Kombinierte Malon- und Methylmalonazidurie, auch CMAMMA oder kombinierte Malon- und Methylmalonazidämie genannt, ist eine angeborene Stoffwechselkrankheit, die biochemisch durch erhöhte Mengen von Malonsäure und Methylmalonsäure gekennzeichnet ist, wobei die Methylmalonsäurewerte höher sind als die Malonsäurewerte. CMAMMA ist nicht nur eine Organoazidopathie, sondern auch ein Defekt der mitochondrialen Fettsäuresynthese (mtFAS) und der mitochondrialen Lysinmalonylierung. Forscher vermuten, dass CMAMMA eine der häufigsten Formen der Methylmalonazidurien und möglicherweise sogar eine der häufigsten angeborenen Stoffwechselstörungen darstellt. Da jedoch CMAMMA im routinemäßigen Neugeborenenscreening nicht auffällt, die Symptome variabel sind und oft erst im Erwachsenenalter auftreten, kommt es häufig zu verspäteten oder ausbleibenden Diagnosen, was genetische Methoden zum Schlüssel ihrer Entdeckung macht.
Symptome und Anzeichen Die klinischen Phänotypen der CMAMMA sind sehr heterogen und reichen von asymptomatischen, über leichte bis hin zu schweren Symptomen. In der Literatur wird von folgenden Symptomen berichtet:
Beteiligung des extrapyramidalen Systems Beteiligung des pyramidalen Systems Diarrhoe Dystonie Entwicklungsretardierung Enzephalopathie, infektionsbedingte Erbrechen Fehlbildungen, angeborene Gedächtnisprobleme Gedeihstörung Hautmanifestationen Hypoglykämie Hypotonie, axiale Infektionen, wiederkehrende Katatonie Ketoazidose Kognitiver Abbau Koma Krampfanfälle metabolische Azidose Mikrozephalie Mutismus Neurodegeneration von Gehirn und Rückenmark Okulogyre Krise Opisthotonus psychiatrische Erkrankungen Sprachentwicklungsstörung Sprachverlust Sprechverzögerung T2-Hyperintensitäten T2-Signal – diffus erhöht in der weißen Substanz T2-Signal – erhöht im zervikalen Rückenmark (C2–C7) T2-Signal – erhöht im Genu des Corpus callosum Transaminasenanstieg
Wenn die ersten Symptome in der Kindheit auftreten, handelt es sich eher um intermediäre Stoffwechselstörungen, während es sich bei Erwachsenen meist um neurologische Symptome handelt.
Ursache CMAMMA ist eine angeborene, autosomal-rezessive Stoffwechselstörung, die durch homozygote oder compound-heterozygote pathogene Varianten im ACSF3-Gen verursacht wird. Dies führt zu einer veränderten Form des mitochondrialen Enzyms Acyl-CoA-Synthetase-Familienmitglied 3 (ACSF3), wodurch dessen Funktion eingeschränkt oder vollständig verloren geht. Das ACSF3-Gen, verortet auf Chromosom 16 am Lokus q24.3, besteht aus 14 Exons und erzeugt vier alternativ gespleißte mRNAs, die zwei Isoformen des ACSF3-Proteins kodieren:
ein 576 Aminosäuren langes Protein (Isoform 1) und ein kürzeres, 311 Aminosäuren langes Protein (Isoform 2), dessen Translation an einem gegenüber Isoform 1 weiter stromabwärts gelegenen Startcodon beginnt.
Ausgehend von der Frequenz des selteneren Alleles (MAF) ergibt sich für CMAMMA eine Prävalenz von ca. 1: 30 000.
Pathophysiologie mini|300x300px|Schematischer Überblick über die Pathophysiologie von CMAMMA. Das Gen ACSF3 kodiert eine Acyl-CoA-Synthetase, welche in der Mitochondrienmatrix verortet ist und eine hohe Spezifität für Malonsäure und Methylmalonsäure aufweist. Diese Substrate werden von ACSF3 in einer ATP-abhängigen Reaktion aktiviert, indem es sie mit Coenzym A (CoA) verknüpft und so die Thioester Malonyl-CoA und Methylmalonyl-CoA bildet. Die entsprechenden biochemischen Reaktionen verlaufen in vivo wie folgt: als Malonyl-CoA-Synthetase:
als Methylmalonyl-CoA-Synthetase:
ACSF3, dessen Aktivität ebenfalls von Magnesium (Mg2+) abhängt, setzt Malonat am effizientesten um und aktiviert Methylmalonat mit etwa 70 % dieser Rate. Lignocerinsäure (C24) wurde als weiteres Substrat beschrieben, wobei in-vitro-Studien widersprüchliche Ergebnisse liefern.
Primäre Effekte Auf der Grundlage der oben beschriebenen, von ACSF3 katalysierten Reaktionen skizzieren die folgenden Abschnitte die primären metabolischen Konsequenzen von CMAMMA, beginnend mit der Anreicherung der vorgelagerten Substrate Malonat und Methylmalonat und gefolgt von den Mängeln der nachgelagerten Produkte Malonyl-CoA und Methylmalonyl-CoA:
Anreicherung von Substraten Das defekte ACSF3 führt zu einer beeinträchtigten Entgiftung, da Malonsäure und Methylmalonsäure nicht in ihre CoA-Derivate umgewandelt werden und sich diese Substrate daher anreichern.
Malonsäure Der genaue mitochondriale Ursprung der Malonsäure ist unbekannt, ihre Transporteigenschaften sind jedoch teilweise verstanden: Sie passiert Plasmamembranen nur in begrenztem Umfang, wobei die Aufnahme unter sauren Bedingungen zunimmt, und gelangt innerhalb der Zelle über den Dicarboxylat-Carrier SLC25A10 in die Mitochondrien, der auch Succinat, Malat und Oxalacetat transportiert. Eine wichtige vermutete Quelle ist die nicht-enzymatische Hydrolyse von cytosolischem Malonyl-CoA, das während der de-novo-Fettsäuresynthese gebildet wird und dessen Konzentration mit der lipogenen Aktivität korreliert. Enzymatische Hydrolyse durch Acyl-CoA-Thioesterasen kann ebenfalls beitragen, ebenso wie andere mögliche Routen, darunter die langsame Carboxylierung von Acetyl-CoA durch Propionyl-CoA-Carboxylase, die Decarboxylierung von Oxalacetat, die Oxidation von Malondialdehyd und die Umwandlung von β-Alanin über Malonat-Semialdehyd. Neben endogener Bildung können auch exogene Quellen aus der Nahrung beitragen, da freie Malonsäure in Pflanzen wie Hülsenfrüchten vorkommt.
Malonsäure ist ein Antimetabolit, der als klassischer kompetitiver Hemmer der Succinat-Dehydrogenase (Komplex II) in der mitochondrialen Elektronentransportkette wirkt und dadurch die Succinat-Oxidation blockiert und den Citratzyklus beeinträchtigt. Diese Hemmung reduziert die mitochondriale Atmung und kann zytotoxisch wirken, insbesondere in Zellen mit hohem oxidativem Stoffwechsel wie Striatum-Neuronen.
Methylmalonsäure mini|322x322px|Propionat-Stoffwechselweg in den Mitochondrien, mit Methylmalonsäure als Nebenprodukt und der Rolle von ACSF3 in ihrem Abbau.
Methylmalonsäure reichert sich in noch höheren Konzentrationen als Malonsäure an und stellt damit das biochemische Hauptkennzeichen der CMAMMA dar, wodurch die Erkrankung den Methylmalonazidurien zugeordnet wird.
Der Ursprung der Methylmalonsäure liegt im Propionat-Stoffwechselweg in den Mitochondrien, in dem die essenziellen Aminosäuren Valin, Threonin, Methionin und Isoleucin, ungeradzahlige Fettsäuren, Propionsäure und die Cholesterin-Seitenkette zu Propionyl-CoA umgesetzt werden. Propionsäure entsteht durch bakterielle Fermentation im Darm sowie über die Nahrung, da sie natürlicherweise in bestimmten Käsesorten vorkommt oder als Konservierungsmittel, insbesondere in Backwaren, zugesetzt wird. Die Propionyl-CoA-Carboxylase bildet D-Methylmalonyl-CoA, das zu L-Methylmalonyl-CoA epimerisiert und anschließend durch die Methylmalonyl-CoA-Mutase zu Succinyl-CoA für den Eintritt in den Zitronensäurezyklus umgewandelt wird – eine Reaktion, die das Coenzym Adenosylcobalamin benötigt. D-Methylmalonyl-CoA kann jedoch auch durch D-Methylmalonyl-CoA-Hydrolase hydrolysiert werden, wobei Coenzym A (CoA) freigesetzt und Methylmalonsäure gebildet wird, die ein Nebenprodukt dieses Stoffwechselweges darstellt. Die unspezifischere mitochondriale Acyl-CoA-Thioesterase 9 (ACOT9) kann ebenfalls Methylmalonyl-CoA – unabhängig vom Isomer – zu Methylmalonsäure hydrolysieren, wobei ihre Aktivität stark durch NADH und freies CoA reguliert wird.
Bei CMAMMA stammt die Methylmalonsäure jedoch hauptsächlich aus dem Threonin-Stoffwechsel, wie Untersuchungen an Acsf3-Knockout-Mäusen gezeigt haben. Zudem wurde festgestellt, dass Methylmalonsäure die Osteogenese beeinträchtigt, indem sie die Differenzierung von Osteoblasten hemmt und die Mineralisierung reduziert, wodurch sich ein mechanistischer Zusammenhang zu der bei diesen Mäusen beobachteten verringerten Körperlänge ergibt.
In vitro wurde ein Zusammenhang zwischen freier Methylmalonsäure und Neurotoxizität nachgewiesen.
Mangel an Produkten Defektes ACSF3 führt nicht nur zur Anreicherung seiner Substrate, sondern auch zu verringerten Konzentrationen seiner mitochondrialen Produkte, Malonyl-CoA und Methylmalonyl-CoA.
Malonyl-CoA Malonyl-CoA ist ein Zwischenprodukt, das Membranen nicht überwinden kann und daher eine lokale Synthese innerhalb der Mitochondrien benötigt. Obwohl der genaue Ursprung des mitochondrialen Malonyl-CoA weiterhin zur Diskussion steht, nimmt man an, dass der Pool sowohl durch ACSF3 aus Malonsäure als auch durch mitochondriale Acetyl-CoA-Carboxylase 1 (mtACC1) aus Acetyl-CoA bereitgestellt wird. Eine teilweise Kompensation des defekten ACSF3 durch mtACC1 könnte die ausgeprägte klinische Heterogenität der CMAMMA erklären. Mitochondriales Malonyl-CoA wird für die Lysinmalonylierung, die mitochondriale Fettsäuresynthese, die Acetyl-CoA-Synthese und den Einbau in zelluläre Lipide benötigt.
Die Lysinmalonylierung ist eine dynamisch regulierte posttranslationale Modifikation, bei der Malonylgruppen an Lysinreste von Proteinen angehängt werden, wodurch deren positive Ladung in eine negative umgekehrt und ihr sterischer Umfang vergrößert wird. Dies kann die Proteinkonformation, die Enzymaktivität und Protein-Protein-Interaktionen beeinflussen und ist mit der Regulation des Energiestoffwechsels, insbesondere der Glykolyse und der β-Oxidation, verknüpft. Die Expression von ACSF3, die eng an Nahrungszyklen gekoppelt ist, steuert das Ausmaß der mitochondrialen Lysinmalonylierung, indem sie die Verfügbarkeit von Malonyl-CoA reguliert, das als Donor der Malonylgruppen dient.
In ACSF3-, Acsf3-Knockout und Acsf3-Knockdown Modellen wurde gezeigt, dass die mitochondriale Lysinmalonylierung deutlich reduziert ist, was bestätigt, dass von ACSF3-stammendes Malonyl-CoA für diese Modifikation erforderlich ist. Es wird vermutet, dass die Verringerung der Lysinmalonylierung stärker als die Malonsäureanreicherung zur weitreichenden mitochondrialen Dysfunktion der CMAMMA beiträgt.
mini|365x365px|Mitochondriale Fettsäuresynthese mit Malonyl-CoA als Schlüsselzwischenprodukt und der Rolle von ACSF3 in seiner Synthese. Die mitochondriale Fettsäuresynthese (mtFAS) wurde als nährstoffsensitiver Signalweg beschrieben, der mit der Nutzung von Acetyl-CoA, der Funktion der Atmungskette, der Biogenese von Eisen-Schwefel-Clustern, der mitochondrialen Translation und lipidvermittelten Signalprozessen verknüpft ist. In diesem Weg dient Malonyl-CoA als Vorstufe der Kettenverlängerungseinheit Malonyl-ACP (C3), die in einer Kondensationsreaktion unter CO2-Freisetzung, die an ACP gebundene Fettsäurekette um zwei Kohlenstoffatome pro Runde verlängert. Es erzeugt Acyl-ACP-Spezies unterschiedlicher Kettenlängen, die jeweils spezifische Funktionen erfüllen: Octanoyl-ACP (C8) ist ein solches mtFAS-Produkt und ein direkter Vorläufer der Liponsäure-Biosynthese, die als Cofaktor für mehrere mitochondriale Multienzymkomplexe des Energiestoffwechsels dient, darunter der Pyruvatdehydrogenase-Komplex (PDH), der α-Ketoglutaratdehydrogenase-Komplex (α-KGDH), der verzweigtkettige α-Ketoacid-Dehydrogenase-Komplex (BCKDH), der 2-Oxoadipat-Dehydrogenase-Komplex (OADH) und das Glycinspaltungssystem (GCS). Hingegen aktivieren längerkettige Acyl-ACP-Spezies (C10–16) allosterisch das Netzwerk der LYRM-Proteine. Beim Menschen umfasst dieses Netzwerk mindestens 12 Proteine und reguliert die mitochondriale Translation, die Biogenese von Eisen-Schwefel-Clustern und die Assemblierung der Komplexe der Elektronentransportkette.