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Hamburg, Carl von Ossietzky

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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-37731
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2009/3773/


Glutaryl-Coenzym A Dehydrogenase-Defizienz: in vitro und in vivo Untersuchungen zu Pathomechanismen am Mausmodell (Mus musculus; Linnaeus, 1758) der neurodegenerativen Erkrankung

Keyser, Britta

Originalveröffentlichung: (2008) Stellmer F, Keyser B, Burckhardt BC, Koepsell H, Streichert T, Glatzel M, Jabs S, Thiem J, Herdering W, Koeller DM, Goodman SI, Lukacs Z, Ullrich K, Burckhardt G, Braulke T and Mühlhausen C (2007a): 3-Hydroxyglutaric acid is transported via the sodium-dependent dicarboxylate transporter NaDC3. J Mol
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SWD-Schlagwörter: Glutarazidurie , Glutarsäure , Nervenzelle , Astrozyt , Mitochondrium , Induzierte Mutation , Pathomechanismus , Blut-Hirn-Schranke , Real time quanti
Freie Schlagwörter (Deutsch): Glutaryl-Coenzym A Dehydrogenase , 3-Hydroxyglutarsäure , Natrium-abhängiger Dicarboxylat-Transporter , Organische Anionen Transporter , Hydroxylysin
Freie Schlagwörter (Englisch): glutaric aciduria , glutaric acid , 3-hydroxy glutaric acid , glutaryl-Coenzym A dehydrogenase , transporter
Basisklassifikation: 42.20 , 35.70 , 42.13 , 42.15 , 44.77
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Braulke, Thomas (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 09.05.2008
Erstellungsjahr: 2008
Publikationsdatum: 04.05.2009
Kurzfassung auf Deutsch: Die Glutarazidurie Typ 1 (GA1) ist eine neurodegenerative Erkrankung, bei der es in Folge des Defekts der mitochondrialen Glutaryl-Coenzym A Dehydrogenase (GCDH) zur Anhäufung der spezifischen Metabolite Glutarsäure (GA) und 3-Hydroxyglutarsäure (3OHGA) in allen Geweben und Körperflüssigkeiten kommt. Die GCDH ist am Abbau der Aminosäuren Lysin, Hydroxylysin und Tryptophan beteiligt. Es sind über 150 Mutationen im GCDHGen bekannt, die jedoch nicht mit dem klinischen Phänotyp korrelieren. Während kataboler Zustände, z.B. im Rahmen fiebriger Infektionen, können GA1-Patienten, enzephalopathische Krisen entwickeln. Hierbei kommt es zu einer Degeneration des Striatums und in dessen Folge zur Ausbildung einer irreversiblen dyston-dyskinetischen Bewegungsstörung. Verschiedene Pathomechanismen, die von NMDA-Rezeptor-vermittelter Exzitotoxizität bis zu Endothelschädigung reichen, wurden diskutiert.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Expressionsanalysen mutanter GCDH und Untersuchungen der Pathomechanismen der GA1 mit Hilfe eines Mausmodells der Krankheit.
In der vorliegenden Arbeit wurden folgende Ergebnisse gewonnen:
1.Expressionsanalysen von vier ausgesuchten pathogenen Missense-Mutationen in der GCDH zeigten, dass die enzymatischen Aktivitäten unterschiedlich betroffen waren. Keine der Mutationen beeinflusste die Syntheserate, Lokalisierung und Multimerisierung der GCDH. Die GCDH p.Arg402Trp-Mutante weist jedoch eine fünffach erhöhte Abbaurate gegenüber der Wildtyp-GCDH auf. 3D-Modell-Analysen ließen keine signifikanten Strukturveränderungen erkennen, die die verringerte Stabilität der p.Arg402Trp-Mutante erklären. Dagegen lässt die Position des mutierten Met263-Restes gestörte Wechselwirkungen der GCDH mit anderen mitochondrialen Proteinen vermuten.
2.Durch intravenöse Injektion radioaktiv-markierter 3OHGA in Wildtyp- und Gcdh-defiziente Mäuse konnte gezeigt werden, dass die Blut-Hirn-Schranke bei Gcdh-defizienten Mäusen weder unter basalen Bedingungen noch während induzierten enzephalopathischen Krisen geschädigt ist und dass der potenziell toxisch wirkende Metabolit 3OHGA nicht aus der Zirkulation stammt, sondern endogen vom Hirn selbst produziert werden muss.
3.Gcdh-defiziente Mäuse scheiden radioaktiv-markierte 3OHGA unter basalen Bedingungen, neben dem bekannten Ausscheidungsweg über den Urin ebenfalls in großen Mengen über den Kot aus. Dieser Ausscheidungsweg ist bei Gcdh-defizienten Mäusen während einer metabolischen Krise gestört.
4.Neurone sind darauf angewiesen, von Astrocyten mit Citratzyklus-Intermediaten wie z.B. Succinat oder α-Ketoglutarat versorgt zu werden. Bei diesen handelt es sich ebenso wie bei GA und 3OHGA um Dicarboxylate. Es wurde gezeigt, dass 3OHGA und GA den Transport von radioaktiv-markiertem Succinat in kultivierten Astrocyten und Neuronen hemmen und so den Intermediaten-Transfer zwischen diesen Zellpopulationen regulieren. Die Daten lassen vermuten, dass in Gcdh-defizienten Astrocyten und Neuronen der Transport von Succinat über unterschiedliche Mechanismen reguliert wird, die sowohl die Expression der beteiligten Transporter, cis/trans-Modulation der Transporteraktivität durch GA1-Metabolite, wie auch intrazelluläre Umverteilung von Transportern umfassen kann.
Kurzfassung auf Englisch: The Glutaric Aciduria Type 1 (GA1) is a neurodegenerative disease, which is caused by a defect in the mitochondrial Glutaryl-coenzyme A dehydrogenase (GCDH) resulting in the accumulation of specific metabolites glutaric acid (GA) and 3-hydroxy glutaric acid (3OHGA) in all tissues and body fluids . The GCDH is involved in the degradation of the amino acids lysine, hydroxylysine and tryptophan. There are more than 150 mutations in the GCDH-gen known, but there are no correlations between a mutation an the clinical phenotype. While catabolic states, e.g. within fevered infections GA1 patients can develop encephalopathic crises. This leads to a degeneration of the striatum resulting in an irreversible dystonic-dyskinetic movement disorder. Various mechanisms, ranging from NMDA receptor-mediated excitotoxicity to endothelial damage, were discussed.
The present work deals with expression-analyses of mutant GCDH and studies of the pathomechanisms of GA1 using a mouse model of the disease.
In the present work the following results were obtained:
1. Expression-analysis of four selected pathogenic missense mutations in the GCDH showed that the enzyme activities were differently affected. None of the mutations affect the synthesis rate, localization and multimerisation of the GCDH. The GCDH p.Arg402Trp mutant shows a fivefold increased reduction rate compared with the wildtype-GCDH. 3D model analysis did not reveal significant structural changes that would explain the reduced stability of the mutant p.Arg402Trp. The position of the mutant Met263 residue could perhaps disturbed the GCDH interactions with other mitochondrial proteins.
2. By intravenous injection of radioactively-labelled 3OHGA in wildtype and Gcdh-deficient mice it was shown that the blood-brain barrier in Gcdh-deficient mice was neither damaged under basal conditions nor during induced encephalopathic crises and that the potentially toxic acting metabolite 3OHGA does not come from the circulation, but has to be endogenously produced by the brain.
3. Gcdh-deficient mice excrete radioactively-labelled 3OHGA under basal conditions, in addition to the well-known way of excretion via the urine in large quantities via the faeces. This way of excretion is disrupted in Gcdh-deficient mice during a metabolic crisis.
4. Neurons rely on citric acid cycle intermediates from the astrocyts like succinate or α-ketoglutarate. Like GA and 3OHGA these substrates are dicarboxylats. It was shown that 3OHGA and GA inhibit the transport of radioactive-labelled succinate in cultured astrocyts and neurons and thus regulate the transfer of intermediats between these cell populations. The data suggest that in Gcdh deficient astrocyts and neurons the transport of succinate is regulated via different mechanisms, including the expression of the transporter, cis / trans-modulation of transporter activity by GA1-metabolites, and intracellular redistribution of transporters.


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