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The mitochondrial calcium uniporter (MCU) mediates mitochondrial calcium uptake, a process of utmost physiological importance, especially in tissues with high energy demands such as skeletal muscle. In the present work, a novel function of MCU as a mitochondrial redox modulator with downstream effects on energy metabolism and muscle performance was discovered. Furthermore, an MCU-based intervention with natural bioactive compounds for muscle health was developed and its mechanism was studied., Der mitochondriale Calcium Uniporter (MCU) ist der Hauptkanal, der die Calciumaufnahme reguliert, ein wichtiger physiologischer Prozess, insbesondere in Geweben mit hohem Energiebedarf. Diese Arbeit enthüllt eine neue Funktion des MCU als mitochondrialer Redox-Modulator mit Folgeeffekten auf den Energiestoffwechsel und die Muskelleistung. Darüber hinaus wurde eine MCU-basierte Intervention mit natürlichen bioaktiven Verbindungen für die Muskelgesundheit entwickelt und ihr Mechanismus untersucht.

The aim was to analyze the effect of maternal obesity on umbilical cord blood metabolites and the relationship with child BMI outcome. The metabolite profiles differed depending on the severity of maternal obesity. Alterations were related to the branched chain amino acid catabolism and the one-carbon metabolism in these offspring, confirmed by mRNA expression and global methylation analyses. The relationship between metabolites and child BMI outcome depended on maternal BMI and offspring sex., Ziel war die Analyse des Effekts von maternaler Adipositas auf Nabelschnurblut-Metabolite und des Zusammenhangs mit kindlichem BMI-Outcome. Die Metabolitenprofile unterschieden sich gemäß des Schweregrads der maternalen Adipositas. Exponierte Nachkommen zeigten Änderungen im Abbau verzweigtkettiger Aminosäuren und im Ein-Kohlenstoff-Metabolismus, u.a. konfirmiert durch mRNA-Expression. Die Beziehung zwischen Metaboliten und BMI-Outcome war abhängig vom BMI der Mutter und Geschlecht des Kindes.

Human milk oligosaccharides (HMO) are complex unconjugated glycans that are known to benefit infant health. Preliminary data suggest that pooled HMO reduce the expression of pro-inflammatory cytokines in macrophages. The study identified 3’sialyllactose (3’SL) as a specific HMO responsible for the reported anti-inflammatory effects and defined the underlying molecular mechanisms using various macrophage models. The observed effects were further translated to in vivo efficacy in a mouse model of RA . These findings hold promise for the commercial application of 3’SL as a treatment of RA and other chronic inflammatory disorders, in both children and adults., HHumane Milch-Oligosaccharide (HMO) sind komplexe, nicht konjugierte Glykane, die dafür bekannt sind die Gesundheit von Kindern zu fördern. Vorläufige Daten deuten darauf hin, dass gepoolte HMOs die Expression pro-inflammatorischer Zytokine in Makrophagen reduzieren. Die Studie identifizierte 3‘-Sialyllactose (3'SL) als spezifisches HMO, welches für die berichteten entzündungshemmenden Wirkungen verantwortlich ist, und definierte die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen unter Verwendung verschiedener Makrophagenmodelle. Die beobachteten Effekte wurden weiter in die in-vivo-Wirksamkeit in einem Mausmodell für rheumatoide Arthritis (RA) umgesetzt. Diese Ergebnisse sind vielversprechend für die kommerzielle Anwendung von 3'SL zur Behandlung von RA und anderen chronisch entzündlichen Erkrankungen bei Kindern und Erwachsenen.

Immune cells play a major role in obesity-associated inflammation in which immune tolerance and tissue homeostasis is also disrupted. Hypercaloric diets and lack of physical activity are among the key causes of these metabolic aberrations. In this thesis, I focused on pharmacological and physiological interventions. Specifically, I studied the impact of GLP-1 (glucagon like peptide) agonists and exercise on tissue-residing immune cells and immune-metabolic crosstalk so as to interfere with these metabolic perturbations with the vision to lower the incidence of metabolic insults., Immunzellen spielen eine wichtige Rolle bei Adipositas-assoziierter Entzündung, bei der auch die Immuntoleranz und Gewebehomöostase gestört sind. Hochkalorische Diäten und Bewegungsmangel gehören zu den Hauptursachen dieser metabolischen Veränderungen. Ich habe hier pharmakologische und physiologische Interventionen, speziell den Einfluss von GLP-1 (glucagon like peptide) Agonisten und körperlicher Aktivität auf Immunzellen im Gewebe und auf Immun-metabolische Interaktionen, untersucht um diesen Stoffwechselstörungen entgegenzuwirken mit der Vision ihre Inzidenz zu verringern.

The aim was to analyze the effect of maternal obesity on umbilical cord blood metabolites and the relationship with child BMI outcome. The metabolite profiles differed depending on the severity of maternal obesity. Alterations were related to the branched chain amino acid catabolism and the one-carbon metabolism in these offspring, confirmed by mRNA expression and global methylation analyses. The relationship between metabolites and child BMI outcome depended on maternal BMI and offspring sex., Ziel war die Analyse des Effekts von maternaler Adipositas auf Nabelschnurblut-Metabolite und des Zusammenhangs mit kindlichem BMI-Outcome. Die Metabolitenprofile unterschieden sich gemäß des Schweregrads der maternalen Adipositas. Exponierte Nachkommen zeigten Änderungen im Abbau verzweigtkettiger Aminosäuren und im Ein-Kohlenstoff-Metabolismus, u.a. konfirmiert durch mRNA-Expression. Die Beziehung zwischen Metaboliten und BMI-Outcome war abhängig vom BMI der Mutter und Geschlecht des Kindes.

The present thesis summarizes the work on the importance of glycosylation for expression and transport activity of the intestinal PEPT1 transporter, which is an integral brush border protein. PEPT1 was identified to carry six N-glycosylation sites that are occupied by glycans and add around 35 kDa to overall mass. Whereas most glycans solely contribute to proteolytic stability, the N-glycan at sequon N50 critically controls PEPT1 transport kinetics by restricting the mobility of the protein during the transport cycle and thereby reducing its maximal substrate turnover rate., Die vorliegende Arbeit untersuchte die Bedeutung der Glykosilierung für die Expression und Transportaktivität des intestinalen Peptidtransporters PEPT1. Dieser ist ein integrales Transportprotein in der apikalen Membran von Epithelzellen. Es wurden sechs N-Glykosilierungsstellen, welche mit einem Glykan besetzt sind und etwa 35 kDA zusätzliche molekulare Masse bringen, nachgewiesen. Während die Mehrzahl der Glykane die proteolytische Stabilität mit determiniert, konnte für N50 ein markanter Einfluss auf die PEPT1 Transportkinetik bzw. die Beweglichkeit des Proteins im Transportzyklus, einhergehend mit einer Verringerung der maximalen Substrat-Umsatzgeschwindigkeit, gezeigt werden.

In the German study group of the European Food4Me study, personalized nutrition (PN) advice was more effective than generic advice. PN was delivered on 3 levels: based on (1) food intake data, (2) additionally phenotypic data, and (3) additionally genetic information. Indicators for changes towards healthier diets were among others reduced energy, fat and salt intake. As an add-on a linear-programming-based meal planning tool was developed for future application in PN., In der deutschen Kohorte der europäischen Food4Me Studie erwiesen sich personalisierte Ernährungsempfehlungen (PN) als effektiver als generische. PN erfolgte auf 3 Ebenen: basierend auf (1) dem Lebensmittelverzehr, (2) zusätzlich auf phänotypischen und (3) zusätzlich auf genotypischen Information. Erfolgsindikatoren waren u.a. verringerte Energie-, Fett- und Salzzufuhr. Für zukünftige Anwendungen von PN wurde ein auf linearer Programmierung basierendes Mahlzeitenplanungstool entwickelt.

To assess the physiological function of the intestinal peptide transporter PEPT1 in mammals a PEPT1-deficient mouse strain was comprehensively phenotyped using a multitude of techniques. The role of PEPT1 for overall amino acid absorption becomes obvious when large quantities of dietary protein are provided and a high absorption capacity is needed. The elevated basal plasma concentrations of amino acids in PEPT1-deficient animals seem to arise mainly from alterations in hepatic and renal amino acid metabolism., Zur Klärung der physiologischen Funktion des intestinalen Peptidtransporters PEPT1 im Säuger wurde eine PEPT1-defiziente Mauslinie umfassend mittels einer Vielzahl von Techniken phänotypisiert. Die Rolle von PEPT1 in der Aminosäurenhomöostase wird vor allem dann sichtbar, wenn dem Darm große Mengen an Nahrungsprotein zugeführt werden und hohe Resorptionskapazitäten benötigt werden. Ebenfalls beobachtete Veränderungen in den basalen Aminosäurespiegeln im Plasma PEPT1-defizienter Tiere scheinen dagegen v.a. durch Veränderungen im hepatischen und renalen Aminosäuremetabolismus begründet.

Bile acids protect C57BL/6J mice against diet-induced obesity (DIO). It was hypothesized that this phenomenon is based on a bile acid-derived increase in thermogenic processes in brown adipose tissue. The present study not only verifies the DIO-protective effect of cholic acid in C57BL/6J mice, but also shows that this effect is strain specific, as it does not occur in 129S6/SvEvTac mice. Moreover, it was shown that this effect is independent of the brown fat-specific protein UCP1., Nahrungsupplementierte Gallensäuren schützen C57BL/6J Mäuse vor einer ernährungsbedingten Adipositas. Dieser Effekt wurde auf eine, durch Gallensäuren verstärkte, Aktivierung der thermogenen Prozesse des braunen Fettgewebes zurückgeführt. Die vorliegende Arbeit zeigt auf, dass der beschriebene Effekt stammspezifisch sowie unabhängig von dem Braunfett-spezifischen Protein UCP1 ist, da er nicht in Mäusen des Stammes 129S6/SvEvTac, jedoch in C57BL/6J Ucp1 Knockout Mäusen auftritt.

In obesity and type 2 diabetes, the visceral adipose tissue is characterized by a chronic low-grade inflammation that critically contributes to metabolic malfunction. Regulatory T cells are essential for maintaining immune and tissue homeostasis. In Tregs residing in adipose tissues the signaling pathways of Stat6, Pten and C17orf59 work in concert to integrate Tregs and the pro-tolerogenic actions of environmental cold/beta3-adrenergic stimulation to support fat function in mouse and men., Regulatorische T Zellen (Tregs) verhindern überschießende Immunreaktionen und tragen zusätzlich entscheidend zur Aufrechterhaltung der Gewebshomöostase bei. In fettgewebsspezifischen Tregs arbeiten die Signalwege von Stat6, Pten und C17orf59 zusammen um die Treg-fördernde Wirkung von Kälte/beta3-adrenerger Stimulation und die damit einhergehende Unterstützung der metabolischen Funktionen von Fettgewebe in Maus und Mensch zu ermöglichen.

Brown adipose tissue (BAT) is a heater organ that is activated in the cold to defend body temperature. Due to its ability to metabolize stored chemical energy and thereby effectively remove it, BAT is a promising target to develop new therapies for common metabolic diseases such as obesity, diabetes and dyslipidemia. In the present study non-adrenergic, endocrine activators of BAT thermogenesis have been identified and characterized., Braunes Fettgewebe (BAT) ist ein Heizorgan, welches in Kälte zur Verteidigung der Körpertemperatur aktiviert wird. Aufgrund seiner Fähigkeit, gespeicherte chemische Energie zu metabolisieren und dadurch effektiv zu entfernen, ist BAT ein vielversprechender Angriffspunkt für die Entwicklung neuer Therapien für weitverbreitete Stoffwechselerkrankungen wie Fettleibigkeit, Diabetes und Dyslipidämien. In der vorliegenden Studie wurden nicht-adrenerge, endokrine Aktivatoren der Braunfett-Thermogenese identifiziert und charakterisiert.

We performed an open-labelled clinical trial to compare the effects of per oral versus intravenous iron replacement therapy. IRT in patients with iron deficiency or anemia induced significant shifts in bacterial community structure in feces. Patients with CD seemed to be more prone to IRT-induced shifts and, according to the load of free iron detected in the luminal environment, oral iron therapy affected the presence of specific molecular bacterial species., Es wurde eine klinische Studie durchgeführt, um die Effekte oraler Eisentherapie mit einer intravenösen Eisentherapie in Eisen-defizienten CED-Patienten zu vergleichen. Die Eisentherapie führte zu signifikanten Veränderungen der bakteriellen Zusammensetzung in Stuhlproben der Studienteilnehmer. MC-Patienten zeigten eine höhere Anfälligkeit für Eisen-induzierte Veränderungen. Durch die orale Eisengabe wurde außerdem die Präsens bestimmter Bakterienspezies beeinflusst.

Brown adipose tissue (BAT) is a heater organ that is activated in the cold to defend body temperature. Due to its ability to metabolize stored chemical energy and thereby effectively remove it, BAT is a promising target to develop new therapies for common metabolic diseases such as obesity, diabetes and dyslipidemia. In the present study non-adrenergic, endocrine activators of BAT thermogenesis have been identified and characterized., Braunes Fettgewebe (BAT) ist ein Heizorgan, welches in Kälte zur Verteidigung der Körpertemperatur aktiviert wird. Aufgrund seiner Fähigkeit, gespeicherte chemische Energie zu metabolisieren und dadurch effektiv zu entfernen, ist BAT ein vielversprechender Angriffspunkt für die Entwicklung neuer Therapien für weitverbreitete Stoffwechselerkrankungen wie Fettleibigkeit, Diabetes und Dyslipidämien. In der vorliegenden Studie wurden nicht-adrenerge, endokrine Aktivatoren der Braunfett-Thermogenese identifiziert und charakterisiert.

Metabolite profiling in human plasma has identified over 50 metabolite biomarkers that associate with insulin resistance and diabetes. The underlying tissue-specific mechanisms and origins of the plasma changes are in essence not known. In the present work, mouse models were used to study alterations in metabolite profiles (assessed via LC-MS/MS and GC-MS) in individual tissues in different stages of diabetes development. Novel metabolite markers of diabetes are found and metabolite changes were finally categorized according to the disease stage. Metabolite plasma levels were correlated with tissue-specific metabolite changes and underlying mechanisms and kinetics are explored that can explain the changes in plasma composition., Metabolit-Profilierung hat über 50 Markermetabolite im menschlichen Plasma identifiziert, die mit Diabetes assoziiert sind. Die gewebsspezifischen Mechanismen, die für diese Veränderung der Plasma-Metabolitspiegel verantwortlich sind, sind jedoch weitgehend unbekannt. Im Rahmen des Promotionsvorhabens wurden drei Mausmodelle genutzt um Metabolitprofile in einzelnen Geweben in unterschiedlichen Entwicklungsstadien des Diabetes zu erhalten. Die Befunde erbrachten einerseits neue Marker-Metabolite für die einzelnen Krankheitsstadien, andererseits wurden Netzwerke aufgefunden, die Plasma-Metabolitspiegel mit gewebsspezifischen Veränderungen in den Zusammenhang brachten. Dies lieferte Hinweise auf individuelle Stoffwechselwege, die den Veränderungen der Plasmaspiegel beim Diabetes des Menschen zugrunde liegen könnten.

Flavonoids in foods represent a major subgroup of secondary plant compounds with a broad spectrum of attributed biochemical properties. The model organism Caenorhabditis elegans was used to elucidate the structure-function relationship of four related flavonoids with respect to their effects on stress-resistance and lifespan in the animals. There were modest effects with a lifespan extension and an increased stress-resistance that could be related to the antioxidant actions of the compounds. Various mechanisms were eluted by which the compounds could exert these effects and moreover, the bioavailability, a requirement for effectiveness, was determined., Flavonoide in pflanzlicher Kost repräsentieren eine der größten Gruppen von sekundären Inhaltsstoffen. Ihnen werden vielfältige biologische Wirkungen zugeschrieben. Im Fadenwurm Caenorhabditis elegans wurden vier strukturell verwandte Flavonoide in ihrer Wirkung auf Alterungsprozesse und Stressresistenz untersucht um ihre Struktur-Wirkungs-Beziehungen zu klären. Auch wurde die Bioverfügbarkeit der Flavonoide, als notwendige Voraussetzung für ihre biologische Wirkung, demonstriert und Signalwege untersucht, über welche die Flavonoide ihre Effekte auf Alterungsprozesse entfalten können.

Fructose malabsorption is a common clinical condition of unknown etiology, which is characterized by flatulence, osmotic diarrhea and abdominal pain after consumption of fructose. GLUT5 represents the main intestinal fructose transporter, but mutations in this gene could not explain the disease. GLUT7 as closest relative to GLUT5 does not transport fructose. Due to this, we generated chimeras and identified amino acids, which enable for the fructose transport of GLUT5., Die Fruktosemalabsorption ist ein häufiges Phänomen unbekannter Ätiologie, die sich klinisch mit Blähungen, Bauchschmerzen und osmotischer Diarrhö kennzeichnet. GLUT5 ist der wichtigste intestinale Fruktosetransporter, allerdings sind keine Mutationen bekannt, die die Krankheit hervorrufen. GLUT7 ist der nächste Verwandte zu GLUT5, transportiert allerdings keine Fruktose. Aufgrund dieser Eigenschaft wurden Chimären erzeugt und Aminosäuren ausgemacht, die für den Fruktosetransport von GLUT5 wichtig sind.

Human milk oligosaccharides (HMO) are complex unconjugated glycans that are known to benefit infant health. Preliminary data suggest that pooled HMO reduce the expression of pro-inflammatory cytokines in macrophages. The study identified 3’sialyllactose (3’SL) as a specific HMO responsible for the reported anti-inflammatory effects and defined the underlying molecular mechanisms using various macrophage models. The observed effects were further translated to in vivo efficacy in a mouse model of RA . These findings hold promise for the commercial application of 3’SL as a treatment of RA and other chronic inflammatory disorders, in both children and adults., HHumane Milch-Oligosaccharide (HMO) sind komplexe, nicht konjugierte Glykane, die dafür bekannt sind die Gesundheit von Kindern zu fördern. Vorläufige Daten deuten darauf hin, dass gepoolte HMOs die Expression pro-inflammatorischer Zytokine in Makrophagen reduzieren. Die Studie identifizierte 3‘-Sialyllactose (3'SL) als spezifisches HMO, welches für die berichteten entzündungshemmenden Wirkungen verantwortlich ist, und definierte die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen unter Verwendung verschiedener Makrophagenmodelle. Die beobachteten Effekte wurden weiter in die in-vivo-Wirksamkeit in einem Mausmodell für rheumatoide Arthritis (RA) umgesetzt. Diese Ergebnisse sind vielversprechend für die kommerzielle Anwendung von 3'SL zur Behandlung von RA und anderen chronisch entzündlichen Erkrankungen bei Kindern und Erwachsenen.

In this thesis, mice, fed defined high-fat diet (HF) or n-3 long-chain polyunsaturated fatty acid (n-3 LCPUFA)-enriched HF to induce obesity, were analysed. Differential changes for immune cell markers, enzymes of the fatty acid metabolism and proteins maintaining vascular integrity were found in different tissues upon 12-week feeding. The expression and immunohistochemical data support immunomodulatory and anti-obesogenic effects of n-3 LCPUFA observed previously in this mouse study., In dieser Dissertation wurden Mäuse untersucht, die zur Entwicklung von Adipositas mit einer definierten Hochfettdiät (HF) oder einer mit langkettigen, mehrfach ungesättigten n-3-Fettsäuren (n-3 LCPUFA) ergänzten HF gefüttert wurden. Nach 12-wöchiger Fütterung wurden in verschiedenen Geweben differentielle Veränderungen für Immunzellmarker, Enzyme des Fettstoffwechsels und Proteine, die die Blutgefäßintegrität vermitteln, festgestellt. Diese Expressions- und immunohistochemischen Daten untermauern die immunmodulierenden und Adipositas entgegenwirkenden Wirkungen von n-3 LCPUFA, die früher in dieser Mausstudie beobachtet wurden.

The present work provides a comprehensive analysis of parameters influencing gut barrier integrity and of endocrine secretion in the gut in response to a high-fat diet in mice. As the most striking finding, we demonstrate that the housing conditions and associated changes in gut bacterial colonization are pivotal for the maintenance of gut barrier integrity in diet-induced obese (DIO) mice. Moreover, GLP-1 responses to bile acid deoxycholic acid and short-chain fatty acid propionate were increased in primary colonic cell cultures from DIO mice., Die vorliegende Studie ist die erste umfassende Analyse von alimentären Faktoren auf die Darmbarriere und Sekretionsleistung in ernährungsbedingt übergewichtigen (DIO) Mäusen. Die Befunde zeigen, dass die Aufrechterhaltung einer intakten Darmbarriere bei fettreicher Ernährung vom Hygienestatus der Tierstallung abhängig ist, der wiederum die Zusammensetzung der Darmflora beeinflusst. Primärkulturen, die aus dem Kolon von DIO Mäusen generiert wurden, zeigen eine erhöhte Sekretion von GLP 1 bei einer Stimulation durch Deoxycholsäure und Propionat.

The intestinal peptide transporter PEPT1 has been described as a susceptibility gene in inflammatory bowel diseases (IBD). It was proposed that increased levels of PEPT1 during colonic inflammation could further promote inflammation by the transporters capability to mediate uptake of bacteria-derived peptides. Employing specific antibodies, PEPT1 was detected in epithelial cells of normal distal colon and rectum of mice, rats and humans but not in proximal colon. Colonic PEPT1 was functional. During intestinal inflammation, as studied in four different animal models of IBD and in human intestinal tissue samples obtained from IBD patients, PEPT1 expression levels declined with severity of inflammation and tissue damage. The totality of the data collected, unequivocally demonstrate that PEPT1 is expressed in normal healthy distal colon and that the protein is not associated with the development or severity of intestinal inflammation., Der intestinale Peptidtransporter PEPT1 wurde als Suszeptibilitätsgen für die Entstehung von chronisch entzündlichen Darmerkrankungen beschrieben. Er soll im entzündeten Colongewebe vermehrt exprimiert werden und durch seine Fähigkeit zum Transport pro-inflammatorischer bakterielle Peptide das Entzündungs-geschehen propagieren. Mit selektiven Antikörpern gelang es erstmalig PEPT1 im gesunden Colon von Mäusen, Ratten und Menschen mit spezifischen Verteilungsmustern zu detektieren. Im proximalen Colon war PEPT1 nicht, im mittleren Colon bis Rektum jedoch mit prominenter Expression nachweisbar. In diversen Mausmodellen und in Proben von Patienten mit aktiver Darmentzündung konnte konsistent nur eine verminderte Expression beobachtet werden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein kausaler Zusammenhang zwischen PEPT1 Expression und Funktion bei der Entstehung und/oder im Verlauf chronisch entzündlicher Darmerkrankungen nicht besteht.

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Bedeutung des Tetraspanins CD63 für die Metastasierung von Tumorzellen zu untersuchen. Durch verschiedene in vitro Analysemethoden konnte gezeigt werden, dass CD63 sowohl die zelluläre Plastizität, als auch die Stammzelleigenschaften der Tumorzellen stabilisiert. In vivo konnte gezeigt werden, dass CD63 alleine und im Zusammenspiel mit TIMP 1 sowohl die Lungen- als auch die Lebermetastasierung fördert. Diese Ergebnisse zeigen, dass das Tetraspanin CD63 im Zusammenspiel mit TIMP-1 eine bestimmende Rolle in der Regulation der Metastasierung einnimmt und eine therapeutische Hemmung der CD63/TIMP-1-Achse eine mögliche anti-metastatische Strategie darstellt., The aim of the present work was to characterize the role of the tetraspanin CD63 during metastasis formation. Using different in vitro analyses, it could be demonstrated that CD63 stabilizes the cellular plasticity as well as the stem cell traits of tumor cells. In vivo, CD63 was identified to promote lung and liver metastasis, both alone and in interplay with its interaction partner TIMP-1. Taken together, these data demonstrate that the tetraspanin CD63 plays a decisive role for the regulation of metastases in conjunction with TIMP-1. Interference with the CD63/TIMP-1 axis might be a possible strategy for the development of new anti-metastatic treatments.

Bovine whey protein and Na-caseinate in combination with a starch hydrolysate provided in a test drink induced comparable metabolic responses in healthy and prediabetic volunteers. Both proteins elicited a marked increase in insulin response and a reduction in blood glucose when compared to the starch hydrolysate and these effects were more pronounced in prediabetic volunteers. Although glycomacropeptide induced a similar reduction in blood glucose levels it caused a much less pronounced insulin response., Molkeprotein und Natriumcaseinat in einer Testmahlzeit zeigten vergleichbare metabolische Antworten bei gesunden und prädiabetischen Probanden. Beide Proteine steigerten in Kombination mit einem Stärkehydrolysat die Insulinantwort und führten im Vergleich zum Stärkehydrolysat zu reduzierten Blutglukosespiegeln, und diese Wirkungen waren in Prädiabetikern noch stärker ausgeprägt. Glykomakropeptid induzierte eine vergleichbare Senkung der Blutglukose, was allerdings mit einer deutlich niedrigeren Insulinantwort einherging.

Die steigende Zahl adipöser Menschen in der Bevölkerung beruht hauptsächlich auf einem sesshaften Lebensstil, dem Verzehr energiereicher Nahrung sowie genetischer Prädisposition. Im Rahmen dieser Dissertation wurden drei Mausmodelle untersucht, die eine genetische Veränderung in Kandidatengenen für Adipositas trugen. Um den Einfluss des jeweiligen Genprodukts auf Komponenten des Energiehaushaltes zu untersuchen wurden diese Mausmodelle umfassend metabolisch charakterisiert. Bei zwei Mausmodellen konnten wir unter anderem einen Einfluss des Gendefekts auf die Nahrungsaufnahme feststellen, der in beiden Fällen einen direkten Einfluss auf das Körpergewicht der untersuchten Mäuse hatte., The increasing number of obese patients is mainly caused by a sedentary lifestyle, intake of energy dense diets and genetic predisposition. In this thesis we analysed three mouse strains with mutations in candidate genes for obesity. Our aim was to identify the contribution of the candidate genes on single components of energy balance. Therefore we performed a detailed metabolic phenotyping of the mouse models. We observed an influence of the genetic manipulation on energy intake in two models that directly affected body mass of the analysed mice.

The present thesis summarizes the work on the importance of glycosylation for expression and transport activity of the intestinal PEPT1 transporter, which is an integral brush border protein. PEPT1 was identified to carry six N-glycosylation sites that are occupied by glycans and add around 35 kDa to overall mass. Whereas most glycans solely contribute to proteolytic stability, the N-glycan at sequon N50 critically controls PEPT1 transport kinetics by restricting the mobility of the protein during the transport cycle and thereby reducing its maximal substrate turnover rate., Die vorliegende Arbeit untersuchte die Bedeutung der Glykosilierung für die Expression und Transportaktivität des intestinalen Peptidtransporters PEPT1. Dieser ist ein integrales Transportprotein in der apikalen Membran von Epithelzellen. Es wurden sechs N-Glykosilierungsstellen, welche mit einem Glykan besetzt sind und etwa 35 kDA zusätzliche molekulare Masse bringen, nachgewiesen. Während die Mehrzahl der Glykane die proteolytische Stabilität mit determiniert, konnte für N50 ein markanter Einfluss auf die PEPT1 Transportkinetik bzw. die Beweglichkeit des Proteins im Transportzyklus, einhergehend mit einer Verringerung der maximalen Substrat-Umsatzgeschwindigkeit, gezeigt werden.

In the German study group of the European Food4Me study, personalized nutrition (PN) advice was more effective than generic advice. PN was delivered on 3 levels: based on (1) food intake data, (2) additionally phenotypic data, and (3) additionally genetic information. Indicators for changes towards healthier diets were among others reduced energy, fat and salt intake. As an add-on a linear-programming-based meal planning tool was developed for future application in PN., In der deutschen Kohorte der europäischen Food4Me Studie erwiesen sich personalisierte Ernährungsempfehlungen (PN) als effektiver als generische. PN erfolgte auf 3 Ebenen: basierend auf (1) dem Lebensmittelverzehr, (2) zusätzlich auf phänotypischen und (3) zusätzlich auf genotypischen Information. Erfolgsindikatoren waren u.a. verringerte Energie-, Fett- und Salzzufuhr. Für zukünftige Anwendungen von PN wurde ein auf linearer Programmierung basierendes Mahlzeitenplanungstool entwickelt.

To assess the physiological function of the intestinal peptide transporter PEPT1 in mammals a PEPT1-deficient mouse strain was comprehensively phenotyped using a multitude of techniques. The role of PEPT1 for overall amino acid absorption becomes obvious when large quantities of dietary protein are provided and a high absorption capacity is needed. The elevated basal plasma concentrations of amino acids in PEPT1-deficient animals seem to arise mainly from alterations in hepatic and renal amino acid metabolism., Zur Klärung der physiologischen Funktion des intestinalen Peptidtransporters PEPT1 im Säuger wurde eine PEPT1-defiziente Mauslinie umfassend mittels einer Vielzahl von Techniken phänotypisiert. Die Rolle von PEPT1 in der Aminosäurenhomöostase wird vor allem dann sichtbar, wenn dem Darm große Mengen an Nahrungsprotein zugeführt werden und hohe Resorptionskapazitäten benötigt werden. Ebenfalls beobachtete Veränderungen in den basalen Aminosäurespiegeln im Plasma PEPT1-defizienter Tiere scheinen dagegen v.a. durch Veränderungen im hepatischen und renalen Aminosäuremetabolismus begründet.

We demonstrated in mouse models that lack particular intestinal hexose transporters that the sodium-dependent glucose transporter SGLT1 mediates glucose absorption and acts as a “transceptor” in such that glucose-induced secretion of GIP, GLP-1 and insulin depends on SGLT1. The glucose transporter GLUT2 mediates glucose release but does not contribute to glucose influx or incretin secretion. Fructose is absorbed by the fructose transporter GLUT5 with SGLT1 contributing to glucose-induced enhancement of fructose absorption whereas GLUT2 is not involved in fructose transport., Mithilfe von Mausmodellen mit spezifischer Transporter-Defizienz wird gezeigt, dass die intestinale Glukoseaufnahme durch den Natrium-abhängigen Glukosetransporter SGLT1 vermittelt wird, der auch als „transceptor“ für die Glukose-induzierte Sekretion von GIP, GLP-1 und Insulin fungiert. Der Glukosetransporter GLUT2 ist an der Glukoseabgabe, jedoch nicht an der Glukoseaufnahme oder Inkretinsekretion beteiligt. Fruktose wird durch den Fruktosetransporter GLUT5 aufgenommen. Dabei trägt SGLT1 zur Glukose-stimulierten Erhöhung der Fruktoseaufnahme bei, während GLUT2 nicht am Fruktosetransport beteiligt ist.

The prime goal of the experimental studies was to assess whether selected electrogenic transporters for peptides, amino acids and sugars (PEPT1, SGLT1, SIT1, PAT1, B0AT1) in mouse small intestine undergo regulation of transport function and capacity in response to changes in diet. Almost all studies were performed in Ussing-chambers by electrophysiological means. Particular interest was given to the role of insulin as it was proposed to increase nutrition absorption and thereby promote obesity. Neither pronounced insulin effects nor relevant diet effects on could be revealed., Ziel der Studien war es, den Einfluß von unterschiedlichen Diäten und Hormonen auf die Funktion von ausgewählten elektrogenen Transportproteinen für Peptide, Aminosäuren und Glucose (PEPT1, SGLT1, SIT1, PAT1, B0AT1) im Darm von Mäusen und unter Anwendung der Ussing-Kammer-Technik zu untersuchen. Besonderes Interesse bestand im Nachweis der Wirkung von Insulin, für das eine die Nährstoffresorption erhöhende Aktivität postuliert wurde. Diese konnte weder in vitro noch in vivo belegt werden; auch waren nur moderate Diäteffekte aufzufinden.

In the present work it was investigated whether selected plant extracts and individual polyphenolic compounds are able to inhibit intestinal glucose transporters (SGLT1, GLUT2) and can in turn reduce the glycemic response to carbohydrate intake as a contribution to prevention of diabetes. Extracts from apple, onion, curly kale and grapevine could effectively inhibit human and mouse SGLT1 and were demonstrated to reduce glucose absorption in mouse intestine. In humans, after an oral carbohydrate challenge, modest effects of some extract combinations on blood glucose levels could be achieved., Im Rahmen der experimentellen Arbeiten der vorliegenden Schrift wurde geprüft inwieweit pflanzliche Extrakte sowie aus ihnen isolierte polyphenolische Verbindungen eine Hemmung der intestinalen Glucosetransporter (SGLT1, GLUT2) herbeiführen können und somit die starken postprandialen Blutglucoseanstiege zu mindern vermögen. Dabei konnten Extrakte aus Apfel, Zwiebel, Grünkohl und Weinrebe aufgefunden werden, die SGLT1 potent hemmten. Die Extrakte wurden dann in Studien an der Maus sowie im Menschen auf ihre Wirksamkeit auf die Modulation der Blutzuckerprofile geprüft.

Obesity is characterized by an increased production and secretion of pro-inflammatory factors such as acute phase proteins, cytokines and chemokines. The constitutively increased circulating levels of these factors are considered to contribute to a low grade inflammatory condition which may promote the co-morbidities of obesity like atherosclerosis or diabetes mellitus type 2. GLP-1 is a peptide hormone secreted from intestinal L-cells upon nutrient ingestion. It not only promotes insulin secretion from ß-cells but also appears to protect from ß-cell loss. GLP-1 secretory responses are impaired in obese and diabetic humans. In search of the underlying causes, we screened a panel of adipokines that have been associated with, and predict the risk for diabetes and identified RANTES and Angiotensin II are possible causal factors. RANTES (regulated upon activation normal T cell expressed and secreted), circulates in increased concentrations in subjects with type 2 diabetes and its levels in serum and gene expression in white adipose tissue is higher in obese than in lean. Plasma renin activity, angiotensinogen, and angiotensin II levels are also significantly increase during obesity .The aims of the present thesis were to 1) determine the presence of RANTES and Angiotensin II receptors, in the intestinal epithelium and in NCI-H716 cells, (2) to test the effects of recombinant RANTES and Angiotensin II on glucose stimulated GLP-1 secretion in vitro, and (3) to confirm the effects on glucose-dependent GLP-1 secretion in an in vivo model employing C57 BL/6 mice. We demonstrated that RANTES reduces glucose stimulated GLP-1 secretion from in vitro cultures of human enteroendocrine cells in a dose-dependent manner with Met-RANTES (RANTES receptor antagonist) blocking this effect. Moreover, administration of RANTES in mice revealed reduced plasma GLP-1 and GLP-2 levels after an oral glucose load as well as impaired insulin secretion. In addition, Angiotensin II also lowered GLP, Adipositas ist durch eine vermehrte Produktion und Sekretion pro-inflammatorischer Faktoren, wie Akute-Phase Proteinen, Zytokinen und Chemokinen gekennzeichnet. Es wird angenommen, dass diese konstitutiv erhöht zirkulierenden Faktoren zu einem niedrig-gradigen Entzündungszustand beitragen, der Folgeerkrankungen der Adipositas, wie z. B. Arteriosklerose oder Typ 2 Diabetes mellitus fördert. GLP-1 ist ein Peptidhormon, welches von intestinalen L-Zellen nach Nahrungsaufnahme sezerniert wird. Es stimuliert nicht nur die Insulinsekretion der ß-Zellen sondern schützt auch vor dem ß-Zelltod. Die GLP-1 Antwort nach Nahrungsstimulation ist bei Adipösen und Patienten mit Typ 2 Diabetes mellitus gestört. Auf der Suche nach den zu Grunde liegenden Ursachen untersuchten wir eine Reihe von Adipokinen, welche mit dem Auftreten eines Diabetes assoziiert sind. Wir identifizierten RANTES (regulated upon activation normal T cell expressed and secreted) und Angiotensin II als mögliche kausale Faktoren dieses Geschehens. RANTES zirkuliert mit erhöhten Serumspiegeln bei Patienten mit Typ 2 Diabetes. Seine Genexpression ist im weißen Fettgewebe bei Adipösen höher als bei Schlanken. Weiterhin sind die Plasma-Renin-aktivität, Angiotensinogen und Angiotensin II-Spiegel bei Adipositas signifikant erhöht. Die Ziele der vorliegenden Arbeit waren, (1) die Rezeptoren für RANTES und Angiotensin II auf intestinalen Epithelzellen und in NCI-H716 Zellen nachzuweisen, (2) den Einfluss von rekombinantem RANTES und Angiotensin II auf die Glukose-stimulierte GLP-1 Sekretion in vivo zu untersuchen und (3) die Effekte auf die Glukose-abhängige GLP-1 Sekretion bei C57 BL/6 Mäusen zu bestätigen. An Hand dieser Studien gelang es uns nachzuweisen, dass RANTES die Glukose-stimulierte GLP-1 Sekretion in in vitro Kulturen von menschlichen enteroendokrinen Zellen in einer Dosis-abhängigen Weise vermindert und Met-RANTES (einem RANTES Rezeptorantagonisten) diesen Effekt blockieren kann. Weiterhin konnten wir zeigen

Amino acids were identified in various studies using metabolomics approaches as potential biomarkers for insulin resistance and type 2 diabetes. A comprehensive phenotyping trial in healthy humans and mouse models was used to assess the dynamics of changes induced by various metabolic challenges (e.g. 36 hours of fasting, oral glucose tolerance test, high-fat intervention) with a focus on the amino acid metabolome and its association with diabetes. The systemic amino acid metabolome in the extended fasting condition in healthy humans and mice matches crossly that of diabetes patients and reveals a distinct de-regulation of anabolic and catabolic states in insulin resistance., In diversen Kohortenstudien wurden vor allem Plasma-Aminosäuren als mögliche Biomarker einer Insulinresistenz und eines Diabetes mellitus Typ 2 identifiziert. In einer Studie an gesunden Probanden und in Mausmodellen wurde daher der Aminosäurestoffwechsel mit seinen zeitabhängigen Veränderungen nach Interventionen (z. Bsp. Fasten über 36 Stunden, oraler Glukosebelastungstest, Hochfettfütterung) untersucht. Das Metaboliten-Netzwerk einer katabolen Stoffwechsellage zeigte im Plasma des gesunden Probanden und im Mausmodell eine Signatur, die der im diabetischen Zustand gleicht. Dies weist der Insulinresistenz eine zentrale Rolle in der Regulation des Aminosäurestoffwechsels zu, die in enger Verbindung steht mit der Kontrolle der Lipolyse und der Verwertung der Fettsäuren.

The intestinal transporter PEPT1 is responsible for absorption of di- and tripeptides in the small intestine. It was shown that deletion of PEPT1 in the nematode Caenorhabditis elegans leads to an obese phenotype with abnormal fatty acid pattern, impaired reproduction and growth. The aim of the work presented in this thesis was to explore a possible interplay between intestinal PEPT1 and lipid homeostasis in mammals. Therefore an animal study was performed with wild-type and Pept1-/- mice that received a high-fat diet for a period of several weeks. Possible phenotypical and behavioural changes as well as plasma and organ lipid parameters and further factors were analyzed to answer this question., Der intestinale Transporter PEPT1 ist für die Aufnahme von Di- und Tripeptiden im Dünndarm verantwortlich. Im Nematoden Caenorhabditis elegans wurde gezeigt, dass die Deletion von PEPT1 zu einem adipösen Phänotyp mit veränderten Fettsäuremustern, einer reduzierten Reproduktion und reduziertem Wachstum führt. Das Ziel der hier vorgestellten Arbeit war es das mögliche Zusammenspiel von PEPT1 und dem Fettstoffwechsel zu untersuchen. Dafür wurde eine Tierstudie mit Wildtyp und Pept1-/- Mäusen durchgeführt, wobei die Tiere eine fettreiche Diät über mehrere Wochen erhielten. Mögliche Veränderungen im Phänotyp und im Verhalten, wie auch Plasma-, Organ- und andere Parameter wurden analysiert um diese Frage zu beantworten.

Die Analyse des Promotors des intestinalen Di- und Tripeptidtransporters PEPT-1, in silico und experimentell, identifizierte SKN-1 als Regulator der Expression. Diese Regulation durch Nrf2/SKN-1 lies sich auch in einer humanen intestinalen Zelllinie zeigen. Für den FOXO Transkriptionsfaktor DAF-16 wurde eine reprimierende und für XBP-1 eine aktivierende Funktion auf die Transkription nachgewiesen. Durch quantitative Proteomics wurde die Entwicklungsstörung von pept-1(lg601) im Vergleich mit WT Würmern untersucht., Die Analyse des Promotors des intestinalen Di- und Tripeptidtransporters PEPT-1, in silico und experimentell, identifizierte SKN-1 als Regulator der Expression. Diese Regulation durch Nrf2/SKN-1 lies sich auch in einer humanen intestinalen Zelllinie zeigen. Für den FOXO Transkriptionsfaktor DAF-16 wurde eine reprimierende und für XBP-1 eine aktivierende Funktion auf die Transkription nachgewiesen. Durch quantitative Proteomics wurde die Entwicklungsstörung von pept-1(lg601) im Vergleich mit WT Würmern untersucht.

Non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) is connected to the one-carbon (C1) metabolism due to methyl-group dependent phosphatidylcholine synthesis. Hepatic steatosis induced by a high-fat diet results in a reduced transsulfuration and enhanced homocysteine remethylation likely to conserve methionine, while a methyl-supplementation prevents the progression of NAFLD. This study describes the interrelationship between C1- and lipid metabolism in relation to NAFLD., Die nicht-alkoholische Fettlebererkrankung (NAFLD) ist über die methylgruppen-abhängige Phosphatidylcholinsynthese eng mit dem C1-Metabolismus verbunden. Eine Steatose der Leber durch Verabreichung einer Hochfettdiät ist verbunden mit einer Reduzierung der Transsulfurierung und einer Erhöhung der Homocystein-Remethylierung. Eine diätetische Methyl-Supplementierung kann die Progression der Erkrankung verhindern und belegt die enge Beziehung zwischen dem C1- und Lipid-Metabolismus bei NAFLD.

The intestinal peptide transporter PEPT-1 is responsible for the absorption of amino acids in di- and tripeptide bound form. The present work used the model organism Caenorhabditis elegans to assess the role of the two amino acid transporters AAT-6 and Y4C6B.2 and whether those are able to compensate the lack of the peptide transporter. Moreover, a RNAi-screen was used to identify new proteins (F26E4.12, ZC416.6, R11H6.1) that appear to specifically regulate PEPT-1 function most likely via altered cellular amino acid concentrations and the signal transduction pathway involving TOR (target of rapamycin) complex 1 and 2., Der intestinale Peptidtransporter PEPT-1 ist für die Aufnahme großer Mengen an Aminosäuren in Form von Di- und Tripeptiden verantwortlich. Im Modellorganismus Caenorhabditis elegans wurden zwei Aminosäuretransporter (AAT-6 und Y4C6B.2) untersucht, die im PEPT-1-defizienten Wurm erhöht exprimiert werden und funktionell den Verlust des Peptidtransporters kompensieren könnten. In einem RNAi-Screen wurden darüber hinaus neue Proteine (F26E4.12, ZC416.6, R11H6.1) identifiziert, die eine Regulation des Peptidtransporters auf funktioneller Ebene bewirken. Dies wird wohl unter Beteiligung der TOR (target of rapamycin) Komplexe 1 und 2 vermittelt.

The gut hormones (GH) are secreted from intestinal L-cells in response to protein degradation products (peptide) present in the lumen after a meal and are known to participate in food intake control. However the sensing and the intracellular mechanisms underlying GH secretion to protein from intestinal L-cells have remained undefined and the current in vitro models are very limited for the study of nutrient sensing leading to GH secretion. By combining in vitro and ex vivo approaches, we have established and characterizeed physiologically relevant new models representatives of the small intestine. The present thesis also demonstrated that dipeptide sensing requires the activation of different cell types (enterocyte and enteroendocrine cells) and different transporter/receptors (PEPT1, T1R1/R3 umami and GPR93 receptor) acting as sensor. The subsequent network between signaling pathways and the subsequent crosstalk between cells triggers appropriate absorptive and secretory mechanisms., Das Darmhormon GLP-1 wird nach einer Mahlzeit aus intestinalen L-Zellen sezerniert und spielt u. a. eine Rolle bei der Kontrolle der Nahrungsaufnahme. Die Wahrnehmungs- und intrazellulären Signaltransduktionsmechanismen, die zur GLP-1-Sekretion nach Proteinstimulierung führen, sind jedoch bisher nicht bekannt, und die gängigen in vitro Modelle zur Untersuchung dieser Prozesse sind limitiert. Durch die Kombination von in vitro und ex vivo Ansätzen wurden hier physiologisch relevante neue Modelle für den Dünndarm etabliert und charakterisiert. Die vorliegende Arbeit zeigt, daß die Dipeptidwahrnehmung im Darm die Aktivierung verschiedener Zelltypen (Enterozyten und enteroendokrine Zellen) und verschiedene Transporter/Rezeptoren (PEPT1, T1R1/R3 umami und GPR93) als Sensoren benötigt.

This comprehensive study, mainly based on high-fat diet feeding experiments in inbred mouse strains (C57BL/6J, AKR/J, SWR/J) contributes to a better understanding of diet-induced obesity (DIO) by identification of proximate causes on both sides of the energy balance, differentiation of obesity- and diet-induced metabolic alterations, as well as itemization of reversibility of DIO-caused changes and characterization of the complex and polygenetic heredity of DIO., Durch Fütterungsexperimente in C57BL/6J, AKR/J und SWR/J Mäusen trägt diese Arbeit dazu bei, diätinduzierte Adipositas (DIO) besser zu verstehen. Unmittelbare Ursachen für DIO wurden auf beiden Seiten der Energiebilanz identifiziert. Es wurde differenziert, ob Stoffwechselveränderungen durch Übergewicht oder das fettreiche Futter selbst herbeigeführt wurden. Die Umkehrbarkeit von durch DIO hervorgerufenen Stoffwechselveränderungen wurde aufgeschlüsselt und die komplexe Vererbung von DIO gezeigt.

Metabolite profiling in human plasma has identified over 50 metabolite biomarkers that associate with insulin resistance and diabetes. The underlying tissue-specific mechanisms and origins of the plasma changes are in essence not known. In the present work, mouse models were used to study alterations in metabolite profiles (assessed via LC-MS/MS and GC-MS) in individual tissues in different stages of diabetes development. Novel metabolite markers of diabetes are found and metabolite changes were finally categorized according to the disease stage. Metabolite plasma levels were correlated with tissue-specific metabolite changes and underlying mechanisms and kinetics are explored that can explain the changes in plasma composition., Metabolit-Profilierung hat über 50 Markermetabolite im menschlichen Plasma identifiziert, die mit Diabetes assoziiert sind. Die gewebsspezifischen Mechanismen, die für diese Veränderung der Plasma-Metabolitspiegel verantwortlich sind, sind jedoch weitgehend unbekannt. Im Rahmen des Promotionsvorhabens wurden drei Mausmodelle genutzt um Metabolitprofile in einzelnen Geweben in unterschiedlichen Entwicklungsstadien des Diabetes zu erhalten. Die Befunde erbrachten einerseits neue Marker-Metabolite für die einzelnen Krankheitsstadien, andererseits wurden Netzwerke aufgefunden, die Plasma-Metabolitspiegel mit gewebsspezifischen Veränderungen in den Zusammenhang brachten. Dies lieferte Hinweise auf individuelle Stoffwechselwege, die den Veränderungen der Plasmaspiegel beim Diabetes des Menschen zugrunde liegen könnten.

The pre-analytical stability of different metabolites in serum and plasma samples of healthy humans was determined. Metabolite concentrations were quantified using targeted metabolomics based on liquid chromatography-tandem mass spectrometry. Both reliable and stable metabolites were identified as are suitable for targeted metabolomics analysis in multicenter studies. In a multicenter clinical trial, specific metabolic changes that were induced by single metformin intake or short-term therapy in newly diagnosed type 2 diabetes patients were discovered., Die präanalytische Stabilität von Metaboliten in Serum- und Plasmaproben gesunder Probanden wurde bestimmt. Metabolitkonzentrationen wurden basierend auf Flüssigchromatographie-Massenspektrometrie mittels ‘targeted metabolomics‘ quantifiziert. Dabei konnten verlässliche und stabile Metaboliten identifiziert werden, welche für ‘targeted metabolomics‘ Analysen geeignet sind. In einer multizentrischen Studie wurden spezifische Metabolitveränderungen aufgedeckt, welche durch das Medikament Metformin in Patienten mit Typ 2 Diabetes hervorgerufen wurden.

Flavonoids in foods represent a major subgroup of secondary plant compounds with a broad spectrum of attributed biochemical properties. The model organism Caenorhabditis elegans was used to elucidate the structure-function relationship of four related flavonoids with respect to their effects on stress-resistance and lifespan in the animals. There were modest effects with a lifespan extension and an increased stress-resistance that could be related to the antioxidant actions of the compounds. Various mechanisms were eluted by which the compounds could exert these effects and moreover, the bioavailability, a requirement for effectiveness, was determined., Flavonoide in pflanzlicher Kost repräsentieren eine der größten Gruppen von sekundären Inhaltsstoffen. Ihnen werden vielfältige biologische Wirkungen zugeschrieben. Im Fadenwurm Caenorhabditis elegans wurden vier strukturell verwandte Flavonoide in ihrer Wirkung auf Alterungsprozesse und Stressresistenz untersucht um ihre Struktur-Wirkungs-Beziehungen zu klären. Auch wurde die Bioverfügbarkeit der Flavonoide, als notwendige Voraussetzung für ihre biologische Wirkung, demonstriert und Signalwege untersucht, über welche die Flavonoide ihre Effekte auf Alterungsprozesse entfalten können.

In the genome of E. coli four genes can be identified that carry the peptide transporter family (PTR) sequence motives. Proteins of the PTR family are integral plasma membrane proteins that can transport di- and tripeptides in a proton-symport mode into the cell. They are found in cell membranes of virtually all organisms from bacteria to man. There is a considerable scientific and commercial interest in these transport systems since the human PTR-family representatives, PEPT1 and PEPT2, are relevant drug transporting systems determining intestinal bioavailability of a variety of peptidomimetic drugs and affecting drug disposition. Here, all four E. coli genes were overexpressed in E. coli as tagged proteins and functionally characterized. Additionally first data about protein structure were collected. Based on the results, a coherent naming as di- and tripeptide permeases is proposed, with the four members dtpA, dtpB, dtpC and dtpD., Das Genom von E. coli enthält vier Gene die das Peptidtransporter (PTR) Sequenzmotiv tragen. Mitglieder dieser Familie sind integrale Membranproteine, die als protonenabhängige Symporter für Di- und Tripeptide die Peptidaufnahme in die Zelle vermitteln. Sie kommen in den Zellmembranen von praktisch allen Lebewesen vor; von Bakterien bis zum Menschen. Es besteht ein großes wissenschaftliches wie kommerzielles Interesse an Peptidtransportproteinen da die Säugerproteine PEPT1 und PEPT2 die Bioverfügbarkeit und Pharmakodynamik von Peptidmimetika determinieren. In der vorliegenden Arbeit wurden alle vier E. coli Gene in E. coli kloniert und als Fusionsproteine mit „Tag“ überexprimiert sowie funktionell charakterisiert. Daneben wurden erste Daten zur Proteinstruktur gesammelt. Auf Grundlage der Ergebnisse wird für die Gruppe die Bezeichnung Di- und Tripeptid Permeasen vorgeschlagen, mit den vier Vertretern dtpA, dtpB, dtpC und dtpD.

In cell culture systems for renal reabsorption, the roles and the regulation of membrane transport systems for amino acids and peptides were characterized. It was shown that the uptake of proline in the apical membrane is mediated by SIT1 (Sodium / imino-acid transporter). An amino acid deprivation increased the uptake of proline severalfold by the synthesis of a second transport system, probably the SNAT2-system. For the first time, the transport of selenoamino acids was also analyzed in detail with various techniques and assigned to discrete amino acid transport proteins of epithelial cells. The role of glycine and cysteine, as well as cysteinyl-glycine for antioxidative capacity of the cell was observed in cell models, which selectively expressed the peptide transporter PEPT2. The importance of these precursors for cellular synthesis of glutathione was evident here., In Zellkultursystemen für die renale Reabsorption wurden die Funktionen und die Regulation von Membrantransportsystemen für Aminosäuren und Peptide charakterisiert. Es wurde belegt, dass die Aufnahme von Prolin über SIT1 (Sodium / Imino-acid Transporter) in der apikalen Membran erfolgt. Ein Aminosäureentzug erhöhte die Prolinaufnahme mehrfach durch die vermehrte Synthese eines zweiten Transportsystems, das wahrscheinlich dem SNAT2-System entspricht. Erstmals wurde auch der Transport von Selenoaminosäuren detailliert mit verschiedenen Techniken analysiert und diskreten Aminosäuretransportproteinen der Epithelzellen zugeordnet. Die Rolle von Glyzin und Cystein sowie Cysteinyl-Glyzin für die antioxidative Kapazität der Zelle wurde in Zellmodellen betrachtet, die gezielt den Peptidtransporter PEPT2 exprimierten. Hier wurde die Bedeutung dieser Präkursoren für die zelluläre Glutathionsynthese erkennbar.

The peptide transporter PEPT2 mediates proton coupled uptake of di- and tripeptides in mammals. It shows widespread expression within the organism with highest expression in the kidney, yet PEPT2 deficient mice show only subtle phenotypic alterations. We therefore performed a comprehensive analysis of kidney tissue samples at mRNA, protein and metabolite level. Integrative analysis of the data provided evidence that PEPT2 might be involved in cysteinyl-glycine reabsorption for glutathione resynthesis, that was further substantiated by a markedly increased urinary excretion of cysteinyl-glycine. Application of profiling techniques thus allowed elucidating a novel physiological function of the peptide transporter PEPT2., Der Peptidtransporter PEPT2 vermittelt die protonengetriebene zelluläre Aufnahme von Di- und Tripeptiden im Säuger. Er ist in einer Vielzahl von Geweben exprimiert, mit höchster Expression in der Niere, eine PEPT2 defiziente Mauslinie zeigt jedoch keine offensichtlichen phänotypischen Alterationen. Nierengewebe wurde daher einer molekularen Charakterisierung mittels Transkriptom-, Proteom- und Metabolom-Analyse unterzogen und lieferte Hinweise auf eine Funktion von PEPT2 in der Rückresorption des Dipeptids Cysteinyl-Glycin für die epitheliale Glutathion Synthese, die durch Nachweis erhöhter Cysteinyl-Glycin Ausscheidung über den Urin bestätigt werden konnte. Die umfassende molekulare Charakterisierung ermöglichte daher die Aufklärung einer bisher unbeachteten Funktion des Peptidtransporters PEPT2.

Recently, an interconnection between metabolism and virulence in enteropathogenic bacteria has been postulated. For instance, reduced proliferation in host cells has been described for strains of the human enteropathogen Salmonella Typhimurium, impaired to utilise 1,2-propanediol (1,2-PD). In the current thesis, the gene clusters required for 1,2-PD (pdu) and L-fucose (Fuc; fuc) degradation were found to be conserved among S. enterica serovars, sequenced thus far. Already minor concentrations of 1,2-PD are sufficient to induce pdu gene expression, which is not or only insufficiently repressed by the simultaneous availability of 1,2-PD and alternative carbon sources. Ensuing from promoter PpduA, the pdu operon is expressed as a single polycistronic mRNA. The indispensability of the gene products of pduC and fucA for the degradation of the respective substrate could be demonstrated in growth assays. Further, the relevance of 1,2-PD degradation was investigated in more complex substrates and the invertebrate model. Cell culture assays, using mucus-secreting cell lines, confirmed the necessity of mobility for host cell invasion., Jüngst wurde ein Zusammenhang zwischen Metabolismus und Virulenz in enteropathogenen Bakterien postuliert. Beispielsweise zeigten Stämme des humanpathogenen Bakteriums Salmonella Typhimurium, die 1,2-Propandiol (1,2-PD) nicht nutzen können, eine abgeschwächte Proliferation im Wirt. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die für den 1,2-PD (pdu)- und L-Fucose (L-Fuc; fuc)-Abbau benötigten Gene in den Genomen nahezu aller bis heute sequenzierten Serovare von S. enterica konserviert sind. Bereits geringste Mengen an 1,2-PD induzieren die Expression der pdu Gene, die durch die zeitgleiche Verfügbarkeit anderer Kohlenstoffquellen nicht oder nur unzureichend gehemmt werden. Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass das pdu Operon unter Kontrolle des Promotors PpduA, als polycistronische mRNA exprimiert wird. In Wachstumsstudien zeigte sich, dass die Gene pduC und fucA essentiell für den Abbau des jeweiligen Substrats sind. Die Relevanz des 1,2-PD Abbaus wurde nachfolgend in komplexeren Substraten, sowie im Invertebratenmodell untersucht. Zusätzlich wurden Versuche mit Mukus sekretierenden Zelllinien durchgeführt, welche die Notwendigkeit der Mobilität für die Wirtszellinvasion bestätigten.

Brown adipose tissue provides adaptive heat production supported by the oxidation of glucose taken up from the bloodstream. Using mouse models of differential brown adipose tissue function, increased capacity for adaptive heat production was demonstrated to influence blood glucose translocation thus protecting against diet-induced impairment of glucose tolerance. These results support the concept of targeting brown adipose tissue for the treatment of obesity-related human disease., Das Braune Fettgewebe ist ein spezialisiertes Gewebe zur Wärmeproduktion, das zu diesem Zweck Blutglukose aufnimmt und verstoffwechselt. Durch die Nutzung verschiedener Mausmodelle konnte gezeigt werden, dass die Funktion dieses Gewebes die Aufnahme von Blutglukose beeinflusst und dabei zum Schutz vor einer diätinduzierten Verschlechterung der systemischen Glukosetoleranz beiträgt. Das Braune Fettgewebe stellt demnach ein mögliches Ziel zur Therapie Adipositas-assoziierter Erkrankungen dar.

The present work provides a comprehensive analysis of parameters influencing gut barrier integrity and of endocrine secretion in the gut in response to a high-fat diet in mice. As the most striking finding, we demonstrate that the housing conditions and associated changes in gut bacterial colonization are pivotal for the maintenance of gut barrier integrity in diet-induced obese (DIO) mice. Moreover, GLP-1 responses to bile acid deoxycholic acid and short-chain fatty acid propionate were increased in primary colonic cell cultures from DIO mice., Die vorliegende Studie ist die erste umfassende Analyse von alimentären Faktoren auf die Darmbarriere und Sekretionsleistung in ernährungsbedingt übergewichtigen (DIO) Mäusen. Die Befunde zeigen, dass die Aufrechterhaltung einer intakten Darmbarriere bei fettreicher Ernährung vom Hygienestatus der Tierstallung abhängig ist, der wiederum die Zusammensetzung der Darmflora beeinflusst. Primärkulturen, die aus dem Kolon von DIO Mäusen generiert wurden, zeigen eine erhöhte Sekretion von GLP 1 bei einer Stimulation durch Deoxycholsäure und Propionat.

The dissertation addresses the human metabolism after nutritional challenges in strictly controlled human intervention studies applying time-resolved plasma metabolomics measurements. The first part of the work aims to provide further insight into the postprandial metabolism by studies in healthy males. In the second part of the work metabolic challenge tests were applied to characterize the GWAS-identified gene variants rs2014355 in the acetyl-CoA-dehydrogenase short chain (ACADS) locus and rs174547 in the fatty acid desaturase 1 (FADS1) locus., Die Dissertation befasst sich mit dem menschlichen Stoffwechsel nach Nahrungsbelastung im Rahmen von streng kontrollierten humanen Interventionsstudien mit zeitaufgelösten Metabolitenmessungen in Plasmaproben. Der erste Teil der Arbeit zielt darauf ab den postprandialen Metabolismus in gesunden Männern weitergehend zu verstehen. Daneben werden im zweiten Teil der Arbeit metabolische Belastungstests zur Charakterisierung der beiden durch GWAS identifizierten Genvarianten rs2014355 im Kurzketten-Acyl-CoA-Dehydrogenase (ACADS) Locus und rs174547 im Fettsäure-Desaturase 1 (FADS1) Locus eingesetzt.

The biochemical consequences of inflammatory bowel diseases (IBD) on the systemic and gastrointestinal metabolism have not yet been fully elucidated, but could help to better understand the disease pathogenesis. In the current study, metabolic variations during the development of chronic intestinal inflammation were investigated through the use of metabolic profiling of different animal models of IBD.The metabolite profiling approach included holistic proton nuclear magnetic resonance spectroscopy and targeted liquid chromatography coupled to mass spectrometry of plasma and intestinal extracts over time.Taken together, these results provide novel insights into IBD-related metabolite alterations, especially of specific lipid-dependent processes, during inflammatory states. This demonstrates the potential of metabonomics for investigating the mechanistic basis of IBD and will provide novel avenues for management and therapy of IBD., Bis heute konnten die Auswirkungen von chronisch entzündlichen Darmerkrankungen (CED) auf den systemischen und intestinalen Stoffwechsel nicht vollständig aufgeklärt werden. In der vorliegenden Studie wurden deshalb Stoffwechselveränderungen, die während der Entstehung und des Krankheitsverlaufs von CED auftreten, mit Hilfe einer „Metaboliten Profilierung“ in unterschiedlichen CED-Tiermodellen untersucht. Der verwendete metabolische Ansatz beruht auf dem Einsatz von Protonen-Kernspinresonanz-Spektroskopie und Flüssigchromatographie mit Massenspektrometrie-Kopplung, um Plasma- und Darmgewebe-Proben während des Krankheitsverlaufs von CED zu untersuchen. Die Arbeit gewährt neue Einblicke in CED-abhängige Stoffwechselveränderungen, vor allem in spezifische Fettstoffwechsel-abhängige Prozesse. Diese Ergebnisse unterstreichen das Potential von Metaboliten Profilierung in der Aufklärung von verschiedenen krankheitsabhängigen Fragestellungen.

The intestinal peptide transporter PEPT1 has been described as a susceptibility gene in inflammatory bowel diseases (IBD). It was proposed that increased levels of PEPT1 during colonic inflammation could further promote inflammation by the transporters capability to mediate uptake of bacteria-derived peptides. Employing specific antibodies, PEPT1 was detected in epithelial cells of normal distal colon and rectum of mice, rats and humans but not in proximal colon. Colonic PEPT1 was functional. During intestinal inflammation, as studied in four different animal models of IBD and in human intestinal tissue samples obtained from IBD patients, PEPT1 expression levels declined with severity of inflammation and tissue damage. The totality of the data collected, unequivocally demonstrate that PEPT1 is expressed in normal healthy distal colon and that the protein is not associated with the development or severity of intestinal inflammation., Der intestinale Peptidtransporter PEPT1 wurde als Suszeptibilitätsgen für die Entstehung von chronisch entzündlichen Darmerkrankungen beschrieben. Er soll im entzündeten Colongewebe vermehrt exprimiert werden und durch seine Fähigkeit zum Transport pro-inflammatorischer bakterielle Peptide das Entzündungs-geschehen propagieren. Mit selektiven Antikörpern gelang es erstmalig PEPT1 im gesunden Colon von Mäusen, Ratten und Menschen mit spezifischen Verteilungsmustern zu detektieren. Im proximalen Colon war PEPT1 nicht, im mittleren Colon bis Rektum jedoch mit prominenter Expression nachweisbar. In diversen Mausmodellen und in Proben von Patienten mit aktiver Darmentzündung konnte konsistent nur eine verminderte Expression beobachtet werden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein kausaler Zusammenhang zwischen PEPT1 Expression und Funktion bei der Entstehung und/oder im Verlauf chronisch entzündlicher Darmerkrankungen nicht besteht.

The dissertation addresses the human metabolism after nutritional challenges in strictly controlled human intervention studies applying time-resolved plasma metabolomics measurements. The first part of the work aims to provide further insight into the postprandial metabolism by studies in healthy males. In the second part of the work metabolic challenge tests were applied to characterize the GWAS-identified gene variants rs2014355 in the acetyl-CoA-dehydrogenase short chain (ACADS) locus and rs174547 in the fatty acid desaturase 1 (FADS1) locus., Die Dissertation befasst sich mit dem menschlichen Stoffwechsel nach Nahrungsbelastung im Rahmen von streng kontrollierten humanen Interventionsstudien mit zeitaufgelösten Metabolitenmessungen in Plasmaproben. Der erste Teil der Arbeit zielt darauf ab den postprandialen Metabolismus in gesunden Männern weitergehend zu verstehen. Daneben werden im zweiten Teil der Arbeit metabolische Belastungstests zur Charakterisierung der beiden durch GWAS identifizierten Genvarianten rs2014355 im Kurzketten-Acyl-CoA-Dehydrogenase (ACADS) Locus und rs174547 im Fettsäure-Desaturase 1 (FADS1) Locus eingesetzt.