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L’Adrénoleucodystrophie liée à l’X est une maladie neurodégénérative rare due à des mutations dans le gène ABCD1. Ce gène code un demi-transporteur ABC peroxysomal, impliqué dans l’importation d’acides gras à très longue chaîne. Deux autres demi-transporteurs sont localisés dans la membrane peroxysomale : ABCD2 et ABCD3. La surexpression d’ABCD2 permet de compenser la déficience en ABCD1, ouvrant ainsi des perspectives thérapeutiques. Dans cette optique, l’objectif principal de ma thèse était d’étudier la fonction et la structure d’ABCD2, et plus largement des transporteurs ABC peroxysomaux.Les demi-transporteurs doivent au minimum se dimériser pour constituer un transporteur fonctionnel. Leur dimérisation alternative pourrait moduler leur spécificité de substrat. Afin de tester cette hypothèse, nous avons réalisé des constructions plasmidiques codant différents dimères chimériques, dont la fonctionnalité a été vérifiée par transfection transitoire dans deux modèles cellulaires (fibroblastes humains et levures). D’après nos résultats, ABCD1 et ABCD2 seraient fonctionnels quel que soit leur agencement dimérique. De plus, comme d’autres transporteurs ABC, les transporteurs ABC peroxysomaux pourraient s’oligomériser. En utilisant différentes techniques biochimiques (co-immunoprécipitation, sédimentation sur gradient de sucrose et électrophorèse en conditions natives), sur un modèle cellulaire surexprimant ABCD2-EGFP, nous démontrons qu’ABCD2-EGFP interagit avec ABCD1 et ABCD3, et que les transporteurs ABC peroxysomaux sont capables de s’oligomériser. Il reste désormais à déterminer les facteurs qui contrôlent cette oligomérisation et comprendre la valeur fonctionnelle de ces interactions. / X-linked Adrenoleukodystrophy (X-ALD) is a rare neurodegenerative disease caused by deficiency of the peroxisomal half-transporter ABCD1, implicated in very long chain fatty acids import. Two additional half-transporters are located in the peroxisomal membrane: ABCD2 and ABCD3. Over-expression of ABCD2 is known to compensate for ABCD1 deficiency, making ABCD2 a therapeutic target for X-ALD treatment. In this context, the main objective of my thesis was to investigate the function and the structure of ABCD2, and more broadly, of peroxisomal ABC transporters.Half-transporters must at least dimerize to form a functional transporter. Alternative dimerization could modulate substrate specificity. In order to test this hypothesis, we engineered plasmidic constructs encoding chimeric ABCD dimers, whose functionality has been evaluated by transient transfection in two cell models (human fibroblasts and yeasts). Our results show that, ABCD1 and ABCD2 are functional whatever their dimeric organization. Besides, like other ABC transporters, peroxisomal ABC transporters could oligomerize. By using a multi-technical approach (co-immunoprecipitation, velocity sucrose gradient and native polyacrylamide gel electrophoresis experiments) on stably transfected hepatoma cells expressing ABCD2-EGFP, we demonstrate that ABCD2-EGFP interacts with ABCD1 and ABCD3, and that peroxisomal ABC transporters oligomerize. The perspectives will consist in determining which factors control the oligomerization process and understanding the functional value of these interactions.

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X–linked adrenoleukodystrophy (X–ALD) is the most common peroxisomal enzyme deficiency disorder, characterized by inborn mutations in the ABCD1 gene, an ATP–binding cassette (ABC) half–transporter. The ABCD1 gene encodes the adrenoleukodystrophy protein (ALDP), the transporter for the very–long–chain fatty acids (VLCFA; C > 22:0) from the cytosol into the peroxisomes to enter the peroxisomal B–oxidation pathway. The diagnostic disease marker is the elevated levels of VLCFAs which accumulate in different tissues and body fluids, leading to inflammatory demyelination, neuro–deterioration and adrenocortical insufficiency. At present, there is no satisfactory therapy for X–ALD available. However, another peroxisomal ABC half–transporter, ALDRP can compensate for the functional loss of ALDP and is encoded by the ABCD2 gene. This prompted a new approach to treatment strategies. Phenylbutyric acid (PBA) over–expresses the ABCD2 gene, leading to an increased expression of ALDRP and PBA decreases VLCFA levels by increasing peroxisomal B–oxidation. This study had a dual aim: to determine the antioxidant capacity of PBA and to verify known and identify new metabolites of PBA. In vitro, HeLa cells were cultivated and treated with 0.5 mM, 1 mM, 2 mM and 5 mM PBA for 48 hours. The ROS, lipid peroxidation, apoptosis and cell viability were determined using fluorescein–based flow cytometry. Images were taken to visualize the peroxisome proliferation. In vivo, a vervet monkey was given a single dose of 130 mg/kg PBA. Blood was collected before treatment and 15 minutes, 30 minutes, 1, 2 and 3 hours after treatment. ROS, apoptosis and lipid peroxidation were determined by fluorescein–based flow cytometry. Urine was collected before treatment and 15 minutes, 30 minutes, 1, 2, 3, 7 and 24 hours after PBA treatment. A standardised method, employing gas chromatography–mass spectrometry (GC/MS), was used to analyse the organic acids in the urine and fatty acids in the blood. In vitro results showed decreased levels of ROS and lipid peroxidation with increased concentrations of PBA. PBA showed a protective effect towards the HeLa cells with reduced apoptosis and a high number of viable cells. In vivo levels of ROS en lipid peroxidation decreased over time of treatment with PBA. The fluorescence microscope images confirmed an increased number of peroxisomes after PBA treatment. The short term effect of PBA showed an initial, but small decrease in the levels of the fatty acids, suggesting induction over a longer period rather than activation of peroxisomal B–oxidation. New metabolites of phenylbutyrate were identified in the urine of a vervet monkey. These new metabolites originated from monooxygenase, N–phenylacetyl–glutamine synthases and B–oxidation byproducts. Recently discovered metabolites in humans and rats were also verified and confirmed in the vervet monkey. We therefore propose that treatment with PBA, on account of its beneficial effects of restoring VLCFA levels and reducing oxidative stress, could be considered a novel approach for the treatment of X–ALD. / Thesis (M.Sc. (Pharmaceutical Chemistry))--North-West University, Potchefstroom Campus, 2011.

X–linked adrenoleukodystrophy (X–ALD) is the most common peroxisomal enzyme deficiency disorder, characterized by inborn mutations in the ABCD1 gene, an ATP–binding cassette (ABC) half–transporter. The ABCD1 gene encodes the adrenoleukodystrophy protein (ALDP), the transporter for the very–long–chain fatty acids (VLCFA; C > 22:0) from the cytosol into the peroxisomes to enter the peroxisomal B–oxidation pathway. The diagnostic disease marker is the elevated levels of VLCFAs which accumulate in different tissues and body fluids, leading to inflammatory demyelination, neuro–deterioration and adrenocortical insufficiency. At present, there is no satisfactory therapy for X–ALD available. However, another peroxisomal ABC half–transporter, ALDRP can compensate for the functional loss of ALDP and is encoded by the ABCD2 gene. This prompted a new approach to treatment strategies. Phenylbutyric acid (PBA) over–expresses the ABCD2 gene, leading to an increased expression of ALDRP and PBA decreases VLCFA levels by increasing peroxisomal B–oxidation. This study had a dual aim: to determine the antioxidant capacity of PBA and to verify known and identify new metabolites of PBA. In vitro, HeLa cells were cultivated and treated with 0.5 mM, 1 mM, 2 mM and 5 mM PBA for 48 hours. The ROS, lipid peroxidation, apoptosis and cell viability were determined using fluorescein–based flow cytometry. Images were taken to visualize the peroxisome proliferation. In vivo, a vervet monkey was given a single dose of 130 mg/kg PBA. Blood was collected before treatment and 15 minutes, 30 minutes, 1, 2 and 3 hours after treatment. ROS, apoptosis and lipid peroxidation were determined by fluorescein–based flow cytometry. Urine was collected before treatment and 15 minutes, 30 minutes, 1, 2, 3, 7 and 24 hours after PBA treatment. A standardised method, employing gas chromatography–mass spectrometry (GC/MS), was used to analyse the organic acids in the urine and fatty acids in the blood. In vitro results showed decreased levels of ROS and lipid peroxidation with increased concentrations of PBA. PBA showed a protective effect towards the HeLa cells with reduced apoptosis and a high number of viable cells. In vivo levels of ROS en lipid peroxidation decreased over time of treatment with PBA. The fluorescence microscope images confirmed an increased number of peroxisomes after PBA treatment. The short term effect of PBA showed an initial, but small decrease in the levels of the fatty acids, suggesting induction over a longer period rather than activation of peroxisomal B–oxidation. New metabolites of phenylbutyrate were identified in the urine of a vervet monkey. These new metabolites originated from monooxygenase, N–phenylacetyl–glutamine synthases and B–oxidation byproducts. Recently discovered metabolites in humans and rats were also verified and confirmed in the vervet monkey. We therefore propose that treatment with PBA, on account of its beneficial effects of restoring VLCFA levels and reducing oxidative stress, could be considered a novel approach for the treatment of X–ALD. / Thesis (M.Sc. (Pharmaceutical Chemistry))--North-West University, Potchefstroom Campus, 2011.

L'X-ALD et la P-NALD sont deux maladies peroxysomales, métaboliques et neurodégénératives rares. L'X-ALD et la P-NALD résultent de déficiences respectives en ABCD1 et ACOX1. Ces deux maladies dans leurs formes sévères sont associées à des phénomènes de démyélinisation inflammatoire du SNC. Au niveau des lésions, des signes d'oxydation et une mort cellulaire sont observés. L'accumulation des AGTLC plasmatiques et tissulaires est le critère biochimique commun à ces deux maladies. Dans un premier temps, nous avons caractérisé une lignée d'oligodendrocytes murins 158N afin de l'utiliser comme modèle. Cette lignée qui présente des caractéristiques d'oligodendrocytes matures (expression des protéines de myéline MOG, MBP, PLP) possède aussi des peroxysomes fonctionnels possédant les protéines Abcd1 et Acox1. Ensuite, nous avons étudié les effets cytotoxiques et pro-oxydants des AGTLC (C24:0 et C26:0), ainsi que l'incidence de l'extinction d'Abcd1 et d'Acox1 par siRNA sur l'équilibre RedOx et la mort cellulaire. Les effets des AGTLC sur les caractéristiques biophysiques de la membrane cytoplasmique ont aussi été abordés. Par ailleurs, des marqueurs du stress oxydant ont été recherchés sur des plasmas des patients atteints de différentes formes d'X-ALD. In vitro, nous avons montré que l'accumulation d'AGTLC dans les cellules 158N induit une surproduction d'espèces radicalaires de l'oxygène et de l'azote et une perturbation des défenses anti-oxydantes (catalase, SOD, GSH). Ceci s'accompagne d'une peroxydation lipidique, d'une carbonylation des protéines et d'une dégradation de l'ADN. L'extinction d'Abcd1 et d'Acox1 par des siRNA augmente la production d'espèces radicalaires et potentialise le stress oxydant induit par les AGTLC. Sur les plasmas de patients atteints de différentes formes d'X-ALD, comparativement à des sujets sains, nous avons montré l'accumulation des produits de peroxydation lipidiques (7-hydroxycholestérols, HODEs). Le taux de ces deux produits est corrélé avec la sévérité de la maladie: CCALD>AMN>Addison>ACALD. Les AGTLC induisent aussi la mort des cellules 158N par un processus non apoptotique. Cette mort cellulaire est caractérisée par: une perturbation rapide du calcium intracellulaire, une diminution du pH, une chute du potentiel transmembranaire mitochondrial associée à des modifications structurales des mitochondries, une déstabilisation des lysosomes et une formation de figures d'autophagie. Les AGTLC perturbent aussi la fluidité membranaire. Par ailleurs, les AGTLC n'affectent pas l'expression des protéines majeures de la myéline PLP et MBP. Ces travaux ont mis en évidence un lien direct entre l'accumulation des AGTLC, le stress oxydant et l'induction de mort cellulaire faisant intervenir les lysosomes. La déficience en Abcd1 et Acox1 favorise le stress oxydant. En accord avec les résultats obtenus in vitro, la mise en évidence de marqueurs de peroxydation lipidiques dans le plasma de malades atteints d'X-ALD conforte l'hypothèse d'une intervention du stress oxydant dans cette pathologie.

L’X-ALD et la P-NALD sont deux maladies peroxysomales, métaboliques et neurodégénératives rares. L'X-ALD et la P-NALD résultent de déficiences respectives en ABCD1 et ACOX1. Ces deux maladies dans leurs formes sévères sont associées à des phénomènes de démyélinisation inflammatoire du SNC. Au niveau des lésions, des signes d'oxydation et une mort cellulaire sont observés. L’accumulation des AGTLC plasmatiques et tissulaires est le critère biochimique commun à ces deux maladies. Dans un premier temps, nous avons caractérisé une lignée d'oligodendrocytes murins 158N afin de l'utiliser comme modèle. Cette lignée qui présente des caractéristiques d'oligodendrocytes matures (expression des protéines de myéline MOG, MBP, PLP) possède aussi des peroxysomes fonctionnels possédant les protéines Abcd1 et Acox1. Ensuite, nous avons étudié les effets cytotoxiques et pro-oxydants des AGTLC (C24:0 et C26:0), ainsi que l’incidence de l’extinction d’Abcd1 et d’Acox1 par siRNA sur l'équilibre RedOx et la mort cellulaire. Les effets des AGTLC sur les caractéristiques biophysiques de la membrane cytoplasmique ont aussi été abordés. Par ailleurs, des marqueurs du stress oxydant ont été recherchés sur des plasmas des patients atteints de différentes formes d’X-ALD. In vitro, nous avons montré que l’accumulation d'AGTLC dans les cellules 158N induit une surproduction d'espèces radicalaires de l'oxygène et de l'azote et une perturbation des défenses anti-oxydantes (catalase, SOD, GSH). Ceci s'accompagne d'une peroxydation lipidique, d'une carbonylation des protéines et d'une dégradation de l'ADN. L'extinction d'Abcd1 et d'Acox1 par des siRNA augmente la production d'espèces radicalaires et potentialise le stress oxydant induit par les AGTLC. Sur les plasmas de patients atteints de différentes formes d’X-ALD, comparativement à des sujets sains, nous avons montré l’accumulation des produits de peroxydation lipidiques (7-hydroxycholestérols, HODEs). Le taux de ces deux produits est corrélé avec la sévérité de la maladie: CCALD>AMN>Addison>ACALD. Les AGTLC induisent aussi la mort des cellules 158N par un processus non apoptotique. Cette mort cellulaire est caractérisée par: une perturbation rapide du calcium intracellulaire, une diminution du pH, une chute du potentiel transmembranaire mitochondrial associée à des modifications structurales des mitochondries, une déstabilisation des lysosomes et une formation de figures d'autophagie. Les AGTLC perturbent aussi la fluidité membranaire. Par ailleurs, les AGTLC n'affectent pas l'expression des protéines majeures de la myéline PLP et MBP. Ces travaux ont mis en évidence un lien direct entre l'accumulation des AGTLC, le stress oxydant et l'induction de mort cellulaire faisant intervenir les lysosomes. La déficience en Abcd1 et Acox1 favorise le stress oxydant. En accord avec les résultats obtenus in vitro, la mise en évidence de marqueurs de peroxydation lipidiques dans le plasma de malades atteints d'X-ALD conforte l'hypothèse d'une intervention du stress oxydant dans cette pathologie. / X-ALD and P-NALD are two rare, peroxisomal metabolic and neurodegenerative diseases. ABCD1 and ACOX1 are known to be responsible for X-ALD and P-NALD, respectively. The actively demyelinating lesions in CNS, exhibited signs of oxidative stress and cell death. The accumulation of VLCFA in plasma and tissue is the biochemical common hallmark to both diseases. First, we characterized a murine oligodendrocytes cell line 158N to use it as a model. This 158N cell line which has characteristics of mature oligodendrocytes (expression of myelin proteins MOG, MBP, PLP), has also functional peroxisomes with Abcd1 and Acox1 proteins. Then, we studied the cytotoxic and pro-oxidative effects of VLCFA (C24: 0 and C26: 0), and the effects of in vitro silencing of the Abcd1 and Acox1 genes by siRNA on the redox balance and cell death. Effects of VLCFA on the biophysical characteristics of cytoplasmic membrane were also evaluated. Moreover, markers of oxidative stress were researched on plasma of patients with different forms of X-ALD. In vitro, we showed that the accumulation of VLCFA on 158N cells induced overproduction of reactive oxygen and nitrogen species and a disruption of antioxidant defense systems (catalase, SOD, GSH). This was accompanied by lipid peroxidation, protein carbonylation and degradation of DNA. The extinction of Abcd1 and Acox1 by siRNA increased the production of radical species and potentialized the oxidative stress induced by VLCFA. On plasma of patients with different forms X-ALD, compared to healthy subjects, we showed an accumulation of lipid peroxidation products (7-hydroxycholesterol, HODEs). The rate of these two products is correlated with the severity of the disease: CCALD> AMN> Addison> ACALD. The VLCFA also induce cell death on 158N by a non-apoptotic process. This cell death is characterized by: a rapid increased of intracellular Ca2+ level, pH decrease, a loss of mitochondrial transmembrane potential associated with structural changes of mitochondria, a destabilization of lysosomes, and formation of autophagic vacuoles. The VLCFA also disrupt the membrane fluidity. Furthermore, VLCFA do not affect the expression of myelin major proteins PLP and MBP. This work highlighted a direct link between VLCFA accumulation, oxidative stress and induction of cell death involving lysosomes. Abcd1 and Acox1 deficiency promotes oxidative stress. In agreement with results obtained in vitro, the detection of markers of lipid peroxidation in the plasma of X-ALD patients favors the hypothesis of an involvement of oxidative stress in this pathology.