Phenylketonuria as a paradigm disease to understand protein instability in conformational disorders and to develop chaperoning therapies

Fenylketonuri (PKU), også kjent som Føllingssykdom, er en sjelden, arvelig metabolismefeil som skyldes mutasjoner i genet som koder for fenylalanin hydroksylase (PAH). Dette enzymet bryter ned fenylalanin (Phe) og dersom sykdommen ikke behandles akkumuleres Phe, noe som kan forårsake fysisk- og mental funksjonshemming. Behandling inkluderer en streng diett, uten Phe, noe som betyr at pasientene ikke kan spise proteiner. Utvikling av nye, effektive terapier for PKU, og arvelige metabolske sykdommer generelt, er utfordrende, og dette prosjektet har som mål å øke kunnskapen om de molekylære og cellulære mekanismene som fører til destabilisering av PAH i PKU, og forbedre den metodologiske kompetansen i utvikling av medikamenter som retter feilfoldet mutant PAH. Et av de viktigste verktøyene i utviklingen av nye behandlinger er musemodellene for sykdommen. I dette prosjektet har en ny musemodell for PKU, den første med en human mutasjon, blitt selektert og brukt. Den representerer en av de vanligste mutasjonene for PKU, og dermed en stor pasientgruppe. Før en ny musemodell kan brukes i utvikling av medisiner må den karakteriseres nøye i ulike livsstadier, for å bekrefte at den er en god modell for de menneskelige pasientene. Under karakteriseringen har det blant annet blitt oppdaget at denne musemodellen opplever oksidativt stress grunnet store PAH aggregater som aldri før har blitt observert i en PKU-modell. Disse aggregatene og deres påvirkning på musen er forventet å forverre seg med alderdom, og karakteriseringen ble derfor utvidet til å også inkludere eldre mus. Den forventede økningen i oksidativt stress kunne ikke detekteres i de gamle musene, og man oppdaget en uventet normalisering og tilpasning til de store PAH aggregatene. Nærings-PhD prosjektet har økt kandidatens kompetanse i bruk av mus som modeller for sykdom, og særlig på karakteriseringen av effekten av PAH mutasjoner i en PKU-musemodell. Denne kombinerte kunnskapen vil bane vei for optimalisering av korrigerende terapier, slik som farmakologiske chaperoner, for PKU og andre sjeldne, arvelig sykdommer, inkludert genetiske kreftformer. Forskningsgruppen ved Universitetet i Bergen og Pluvia samarbeider i veiledning av kandidaten.

The PhD project has generated increased knowledge on animal models and the generation of a systems medicine model that will benefit the development of new treatment for phenylketonuria (PKU)-patients. This knowledge has contributed to decision making and will increase the assets of the company. The research can enable selection of therapies including combination therapies that increase the functionality in a mutant dependent manner and opens for patient-tailored therapies. Additional outcomes include novel insights in the proteostasis network in PKU. The knowledge can be transferred to development of treatment for other genetic diseases. Application of the research results in this PhD project and education of high skilled researchers within the field of genetic diseases and animal models contribute to developing an internationally competitive life science ecosystem.

Phenylketonuria (PKU) is an inborn error of metabolism (IEM) caused by mutations in the enzyme phenylalanine hydroxylase. Left untreated, PKU leads to elevated, neurotoxic levels of phenylalanine. PKU has the highest incidence among IEMs (1 in 10000 births). Developing effective therapies for IEMs is challenging and the present project has been designed to increase knowledge and methodological expertise to facilitate the generic development of drug candidates for next generation chaperoning therapies. As for PKU, most IEMs lead to instability and misfolding of the mutated enzymes with consequent loss-of-function. The cell tries to limit the accumulation of misfolded proteins using folding assistance by molecular chaperones and degradation through the ubiquitin-dependent proteasome and/or autophagy, collectively constituting the protein quality control (proteostasis system). There is a need for highly trained scientists with competence in integrative and innovative research with commercialization potential. The purpose of the present PhD project is to increase the proficiency of the PhD candidate on the characterization on the effect of mutations in cells and in PKU-model mice, on proteostasis mechanisms in PKU, and on corrective therapies, notably pharmacological chaperones (PCs). These are small compounds that prevent and correct instability, and are the trademark of Pluvia AS. This combined knowledge will pave the way to the optimization of PC-therapies for PKU and to develop a generic translational workflow for PC selection for other IEMs and genetic forms of cancer. The project benefits from both the cutting-edge expertise of the Martinez Lab, UiB, in biophysical, cellular and animal methods and the unique expertise of Pluvia on protocols for the discovery, development and proof-of-concept of PCs. UiB and Pluvia will collaborate on the supervision of the candidate, resulting in a high added value to the PhD project and the commercialization of PC-based drugs.