Identification and functional analysis of mutations of the phenylalanine hydroxylase gene in patients with phenylketonuria

Abstract

[한글]

페닐케톤뇨증은 페닐알라닌을 타이로신으로 전환시키는 페닐알라닌 수산화효소 (phenylalanine hydroxylase, PAH)의 결핍에 의해서 생기는 상염색체 열성 유전질환이다. 본 연구에서는 한국인 페닐케톤뇨증 환우회 가족 중 연구참여에 동의한 78 가족의 말초 혈액 임파구로부터 DNA를 추출하고 PAH 유전자 염기서열을 분석하여 돌연변이 양상을 알아보고 발견된 PAH 유전자 돌연변이를 바탕으로 페닐케톤뇨증 환자의 임상양상과 PAH 유전형과의 연관성을 알아보았다. 총 39개의 돌연변이를 발견하였으며 이 중 10개 (P69S, G103S, N207D, T278S, P281A, L293M, G332V, S391I, A447P, and IVS10-3C>G)는 처음 발견된 것이며 3개 (R53H, R241C, R408Q)는 tetrahydrobiopterin (BH4)-반응형이었다. 이 중에 총 11개의 돌연변이 (P69S, G103S, L293M, G332V, S391I, A447P, R243Q, R413P, R53H, R241C, R408Q) 에 대하여 유전자의 발현 정도와 효소 활성도를 측정하였으며 그 결과 다양한 정도의 활성도를 보였다. 페닐케톤뇨증을 유발하는 일부 돌연변이도 BH4 투여 후 페닐알라닌 수산화효소의 발현과 활성도가 증가하였는데 이것은 일부 전형적인 페닐케톤뇨증 환자에서도 BH4 투여를 하면 혈중 페닐알라닌이 감소 할 수도 있음을 시사한다. 페닐알라닌 수산화효소 모형 분석 결과 BH4-반응형 돌연변이에서는 이합체 (dimer)의 안정성은 감소되어 있었으나 사합체 (tetramer)의 안정성은 정상이었다.본 연구에서는 돌연변이 PAH 유전자의 발현 정도와 효소의 활성도를 측정하고 구조적 분석을 통하여 페닐케톤뇨증 환자의 치료와 유전상담에 도움이 되고자 하였다.

[영문]Phenylketonuria (PKU) is an inborn error of metabolism that results from a deficiency of phenylalanine hydroxylase (PAH). Determining the relationship between genotype, phenotype, and tetrahydrobiopterin (BH4)-responsiveness should provide very useful information on dietary and therapeutic strategies. Therefore, we characterized the PAH mutations of 78 independent Korean patients with PKU or hyperphenylalaninemia. Eleven PAH missense mutations, including six novel mutations found in this study, have been functionally and structurally analyzed. To analyze the effects of PAH missense mutations on the PAH protein structure, model structures of PAH protein and the composite tetramer were constructed using the software program, SHEBA.PAH nucleotide sequence analysis revealed 39 different mutations, including ten novel mutations. The novel mutations consisted of nine missense mutations and a novel splice site variant. We also observed three BH4-responsive mutants. No PAH activity was detected for some mutants. However, the residual activities associated with other mutants ranged over a wide spectrum. In some severe PAH mutations detected in classical PKU, PAH enzyme activity was increased when treated with BH4. The composite model structure of PAH revealed that dimer stability was reduced in the BH4-responsive mutants, whereas tetramer stability remained normal.This study suggests that even patients with classical PKU can be treated with BH4 supplementation. Further studies to validate these structural and functional analyses of BH4 responsiveness should facilitate the development of new therapeutic strategies for PKU patients.