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Bioenergetik und Biochemie bei zerebralen Organoazidopathien am Beispiel der Glutaryl-CoA-Dehydrogenase-Defizienz und der Succinat-Semialdehyd-Dehydrogenase-Defizienz

Sauer, Sven Wolfgang

English Title: Bioenergetics and biochemistry of cerebral organic acid disorders focusing on glutaryl-CoA dehydrogenase deficiency and succinic semialdehyde dehydrogenase deficiency

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Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle der Biochemie und Bioenergetik bei zerebralen Organoazidopathien am Beispiel der Glutaryl-CoA-Dehydrogenase (GCDH)-Defizienz und der Succinatsemialdehyd-Dehydrogenase (SSADH)-Defizienz untersucht. Die GCDH-Defizienz ist eine erbliche Stoffwechselstörung im Abbau der Aminosäuren L-Lysin, L-Hydroxylysin und L-Tryptophan. Durch einen Defekt der GCDH akkumulieren bei Patienten Glutaryl-CoA, Glutarsäure (GA) und 3-Hydroxyglutarsäure (3-OH-GA) in Geweben und Körperflüssigkeiten. Unbehandelt wird diese Krankheit in der Kindheit zumeist durch eine striatale Degeneration im Rahmen einer enzephalopathischen Krise nach einer katabolen Stoffwechsellage kompliziert. Die SSADH-Defizienz ist eine erbliche Stoffwechselstörung im Abbau des Neurotransmitters gamma-Aminobuttersäure (GABA). Patienten fallen durch eine Akkumulation von GABA, gamma-Hydroxybuttersäure, Succinatsemialdehyd und 4,5-Dihydroxyhexansäure in Geweben und Körperflüssigkeiten infolge einer defekten SSADH auf. Häufige klinische Befunde sind psychomotorische Retardierung, epileptische Krampfanfälle, Bewegungstörungen und Verhaltensauffälligkeiten. Im bioenergetischen Teil der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob eine mitochondriale, bioenergetische Dysfunktion an der Pathogenese dieser Erkrankungen beteiligt ist. Hierfür wurden endogene Enzymaktivitäten der Atmungskette und der beta-Oxidation in Gewebehomogenaten von Gcdh- und Ssadh-defizienten Mäusen bestimmt. An isolierten Enzymen, Gewebehomogenaten und submitochondrialen Partikeln wurde der Einfluss der akkumulierenden Metabolite auf die Enzyme der Atmungskette, der beta-Oxidation und des Citratzyklusses getestet. Oxidativer Stress wurde über die Glutathion-Konzentrationen in Gewebehomogenaten abgeschätzt. Das wichtigste Ergebnis für die GCDH-Defizienz war eine unkompetitive Hemmung der alpha-Ketosäure-Dehydrogenase-Komplexe - insbesondere des alpha-Ketoglutarat-Dehydrogenase Komplexes - durch Glutaryl-CoA. Es konnte kein weiterer Einfluss akkumulierender Metabolite auf die Enzyme des Citratzyklusses, der Atmungskette und der beta-Oxidation gefunden werden. Bei Gcdh-defizienten Mäusen waren die endogenen Aktivitäten von Enzymen der beta-Oxidation erniedrigt, die Aktivitäten der Atmungskettenkomplexe waren jedoch unverändert. Für die SSADH-Defizienz konnte keine Änderung endogener Enzymaktivitäten der Atmungskette oder ein direkter Einfluss akkumulierender Metabolite auf die Enzyme der Atmungskette oder des Citratzyklusses gefunden werden. Bei beiden Mausmodellen wurden im Gehirn erniedrigte Glutathion-Konzentrationen als Hinweis auf oxidativen Stress nachgewiesen Die biochemischen Eigenschaften (Gewebeverteilung, Bluthirnschranke [BBB]-Permeabilität und Herkunft der zerebralen Konzentrationen) akkumulierender Metabolite sind für die SSADH-Defizienz gut beschrieben. Obwohl GA und 3-OH-GA postulierte Neurotoxine sind, sind diese Faktoren bei der GCDH-Defizienz noch relativ unbekannt. Deshalb wurden diese biochemischen Eigenschaften für GA und 3-OH-GA untersucht. Hierzu wurden die Konzentrationen dieser Dicarbonsäuren in Gcdh-defizienten (Gcdh-/-) Mäusen, hepatozytären Gcdh-/--Mäusen und C57Bl/6-Mäusen nach einer intraperitonealen Injektion von d4-GA und d5-3-OH-GA gemessen. Zusätzlich wurde der Transport von d4-GA und d5-3-OH-GA über kapilläre Endothelzellen aus Schweinehirn, einem in vitro-Modell der BBB, untersucht. Die wichtigsten Ergebnisse waren wie folgt: 1) ein äquimolarer Anstieg zerebraler und hepatischer GA- und 3-OH-GA-Konzentrationen in Gcdh-/--Mäusen, 2) ein unterschiedlicher Anstieg (Leber >> Gehirn) bei hepatozytären Gcdh-/--Mäusen und C57Bl/6-Mäusen nach einer intraperitonealen Injektion von d4-GA und d5-3-OH-GA und 3) eine geringe Permeabilität der BCEC für GA und 3-OH-GA (Efflux > Influx). Diese Ergebnisse weisen auf eine zerebrale de novo-Synthese von GA und 3-OH-GA und anschließendes Trapping durch eine stark limitierte BBB-Permeabilität für diese Dicarbonsäuren hin.

Translation of abstract (English)

The aim of this study was to investigate the biochemistry and bioenergetics of cerebral organic acid disorders focusing on glutaryl-CoA dehydrogenase (GCDH) deficiency and succinic semialdehyde dehydrogenase (SSADH) deficiency. GCDH deficiency is an inherited metabolic defect in the degradation of L-lysine, L-hydroxylysine and L-trytophan. It is caused by a defect of GCDH resulting in an accumulation of glutaryl-CoA, glutaric (GA) and 3-hydroxyglutaric (3-OH-GA) acid in tissues and body fluids. Clinically, this disease is complicated by striatal degeneration within encephalopathic crises which are precipitated by catabolic state during infancy. SSADH deficiency is an inherited metabolic defect in the degradation of the neurotransmitter gamma-aminobutyric acid (GABA). Affected patients are characterized by an accumulation of GABA, gamma-hydroxybutyric acid, succinic semialdehyde, and 4,5-dihydroxyhexanoic acid in tissues and body fluids because of a defect SSADH. Common clinical symptoms are psychomotoric retardation, seizures, movement disorders, and behavioral problems. In the bioenergetic part of this study it was examined, if a mitochondrial, bioenergetical dysfunction is involved in the pathogenesis of these diseases. Endogenous activities of respiratory chain and beta-oxidation enzymes were studied in tissue homogenates of Gcdh- and Ssadh-deficient mice. Purified enzymes, tissue homogenates and submitochondrial particles were used to determine the influence of the accumulating metabolites on enzymes of the respiratory chain, beta-oxidation and citric cycle. Oxidative stress was investigated by detecting glutathione concentrations in tissue homogenates. The most important finding for GCDH deficiency was an uncompetitive inhibition of the alpha-ketoacid dehydrogenase complexes, especially the alpha-ketoglutarate dehydrogenase complex, by glutaryl-CoA. Otherwise, there was no impact of accumulating metabolites on the enzymes of citric cycle, respiratory chain, and beta-oxidation. Activities of beta-oxidation enzymes in Gcdh-/- mice were lower than in wild-type mice, whereas activities of respiratory chain enzymes remained unchanged. In contrast to GCDH deficiency there was no evidence that enzyme activities were affected or accumulating metabolites had an impact on these enzymes in SSADH deficiency. In both mouse models glutathione concentrations were reduced in brain tissues indicating oxidative stress. The biochemical properties (tissue distribution, blood-brain-barrier [BBB] permeability, origin of cerebral concentrations) of accumulating metabolites are well described for SSADH deficiency. Although GA and 3-OH-GA are putative neurotoxins, these factors are quite unknown for GCDH deficiency. Therefore these biochemical properties of GA and 3-OH-GA were investigated. The concentrations of these dicarboxylic acids were studied in Gcdh-deficient (Gcdh-/-) mice, hepatic Gcdh-/- mice, C57Bl/6 mice after intraperitoneal loading with d4-GA and d5-3-OH-GA. In addition, the transport of d4-GA and d5-3-OH-GA across porcine brain capillary endothelial cells, an in vitro model for the BBB, was examined. The major results were as follows: 1) an equimolar increase in cerebral and hepatic concentrations of GA and 3-OH-GA in Gcdh-/- mice, 2) a discrepant increase (liver >> brain) of GA and 3-OH-GA in hepatic Gcdh-/- mice and in C57Bl/6 mice after intraperitoneal loading with d4-GA and d5-3-OH-GA, and 3) a low permeability of BCEC for GA and 3-OH-GA (efflux > influx). These findings suggest that there is a cerebral de novo synthesis and subsequent trapping of GA and 3-OH-GA because of the strongly limited BBB permeability for these dicarboxylic acids.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Unsicker, Prof. Dr. Klaus
Date of thesis defense: 26. June 2006
Date Deposited: 29. Jun 2006 13:52
Date: 2006
Faculties / Institutes: Medizinische Fakultät Heidelberg > Universitätskinderklinik
Subjects: 610 Medical sciences Medicine
Controlled Keywords: Bioenergetik, Neurochemie
Uncontrolled Keywords: Sekundäre Exzitotoxizität , Dicarbonsäuren , Neurodegeneration , alpha-Ketoglutarat-Dehydrogenase , Bluthirnschrankesecondary excitotoxicity , neurodegeneration , neurochemistry , bioenergetics , blood-brain-barrier
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