure to CAPP, protein solubility at pH 4 almost linearly decreased to a minimum of 54%. Water binding capacity decreased from 0.79 to 0.64 gwatedg whereas oil binding capacity increased from 0.59 to 0.66 g(oil)/g. Gel electrophoresis revealed a decrease of all protein fractions at pH 4 whereas at pH 10 the band pattern significantly shifted to protein fractions with higher molecular weights. Industrial relevance: Edible insects are rich in valuable protein, fat, fibre, minerals and micronutrients. Although a wide range of species represent a valuable alternative protein source that could contribute to food and feed security, they are industrially hardly exploited. The tailored application of proper processing technologies could lead to novel insect-based high-protein food and feed products with unique functional properties supporting the increase in acceptability among potential consumers. Current research concentrates on developing processing chains including innovative nonthermal approaches. Cold atmospheric pressure plasma (CAPP) has gained attention as an effective technology for the decontamination and modification of fresh and dry agricultural products. In the postharvest chain of edible insects, the application of CAPP could contribute to the development of safe and high-quality insect-based products in the food and feed sector. (C) 2016 Published by Elsevier Ltd.
Background: Gestational diabetes mellitus (GDM) is associated with adverse pregnancy outcomes. It is known that GDM is associated with an altered placental function and changes in placental gene regulation. More recent studies demonstrated an involvement of epigenetic mechanisms. So far, the focus regarding placental epigenetic changes in GDM was set on gene-specific DNA methylation analyses. Studies that robustly investigated placental global DNA methylation are lacking. However, several studies showed that tissue-specific alterations in global DNA methylation are independently associated with type 2 diabetes. Thus, the aim of this study was to characterize global placental DNA methylation by robustly measuring placental DNA 5-methylcytosine (5mC) content and to examine whether differences in placental global DNA methylation are associated with GDM. Methods: Global DNA methylation was quantified by the current gold standard method, LC-MS/MS. In total, 1030 placental samples were analyzed in this single-center birth cohort study. Results: Mothers with GDM displayed a significantly increased global placental DNA methylation (3.22 +/- 0.63 vs. 3.00 +/- 0.46 %; p = 0.013; +/- SD). Bivariate logistic regression showed a highly significant positive correlation between global placental DNA methylation and the presence of GDM (p = 0.0009). Quintile stratification according to placental DNA 5mC levels revealed that the frequency of GDM was evenly distributed in quintiles 1-4 (2.9-5.3 %), whereas the frequency in the fifth quintile was significantly higher (10.7 %; p = 0.003). Bivariate logistic models adjusted for maternal age, BMI, ethnicity, recurrent miscarriages, and familiar diabetes predisposition clearly demonstrated an independent association between global placental DNA hypermethylation and GDM. Furthermore, an ANCOVA model considering known predictors of DNA methylation substantiated an independent association between GDM and placental DNA methylation. Conclusions: This is the first study that employed a robust quantitative assessment of placental global DNA methylation in over a thousand placental samples. The study provides large scale evidence that placental global DNA hypermethylation is associated with GDM, independent of established risk factors.
Maternal environmental factors can impact on the phenotype of the offspring via the induction of epigenetic adaptive mechanisms. The advanced fetal programming hypothesis proposes that maternal genetic variants may influence the offspring's phenotype indirectly via epigenetic modification, despite the absence of a primary genetic defect. To test this hypothesis, heterozygous female eNOS knockout mice and wild type mice were bred with male wild type mice. We then assessed the impact of maternal eNOS deficiency on the liver phenotype of wild type offspring. Birth weight of male wild type offspring born to female heterozygous eNOS knockout mice was reduced compared to offspring of wild type mice. Moreover, the offspring displayed a sex specific liver phenotype, with an increased liver weight, due to steatosis. This was accompanied by sex specific differences in expression and DNA methylation of distinct genes. Liver global DNA methylation was significantly enhanced in both male and female offspring. Also, hepatic parameters of carbohydrate metabolism were reduced in male and female offspring. In addition, male mice displayed reductions in various amino acids in the liver. Maternal genetic alterations, such as partial deletion of the eNOS gene, can affect liver metabolism of wild type offspring without transmission of the intrinsic defect. This occurs in a sex specific way, with more detrimental effects in females. This finding demonstrates that a maternal genetic defect can epigenetically alter the phenotype of the offspring, without inheritance of the defect itself. Importantly, these acquired epigenetic phenotypic changes can persist into adulthood.