Identification of celiac disease related immunogenic peptides in Norwegian wheat types after ex vivo digestion

Abstract

Wheat has been part of human diet for centuries in the form of bread, pasta, cakes and pastries. There has been a lot of research to introduce better crop yield and disease resistant wheat varieties. Today’s wheat varieties are more disease resistant and yield much more as compared to the old varieties. Modern wheat varieties have better baking qualities also, due to unique functional properties of the gluten. However, wheat is considered to cause many different food-born allergies and intolerances. Celiac disease is a food related enteropathy induced in genetically susceptible individuals by the ingestion of gluten proteins from wheat and gluten like proteins from barley and rye. It is due to the reason that the immunogenic peptides derived from gluten can induce autoimmune response in human body, resulting in villous atrophy. Until now the recommendation for the celiac disease is a lifetime gluten free diet. The aim of the study was to investigate immunogenic peptides produced during ex vivo digestion of different wheat types including ancient wheat; einkorn, emmer, spelt and modern wheat varieties; Fram, Børsum, Bastian and Mirakel. All wheat types were digested according to a static ex vivo digestion model with human gastrointestinal (GI) juices. The Protein digestion pattern from all wheat types interpreted by SDS-PAGE and OPA showed degradation of some proteins after 120 min of gastric digestion and almost complete protein degradation after120 minutes of duodenal digestion. Mass spectrometric (LC-MS/MS) analyses of peptides released after 240 minutes of GI digestion revealed that the number of total peptide fragments and their amino acid sequences varied remarkably between different wheat types. In ancient wheat varieties fewer immunogenic peptides were identified compared to the modern varieties. 35, 49 and 71 immunogenic peptides were identified in einkorn, spelt and emmer, respectively, as compared to identification of 59, 78, 96 and 133 immunogenic peptides in Fram, Bastian, Børsum and Mirakel, respectively. The identified immunogenic peptides harboured different T-cell reactive epitopes. However, well-known 33mer LQLQPFPQPQLPYPQPQLPYPQPQLPYPQPQPF from α-gliadin was not observed in any of the wheat types. The same was observed for 26mer FLQPQQPFPQQPQQPYPQQPQQPFPQ and 25mer LGQQQPFPPQQPYPQPQPFPSQQPY. To conclude, all wheat types lead to the generation of immunogenic peptides, hence the analysed wheat types cannot be considered as safe for celiac patients. Further digestion of theses wheat samples by brush border enzymes is required to understand the complete behaviour of gluten in human GI system.

Hvete har vært en del av menneskers kosthold i århundrer i form av brød, pasta, kaker og andre bakverk. Det har vært mye forskning på hvete for å introdusere høyre avling- og sykdomsresistente hvetesorter. Dagens hvete sorter er mer sykdomsresistente og gir større avling enn gamle hvetesorter. Moderne hvetesorter har gode bakeegenskaper på grunn av de funksjonelle egenskapene i gluten. Hvete er også regnet som en årsak til matvareallergier og intoleranse. Cøliaki er en matrelatert tarmsykdom hos genetiske disponerte individer forårsaket av gluten proteiner fra hvete og gluten lignende proteiner fra bygg og rug. Immunogene peptider avledet fra gluten har vist evnen til å fremkalle auto immunrespons i menneskekroppen, noe som fører til ødeleggelse av tarmtotter. Den eneste foreslåtte kuren mot cøliaki er et livslangt glutenfritt kosthold. Formålet med denne studien var å undersøke immunogene peptider produsert under ex vivo fordøyelse av forskjellige hvetetyper, inkludert gammel hvete; einkorn, emmer, spelt og moderne hvete varianter; Fram, Børsum, Bastian og Mirakel. Alle hvetetyper ble fordøyd i henhold til en statisk ex vivo fordøyelsesmodell med human mage- og tarmsaft (GI). Proteinfordøyelsen fra alle hvetetyper tolket ved hjelp av SDS-PAGE og OPA viste nedbrytning av noen proteiner etter 120 min magefordøyelse og nesten fullstendig protein nedbrytning etter 120 minutters tarmfordøyelse. Massespektrometriske (LC-MS/MS) analyser av peptider frigjort etter 240 minutters fordøyelse viste at antall totale peptidfragmenter og deres aminosyresekvenser varierte betydelig mellom hvetetyper. I de gamle hvetesortene ble færre immunogene peptider identifisert i forhold til de moderne varianter. 35, 49 og 71 immunogene peptider ble identifisert i henholdsvis i einkorn, spelt og emmer, sammenlignet med identifikasjon av 59, 78, 96 og 133 immunogene peptider i henholdsvis Fram, Bastian, Børsum og Mirakel. De identifiserte immunogene peptidene inneholdt forskjellige T-cellereaktive epitoper. Imidlertid ble den velkjente 33mer LQLQPFPQPQLPYPQPQLPYPQPQLPYPQPQPF fra α-gliadin ikke observert i noen av de fordøyde hveteprøvene. Det samme ble observert for 26mer FLQPQQPFPQQPQQPYPQQPQQPFPQ og 25mer LGQQQPFPPQQPYPQPQPFPSQQPY. For å konkludere, alle hvetetyper førte til generering av immunogene peptider, og kan dermed ikke anses som sikre for cøliaki-pasienter. Videre fordøyelse av disse hveteprøvene med tarmtottenzymer er nødvendig for å forstå den fullstendige oppførselen til gluten i humant fordøyelsessystem.