Zellweger spectrum disorder (ZSD) is due to defects in any one of 13 PEX proteins, encoded by PEX genes, which are required for peroxisome biogenesis. ZSD features neurologic, hepatic and renal abnormalities; however, one common mutation, PEX1-p.Gly843Asp (G843D), confers a milder phenotype and represents 30% of all ZSD alleles. Thus, identifying treatments for this allele will benefit many patients. We recently showed that PEX1-G843D behaves as a misfolded protein amendable to improved function by chemical and pharmacologic chaperones. In a small molecule screen, we reported recovery of peroxisomal matrix enzyme import by acacetin diacetate, a flavonoid that may bind to the ATP binding site of PEX1-G843D to improve conformation. In order to develop a lead compound from this library 'hit', we evaluated an additional 34 flavonoids for peroxisomal matrix enzyme import recovery using a patient fibroblast cell line hemizygous for PEX1-G843D and expressing a GFP-tagged peroxisome targeting signal (PTS1-GFP reporter). Eight flavonoids were identified as potential pharmacologic chaperones. Based on these compounds, additional flavonoid derivatives were produced and tested to determine the minimal pharmacophore. Relevant functional groups that enhanced or decreased efficacy were identified from these compounds, with diosmetin as the most effective one. These findings will aid in determining structure activity relationships, as knowledge of chemicals that are effective and ineffective will be used to determine the interactions that are important in developing a pharmacophore model. To determine how the flavonoids may be affecting PEX1 and associated proteins, PEX6 and PEX5, subcellular fractions were analyzed by SDS-PAGE and Blue Native PAGE to evaluate protein localization and complex formation. This was first done in wild type and various null cell lines to determine what to expect in normal and diseased states. It was found that PEX1 and PEX6 are dependent on each other and on PEX26 for stable levels and peroxisomal localization, and that PEX5 is dependent on these three proteins for stable levels and cytosolic localization. It was also determined that PEX1 is present in the cytosolic fraction as a monomer and a trimer, and in the peroxisomal fraction as a hexamer and dodecamer. Flavonoid treatment did not appear to affect the localization of PEX1 or PEX6 or complex formation. Thus, we propose that the flavonoids interact with a partially folded population of PEX1 that is already able to interact with PEX6 and localize to the peroxisomal membrane. In addition, we propose that this interaction of protein and drug enhances the residual ATPase activity of the PEX1 complex, thus improving matrix protein import, as observed in the cell-based experiments. / Le trouble du spectre de Zellweger (Zellweger Spectrum Disorder – ZSD) est dû à des defaults dans l'une des treize protéines PEX, codées par les gènes PEX, nécessaires pour la biogenèse des péroxysomes. ZSD a des caractéristiques neurologiques, hépatiques et des anomalies rénales. Cependant, une mutation fréquente, PEX1-p.Gly843Asp (G843D), confère un phénotype moins sévère et représente 30% de l'ensemble des allèles ZSD. Ainsi, l'identification de traitements pour cet allèle sera bénéfique à de nombreux patients. Nous avons récemment montré que PEX1-G843D se comporte comme une protéine mal conformée, dont la fonction peut-être améliorée par des protéines chaperons chimiques ou pharmacologiques. En examinant une série de petites molécules, nous avons observé une amélioration dans l'importation d'enzyme de la matrice du péroxysome par le diacétate d'acacétine, un flavonoïde qui peut interagir avec le site de liaison de l'ATP de PEX1-G843D, afin d'améliorer sa conformation. Afin de développer un composé de base à partir de cette bibliothèque de molécules, nous avons évalué trente-quatre autres flavonoïdes pour l'amélioration de l'importation d'enzyme de la matrice péroxysomale en utilisant une lignée de fibroblastes d'un patient hémizygote pour PEX1-G843D et qui exprime un signal de ciblage péroxysomal GFP (rapporteur PTS1-GFP). Huit flavonoïdes ont été identifiés en tant que protéines chaperons pharmacologiques potentielles. En utilisant ces composés comme base, des dérivés supplémentaires de flavonoïdes ont été produits et testés afin de déterminer le pharmacophore minimal. Les groupes fonctionnels pertinents, qui accroissent ou diminuent l'efficacité, ont été identifiés à partir de ces composés, la diosmétine étant la plus efficace. Ces résultats permettront d'élucider les relations structure-activité, de même qu'une notion des produits importants dans le développement d'un modèle de pharmacophore.Afin de déterminer comment les flavonoïdes pourraient affecter PEX1 et les protéines associées, PEX5 et PEX6, des fractions subcellulaires ont été analysées par SDS-PAGE et PAGE Bleu Natif, pour évaluer la localisation des protéines et la formation de complexe. Ceci fut tout d'abord effectué à l'aide de lignées nulles et de type sauvage, pour avoir une idée des états normaux et pathologiques. Il a été constaté que PEX1 et PEX6 sont dépendantes l'une de l'autre ainsi que de PEX26 pour leur stabilité et une localisation péroxysomale, et que PEX5 est dépendante de ces trois protéines pour sa stabilité et une localisation cytosolique. Il a été déterminé que PEX1 est présente dans la fraction cytosolique à l'état de monomère et de trimère, et dans la fraction péroxysomale à l'état d'hexamère et de dodécamère. Le traitement aux flavonoïdes n'a pas l'air d'avoir un effet sur la localisation de PEX1 et PEX6 ou sur la formation de complexe. Ainsi, nous proposons que les flavonoïdes interagissent avec une population de PEX1 qui a une mauvaise conformation, et qui est capable d'interagir avec PEX6 et de se localiser à la membrane péroxysomale. De plus, nous proposons que cette interaction protéine-composé améliore l'activité ATPase résiduelle du complexe PEX1, améliorant ainsi l'importation de protéines de la matrice, comme observé dans les expériences in vitro.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.114521 |
| Date | January 2013 |
| Creators | MacLean, Gillian |
| Contributors | Nancy Braverman (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Science (Department of Human Genetics) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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