Studien zum Transport von Schilddrüsenhormonen durch Membrantransporter der MCT- und LAT-Familie

Abstract

Das Allan-Herndon-Dudley Syndrom (AHDS) ist eine schwere X-chromosomale Erkrankung, die sich phänotypisch in einer mentalen Retardation mit Sprach- und Bewegungsstörungen äußert. Im Gen des Schilddrüsenhormontransporters Monocarboxylat-Transporter 8 (MCT8) wurden bei betroffenen Patienten Mutationen identifiziert, die für die Störung ursächlich sind. Die vorliegende Arbeit charakterisiert den Pathomechanismus von ausgewählten Mutationen in Zellkulturstudien genauer. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass die gestörte Funktionalität der MCT8 Mutanten nicht nur auf einen Transportdefekt, sondern auch auf eine verminderte Zelloberflächenexpression zurückzuführen ist. Anhand dieser Resultate und der zelltypspezifschen Effekte wird ein Erklärungsversuch vorgenommen, warum die Schwere der Erkrankung unter den Betroffenen variiert. Bei den Analysen zur Substratspezifität von MCT8 mithilfe von Jodthyronin- Derivaten wurden die L-Aminosäurekonformation und das Vorhandensein von mindestens einem Jodatom pro aromatischem Ring als wichtige Voraussetzungen für einen effektiven Transport identifiziert. Studien zum Transportmechanismus von MCT8 zeigten die Aktivitätsrelevanz der geladenen und konservierten Aminosäuren R445 und D498. Dieser Zusammenhang bestätigt sich in einem ersten MCT8 Strukturmodell: Beide Aminosäuren sind in unmittelbarer Nähe des potenziellen Substratkanals lokalisiert. Im Gegensatz zum AHDS-Patienten führt der Mct8 Verlust im Mausmodell zu einem milderen neurologischen Phänotyp. Diese Diskrepanz lässt sich möglicherweise durch speziesspezifische Expressionsmuster alternativer Schilddrüsenhormontransporter erklären, die in der murinen Gehirnentwicklung einen Mct8 Mangel kompensieren können. Antidepressiva führen im Rattenmodell zu einem Schilddrüsenhormonmangel im Zentralen Nervensystem. Um den Mechanismus zu erforschen, haben wir Transportstudien durchgeführt und eine spezifische Inhibition von MCT8 durch Desipramin beobachtet. Dieses überraschende Ergebnis liefert einen Ansatzpunkt, die zentralen Effekte von Desipramin besser einzuordnen und zu kontrollieren.

The Allan-Herndon-Dudley syndrome (AHDS) is a severe X-linked disease characterized by movement disorders and mental retardation with speech problems. The disease is associated with mutations in the gene of the thyroid hormone transporter monocarboxylate transporter 8 (MCT8). The objective of this thesis was to characterize the pathomechanisms of selected pathogenic MCT8 mutations in cell culture studies. The findings indicate that the diminished functionality of MCT8 mutants depends not only on a defect in substrate transport but also on a decreased cell surface expression of the proteins. These results and the observed cell type specific effects could help to explain the phenotypic variations among AHDS patients. The analysis of the substrate specificity of MCT8 using iodothyronine derivates shows that the L-amino acid side chain conformation and at least one iodine atom per aromatic ring are important for efficient substrate transport. Studies for the transport mechanism on MCT8 showed that both charged and conserved amino acids (R445 and D498) are involved in substrate recognition. This relationship was supported by a structural model for the MCT8 transporter: Both amino acids are flanking the potential substrate transport channel within the protein. In contrast to AHDS patients the loss of Mct8 in mice causes a milder phenotype. This difference may rely on species-specific expression profiles of alternative thyroid hormone transporters which are able to compensate the loss of Mct8 during brain development. Antidepressant drugs lead to a thyroid hormone deficiency in the central nervous system in rats. To address the underlying mechanism, substrate transport studies were performed for MCT8 in the presence of desipramine and a specific inhibition of the transporter could be demonstrated. This surprising result may be helpful to explain some of the central side effects of tricyclic antidepressant drugs in the future.