MitMed aims at expanding our knowledge and understanding of mitochondrial diseases by identifying new disease-genes and characterizing their functional and pathogenetic role. By using a diagnostic panel covering over 500 genes, we identified in our cohort 7 patients with mutations in mtDNA, including four heteroplasmic point mutations and three large deletions. In addition, we identified several mutations in nuclear genes (1), including some encoding for proteins related to (i) mtDNA maintenance and expression (RRM2B, C10ORF2 (TWNK), POLG, TK2, GFM1, RARS2, IARS2), (ii) coenzyme Q biosynthesis (PDSS2, COQ4), (iii) respiratory complexes subunits and assembly factors (NDUFB9 and SURF1), other proteins (OPA1, ETHE1). Overall, about 45% of our pediatric patients had a diagnosis. However, the clinical exomes did not identify any new disease genes.
We focused on previously identified genes, in particular, APOPT1/COA8 and APOO. COA8 was previously identified as responsible for a cavitating leukoencephalopathy in patients with complex IV defects (2,3). By studying human cellular and Drosophila melanogaster models of COA8 deficiency (4), we are defining the specific role for COA8 in cytochrome c oxidase biogenesis (refer to poster from project GJC21014 for details).
Mutations in APOO cause an X-linked recessive mitochondrial myopathy with lactic acidosis, cognitive impairment and autistic features (5). APOO encodes for MIC26, a component of the mitochondrial contact site and cristae organizing system complex (MICOS), which plays key roles in controlling cristae junctions. The mutation caused impaired processing of the protein during import and faulty insertion into the IMM. The complete loss of Mic26 in D. melanogaster causes partial developmental lethality due to altered mitochondrial ultrastructure and multiple respiratory chain deficiencies caused by disassembly of MICOS complex. A transgenic fly model expressing an Mic26-HA under a strong driver resulted in a complete developmental lethality, while a more moderate driver does not result in lethality. We crossed the Mic26 knockout flies with flies overexpressing Opa1 and other components of the MICOS complex, and we are currently investigating their phenotype.
MitMed: identificazione e caratterizzazione di nuovi geni malattia per i disturbi mitocondriali
MitMed mira ad ampliare la nostra conoscenza delle malattie mitocondriali identificando nuovi geni-malattia e caratterizzando il loro ruolo funzionale, in modo da comprendere come queste patologie si sviluppano. Utilizzando un pannello diagnostico con oltre 500 geni, abbiamo identificato nella nostra coorte sette pazienti con mutazioni nel mtDNA, incluse quattro mutazioni puntiformi eteroplasmiche e tre ampie delezioni. Inoltre, abbiamo identificato diverse mutazioni nei geni nucleari, tra cui alcune codificanti per proteine correlate a (i) mantenimento ed espressione del mtDNA (RRM2B, C10ORF2 (TWNK), POLG, TK2, GFM1, RARS2, IARS2), (ii) biosintesi del coenzima Q (PDSS2, COQ4), (iii) subunità dei complessi respiratori e fattori di assemblaggio (NDUFB9, SURF1), altre proteine (OPA1, ETHE1). Finora non abbiamo trovato nuovi geni-malattia.
Ci siamo pertanto concentrati su geni precedentemente identificati, in particolare APOPT1/COA8 e APOO. Mutazioni in COA8 sono state precedentemente trovate in pazienti con leucoencefalopatia cavitante associata a deficit di complesso IV della catena respiratoria (citocromo c ossidasi, cox). Studiando modelli cellulari umani e di Drosophila melanogaster deleti in COA8, abbiamo definito il ruolo per questa proteina nella biogenesi della cox (fare riferimento al poster del progetto GJC21014 per i dettagli).
Le mutazioni in APOO causano una miopatia mitocondriale recessiva legata all'X con acidosi lattica, deterioramento cognitivo e caratteristiche autistiche. APOO codifica per MIC26, un componente del sito di contatto mitocondriale e del complesso del sistema di organizzazione delle creste (MICOS), che svolge un ruolo chiave nel controllo delle giunzioni delle creste. La mutazione causa difetto di import della proteina nei mitocondri e suo inserimento errato nella membrana mitocondriale interna. L' assenza di MIC26 in D. melanogaster provoca una profonda alterazione dell'ultrastruttura mitocondriale e un deficit multiplo di catena respiratoria. Inoltre, anche un'elevata sovraespressione della proteina interferisce con il normale sviluppo della mosca una letalità dello sviluppo completa, mentre una sopvraespressione moderata è compatibile con un normale siluppo. Recentemente abbiamo incrociato le mosche knockout Mic26 con mosche che sovraesprimono Opa1 e altri componenti del complesso MICOS e attualmente stiamo studiando il loro fenotipo.
1. Gusic, M. & Prokisch, H. Genetic basis of mitochondrial diseases. FEBS Lett 595, 1132-1158 (2021).
2. Signes, A. et al. APOPT1/COA8 assists COX assembly and is oppositely regulated by UPS and ROS. EMBO Mol Med 11, e9582 (2019).
3. Melchionda, L. et al. Mutations in APOPT1, encoding a mitochondrial protein, cause cavitating leukoencephalopathy with cytochrome c oxidase deficiency. Am J Hum Genet 95, 315-325 (2014).
4. Brischigliaro, M. et al. Knockdown of APOPT1/COA8 Causes Cytochrome c Oxidase Deficiency, Neuromuscular Impairment, and Reduced Resistance to Oxidative Stress in Drosophila melanogaster. Frontiers in Physiology 10, 1143 (2019).
5. Benincá, C. et al. Mutation in the MICOS subunit gene APOO (MIC26) associated with an X-linked recessive mitochondrial myopathy, lactic acidosis, cognitive impairment and autistic features. Journal of Medical Genetics 58, 155-167 (2021).