Bibliographic Metadata

Title
The role of ABCD1 in peroxisomal beta oxidation / submitted by Christoph Wiesinger
AuthorWiesinger, Christoph
CensorBerger, Johannes
Published2013
Description99 Bl. : Ill., graph. Darst.
Institutional NoteWien, Med. Univ., Diss., 2013
Annotation
Zsfassung in dt. Sprache
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)X-ALD / AMN / ABCD1 / ABCD3 / ALDP / ALDRP / PMP70 / Fettsäure / beta-Oxidation / Peroxisom
Keywords (EN)X-ALD / AMN / ABCD1 / ABCD3 / ALDP / ALDRP / PMP70 / fatty acid / beta oxidation / peroxisome
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-7118 Persistent Identifier (URN)
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The role of ABCD1 in peroxisomal beta oxidation [4.13 mb]
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Abstract (German)

Die X-chromosomal vererbte Adrenoleukodystrophie (X-ALD) ist die am weitesten verbreitete peroxisomale Stoffwechselerkrankung und wird durch Mutationen im Gen ABCD1 verursacht. In der Folge kommt es zu einem Defekt des entsprechenden ABCD1 Proteins, welches einen ATP-abhängigen Transporter in der peroxisomalen Membran darstellt. Die möglichen klinischen Symptome bei X-ALD reichen von einer vergleichsweise milden Adrenomyeloneuropathie (AMN) bis hin zu einer schweren, demyelinisierenden Entzündung des Gehirns, die zum frühen Tod der Betroffenen führt. Aus biochemischer Sicht charakteristisch für X-ALD ist ein Defekt im Abbau von überlangkettigen Fettsäuren in Peroxisomen, wodurch es zu einer pathologischen Anreicherung dieser Fettsäuren in unterschiedlichen Geweben von betroffenen Patienten kommt. In dieser Studie wurden primäre humane Fibroblasten verwendet, um die zugrundeliegende peroxisomale Abbaustörung von Fettsäuren zu untersuchen. Dabei wurde herausgefunden, dass nicht nur der Abbau von überlangkettigen Fettsäuren, sondern auch der Abbau der entsprechenden CoA-Derivate beeinträchtigt ist. Weiters konnte durch eine künstliche Inaktivierung des Transporters ABCD1 und unter Zuhilfenahme von isolierten Peroxisomen bewiesen werden, dass diese Abbaustörung direkt durch ABCD1 und nicht durch mögliche Sekundärmechanismen verursacht wird. Außerdem wurde gezeigt, dass nicht nur der Abbau von C26:0- Fettsäuren, sondern auch jener von C22:0-Fettsäuren betroffen ist, obwohl im Gegensatz zu letzteren nur C26:0-Fettsäuren in Patienten angereichert werden. Der mögliche Beitrag der beiden homologen peroxisomalen Transporter ABCD2 und ABCD3 zum Abbau von C26:0-Fettsäuren in humanen Fibroblasten wurde durch Quantifizierung der mRNA und Proteinkonzentrationen in Kombination mit einer Inaktivierung des ABCD3- Transporters bestimmt. Dabei zeigte sich, dass nicht wie bisher angenommen ABCD2, sondern vielmehr ABCD3 zu dem in Fibroblasten von X- ALD Patienten beobachteten verbleibenden Fettsäureabbau beiträgt. Allerdings wurde für ABCD3 eine um mindestens eine Zehnerpotenz verringerte Aktivität bestimmt, wodurch erklärt werden kann, warum dieses Protein das defekte ABCD1 in X-ALD nicht effektiv ersetzen kann. In Analogie dazu wurde auch in humanen Monozyten ABCD1 als hauptverantwortlicher peroxisomaler Transporter für überlangkettige Fettsäuren identifiziert, wohingegen in B und T Zellen ABCD2 und ABCD3 eine größere Rolle spielen dürften. Schlussendlich wurde noch gezeigt, dass ABCD1 den Fettsäureester C26:0-CoA direkt und ohne Zuhilfenahme einer zusätzlichen Synthetaseaktivität verwenden kann. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass ABCD1 ein Transporter für überlangkettige Fettsäureester ist, auch C22:0-CoA Fettsäureester akzeptiert und dass der jeweilige Beitrag der unterschiedlichen peroxisomalen Transporter vom jeweiligen Zelltyp abhängig ist.

Abstract (English)

X-linked adrenoleukodystrophy (X-ALD) is the most common inherited peroxisomal disorder and is caused by mutations in the ABCD1 gene, which encodes the peroxisomal ATP-binding-cassette (ABC) transporter ABCD1 (ALDP). X-ALD can manifest very heterogeneously ranging from adrenomyeloneuropathy (AMN) to the childhood cerebral demyelinating form (cALD), which leads to premature death of affected children. Biochemically, the disease is characterized by an accumulation of very long-chain fatty acids (VLCFAs) in tissues and body fluids that is caused by impaired peroxisomal ß-oxidation. Here, primary fibroblasts from X-ALD and Zellweger syndrome (ZWS) patients were used as a model system to investigate the peroxisomal ß-oxidation defect. The results showed that not only the degradation of free VLCFAs, but also that of VLCFA-CoA esters, is impaired in X-ALD and completely absent in ZWS patient fibroblasts. Furthermore, by omitting ATP and blocking of ABCD1 function by a specific antibody, it was demonstrated that the reduced ß-oxidation rate observed in X-ALD is a direct consequence of ABCD1 dysfunction. Possible secondary non-peroxisomal mechanisms were excluded as a cause for the ß-oxidation defect in X-ALD since the defect was maintained in isolated peroxisomes. Interestingly, ß-oxidation rates for C22:0-CoA in X-ALD and ZWS fibroblasts were reduced to a similar extent as those for C26:0-CoA, although neither in X-ALD patients nor in their fibroblasts an accumulation of C22:0 occurs. The contribution of the homologous peroxisomal ABC transporters ABCD2 and ABCD3 to C26:0 ß-oxidation in fibroblasts was targeted by quantification of their mRNA and protein levels and by inactivation of ABCD3 function by specific antibodies. These studies revealed that ABCD2 is virtually absent in human fibroblasts and that ABCD3 mediates the residual ß-oxidation activity observed in X-ALD fibroblasts. However, ABCD3 was estimated to be more than a magnitude less efficient than ABCD1, which could explain why endogenous ABCD3 is unable to rescue the metabolic defect in X-ALD. Similarly, we found that ABCD1 plays a major role in C26:0 transport in human monocytes and mouse peritoneal macrophages whereas other ABC transporters seem to be more appreciable in B and T lymphocytes. Finally, it was demonstrated in purified peroxisomes that VLCFA-CoA esters are direct substrates for ABCD1 without involvement of an additional synthetase activity. In conclusion, these results suggest that ABCD1 acts as a transporter for acyl-CoA esters of VLCFAs including C22:0-CoA and that the relative contribution of the three homologous peroxisomal ABC transporters to VLCFA-CoA ß-oxidation depends on the cell type.