The role of ClpX in erythropoietic protoporphyria

ABSTRACT Hemoglobin is an essential biological component of human physiology and its production in red blood cells relies upon proper biosynthesis of heme and globin protein. Disruption in the synthesis of these precursors accounts for a number of human blood disorders found in patients. Mutations in genes encoding heme biosynthesis enzymes are associated with a broad class of metabolic disorders called porphyrias. In particular, one subtype - erythropoietic protoporphyria - is caused by the accumulation of protoporphyrin IX. Erythropoietic protoporphyria patients suffer from photosensitivity and a higher risk of liver failure, which is the principle cause of morbidity and mortality. Approximately 90% of these patients carry loss-of-function mutations in the enzyme ferrochelatase (FECH), while 5% of cases are associated with activating mutations in the C-terminus of ALAS2. Recent work has begun to uncover novel mechanisms of heme regulation that may account for the remaining 5% of cases with previously unknown genetic basis. One erythropoietic protoporphyria family has been identified with inherited mutations in the AAA+ protease ClpXP that regulates ALAS activity. In this review article, recent findings on the role of ClpXP as both an activating unfoldase and degrading protease and its impact on heme synthesis will be discussed. This review will also highlight the role of ClpX dysfunction in erythropoietic protoporphyria.

Metabolismo del hemo: las dos caras de los efectos de la acumulación de precursores y porfirinas / Heme metabolism: the janus nature of precursorsand porphyrins / Metabolismo do hemo: as duas faces dos efeitos da acumulação de precursores e porfirinas

Las porfirias son enfermedades metabólicas consecuencia de fallas en la biosíntesis del hemo, caracterizadas por un patrón específico de acumulación y excreción de intermediarios, responsables de su patofisiología. En las porfirias agudas el exceso de ácido d-aminolevúlico (ALA) produce una sintomatología neuroabdominal asociada al daño oxidativo por formación de especies reactivas de oxígeno (ROS), originadas por autooxidaxión del ALA. En las cutáneas, la sintomatología es producto de la acumulación de porfirinas, que como el ALA, inducen la formación de ROS. Su desencadenamiento se precipita por factores endógenos (ayuno, estrés, hormonas) y/o exógenos (fármacos), en particular algunos anestésicos. Se presenta una revisión de los estudios bioquímicos y genéticos en pacientes con diferentes porfirias obtenidos en el Centro de Investigaciones de Porfirias y Porfirinas (CIPYP), durante los últimos 38 años, que permitieron ampliar el conocimiento sobre las bases moleculares sobre estas patologías. Se describen los logros resultantes del empleo de modelos experimentales de porfiria, inducida farmacológica o genéticamente, que contribuyeron a la clasificación de algunas drogas como prohibidas para pacientes con porfiria. Finalmente, las porfirinas generadoras de ROS, y por ende inductoras de muerte celular, tienen su aplicación para combatir infecciones por organismos hemo-deficientes como Trypanosoma cruzi y también para ser utilizadas como fotosensibilizadores en la terapia fotodinámica (TFD).

Porphyrias comprise a group of metabolic disorders of the heme biosynthesis pathway resulting in a specific accumulation and excretion of intermediates which are responsible for their pathophysiology. Acute porphyrias are characterized by acute neurovisceral symptoms due to the overproduction and accumulation of d-aminolevulinic acid (ALA) which leads to an oxidative damage resulting from the formation of reactive oxygen species (ROS). In cutaneous porphyrias, the symptomatology is a result of porphyrin accumulation which also induces ROS moulding. In both cases, their clinical signs are precipitated by endogenous factors (stress, hormones, low calories intake) and/or exogenous drugs, in particular some anaesthetics. A review of the biochemical and genetic results obtained from patients with different porphyrias, diagnosed at the CIPYP during the last 38 years is presented here, aimed at obtaining additional evidence about the molecular nature of these disorders. The achievements obtained from experimental porphyria models -pharmacologically or genetically induced- are also described, which contributed to the classification of some drugs as prohibited for their use in porphyric patients. Finally, as porphyrins produce ROS and therefore cellular death, they can be used to treat infections by heme-deficient organisms like Trypanosoma cruzi and also as photosensitizers in photodynamic therapy (TFD).

As Porfirias são doenças metabólicas decorrentes de falhas na biossíntese do Hemo, caracterizadas por um padrão específico de acumulação e excreção de intermediários responsáveis de sua patofisiologia. Nas Porfirias Agudas, o excesso de ácido δ-aminolevulínico (ALA) produz uma sintomatologia neuroabdominal associada ao dano oxidativo por formação de espécies reativas de oxigênio (ROS), decorrentes da auto-oxidação do ALA. Nas Cutâneas a sintomatologia é produto da acumulação de porfirinas, que como o ALA, induzem a formação de ROS. Seu desencadeamento precipita-se por fatores endógenos (jejum, estresse, hormônios) e/ou exógenos (fármacos), especialmente alguns anestésicos. Apresenta-se uma revisão dos estudos bioquímicos e genéticos em pacientes com diferentes Porfirias obtidos no Centro de Investigações de Porfirias e Porfirinas (CIPYP), durante os últimos 38 anos, que permitiram ampliar o conhecimento sobre as bases moleculares destas patologias. Descrevem-se as conquistas resultantes do uso de modelos experimentais de Porfiria, induzida farmacológica ou geneticamente, que contribuíram à classificação de algumas drogas como proibidas para pacientes com Porfiria. Afinal, as porfirinas geradoras de ROS e, por conseguinte, indutoras de morte celular têm sua aplicação para combater infecções por organismos hemo-deficientes como Trypanosoma cruzi e também ser utilizadas como fotossensibilizadores na terapia fotodinâmica (TFD).

Porfirias poco frecuentes: Casos detectados en la población argentina / Non frequent porphyrias in the argentinean population

Las porfirias son consecuencia de fallas en el metabolismo del hemo. Se clasifican según el tipo de sintomatología clínica prevalente o el órgano donde se expresa preferencialmente la falla metabólica. En general la deficiencia enzimática está asociada a mutaciones en los genes que codifican para cada una de las enzimas. Están descritos 7 tipos de porfiria diferentes. Se transmiten por carácter autosómico dominante a excepción de la PCE, la PHE y la NPA que son recesivas. Sin embargo, están reportadas variantes homocigotas para el resto de las porfirias de pronóstico y evolución mucho más grave que la forma heterocigota. La descripción de estos casos poco frecuentes, sus tratamientos y evolución, facilitarían tanto el diagnóstico diferencial de la porfiria como el conocimiento de las posibilidades terapéuticas en cada caso. Asimismo para las porfirias heterocigotas con manifestación infantil, su identificación temprana y tratamiento aseguraría una mejor evolución minimizando los riesgos asociados. Se han diagnosticado 5 casos de porfirias agudas en niñas: 2 de PAI, 2 de PV y 1 de CPH. Entre las porfirias cutáneas se presentan 25 casos de PCT infantil, el primer caso de PHE en Argentina, 4 casos de PCE infantil y 1 en un adulto y 2 casos de PPE con compromiso hepatobiliar.

The Porphyrias are a group of diseases resulting from partial deficiencies in one of the heme biosynthetic enzymes. These disorders can be classified on the basis of their clinical manifestations or according the organ where the metabolic deficiency is mainly expressed. In general this enzyme deficiency is associated with mutations in the genes which codify each enzyme. There are 7 types of Porphyrias. They are autosomal dominant disorders with the exception of PCE, PHE and NPA which are recessive. However, some rare and severe cases with recessive inheritance have also been reported. The description of these infrequent cases and their treatments and evolution would make easier the differential diagnosis of Porphyrias as well as the therapeutic possibilities to be applied in each case. Moreover, it is very important the early identification and treatment of infantile heterozygous porphyrias to avoid the risks of associatedd complications. In the CIPYP we have diagnosed 5 cases of infantil Acute Porphyrias: 2 PAI, 2 PV and 1 CPH. In the group of Cutaneous Porphyrias we present 25 cases of infantil PCT, the first case of PHE in Argentina, 4 cases of infantil PCE and 1 adult PCE and 2 cases of PPE with hepatic failure.

Hierro hemático y desarrollo en niños de 6 a 24 meses de edad, según su origen social, Córdoba, Argentina / Iron biochemical screening and development, in infants from 6 to 24 month, by socioeconomic background, Cordoba Argentina

Objetivo: Correlacionar parámetros bioquímicos de hierro y desarrollo psicomotríz, en relación al origen social, en niños de 6 a 24 meses de Córdoba, Argentina. Material y Métodos: En 276 niños se determino el estado nutricional del hierro con el criterio de Hillman, combinando ferritina, hemoglobina y protoporfirina eritrocitaria, para desarrollo Escala de Bayley 11, y variables socioeconómicas. Resultados y Conclusiones: La anemia presento diferencias (p<0.05) entre los niveles soci21es, la depleción fue 42 % en la población total. El desarrollo motor fue homogéneo en los grupos sociales; mientras que el mental presento diferencias ( p< 0.05) en retraso leve y significativo, siendo los mas afectados los niños del nivel bajo. En desarrollo y parámetros bioquímicos, el 19 % de los niños con anemia y depleción, presentaron retraso motor leve, mientras que en desarrollo mental, el retraso leve y significativo afecto en doble proporción a los niños con depleción y anemia en comparación con los niños normales.

Aims: To correlate the iron biochemical screening with cognitive and motor development, related to social background, in 6 to 24 month infants. Methods: a population - based study of 276 children. The iron deficiency was determine by the modified criterion of Hillman ( 1996), combining three different screenings tests: serum ferritin, hemoglobin and erythrocyte protoporphyrin. To analyse development we used Bayley 11 Scale. Results and conclusions: the anaemia was significative different (p< 0,05) between social levels, 36% in children with low socioeconomic background, 8% for the high one and iron deficiency without anaemia 42% in the total population. The motor development was homogeneous by social groups, showed 1 % significative delay, 8% light delay. But the mental development shows significative differences (p<0,05) in both light and significative delay, been the must affected children with low socioeconomic background.