Bifidobacterium - Human Host Interaction: Role of Human Plasminogen

Bifidobacterium is an important genus of the human gastrointestinal microbiota, affecting several host physiological features. Despite the numerous Bifidobacterium related health-promoting activities, there is still a dearth of information about the molecular mechanisms at the basis of the interaction between this microorganism and the host. Bacterial surface associated proteins may play an important role in this interaction because of their ability to intervene with host molecules, as recently reported for the host protein plasminogen. Plasminogen is the zymogen of the trypsin-like serine protease plasmin, an enzyme with a broad substrate specificity. Aim of this thesis is to deepen the knowledge about the interaction between Bifidobacterium and the human plasminogen system and its role in the Bifidobacterium-host interaction process. As a bifidobacterial model, B. animalis subsp. lactis BI07 has been used because of its large usage in dairy and pharmaceutical preparations. We started from the molecular characterization of the interaction between plasminogen and one bifidobacterial plasminogen receptor, DnaK, a cell wall protein showing high affinity for plasminogen, and went on with the study of the impact of intestinal environmental factors, such as bile salts and inflammation, on the plasminogen-mediated Bifidobacterium-host interaction. According to our in vitro findings, by enhancing the activation of the bifidobacterial bound plasminogen to plasmin, the host inflammatory response results in the decrease of the bifidobacterial adhesion to the host enterocytes, favouring bacterial migration to the luminal compartment. Conversely, in the absence of inflammation, plasminogen acts as a molecular bridge between host enterocytes and bifidobacteria, enhancing Bifidobacterium adhesion. Furthermore, adaptation to physiological concentrations of bile salts enhances the capability of this microorganism to interact with the host plasminogen system. The host plasminogen system thus represents an important and flexible tool used by bifidobacteria in the cross-talk with the host.

Characterization of novel probiotics and prebiotics

The role of the human gut microbiota in impacting host’s health has been widely studied in the last decade. Notably, it has been recently demonstrated that diet and nutritional status are among the most important modifiable determinants of human health, through a plethora of presumptive mechanisms among which microbiota-mediated processes are thought to have a relevant role. At present, probiotics and prebiotics represent a useful dietary approach for influencing the composition and activity of the human gut microbial community. The present study is composed of two main sections, aimed at elucidating the probiotic potential of the yeast strain K. marxianus B0399, as well as the promising putative prebiotic activity ascribable to four different flours, naturally enriched in dietary fibres content. Here, by in vitro studies we demonstrated that K. marxianus B0399 possesses a number of beneficial and strain-specific properties desirable for a microorganism considered for application as a probiotics. Successively, we investigated the impact of a novel probiotic yoghurt containing B. animalis subsp. lactis Bb12 and K. marxianus B0399 on the gut microbiota of a cohort of subjects suffering from IBS and enrolled in a in vivo clinical study. We demonstrated that beneficial effects described for the probiotic yoghurt were not associated to significant modifications of the human intestinal microbiota. Additionally, using a colonic model system we investigated the impact of different flours (wholegrain rye and wheat, chickpeas and lentils 50:50, and barley milled grains) on the intestinal microbiota composition and metabolomic output, combining molecular and cellular analysis with a NMR metabolomics approach. We demonstrated that each tested flour showed peculiar and positive modulations of the intestinal microbiota composition and its small molecule metabolome, thus supporting the utilisation of these ingredients in the development of a variety of potentially prebiotic food products aimed at improving human health.

Pathogenic role of IL-33-mediated eosinophil infiltration and function in experimental inflammatory bowel disease

IL-33/ST2 axis is known to promote Th2 immune responses and has been linked to several autoimmune and inflammatory disorders, including inflammatory bowel disease (IBD), and recent evidences show that it can regulate eosinophils (EOS) infiltration and function. Based also on the well documented relationship between EOS and IBD, we assessed the role of IL-33-mediated eosinophilia and ileal inflammation in SAMP1/YitFc (SAMP) murine model of Th1/Th2 chronic enteritis, and we found that IL-33 is related to inflammation progression and EOS infiltration as well as IL-5 and eotaxins increase. Administering IL-33 to SAMP and AKR mice augmented eosinophilia, eotaxins mRNA expression and Th2 molecules production, whereas blockade of ST2 and/or typical EOS molecules, such as IL-5 and CCR3, resulted in a marked decrease of inflammation, EOS infiltration, IL-5 and eotaxins mRNA expression and Th2 cytokines production. Human data supported mice’s showing an increased colocalization of IL-33 and EOS in the colon mucosa of UC patients, as well as an augmented IL-5 and eotaxins mRNA expression, when compared to non-UC. Lastly we analyzed SAMP raised in germ free (GF) condition to see the microbiota effect on IL-33 expression and Th2 responses leading to chronic intestinal inflammation. We found a remarkable decrease in ileal IL-33 and Th2 cytokines mRNA expression as well as EOS infiltration in GF versus normal SAMP with comparable inflammatory scores. Moreover, EOS depletion in normal SAMP didn’t affect IL-33 mRNA expression. These data demonstrate a pathogenic role of IL-33-mediated eosinophilia in chronic intestinal inflammation, and that blockade of IL-33 and/or downstream EOS activation may represent a novel therapeutic modality to treat patients with IBD. Also they highlight the gut microbiota role in IL-33 production, and the following EOS infiltration in the intestinal mucosa, confirming that the microbiota is essential in mounting potent Th2 response leading to chronic ileitis in SAMP.

Chemical, biochemical and microbiological indicators to assess soil quality in temperate agro-ecosystems

Soil is a critically important component of the earth’s biosphere. Developing agricultural production systems able to conserve soil quality is essential to guarantee the current and future capacity of soil to provide goods and services. This study investigates the potential of microbial and biochemical parameters to be used as early and sensitive soil quality indicators. Their ability to differentiate plots under contrasting fertilization regimes is evaluated based also on their sensitivity to seasonal fluctuations of environmental conditions and on their relationship with soil chemical parameters. Further, the study addresses some of the critical methodological aspects of microplate-based fluorimetric enzyme assays, in order to optimize assay conditions and evaluate their suitability to be used as a toll to asses soil quality. The study was based on a long-term field experiment established in 1966 in the Po valley (Italy). The soil was cropped with maize (Z. mays L.) and winter wheat (T. aestivum L.) and received no organic fertilization, crop residue or manure, in combination with increasing levels of mineral N fertilizer. The soil microbiota responded to manure amendment increasing it biomass and activity and changing its community composition. Crop residue effect was much more limited. Mineral N fertilization stimulated crop residue mineralization, shifted microbial community composition and influenced N and P cycling enzyme activities. Seasonal fluctuations of environmental factors affected the soil microbiota. However microbial and biochemical parameters seasonality did not hamper the identification of fertilization-induced effects. Soil microbial community abundance, function and composition appeared to be strongly related to soil organic matter content and composition, confirming the close link existing between these soil quality indicators. Microplate-based fluorimetric enzyme assays showed potential to be used as fast and throughput toll to asses soil quality, but required proper optimization of the assay conditions for a precise estimation of enzymes maximum potential activity.

Einfluss prebiotischer Oligosaccharide und probiotischer Bakterien auf den Phänotyp und die Funktion dendritischer Zellen

Neben der Therapie allergischer Erkrankungen, wie dem allergischen Asthma oder der atopischen Dermatitis, nehmen präventive Maßnahmen zur Vermeidung einer Sensibilisierung einen immer höheren Stellenwert ein. Hierbei scheint der Einsatz von Pre- und Probiotika vielversprechend zu sein. rnrnIm Rahmen dieser Dissertation wurde der Einfluss von Pre- und Probiotika auf den Phänotyp und die Funktion von DCs untersucht. Hierzu wurden unreife DCs aus Vorläuferzellen im Knochenmark von Mäusen differenziert (BM-DCs). Nach Behandlung der Kulturen während der Differenzierung der BM-DCs mit neutrale Humanmilch-analoge Oligosaccharide-enthaltenden Präparationen (NOS-Präparationen) konnte ein Einfluss auf die Zellen nachgewiesen werden; die NOS-Präparationen sind in der Lage, die durch LPS induzierte Ausreifung der BM-DCs zu supprimieren. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die primärstimulatorische Kapazität LPS-stimulierter BM-DCs, die in Anwesenheit von NOS-Präparationen differenziert wurden, sowohl für allogene als auch für syngene T-Zellen signifikant vermindert war. Die Charakterisierung dieser T-Zellen ergab zwar eine verstärkte Expression des für regulatorische T-Zellen charakteristischen Transkriptionsfaktors FoxP3, auf funktioneller Ebene konnte jedoch keine Induktion von regulatorischen T-Zellen beobachtet werden; allerdings wurde in diesen T-Zellen eine Anergie induziert. Der Befund, dass verschiedene NOS-Präparationen unterschiedliche Wirkungen auf die Differenzierung von BM-DCs aufweisen, muss weitergehend untersucht werden. rnrnWeiterhin wurden im Rahmen dieser Arbeit die Auswirkungen einer Kultivierung der BM-DCs mit den beiden probiotischen Bakterien Lactobacillus rhamnosus GG (LGG) und Lactobacillus fermentum analysiert. Hier induzierte ein Kontakt unreifer BM-DCs mit den Bakterien eine Maturierung der Zellen. Das Potential zur Produktion von IL-10 konnte dabei nicht erhöht werden. Im Gegensatz dazu induzierte eine Supplementierung der Kulturen während der Differenzierungsphase der DCs konträre Effekte; die LGG-Gabe resultierte hier in einer unvollständigen Ausreifung der DCs nach LPS-Stimulus. Dies konnte auch auf funktioneller Ebene als stark vermindertes Potential zur T-Zellstimulation bestätigt werden. Inwieweit die Supplementierung mit LGG in tolerogenen DCs resultiert, welche Tregs induzieren können, muss weiter analysiert werden.

Ecological modelling for next generation sequencing data

Le tecniche di next generation sequencing costituiscono un potente strumento per diverse applicazioni, soprattutto da quando i loro costi sono iniziati a calare e la qualità dei loro dati a migliorare. Una delle applicazioni del sequencing è certamente la metagenomica, ovvero l'analisi di microorganismi entro un dato ambiente, come per esempio quello dell'intestino. In quest'ambito il sequencing ha permesso di campionare specie batteriche a cui non si riusciva ad accedere con le tradizionali tecniche di coltura. Lo studio delle popolazioni batteriche intestinali è molto importante in quanto queste risultano alterate come effetto ma anche causa di numerose malattie, come quelle metaboliche (obesità, diabete di tipo 2, etc.). In questo lavoro siamo partiti da dati di next generation sequencing del microbiota intestinale di 5 animali (16S rRNA sequencing) [Jeraldo et al.]. Abbiamo applicato algoritmi ottimizzati (UCLUST) per clusterizzare le sequenze generate in OTU (Operational Taxonomic Units), che corrispondono a cluster di specie batteriche ad un determinato livello tassonomico. Abbiamo poi applicato la teoria ecologica a master equation sviluppata da [Volkov et al.] per descrivere la distribuzione dell'abbondanza relativa delle specie (RSA) per i nostri campioni. La RSA è uno strumento ormai validato per lo studio della biodiversità dei sistemi ecologici e mostra una transizione da un andamento a logserie ad uno a lognormale passando da piccole comunità locali isolate a più grandi metacomunità costituite da più comunità locali che possono in qualche modo interagire. Abbiamo mostrato come le OTU di popolazioni batteriche intestinali costituiscono un sistema ecologico che segue queste stesse regole se ottenuto usando diverse soglie di similarità nella procedura di clustering. Ci aspettiamo quindi che questo risultato possa essere sfruttato per la comprensione della dinamica delle popolazioni batteriche e quindi di come queste variano in presenza di particolari malattie.

Use of essential oils and biocontrol cultures for the improvement of shelf-life of fresh cut products

The demand of minimally processed fruits and vegetables has increased in the last years. However, their intrinsic characteristics may favor the growth of pathogens and spoilage microbiota. The negative effects on human health reported for some traditional chemical sanitizers have justified the search for substitutes to guarantee food safety and quality. In this work we have evaluate the potential of some essential oils and their components to improve the safety and the shelf life of Lamb’s lettuce (Valerianella locusta) and apples (Golden delicious). Moreover, the effects of selected lactic acid bacteria alone or in combination with essential oils or their components, on the shelf-life and safety as well as organoleptic properties of minimally processed products, were evaluated. Since the lack of knowledge of microbial cell targets of essential oils represent one of the most important limit to the use of these molecules at industrial level, another aim of this thesis was the study of the action mechanisms of essential oils and their components. The results obtained showed the beneficial effects of the natural antimicrobials as well as the selected lactic acid bacteria on minimally processed fruit and vegetable safety and shelf-life, without detrimental effects on the quality parameters. The beneficial effects obtained by the use of the selected biocontrol agents were further increased combining them with selected natural antimicrobials. The natural antimicrobial employed induced noticeable modifications of membrane fatty acid profiles and volatile compounds produced by microbial cells during the growth. The modification of the expression in genes involved in fatty acid biosynthesis suggesting that the cytoplasmic membrane of microbial cells is one of the major cellular target of essential oils and their components. The comprehension of microbial stress response mechanisms can contribute to the scaling up of natural antimicrobials and bio-control agents at industrial level.

Metagenomic trajectory of gut microbiome in the human lifespan

Co-evolving with the human host, gut microbiota establishes configurations, which vary under the pressure of inflammation, disease, ageing, diet and lifestyle. In order to describe the multi-stability of the microbiome-host relationship, we studied specific tracts of the bacterial trajectory during the human lifespan and we characterized peculiar deviations from the hypothetical development, caused by disease, using molecular techniques, such as phylogenetic microarray and next-generation sequencing. Firstly, we characterized the enterocyte-associated microbiota in breast-fed infants and adults, describing remarkable differences between the two groups of subjects. Successively, we investigated the impact of atopy on the development of the microbiome in Italian childrens, highlithing conspicuous deviations from the child-type microbiota of the Italian controls. To explore variation in the gut microbiota depending on geographical origins, which reflect different lifestyles, we compared the phylogenetic diversity of the intestinal microbiota of the Hadza hunter-gatherers of Tanzania and Italian adults. Additionally, we characterized the aged-type microbiome, describing the changes occurred in the metabolic potential of the gut microbiota of centenarians with respect to younger individuals, as a part of the pathophysiolology of the ageing process. Finally, we evaluated the impact of a probiotics intervention on the intestinal microbiota of elderly people, showing the repair of some age-related dysbioses. These studies contribute to elucidate several aspects of the intestinal microbiome development during the human lifespan, depicting the microbiota as an extremely plastic entity, capable of being reconfigured in response to different environmental factors and/or stressors of endogenous origin.

Effects of different nutritional strategies on intestinal inflammation in pigs

Intestinal health is essential for the health of the body since the gastro-intestinal mucosa is the main site of interaction with the external environment, as well as the major area colonized by the microbiota. Intestinal health relies on proper barrier function, epithelial integrity and related mechanisms of protection (mucous layer, tight junctions, immune and inflammatory system). In pigs, during the weaning transition, intestinal inflammation and barrier integrity play a crucial role in regulating intestinal health and, consequently, pig’s health, growth and productivity. The aim of the project was to assess the impact of different nutritional strategies on the intestinal health of weaning piglets with reference to the inflammatory status and epithelial integrity. Therefore, in vivo trials were conducted to test the in-feed supplementation with zinc, tributyrin, or organic acids and nature-identical compounds (NIC) to weaning piglets. All the dietary interventions positively impacted the intestinal inflammatory status and, as a consequence, improved epithelial integrity by modulating tight junctions proteins (zinc or tributyrin) or by enhancing barrier properties measured with Ussing chambers (organic acids and NIC). These findings highlight that intestinal inflammation and barrier function are strictly linked, and that the control of inflammation is essential for adequate barrier function. In addition, in zinc trial and organic acids and NIC trial, better intestinal health could successfully result in better growth performance, as aimed for pig production improvement. To conclude, this work shows that dietary supplementation with bio-active substances such as zinc, tributyrin or organic acids and NIC may improve intestinal health of weaning piglets modulating intestinal inflammatory stress and barrier integrity and allowing better piglet’s health, growth and productivity.

Genus Bifidobacterium: taxonomy studies and gene expression analysis on folate pathway

Folates (vitamin B9) are essential water soluble vitamins, whose deficiency in humans may contribute to the onset of several diseases, such as anaemia, cancer, cardiovascular diseases, neurological problems as well as defects in embryonic development. Human and other mammals are unable to synthesize ex novo folate obtaining it from exogenous sources, via intestinal absorption. Recently the gut microbiota has been identified as an important source of folates and the selection and use of folate producing microorganisms represents an innovative strategy to increase human folate levels. The aim of this thesis was to gain a fundamental understanding of folate metabolism in Bifidobacterium adolescentis. The work was subdivided in three main phases, also aimed to solve different problems encountered working with Bifidobacterium strains. First, a new identification method (based on PCR-RFLP of hsp60 gene) was specifically developed to identify Bifidobacterium strains. Secondly, Bifidobacterium adolescentis biodiversity was explored in order to recognize representing strains of this species to be screened for their folate production ability. Results showed that this species is characterized by a wide variability and support the idea that a possible new taxonomic re-organization would be required. Finally B. adolescentis folate metabolism was studied using a double approach. A quantitative analysis of folate content was complemented by the examination of expression levels of genes involved in folate related pathways. For the normalization process, required to increase the robustness of the qRT-PCR analysis, an appropriate set of reference genes was tested using two different algorithms. Results demonstrate that B.adolescentis strains may represent an endogenous source of natural folate and they could be used to fortify fermented dairy products. This bio-fortification strategy presents many advantages for the consumer, providing native folate forms more bio-available, and not implicated in the discussed controversy concerning the safety of high intake of synthetic folic acid.

Identifizierung, Quantifizierung und Hemmung von ausgewählten Hefen im Wein

Hefen stellen einen großen und wichtigen Teil der Mikrobiota während der Weinbereitung dar, da ohne ihre alkoholische Fermentation die Umwandlung von Most und Wein nicht möglich wäre. Ferner ist es ihre Vielzahl an Stoffwechselprodukten, die dem Aroma des fertigen Weines eine zusätzliche Komplexität verleihen. Auf der anderen Seite steht durch den Metabolismus verschiedenster so genannter Wildhefen die Gefahr von Qualitätsabstufungen der Weine, was allgemein als „Weinfehler“ betrachtet wird. Ziel dieser Arbeit war zum einen die taxonomische Einordnung von Saccharomyces-Spezies, sowie die Quantifizierung und Hemmung von ausgewählten Wildhefen während der Weinbereitung.rnEin Teil dieser Arbeit umfasste die Identifizierung der nahverwandten Mitglieder der Saccharomyces sensu stricto-Gruppe. Durch den Einsatz des DNA-Fingerpinting-Systems SAPD-PCR konnten alle die Gruppe umfassenden Spezies anhand spezifischer Bandenmuster nachgewiesen werden, wodurch eine Einordnung dieser schwer zu differenzierenden Arten möglich war. Die Differenzierung zwischen den einzelnen Spezies war in jedem Fall deutlicher als dies die Sequenzierung der 5.8S rDNA und ihre flankierenden ITS-Regionen vermochte. Die SAPD-PCR zeichnete sich zudem durch eine geringe Muster-Varianz bei verschiedenen Stämmen einer Art aus und konnte zuverlässig unbekannte Stämme bestimmen und bereits hinterlegte Stämme neu klassifizieren. Zudem konnte mit Hilfe dieses Systems Hybride aus Saccharomyces cerevisiae und S. bayanus bzw. S. cerevisiae und S. kudriavzevii detektiert werden, wenn diese Hybride aus relativ gleichen genomischen Anteilen der Eltern bestanden. rnZusätzlich wurde ein quantitatives PCR-System entwickelt, um die Gattungen Saccharomyces, Hanseniaspora und Brettanomyces in Most und Wein detektieren und quantifizieren zu können. Die hierfür entwickelten Primer zeigten sich spezifisch für die untersuchten Arten. Durch die serielle Verdünnung definierter DNA-Mengen konnte für alle drei Systeme eine Kalibrierungskurve erstellt werden, mit Hilfe derer die tatsächlichen Quantifizierungen durchgeführt wurden. Die qPCR-Analyse lieferte ähnliche Zellzahlen wie Lebendzellzahl-Bestimmungen und wurde nicht von anderen Spezies und von Traubensaft gestört. Die maximal detektierbare Zellzahl betrug 2 x 107 Zellen/ml, während die minimale Detektionsgrenze je nach Art zwischen 1 x 102 Zellen/ml und 1 x 103 Zellen/ml lag. Allerdings konnte eine effektive DNA-Isolierung dieser geringen Zellzahlen nur erreicht werden, wenn die Zellzahl durch artfremde Hefen künstlich erhöht wurde. Die Analyse einer Most-Vergärung mit den drei Spezies zeigte schlussendlich, dass die quantitative PCR sicher und schnell Veränderungen und Sukzessionen detektiert und so ein geeignetes Mittel darstellt, um Populationsdynamiken während der Weinherstellung zu beobachten. rnDer letzte Teil dieser Arbeit befasste sich mit der Inhibierung von Schadhefen durch zellwand-hydrolysierende Enzyme. Es konnte hierbei eine endoglykosidisch wirkende β-1,3-Glucanase aus dem Bakterium Delftia tsuruhatensis isoliert werden. Diese besaß eine ungefähre Masse von 28 kDa, einen isolektrischen Punkt von ca. 4,3 und wirkte mit einer spezifischen Aktivität von 10 U/mg Protein gegen das Glucan Laminarin. Zudem zeigte das Enzym ein Temperaturoptimum von 50 °C und ein pH-Optimum bei pH 4,0. Weinparameter wie erhöhte Konzentrationen an Ethanol, Phenolen und Sulfit beeinflussten die Wirkung des Enzyms nicht oder nur wenig. Neben der allgemeinen Wirkung gegen β-1,3-Glucane konnte hier auch gezeigt werden, dass ebenso gut die β-1,3-Glucane in der Zellwand verschiedener Hefen hydrolysiert wurden. Fluoreszenz- und rasterelektronen-mikroskopische Aufnahmen von Hefezellen nach Inkubation mit der β-1,3-Glucanase zeigten zusätzlich die Zerstörung der Zelloberfläche der Hefen. Die lytische Wirkung des Enzyms wurde an verschiedenen weintypischen Hefen getestet. Hierbei zeigten sich stammspezifische Unterschiede in der Sensitivität gegenüber dem Enzym. Außerdem konnte festgestellt werden, dass sowohl Wachstumsphase als auch Medium der Hefen Einfluss auf deren Zellwand hat und somit auch auf die Wirkung des Enzyms.rn

Chemopreventive effects of eicosapentaenoic acid free fatty acid in a murine model of colitis-associated colorectal cancer

Inflammatory bowel diseases are associated with increased risk of developing colitis-associated colorectal cancer (CAC). Epidemiological data show that the consumption of ω-3 polyunsaturated fatty acids (ω-3 PUFAs) decreases the risk of sporadic colorectal cancer (CRC). Importantly, recent data have shown that eicosapentaenoic acid-free fatty acid (EPA-FFA) reduces polyps formation and growth in models of familial adenomatous polyposis. However, the effects of dietary EPA-FFA are unknown in CAC. We tested the effectiveness of substituting EPA-FFA, for other dietary fats, in preventing inflammation and cancer in the AOM-DSS model of CAC. The AOM-DSS protocols were designed to evaluate the effect of EPA-FFA on both initiation and promotion of carcinogenesis. We found that EPA-FFA diet strongly decreased tumor multiplicity, incidence and maximum tumor size in the promotion and initiation arms. Moreover EPA-FFA, in particular in the initiation arm, led to reduced cell proliferation and nuclear β-catenin expression, whilst it increased apoptosis. In both arms, EPA-FFA treatment led to increased membrane switch from ω-6 to ω-3 PUFAs and a concomitant reduction in PGE2 production. We observed no significant changes in intestinal inflammation between EPA-FFA treated arms and AOM-DSS controls. Importantly, we found that EPA-FFA treatment restored the loss of Notch signaling found in the AOM-DSS control, resulted in the enrichment of Lactobacillus species in the gut microbiota and led to tumor suppressor miR34-a induction. In conclusion, our data suggest that EPA-FFA is an effective chemopreventive agent in CAC.

Untersuchungen zur biotischen Bildung von Methylquecksilber aus anorganischem Quecksilber durch intestinale Sulfat-reduzierende Bakterien und die Bestimmung alkylierter Quecksilberverbindungen mittels GC-ICP-MS und Isotopenverdünnungsanalyse

Alkylierte Quecksilberspezies sind hundertfach toxischer als anorganisches Quecksilber (Hg) und werden in der Nahrungskette mit zunehmender Trophieebene im Gewebe von Tieren und dem Menschen akkumuliert. Aufgrund der Relevanz für die Umwelt und den Effekt auf die menschliche Gesundheit kommt der biotischen Transformation von anorganischem Hg zu Monomethylquecksilber (MeHg) eine große Bedeutung zu. Es ist bekannt, dass Sulfat-reduzierende Bakterien zu den Hauptproduzenten von MeHg gehören. Darüber hinaus gibt es jedoch nur wenige Untersuchungen über die biologischen Mechanismen und die Zusammenhänge in terrestrischen und insbesondere in intestinalen Systemen. Die vorliegende Arbeit leistet daher einen wichtigen Beitrag zur Abschätzung des Potentials zur Hg-Methylierung durch intestinale Bakterien und vertieft die Kenntnisse zu der damit verbundenen Akkumulation der organischen Schwermetallverbindung im Gewebe des Kompostwurms Eisenia foetida (E. foetida). rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde erstmals unter Anwendung der Gas Chromatographie mit induktiv gekoppelter Massenspektrometrie (GC-ICP-MS) und Isotopenverdünnungsanalyse verschiedene Kulturen intestinaler Sulfat-reduzierender Bakterien auf die Bildung von organischem Monomethylquecksilber aus Hg(II) untersucht. Da in komplexen bakteriellen Nährlösungen mit hohem Sulfidgehalt Matrixeffekte auftreten und die Analyse von MeHg im Ultraspurenbereich erschweren können, erfolgte die Probenvorbereitung mittels der Methanol-Kaliumhydroxid-Extraktion unter Verwendung eines Maskierungsreagenzes und der Derivatisierung mit Natriumtetrapropylborat. Das Detektionslimit für MeHg in bakteriellen Nährlösungen betrug 0,03 ng/mL. Die Wiederfindung von zertifiziertem Referenzmaterial ERM® CE-464 Tuna Fish war sehr gut und lag in einem Bereich zwischen 98 – 105%. rnDie Resultate der Untersuchung von 14 verschiedenen Rein- und Anreicherungskulturen Sulfat-reduzierender Bakterien zeigten, dass neun Kulturen innerhalb von 12 h nach einer Inkubation mit 0,1 mg/L Hg2+ im Durchschnitt 100 bis 1200 pg/mL MeHg produzierten. Darunter waren zwei Desulfovibrio sp. Stämme, die Spezies Desulfovibrio piger, Desulfovibrio giganteus, Desulfovibrio termitidis, Desulfotomaculum ruminis, Desulfobulbus propionicus sowie Anreicherungskulturen aus dem Intestinaltrakt einer Zygoptera-Larve Zy1 und E. foetida EF4. Die Fähigkeit zur Hg-Methylierung durch eine Spezies der Ordnung Desulfotomaculum aus der Gruppe der Gram-positiven Firmicutes wurde hiermit erstmals beobachtet.rnWeiterhin wurde gezeigt, dass im Intestinaltrakt von E. foetida im Gegensatz zu mikrobiellen Bodenproben eine signifikante biotische Methylierung von Hg(II) durchgeführt wird. Dass diese Transformationen in hohem Maße von der intestinalen Region ausgeht und somit zur Akkumulation von MeHg im Gewebe beiträgt, konnte durch weiterführende Experimente mittels Laserablations-ICP-MS an histologischen Gefrierschnitten des Invertebraten darge-stellt werden. rn

Relevance of the pig stomach for the detection of dietary factors and gut maturation and control

In this thesis two approaches were applied to achieve a double general objective. The first chapter was dedicated to the study of the distribution of the expression of genes of several bitter and fat receptor in several gastrointestinal tracts. A set of 7 genes for bitter taste and for 3 genes for fat taste was amplified with real-time PCR from mRNA extracted from 5 gastrointestinal segments of weaned pigs. The presence of gene expression for several chemosensing receptors for bitter and fat taste in different compartments of the stomach confirms that this organ should be considered a player for the early detection of bolus composition. In the second chapter we investigated in young pigs the distribution of butyrate-sensing olfactory receptor (OR51E1) receptor along the GIT, its relation with some endocrine markers, its variation with age, and after interventions affecting the gut environment and intestinal microbiota in piglets and in different tissues. Our results indicate that OR51E1 is strictly related to the normal GIT enteroendocrine activity. In the third chapter we investigated the differential gene expression between oxyntic and pyloric mucosa in seven starter pigs. The obtained data indicate that there is significant differential gene exression between oxintic of the young pig and pyloric mucosa and further functional studies are needed to confirm their physiological importance. In the last chapter, thymol, that has been proposed as an oral alternative to antibiotics in the feed of pigs and broilers, was introduced directly into the stomach of 8 weaned pigs and sampled for gastric oxyntic and pyloric mucosa. The analysis of the whole transcript expression shoes that the stimulation of gastric proliferative activity and the control of digestive activity by thymol can influence positively gastric maturation and function in the weaned pigs.

Methylierungs- und Expressionsuntersuchungen zur Aufklärung der molekularen Pathogenese in chronisch entzündlichen Darmerkrankungen

Unter der Bezeichnung Chronisch Entzündliche Darmerkrankungen (CED) werden zwei Erscheinungsformen, Colitis Ulcerosa (CU) und Morbus Crohn (MC) zusammengefasst. Das Leitsymptom von CED sind chronische Entzündungen des Magen-Darm-Trakts, insbesondere des terminalen Ileum und des Colons. Es wird angenommen, dass eine aberrante Immunantwort auf das intestinale Mikrobiom in einem genetisch prädisponierten Individuum zur Entstehung von CED führt.rnFür diese Studie ist der genetische, bzw. epigenetische Aspekt, der Pathogenese von CU und MC von besonderem Interesse. In verschiedenen Assoziationsstudien wurden bereits 163 mit CED assoziierte, krankheitsrelevante Gen Loci identifiziert. Zusätzlich wurden Studien durchgeführt, die Methylierungs- und Expressionsunterschiede in Gewebe oder Blut von CED-Patienten gegenüber gesunden Probanden (Kontrollen) aufzeigten. rnIn der vorliegenden Studie wurden entzündliche- und nicht-entzündliche Gewebeproben von CU- (Colon) und MC-Patienten (terminales Ileum und Colon) und gesunden Probanden (terminales Ileum und Colon; nicht entzündlich) auf genspezifischer- und genomweiter Ebene auf Methylierungs- und Expressionsunterschiede hin untersucht. Im Rahmen der genspezifischen Analysen wurde in vier Genen (IL17REL, MUC2, MUC6, MUC15) eine aberrante Methylierung im Vergleich der MC- oder CU-Gewebeproben mit den Kontrollen detektiert. Die an 24 ausgewählten CU Colon-Proben (NE und E) und Colon Kontrollen durchgeführte genomweite Methylierungsanalyse zeigte aberrante Methylierungsmuster in über 2500 Genen im Vergleich der entzündlichen CU Colon E-Proben mit den Kontrollen. Fünf dieser Gene (BACH2, STAT3, STAT4, STK4 und WIPF1) wurden ausgewählt und die Veränderung der Methylierung an einem größeren Patientenkollektiv, welches auch Proben von MC-Patienten umfasst, bestätigt. Zusätzlich zu der aberranten Methylierung wurden Expressionsveränderungen des IL17REL-, MUC6- und STAT4-Gens in MC-Patienten sowie des MUC2-Gens in CU-Patienten identifiziert. rnDa über die Promoterregion und Funktion von IL17REL nur sehr wenig bis gar nichts bekannt ist, wurden zusätzlich Promoteranalysen mittels Dual-Luciferase-Assay durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass die höchste Aktivität des putativen IL17REL-Promoters im Bereich -806 – -8 vor der 5’UTR zu finden ist. In diesem Bereich lagen auch die in der Methylierungsanalyse untersuchten CpGs.rn