Translational Chemistry Meets Gluten-Related Disorders (original) (raw)

Abstract

Gluten-related disorders are a complex group of diseases that involve the activation of the immune system triggered by the ingestion of gluten. Among these, celiac disease, with a prevalence of 1 %, is the most investigated, but recently, a new pathology, named nonceliac gluten sensitivity, was reported with a general prevalence of 7 %. Finally, there other less-prevalent gluten-related diseases such as wheat allergy, gluten ataxia, and dermatitis herpetiformis (with an overall prevalence of less than 0.1 %). As mentioned, the common molecular trigger is gluten, a complex mixture of storage proteins present in wheat, barley, and a variety of oats that are not fully degraded by humans. The most-studied protein related to disease is gliadin, present in wheat, which possesses in its sequence many pathological fragments. Despite a lot of effort to treat these disorders, the only effective method is a long-life gluten-free diet. This Review summarizes the actual knowledge of gluten-relat...

Loading...

Loading Preview

Sorry, preview is currently unavailable. You can download the paper by clicking the button above.

References (122)

  1. D. M. Rubio, E. E. Schoenbaum, L. S. Lee, D. E. Schteingart, P. R. Marantz, K. E. Anderson, L. D. Platt,A .Baez, K. Esposito, Acad.M ed. 2010, 85, 470 -475.
  2. Z. B. Quirolo, L. A. Benedini, M. A. Sequeira, M. G. Herrera, T. V. Veuthey, V. I. Dodero, Curr. Top. Med. Chem. 2014, 14,730 -739.
  3. G. M. Whitesides, Isr.J.Chem. 2016, 56,66-82.
  4. A. Fasano,A .S apone, V. Zevallos, D. Schuppan, Gastroenterology 2015, 148,1 195 -1204.
  5. A. Rubio-Tapia, I. D. Hill,C .P .K elly,A .H.C alderwood, J. A. Murray, Am. J. Gastroenterol. 2013, 108,656 -676.
  6. B. Meresse, G. Malamut, N. Cerf-Bensussan, Immunity 2012, 36,9 07 - 919;
  7. A.M ubarak, E. Spierings,V .W olters, I. van Hoogstraten, C. M. Kneepkens, R. Houwen, J. Pediatr.G astroenterol.N utr. 2013, 56,4 28 - 430.
  8. F. Koning, Gastroenterology 2005, 129,1 294 -1301;
  9. F .M egiorni, A. Pizzuti, J. Biomed.Sci. 2012, 19,88.
  10. V. Kumar,C .W ijmenga, S. Withoff, Semin. Immunol. 2012, 34,5 67 -580.
  11. L. Elli, F. Branchi, C. To mba, D. Villalta, L. Norsa, F. Ferretti, L. Roncoroni, M. T. Bardella, World J. Gastroenterol. 2015, 21,7110-7119.
  12. A. Sapone, J. C. Bai, C. Ciacci,J .D olinsek, P. H. Green,M .H adjivassiliou, K. Kaukinen, K. Rostami, D. S. Sanders, M. Schumann, R. Ullrich,D .V illal- ta, U. Volta, C. Catassi, A. Fasano, BMC Med. 2012, 10,13.
  13. N. Gujral,H .J.F reeman, A. B. Thomson, World J. Gastroenterol. 2012, 18, 6036 -6059.
  14. A. Rubio-Tapia, J. A. Murray, Curr.O pin. Gastroenterol. 2010, 26,1 16 - 122;
  15. D.A.L effler,P .H.G reen,A .F asano, Nat. Rev.G astroenterol. Hepa- tol. 2015, 12,561 -571.
  16. D. J. Smyth, V. Plagnol, N. M. Walker,J .D.C ooper,K .D ownes, J. H. Yang, J. M. Howson,H .S tevens,R .McManus, C. Wijmenga, G. A. Heap, P. C. Dubois, D. G. Clayton,K .A.H unt, D. A. van Heel, J. A. To dd, N. Engl. J. Med. 2008, 359,2 767 -2777;
  17. J.M.D enham, I. D. Hill, Curr.A llergy Asthma Rep. 2013, 13,347 -353.
  18. M. M. Walker,J .F Ludvigsson, D. SS anders, Med. J. Aust. 2017, 207, 173 -178.
  19. S. M. Barratt, J. S. Leeds, D. S. Sanders, J. Gastrointestin. Liver Dis. 2011, 20,2 41 -245;
  20. K.A.B ascunan, M. C. Vespa, M. Araya, Eur.J .N utr. 2017, 56,449 -459.
  21. A. Rubio-Tapia, J. A. Murray, Gut 2010, 59,5 47 -557;
  22. B.M.R yan, D. Kelleher, Gastroenterology, 2000, 119,243 -251.
  23. A. Szaflarska-Poplawska, Prz. Gastroenterol. 2015, 10,1 2-17;
  24. H.J. Freeman, Expert Opin. Emerging Drugs 2015, 20,129 -135.
  25. Figure 9. The new pathogenic concept might involve the occurrence of 33-mer oligomerso na ccumulationc onditions. The molecular structure of the 33-mer gliadin peptide obtain by molecular dynamicsine quilibrium with its dimer (left). The different structures of the 33-mer (right), as characterized by transmis- sion electron microscopy and scanning electronmicroscopy. [86] ChemistryOpen 2018, 7,217 -232 www.chemistryopen.org 2018 The Authors. Publishedb yWiley-VCH Verlag GmbH &Co. KGaA, Weinheim
  26. M.-L. Lähdeaho,K .K aukinen, K. Laurila, P. Vuotikka, O.-P.K oivurova, T. Kärjä-Lahdensuu, A. Marcantonio, D. C. Adelman, M. Mäki, Gastroenterol- ogy 2014, 146,1649 -1658.
  27. G. J. Ta ck, J. M. van de Water,M .J.B ruins, E. M. Kooy-Winkelaar,J .v an Bergen,P .B onnet, A. C. Vreugdenhil, I. Korponay-Szabo, L. Edens, B. M. von Blomberg, M. W. Schreurs, C. J. Mulder,F .K oning, World J. Gastroen- terol. 2013, 19,5 837 -5847;
  28. V.M ontserrat, M. J. Bruins, L. Edens, F. Koning, FoodChem. 2015, 174,440 -445.
  29. B. M. Paterson,K .M.L ammers, M. C. Arrieta, A. Fasano,J .B.M eddings, Aliment.Pharmacol. Ther. 2007, 26,757 -766.
  30. G. Ferretti,T .B acchetti, S. Masciangelo, L. Saturni, Nutrients 2012, 4, 243 -257.
  31. H. Wieser, Food Microbiol. 2007, 24,1 15 -119.
  32. N. Rosenberg, Y. Shimoni, Y. Altschuler,H .L evanony,M .V olokita, G. Galili, PlantPhysiol. 1993, 102,61-69.
  33. A. S. Ta tham, S. M. Gilbert, R. J. Fido, P. R. Shewry, Methods Mol. Med. 2000, 41,55-73.
  34. L. Shan, O. Molberg, I. Parrot, F. Hausch,F .F iliz, G. M. Gray,L .M. Sollid, C. Khosla, Science 2002, 297,2 275 -2279;
  35. F .H ausch,L .S han, N. A. Santiago, G. M. Gray,C .K hosla, Am. J. Physiol.G astrointest. Liver Physiol. 2002, 283,G996 -G1003;
  36. T. B. Osborne, The Proteinso fW heat- Kernel,Carnegie Institutiono fW ashington, Washington, 1907.
  37. S. Quester,M .D ahesh, R. Strey, Colloid Polym.S ci. 2014, 292,2 385 - 2389.
  38. J. A. Bietz, T. Burnouf, Theor.A ppl. Genet. 1985, 70,5 99 -609;
  39. P .R. Shewry,A.S.T atham, J. Cereal Sci. 1997, 25,207 -227.
  40. F. M. DuPont, W. H. Vensel, R. Chan, D. D. Kasarda, Cereal Chem. 2000, 77,6 07 -614;
  41. P .R.S hewry,A .S.T atham, Biochem. J. 1990, 267,1-12.
  42. S. Aibara, J. Cryst. Growth 1995, 155,247 -253.
  43. V. I. Dodero, P. V. Messina in Proteins in Solutiona nd at Interfaces (Eds.: J. M. Ruso, .P iÇeiro), John Wiley &S ons, Inc.,H oboken, NJ, 2013, pp. 73 -98.
  44. E. W. Blanch,D .D.K asarda, L. Hecht, K. Nielsen, L. D. Barron, Biochem- istry 2003, 42,5 665 -5673.
  45. A. S. Ta tham, P. R. Shewry, J. Cereal Sci. 1985, 3,103 -113.
  46. X. Robert, P. Gouet, NucleicAcids Res. 2014, 42,W 320 -324.
  47. I. J. Joye, V. A. Nelis, D. J. McClements, Food Hydrocolloids 2015, 44, 86 -93;
  48. C. Duclairoir,A .M.O recchioni, P. Depraetere, F. Osterstock, E. Nakache, Int. J. Pharm. 2003, 253,133 -144.
  49. D. D. Kasarda, J. E. Bernardin, R. S. Thomas, Science 1967, 155,2 03 -205.
  50. N. Sato, A. Matsumiya, Y. Higashino, S. Funaki, Y. Kitao, Y. Oba, R. Inoue, F. Arisaka,M .S ugiyama, R. Urade, J. Agric. Food Chem. 2015, 63,8 715 - 8721.
  51. M. G. Herrera,T .V .V euthey, V. I. Dodero, ColloidsS urf. B 2016, 141,5 65 - 575.
  52. R. Rivabene, E. Mancini, M. De Vincenzi, Biochim. Biophys. Acta 1999, 1453,152 -160.
  53. A. M. Mowat, Nat. Rev.I mmunol. 2003, 3,331 -341.
  54. R. M. Steinman, Annu.R ev.I mmunol. 1991, 9,2 71 -296;
  55. J.S.B lum, P. A. Wearsch, P. Cresswell, Annu.Rev.I mmunol. 2013, 31,443 -473.
  56. M. Carol, A. Lambrechts, A. VanGossum, M. Libin, M. Goldman, F. Mascart-Lemone, Gut 1998, 42,6 43 -649;
  57. J.B raunstein,L .Q iao, F. Autschbach, G. Schurmann, S. Meuer, Gut 1997, 41,215 -220.
  58. E. M. Nilsen, F. L. Jahnsen, K. E. Lundin, F. E. Johansen, O. Fausa, L. M. Sollid, J. Jahnsen, H. Scott, P. Brandtzaeg, Gastroenterology 1998, 115, 551 -563.
  59. R. D. Newberry, W. F. Stenson, R. G. Lorenz, Nat. Med. 1999, 5,9 00 -906.
  60. A. Castellanos-Rubio,I .S antin,I .I rastorza,L .C astano, J. C. Vitoria, J. R. Bilbao, Autoimmunity 2009, 42,6 9-73;
  61. A.S apone, K. M. Lammers, G. Mazzarella, I. Mikhailenko, M. Carteni, V. Casolaro, A. Fasano, Int. Arch. Allergy Immunol. 2010, 152,75-80.
  62. Y. Reinke, K. P. Zimmer,H .Y .N aim, Exp. Cell Res. 2009, 315,3 442 -3452.
  63. M. G. Clemente, S. De Virgiliis, J. S. Kang,R .M acatagney,M .P .M usu, M. R. Di Pierro, S. Drago, M. Congia, A. Fasano, Gut 2003, 52,2 18 -223;
  64. M. C. Arrieta, L. Bistritz, J. B. Meddings, Gut 2006, 55,1512 -1520.
  65. K. M. Lammers,R .L u, J. Brownley,B .L u, C. Gerard, K. Thomas, P. Rallab- handi, T. Shea-Donohue, A. Ta miz, S. Alkan, S. Netzel-Arnett,T .A ntalis, S. N. Vogel, A. Fasano, Gastroenterology 2008, 135,194 -204.
  66. A. Tripathi, K. M. Lammers, S. Goldblum,T .S hea-Donohue, S. Netzel- Arnett, M. S. Buzza, T. M. Antalis,S .N.V ogel,A .Z hao, S. Yang,M .C.A r- rietta, J. B. Meddings, A. Fasano, Proc. Natl. Acad.S ci. USA 2009, 106, 16799 -16804.
  67. M. V. Barone, A. Gimigliano,G .C astoria, G. Paolella, F. Maurano, F. Paparo, M. Maglio, A. Mineo,E .M iele, M. Nanayakkara, R. Troncone, S. Auricchio, Gut 2007, 56,480 -488.
  68. K. E. Thomas, A. Sapone, A. Fasano, S. N. Vogel, lI mmunol. 2006, 176, 2512 -2521.
  69. S. Drago, R. El Asmar, M. Di Pierro, M. Grazia Clemente, A. Tripathi,A . Sapone, M. Thakar,G .I acono, A. Carroccio, C. D'Agate,T .N ot, L. Zampi- ni, C. Catassi, A. Fasano, Scand. J. Gastroenterol. 2006, 41,408 -419.
  70. A. Fasano,T .N ot, W. Wang, S. Uzzau,I .B erti, A. To mmasini, S. E. Gold- blum, Lancet 2000, 355,1518 -1519.
  71. C. Bondar,R .E.A raya, L. Guzman, E. C. Rua, N. Chopita, F. G. Chirdo, PloS One 2014, 9,e89068.
  72. B. Jabri, L. M. Sollid, Nat. Rev.Immunol. 2009, 9,858 -870.
  73. C. Giovannini, M. Sanchez, E. Straface, B. Scazzocchio, M. Silano, M. De Vincenzi, Toxicology 2000, 145,63-71.
  74. B. Meresse, Z. Chen, C. Ciszewski, M. Tretiakova, G. Bhagat, T. N. Krausz, D. H. Raulet,L .L.L anier,V .G roh,T .S pies,E .C.E bert, P. H. Green, B. Jabri, Immunity 2004, 21,357 -366.
  75. C. Gianfrani, S. Auricchio, R. Troncone, Immunol. Lett. 2005, 99,1 41 - 145.
  76. D. Bernardo, J. A. Garrote, L. Fernandez-Salazar,S .R iestra, E. Arranz, Gut 2007, 56,889 -890.
  77. B. Jabri, V. Abadie, Nat. Rev.I mmunol. 2015, 15,771 -783.
  78. K. M. Lammers,S .K handelwal, F. Chaudhry,D .K ryszak, E. L. Puppa,V . Casolaro, A. Fasano, Immunology 2011, 132,432 -440.
  79. L. Tuckova, J. Novotna, P. Novak,Z .F legelova,T .K veton, L. Jelinkova, Z. Zidek,P .M an, H. Tlaskalova-Hogenova, J. Leukocyte Biol. 2002, 71,6 25 - 631.
  80. L. Jelínkovµ,L .T uckova,J .C inova, Z. Flegelova, H. Tlaskalova-Hogenova, FEBS Lett. 2004, 571,81-85.
  81. L. Palovµ-Jelínkovµ,K .D anova, H. Drasarova,M .D vorak, D. P. Funda,P . Fundova,A .K otrbova-Kozak, M. Cerna, J. Kamanova, S. F. Martin,M . Freudenberg, L. Tuckova, PloS One 2013, 8,e62426.
  82. Y. Junker,S.Zeissig, S. J. Kim, D. Barisani,H.Wieser,D.A.Leffler, V. Zeval- los, T. A. Libermann,S .D illon, T. L. Freitag, C. P. Kelly,D .S chuppan, J. Exp. Med. 2012, 209,2395 -2408.
  83. K. M. Lammers, M. Chieppa, L. Liu, S. Liu, T. Omatsu,M .J anka-Junttila,V . Casolaro, H. C. Reinecker,C .A.P arent, A. Fasano, PLoS One 2015, 10, e0138338.
  84. L. Zhou,J .E.L opes, M. M. Chong, I. I. Ivanov, R. Min, G. D. Victora, Y. Shen, J. Du, Y. P. Rubtsov,A .Y .R udensky,S .F .Z iegler,D .R.L ittman, Nature 2008, 453,236 -240.
  85. T. Vorobjova,O .U ibo, K. Heilman, T. Rago, J. Honkanen,O .V aarala, V. Tillmann, I. Ojakivi, R. Uibo, Scand. J. Gastroenterol. 2009, 44,4 22 -430;
  86. M. Tiittanen, M. Westerholm-Ormio, M. Verkasalo, E. Savilahti, O. Vaar- ala, Clin. Exp. Immunol. 2008, 152,498 -507.
  87. G. Serena, S. Yan, S. Camhi, S. Patel, R. S. Lima,A .S apone, M. M. Leo- nard,R .M ukherjee, B. J. Nath,K .M.L ammers, A. Fasano, Clin. Exp. Im- munol. 2017, 187,4 90 -506;
  88. M.G ranzotto, S. dal Bo, S. Quaglia, A. To mmasini,E .P iscianz, E. Valencic, F. Ferrara, S. Martelossi, A. Ventura,T . Not, Dig. Dis. Sci. 2009, 54,1513 -1519.
  89. L. Shan, S. W. Qiao, H. Arentz-Hansen,O .M olberg, G. M. Gray,L .M. Sollid, C. Khosla, J. Proteome Res. 2005, 4,1732 -1741.
  90. G. Mamone, P. Ferranti,M .R ossi, P. Roepstorff, O. Fierro,A .M alorni, F. Addeo, J. Chromatogr.B .A nalyt. Technol. Biomed.L ife Sci. 2007, 855, 236 -241;
  91. L.M aiuri, R. Troncone, M. Mayer,S .C oletta,A .P icarelli, M. D. Vincenzi, V. Pavone, S. Auricchio, Scand.J .G astroenterol. 1996, 31, 247 -253.
  92. L. Maiuri, C. Ciacci, I. Ricciardelli, L. Vacca, V. Raia,S .A uricchio, J. Picard, M. Osman, S. Quaratino, M. Londei, Lancet 2003, 362,3 0-37;
  93. H. Arentz-Hansen, B. Fleckenstein, O. Molberg, H. Scott, F. Koning, G. Jung,P .R oepstorff, K. E. Lundin,L.M.S ollid, PLoS Med. 2004, 1,e1.
  94. R. E. Araya, M. F. Gomez Castro, P. Carasi, J. L. McCarville, J. Jury,A .M. Mowat, E. F. Verdu, F. G. Chirdo, Am. J. Physiol. Gastrointest. Liver Physiol. 2016, 311,G40 -49.
  95. M. V. Barone, M. Nanayakkara, G. Paolella, M. Maglio, V. Vitale, R. Troia- no, M. T. Ribecco, G. Lania, D. Zanzi, S. Santagata, R. Auricchio, R. Tron- cone, S. Auricchio, PloSo ne 2010, 5,e 12246;
  96. H. Arentz-Hansen, R. Korner,O .M olberg, H. Quarsten, W. Vader,Y .M.K ooy,K .E.L undin, F. ChemistryOpen 2018, 7,217 -232 www.chemistryopen.org 2018 The Authors. Publishedb yWiley-VCH Verlag GmbH &Co. KGaA, Weinheim
  97. Koning, P. Roepstorff, L. M. Sollid,S .N.M cAdam, J. Exp. Med. 2000, 191, 603 -612.
  98. A. Luciani, V. R. Villella, A. Vasaturo, I. Giardino, M. Pettoello-Mantovani, S. Guido, O. N. Cexus, N. Peake, M. Londei,S .Q uaratino, L. Maiuri, Gut 2010, 59,311 -319.
  99. S. Vilasi, I. Sirangelo,G .I race, I. Caputo, M. V. Barone, C. Esposito, R. Ragone, J. Mol. Recognit. 2010, 23,322 -328.
  100. G. Paolella, M. Lepretti, S. Martucciello,M .N anayakkara, S. Auricchio, C. Esposito, M. V. Barone,I .Caputo, Cell Biol. Int. 2018, 42,1 12 -120.
  101. K. Schalk, C. Lang, H. Wieser,P .K oehler, K. A. Scherf, Sci. Rep. 2017, 7, 45092.
  102. M. Schumann,J .F .R ichter, I. Wedell,V .M oos, M. Zimmermann-Kord- mann, T. Schneider,S .D aum,M .Z eitz, M. Fromm, J. D. Schulzke, Gut 2008, 57,7 47 -754.
  103. S. MØnard, C. Lebreton, M. Schumann,T .M atysiak-Budnik, C. Dugave, Y. Bouhnik,G .M alamut, C. Cellier, M. Allez, P. Crenn,J .D.S chulzke, N. Cerf-Bensussan,M.H eyman, Am. J. Pathol. 2012, 180,608 -615.
  104. T. Matysiak-Budnik, I. C. Moura, M. Arcos-Fajardo, C. Lebreton, S. Menard,C .C andalh, K. Ben-Khalifa, C. Dugave,H .T amouza, G. van Niel, Y. Bouhnik, D. Lamarque, S. Chaussade, G. Malamut, C. Cellier,N .C erf- Bensussan, R. C. Monteiro, M. Heyman, J. Exp. Med. 2008, 205,1 43 -154;
  105. M. Heyman, S. Menard, Ann. N. Y. Acad. Sci. 2009, 1165,274 -278.
  106. M. T. Bethune, M. Siegel, S. Howles-Banerji, C. Khosla, J. Pharmacol. Exp. Ther. 2009, 329,657 -668.
  107. M. Dall, K. Calloe,M .H aupt-Jorgensen, J. Larsen, N. Schmitt, K. Josefsen, K. Buschard, PloS one 2013, 8,e66474.
  108. M. T. Bethune, C. Khosla, PLoS Pathog. 2008, 4,e 34.
  109. M. L. Moreno, A. Cebolla, A. Munoz-Suano, C. Carrillo-Carrion, I. Comino, A. Pizarro, F. Leon,A .R odriguez-Herrera, C. Sousa, Gut 2017, 66,2 50 - 257.
  110. I. Parrot, P. C. Huang, C. Khosla, J. Biol. Chem. 2002, 277,4 5572 -45578.
  111. M. G. Herrera, F. Zamarreno,M .C ostabel, H. Ritacco, A. Hutten, N. Sewald,V .I.D odero, Biopolymers 2014, 101,9 6-106.
  112. M. G. Herrera,L .A.B enedini, C. Lonez, P. L. Schilardi, T. Hellweg,J .M. Ruysschaert, V. I. Dodero, Soft Matter 2015, 11,8648 -8660.
  113. R. Sarroukh, E. Goormaghtigh, J. M. Ruysschaert, V. Raussens, Biochim. Biophys. Acta 2013, 1828,2328 -2338.
  114. T. Pawson,G.D.G ish,P .Nash in Protein Science Encyclopedia,W iley-VCH, Weinheim, 2008.
  115. E. Beniash,J .P .S immer,H .C.M argolis, J. Dent. Res. 2012, 91,9 67 -972.
  116. T. P. Knowles, M. Vendruscolo, C. M. Dobson, Nat. Rev.M ol. Cell Biol. 2014, 15,384 -396.
  117. R. Krishnan, J. L. Goodman,S .M ukhopadhyay,C .D.P acheco, E. A. Lemke, A. A. Deniz,S .L indquist, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2012, 109, 11172 -11177.
  118. M. F. Perutz, Curr.O pin. Struct. Biol. 1996, 6,8 48 -858;
  119. R.M ishra, A. K. Thakur, Org. Biomol. Chem. 2015, 13,4155 -4159.
  120. D. Punihaole, R. J. Workman, Z. Hong,J .D.M adura, S. A. Asher, J. Phys. Chem. B 2016, 120,3012 -3026.
  121. H. Y. Zoghbi, H. T. Orr, Annu Rev Neurosci. 2000, 23,217 -247.
  122. S. W. Bruun, K. Josefsen,J .T .T anassi, A. Marek, M. H. Pedersen,U .S ide- nius, M. Haupt-Jorgensen, J. C. Antvorskov,J .L arsen, N. H. Heegaard,K . Buschard, JD iabetes Res. 2016, 2016,2424306.