This work describes the analysis of a novel, isolated, autosomal dominant form of Fanconi´s syndrome, a disorder of the renal proximal tubule associated with decreased reapsorption of solutes from the primary urine. This yet unknown Fanconi´s syndrome is evoked by a mutation in the third codon of the peroxisomal protein enoyl-CoA hydratase / L-3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase (EHHADH), also called “Fanconi-associated protein”, which results in the substitution of a glutamic acid residue with lysine (p.E3K). By complementing proteomic and metabolomic analyses of wildtype- and mutant-EHHADH-expressing proximal tubular cell lines (LLC-PK1) with different biochemical and cell biological investigations, the underlying pathomechanism is elucidated. The E3K-mutation leads to the erroneous localization of peroxisomal EHHADH into mitochondria causing a mitochondriopathy. Upon mistargeting of EHHADHMUT into mitochondria, it replaces an alpha subunit of the mitochondrial trifunctional protein (MTP). The MTP normally builds a heterooctamer consisting of four alpha and four beta subunits and is involved in mitochondrial fatty acid β-oxidation. The incorporation into MTP impairs both mitochondrial β-oxidation and respiratory supercomplex assembly, leading to a decreased oxidative phosphorylation capacity. Impairment of the former is shown by the characteristic accumulation of hydroxyacyl-, enoyl- and acylcarnitines in the cell culture supernatant, thus resembling the situation in patients with MTP and/or LCHAD deficiency. The impaired mitochondrial β-oxidation consequently decreases cellular long-chain fatty acid uptake and the acetyl-CoA production in EHHADHMUT cell line. In addition, EHHADHMUT is also incorporated into respiratory supercomplexes, thereby disturbing their assembly, as shown by blue native PAGE. As a result of impaired mitochondrial β-oxidation and diminished supercomplex assembly the EHHADHMUT cell line shows a decreased oxidative phosphorylation capacity and reduced ATP generation. This mitochondriopathy results in the decreased tubular reabsorption of electrolytes and low-molecular-weight proteins, leading to the Fanconi´s syndrome.

Diese Arbeit beschreibt die Analyse einer neuen Form eines isolierten, autosomal dominanten Fanconi Syndroms, einer Erkrankung des proximalen Tubulus der Niere, die mit einer verringerten Absorption verschiedener Komponenten aus dem Primärharn einhergeht. Dieses bisher unbekannte Fanconi Syndrom wird durch eine Mutation am N-terminalen Ende des peroxisomalen Proteins Enoyl-CoA Hydratase / L-3-Hydroxyacyl-CoA Dehydrogenase (EHHADH), auch „Fanconi-assoziertes Protein“ genannt, hervorgerufen. In dieser Arbeit werden proteomische und metabolomische Analysen einer renalen proximalen tubulären Zelllinie (LLC-PK1) durch verschiedene biochemische und zellbiologische Untersuchungsmethoden ergänzt, um den zugrundeliegenden Pathomechanismus aufzuklären. Die E3K-Mutation führt zu einer fehlerhaften Lokalisierung von EHHADH in die Mitochondrien, wodurch eine Mitochondriopathie hervorgerufen wird. In den Mitochondrien wird EHHADHMUT ins mitochondriale trifunktionelle Protein (engl.: „mitochondrial trifunctional protein / MTP“) an Stelle einer alpha-Untereinheit eingebaut. Das MTP ist an der mitochondriellen β-Oxidation von Fettsäuren beteiligt und besteht normalerweise aus je vier alpha- und beta-Untereinheiten, welche ein Hetero-Oktamer bilden. Der Einbau ins MTP beeinträchtigt dabei sowohl die mitochondriale β-Oxidation von Fettsäuren als auch die Zusammensetzung der Superkomplexe der Atmungskette. Beide Vorgänge führen zu einer verringerten Aktivität der oxidativen Phosphorylierung.
Die Störung der mitochondrialen β-Oxidation wird durch die charakteristische Akkumulation von Hydroxyacyl-, Enoyl- und Acylcarnitinen im Zellkulturmedium experimentell bestätigt; damit weisen die Medien ein ähnliches Muster wie Seren von Patienten mit MTP- und/oder LCHAD-Defizienz auf. Die gestörte mitochondriale β-Oxidation von Fettsäuren führt nachfolgend zu einer erniedrigten zellulären Aufnahme langkettiger Fettsäuren und zu einer erniedrigten Produktion von Acetyl-CoA in der EHHADHMUT Zelllinie. Zusätzlich zu der gestörten β-Oxidation ist auch die Bildung von Superkomplexen der Atmungskette gestört. Aufgrund dessen sind die oxidative Phosphorylierung und ATP-Produktion in den betroffenen Zelllinien erniedrigt. Die durch die Mislokalisation entstandene Mitochondriopathie ist der Grund für die erniedrigte tubuläre Resorption von Glukose, Aminosäuren, Phosphat, Kalium und niedermolekularen Proteinen, welche in erster Linie zu Minderwuchs und Vitamin-D-resistenter Rachitis führt.