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Exogene Gene nutzen, um den Satz an essentiellen Aminosäuren zu reduzieren?

Exogene Gene nutzen, um den Satz an essentiellen Aminosäuren zu reduzieren?


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Verschiedene Organismen haben Sätze von essentiellen Aminosäuren, die sie nicht selbst synthetisieren können, sondern die sie mit der Nahrung aufnehmen müssen. Der Mensch hat 9 dieser Aminosäuren. Bestimmte Organismen wie Pflanzen enthalten jedoch offensichtlich die notwendigen Gene, um alle ihre Aminosäuren zu synthetisieren. Auch der Satz von Aminosäuren für verschiedene Organismen unterscheidet sich. Arginin ist beispielsweise bei Hunden essenziell, aber nicht beim Menschen.

Gab es Versuche, Zellen aus einem Tier oder einem anderen Organismus mit essentiellen Aminosäuren zu entnehmen und sie mit den notwendigen Genen zu versehen, um diese Aminosäure zu synthetisieren, wodurch der Satz an essentiellen Aminosäuren der Zelle reduziert wird?

Ich frage dies nicht speziell in Bezug auf menschliche Zellen, und ich habe auch keine besondere Motivation, dies außer Neugier zu fragen.


Als Selektionsmarker wird bei molekularbiologischen Experimenten häufig die Verringerung der Anzahl essentieller Aminosäuren verwendet: Ein Organismus (meist Hefe), der eine bestimmte Aminosäure nicht synthetisieren kann, wird zunächst in Gegenwart dieser Aminosäure in den Medien gezüchtet. Dann wird es mit einem interessierenden Gen zusammen mit dem Gen transfiziert, das es ihm ermöglicht, die Aminosäure zu synthetisieren. Da nun in einem Kulturmedium gezüchtet wird, das die Aminosäure nicht enthält, können nur Individuen wachsen, die erfolgreich transfiziert wurden, die anderen werden verhungern.

Ein ähnlicher Ansatz wurde auch in der mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Arbeit von Beadle und Tatum über die Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese verwendet.


Gentechnik des Aminosäurestoffwechsels in Pflanzen

Aminosäuren sind nicht nur Bausteine ​​von Proteinen, sondern sind auch an vielen Stoffwechselnetzwerken beteiligt, die Wachstum und Anpassung an die Umwelt steuern. In jungen Pflanzen wird die Aminosäurebiosynthese durch ein zusammengesetztes metabolisches Netzwerk reguliert, das die Stickstoffassimilation mit dem Kohlenstoffmetabolismus verbindet. Dieses Netzwerk wird stark durch den Stoffwechsel der vier zentralen Aminosäuren Glutamin, Glutamat, Aspartat und Asparagin (Gln, Glu, Asp und Asn) reguliert, die dann durch verschiedene biochemische Prozesse in alle anderen Aminosäuren umgewandelt werden. Aminosäuren dienen auch als Haupttransportmoleküle von Stickstoff zwischen Quell- und Senkengewebe, einschließlich des Transports von Stickstoff vom vegetativen zum reproduktiven Gewebe. Der Aminosäurestoffwechsel unterliegt einer konzertierten Regulation durch physiologische, entwicklungsbedingte und hormonelle Signale. Diese Regulierung scheint auch zwischen Quell- und Senkengewebe unterschiedlich zu sein. Die Bedeutung von Aminosäuren in Pflanzen beruht nicht nur darauf, dass sie zentrale Regulatoren des Pflanzenwachstums und der Reaktion auf Umweltsignale sind, sondern Aminosäuren sind auch Effektoren der Ernährungsqualität von menschlichen Nahrungsmitteln und Tierfutter. Da Säugetiere etwa die Hälfte der 20 Aminosäurebausteine ​​von Proteinen nicht selbst synthetisieren können, sind sie darauf angewiesen, diese aus Nahrungs- und Futtermitteln zu gewinnen. Die wichtigsten Nutzpflanzen enthalten jedoch begrenzte Mengen einiger dieser sogenannten „essentiellen Aminosäuren“, was den Nährwert verringert. Neuere gentechnische und neuere genomische Ansätze haben unser Verständnis der Regulation des Aminosäurestoffwechsels in Pflanzen und ihrer Beteiligung an Wachstum, Stressreaktion und Fortpflanzung erheblich verbessert. Darüber hinaus haben gentechnische Ansätze den Gehalt an essentiellen Aminosäuren in Pflanzen verbessert, insbesondere die Gehalte an Lysin und Methionin, die oft am stärksten einschränkend sind.


Glukosehomöostase und die Pathogenese von Diabetes mellitus

1 Begründung für das Studium der diätetischen Methionin-Restriktion

Die essentiellen Aminosäuren (EAAs) (z. B. Methionin, Lysin, Leucin, Isoleucin, Tryptophan, Valin, Threonin, Phenylalanin und Histidin) können nicht endogen synthetisiert werden, daher müssen jeweils 10–20 mg/kg KG in der Diät jeden Tag von verbrauchtem Protein. Darüber hinaus müssen Nahrungsproteinquellen das gesamte Spektrum an EAAs enthalten, da Proteine, denen eine oder mehrere EAAs fehlen, schnell eine aversive Nahrungsreaktion hervorrufen, die zu einer signifikanten Verringerung der Nahrungsaufnahme führt. Halbsynthetische Diäten ohne eine einzelne EAA wurden verwendet, um die Wahrnehmungs- und Signalmechanismen zu erforschen, die die Verhaltens- und physiologischen Reaktionen auf den EAA-Entzug vermitteln. 1–6 Eine wichtige Schlussfolgerung aus dieser Arbeit ist, dass Aminosäuren in der Nahrung ähnlich wie Rezeptorliganden in dem Sinne funktionieren, dass spezifische Konzentrationsbereiche Signalsysteme aktivieren, die mit molekularen Reaktionen verbunden sind, die biochemische und physiologische Konsequenzen haben. Ein wichtiger Unterschied besteht darin, dass das Fehlen einer EAA (z. B. EAA-Entzug) das Signal ist, das die vollständige Signalisierungsantwort einleitet, was darauf hindeutet, dass die Begrenzung einer EAA eine gewisse Beschränkungsschwelle erreichen muss, um die Antwort auszulösen. Diese Annahme wurde durch substanzielle empirische Beweise gestützt, aber das etwas überraschende Ergebnis ist, dass sich eine diätetische Einschränkung (DR) von EAAs innerhalb eng definierter Bereiche als sehr vorteilhaft für den Stoffwechselstatus und die allgemeine Gesundheit erwiesen hat. Gegenstand dieses Kapitels sind insbesondere die positiven Reaktionen, die sich aus der Einschränkung der normalen Aufnahme von Methionin mit der Nahrung auf einen definierten Bereich ergeben.


Vitamine und Mineralien

Elaine M Aldred BSc (Hons), DC, Lic Ac, Dip Herb Med, Dip CHM , . Kenneth Vall, in Pharmakologie, 2009

Mangan

Kohlenhydrate, Aminosäuresynthese : Cofaktor.

Knorpel- und Knochenbildung: Kofaktor für die Synthese von Proteoglykanen (siehe Kapitel 9 „Kohlenhydrate“, S. 71 ) und wird für die Knorpel- und Knochenbildung benötigt.

Unterdrückung freier Radikale: Cofaktor der Superoxiddismutase (SOD siehe Kapitel 7 „Freie Radikale“, S. 46 und Kapitel 19 „Pharmakodynamik: Wie Medikamente eine physiologische Wirkung hervorrufen“, S. 139 ).

Wundheilung: Cofaktor in Enzymen, die für die Gewebereparatur benötigt werden.

• Wechselwirkungen mit Nährstoffen

Magnesium: kann die Manganaufnahme beeinträchtigen.

Eisen: Mangan kann gemeinsame Absorptions- und Transportwege haben.

Calcium: Milch scheint die Manganaufnahme nicht zu beeinflussen. Es gibt gemischte Vorstellungen darüber, wie viel Kalzium die Aufnahme von Mangan beeinflusst.

Tannine: können die Aufnahme von Mangan verringern.

• Nahrungsquellen

• Lebensmittel, die die Manganaufnahme hemmen können

Phytate (siehe Kapitel 15 „Arten der Verabreichung“, S. 120 ).

• Toxizität

In der Regel durch Inhalation:

Anorganisch: Verbrennungsprodukte von Autos oder Lastwagen, Stäube in Stahl- oder Batteriefabriken.

Organisch: Benzinzusätze, einige Pestizide, einige Krebstests enthalten eine Manganverbindung.

Neurologische Symptome und Parkinson-ähnliche Symptome

Der Beruf kann ein wichtiger Faktor in der Krankengeschichte sein.

Toxizität durch Verschlucken:

Wegen Übersupplementierung, ist aber extrem selten.

• Patienten mit einer Prädisposition für Mangantoxizität

Mangan wird mit der Galle aus dem Körper ausgeschieden. Chronische Lebererkrankungen beeinträchtigen daher die Gallenproduktion und verringern die Gallenausscheidung.


Mechanismus

Obwohl für die  menschliche Proteinsynthese  zwanzig Aminosäuren benötigt werden, kann der Mensch nur etwa਍ie Hälfte dieser benötigten Bausteine ​​synthetisieren. Menschen und andere Säugetiere haben nur das genetische Material, das benötigt wird, um die Enzyme zu synthetisieren, die in den Biosynthesewegen für  nicht-essentielle Aminosäuren vorkommen. Es ist wahrscheinlich ein evolutionärer Vorteil hinter der Entfernung der langen Pfade, die für die Synthese essentieller Aminosäuren von Grund auf erforderlich sind. Durch den Verlust des genetischen Materials, das für die Synthese dieser Aminosäuren erforderlich ist, und die Abhängigkeit von der Umwelt, um diese Bausteine ​​bereitzustellen, können diese Organismen den Energieverbrauch reduzieren, insbesondere während sie ihr genetisches Material replizieren. Diese Situation bietet einen Überlebensvorteil, schafft jedoch auch eine Abhängigkeit von anderen Organismen für die wesentlichen Materialien, die für die Proteinsynthese benötigt werden.[10][11][12]


Exogene Gene nutzen, um den Satz an essentiellen Aminosäuren zu reduzieren? - Biologie

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Inhalt

Im Herbst legen weibliche Erbsenblattläuse befruchtete Eier überwintern, die im folgenden Frühjahr schlüpfen. Die Nymphen, die aus diesen Eiern schlüpfen, sind alle Weibchen, die vor der Geschlechtsreife vier Häutungen durchlaufen. Sie beginnen sich dann durch vivipare Parthenogenese zu vermehren, wie die meisten Blattläuse. Jedes erwachsene Weibchen bringt täglich vier bis zwölf weibliche Nymphen zur Welt, etwa hundert in ihrem Leben. Diese entwickeln sich in etwa sieben bis zehn Tagen zu reifen Weibchen. Die Lebenserwartung eines Erwachsenen beträgt etwa 30 Tage.

Die Bevölkerungsdichte ist im Frühsommer am höchsten und nimmt dann durch Prädation und Parasitismus ab. Im Herbst löst die Verlängerung der Nacht die Produktion einer einzigen Generation von Geschlechtsindividuen (Männchen und eierlegende Weibchen) durch dieselben parthenogenetischen Elternweibchen aus. Besamte geschlechtliche Weibchen legen überwinternde Eier, aus denen im zeitigen Frühjahr neue parthenogenetische Weibchen hervorgehen. Wenn die Kolonie überfüllt wird, werden einige geflügelte Weibchen produziert. Diese zerstreuen sich, um andere Pflanzen zu befallen, wo sie sich ungeschlechtlich vermehren. Wenn die Temperaturen kälter und die Tageslängen kürzer werden, erscheinen sexuelle geflügelte Weibchen und Männchen. Diese paaren sich, die Weibchen legen Eier und der Lebenszyklus beginnt von neuem. [7] Erbsenblattläuse können ihren gesamten Fortpflanzungszyklus abschließen, ohne die Wirtspflanze zu verschieben. [8]
Bei Erbsenblattläusen gibt es mehrere Morphen. Neben Unterschieden zwischen sexuellen und parthenogenetischen Morphen gibt es geflügelte und flügellose Morphen. Überfüllung und schlechte Nahrungsqualität können die Entwicklung von geflügelten Individuen in nachfolgenden Generationen auslösen. [9] Geflügelte Blattläuse können dann andere Wirtspflanzen besiedeln. Erbsenblattläuse zeigen auch erbliche Farbvariationen von Grün oder Rot/Rosa. Die grünen Morphen sind in natürlichen Populationen im Allgemeinen häufiger. [8]

Acyrthosiphon pisum ist eine ziemlich große Blattlaus, deren Körper bei Erwachsenen 4 mm erreichen kann. [8] Es ernährt sich im Allgemeinen von den unteren Seiten von Blättern, Knospen und Hülsen von Hülsenfrüchten und nimmt Phloemsaft durch seine Mandrin auf. Im Gegensatz zu vielen Blattlausarten neigen Erbsenblattläuse nicht dazu, dichte Kolonien zu bilden, in denen Individuen ihr ganzes Leben lang dort bleiben, wo sie geboren wurden. Es ist nicht bekannt, dass Erbsenblattläuse von Ameisen gezüchtet werden, die sich von Honigtau ernähren.

Es ist bekannt, dass mehr als 20 Leguminosengattungen Erbsenblattläuse beherbergen, obwohl das gesamte Wirtsspektrum unbestimmt bleibt. Bei Kulturpflanzen wie Erbsen und Luzerne, A. pisum zählt zu den Blattlausarten von großer agronomischer Bedeutung. [5] Die Erträge können durch die Saftaufnahme beeinflusst werden, die Pflanzen direkt schwächt, obwohl Erbsenblattläuse selten eine Dichte erreichen, die die Pflanzenproduktion signifikant reduzieren könnte. Doch wie bei vielen Blattlausarten A. pisum kann ein Vektor von Viruserkrankungen für die Pflanzen sein, die er besucht. Der Schutz vor Erbsenblattläusen umfasst den Einsatz von chemischen Insektiziden, natürlichen Feinden und Parasitoiden sowie die Auswahl resistenter Sorten. Es ist keine Insektizidresistenz dokumentiert in A. pisum, im Gegensatz zu vielen Blattlausschädlingen.

Erbsenblattläuse, obwohl kollektiv mit dem einzigen wissenschaftlichen Namen bezeichnet A. pisum, umfassen mehrere als kryptische Arten, Unterarten oder Rassen beschriebene Biotypen, die auf verschiedene Wirtsarten spezialisiert sind. Daher wird die Erbsenblattlaus genauer als Artenkomplex beschrieben. [8]

Es wird angenommen, dass die Erbsenblattlaus paläarktischen Ursprungs ist, aber sie ist heute weltweit in gemäßigtem Klima verbreitet. Die Verbreitung von A. pisum wahrscheinlich durch die Einführung einiger seiner Wirtspflanzen für die Landwirtschaft. Eine solche Einführung fand wahrscheinlich in den 1870er Jahren in Nordamerika statt, [10] und um 1900 war sie in den mittelatlantischen Staaten zu einer ernsthaften Schädlingsart geworden. In den 1950er Jahren war es in den Vereinigten Staaten und Kanada weit verbreitet. Sein Wirtsgebiet in Nordamerika ist dem der nahe verwandten Blauen Luzerneblattlaus (Acyrthosiphon kondoi). [11]

A. pisum gilt als Modellblattlausart. Sein Fortpflanzungszyklus, einschließlich der sexuellen Phase und der Überwinterung der Eier, kann auf Wirtspflanzen unter Laborbedingungen leicht abgeschlossen werden, und die relativ große Individuengröße ermöglicht physiologische Studien. Im Jahr 2010 veröffentlichte das International Aphid Genomics Consortium einen kommentierten Entwurf einer Sequenz des Erbsenblattlaus-Genoms [6], bestehend aus ungefähr 525 Megabasen und 34000 vorhergesagten Genen in 2n=8 Chromosomen. Dies ist das erste veröffentlichte Genom eines hemimetabolen Insekts. Das Erbsenblattlaus-Genom und andere seiner Merkmale stehen im Fokus von Studien, die folgende Bereiche abdecken:

  • Symbiose mit Bakterien - Wie alle Blattläuse, A. pisum beherbergt den primären EndosymbiontenBuchnera aphidicola, das essentielle Aminosäuren liefert und für die Vermehrung von Blattläusen notwendig ist. Buchnera wird von Müttern auf die Nachkommen übertragen und entwickelt sich seit Dutzenden von Millionen von Jahren gemeinsam mit Blattläusen. A. pisum beherbergt auch eine Reihe fakultativer bakterieller Symbionten, die maternal und horizontal übertragen werden können und die ökologisch wichtige Eigenschaften von Blattläusen beeinflussen, wie Körperfarbe, [12] Resistenz gegen abiotischen und biotischen Stress [13] und Ernährung. [14]
  • Polyphenismus (die Produktion mehrerer diskreter Morphen durch denselben Genotyp) - Studien an Erbsenblattläusen haben dazu beigetragen, die umweltbedingten und genetischen Komponenten zu bestimmen, die unter anderem die Produktion von sexuellen [15] und geflügelten Morphen [9] kontrollieren.
  • Asexuelle Reproduktion - Erbsenblattlaus-Linien beinhalten die Parthenogenese in ihren Lebenszyklen, und einige haben sogar die sexuelle Phase verloren. Erbsenblattläuse sind Modelle für die Entschlüsselung des Ursprungs und der Folgen der asexuellen Fortpflanzung, [15][16] eine wichtige Frage in der Evolutionsbiologie.
  • Polymorphismus und Physiologie zur Erklärung phänotypischer Variationen bei Blattläusen - Loci und physiologische Mechanismen, die der Körperfarbe, dem Reproduktionszyklus und dem Vorhandensein von Flügeln bei Männchen (das genetisch bedingt ist) zugrunde liegen, wurden bei Erbsenblattläusen identifiziert oder werden untersucht. A. pisum ist bemerkenswert, da er der einzige bisher identifizierte tierische Organismus ist, der die Fähigkeit besitzt, ein Carotinoid zu synthetisieren. Pflanzen, Pilze und Mikroorganismen können Carotinoide synthetisieren, aber Torulen (3',4'-didehydro-β,γ-carotin, speziell ein Kohlenwasserstoff-Carotin), das von Erbsenblattläusen hergestellt wird, ist das einzige Carotinoid, von dem bekannt ist, dass es von einem Organismus in der Tierreich. Torulene verleiht einigen Blattläusen natürliche, rot gefärbte Flecken, die möglicherweise bei ihrer Tarnung und der Flucht vor dem Raub durch Wespen helfen. Die Blattläuse haben die Fähigkeit erlangt, Torulen durch horizontalen Gentransfer einer Reihe von Genen für die Carotinoidsynthese, offenbar aus Pilzen, zu synthetisieren. [17]
  • Genduplikation und Erweiterung von Genfamilien - Das Erbsenblattlaus-Genom weist im Vergleich zu anderen Insektengenomen ein hohes Maß an Genduplikation auf, wie z Drosophila, mit der bemerkenswerten Erweiterung einiger Genfamilien. [6]
  • Interaktion mit Wirtspflanzen und Artbildung - Wie die meisten Phloemfresser ist die Erbsenblattlaus daran angepasst, sich von einer begrenzten Anzahl von Pflanzen zu ernähren. Studien an Erbsenblattläusen haben Kandidaten-Loci identifiziert, [18] molekulare und physiologische Mechanismen, die an der Ernährung und Virulenz des Wirts beteiligt sind. [19] Genetische, molekulare und physiologische Studien haben auch die Spezialisierung auf verschiedene Wirtsarten als Motor der ökologischen Artbildung zwischen Erbsenblattlausbiotypen nachgewiesen. [20]

A. pisum beteiligt sich an einer obligaten endosymbiotischen Beziehung mit den Bakterien Buchnera aphidicola. A. pisum ist der Gastgeber und Buchnera ist der primäre Endosymbiont. Zusammen bilden sie die Holosymbiont. [21] Dies ist eine obligate, symbiotische Beziehung und beide Partner sind vollständig voneinander abhängig. [21] [22] Bei Behandlung mit Antibiotika zur Entfernung des Buchnera Bakterien, A. pisum Wachstum und Fortpflanzung werden unterbrochen oder reduziert. Buchnera fehlen Gene, die für ein Leben unabhängig von einem Wirt erforderlich sind, und ist außerhalb des Blattlauswirts nicht kultivierbar. [23] Die A. pisum und Buchnera Holosymbiont ist eine der am besten untersuchten symbiotischen Beziehungen, sowohl genetisch als auch experimentell.

Evolution der endosymbiotischen Beziehung Bearbeiten

Die A. pisum und Buchnera Die endosymbiotische Beziehung hat sich wahrscheinlich vor 160-280 Millionen Jahren entwickelt. Die phylogenetische Analyse zeigt, dass Buchnera eine monophyletische Gruppe ist und dass die Phylogenien von Buchnera und A. pisum übereinstimmen. Daher gab es wahrscheinlich ein Original Buchnera Seitdem ist eine Infektion des gemeinsamen Vorfahren der Blattläuse und eine Co-Speziation des Holosymbionten aufgetreten. [24] Buchnera ist mit Enterobacteriaceae verwandt, einschließlich Escheriachia coli [22] und es ist wahrscheinlich, dass Buchnera entwickelte sich aus einem Bakterium, das ursprünglich den Darm des gemeinsamen Vorfahren der Blattlaus besetzte. [25]

Ernährungssymbiose Bearbeiten

Wie andere Insekten der Ordnung Hemiptera, A.pisum verwendet ein endosymbiotisches Bakterium, um die Nährstoffmängel von Phloemsaft zu überwinden. [21] [26] A. pisum ernährt sich von Phloemsaft von Wirtspflanzen, einschließlich Medicago sativa (Alfalfa), Pisum sativa (Erbse), Trifolium-Vorwand (Rotklee), und Vicia Faba (Saubohne). Die Phloemsäfte dieser Pflanzen sind ernährungsphysiologisch reich an Kohlenhydraten, aber arm an Stickstoff. [27] [28] [29] [30] Das Verhältnis von essentiellen Aminosäuren zu nicht-essentiellen Aminosäuren in diesen Phloemsäften reicht von 1:4-1:20. Dieses Verhältnis von essentiellen zu nicht-essentiellen Aminosäuren ist im Vergleich zum 1:1-Verhältnis, das in tierischen Geweben vorhanden ist und für das Überleben notwendig ist, stark disproportional. [28] Tiere, einschließlich A. pisum, kann nichtessentielle Aminosäuren produzieren de novo kann jedoch nicht neun essentielle Aminosäuren synthetisieren, die über die Nahrung aufgenommen werden müssen: Histidin, Isoleucin, Leucin, Lysin, Methionin, Phenylalanin, Threonin, Tryptophan und Valin. Zusätzlich zu diesen neun essentiellen Aminosäuren A. pisum ist aufgrund fehlender Harnstoffzyklus-Gene nicht in der Lage, Arginin zu synthetisieren. [21] [31] [32] Die endosymbiotische Beziehung zu Buchnera erlaubt A. pisum um diesen Mangel an essentiellen Aminosäuren im Phloemsaft zu überwinden [22] [28] [29] [32] [33] Bei Versorgung mit nicht-essentiellen Aminosäuren, Buchnera wandelt nicht-essentielle Aminosäuren in essentielle Aminosäuren um, in die sie zurückgeführt werden können A. pisum. [26] [34] Diese Nährstoffversorgung wurde genomisch (metabolisch komplementär, unten diskutiert) und experimentell untersucht. Isolierte Bakteriozyten enthaltend Buchnera Es wurde gezeigt, dass 14C-markiertes Glutamin (eine nicht essentielle Aminosäure) aktiv aufgenommen wird, wo es dann in Glutaminsäure umgewandelt wird. [34] Diese Glutaminsäure wird dann vom Individuum aufgenommen Buchnera Zellen und wird verwendet, um die essentiellen Aminosäuren Isoleucin, Leucin, Phenylalanin und Valin sowie nicht-essentielle Aminosäuren zu synthetisieren, die zurückgeführt werden können A. pisum. Die gegenseitige Nährstoffversorgung dürfte der Hauptgrund für das Fortbestehen dieser Symbiose sein. [32]

Holosymbiontenstruktur Bearbeiten

Buchnera sind in spezialisierten, von Blattläusen abgeleiteten Zellen untergebracht, die sich im Hämocoel des A. pisum Körperhöhle. [21] [22] Jeder Buchnera Zelle hat eine innere und äußere gramnegative Zellmembran und ist einzeln von einer von Blattläusen abgeleiteten symbiosomalen Membran umgeben. Diese umhüllten Zellen werden dann in spezialisierte, von Blattläusen abgeleitete Bakteriozyten (Mycetozyten) gruppiert. Bakteriozyten sind große, polyploide Zellen, die von einer dünnen Auskleidung flacher Hüllenzellen umgeben sind. Es gibt etwa 60-80 Bakteriozyten in jeder Erbsenblattlaus und sind in dem zweilappigen Bakteriom organisiert. Ein Bakteriom ist ein spezialisiertes Organ, das auf zwei Seiten des Körpers entlang der Erbsenblattlaus verläuft und sich in der Nähe des Hinterdarms verbindet. [22] [31] [35] Bakteriozyten befinden sich in der Nähe des Ovariolclusters und Buchnera Zellen werden von den Eierstöcken der Mutter durch transovariale Übertragung vertikal übertragen. [22] [25] Die Buchnera Zellen werden während der Oogenese auf Eier oder während der Embryogenese auf die sich entwickelnden Embryonen übertragen. [21]

Genomsequenzierung Bearbeiten

A. pisum und Buchnera waren das erste Insekten-Endosymbionten-Paar, bei dem die Genome beider Partner sequenziert wurden. [36] Dies hat den Forschern viele Informationen über die evolutionären und molekularen Wechselwirkungen dieser Endosymbiose geliefert. [31] Die A. pisum und Buchnera Genome haben einzigartige Modifikationen erfahren, die wahrscheinlich mit der Etablierung und Aufrechterhaltung der endosymbiotischen Beziehung zusammenhängen. Die Genome beider Organismen haben im Vergleich zu verwandten Organismen einen erheblichen Genverlust erfahren. Die Buchnera Genom ist 641-kb und besteht aus einem kreisförmigen Chromosom mit 2 Plasmiden. Es wurde auf ein Siebtel der Größe seines nächsten freilebenden Verwandten reduziert. E coli. [23] [31] Buchnera hat Gene verloren, die es ihm ermöglichen würden, außerhalb des Wirts zu leben, behält aber Gene, die für die Ernährung von A. pisum. [21] [22] [23] [31] [32] Die Buchnera Genom fehlen Gene, die für den Aufbau der Oberflächenmembran benötigt werden, wie Lipopolysaccharide und Phospholipide, sowie Gene, die mit der zellulären Abwehr verbunden sind. Auch Transportergene und regulatorische Gene fehlen im Genom. Ein solcher Genverlust ist typisch für ein obligat und intrazelluläres Bakterium. [23] [32]

Die A. pisum Genom hat im Vergleich zu anderen Insekten der Ordnung Hemiptera mehr einzigartige genomische Veränderungen erfahren. Das Blattlausgenom ist 464 MB groß, wobei blattlausspezifische Orphan-Gene 20 % des Genoms ausmachen und Genduplikationen in mehr als 2000 Genfamilien vorkommen. [21] [32] Diese verwaisten Gene und Genduplikationen sind wahrscheinlich mit den „metabolischen, strukturellen und entwicklungsbezogenen“ Komponenten der endosymbiotischen Beziehung verbunden. [32] A. pisum spezifische Genduplikationen von Aminosäuretransportern, die in Bakteriozyten stark exprimiert werden, wurden beobachtet. [37] Diese Duplikationen sind wahrscheinlich mit der genetischen Etablierung und Aufrechterhaltung der endosymbiotischen Beziehung verbunden.

Es wurde kein lateraler Gentransfer zwischen A. pisum und Buchnera. Bisher wurde angenommen, dass der laterale Gentransfer für die starke Genreduktion im Buchnera Genom, aber die Sequenzierung hat gezeigt, dass dies nicht passiert ist. [23] [32]

Metabolische Komplementarität Bearbeiten

Individuell werden die Stoffwechselwege von A. pisum und Buchnera sind unvollständig. Gemeinsam ergänzen sich die Genome dieser beiden Organismen zu vollständigen Stoffwechselwegen für die Biosynthese von Nährstoffen wie Aminosäuren und anderen essentiellen Molekülen. [21] [31] [32] [38] Die Ahnenpartner dieser Symbiose hatten wahrscheinlich vollständige Stoffwechselwege, jedoch wurde der Druck, diese Stoffwechselwege zu erhalten, aufgrund der Redundanz aufgrund des Vorhandenseins des Genoms des anderen Partners verringert . [38] Im Gegensatz zu anderen verwandten Insekten fehlen im Genom von A. pisum die für den Harnstoffzyklus notwendigen Gene. [21] [31] [35] den Purin-Salvage-Weg, [38] und andere Gene, die Enzyme kodieren, die für die Biosynthese von Molekülen notwendig sind. [31] [32] Diese fehlenden Reaktionszwischenstufen werden wahrscheinlich von Genen innerhalb der Buchnera Genom. Zum Beispiel, A. pisum ist die einzige Spezies mit einem sequenzierten Genom, von dem bekannt ist, dass ihm Schlüsselkomponenten des Purin-Salvage-Wegs fehlen, die für die Produktion von DNA, RNA, Signalmolekülen und ATP unerlässlich sind. Die Buchnera Genom enthält die notwendigen Gene, um die Reaktionszwischenstufen zu kodieren, die im A. pisum Genom. Durch diese Komplementierung wird der Nukleotidbedarf beider Organismen gedeckt: Der Purin-Salvage-Weg ist für A. pisum und Buchnera erhält das notwendige Guanosin. [38]

Die Buchnera Genom enthält Gene, die für die Biosynthese essentieller Aminosäuren erforderlich sind, aber keine Gene, die für den Abbau von Aminosäuren verantwortlich sind. Die A. pisum Genom hingegen enthält 66 Aminosäure-Biosynthesegene und 93 Aminosäure-Abbaugene. [21] [31] Beides A. pisum und Buchnera zu den Stoffwechselwegen der Aminosäurebiosynthese beitragen. [21] [31] [32] Diese metabolische Komplementarität wird durch die Verwendung von Asparagin, einer nicht-essentiellen Aminosäure im Phloemsaft, als Hauptvorstufe bei der Produktion von essentiellen und nicht-essentiellen Aminosäuren veranschaulicht, die für das Wachstum und das Überleben von A. pisum und Buchnera. [32]

Immunsystem Bearbeiten

Genomsequenzierung von A. pisum zeigt, dass dem Genom die erwarteten Gene fehlen, die für Immunreaktionswege essentiell sind. [39] Die A. pisum Genom fehlen IMS-, dFADD-, Dredd- und Retish-Gene, die Teil des IMD (Immunschwäche)-Wegs sind und in anderen verwandten Insekten vorkommen. Außerdem fehlen Peptidoglycan-Erkennungsproteine ​​(PGRPs), die Krankheitserreger erkennen und den IMD-Weg alarmieren, sowie antimikrobielle Peptid-(AMP)-Gene, die nach Aktivierung des Immunwegs produziert werden. Ein geschwächtes Immunsystem kann die Etablierung und dauerhafte Aufrechterhaltung der symbiotischen Beziehung zwischen den Buchnera Bakterium und A. pisum. [21] [32] Phloemsaft ist auch eine Diät mit reduzierten Mengen an Mikroben, die den evolutionären Druck von A. pisum um die Gene des Immunreaktionsweges zu erhalten. [32]


Zusätzliche Informationen

S1 Abb. Der Mangel an Aminosäuren steigert spezifisch den Appetit auf Aminosäuren.

(A) Fütterungstest, bei dem den Fliegen die Wahl zwischen dem Holidic-Medium ohne AAs (Saccharose-Option) und dem Holidic-Medium ohne Saccharose und einer der verschiedenen Nährstoffklassen gegeben wurde. Die Tiere wurden entweder auf vollständigem Holid-Medium oder Holid-Medium ohne AAs gehalten. (B) Fütterungstest, bei dem den Fliegen die Wahl zwischen zwei Optionen gegeben wurde: 1) dem Holid-Medium ohne Aminosäuren (Saccharose) und 2) dem Holid-Medium ohne Saccharose, ohne Saccharose und allen AAs, ohne Saccharose und neAAs oder ohne Saccharose und eAAs. Kreise stellen die Hefepräferenz in einzelnen Assays dar, wobei die Linie den Median und die Whisker den Interquartilbereich darstellen. n = 12–15. (A) Die Signifikanz wurde mit dem Kruskal-Wallis-Test, gefolgt von Dunns multiplem Vergleichstest oder (B) dem Mann-Whitney-Test getestet. Nicht signifikant (ns) p>0,05, *** p<0,001. Die in dieser Abbildung verwendeten zugrunde liegenden Daten werden in S1-Daten bereitgestellt.

S2 Abb. Henna RNAi führt zu einem spezifischen Gen-Knockdown, und der Knockdown-Effekt auf die Nahrungsauswahl ist Tyr- und Gewebe-spezifisch.

(EIN) Henna mRNA-Spiegel von ganzen Fliegen gemessen und auf zwei interne Kontrollen (Aktin 42A und RpL32). Die Spalten repräsentieren den Mittelwert und die Fehlerbalken den Standardfehler des Mittelwerts. n = 6. (B) Fütterungspräferenz von Henna Knockdown Tiere mit drei unabhängigen Haarnadeln. Die Tiere wurden auf Holid-Medium ohne neAAs, Holid-Diät ohne neAAs mit 1x Tyr-Zusatz oder Holid-Medium ohne neAAs mit 1x Pro-Zusatz gehalten. n = 10. (C) Fütterungspräferenz der Kontrolle und Henna (Hn) Knockdown fliegt in verschiedenen Geweben nach Entfernung entweder aller AAs oder aller neAAs. Cg-Gal4 treibt den Ausdruck im fetten Körper an, elav-Gal4 in Neuronen und btl-Gal4 in der Luftröhre. n = 14–20. (B und C) Kreise stellen die Hefepräferenz in einzelnen Assays dar, wobei die Linie den Median und die Whisker den Interquartilbereich darstellen. Die Signifikanz wurde mit dem Kruskal-Wallis-Test getestet, gefolgt von Dunns multiplem Vergleichstest. Nicht signifikant (ns) p>0,05, ** p<0,01, *** p<0,001. Die in dieser Abbildung verwendeten zugrunde liegenden Daten werden in S1-Daten bereitgestellt.

S3 Abb. Niveaus interner Mikroben in nicht-axenischen Fliegen.

Die interne Bakterienbelastung in Fliegen wurde als KBE/Fliege nach Bakterienkoloniezählung auf LB (A), Mannitol (B) oder MRS (C)-Medien berechnet, die das Wachstum verschiedener Bakterienarten aufrechterhalten, wie im Titel jedes Diagramms angegeben . Die Bakterienbelastung wurde für Fliegen bestimmt, die auf Holidic-Medium ohne His und ohne (leere Säulen) oder mit (gefüllte Säulen) Vorbehandlung mit dem kommensalen Bakteriengemisch gehalten wurden. Fliegen, die verwendet wurden, um Daten in den Fig. 1, 2, 3, 4, 5E, 7, S1, S2, S4, S5A und S6 zu erzeugen, wurden unter Verwendung dieses oder sehr ähnlicher Aufzuchtprotokolle behandelt. Die Spalten stellen den Mittelwert und die Fehlerbalken dar, den Standardfehler des Mittelwerts von 3 Wiederholungen aus 2 unabhängigen Experimenten. Ausgefüllte schwarze Kreise stehen für die Vorbehandlung mit der Bakterienmischung. Offene Kreise stellen keine Vorbehandlung mit Bakterien dar. AA-Entzug wird als –His angegeben. Die Signifikanz wurde unter Verwendung des ungepaarten t-Tests getestet. * p<0,05, ** p<0,01. Die in dieser Abbildung verwendeten zugrunde liegenden Daten werden in S1-Daten bereitgestellt.

S4 Abb. Kommensale Bakterien können den Proteinhunger reduzieren, der durch die Entfernung von eAA mit der Nahrung induziert wird.

Fütterungspräferenz von Tieren, die entweder auf Holidic-Medium gehalten wurden oder auf Holidic-Medium, dem eines der 10 eAAs fehlt, mit oder ohne Vorbehandlung mit einer Mischung aus 5 Bakterien. Die Daten zu den verschiedenen Grafiken wurden an zwei unabhängigen Tagen gesammelt. Kreise stellen die Hefepräferenz in einzelnen Assays dar, wobei die Linie den Median und die Whisker den Interquartilbereich darstellen. Ausgefüllte Kreise stellen Assays dar, in denen Fliegen mit dem 5-Bakterien-Mix vorbehandelt wurden. n = 18–20. Die Signifikanz wurde mit dem Kruskal-Wallis-Test, gefolgt von Dunns multiplem Vergleichstest, getestet, mit Ausnahme der Prüfung der Wirkung von Kommensalen, für die der Mann-Whitney-Test verwendet wurde. * p<0,05, ** p<0,01, *** p<0,001. Die in dieser Abbildung verwendeten zugrunde liegenden Daten werden in S1-Daten bereitgestellt.

S5 Abb. Ein nicht-kommensales Bakterium reduziert die Hefepräferenz nicht und kommensale Bakterien beeinflussen auch die Nahrungsauswahl bei einer hefearmen Ernährung.

(A) Fütterungspräferenz von Tieren, die entweder auf Holidic-Medium oder Holidic-Medium ohne His gehalten werden, mit oder ohne Vorbehandlung mit der Mischung aus 5 kommensalen Bakterien oder E. coli. Kreise stellen die Hefepräferenz in einzelnen Assays dar, wobei die Linie den Median und die Whisker den Interquartilbereich darstellen. (B) Fütterungspräferenz von Tieren, die auf Medium mit unterschiedlichen Hefekonzentrationen und mit oder ohne Vorbehandlung mit dem 5 kommensalen Bakterienmix gehalten werden. Kreise repräsentieren Mittelwerte und Fehlerbalken repräsentieren den Standardfehler des Mittelwerts. (A und B) Ausgefüllte Kreise stellen Assays dar, bei denen Fliegen mit der Bakterienmischung vorbehandelt wurden. n = 20. Die Signifikanz wurde mit dem Einweg-Varianzanalyse-Test, gefolgt von Bonferronis Mehrfachvergleichstest in (A) und mit dem Mann-Whitney-Test in (B) getestet. Nicht signifikant (ns) p>0,05, * p<0,05, ** p<0,01, *** p<0,001. Die in dieser Abbildung verwendeten zugrunde liegenden Daten werden in S1-Daten bereitgestellt.

S6 Abb. Kommensale Bakterien reduzieren Hefepräferenz in Henna Knockdown fliegt auf eAA-Entzug.

Fütterungspräferenz der Kontrolle und Henna Knockdown-Tiere, die auf Holidic-Medium oder Holidic-Medium ohne His gehalten wurden, mit oder ohne Vorbehandlung mit 5 kommensalen Bakterienmischungen. n = 20. Kreise stellen die Hefepräferenz in einzelnen Assays dar, wobei die Linie den Median und die Whisker den Interquartilbereich darstellen. Ausgefüllte Kreise stellen Assays dar, in denen Fliegen mit der Bakterienmischung vorbehandelt wurden. Die Signifikanz wurde mit dem Mann-Whitney-Test mit anschließender Bonferroni-Korrektur getestet. * p<0,05, ** p<0,01, *** p<0,001. Die in dieser Abbildung verwendeten zugrunde liegenden Daten werden in S1-Daten bereitgestellt.

S7 Abb. EIN. pomorum und Lactobazillen sind ausreichend, um den Hefeappetit zu reduzieren, der durch die Entfernung von Isoleucin mit der Nahrung induziert wird.

Anzahl der Schlucke auf Hefe, gemessen unter Verwendung des flyPAD von axenischen Fliegen, die mit vollständigem Holid-Medium oder Holid-Medium ohne Ile vorgefüttert und mit verschiedenen Bakterienmischungen vorbehandelt wurden. Ausgefüllte schwarze Kreise stellen ein vollständiges holidisches Medium oder das Vorhandensein bestimmter Bakterien in der Vorbehandlungsmischung dar. Offene schwarze Kreise zeigen das Fehlen spezifischer Bakterien in der Vorbehandlungsmischung an. Ile-Entzug wird als -Ile angegeben. Boxen repräsentieren oberes und unteres Quartil mit Median. n = 25–55. Die Signifikanz wurde mit dem Kruskal-Wallis-Test getestet, gefolgt von Dunns multiplem Vergleichstest. *** p<0,001. Die in dieser Abbildung verwendeten zugrunde liegenden Daten werden in S1-Daten bereitgestellt.

S8 Abb. Diagramm, das die Chronologie der diätetischen und mikrobiellen Manipulationen von Fliegen zeigt, die in Experimenten verwendet wurden.

S1 Tabelle. Detaillierte Genotypen von Fliegen, die in dieser Studie verwendet wurden.

S2-Tabelle. Rezept zur Erzeugung von HM, das in dieser Studie verwendet wurde.

Graue Felder zeigen manipulierte Nährstoffe an.

S3-Tabelle. Detaillierte Zusammensetzung von Aminosäurelösungen für HM, die in dieser Studie verwendet wurden.

S4 Tabelle. Nukleotidsequenz von Primern, die für qRT-PCR verwendet werden.

S1-Daten. Rohdaten, die zur Generierung aller Zahlen verwendet werden.


Einführung

Krebs ist eine komplexe Krankheit. Es gibt mehr als 100 verschiedene Krebsarten, die jedoch gemeinsame Merkmale aufweisen, einschließlich der Aufrechterhaltung der proliferativen Signalübertragung und der Umgehung von Wachstumssuppressoren [1, 2]. Der anabole und katabole Stoffwechsel von Krebszellen muss umprogrammiert werden, um ihre Proliferation und ihr Überleben zu erhalten, und kann sogar normale Zellen entführen, um eine Tumormikroumgebung (TME) für die Tumorentstehung zu schaffen und eine Immunzerstörung zu vermeiden [2]. Aufgrund der Anforderungen des Zellwachstums und des Bedarfs neu synthetisierter Proteine ​​als direkte Effektoren zellulärer Aktivitäten ist die Proteinbiosynthese der energieintensivste Prozess, der für

33 % des gesamten ATP-Verbrauchs [3,4,5]. Interessanterweise haben kumulierte Forschungsergebnisse gezeigt, dass Aminosäure-(AA)-Restriktionen bei Krebsinterventionen eine Rolle spielen, einschließlich Glycin-Restriktion [6], Serin-Entzug [7,8,9], Leucin-Entzug [10], Glutamin-Blockade [11, 12] , Asparagin [13] und Methionin [14]. Diese Erkenntnisse inspirieren und motivieren zu einer Reihe von Fragen. Gibt es eine gemeinsame und wirksame metabolische Intervention bei Krebs? Was ist für Aminosäuren (AAs) die am häufigsten verwendete AA in vivo? Auf welche AA-Restriktion reagiert die Zellproliferation am empfindlichsten? Welche Ernährungsstrategien gibt es praktisch zur Krebsbekämpfung?

Der AA-Stoffwechsel ist der führende energieverbrauchende Prozess

Die Verbrauchs- und Freisetzungsprofile von 219 Metaboliten gaben uns einen Einblick in die anabolen und katabolen Eigenschaften der NCI-60-Krebszelllinien [6]. Die Verbrauchsprofile von Krebszellen stellten den homogenen Bedarf an Energiestoffwechsel und Proteinsynthese dar, die lebenswichtige biologische Prozesse für die bösartige Vermehrung von Krebszellen sind. Zu den wichtigsten in Krebszellen verbrauchten Substraten gehörten Glucose und AAs wie Tryptophan, Tyrosin, Phenylalanin, Lysin, Valin, Methionin, Serin, Threonin, Isoleucin, Leucin und Glutamin [6]. Inzwischen zeigten die Freisetzungsmerkmale der NCI-60-Krebszelllinien den inhomogenen Katabolismus der Glykolyse und des Tricarbonsäure (TCA)-Zyklus [6].

Ein weiteres gemeinsames Merkmal der NCI-60-Krebszelllinien war die Freisetzung von Nukleotiden und Nukleobasen [6], was zeigte, dass Krebszellen Nukleobasen und Nukleotide nicht direkt für ihren Anabolismus konsumierten. Die RNA/DNA-Synthese ist der zweite energieverbrauchende Prozess, der etwa 25 % des gesamten ATP-Verbrauchs ausmacht [3, 4]. Es ist bekannt, dass Zellen AAs (einschließlich Asparat, Glutamin, Serin und Glycin, Abb. 1a) als Kohlenstoff- und Stickstoffressourcen für die Synthese von Nukleobasen verwenden können [15,16,17]. Folglich könnte der AA-Stoffwechsel von Krebszellen genutzt werden

33–58 % des Gesamtenergieaufwands (ATP) für die Proteinsynthese und RNA/DNA-Synthese (Abb. 1b). Aus systemischer Sicht könnte der Energieverbrauch des AA-Stoffwechsels die wichtige und potenzielle Rolle von AA-Restriktionen bei Krebsinterventionen ausreichend unterstreichen.

Außer als Bestandteile für die Proteinsynthese liefern AAs Kohlenstoff- und Stickstoffquellen für die Synthese von Nukleobasen und verbrauchen einen großen Teil des ATP. A. AS, einschließlich Asparat, Glutamin, Serin und Glycin, liefern die essentiellen Kohlenstoff- und Stickstoffquellen für die Synthese von Nukleobasen [15]. Diese in verschiedenen Farben hervorgehobenen Kohlenstoffe und Stickstoffe stellen ihre ursprünglichen Quellen dar, wie Asparat (braun), Glutamin (blau), Serin- und Folatzyklus (violett), Glycin (grün) und Bikarbonatradikal (braun). B. Die Anteile der ATP-verbrauchenden Prozesse in Thymozyten [3]. Der AA-Stoffwechsel kann bis zu

58 % des gesamten ATP-Verbrauchs einschließlich Proteinsynthese (

33 %) und Nukleotidsynthese (

Leucin ist das am häufigsten verwendete AA im menschlichen Proteom

Da die Aufnahme und der Metabolismus von AA die anspruchsvollsten biologischen Prozesse für das Wachstum von Krebszellen sind, könnte die am häufigsten verwendete AA für die Proteinsynthese ein potenzieller Kandidat für eine diätetische Einschränkung in der Krebstherapie sein. Somit wurden die Prozentsätze von 20 AAs für alle Proteine ​​im menschlichen Proteom (Uniport: UP000005640, Ergänzungstabelle 1) gezählt, sortiert und zum Vergleich vom größten zum kleinsten Prozentsatz aufgetragen ( 2a ). Wie gezeigt, ist Leucin die am häufigsten verwendete AA, Serin ist die zweitrangigste und Tryptophan ist die am wenigsten verwendete AA im menschlichen Proteom (Abb. 2).

Eine Zusammenfassung der AA-Häufigkeiten bei Menschen, Pflanzen und Tieren. AAs werden durch Einbuchstabencodes dargestellt: A - Alanin, C - Cystein, D - Asparaginsäure, E - Glutaminsäure, F - Phenylalanin, G - Glycin, H - Histidin, I - Isoleucin, K - Lysin, L - Leucin , M – Methionin, N – Asparagin, P – Prolin, Q – Glutamin, R – Arginin, S – Serin, T – Threonin, V – Valin, W – Tryptophan und Y – Tyrosin. A. Sortierte Prozentsätze von AAs in menschlichen Proteinen. Die Prozentsätze von 20 AAs für alle Proteine ​​im menschlichen Proteom (Uniport: UP000005640) wurden sortiert und vom größten zum kleinsten Prozentsatz aufgetragen. B. Sortierte Prozentsätze von EAAs in menschlichen Proteinen. Die willkürliche Anzahl von Proteinen im menschlichen Proteom ist aus Gründen der Übersichtlichkeit mit einer logarithmischen Skala aufgetragen, insbesondere Informationen zur EAA-Anreicherung. C. Ein 3D-Blasendiagramm für AA-Prozentsätze in den Proteomen von Mensch, Pflanze und Tier. Menschliche AA-Häufigkeiten werden als die Breite von Blasen dargestellt. D. Angereicherte GO-MF-Begriffe (P < 0,001) für Lysin-ERPs

Leucin ist ein essentielles AA (EAA), so dass es etwas unvorhergesehen ist, dass Leucin an erster Stelle steht. Leucin ist nicht nur für die Proteinsynthese notwendig, sondern fungiert auch als Signalmolekül, das das mechanistische Ziel der Rapamycin (mTOR)-Signalgebung durch Sestrin-2 aktiviert, das ein zytosolischer Leucinsensor ist [18,19,20,21]. Interessanterweise können EAAs idealerweise als Schlüsselsignal für die Verfügbarkeit von Aminosäuren fungieren. Leucin gehört zu den verzweigtkettigen AAs (BCAAs), die aufgrund der geringen Aktivität der BCAA-Aminotransferase nicht zuerst in der Leber abgebaut werden [22]. Folglich steigt Leucin im Kreislauf nach der Mahlzeit schnell an [22] und ist als wesentliches Ernährungssignal zur Reduzierung der Nahrungsaufnahme über die mTOR-abhängige Hemmung des hypothalamischen Agouti-verwandten Proteins leicht verfügbar (Agrp) Genexpression [23, 24].

Obwohl Leucin die AA mit der höchsten Anreicherung in Proteinen ist, zeigte der Leucinentzug bescheidene Auswirkungen auf menschliche Brustkrebszellen [10]. Die außergewöhnliche Fülle von Leucin im menschlichen Proteom könnte teilweise seine begrenzten Auswirkungen auf die Zellproliferation erklären, da Leucin in abgebauten Proteinen aus dem Lysosom austreten kann, um den Wachstumsbedarf zu decken [25].

Serin ist das zweithäufigste AA

Serin ist eine nicht essentielle AA (NEAA) und steht an zweiter Stelle. Der Serinstoffwechsel ist in Krebszellen verändert und verstärkt [26,27,28]. Der verstärkte Serinsyntheseweg könnte einen wesentlichen Beitrag leisten (

50%) zur Anaklerose von Glutamin zu α-Ketoglutarat für den mitochondrialen TCA-Zyklus [26]. Serinmangel induzierte Stress und förderte den p53-unabhängigen und p53-abhängigen metabolischen Umbau in Krebszellen [7]. Unter Serinmangel waren die Hochregulierung oder Verstärkung des de novo-Serinsynthesewegs und der oxidativen Phosphorylierung unabhängig von p53, während die Hemmung der Nukleotidsynthese von der p53-p21-Aktivierung abhängig war, so dass die begrenzte Menge an de novo-Serin zu Glutathion umgeleitet wurde Produktion für das Überleben von Krebszellen [7]. Daher könnte Serinmangel eine potenzielle Rolle bei der Behandlung von p53-defizienten Tumoren spielen.

Glycin-Einschränkung und -Ergänzung

Obwohl Glycin für die schnelle Vermehrung von Krebszellen wichtig sein könnte, indem es die de novo Purin-Nukleotid-Biosynthese unterstützt [6], hatte die Glycin-Restriktion allein nicht die gleiche nachteilige Wirkung auf Krebszellen wie der Serinmangel, was durch die Umwandlung zwischen Serin . erklärt werden könnte und Glycin im Ein-Kohlenstoff-Stoffwechsel durch Serin-Hydroxymethyl-Transferase (SHMT) [7, 16, 17], insbesondere das mitochondriale Glycin-Synthese-Enzym SHMT2 [6]. Interessanterweise zeigten die Verbrauchs- und Freisetzungsprofile der NCI-60-Krebszelllinien, dass Glycin unter den AAs das heterogenste Muster aufwies, das entweder verbraucht oder freigesetzt wurde, während Serin einen relativ homogenen Verbrauch zeigte [6]. Über die potenzielle Rolle der Glycin-Restriktion bei der Blockierung des schnellen Wachstums bestimmter Krebszellen hinaus wurde berichtet, dass die Nahrungsergänzung von Glycin auch das Wachstum bestimmter Arten von Tumoren wie Lebertumoren [29] und Melanomtumoren [30] hemmt. Daher könnte der heterogene Metabolismus von Glycin in Krebszellen für seine paradoxen Wirkungen verantwortlich sein.

Lysin ist eine besonders wichtige EAA

NEAA-Restriktionen spielen in der Krebstherapie eine begrenzte Rolle, da es De-novo-Synthesewege wie Serin gibt [7]. Daher wurden EAAs fokussiert und mit einer logarithmischen Skala aufgetragen, so dass wir eine genaue Ansicht der EAA-Anreicherungsprofile haben (Abb. 2b). Besonders hervorzuheben ist Lysin (Abb. 2b). Die AA-Zusammensetzungen (dargestellt in Prozent) von 14 Pflanzen und neun Tieren wurden analysiert, und die AA-Mediane und Standardabweichungen (SD) dieser Proteome wurden aufgetragen und mit den menschlichen AA-Häufigkeiten (dargestellt als Blasenbreite in Abb. 2c, Zusatztabelle 2 und 3). Die relativen Häufigkeiten von AAs in Pflanzen, Tieren oder Menschen waren mit feinen Unterschieden fast identisch, und Lysin rangierte in der mittleren oberen Ebene der AAs (Abb. 2c).

Diese EAA-reichen Proteine ​​könnten besonders anfällig für EAA-Beschränkungen sein, so dass die 3-Sigma-Obergrenze (Median + 3x SD) angewendet wurde, um außergewöhnlich reiche EAA-Proteine ​​(ERPs) zu sortieren. Die Anzahl der ERPs reichte von 604 bis 1298 für einzelne LGR (Ergänzungstabelle 4). Die durchschnittlichen Prozentsätze (im Median ± SD) von Lysin, Valin und Leucin im menschlichen Proteom betrugen 5,26 % ± 3,27, 5,88 % ± 2,50 bzw. 9,9 % ± 3,71 % (Abb. 2a). Im Vergleich dazu sind die durchschnittlichen Prozentsätze (im Median ± SD) von Lysin-ERPs (n = 918), Valin (n = 595) und Leucin-ERPs (n = 604) betrugen 16,99 % ± 3,65, 14,89 % ± 2,62 bzw. 23,28 % ± 4,5 % (Abb. 2b). Obwohl die Häufigkeit von Lysin im menschlichen Proteom nach Leucin und Valin an dritter Stelle rangierte ( 2a und c ), rangierte die Häufigkeit von Lysin-ERPs interessanterweise nur nach Leucin ( 2b ) an zweiter Stelle. Der niedrigste durchschnittliche Prozentsatz von ERPs war Tryptophan-ERP (6,05% ± 1,86%, n = 1298) (Abb. 2b).

ERPs wurden ferner für die funktionale Anreicherungsanalyse mit dem Webserver von g:Profiler [31] ausgewählt. Zu unserer Überraschung erreichte kein Begriff der Genontologie – Molekulare Funktion (GO-MF) die signifikante Schwelle (P < 0,001) für Leucin, wohingegen Lysin-ERPs eine Reihe von angereicherten GO-MF-Termen zeigten, einschließlich DNA/RNA/Chromatin-Bindung, struktureller Bestandteil des Ribosoms, Nukleosom-Bindung und so weiter ( 2d ). Zusammen legten diese nahe, dass Lysin und seine ERPs für die Zellfunktionen sehr wichtig sind und dass das Zellwachstum für Lysin-Restriktion besonders anfällig sein könnte. Tatsächlich könnte ein Lysinmangel die Proliferation von entweder p53-kompetenten oder p53-defizienten Krebszellen vollständig blockieren [7].

Wichtig ist, dass Kwashiorkor eine schwere Proteinmangelernährungskrankheit im Kindesalter ist, die mit einem Lysinmangel bei normaler Maisdiät einhergeht [32]. Normaler Mais hat mehr Protein als Reis, enthält jedoch einen geringen Gehalt an zwei EAAs – Lysin und Tryptophan, die zu einem Ungleichgewicht von Aminosäuren und Mangelernährung führen [32, 33]. Heutzutage wird Mais als eines der täglichen Grundnahrungsmittel bioangereichert und als Qualitätsproteinmais (QPM) bezeichnet. QPM enthält eine undurchsichtig-2 Gen. Die undurchsichtig-2 Gen kodiert einen Transkriptionsaktivator, sodass QPM mehr Lysin- und Tryptophan-reiche Proteine ​​exprimiert [33]. In dem Bericht von Williams über Kwashiorkor, der erstmals 1933 veröffentlicht und 1983 erneut veröffentlicht wurde, wurden fünf Fälle detailliert beschrieben, alle Fälle hatten in der Vorgeschichte keine Stillzeit und wurden nur mit der Nahrung gefüttert, die aus normalem Mais zubereitet wurde (Maniok wurde auch in Fällen verwendet) 5) die Entwicklung der Kwashiorkor-Krankheit bei diesen Kindern dauerte 4 bis 12 Monate [32]. Entsprechend der Häufigkeit von Lysin und Tryptophan, wie in Abb. 2 gezeigt, könnte ein Lysinmangel die Hauptursache für Kwashiorkor sein, da der durchschnittliche Anteil von Tryptophan in Proteinen 1,17% ± 1,3% (Median ± Standardabweichung) betrug und signifikant geringer als die Häufigkeiten von andere AAs (Abb. 2).

Neben den wichtigen Funktionen von Lysin-ERPs und den oben diskutierten wachstumshemmenden Effekten des Lysinmangels ist Lysin auch eine vielseitige AA, die durch verschiedene Modifikationen wie Methylierung, Acetylierung, Phosphorylierung, Malonylierung, Ö-GlcNAcylierung, SUMOylierung, Ubiquitinierung und Lactoylierung, insbesondere der Lysinreste in Histonen [34,35,36]. Diese posttranslationalen Modifikationen von Lysin und seinen ERPs regulieren die Strukturen und Funktionen von Enzymen, um das funktionelle Proteom zu erweitern [36], stellen das Crosstalk zwischen Metabolismus und Epignom dar [37] und verknüpfen auch Zellsignalisierung und metabolische Rekonfiguration mit Zellproliferation und -differenzierung [38]. All dies unterstützt somit, dass Lysin eine wichtige EAA ist, seine ERPs und ihre Modifikationen spielen eine unverzichtbare Rolle bei der Homöostase, Proliferation, Differenzierung und Krankheiten einschließlich Mangelernährung und Krebs. Allerdings sind die Forschungs- oder klinischen Daten zur Lysin-Restriktion bei Krebsinterventionen bisher sehr begrenzt und verdienen elegantere Bemühungen.

Tryptophan ist die am wenigsten verwendete und verfügbare EAA

Tryptophan ist eine interessante und einzigartige AA, die am wenigsten verwendet wird (Abb. 2a) und auch die am wenigsten verfügbare AA aus tierischen oder pflanzlichen Lebensmitteln (Abb. 2c). Als EAA kann Tryptophan nicht in vivo synthetisiert werden und muss über die Nahrung aufgenommen werden. Diese besondere Eigenschaft von Tryptophan gab seiner zusätzlichen Rolle darüber hinaus eine Notwendigkeit bei der Proteinsynthese. Zum Beispiel könnte das Immunsystem den Tryptophanabbau induzieren, um das Wachstum bestimmter Krebszellen zu hemmen [39] über Interferon-gamma (IFN-γ), das die Tryptophan-katabolisierende Aktivität der Indolamin-2,3-Dioxygenase (IDO) hochreguliert [40]. In der Zwischenzeit könnten Krebszellen den gleichen Mechanismus nutzen, um die Immunantwort bei TME zu behindern und ihnen zu entgehen [41, 42]. Folglich zeigten die klinischen Studien zu IDO-Inhibitoren Einschränkungen und Off-Target-Effekte aufgrund des vielschichtigen Tryptophan-Metabolismus [43].

Der Tryptophan-Metabolismus ist möglicherweise der komplizierteste unter den AAs und war an der Regulierung der Immunität, der neuronalen Funktion und der intestinalen Homöostase beteiligt [44]. Mehrheitlich (

95%) des absorbierten Tryptophans über den Kynurenin-Weg abgebaut, bei dem IDOs und Tryptophan-2,3-Dioxygenase (TDO) die wichtigsten geschwindigkeitsbestimmenden Enzyme waren. Neben der Verwendung zur Proteinsynthese wurde ein kleiner Anteil von Tryptophan durch Tryptophanhydroxylase (TPH) zur Produktion von Serotonin (5-Hydroxytryptophan, 5-HT) und Melatonin katabolisiert. Tryptophan und seine Metaboliten wurden von verschiedenen Organen und Zellen verwendet und katabolisiert, um weiter bioaktive Metaboliten zu erzeugen, einschließlich neuroprotektiver Kynurensäure durch Astrozyten, neurotoxischer Chinolinsäure durch Mikroglia, Neuromodulator Tryptamin, immunsuppressive Metaboliten (wie 3-Hydroxykynurenin, 3-Hydroxyanthranilsäure und Xanthurensäure) [42, 44]. Der durch IFN-γ induzierte Katabolismus von Tryptophan in Krebszellen und Makrophagen zeigte, dass sich die Kataboliten von Tryptophan in Kynurenin, Anthranilsäure und 3-Hydroxyanthranilsäure unterschieden [40].

Tryptophan wurde hauptsächlich durch TDO in der Leber abgebaut, dann zu Acetoacetyl-CoA oxidiert und zur Synthese von Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD + ) verwendet [44]. Somit zeigten TDO-Knockout-Mäuse erhöhte Tryptophanspiegel im Plasma und 5-HT im Hippocampus und Mittelhirn und zeigten somit eine anxiolytische Modulation und adulte Neurogenese [45], was mit den kumulierten Beweisen über die Rolle von 5-HT in der Neurogenese übereinstimmt und Antidepression von uns kürzlich intensiv besprochen [46, 47]. Es war auch schon vor Jahrzehnten bekannt, dass 5-HT an der Nahrungsaufnahme und der Stimmung beteiligt ist [48], und neuere Forschungen konzentrierten sich auf die funktionelle Modulation von 5-HT6 Rezeptor einschließlich seiner Agonisten und Antagonisten [49, 50]. Sowohl die Agonisten als auch die Antagonisten von 5-HT6 Rezeptor könnte die Nahrungsaufnahme reduzieren [49, 50], was darauf hindeutet, dass die Aktivierungskurve von 5-HT6 Der Rezeptor hatte wahrscheinlich die Form einer Glocke und dass eine angemessene Konzentration von 5-HT die Nahrungsaufnahme durch 5-HT . erhöhen könnte6 Rezeptor. Kurz gesagt, der Tryptophanstoffwechsel und seine Kataboliten spielten unter physiologischen Bedingungen eine aktive Rolle bei der Proliferation, Immunität, Neurogenese, Angst, Depression und Nahrungsaufnahme.

Methionin ist die vorletzte EAA (Abb. 2b,c)

Methionin ist essentiell für die Initiation der Proteinsynthese, während im mitochondrialen Folatzyklus erzeugte N-Formylmethionin-tRNA der Initiator der mitochondrialen Proteinsynthese ist [51] (Abb. 3). SAM stellt die Methylgruppe für die epigenetische Modifikation bereit. Der Methioninzyklus, der mit dem mitochondrialen Energiestoffwechsel gekoppelt ist, produziert SAM, so dass SAMTOR nicht nur Methionin, sondern auch Ein-Kohlenstoff-Ressourcen und Energieniveaus wahrnehmen kann. Der Methionin-Zyklus und der Folat-Zyklus sind zwei miteinander verbundene und am Ein-Kohlenstoff-Stoffwechsel beteiligte Funktionsmodule [16, 17, 52]. Serin fungiert als Ein-Kohlenstoff-Donor und Tetrahydrofolat (THF) dient als Ein-Kohlenstoff-Rezeptor im Folatzyklus [17]. Bei der Methioninsynthase-Reaktion (Vitamin B12 als essentieller Cofaktor) spendet Methyl-THF seine Methylgruppe über Vitamin B12 zu Homocystein, um Methionin und THF zu produzieren [53]. Der Ein-Kohlenstoff-Stoffwechsel von Krebszellen kann mehrere Kohlenstoffquellen mobilisieren, einschließlich Glukose, Serin, Threonin, Glycin, Formiat, Histidin und Cholin [52]. Die Synthese von Pyrimidin- und Purinnukleotiden erfordert Kohlenstoff- und Stickstoffquellen, die auf dem AA-Stoffwechsel und dem Folatzyklus in Übereinstimmung mit dem Energiestoffwechsel und den Aktivitäten der Mitochondrien beruhen [15]. Im Folatzyklus ist THF ein wesentlicher Faktor für die Nukleotidsynthese und das Überleben von Krebszellen, und Formyl-THF dient als Ein-Kohlenstoff-Reserve [52]. Offensichtlich ist der Ein-Kohlenstoff-Stoffwechsel für mehrere physiologische Prozesse (Abb. 3) essentiell, einschließlich des Nukleotid-Stoffwechsels (insbesondere der Purin-Synthese), Glutathion (synthetisiert aus Glutamat, Cystein und Glycin) und der NAPDH-Synthese für die antioxidative Abwehr [15, 52]. Folglich waren der Ein-Kohlenstoff-Stoffwechsel und der Nukleotid-Stoffwechsel verändert und an den Auswirkungen der Restriktionen von Glycin, Serin und Methionin beteiligt [6, 7, 14]. Interessanterweise hat die Nahrungsergänzung mit Histidin den Histidin-Abbauweg zum Abbau von THF hochreguliert und dann die Empfindlichkeit von Krebszellen gegenüber Methotrexat, einem Inhibitor der Dihydrofolat-Reduktase für die THF-Synthese, erhöht [54].

Ein Schema von AA-Sensoren und Signalgebung im Stoffwechsel. Sestrin-2 und LRS sind zytosolische Leucinsensoren Arginin hat auch zwei Sensoren: einen Zytosolsensor – CASTOR1 und einen lysosomalen Sensor – SLC38A9 Methionin wird indirekt vom SAM-Sensor erfasst – SAMTOR Arf-1 leitet die Glutaminsignale für die mTORC1-Aktivierung weiter. Der Methionin-Zyklus und der Folat-Zyklus sind zwei miteinander verbundene und am Ein-Kohlenstoff-Stoffwechsel beteiligte Funktionsmodule, die an der mitochondrialen Proteinsynthese, Nukleotid-Stoffwechsel, Glutathion- und NAPDH-Synthese beteiligt sind. AA-Mangel wird von GCN2 durch Bindung an ungeladene tRNA erkannt. Die GCN2-Aktivierung unterdrückt die Translation der meisten mRNAs, erhöht jedoch selektiv die Translation von ATF4/GCN4. IFN-γ reguliert die Tryptophan-katabolisierende Aktivität von IDO, während TGF-β ARG1 in Makrophagen aktivieren kann. Der Abbau von Tryptophan oder Arginin führt über die GCN2-Aktivierung zum proliferativen Arrest, Anergieinduktion oder Apoptose von T-Zellen. ATF4 kann den AA-Stoffwechsel hochregulieren, einschließlich AA-Synthetasen (einschließlich Asparagin und Serin), Transportern (wie Glutamin) und Sensoren (Sestron-2) für die Krebszellproliferation. Die rot markierten Wörter repräsentieren die hochregulierten biologischen Prozesse in Krebszellen. LRS: Leucyl-tRNA-Synthetase SAM: S-Adenosylmethionin TPH: Tryptophan-Hydroxylase IDO: Indolamin-2,3-Dioxygenase TDO: Tryptophan-2,3-Dioxygenase Arf-1: ADP-Ribosylierungsfaktor 1 IFN-γ: Interferon-gamma TGF-β: Transformation des Wachstumsfaktors Beta

AA-Signalgebung im Stoffwechsel und darüber hinaus

Es gibt zwei Aminosäure-sensierende Kinasen: mTOR-Komplex 1 (mTORC1) und allgemeine Kontrolle, nicht dereprimierbar 2 (GCN2). Die bahnbrechenden Erkenntnisse über AA-Sensoren und -Signalgebung wurden in den letzten 5 Jahren entwickelt (Abb. 3). Abgesehen davon, dass Sestrin-2 als der oben erwähnte Leucinsensor identifiziert wurde [18, 19], wurden kürzlich Fortschritte bei AA-Sensoren als Teil der mTOR-vermittelten Nährstoff- und Wachstumssignalisierung überprüft [20, 21, 55]. Arginin hat, kurz gesagt, zwei Sensoren: Ein Cytosolsensor ist ein zellulärer Argininsensor für mTORC1 (CASTOR1) [56, 57] und SLC38A9 ist ein lysosomaler Argininsensor [58, 59]. Methionin wird indirekt als S-Adenosylmethionin (SAM) wahrgenommen, das vom SAM-Sensor vor mTORC1 (SAMTOR) wahrgenommen wird [60]. Der ADP-Ribosylierungsfaktor 1 (Arf-1) leitet die Glutaminsignale an die mTORC1-Aktivierung weiter, die von den Rag-GTPasen unabhängig ist [61].

Angesichts der Bedeutung von Lysin und seinen ERPs könnte der Lysinsensor ein verbleibendes fehlendes Teil des Puzzles sein (Abb. 3). Lysyl-Transfer-RNA (Lysyl-tRNA)-Synthetase (KRS) könnte als einer der potentiellen Lysin-Sensoren fungieren, da diese KRS nicht-kanonische Rollen als sezernierendes oder nukleus-translatierbares Signalmolekül bei der Immunantwort hat [62, 63]. Interessanterweise wurde die Leucyl-tRNA-Synthetase (LRS) als intrazellulärer Leucinsensor nachgewiesen [64, 65]. Darüber hinaus wurden die nichtkanonischen Aktivitäten von Aminoacyl-tRNA-Synthetasen für die Methionyl-tRNA-Synthetase, die die rRNA-Biogenese stimuliert [66], die Glutaminyl-tRNA-Synthetase, die Apoptose blockiert [67], die Tyrosyl-tRNA-Synthetase [68] und die Tryptophanyl-tRNA-Synthetase [69, 70] berichtet ] als Zytokine wirken.

Wie gerade erwähnt, gibt es zwei Aminosäure-sensierende Kinasen: mTORC1 und GCN2. Die Verfügbarkeit von AAs wird von ihren Sensoren zur Aktivierung der mTORC1-Signalisierung wahrgenommen. Dagegen wird ein AA-Mangel von GCN2 durch Bindung an ungeladene tRNA erkannt (Abb. 3). GCN2 bleibt unter normalen Bedingungen phosphoryliert und unter AA-Aushungern mit einer höheren Affinität zu tRNA dephosphoryliert [71].Folglich unterdrückt die GCN2-Aktivierung durch ungeladene tRNA die Translation der meisten mRNAs über die Phosphorylierung des eukaryotischen Initiationsfaktors 2 alpha (eIF2α), erhöht aber selektiv die Translation des aktivierenden Transkriptionsfaktors 4 (ATF4, sein Hefeortholog GCN4) [72, 73]. ATF4, ein transkriptioneller Hauptregulator des AA-Stoffwechsels und der Stressreaktionen (Abb. 3), kann den AA-Stoffwechsel einschließlich AA-Synthetasen (einschließlich Asparagin und Serin), Transporter (wie Glutamin) und Sensoren für die Krebszellproliferation durch die Zusammenarbeit von KDM4C hochregulieren. vermittelte H3K9-Demethylierung und ATF4-vermittelte Transaktivierung [74, 75]. Unter AA-Entzug induziert GCN2 die Expression von Sestrin-2 über ATF4, um die Hemmung der mTOR-Signalgebung aufrechtzuerhalten [74].

Der anabole und katabole Stoffwechsel von Krebszellen wurde umprogrammiert, um ihre Proliferation und ihr Überleben zu erhalten. Daher war es möglich, dass Krebszellen über mehrere Signalwege, wie z Katabolismen wie BCAA [76]. Folglich sollte man sich bewusst sein, dass die Einschränkung dieser AAs normale Zellen stärker stören kann als Krebszellen und zu Nebenwirkungen führen kann, wie z. [11, 12]. Auf der anderen Seite ist TME relativ isoliert, so dass normale Zellen, insbesondere Immunzellen, Vorrang haben könnten, diese eingeschränkten und begrenzten AAs wie Lysin aus dem Blutkreislauf aufzunehmen.

AA-Stoffwechsel bei Immunevasion und -reaktion

Wie im Tryptophan-Abschnitt erwähnt, wurde der Entzug des niedrigsten verfügbaren EAA-Tryptophans (Fig. 2) entweder vom Immunsystem zur Abwehr oder von Krebszellen zur Immunabwehr bei TME ausgenutzt. Zusätzlich zur Hochregulierung der Tryptophan-katabolisierenden Aktivität von IDO durch IFN-γ [40] reduzierte die Transformation des Wachstumsfaktors Beta (TGF-β) die Stickoxid-Synthase (NOS) und stimulierte die Aktivität von Arginase 1 (ARG1) in Makrophagen [77]. Der abnorme Katabolismus von Tryptophan und Arginin ist ein häufiges Kennzeichen von TME [42]. Der Abbau von Tryptophan [78] oder Arginin [79, 80] führte über die GCN2-Aktivierung zum proliferativen Arrest, Anergieinduktion oder Apoptose von T-Zellen [79, 81]. Arginin- und Tryptophan-Katabolismus waren in IFN-γ-geprimten Makrophagozyten funktionell verwandt. Der Arginin-Katabolismus verringerte den Verbrauch von Tryptophan, da durch NOS erzeugtes Stickstoffmonoxid die Aktivität von IDO in mononukleären Zellen oder von Monozyten abgeleiteten Makrophagen hemmt [82]. Krebszellen mit der Expression von IDO rekrutierten und aktivierten Myeloid-derived Suppressor Cells (MDSCs) bei TME zur Immunsuppression [83]. MDSCs mit hoher ARG1-Aktivität depletierten Arginin und beeinträchtigten die T-Zell-Proliferation und Zytokinproduktion, was für die Tumorevasion verantwortlich ist [80].

Interessanterweise führte eine Erhöhung der extrazellulären Tryptophankonzentration zu einer linearen Induktion des Tryptophankatabolismus durch Makrophagen, verringerte jedoch den Tryptophankatabolismus in den meisten Krebszellen signifikant [40]. Während extrazelluläres Tryptophan den Metabolismus von dermalen Fibroblasten nicht beeinflusste, was dem Tryptophanspiegel als dem am wenigsten verwendeten AA entsprach (Abb. 2). Unter den immunsuppressiven Metaboliten von Tryptophan, die im Abschnitt Tryptophan erwähnt werden, kann Xanthurensäure die Sepiapterin-Reduktase hemmen, um die Synthese von Tetrahydrobiopterin (BH4) zu blockieren, das ein essentieller Cofaktor für aromatische Aminosäure-Hydroxylasen und NOS ist und auch für die T-Zell-Proliferation erforderlich ist [84 ]. Zusammenfassend könnten diese Ergebnisse zusammenfassend darauf hindeuten, dass Nahrungsergänzungsmittel mit Tryptophan und Arginin mit BH4 das Potenzial haben, die Immunität gegen Krebs zu verbessern.

Neben der Induktion des Tryptophanabbaus zur Hemmung des Zellwachstums hemmte IFN-γ insbesondere das Tumorzellwachstum umfassender durch die Verarmung von NAD + über die Aktivierung von Poly(ADP-Ribose)-Polymerase-Familienmitglied 1 (PARP1), das auch als Adenosin . bekannt war Diphosphat-Ribosyl-Transferase (ADPRT) [39]. Beide durch IFN-γ induzierten Hemmmechanismen schienen empfindlich gegenüber reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) und umgekehrt proportional zu den Glutathionkonzentrationen zu sein [39]. Dies könnte darauf hindeuten, dass diätetische Einschränkungen von Serin, Glycin, Cystein oder Glutamat die inhibitorische Wirkung von IFN-γ durch eine Verringerung des intrazellulären Glutathions verstärken könnten, was damit übereinstimmt, dass die Manipulation von ROS die Reaktionen von Tumoren auf ROS und das Überleben von Krebszellen unter Serin . modulieren könnte und/oder Glycinmangel [7, 9]. Darüber hinaus könnte die Nahrungsergänzung von Tryptophan die Proliferation von Immunzellen verstärken, aber die hemmende Wirkung von IFN-γ, insbesondere über die NAD + -Verarmung in Krebszellen, nicht stark beeinflussen.

Ernährungsstrategien für die Krebstherapie

Vom Standpunkt des Energieverbrauchs und des Anabolismus für das Zellwachstum könnte eine AA-Restriktion eine wirksame metabolische Intervention bei Krebs sein, da der Energieverbrauch (ATP) des AA-Stoffwechsels bis zu beträgt

58 % für Protein- und Nukleotidsynthesen (Abb. 1). Obwohl Leucin die am häufigsten verwendete AA bei Mensch, Pflanze und Tier ist (Fig. 2), ist eher Lysin als Leucin wahrscheinlich die AA, auf die die Deprivationszellproliferation am empfindlichsten reagiert. Auf Zell- und Krankheitsebene wurde die Größe des Lysinwerts dadurch gezeigt, dass die Lysinrestriktion die Proliferation von Krebszellen vollständig blockierte [7] und dass ein Lysinmangel eine menschliche Mangelernährungskrankheit bei Kindern verursachte - Kwashiorkor [32]. Die Tumorprogression repräsentiert das Überleben und das Auswachsen von Krebszellen aus dem Kampf mit normalen Zellen und dem Immunsystem bei TME. Es ist möglich, durch eine wirksame metabolische Intervention zur Hemmung der Proliferation von Krebszellen Zeit zu gewinnen, um das Ausmaß des Kampfes zugunsten von Immunantworten gegen Krebs zu ändern. Bei Lysin-Restriktion kann es sicher sein, intermittierend über Tage oder Wochen, sogar 1 oder 2 Monate, angewendet zu werden, da die Krankheitsentwicklung von Kwashiorkor 4–12 Monate dauerte. Folglich könnte die intermittierende diätetische Lysinrestriktion den Wert und das Potenzial als praktisch verfügbare diätetische Strategie für die Krebstherapie haben.

AA-Zusammensetzungen in Lebensmitteln

Aus praktischer Sicht ist eine wertvolle diätetische Intervention mit täglichen Nahrungsmitteln sehr praktisch für die Krebsprävention oder -therapie. Daher wurden AA-Zusammensetzungen von Lebensmitteln von der Website der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation (FAO) der Vereinten Nationen gesammelt, darunter „Amino-acid content of food and biologisch data on Proteins“ [85] und „Aminosäurezusammensetzung von verfügbaren Futtermitteln“. auf den Philippinen“ der „Tabelle 46 im Aquakulturfutter- und Düngemittelressourcenatlas der Philippinen“ [86]. Die FAO-Informationen (Ergänzungstabelle 5) einschließlich

300 Lebensmittel wurden integriert, zusammengefasst und als Heatmap für die Visualisierung und den Vergleich der AA-Abundanzen in 11 FAO-Lebensmittelbegriffen dargestellt (Abb. 4a), wobei das Grün eine geringe Menge an AAs darstellte, während das Rot die Anreicherung von AAs darstellte. Die AA-Heatmap hat eindeutig gezeigt, dass einige FAO-Begriffe fast alle einen geringen Proteingehalt enthalten, einschließlich Stärkewurzeln und -knollen, Gemüse oder Obst (Abb. 4a und b).

AA-Abundanzen für 11 FAO-Begriffe und einige gängige Lebensmittel für AA-Restriktionsstrategien. AAs werden durch Ein-Buchstaben-Codes wie in Abb. 2 dargestellt. A. Die Heatmap für

300 Lebensmittel in 11 FAO-Begriffen. Das Grün repräsentierte eine geringe Häufigkeit von AAs, während das Rot die Anreicherung von AAs repräsentierte. Die AA-Heatmap zeigt, dass einige FAO-Begriffe fast alle einen geringen Proteingehalt enthalten, einschließlich Stärkewurzeln und -knollen, Gemüse oder Obst. B. Gewöhnliche Lebensmittel, die unter diesen FAO-Begriffen ausgewählt wurden, haben wenig Protein. Diese proteinarmen Lebensmittel (keine vollständige Liste) werden kardiert und als Proben für AA-Restriktionsstrategien empfohlen. QPM (Mais undurchsichtig-2) ist keine Empfehlung für die AA-Beschränkung, sondern wird als Referenz für die AA-Häufigkeit verwendet. Normaler Mais, der als Futtermittel aus den Philippinen, China und den USA verwendet wird, hat alle einen geringen Lysingehalt, dessen Häufigkeit etwa ein Sechstel des Wertes in QPM beträgt, und Tryptophan-Häufigkeit in normalem Mais beträgt etwa die Hälfte des Wertes in QPM. Die aufgeführten Stärkewurzeln und -knollen, Gemüse und Obst eignen sich alle gut für AA-Restriktionsstrategien, insbesondere für Pilze wie Immunernährung

Praktische diätetische AA-Einschränkung

Aufgrund des Mangels an Lysin und Tryptophan wird heute hauptsächlich normaler Mais als Futtermittel verwendet, wie beispielsweise auf den Philippinen. In Abb. 4b ist QPM (Mais undurchsichtig-2) dient als Referenz für AA-Häufigkeiten (Abb. 4b). Normaler Mais aus den Philippinen, China und den USA weist alle einen geringen Lysingehalt auf, dessen Abundanz etwa ein Sechstel des Wertes in QPM beträgt (Fig. 4b), und der Tryptophan-Abundanz in normalem Mais beträgt etwa die Hälfte des Wertes in QPM. In Anbetracht der möglichen Anwendung der intermittierenden Lysin-Restriktion in der Krebsprävention oder -therapie könnte normaler Mais als intermittierendes Grundnahrungsmittel für Tage oder Wochen zur Lysin-Restriktion medizinischen Wert haben und gleichzeitig eine Proteinmangelernährung vermeiden. Darüber hinaus werden in Abb. 4b einige gängige stärkehaltige Lebensmittel, Gemüse und Obst in diesen FAO-Begriffen ausgewählt und empfohlen, die als Ergänzungsnahrung zur Deckung des täglichen Mikronährstoffbedarfs und für eine reichhaltige und abwechslungsreiche Ernährung dienen können.

Neben der intermittierenden diätetischen Einschränkung von Lysin bei normalem Mais ist eine intermittierende Bulbus-AA-Restriktion auch praktisch durchführbar und vorteilhaft durch gut dokumentiertes intermittierendes Fasten [87,88,89,90] oder die Verwendung der üblichen Lebensmittel in Abb. 4b außer Getreide und Getreide Produkte mit großer Vorsicht bei Proteinmangelernährung. Wie oben zusammengefasst, haben verschiedene AA-Restriktionen verschiedene Wirkungen auf Krebszellen, einschließlich Proliferationshemmung, Metastasenunterdrückung (wie Asparagin-Restriktion) [13], Empfindlichkeit gegenüber Chemotherapeutika und Immun-Escape. Auf der anderen Seite haben verschiedene AA-Ergänzungen auch positive Auswirkungen auf die Krebsbehandlung, wie Glycin zur Hemmung bestimmter Krebszellen (einschließlich Melanom und Lebertumoren) und Nahrungsergänzung mit Histidin zur Erhöhung der Empfindlichkeit gegenüber Methotrexat. Nahrungsergänzungsmittel von Tryptophan und Arginin mit BH4 können die Immunität gegen Krebs verbessern.

Krebskachexie

Es wurde geschätzt, dass Krebskachexie, ein komplexes metabolisches Syndrom, verantwortlich ist für

20 % der Todesfälle von Krebspatienten, insbesondere bei einem Gewichtsverlust von 30 % [91]. Es wurde geschätzt, dass

50–86 % der Krebspatienten würden schließlich ein Kachexie-Syndrom mit Anorexie erleiden [92]. Bei Krebskachexie waren die AA-Spiegel niedrig [93, 94]. Eine Standardbehandlung von Patienten mit Krebskachexie bleibt schwer fassbar [95], und Ernährungsinterventionen ohne Standardkriterien zeigten heterogene und begrenzte positive klinische Ergebnisse, aber einige Verbesserungen der Lebensqualität [96]. Mit einer kühnen Vermutung ist die Krebskachexie wahrscheinlich eine schwere Art der globalen AA-Restriktion, die über einen langen Zeitraum hinweg erlitten wurde, was eine ultimative Strategie sein könnte, die der eigene Organismus von Patienten zur Bekämpfung von Krebs verwendet. Basierend auf dem zusammengefassten AA-Signalweg und Stoffwechsel könnten Nahrungsergänzungsmittel mit Arginin, Methionin und Lysin besonders wichtig und notwendig sein, um die Proteinsynthese über die Aktivierung des mTOR-Signalwegs bei Krebskachexie zu stimulieren. Die Ergänzung oder Einschränkung von Leucin muss sorgfältig überlegt werden, da Leucin als wichtiges Hemmsignal für die Nahrungsaufnahme fungiert, eine unverzichtbare Rolle bei der Aktivierung des mTOR-Signalwegs spielt und die am stärksten angereicherte AA in abgebauten und recycelten Proteinen ist. Eine angemessene Menge des Nahrungsergänzungsmittels Tryptophan könnte hilfreich sein, um die Anorexie bei Patienten mit Krebskachexie zu verbessern, da Tryptophan-Metaboliten bei der Nahrungsaufnahme und der Stimmung eine Rolle spielen.

Es gibt mindestens fünf Arten von Diäten, die bei Krebspatienten beliebt sind, darunter die alkalische, paläolithische, ketogene, vegane und makrobiotische Diät [97]. Als Zick et. al. Zusammengefasst fehlten diesen Diäten solide wissenschaftliche Begründungen oder überzeugende Beweise für positive Auswirkungen auf Krebs [97]. Krebspatienten, die diese Diäten über einen langen Zeitraum verfolgten, würden an verschiedenen Nährstoffmangelerscheinungen leiden [97], wie z. B. Vitamin D und Vitamin B12, die für die Calciumhomöostase bzw. die Aufrechterhaltung des Ein-Kohlenstoff-Stoffwechsels notwendig sind. Ein gemeinsames Verdienst dieser Diäten war, dass alle den Schwerpunkt auf den Verzehr von Gemüse legten, was den umfassenden Ernährungsrichtlinien des World Cancer Research Fund/American Institute of Cancer Research (WCRF/AICR) entsprach [98]. In den WCRF/AICR-Empfehlungen [98] wurde empfohlen, „eine Ernährung mit viel Vollkorn, Gemüse, Obst und Bohnen zu essen“, „den Konsum von rotem und verarbeitetem Fleisch zu begrenzen“ und so weiter. Insgesamt entsprechen die Ernährungsstrategien der intermittierenden Lysin-Restriktion oder der intermittierenden Bulbus-AA-Restriktion (wie intermittierendes Fasten) weitgehend diesen Regeln, wobei der Proteinmangelernährung besondere Aufmerksamkeit gewidmet wird. Es bleibt jedoch bisher unklar, wie viel Nutzen von Gemüse bei der Krebsbekämpfung durch seine geringe Proteinhäufigkeit beigetragen werden könnte (Abb. 4b).

Diätetische Immunmodulatoren

Auch hier gilt das Sprichwort „Die beste Verteidigung ist ein guter Angriff“: Die Stärkung des Immunsystems ist ein guter Angriff, während der Stopp der Krebsproliferation mit AA-Restriktion relativ defensiv ist. Es wird das Ausmaß des Kampfes gegen Krebszellen weiter auszeichnen, wenn das Immunsystem gleichzeitig mit wirksamen Stoffwechselinterventionen gestärkt werden kann.

Die Immunernährung wird seit Jahrzehnten untersucht, darunter Arginin, Glutamin, Cystein, n-3-Fettsäuren, Nukleotide, Vitamine und Spurenelemente [99]. Laut der neuesten systematischen Übersicht und Metaanalyse [100] reduzierte die Immunernährung allein jedoch nicht die Gesamtmortalität von Krebspatienten, reduzierte jedoch postoperative Infektionskomplikationen. 1998 vermutete Vanderhoof die immunmodulatorische Wirkung von Kohlenhydraten, die zu dieser Zeit wenig Aufmerksamkeit und wenig Literatur hatte [101]. Vanderhoof wies darauf hin, dass „die meisten der nicht energiebezogenen Wirkungen von Kohlenhydraten mit der Produktion von kurzkettigen Fettsäuren (SCFA) in Verbindung gebracht werden können“. Interessanterweise könnten sich aktivierte T-Zellen im Gegensatz zur Hemmung des Glutamin-verwerteten Metabolismus in Krebszellen an die Glutaminblockade durch Hochregulierung des Acetatstoffwechsels anpassen, um die Energie (insbesondere ATP) und die NADPH-Homöostase aufrechtzuerhalten [12]. Die Anpassungsfähigkeit von T-Zellen legte nahe, dass SCFAs (einschließlich Acetat, Propionat und Butyrat) zur Aufrechterhaltung des Stoffwechsels von Immunzellen unter AA-Restriktion verwendet werden könnten, und lieferte auch eine Erklärung für die immunmodulatorische Wirkung von Kohlenhydraten, insbesondere Oligosacchariden und Ballaststoffen [101 , 102]. Die meisten Körner (einschließlich Weizen, Roggen und Gerste) enthalten unlösliche Ballaststoffe, während Hafer hauptsächlich einen löslichen Ballaststoff in Form von β-Glucan enthält [101]. Diese löslichen oder unlöslichen Ballaststoffe können die hohe Produktion von SCFAs (Acetat

60%) im Blinddarm und proximalen Dickdarm [102]. β-Glucane, eine Gruppe von Polysacchariden, die auch in der Zellwand von Bakterien und Pilzen wie Pilzen reich ist, haben starke immunmodulatorische Wirkungen bei der Krebskontrolle [103,104,105]. Pilze, die reich an β-Glucan sind, können auch als Ballaststoffquelle dienen [106] und zur AA-Restriktion (Abb. 4b).

Pilze werden seit Jahrhunderten in der Traditionellen Chinesischen Medizin (TCM) verwendet. Heutzutage werden Extrakte aus verschiedenen Pilzen zur Krebstherapie verwendet, darunter Lentinan aus Shiitake-Pilzen bei Magenkrebs und Polysaccharid Krestin aus Trametes versicolor bei Brust-, Verdauungstrakt- und Lungenkrebs [105, 107]. Wichtig ist, dass die TCM immunmodulatorische Wirkungen bei der Prävention und Behandlung des schweren akuten respiratorischen Syndroms (SARS) unter Verwendung von pflanzlichen Rezepten zeigte, die auf der Theorie (Abhandlung über exogene febrile Krankheiten und verschiedene Krankheiten) von Zhongjing Zhang, dem Vater der TCM, beruhten [108, 109]. Die TCM-Verschreibungen für 2003 SARS und die Coronavirus-Krankheit-2019 (COVID-19) könnten therapeutische Auswirkungen auf die Krebskachexie haben, da diese validierten pflanzlichen Verschreibungen von TCM während des SARS- und COVID-19-Ausbruchs das Immunsystem mit einem natürlichen AA-Status effektiv stärken könnten Beschränkung. Ergänzen Sie bei Bedarf Tryptophan, Arginin und BH4 mit Immuntherapien, um die Proliferation und Funktion von T-Zellen zu verbessern.

Zusammenfassung

Nun können wir die vier eingangs gestellten Fragen systematisch beantworten. Erstens könnten AA-Restriktionen eine übliche und wirksame metabolische Intervention bei Krebs sein, da der AA-Stoffwechsel bis zu 58% des gesamten ATP für die Proteinsynthese und RNA/DNA-Synthese verwenden könnte (Abb. 1b). Zweitens ist Leucin die am häufigsten verwendete AA im menschlichen Proteom Serin, das zweite Tryptophan ist die am wenigsten verwendete und verfügbare AA. Drittens ist Lysin eine besonders wichtige EAA, wie oben diskutiert, welche Einschränkung der Proliferation von Krebszellen am anfälligsten und empfindlichsten sein könnte. Viertens wird empfohlen, dass die praktischste Ernährungsstrategie für Krebsinterventionen darin besteht, normalen Mais als intermittierendes Grundnahrungsmittel für Tage, Wochen oder sogar Monate zur Lysinbeschränkung zu verwenden, und stärkehaltige Nahrungsmittel, Gemüse und Obst als Ergänzungsnahrungsmittel zu verwenden, um den täglichen Mikronährstoffbedarf zu decken und für eine reichhaltige und abwechslungsreiche Ernährung.

Diese Retrospektive und Perspektive konzentrierte sich auf AA-Einschränkungen bei Krebsinterventionen. Folglich standen für viele andere AA nur wenige Informationen zur Verfügung, die hier aufgenommen und zusammengefasst werden konnten. Andererseits wurden einige AA-Supplemente diskutiert, wie Glycin [29, 30] und Histidin [54]. Das Glycin-Supplement könnte das Wachstum von Lebertumoren [29] und Melanomtumoren [30] hemmen. Das Histidin-Supplement regulierte den Histidin-Abbauweg hoch und erhöhte dann die Empfindlichkeit von Krebszellen gegenüber Methotrexat-Chemotherapie [54]. Als Immunnahrung wurden Arginin, Glutamin und Cystein genannt [99]. Eine Arginin-Ergänzung, die den Thymus (eines der primären lymphatischen Organe) beeinflusst, könnte das Thymusgewicht signifikant erhöhen (

22%) und Thymuslymphozytengehalt (

45%) [110], was seiner Rolle als wichtiges Signalmolekül für Wachstum und Immunernährung entsprach. Tryptophan als das am wenigsten verwendete und verfügbare EAA war sehr einzigartig, so dass sowohl Krebszellen als auch Immunzellen seinen Katabolismus nutzten, um das Wachstum von Gegnern zu hemmen. Daher wurde die Supplementierung von Tryptophan und Arginin weiter empfohlen, um die Proliferation und Funktion von T-Zellen zu verbessern.

Was die AA-Restriktionen bei Krebsinterventionen betrifft, wurden kumulierte Forschungsergebnisse zu AA-Restriktionen diskutiert, darunter Glycin-Restriktion [6], Serin-Entzug [7,8,9], Leucin-Entzug [10], Glutamin-Blockade [11, 12], Asparagin [13] und Methionin [14]. NEAA-Restriktionen spielten in der Krebstherapie eine begrenzte Rolle, da es De-novo-Synthesewege wie Glycin [6] und Serin [7] gab. Die Glycin-Restriktion war nur für die schnelle Proliferation von Krebszellen wirksam, während der Serinmangel nur für die Behandlung von p53-defizienten Tumoren geeignet war [6, 7]. Leucinentzug zeigte leichte Auswirkungen auf menschliche Brustkrebszellen [10], was möglicherweise auf seine außergewöhnliche Häufigkeit im menschlichen Proteom zurückzuführen ist.Ein neues Derivat von DON, JHU083, blockierte den Glutaminstoffwechsel bei TME und induzierte eine metabolische Reprogrammierung von Effektor-T-Zellen, die auf Acetat angewiesen waren, um die Immunevasion des Tumors zu überwinden [12]. Eine Asparagin-Restriktion könnte die Metastasierung von Brustkrebs reduzieren, ohne das Wachstum des Primärtumors zu beeinträchtigen [13]. Die Methionin-Restriktion allein zeigte leichte Auswirkungen auf die Proliferation von Krebszellen, erhöhte jedoch die Empfindlichkeit von Krebszellen gegenüber Chemotherapie und Bestrahlung [14]. Über die empfohlene Strategie der Lysin-Restriktion gab es zu diesem Zeitpunkt nur wenige Informationen und Studien, die ihr Potenzial in der Krebstherapie unterstützen oder verifizieren, so dass in naher Zukunft mit einer florierenden Arbeit über die Auswirkungen der Lysin-Restriktion auf verschiedene Krebsarten zu rechnen war.


Abschluss

Die Anreicherung des Nährwerts von Reiskorn ist sehr wichtig, um die Unterernährung von Entwicklungsländern in der Zeit nach der Grünen Revolution zu reduzieren. Der aktuelle Erkenntnisgewinn über die nährwertbezogenen Gene und QTLs wird dazu beitragen, gewünschte Genotypen für die Menschheit zu entwickeln. Die Verfügbarkeit genbasierter Marker und fortschrittlicher Werkzeuge wird Züchtern helfen, spezifische Allele von Genen zu akkumulieren, von denen bekannt ist, dass sie eine Rolle bei den ernährungsphysiologischen Getreidequalitätsmerkmalen in Reis spielen. In den letzten Jahren wurden bedeutende Erfolge bei genetischen Studien zu Getreideprotein- und Aminosäuregehalt, Vitaminen und Mineralstoffen, glykämischen Indexwert, Phenol- und Flavinoidverbindungen, Phytinsäure, Zink- und Eisengehalt sowie QTLs, die mit diesen Merkmalen verbunden sind, erzielt, aber es braucht mehr Erforschung von Verarbeitungs- und Heileigenschaften. Die jüngste Veröffentlichung von Reissorten mit hohem Protein- und Zinkgehalt in Indien gibt die positive Note über die fortschreitende Entwicklung des Programms zur Verbesserung der Ernte bei Reis. Der transgene Ansatz wird sich weiter verstärken, um die Getreideernährung schnell auf das gewünschte Niveau anzureichern. Die jüngste Entwicklung genomischer Technologien kann zur Verbesserung der Nährwertqualität von Reis beitragen, wenn sie mit dem Züchtungsprogramm Hand in Hand geht.


Abschluss

Die Arbeiten von Dr. Vladimir Khavinson und anderen Forschern, die hauptsächlich in Russland und der Ukraine ansässig sind, zeigen, dass Epitalon als Anti-Aging-Medikament vielversprechend ist. Dieses Versprechen hat mit der Fähigkeit von Epitalon zu tun, die Genexpression zu beeinflussen, die Telomerlänge zu verlängern und andere aufregende physiologische Effekte zu haben, die von Experten als "geroprotektive" Ergebnisse bezeichnet werden.

Von Forschern ohne Verbindungen zu russischen Institutionen wurde noch wenig über Epitalon geforscht, so dass es möglicherweise zu früh ist, um definitive Aussagen über Epitalon zu treffen, aber die bisherigen Ergebnisse geben sicherlich Anlass für weitere Untersuchungen.

Es gibt eine Anti-Aging-Formel mit nachgewiesener Wirkung, und Sie können sie heute hier erhalten. Das Leben verbessert die körperliche Funktion und Muskelkraft, verbessert die Blutfettwerte und unterstützt die kardiovaskuläre Gesundheit.



Bemerkungen:

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  3. Corann

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