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Ricerca di varietà di grani a basso impatto su soggetti geneticamente predisposti alla celiachia

by luciano

Cercare di prevenire, per quanto possibile, la celiachia è una sfida di grande importanza, né sono testimoni i molti studi che sono stati fatti sia per ricercare grani a basso contenuto di peptidi immunogenici (In search of tetraploid wheat accessions reduced in celiac disease-related gluten epitopes. Hetty van den Broeck, Chen Hongbing, et al. July 2010 Molecular BioSystem); (Variable Immunogenic Potential of Wheat: Prospective for Selection of Innocuous Varieties for Celiac Disease Patients via in vitro Approach. Jasmine Grover et al. Fronties Immunology 2019.); Scouting for Naturally Lowtoxicity Wheat Genotypes by a Multidisciplinary Approach. Rosa Pilloli et al. November 2018 Scientific Reports, sia per ricercare grani ugualmente idonei attraverso incroci, sia intervenendo sulla composizione del glutine del grano (Improving wheat to remove coeliac epitopes but retain functionality. Peter R. Shewry Arthur S. Tatham. J Cereal Sci. 2016 Jan; 67: 12–21).

In quest’ottica si colloca anche il:

Progetto Smart Wheat

SITEIA.PARMA in partenariato con Ciri Agroalimentare dell’Università di Bologna e Biogest-SITEIA dell’Università di Modena e Reggio Emilia ha realizzato il progetto Smat Wheat che ha permesso di individuare varietà di frumento a basso impatto su soggetti geneticamente predisposti alla celiachia per lo sviluppo di prodotti alimentari in grado di prevenirne l’insorgenza e le condizioni agronomiche più opportune per l’ottimizzazione di questa caratteristica. Il progetto comprendeva anche la formulazione e realizzazione di prototipi di prodotti commerciali e verifica clinica che tali prodotti abbiano effettivamente un impatto ridotto su pazienti selezionati. https://fesr.regione.emilia-romagna.it/por-fesr/progetti/esempi-di-progetti-finanziati/ricerca-e-innovazione-asse-1/smart-wheat. Nel video di seguito indicato sono presentate le principali caratteristiche del progetto e i prodotti che sono stati realizzati: (https://www.youtube.com/watch?v=zmlVRlRPQy8).

Sintesi del progetto Smat Wheat:

“Individuazione di varietà di frumento a basso impatto su soggetti geneticamente predisposti alla celiachia, per lo sviluppo di prodotti alimentari in grado di prevenirne l’insorgenza. Fatma Boukid, Barbara Prandi, Arnaldo Dossena, Stefano Sforza. Centro Interdipartimentale SITEIA. PARMA, Università di Parma, Parco Area delle Scienze, 43124, Parma, Italia; Dipartimento di Scienze degli Alimenti e del Farmaco, Università di Parma, Parco Area delle Scienze 17/A, 43124, Parma, Italia.
La celiachia è un’enteropatia autoimmune che si manifesta in soggetti geneticamente predisposti in seguito all’ingestione di glutine di frumento, o proteine analoghe di orzo e segale. Nonostante la predisposizione genetica alla celiachia sia abbastanza diffusa (circa 30% della popolazione), la celiachia colpisce circa 1% delle persone. Le ragioni della perdita della tolleranza immunologica al glutine nei soggetti predisposti non é ancora ben chiara, e sono state formulate diverse ipotesi, tra cui la quantità e la qualità del glutine ingerito.
76 genotipi di Triticum durum sono stati sottoposti a digestione in vitro. I peptidi contenenti sequenze note per scatenare la risposta celiaca sono stati identificati e quantificati con cromatografia liquida ifenata a spettrometria di massa. Sono stati analizzati anche sei diversi genotipi di T. durum, coltivate in 4 differenti regioni italiane, per valutare l’influenza dell’ambiente sulla produzione di peptidi coinvolti nella celiachia.
Sono stati identificati 11 peptidi contenenti sequenze note per essere coinvolte nella risposta celiaca. La quantità di peptidi immunogenici è molto variabile tra le diverse varietà di frumento, andando dai 386 ppm di Valerio ai 1661 ppm di Amedeo. Tra i 76 genotipi analizzati, 10 producono una quantità di peptidi immunogenici minore di 500 ppm, mentre 4 ne producono più di 1550 ppm. Come dimostrato dai dati, la variabilità (naturalmente alta) nella produzione di peptidi immunogenici può essere sfruttata per ridurre l’esposizione dei soggetti geneticamente predisposti.”

I 76 genotipi sono entrati a far parte dello studio pubblicato nell’articolo “Characterization of Celiac Disease-Related Epitopes and Gluten Fractions, and Identification of Associated Loci in Durum Wheat”. Il metodo rapido a cui si fa riferimento è la digestione in vitro seguita dall’analisi LC-MS, che consente di individuare peptidi immunogenici.

È stato valutato anche l’effetto dell’ambiente: la quantità di peptidi immunogenici generati dopo digestione era analoga tra le 4 regioni, ad eccezione della Sicilia, che ha mostrato un quantitativo superiore. C’è quindi un effetto genetico, ma anche un’interazione con l’ambiente.
……..omissis “ In the present study, the different influence of genetics and environment on TP, IP, α- and γ-gliadins accumulation in durum wheat was seen. Notwithstanding a prevalent effect of the environment, it had been possible to identify among modern cultivated varieties, genotypes characterized by low and stable TP and IP content across different locations. These results highlight the possibility of selecting the agronomic conditions to maximize production in terms of yield, maintaining good protein content at the same time decreasing the content of peptides involved in CD, and therefore decreasing the exposure of nonceliac predisposed subjects. An enhanced soil water content availability using improvers, and/or the use of beneficial microorganisms combined with improvement of plant physiological traits (reduced plant transpiration, suitable genotypes), might be considered to reduce the negative environmental stress that increases the grain content of peptides triggering the innate and adaptive immune response in CD patients. Interestingly, the mechanisms that determine GY and GPC seem to be uncoupled from those ruling TP and IP accumulation. This weak association creates the bases for new breeding perspectives towards genotypes with good technological properties, at the same time characterized by a low content of CD-triggering peptides. Further studies are needed to support these results in relation to environmental and management influences on soil water content and plant transpiration.” (Influence of environmental and genetic factors on content of toxic and immunogenic wheat gluten peptides. Barbara Prandi et al. European Journal of Agronomy 118 (2020) 126091.”

 

Migliorare il grano per rimuovere gli epitopi dannosi per i celiaci mantenendone la funzionalità

by luciano

Un interessante studio che esplora le possibilità di ottenere grani a bassa tossicità investigando qualità, quantità e distribuzione delle frazioni tossiche (per i celiaci) del grano

“…..omissis. Wheat gluten proteins are traditionally classified into two groups based on their solubility. The gliadins are readily extracted from flour with alcohol:water mixtures, such as 60% (v/v) ethanol or 50% (v/v) propan-1- ol, while the glutenins were traditionally extracted with dilute acid or alkali. However, these fractions contain related proteins and the differences in solubility are determined by their presence as monomers or polymers. Thus, the gliadin fraction comprises mainly proteins which are present as monomers, with small amounts of polymeric components, while the glutenins comprise “subunits” assembled into high molecular mass polymers stabilized principally by inter-chain disulphide bonds. When these disulphide bonds are reduced the monomeric glutenin subunits resemble the gliadins in being soluble in alcohol: water mixtures. Hence, the protein subunits present in both fractions correspond to alcohol-soluble prolamin proteins as defined in the classic studies of Osborne (1924). more in full text”. Improving wheat to remove coeliac epitopes but retain functionality. Peter R. Shewry and Arthur S. Tatham. Journal of Cereal Science 2016 Jan

Estratto dallo studio:
1.2. Gliadine e glutenine
1.3. La distribuzione delle subunità nei geni
2.2. L’individuazione delle frazioni tossiche per i celiaci
2.3. La distrubuzione delle frazioni tossiche per i celiaci
3.1. La diversità genetica del grano
3.2. La possibile individuazione di varietà (genetic diversity) a basso livello di tossicità
3.3. Il possibile sviluppo di varietà idonee per celiaci

Prevenzione della celiachia: dieta con grano con ridotta quantità di epitopi stimolatori delle principali T-cellule.

by luciano

La ricerca scientifica ha più volte sostenuto ed incoraggiato l’utilizzazione di grani a bassa tossicità nella prevenzione della celiachia; Nella ricerca che ora presentiamo sono stati studiati alcuni grani evidenziando il loro profilo riguardo sia la presenza dei peptidi resistenti alla digestione gastro-intestinale sia, tra questi, quelli contenenti la frazione “tossica” (Summary of the GD-resistant peptides identified at the end of the duodenal phase and counting of the peptides encrypting full length epitopes relevant for celiac disease (CD) and wheat allergy  (table 3) “….omissis Even if none of them can be considered safe for CD patients, grain with reduced amount of major T-cell stimulatory epitopes may help in the prevention of CD, since previous studies demonstrated that the amount and duration to gluten exposure are strictly linked to the initiation of this pathology.” (A Comprehensive Peptidomic Approach to Characterize the Protein Profile of Selected Durum Wheat Genotypes: Implication for Coeliac Disease and Wheat Allergy. Rosa Pilolli , Agata Gadaleta, Luigia Di Stasio , Antonella Lamonaca, Elisabetta De Angelis , Domenica Nigro , Maria De Angelis , Gianfranco Mamone and Linda Monac. Published: 1 October 2019).

Abstract
The wheat varietal selection undertaken by breeders in recent decades has been tailored mainly to improve technological and productivity-related traits; however, the latter has resulted in a considerable impoverishment of the genetic diversity of wheat-based products available on the market. This pitfall has encouraged researchers to revalue the natural diversity of cultivated and non-cultivated wheat genotypes in light of their different toxic/immunogenic potential for celiac disease and wheat-allergic patients. In the present investigation, an advanced proteomic approach was designed for the global characterization of the protein profile of selected tetraploid wheat genotypes (Triticum turgidum). The approach combined proteins/peptides sequence information retrieved by specific enzymatic digestions (single and dual proteolytic enzymes) with protein digestibility information disclosed by means of in-vitro simulated human gastroduodenal digestion experiments. In both cases, the peptide pools were characterized by discovery analysis with liquid chromatography high-resolution tandem mass spectrometry, and specific amino acid sequences were identified via commercial software. The peptide list was screened for in silico toxicity/immunogenicity risk assessment, with the aid of various open-source bioinformatics tools for epitopes matching. Given the global information provided by the designed proteomic approach, the in silico risk assessment not only tackled toxicity implication for celiac disease patients, but also scouted for immunogenic sequences relevant for wheat allergic patients, achieving a comprehensive characterization of the protein profile of the selected genotypes. These latter were assessed to encrypt a variable number of toxic/immunogenic epitopes for celiac disease and wheat allergy, and as such they could represent convenient bases for breeding practices and for the development of new detoxification strategies.