Role of α-methylacyl-CoA racemase in lipid metabolism

Abstract α-Methylacyl-CoA racemase (Amacr) is an auxiliary enzyme of β-oxidation and participates in the elimination of methyl-branched fatty acids in peroxisomes and in mitochondria and in the synthesis of bile acids in peroxisomes. Amacr catalyzes in reversible manner the isomerization of fatty acyl-CoA esters with a methyl group in the R-configuration to the corresponding S-configuration, which allows them to serve as substrates for the next reaction in their metabolism. The substrates of Amacr include the acyl-CoA esters of 2R-pristanic acid, a metabolite derived from phytol, and 25R-THCA and 25R-DHCA (tri- and dihydroxycholestanoic acid), the bile acid intermediates derived from cholesterol. AMACR-deficiency in humans results in the accumulation of R-isoforms of its substrates. Patients with adult onset AMACR-deficiency suffer from neurological disorders. The more severe infantile form of the deficiency is characterized by liver disease. Amacr-deficient mice show a bile acid pattern similar to that of human patients with accumulation of bile acid intermediates in their body. In contrast to humans, Amacr-deficient mice are clinically symptomless on a regular laboratory chow diet. Supplementation of phytol in their diet triggers the disease state with liver abnormalities. In this study it was shown that in spite of the disruption of a major metabolic pathway, Amacr-deficient mice are able to readjust their cholesterol and bile acid metabolism to a new balanced level allowing them to live a normal life span. A double knockout mouse model deficient in Amacr and MFE-1 (peroxisomal multifunctional enzyme type 1) was generated in this work. Characterization of this mouse line showed that MFE-1 can contribute to peroxisomal side-chain shortening of C27 bile acid intermediates in both Amacr-dependent and Amacr-independent pathways. In addition, this work confirmed that Amacr-deficient mice are unable to thrive when phytol is supplemented in their chow. The main cause of death was liver failure accompanied by kidney and brain abnormalities. The detoxification of phytol metabolites in liver is accompanied by activation of multiple pathways and Amacr-deficient mice are not able to respond adequately. The results of this study emphasize the indispensable role of Amacr in detoxification of α-methyl branched fatty acids.Tiivistelmä α-Metyyliasyyli-koentsyymi-A-rasemaasi (Amacr) osallistuu metyyli-haarautuvien rasvahappojen eliminointiin peroksisomeissa ja mitokondrioissa ja sappihappojen synteesiin kolesterolista peroksisomeissa. Amacr katalysoi käänteisesti rasvahappojen asyyli-koentsyymi-A-estereiden isomerisaatio-reaktiota, jossa stereokemiallisesti R-asemassa oleva metyyliryhmä siirtyy S-asemaan. Tämä on edellytys eliminointiketjun seuraavan reaktion tapahtumiselle. Amacr-entsyymin substraatteja ovat fytolin aineenvaihdunnassa syntyvän 2R-pristaanihapon ja kolesterolista sappihapposynteesireitin välituotteina syntyvien 25R-trihydroksikolestaanihapon ja 25R-dihydroksikolestaanihapon (25R-THCA ja 25R-DHCA) asyyli-koentsyymi-A-esterit. Ihmisellä Amacr-entsyymin puutos johtaa R-muodossa olevien substraattien kertymiseen, joka aiheuttaa neurologisia oireita aikuisiässä alkavassa sairauden muodossa. Lapsuusiässä alkavassa tautimuodossa potilaille kehittyy vakava maksasairaus. Tutkimuksen tulokset osoittivat, että Amacr-poistogeenisten hiirten elinikä ei lyhene huolimatta yhden tärkeän aineenvaihduntareitin estymisestä. Tämä on hyvä esimerkki siitä, kuinka nisäkäs pystyy mukauttamaan kolesteroli- ja sappihappoaineenvaihduntaansa vastaamaan muuttunutta tilannetta aineenvaihdunnassa. Tässä työssä tuotettiin myös kaksoispoistogeeninen hiirimalli, jonka Amacr- ja peroksisomaalinen monitoiminnallinen entsyymi tyyppi 1- (MFE-1) entsyymit ovat toimimattomat. Tämä hiirimalli paljasti, että MFE-1 pystyy osallistumaan 27:ää hiiltä sisältävien sappihappovälituotteiden sivuketjun lyhentämiseen sekä Amacr entsyymin kanssa että ilman sitä. Työn tulokset myös osoittivat, että Amacr-poistogeeniset hiiret eivät ole elinkykyisiä, jos niiden ravinto sisältää fytolia. Maksan toiminnanvajaus oli näiden hiirten tärkein kuolinsyy, mutta hiirten munuaisten ja aivojen kudosrakenteissa oli myös muutoksia. Maksassa fytolin metaboliittien vaarattomaksi tekeminen aiheuttaa villityypin hiirillä useamman aineenvaihduntareitin aktivoitumisen, mutta Amacr-poistogeeniset hiiret eivät pysty reagoimaan tähän samalla tavalla. Tämä työ osoittaa, että Amacr-entsyymin elintärkeä tehtävä on osallistua ravinnon mukana elimistöön joutuvien α-metyylihaarautuvien rasvahappojen eliminaatioon