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Untersuchungen zur Störung der Proteinfaltung und zur stabilisierenden Wirkung niedermolekularer Verbindungen auf das Glutaryl-CoA-Dehydrogenase-Protein
Untersuchungen zur Störung der Proteinfaltung und zur stabilisierenden Wirkung niedermolekularer Verbindungen auf das Glutaryl-CoA-Dehydrogenase-Protein
Der Glutaryl-CoA-Dehydrogenasemangel führt zur neurometabolischen Erkrankung GA1, einer Erkrankung mit schwerer, nicht reversibler dystonisch-dyskinetischer bis choreathetotischer Bewegungsstörung, wobei die neurokognitiven Fähigkeiten der Patienten weitgehend bestehen bleiben. Die aktuellen etablierten Therapien bestehen aus einer lysinfreien Diät, sowie aus intensivmedizinischer Betreuung mit Glucoseinfusionen und Supplementierung von L-Carnitin während kataboler Krisen. Trotz der Durchführung präventiver Therapiemaßnahmen erleidet eine signifikante Anzahl von Patienten eine enzephalopathische Krise mit Verlust sämtlicher motorischer Fähigkeiten. Ein tieferes Verständnis der Pathophysiologie der Erkrankung und insbesondere der intrazellulären molekularen Mechanismen auf Proteinebene ist die Voraussetzung für die Entwicklung kausaler Therapiestrategien. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Beantwortung der Fragen ob (i) Mutationen im GCDH- Gen Proteinfehlfaltung und Proteininstabilität induzieren, (ii) biochemische und biophysikalische Charakteristika der Proteinvarianten einen Einfluss auf die Schwere der Erkrankung haben und, ob (iii) GCDH-Varianten durch das small molecule FAD stabilisierbar sind. Zur Beantwortung dieser Fragen nutzten wir ein high-throughput Verfahren, das sowohl ein breites Spektrum an Methoden als auch einen Ansatz im prokaryoten und eukaryoten System beinhaltete. Hiermit konnten wir nachweisen, dass Mutationen im GCDH-Gen die Proteinfaltung und Proteinstabilität je nach Lokalisation in der Quartärstruktur beeinträchtigen. Hiermit ist die GA1 in die Klasse der Proteinfaltungserkrankungen mit loss- of-function einzuordnen. Eine klare Korrelation von Genotyp zu klinischem Phänotyp konnten wir nicht nachweisen. Hierfür bedarf es weiterer Studien, die auch die Enzymrestaktivität beinhalten. Wir haben gezeigt, dass pharmakologische Dosen des small molecule FAD zu einer Stabilisierung des varianten GCDH-Proteins führen, wobei wir FAD-sensitive und nicht- sensitive Varianten identifiziert haben. Die zentralen Ergebnisse dieser Arbeit sind daher (i) die GA1 ist eine Proteinfaltungs- erkrankung mit loss-of-function. (ii) Die Proteinfehlfaltung ist pharmakologisch korrigierbar und stellt damit die experimentelle Grundlage für die pharmazeutische Entwicklung eines orphan drugs für Kinder mit GA1 dar.
Glutarazidurie Typ 1, GA1, Glutaryl-CoA-Dehydrogenase, GCDH
Gertzen, Marcus
2021
German
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Gertzen, Marcus (2021): Untersuchungen zur Störung der Proteinfaltung und zur stabilisierenden Wirkung niedermolekularer Verbindungen auf das Glutaryl-CoA-Dehydrogenase-Protein. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

Der Glutaryl-CoA-Dehydrogenasemangel führt zur neurometabolischen Erkrankung GA1, einer Erkrankung mit schwerer, nicht reversibler dystonisch-dyskinetischer bis choreathetotischer Bewegungsstörung, wobei die neurokognitiven Fähigkeiten der Patienten weitgehend bestehen bleiben. Die aktuellen etablierten Therapien bestehen aus einer lysinfreien Diät, sowie aus intensivmedizinischer Betreuung mit Glucoseinfusionen und Supplementierung von L-Carnitin während kataboler Krisen. Trotz der Durchführung präventiver Therapiemaßnahmen erleidet eine signifikante Anzahl von Patienten eine enzephalopathische Krise mit Verlust sämtlicher motorischer Fähigkeiten. Ein tieferes Verständnis der Pathophysiologie der Erkrankung und insbesondere der intrazellulären molekularen Mechanismen auf Proteinebene ist die Voraussetzung für die Entwicklung kausaler Therapiestrategien. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Beantwortung der Fragen ob (i) Mutationen im GCDH- Gen Proteinfehlfaltung und Proteininstabilität induzieren, (ii) biochemische und biophysikalische Charakteristika der Proteinvarianten einen Einfluss auf die Schwere der Erkrankung haben und, ob (iii) GCDH-Varianten durch das small molecule FAD stabilisierbar sind. Zur Beantwortung dieser Fragen nutzten wir ein high-throughput Verfahren, das sowohl ein breites Spektrum an Methoden als auch einen Ansatz im prokaryoten und eukaryoten System beinhaltete. Hiermit konnten wir nachweisen, dass Mutationen im GCDH-Gen die Proteinfaltung und Proteinstabilität je nach Lokalisation in der Quartärstruktur beeinträchtigen. Hiermit ist die GA1 in die Klasse der Proteinfaltungserkrankungen mit loss- of-function einzuordnen. Eine klare Korrelation von Genotyp zu klinischem Phänotyp konnten wir nicht nachweisen. Hierfür bedarf es weiterer Studien, die auch die Enzymrestaktivität beinhalten. Wir haben gezeigt, dass pharmakologische Dosen des small molecule FAD zu einer Stabilisierung des varianten GCDH-Proteins führen, wobei wir FAD-sensitive und nicht- sensitive Varianten identifiziert haben. Die zentralen Ergebnisse dieser Arbeit sind daher (i) die GA1 ist eine Proteinfaltungs- erkrankung mit loss-of-function. (ii) Die Proteinfehlfaltung ist pharmakologisch korrigierbar und stellt damit die experimentelle Grundlage für die pharmazeutische Entwicklung eines orphan drugs für Kinder mit GA1 dar.