Posterior Column Ataxia and Retinitis Pigmentosa (PCARP) is an autosomal-recessive disorder characterized by sensory ataxia, retinitis pigmentosa and pain-insensitivity. It is caused by mutations in the Feline Leukemia Virus Subgroup C Receptor 1 (FLVCR1) gene, encoding a broadly expressed heme exporter. Most of the mutations identified so far affect the expression or function of FLVCR1a, one of the two isoforms encoded by the FLVCR1 gene. However, how alterations in FLVCR1a lead to the pathogenesis of PCARP is still unclear. Previous studies showed that FLVCR1 mutations impair plasma membrane heme efflux in patient-derived cells. Therefore, it has been proposed that the impairment of FLVCR1a function may cause heme accumulation and cellular damage by heme toxicity. However, experimental evidence in support of this hypothesis is poor. Interestingly, it has been recently demonstrated that the export of heme through FLVCR1a is necessary to sustain endogenous heme biosynthesis, specifically to reduce the amount of free-heme that would inhibit the rate-limiting enzyme in heme biosynthesis, ALAS1. Indeed, FLVCR1a downmodulation affect endogenous heme synthesis with important consequences on energetic metabolism in cancer cells (1). These data prompt us to specifically evaluate whether dysfunction in mitochondrial energetic metabolism may contribute to the pathogenesis of PCARP. To address this issue, we performed metabolic and proteomic analyses on four PCARP patients, two asymptomatic carriers and three healthy individuals. We provide evidence of mitochondrial dysfunction and increased lipid peroxidation in PCARP fibroblasts compared to controls. Indeed, PCARP fibroblasts showed reduced heme synthesis rates as well as reduced TCA cycle flux, OXPHOS, oxygen consumption rates associated with the alteration of mitochondrial morphology and increased lipid peroxidation. Furthermore, our data suggest that FLVCR1 function is not completely lost in PCARP fibroblasts and we provide a proof of concept that the restoration of mitochondrial function is feasible in PCARP fibroblasts. This study defines PCARP as a tissue-specific mitochondrial disease thus providing new insights into the pathogenesis of the disease. Furthermore, this study represents an important step forward to the identification of a therapeutic approach for PCARP patients.

TITOLO: L'alterazione del metabolismo energetico mitocondriale contribuisce alla patogenesi dell' atassia del cordone posteriore e retinite pigmentosa ABSTRACT: L'atassia del cordone posteriore e retinite pigmentosa (PCARP) è una malattia genetica rara caratterizzata dalla degenerazione progressiva dei neuroni sensoriali e dei fotorecettori. La perdita di tali cellule causa atassia, mancata percezione del dolore e perdita della visione. La malattia è causata da mutazioni nel gene chiamato Feline Leukemia Virus Subgroup C Receptor 1 (FLVCR1) gene. La maggior parte delle mutazioni identificate finora influenza l'espressione e funzione della proteina FLVCR1a, una delle proteine codificate da quel gene. Il motivo per cui mutazioni nel gene FLVCR1 causano la PCARP è ancora sconosciuto e non esiste una terapia specifica per i pazienti affetti da PCARP. E' stato precedentemente dimostrato che le mutazioni nel gene FLVCR1 compromettono la capacità della proteina FLVCR1a di trasportare l'eme. E' stato quindi ipotizzato che la malattia potesse essere determinata da un accumulo tossico di eme nelle cellule del paziente. Le evidenze a sostegno di questa ipotesi sono poche. E' stato recentemente dimostrato che l'esporto di eme attraverso FLVCR1a è necessario per sostenere la sintesi endogena di eme, in particolare per evitare l'inibizione di un enzima chiave nella produzione di eme. Infatti, la diminuzione dell'espressione di FLVCR1a in cellule tumorali determina una riduzione della sintesi endogena di eme con importanti conseguenze sul metabolismo energetico cellulare (1). Questi risultati ci hanno indotto a valutare se la PCARP potesse essere causata da un difetto del metabolismo energetico. Per rispondere a questa domanda, abbiamo effettuato esperimenti di proteomica ed analisi metaboliche su fibroblasti isolati da pazienti con PCARP, portatori sani ed individui sani. Abbiamo dimostrato che le cellule dei pazienti mostrano un alterazione del metabolismo energetico. In particolari i fibroblasti dei pazienti mostrano una diminuita sintesi di eme, una riduzione del flusso degli acidi tricarbossilici, della fosforilazione ossidativa e del consumo dell'ossigeno. A questo si associa un'alterazione della morfologia mitocondriale e un aumento della perossidazione lipidica. Infine, le nostre ricerche suggeriscono inoltre che le mutazioni nel gene FLVCR1 non causano una completa perdita della funzione del trasportatore e che, almeno in vitro, è possibile ripristinare il metabolismo energetico. I risultati delle nostre ricerche suggeriscono che l'alterazione del metabolismo energetico possa rappresentare un importante meccanismo patogenetico responsabile dell'insorgenza della PCARP. Inoltre, questo studio rappresenta un significativo passo in avanti verso l'identificazione di un approccio terapeutico per la PCARP.

1. Fiorito V et al, The heme synthesis-export system regulates the tricarboxylic acid cycle flux and oxidative phosphorylation, Cell Reports 2021. 2. Chiabrando D et al, HEME: a neglected player in nociception? Neurosci Biobehav Rev. 2021 3. Bertino F et al, Heme and sensory neuropathy: insights from novel mutations in the heme exporter FLVCR1. PAIN, 2019. 4. Castori M et al, Posterior column ataxia with retinitis pigmentosa coexisting with sensory-autonomic neuropathy and leukemia due to a recurrent FLVCR1 mutation. Am Journal Medical Genetics B, 2017. 5. Chiabrando D et al, Mutations in the heme exporter FLVCR1 cause sensory neurodegeneration with loss of pain perception. PLOS Genetics, 2016.

Posterior Column Ataxia and Retinitis Pigmentosa

Atassia del cordone posteriore e retinite pigmentosa