Title (eng)
Testing genetically modified food in mouse models
Parallel title (deu)
Testen von gentechnisch veränderte Lebensmittel in Mausmodellen
Author
Hui-Yi Lee
Advisor
Thomas Decker
Assessor
Oskar Hoffmann
Anne Marie Bakke
Abstract (deu)
Mit Hilfe der Gentechnik ist es möglich gezielte Erbinformationen in Nutzpflanzen zu ändern. In der australischen CSIRO Plant Industrie wurde die genetisch veränderte Nutzpflanze (Pisum sativum) entwickelt. Wissenschaftliche Ergebnisse zeigten, dass das Protein α-Amylase-Inhibitor (AAI) vorkommend in Bohnen, Pflanzen vor schädlichen Käfern beschützt. Insbesondere in Entwicklungsländern gehört die grüne Erbse zu einer der wichtigsten Nahrungsbestandteile. Durch den jährlichen Befall von Rüsselkäfern auf die Samen, haben australische Wissenschaftler das AAI Gen auf Erbsen übertragen, um sie vor Insektenbefall zu schützen. Wissenschaftliche Arbeiten zeigten, dass aufgrund der Unempfindlichkeit gegen Schädlinge, die transgene Erbse einen deutlich höheren Ertrag erbracht hat. Dennoch erweckt der Verzehr von GMO in uns Menschen Unbehagen, da man sich die Frage stellt, ob sie eine auf die Gesundheit schädigende Wirkung haben könnte. Es könnten neue Toxine oder Allergene im Lebensmittel entstehen. Prescott et. al. publizierte im Jahr 2005 eine wissenschaftliche Arbeit, die besagt, dass der Verzehr von transgenen Erbsen eine allergische Reaktion bei Mäusen hervorruft bzw. Mäusen mit bereits bestehender allergischer Erkrankung zu Ovalbumin es zu einer Verschlimmerung der Erkrankung kommt. Diese wissenschaftliche Beobachtung wurde durch unterschiedliche Glykosylierung der nativen und transgenen AAI Proteine erklärt. Als Kontrolle wurde Pinto verwendet anstatt Tendergreen Bohne von der das natürliche Protein stammt. Unser Interesse bestand in der Verifizierung dieser Beobachtung. Wir führten Experimente mit reinen AAI Proteinen, extrahiert von der natürlichen Tendergreen und Pinto Bohne sowie von der transgenen Erbse durch. Unsere Studie weist darauf hin, dass bei beiden das natürliche und transgene Protein eine immunologische Reaktion hervorrufen kann, wenn man es in Mäusen intraperitoneal injiziert. Die Mäuse weisen aber auch eine allergische asthmatische Reaktion auf, nachdem die Proteine intranasal verabreicht wurden. Um den allergischen Effekt durch orale Konsumierung zu analysieren, wurden Mäusen Samenbrei von Tendergreen und Pinto Bohnen sowie naive und transgene Erbsen gefüttert. Wir beobachteten, dass beide Bohnenarten, Tendergreen und Pinto, eine allergische Reaktion hervorrufen kann. Das Füttern von natürlichen und transgenen Erbsen an Mäusen zeigte Unterschiede in der Th2 Immunantwort. Sie haben inflammatorische Zellen in den Atemwegen und in der Lunge und eine niedrige AAI-spezifische Antikörperproduktion.
Pea Lectin ist ein wichtiger Bestand der Erbsen mit 38-54% Aminosäure strukturähnlichen Aufbau wie AAI Protein. Wir untersuchten die Kreuzreaktion zwischen AAI Protein und Pea Lectin, und fanden heraus, dass es zu Pea Lectin ein wesentlich höherer IgG1 Antikörper produziert wird. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass nicht unbedingt oder nur zum Teil das AAI Protein eine Rolle in der Immunantwort spielen könnte. Des Weiteren waren wir auch daran interessiert, ob transgene modifizierte Nutzpflanzen eine Verschlimmerung auf bereits bestehende allergische asthmatische Krankheiten haben könnte. Mäuse wurden mit Ovalbumin immunisiert und während der Immunisierungszeit mit Samenbrei gefüttert, um die akute allergische Reaktion zu messen, oder die Tiere wurden nach der letzten Ovalbumin Verabreichung ein Monat Ruhepause gegeben, um sich zu erholen und erst danach wurden sie mit Samenbrei gefüttert (Exacerbation). In der Exacerbation konnten wir gleichermaßen starke Entzündungen in der Lunge und in den Atemwegen beobachten. Hingegen im akuten Fall zeigten Mäuse, die mit GM Erbsen gefüttert wurden, eine schwerere Lungenentzündung und erhöhte Schleimsekretion im Vergleich zu den Mäusen, die mit natürlichen Samen gefüttert wurden. Wir beobachteten einen Anstieg der OVA-spezifischen Antikörper-Produktion.
Um in Erfahrung zu bringen wie GMO auf das menschliche Immunsystem wirkt, führten wir das Human-SCID Mausmodel ein. Wir transplantierten mononukläre Zellen des peripheren Blutes (PBMC) von luminosen allergischen Patienten oder aber von gesunden Spendern in SCID Mäusen, welche keine T- und B- Zellen besitzen. Sie wurden danach zwanghaft mit Samenbrei gefüttert. Human-SCID Mäuse zeigten eine allergische Reaktion, aber die Unterscheidung zwischen gesunden und allergischen SCID-Mäusen war nicht beobachtbar.
Unsere Studie zeigt, dass naives und transgenes AAI Protein bei Mäusen eine allergische Reaktion hervorruft. Allerdings konnten wir keinen Unterschied zwischen naiven und transgenen AAI Protein beobachten. Diese Ergebnisse haben wichtige Auswirkungen im Zusammenhang mit Tests neuer Proteine an Tiermodellen. Dennoch sind für die Risikobewertung weitere Studien notwendig.
Abstract (eng)
Transgenic field peas (pisum sativum) expressing the alpha-amylase inhibitor (AAI) protein normally found in common beans (Tendergreen bean) are completely protected from infestation with pea weevils tested in the laboratory, greenhouse and field over several generations, and at many sites for efficacy against the insect pests. Previously, transgenic AAI pea feeding in mice was shown to influence allergic responses to an unrelated, non-crossreactive allergen compared to Pinto bean-fed mice due to different glycosylation (Prescott et. al.). However in their study, they used Pinto bean as control instead of Tendergreen bean which provides the transgene. To determine whether this is a universal finding, we analyzed the immunogenicity and allergenicity of native and transgenic AAI in a mouse model. We observed that both native and transgenic AAIs are immunogenic and allergenic irrespective of the source. These results indicated that AAIs expressed in genetically modified (GM) peas are not more harmful compared with AAI expressed in Tendergreen bean. Different glycosylation does not distinguish between GMO and native proteins. To determine the effect of oral administration of native beans and GM peas, we force fed mice with native and transgenic seed meal then challenged i.n. once with purified AAI. Key features of Th2 inflammation were analyzed and we observed that GMO feeding induces allergy to transgenic protein as seen in Prescott study. However, both Tendergreen bean and Pinto bean induced allergic response to AAI which differs from previous study. Mitogen pea lectin expressed in peas has 38 - 54% amino acid structure similarity to AAI. In our experimental mouse model, we investigated whether pea lectin influenced the immune response and our results indicated that both, non GM (nGM) pea and GM pea induced an allergic response to pea lectin. To determine whether AAI pea promoted an adjuvant effect to other antigens, we injected female BALB/c mice on days 0 and 21 with ovalbumin (OVA) i.p. and nebulized them with OVA on days 28 and 29 to initiate allergic asthma and then allowed mice to recover until they were re-exposed to OVA for the induction of a disease exacerbation. We force fed with GM pea (100 mg/ mL), nGM pea, Tendergreen bean, or PBS twice a week for 4 weeks prior to inducing disease or inducing disease exacerbation. We detected no differences in lung and airway inflammation, mucus hypersecretion and allergen-specific antibody in AAI-pea fed compared to non GM pea-fed mice at the onset of allergic asthma or at the time of disease exacerbation. However, in acute onset disease, pea-fed mice had more severe lung inflammation and elevated mucus hypersecretion compared to Tendergreen bean-fed mice. We observed an increase of OVA-specific antibody production. Taken together, GM pea feeding does not worsen allergic response to OVA. All our experiments were performed with BALB/c mice but to have a better idea of GMO effect in human immunsystem, we created a human SCID mice chimera. PBMCs of legume allergic patient and healthy donor were isolated and engrafted into SCID mice which lack on T and B cells and subsequently force fed with native or transgenic seed meals. Our results showed that PBMCs isolated from healthy individuals or legume allergic patients engrafted into SCIDs developed allergic asthma upon feeding and challenge with GM peas and Tendergreen beans. In our model, we were not able to distinguish between healthy and allergic donor.
Our study indicates that native AAI extracted from beans is immunogenic in mice presented by different route of administration. However, we did not observe differences between native and transgenic AAI after immunization. Our observation does not accord with Prescott study. These results have important implications in the context of testing novel proteins in animal models whereas further studies are necessary for the risk assessment.
Keywords (eng)
GM peaAllergenicitymouse modelAAI
Keywords (deu)
Gentechnisch modifizierte ErbseAllergenitätMausmodelAAI
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
Extent (deu)
123 S. : Ill., graph. Darst.
Number of pages
137
Association (deu)
Title (eng)
Testing genetically modified food in mouse models
Parallel title (deu)
Testen von gentechnisch veränderte Lebensmittel in Mausmodellen
Author
Hui-Yi Lee
Abstract (deu)
Mit Hilfe der Gentechnik ist es möglich gezielte Erbinformationen in Nutzpflanzen zu ändern. In der australischen CSIRO Plant Industrie wurde die genetisch veränderte Nutzpflanze (Pisum sativum) entwickelt. Wissenschaftliche Ergebnisse zeigten, dass das Protein α-Amylase-Inhibitor (AAI) vorkommend in Bohnen, Pflanzen vor schädlichen Käfern beschützt. Insbesondere in Entwicklungsländern gehört die grüne Erbse zu einer der wichtigsten Nahrungsbestandteile. Durch den jährlichen Befall von Rüsselkäfern auf die Samen, haben australische Wissenschaftler das AAI Gen auf Erbsen übertragen, um sie vor Insektenbefall zu schützen. Wissenschaftliche Arbeiten zeigten, dass aufgrund der Unempfindlichkeit gegen Schädlinge, die transgene Erbse einen deutlich höheren Ertrag erbracht hat. Dennoch erweckt der Verzehr von GMO in uns Menschen Unbehagen, da man sich die Frage stellt, ob sie eine auf die Gesundheit schädigende Wirkung haben könnte. Es könnten neue Toxine oder Allergene im Lebensmittel entstehen. Prescott et. al. publizierte im Jahr 2005 eine wissenschaftliche Arbeit, die besagt, dass der Verzehr von transgenen Erbsen eine allergische Reaktion bei Mäusen hervorruft bzw. Mäusen mit bereits bestehender allergischer Erkrankung zu Ovalbumin es zu einer Verschlimmerung der Erkrankung kommt. Diese wissenschaftliche Beobachtung wurde durch unterschiedliche Glykosylierung der nativen und transgenen AAI Proteine erklärt. Als Kontrolle wurde Pinto verwendet anstatt Tendergreen Bohne von der das natürliche Protein stammt. Unser Interesse bestand in der Verifizierung dieser Beobachtung. Wir führten Experimente mit reinen AAI Proteinen, extrahiert von der natürlichen Tendergreen und Pinto Bohne sowie von der transgenen Erbse durch. Unsere Studie weist darauf hin, dass bei beiden das natürliche und transgene Protein eine immunologische Reaktion hervorrufen kann, wenn man es in Mäusen intraperitoneal injiziert. Die Mäuse weisen aber auch eine allergische asthmatische Reaktion auf, nachdem die Proteine intranasal verabreicht wurden. Um den allergischen Effekt durch orale Konsumierung zu analysieren, wurden Mäusen Samenbrei von Tendergreen und Pinto Bohnen sowie naive und transgene Erbsen gefüttert. Wir beobachteten, dass beide Bohnenarten, Tendergreen und Pinto, eine allergische Reaktion hervorrufen kann. Das Füttern von natürlichen und transgenen Erbsen an Mäusen zeigte Unterschiede in der Th2 Immunantwort. Sie haben inflammatorische Zellen in den Atemwegen und in der Lunge und eine niedrige AAI-spezifische Antikörperproduktion.
Pea Lectin ist ein wichtiger Bestand der Erbsen mit 38-54% Aminosäure strukturähnlichen Aufbau wie AAI Protein. Wir untersuchten die Kreuzreaktion zwischen AAI Protein und Pea Lectin, und fanden heraus, dass es zu Pea Lectin ein wesentlich höherer IgG1 Antikörper produziert wird. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass nicht unbedingt oder nur zum Teil das AAI Protein eine Rolle in der Immunantwort spielen könnte. Des Weiteren waren wir auch daran interessiert, ob transgene modifizierte Nutzpflanzen eine Verschlimmerung auf bereits bestehende allergische asthmatische Krankheiten haben könnte. Mäuse wurden mit Ovalbumin immunisiert und während der Immunisierungszeit mit Samenbrei gefüttert, um die akute allergische Reaktion zu messen, oder die Tiere wurden nach der letzten Ovalbumin Verabreichung ein Monat Ruhepause gegeben, um sich zu erholen und erst danach wurden sie mit Samenbrei gefüttert (Exacerbation). In der Exacerbation konnten wir gleichermaßen starke Entzündungen in der Lunge und in den Atemwegen beobachten. Hingegen im akuten Fall zeigten Mäuse, die mit GM Erbsen gefüttert wurden, eine schwerere Lungenentzündung und erhöhte Schleimsekretion im Vergleich zu den Mäusen, die mit natürlichen Samen gefüttert wurden. Wir beobachteten einen Anstieg der OVA-spezifischen Antikörper-Produktion.
Um in Erfahrung zu bringen wie GMO auf das menschliche Immunsystem wirkt, führten wir das Human-SCID Mausmodel ein. Wir transplantierten mononukläre Zellen des peripheren Blutes (PBMC) von luminosen allergischen Patienten oder aber von gesunden Spendern in SCID Mäusen, welche keine T- und B- Zellen besitzen. Sie wurden danach zwanghaft mit Samenbrei gefüttert. Human-SCID Mäuse zeigten eine allergische Reaktion, aber die Unterscheidung zwischen gesunden und allergischen SCID-Mäusen war nicht beobachtbar.
Unsere Studie zeigt, dass naives und transgenes AAI Protein bei Mäusen eine allergische Reaktion hervorruft. Allerdings konnten wir keinen Unterschied zwischen naiven und transgenen AAI Protein beobachten. Diese Ergebnisse haben wichtige Auswirkungen im Zusammenhang mit Tests neuer Proteine an Tiermodellen. Dennoch sind für die Risikobewertung weitere Studien notwendig.
Abstract (eng)
Transgenic field peas (pisum sativum) expressing the alpha-amylase inhibitor (AAI) protein normally found in common beans (Tendergreen bean) are completely protected from infestation with pea weevils tested in the laboratory, greenhouse and field over several generations, and at many sites for efficacy against the insect pests. Previously, transgenic AAI pea feeding in mice was shown to influence allergic responses to an unrelated, non-crossreactive allergen compared to Pinto bean-fed mice due to different glycosylation (Prescott et. al.). However in their study, they used Pinto bean as control instead of Tendergreen bean which provides the transgene. To determine whether this is a universal finding, we analyzed the immunogenicity and allergenicity of native and transgenic AAI in a mouse model. We observed that both native and transgenic AAIs are immunogenic and allergenic irrespective of the source. These results indicated that AAIs expressed in genetically modified (GM) peas are not more harmful compared with AAI expressed in Tendergreen bean. Different glycosylation does not distinguish between GMO and native proteins. To determine the effect of oral administration of native beans and GM peas, we force fed mice with native and transgenic seed meal then challenged i.n. once with purified AAI. Key features of Th2 inflammation were analyzed and we observed that GMO feeding induces allergy to transgenic protein as seen in Prescott study. However, both Tendergreen bean and Pinto bean induced allergic response to AAI which differs from previous study. Mitogen pea lectin expressed in peas has 38 - 54% amino acid structure similarity to AAI. In our experimental mouse model, we investigated whether pea lectin influenced the immune response and our results indicated that both, non GM (nGM) pea and GM pea induced an allergic response to pea lectin. To determine whether AAI pea promoted an adjuvant effect to other antigens, we injected female BALB/c mice on days 0 and 21 with ovalbumin (OVA) i.p. and nebulized them with OVA on days 28 and 29 to initiate allergic asthma and then allowed mice to recover until they were re-exposed to OVA for the induction of a disease exacerbation. We force fed with GM pea (100 mg/ mL), nGM pea, Tendergreen bean, or PBS twice a week for 4 weeks prior to inducing disease or inducing disease exacerbation. We detected no differences in lung and airway inflammation, mucus hypersecretion and allergen-specific antibody in AAI-pea fed compared to non GM pea-fed mice at the onset of allergic asthma or at the time of disease exacerbation. However, in acute onset disease, pea-fed mice had more severe lung inflammation and elevated mucus hypersecretion compared to Tendergreen bean-fed mice. We observed an increase of OVA-specific antibody production. Taken together, GM pea feeding does not worsen allergic response to OVA. All our experiments were performed with BALB/c mice but to have a better idea of GMO effect in human immunsystem, we created a human SCID mice chimera. PBMCs of legume allergic patient and healthy donor were isolated and engrafted into SCID mice which lack on T and B cells and subsequently force fed with native or transgenic seed meals. Our results showed that PBMCs isolated from healthy individuals or legume allergic patients engrafted into SCIDs developed allergic asthma upon feeding and challenge with GM peas and Tendergreen beans. In our model, we were not able to distinguish between healthy and allergic donor.
Our study indicates that native AAI extracted from beans is immunogenic in mice presented by different route of administration. However, we did not observe differences between native and transgenic AAI after immunization. Our observation does not accord with Prescott study. These results have important implications in the context of testing novel proteins in animal models whereas further studies are necessary for the risk assessment.
Keywords (eng)
GM peaAllergenicitymouse modelAAI
Keywords (deu)
Gentechnisch modifizierte ErbseAllergenitätMausmodelAAI
Subject (deu)
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Subject (deu)
Subject (deu)
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137
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