Peroxisomes are single-membrane-bound organelles present in virtually all eukaryotic cells. Their significance in human metabolism is illustrated by the existence of severe inherited diseases caused by the failure of peroxisomal biogenesis (peroxisomal biogenesis disorders; PBDs). Proteins required for peroxisomal assembly are termed “peroxins” and are encoded by at least 23 PEX-genes. In most cases, defects in PEX genes lead to a disruption of peroxisomal matrix protein import, whereas various peroxisomal membrane components are synthesized and accumulate in peroxisomal membrane remnants (“peroxisomal ghosts”). Since yeast mutants in PEX3 and PEX19 have been shown to lack peroxisomal ghosts, these peroxins were expected to be involved in the early stages of peroxisomal membrane synthesis. This work focused on the functional characterization of human PEX3 and PEX19 to gain insights into their role in human biology and disease. PEX19 was shown to interact with three peroxisomal ABC half-transporters (Adrenoleukodystrophy protein ALDP, Adrenoleukodystrophy-related protein ALDRP, and the 70 kDa peroxisomal membrane protein PMP70), confirming its role as a broad specific peroxisomal membrane-protein binding-protein. As a prerequisite for these protein-protein interaction assays, the human ALDR gene was characterized. Proteins encoded by two PEX19 splice variants showed a considerable functional diversity as to peroxisomal membrane protein binding and with respect to induction of peroxisomal formation in PEX19-deficient human fibroblasts. Farnesylation of PEX19 was shown not to be essential for these functions. These data provide the first experimental evidence for specific biological functions of the different predicted domains of the PEX19 protein. In order to investigate the molecular details of peroxisomal assembly and to evaluate experimental treatment strategies for the peroxisomal biogenesis disorders, data useful for the future generation of a mouse model with targeted disruption of the PEX3 gene were presented. The human PEX3 gene was characterized with the goal to identify a yet unknown human PEX3-deficient phenotype. Two inactivating PEX3 mutations were detected in two PBDs-patients exhibiting a severe and lethal Zellweger syndrome phenotype. They showed a total lack of morphologically recognizable peroxisomal membrane remnants in their fibroblasts. Expression of the wild type PEX3 cDNA in the mutant cell lines restored peroxisomal biogenesis, establishing PEX3 as a key factor in early human peroxisome synthesis. Taken together, the combined data presented here provide evidence for the essential role of PEX3 and PEX19 in the initial steps of an alternative human peroxisome-formation pathway. In contrast to the theory that peroxisomes can arise exclusively by growth and division of preexisting peroxisomes, this alternative pathway does not require morphologically recognizable peroxisomal membranes.     «

Peroxisomes are single-membrane-bound organelles present in virtually all eukaryotic cells. Their significance in human metabolism is illustrated by the existence of severe inherited diseases caused by the failure of peroxisomal biogenesis (peroxisomal biogenesis disorders; PBDs). Proteins required for peroxisomal assembly are termed “peroxins” and are encoded by at least 23 PEX-genes. In most cases, defects in PEX genes lead to a disruption of peroxisomal matrix protein import, whereas various...     »

Peroxisomen sind von einer einschichtigen Membran umgebene Zellorganellen, die nahezu in allen eukaryontischen Zellen vorkommen. Ihre Bedeutung im menschlichen Stoffwechsel wird durch eine Reihe schwerer genetischer Erkrankungen belegt, die durch Defekte der peroxisomalen Biogenese ausgelöst werden (Peroxisomale Biogenesedefekte, PBD). An der peroxisomalen Biogenese sind mindestens 23 Proteine (Peroxine) beteiligt, die durch PEX-Gene kodiert werden. Meistens wirkt sich der Defekt eines PEX-Gens in einem gestörten peroxisomalen Matrixprotein-Import aus, während peroxisomale Membrankomponenten normal synthetisiert werden und sich in leeren, residualen peroxisomalen Membranstrukturen („peroxisomal ghosts“) ansammeln. Für PEX3-und PEX19-Hefemutanten konnte das Fehlen dieser „peroxisomal ghosts“ gezeigt werden. Diese Beobachtung führten zu der Hypothese, dass beide Peroxine an der frühen peroxisomalen Membransynthese beteiligt sind. Das Ziel dieser Arbeit lag in der funktionellen Charakterisierung der humanen Peroxine PEX3 und PEX19, um neue Erkenntnisse über deren Bedeutung in der Humanbiologie und deren Beteiligung an genetischen Erkrankungen zu erlangen. Es konnte gezeigt werden, dass PEX19 mit drei peroxisomalen ABC-Halb-Transportern (Adrenoleukodystrophieprotein, ALDP; Adrenoleukodystrophie-related Protein, ALDRP; 70 kDa peroxisomalen Membranprotein, PMP70) interagiert. Somit wurde die Rolle von PEX19 als allgemeinspezifisches peroxisomales Membranprotein-Bindeprotein bestätigt. Als Vorarbeit für diese Protein-Protein Interaktionsversuche wurde das humane ALDR-Gen näher charakterisiert. Für Proteine, die von zwei PEX19-Splicevarianten kodiert werden, konnte ein funktioneller Unterschied hinsichtlich peroxisomaler Membranprotein-Interaktion und Einleitung der peroxisomalen Biogenese in PEX19-defizienten humanen Fibroblasten gezeigt werden. Es wurde widerlegt, dass die Farnesylierung von PEX19 essentiell für diese Funktionen ist. Dadurch ergibt sich der erste experimentelle Hinweis auf spezifische biologische Funktionen der unterschiedlichen vorhergesagten Domänen des PEX19-Proteins. Um die molekularen Details der peroxisomalen Biogenese zu untersuchen und um Behandlungsstrategien für die PBD zu entwickeln, wurden Vorarbeiten für die spätere Generierung eines PEX3-defizienten Mausmodells geleistet. Zum Zwecke der gezielten Suche nach Patienten mit einem PEX3-Defekt wurde das humane PEX3-Gen näher charakterisiert. Zwei inaktivierende PEX3-Mutationen konnten in zwei PBD-Patienten gefunden werden, welche einen schweren letalen Zellweger-Syndrom Phänotyp aufwiesen. Ihre Fibroblasten waren durch das Fehlen von morphologisch sichtbaren peroxisomalen Membranstrukturen charakterisiert. Da nach Expression der wild-typ PEX3-cDNA in den mutierten Zellen die peroxisomale Biogenese wieder hergestellt werden konnte, wurde PEX3 als neues humanes Krankheitsgen mit einer Schlüsselrolle in der frühen peroxisomalen Biogenese etabliert. Zusammenfassend belegen die hier präsentierten Daten die fundamentale Bedeutung von PEX3 und PEX19 in den ersten Schritten eines alternativen Weges der humanen peroxisomalen Biogenese. Im Vergleich zu dem Modell des „Wachstums und Teilens“ von Peroxisomen benötigt dieser alternative Syntheseweg keine morphologisch detektierbaren peroxisomalen Membranen.     «

Peroxisomen sind von einer einschichtigen Membran umgebene Zellorganellen, die nahezu in allen eukaryontischen Zellen vorkommen. Ihre Bedeutung im menschlichen Stoffwechsel wird durch eine Reihe schwerer genetischer Erkrankungen belegt, die durch Defekte der peroxisomalen Biogenese ausgelöst werden (Peroxisomale Biogenesedefekte, PBD). An der peroxisomalen Biogenese sind mindestens 23 Proteine (Peroxine) beteiligt, die durch PEX-Gene kodiert werden. Meistens wirkt sich der Defekt eines PEX-Gens...     »