UvA-DARE (Digital Academic Repository)
Isovaleric acidemia: an integrated approach toward predictive laboratory
medicine
Dercksen, M.
Publication date
2014
Link to publication
Citation for published version (APA):
Dercksen, M. (2014). Isovaleric acidemia: an integrated approach toward predictive laboratory
medicine.
General rights
It is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s)
and/or copyright holder(s), other than for strictly personal, individual use, unless the work is under an open
content license (like Creative Commons).
Summary /
Summary/Samenvatting
Summary
Isovaleric acidemia (IVA) is one of the organic acidemias that are periodically diagnosed in South Africa, of which all cases up to now were of Caucasian origin. IVA is an autosomal recessive disorder caused by isovaleryl-CoA dehydrogenase (IVD) deficiency (E.C.1.2.99.10) and it is currently recognized as a disorder with a heterogeneous phenotype, ranging from metabolically mild and/or intermittent to metabolically severe. In addition, over 40 mutations in the IVD gene have thus far been described and the absence of a clear genotype-phenotype relation in IVA is now generally recognized as a typical, but unresolved, characteristic of the disease. A small cohort of ten IVA patients and twelve obligate heterozygotes were available for an investigation of IVA prevailing in South Africa. This thesis, entitled “Isovaleric
acidemia: an integrated approach toward predictive laboratory medicine” presents the
outcome of the well-established clinical, biochemical and genetic approach which is followed to characterize an inborn error of metabolism as well as the application of contemporary metabolomics technology for the disclosure of the metabolic profiles prevailing in the IVA cohort. The integrated outcomes of these approaches opened the possibility to propose a model on future predictive laboratory medicine in the investigations of inherited metabolic diseases.
In Chapter 1 a review is presented on aspects that have a close bearing on the study reported in this thesis. The initial discussion outlines the metabolism of Branched chain amino acids (BCAAs) in general, followed by a focused overview of IVA, including the pathophysiological complications of IVA and various therapeutic interventions. The subsequent review of metabolomics is presented in the context of metabolomics as a multidisciplinary data-driven strategy to obtain information contained within a diverse biological system. From this review the main goal of this thesis was defined as an attempt to exploit the outcomes of the integrated approach in the study of IVA to contribute to the development of a personalized approach in predictive laboratory medicine.
In Chapter 3 a novel model, designated concurrent class analysis (CONCA), was developed and described, addressing some limitations of multivariate statistical techniques commonly applied in metabolomics studies. The use of data from the untreated and treated IVA patients and controls as well as the interpretation thereof, proved the applicability of CONCA for the present investigation.
In Chapter 4 various bioinformatics techniques (CONCA, PCA, PLS-DA and ES) were effectively applied to evaluate urinary metabolite profiles of untreated and treated IVA homozygotes, IVA heterozygotes versus applicable control groups. IVA biomarkers, which included primary diagnostic markers as well as secondary metabolites related to IVA and its pathogenesis were clearly accentuated. In addition, information on the nutritional status of untreated and treated patients was indicated by the metabolomics investigation. The detection of informative metabolites in even low concentrations in IVA homozygotes and heterozygotes illuminated the holistic nature of metabolomics and highlighted this aspect for further applications as discussed in the final Chapter of the thesis.
In Chapter 5 a contributing factor to secondary hyperammonemia, found in several organic acidemias, including in the present IVA cohort was proven to be due to the dysfunction in the initial steps of the urea cycle. It was concluded that both inhibition of acetylglutamate synthase (NAGS) as well as formation of alternative N-acylglutamates has a potential effect on the regulatory steps of urea production, especially the activation of carbamoyl phosphate synthetase 1 (CPS).
In Chapter 6 an UPLC-MS/MS base N-acetylglutamate synthase (NAGS) assay was successfully optimized and performed on mouse liver tissue. The improved method has diagnostic value with regards to primary NAGS deficiency and may be useful in the study of secondary hyperammonemia present in various inborn errors of metabolism as well as drug treatment.
In Chapter 7, nutritional insufficiencies in treated IVA cases were further investigated based on observations in the metabolomics study (Chapter 4). A significant reduction of plasma polyunsaturated fatty acid (PUFA) levels, especially in omega-3- (all groups) and omega-6- (in particular 20:3n-6) fatty acids, were observed. An overall assessment of functional vitamin B12 in the patient group was normal. These findings emphasize that some nutritional deficiencies may be present in treated IVA patients and continuous clinical and biochemical monitoring in terms of nutritional status is highly recommended.
In Chapter 8 a discussion is presented, focusing on two main aspects emanating from this thesis: (1) The findings of the integrated approach by using a monogenetic disorder, IVA, as a model to investigate inborn errors of metabolism, and (2) some
Summary/Samenvatting
new biochemical knowledge in conjunction with future prospects with regard to systems biology and predictive laboratory medicine. The final perspectives from this discussion were the presentation of a conceptual model on predictive laboratory medicine, with the emphases on the growing importance of personalized medicine in inborn errors of metabolism as well as accentuating the unique contributions from a multidisciplinary research team.
Samenvatting
Isovaleriaanacidemie (IVA) behoort tot de groep van zogenaamde organische acidemieën en wordt ook met regelmaat in Afrika gediagnosticeerd. Alle in Zuid-Afrika geïdentificeerde patiënten zijn van het Kaukasische ras. IVA is een autosomaal recessief overervende ziekte die wordt veroorzaakt door een deficiëntie van het enzym isovaleryl-CoA dehydrogenase(IVD, E.C.1.2.99.10). IVA is zowel klinisch als biochemisch heterogeen; in de literatuur zijn meer dan 40 verschillende mutaties beschreven in het voor IVD coderende gen. Er is geen eenduidige fenotype-genotype relatie waarvan de onderliggende basis tot op heden niet is opgelost. Een klein cohort van 10 IVA-patiënten en 12 obligate heterozygoten was beschikbaar voor de huidige studie en heeft als basis gediend voor dit proefschrift, getiteld
“Isovaleric acidemia. An integrated approach toward predictive laboratory medicine”.
Dit proefschrift beschrijft niet alleen de resultaten van klassieke methoden voor de klinische, biochemische en genetische karakterisering van erfelijke metabole ziekten maar toont daarnaast de toepassing van vernieuwende metabolomics technologie om de metabole profielen van IVA te doorgronden. De geïntegreerde toepassing van deze verschillende benaderingen maakte het mogelijk om een model te ontwikkelen waarmee laboratoriumdiagnostiek gebruikt kan worden in voorspellende zin bij de uiteindelijke behandeling van patienten met erfelijke metabole ziekten.
Hoofdstuk 1 geeft een overzicht van alle relevante aspecten voor de in dit proefschrift beschreven studie. Hierbij wordt in eerste instantie gefocust op het
In Hoofdstuk 2 worden de klinische en moleculaire kenmerken van isovaleriaanacidemie in het Zuid-Afrikaanse cohort beschreven. In alle patienten werd een homozygote missense mutatie (c.367G > A (p.G123R)) gevonden. Deze mutatie leidt tot een aminozuurverandering van een glycine naar een arginine, hetgeen resulteert in een sterk gereduceerd niveau van het IVD-eiwit, aangetoond in fibroblasten van alle patiënten. Hiermee in overeenstemming werd geen detecteerbare IVD-activiteit gevonden waarbij gebruik gemaakt werd van een nieuwe en geoptimaliseerde enzymbepaling. In contrast hiermee stond een zeer heterogene klinische presentatie in het cohort ondanks de genetische homogeniteit.
In Hoofdstuk 3 wordt de ontwikkeling van een nieuw model, genaamd “concurrent
class analysis” (CONCA) beschreven waarin enkele beperkingen van multivariant
statistische analyses worden beschreven van metabolomics studies. De toepasbaarheid van het nieuwe CONCA model wordt geïllustreerd aan de hand van in het Zuid-Afrikaanse IVA-cohort verkregen data, zowel voor onbehandelde als behandelde patiënten en de bijbehorende controles.
In Hoofdstuk 4 worden verschillende bioinformatica technieken (CONCA, PCA, PLS-DA en ES) toegepast om het profiel van organische zuren in urine ( IVA-gerelateerde metabolieten) te evalueren in onbehandelde en behandelde IVA-patiënten. Hetzelfde werd gedaan voor IVA-heterozygoten en de relevante controlegroepen. Naast de bekende biomarkers, waaronder de primaire diagnostische markers zoals isovalerylglycine worden ook andere metabolieten, secundair gerelateerd aan het defect in IVA in dit Hoofdstuk beschreven. Daarnaast werd informatie verkregen over de voedingsstatus van zowel onbehandelde als behandelde patiënten door middel van deze metabolomics studie. De identificatie van unieke relevante metabolieten in zeer lage concentraties in IVA-homozygoten en IVA-heterozygoten laten de betekenis zien van de holistische benadering die metabolomics is.
Hoofdstuk 5 is toegespitst op de secundaire hyperammoniëmie die niet alleen wordt gevonden in IVA-patiënten maar ook in de meeste andere klassieke organo-acidemieën. In dit Hoofdstuk wordt aangetoond dat remming door isovaleryl-CoA van het enzym N-acetylglutamaatsynthase (NAGS) leidt tot een verminderde productie van N-acetylglutamaat. Een tekort van deze essentiële activator van carbamoylfosfaatsynthase (CPS), het eerste enzym uit de ureumcyclus ligt aan de basis van de geremde ureumproductie in IVA-patiënten En dus ook van de waargenomen hyperammoniëmie. Voorts werd remming van NAGS door een reeks van korte keten acyl-CoAs onomstotelijk aangetoond.
In Hoofdstuk 6 wordt een nieuwe methode beschreven voor de bepaling van de activiteit van het enzym N-acetylglutamaatsynthase (NAGS). In eerste instantie werd
Summary/Samenvatting
een volledige karakterisering van het humane enzym gedaan door gebruik te maken van tot expressie gebracht humaan N-acetylglutamaatsynthase. Vervolgens werden werden bepalingen uitgevoerd in muizenlever- homogenaten. De gevonden NAGS activiteit in lever van een NAGS -/- knockoutmuis was volledig deficiënt. Dit geeft aan dat de bepaling aan de gestelde voorwaarden voldoet. De in dit Hoofdstuk beschreven verbeterde methode kan gebruikt worden in de diagnostiek en zal daarnaast ook erg nuttig zijn in verdere studies die als doel hebben om secundaire hyperammoniëmie, die in verschillende erfelijke metabole ziekten wordt gevonden, te onderzoeken.
In Hoofdstuk 7 worden de insufficiënties op het gebied van de voeding in behandelde IVA-patiënten onderzocht, gebaseerd op waarnemingen in de metabolomics studie van Hoofdstuk 4. Er werd een significante reductie gevonden van de niveaus aan meervoudig onverzadigde vetzuren in plasma, met name in de omega-3 en omega-6 klasse. Daarnaast werd gevonden dat er geen functionele vitamine B12 deficiëntie in de patiëntengroep aantoonbaar was. Deze bevindingen benadrukken dat er in behandelde IVA-patiënten sprake kan zijn van deficiënties van essentiële nutriënten, hetgeen impliceert dat de voedingstoestand van patiënten zorgvuldig geëvalueerd moet worden door middel van klinisch en biochemisch onderzoek.
In Hoofdstuk 8 worden alle resultaten van de experimentele Hoofdstukken besproken waarbij met name de aandacht uitgegaan is naar twee specifieke elementen, te weten: (1.) de bevindingen van de geïntegreerde benadering, toegepast op de monogenetische aandoening die isovaleriaan- acidemie is en wel in een dusdanige vorm dat de onderliggende genetische basis identiek was in het Zuid-Afrikaanse IVA-cohort en (2.) nieuwe biochemische kennis die relevant is voor de toekomst als het gaat om systeembiologie en de voorspellende laboratoriumdiagnostiek. Uiteindelijk wordt in Hoofdstuk 8 dan een conceptueel model gepresenteerd, gericht op de voorspellende laboratoriumdiagnostiek,
