Episodic mitochondrial myopathy with or without optic atrophy and reversible leukoencephalopathy (MEOAL, OMIM number: 251900) is an autosomal recessive neuromuscular disorder characterized by childhood onset of progressive muscle weakness and exercise intolerance. It is caused by the mutation of the FDX2 gene, encoding the mitochondrial protein ferredoxin-2 [1]. Two different mutation has been described to date: 1) c.1A > T, affecting the start codon of FDX2, resulting in a severe reduction of the FDX2 protein and causing recurrent myoglobinuria, lactic acidosis and slowly progressive muscle weakness [1, 2]; 2) c.431C > T (p.P144L), associated to a complex neurological phenotype involving early onset optic atrophy followed in the first or second decade of life by progressive myopathy, recurrent episodes of cramps, myalgia, muscle weakness and axonal polyneuropathy [3]. Therefore, different mutations of the same gene lead either to a relatively mild skeletal muscle phenotype or to a complex multisystem neurological/neuromuscular syndrome. The FDX2 protein is central for ATP production by mitochondria. However, to date there are important gaps in the understanding the role of this protein in mitochondrial pathophysiology and in the impact of the mutations found in MEOAL patients. These are the basis of the broad objectives of the proposal recently granted by Telethon and Cariplo Foundations: i) define how FDX2 participates in the assembly of FeS clusters, redox cofactors of the respiratory chain, and how the pathogenic mutations impair this function of FDX2, ii) establish whether FDX2 is involved in the biosynthesis of Coenzyme Q (CoQ), a molecule working, like FeS clusters, in the electron transport chain. Our main hypothesis is that FDX2 works at the crossroads of these two metabolic pathways and, therefore, that defects of both are responsible for the mitochondrial dysfunctions of MEOAL patients. We will address this hypothesis by a multidisciplinary approach ranging from studies on purified proteins to analyses of these pathways in cellular models of MEOAL disease. Specifically, we will i) investigate in vitro, with a set of spectroscopic techniques, the molecular basis of [4Fe-4S] cluster assembly and the structural/functional interactions between FDX2 and COQ6, a monooxygenase working, in yeast, in the CoQ biosynthesis pathway along with FDX2; ii) address the impact of the pathogenic mutations on these processes; iii) explore in MEOAL cellular models, obtained by CRISPR-Cas9 technology, the FeS clusters/CoQ biosynthesis and the mitochondrial phenotype by advanced imaging, biochemical and mitochondrial physiology analyses. We expect to gain new insights in the molecular mechanisms driving the FeS/CoQ biosynthesis in healthy cells and into the upstream events leading to the overall decrease of bioenergetics efficiency afflicting MEOAL patients' cells.

Miopatia mitocondriale associata a mutazioni di FDX2: crocevia tra biogenesi di proteine FeS e biosintesi di Coenzima Q La miopatia mitocondriale episodica con o senza atrofia ottica e leucoencefalopatia reversible (MEOAL) è un disordine neuromuscolare ereditario raro, ad esordio infantile, caratterizzato clinicamente da debolezza muscolare progressiva e intolleranza all'esercizio. Ulteriori e più variabili caratteristiche della malattia possono includere atrofia ottica, leucoencefalopatia reversibile o parzialmente reversibile e polineuropatia sensitivo-motoria ad insorgenza più tardiva. Questa malattia è emersa di recente: è stata identificata per la prima volta nel 2014 in una ragazza di 15 anni e fino ad ora sono state trovate due mutazioni patogeniche in otto individui. MEOAL è causata da mutazioni di ferredossina-2 (FDX2), una proteina che sembra avere un ruolo essenziale nella produzione di energia da parte dei mitocondri, le "centrali elettriche delle cellule". FDX2 è stata infatti proposta partecipare alla formazione dei centri ferro-zolfo, cofattori essenziali per una corretta funzionalità mitocondriale, e alcune indicazioni sperimentali suggeriscono che potrebbe essere coinvolta anche nella biosintesi del Coenzima Q, una molecola che svolge un ruolo chiave in numerosi processi biologici, malattie umane e protocolli terapeutici. Tuttavia, ad oggi rimangono diverse lacune nella comprensione completa del ruolo di FDX2 nella fisiopatologia mitocondriale e attualmente non esiste una cura specifica o un trattamento efficace per i pazienti affetti da MEOAL. L'obbiettivo del nostro progetto è quindi quello di chiarire come FDX2 funziona nelle cellule sane e in che modo le mutazioni patogeniche note influenzano la sua attività. La definizione delle caratteristiche molecolari della malattia è un compito irrinunciabile per lo sviluppo di nuove strategie terapeutiche mirate alla cura della miopatia mitocondriale MEOAL.

[1] Spiegel R et al. (2014) Deleterious mutation in FDX1L gene is associated with a novel mitochondrial muscle myopathy. Eur J Hum Genet 22, 902-906; doi:10.1038/ejhg.2013.269 [2] Lebigot E et al. (2017) Impact of mutations within the [Fe-S] cluster or the lipoic acid biosynthesis pathways on mitochondrial protein expression profiles in fibroblasts from patients. Mol Genet Metab 112, 85-94; doi:10.1016/j.ymgme.2017.08.001 [3] Gurgel-Giannetti J et al. (2018) A novel complex neurological phenotype due to a homozygous mutation in FDX2. Brain 141, 2289-2298; doi:10.1093/brain/awy172

MEOAL

Miopatia mitocondriale episodica con o senza atrofia ottica e leucoencefalopatia reversible (MEOAL)