Pathogenic implications of dysregulated miRNAs in propionic acidemia related cardiomyopathy

Cardiac alterations (hypertrophic/dilated cardiomyopathy, and rhythm alterations) are one of the major causes of mortality and morbidity in propionic acidemia (PA), caused by the deficiency of the mitochondrial enzyme propionyl-CoA carboxylase (PCC), involved in the catabolism of branched-chain amino acids, cholesterol, and odd-chain fatty acids. Impaired mitochondrial oxidative phosphorylation has been documented in heart biopsies of PA patients, as well as in the hypomorphic Pcca−/−(A138T) mouse model, in the latter correlating with increased oxidative damage and elevated expression of cardiac dysfunction biomarkers atrial and brain natriuretic peptides (ANP and BNP) and beta-myosin heavy chain (β-MHC). Here we characterize the cardiac phenotype in the PA mouse model by histological and echocardiography studies and identify a series of upregulated cardiac-enriched microRNAs (miRNAs) in the PA mouse heart, some of them also altered as circulating miRNAs in PA patients’ plasma samples. In PA mice hearts, we show alterations in signaling pathways regulated by the identified miRNAs, which could be contributing to cardiac remodeling and dysfunction; notably, an activation of the mammalian target of rapamycin (mTOR) pathway and a decrease in autophagy, which are reverted by rapamycin treatment. In vitro studies in HL-1 cardiomyocytes indicate that propionate, the major toxic metabolite accumulating in the disease, triggers the increase in expression levels of miRNAs, BNP, and β-MHC, concomitant with an increase in reactive oxygen species. Our results highlight miRNAs and signaling alterations in the PCC-deficient heart which may contribute to the development of PA-associated cardiomyopathy and provide a basis to identify new targets for therapeutic interventionThis work was supported by Spanish Ministry of Economy and Competitiveness and European Regional Development Fund (grant number SAF2016-76004-R) and by Fundación Isabel Gemio and Fundación La Caixa (LCF/PR/PR16/ 11110018). AFG is funded by the FPI-UAM program, EAB and ARB by the Spanish Ministry of Science, Innovation and Universities (predoctoral fellowships FPU15/02923 and BES-2014-069420, respectively

Investigación traslacional en las cardiomiopatías asociadas a la acidemia propiónica

Tesis doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Biología Molecular. Fecha de lectura: 04-12-2020Esta tesis tiene embargado el acceso al texto completo hasta el 04-06-2022La acidemia propiónica (AP) es una enfermedad metabólica hereditaria causada por mutaciones en los genes PCCA o PCCB, lo que provoca la deficiencia en la enzima mitocondrial propionil-CoA carboxilasa. La AP es una enfermedad clínicamente heterogénea, presentándose de forma neonatal o tardía y cursando con una sintomatología multisistémica donde las alteraciones cardiacas suponen una de las principales complicaciones letales de la enfermedad. En este trabajo se ha caracterizado la función cardiaca del modelo murino de AP por ecocardiograma, reflejando indicios de una reducción de la capacidad contráctil del corazón. Por otro lado, los estudios moleculares realizados en el corazón del ratón AP mostraron la alteración en las vías de señalización PI3K-AKT y la ruta de las kinasas de estrés, implicadas en remodelado cardiaco. Además, el análisis proteómico en cardiomiocitos aislados reflejó una desregulación generalizada del proteoma celular, identificando un incremento en la oxidación de la proteína SERCA2a, que podría causar una alteración de su función conduciendo al desarrollo de arritmias. Asimismo, la identificación de 13 cardiomiRs sobreexpresados en el corazón del modelo murino de la enfermedad y la disminución de sus dianas potenciales podría ser indicativo de la implicación de los miRNAs en el desarrollo de cardiomiopatías en AP. Sin embargo, en un estudio preliminar, el uso de un LNA-antimiR-208a no ha sido suficiente para normalizar los niveles de este miRNA y prevenir el daño cardiaco. Finalmente, la identificación de perfiles diferenciados de cardiomiRs circulantes entre individuos control y pacientes AP reflejaría su potencial uso como biomarcadores mínimamente invasivos para el seguimiento y prognosis de la sintomatología cardiaca de AP. Por otra parte, el estudio in vitro en los cardiomiocitos HL-1 ha permitido identificar al propionato como un factor desencadenante del daño cardiaco en AP, a través de la detección de niveles aumentados de especies reactivas de oxígeno, y de alteraciones en los niveles de los marcadores BNP y β-MHC y en el perfil de expresión de cardiomiRs. Además, la evaluación del tratamiento del agonista de PPAR bezafibrato, en el modelo murino de la enfermedad, ha mostrado un incremento de la expresión de los marcadores de biogénesis mitocondrial, así como una mejora del metabolismo energético, dinámica mitocondrial y homeostasis redox en el corazón del ratón AP. Por último, con objeto de trasladar los resultados obtenidos en el modelo murino a un contexto genómico humano, en este trabajo se ha generado mediante CRISPR-Cas9 un control wild-type isogénico a partir de una línea de iPSC de un paciente AP, manteniendo su fondo genético y las características de pluripotencia de estas células, que servirá para estudios futuros de fisiopatología y testaje de terapias tras la diferenciación a cardiomiocitos y otros linajes celulares afectados en APEste trabajo ha sido posible gracias a una ayuda de posgrado para la Formación de Personal Investigador (FPI-UAM) y a las ayudas para la movilidad predoctoral comprendidas dentro del marco de estancias breves para beneficiarios del programa FPI-UAM y de la Acción COST CA17103 (short-term scientific mission

Dysregulated miRNAs and their pathogenic implications for the neurometabolic disease propionic acidemia

miRNome expression profiling was performed in a mouse model of propionic acidemia (PA) and in patients' plasma samples to investigate the role of miRNAs in the pathophysiology of the disease and to identify novel biomarkers and therapeutic targets. PA is a potentially lethal neurometabolic disease with patients developing neurological deficits and cardiomyopathy in the long-Term, among other complications. In the PA mouse liver we identified 14 significantly dysregulated miRNAs. Three selected miRNAs, miR-34a-5p, miR-338-3p and miR-350, were found upregulated in brain and heart tissues. Predicted targets involved in apoptosis, stress-signaling and mitochondrial function, were inversely found down-regulated. Functional analysis with miRNA mimics in cellular models confirmed these findings. miRNA profiling in plasma samples from neonatal PA patients and age-matched control individuals identified a set of differentially expressed miRNAs, several were coincident with those identified in the PA mouse, among them miR-34a-5p and miR-338-3p. These two miRNAs were also found dysregulated in childhood and adult PA patients' cohorts. Taken together, the results reveal miRNA signatures in PA useful to identify potential biomarkers, to refine the understanding of the molecular mechanisms of this rare disease and, eventually, to improve the management of patients.Spanish Ministry of Economy and Competitiveness and European Regional Development Fund (grant numbers SAF2013-43005-R and SAF2016-76004-R) and by Comunidad de Madrid (MITOLAB S2010/BMD-2402). Centro de Biología Molecular Severo Ochoa receives an institutional grant from Fundación Ramón Areces.Peer Reviewe