Mitochondrial disorders (MD) are rare genetic conditions caused by dysfunction of the oxidative phosphorylation system. These diseases are clinically and genetically very heterogenous and can be originated by mutations in either the mitochondrial genome or in genes encoded in the nucleus. Variants in more than 300 different nuclear genes have been associated with MD, some of them found in a single individual or family. Mutations in APOPT1 (aka COA8) have been described in eight individuals from seven different families, associated with cavitating leukoencephalopathy and respiratory chain complex IV (cIV) deficiency (Hedberg-Oldfors et al., 2020; Melchionda et al., 2014; Sharma et al., 2018). A recurrent observation in the APOPT1-mutated patients is the appearance and/or worsening of their neurological symptoms after febrile illness, most probably because of an impaired metabolic stress response. The role of APOPT1 in the assembly/stability of cIV remains largely unknown, although we were able to determine that its stability and import inside mitochondria is regulated by a complex interplay between the ubiquitin-proteasome system (UPS) and reactive oxygen species (ROS) (Signes et al., 2019). However, the molecular details regulating these processes had not been yet elucidated. We sought to investigate the molecular function and stress-driven regulation of APOPT1 using human patient-derived cultured cells and an Apopt1KO Drosophila melanogaster model. Detailed proteomic analysis of cIV in these models, as well as of the specific interactors of APOPT1 have revealed that the biochemical deficiency stems from an early defect in cIV assembly due to low levels of heme A, a necessary cofactor for the formation of the catalytic center of cIV. In addition, we have been able to determine that the stabilization of APOPT1 in response to oxidative stress is due to the presence of certain Cys residues located in the proximity of the mitochondrial targeting sequence. In normal conditions, cIV activity is augmented in oxidatively stressed cells. This effect is blunted when APOPT1 is absent or not able to respond to the oxidative challenge. These results provide a strong indication that APOPT1 is a ROS-sensing factor necessary to stimulate CIV biogenesis and activation, protecting the cells from stress.

Patogenesi molecolare associata alla perdita di funzione di APOPT1/COA8 I mitocondri sono organelli fondamentali per la vita, essendo responsabili dell'estrazione dell'energia dagli alimenti per mantenere la funzionalità delle cellule nel corpo (ad eccezione dei globuli rossi, che non hanno mitocondri). Le malattie mitocondriali (MM) sono un gruppo di patologie rare causate da difetti nei mitocondri. I mitocondri contengono molte proteine, sintetizzate sia dentro l'organello, da geni contenuti nel DNA mitocondriale, che fuori, nel citoplasma, da geni presenti nel nucleo. Il malfunzionamento di qualcuna di queste proteine dovuto a delle mutazioni nel gene codificante può causare una MM. Queste malattie genetiche possono colpire qualsiasi organo, ma quelli più frequentemente colpiti sono il cervello e i muscoli. Un'osservazione ricorrente nelle MM è la comparsa o peggioramento dei sintomi neurologici e/o muscolari dopo uno stress metabolico causato da un'infezione con febbre. Il perché di questo fenomeno non è chiaro e la prevenzione del conseguente deterioramento diventa un problema medico complesso. L'obiettivo di questo progetto è studiare la funzione della proteina chiamata APOPT1 o COA8, candidata come protettrice dallo stress mitocondriale. Mutazioni che prevengono la formazione di questa proteina sono state trovate in un gruppo di pazienti con MM in cui il decorso clinico peggiora dopo episodi febbrili. Grazie a dettagliate analisi molecolari sia in cellule in coltura derivate da pazienti, che in moscerini della frutta abbiamo identificato l'origine del difetto biochimico nei mitocondri. Inoltre, siamo stati in grado di stabilire che senza la funzione di APOPT1, le cellule non riescono a rispondere a uno stress ossidativo dovuto all'esposizione al perossido di idrogeno, confermando che questa proteina è un fattore importante per proteggere le cellule dallo stress acuto.

Hedberg-Oldfors, C. et al. (2020). COX deficiency and leukoencephalopathy due to a novel homozygous APOPT1/COA8 mutation. Neurol Genet 6, e464. Melchionda, L. et al. (2014). Mutations in APOPT1, Encoding a Mitochondrial Protein, Cause Cavitating Leukoencephalopathy with Cytochrome c Oxidase Deficiency. Am J Hum Genet 95, 315-325. Sharma, S. et al. (2018). Cavitating Leukoencephalopathy With Posterior Predominance Caused by a Deletion in the APOPT1 Gene in an Indian Boy. J Child Neurol 33, 428-431. Signes, A. et al. (2019). APOPT1/COA8 assists COX assembly and is oppositely regulated by UPS and ROS. EMBO molecular medicine 11.

Mitochondrial complex IV deficiency, nuclear type

Deficit del complesso IV mitocondriale, tipo nucleare 17