Etude des altérations mitochondriales dans les neuropathies optiques associées aux mutations du gêne OPA1

Autosomal dominant optic atrophy (ADOA) is a rare mitochondrial disease. Retinal ganglion cells (RGCs) and axons that form the optic nerve degenerate, resulting in progressive visual loss. This hereditary neuropathy is linked to mutations of the OPA1 gene. Various alterations of the central nervous system, peripheral and autonomous have been reported in syndromic ADOA patients with variation in age of onset and severity. The mitochondrial protein OPA1 is involved in mitochondrial fusion, cristae constriction and mitochondrial genome maintenance. The conjunction of disturbed mitochondrial dynamics, mtDNA instability and impaired mitochondrial oxidative phosphorylation precipitate RGCs and other neuronal cells death. The use of ADOA patients’ fibroblasts allows the pathophysiology study of different OPA1 mutations. Biochemical characterization and fluorescent microscopy allowed the isolation of syndromic ADOA patients with mitochondrial network defects and mitochondrial uncoupling. We showed an alteration of mtDNA compaction and nucleoids’ distribution. A study of the autophagic pathways in OPA1-mutated cells showed a correlation between partial uncoupling and an increased mitophagy response. These pathophysiological mechanisms are consistent with the progressive aspect of ADOA. The search for therapeutic approaches highlighted the beneficial effect of tubacine, a specific histone deacetylase’s inhibitor, on OPA1-mutated-cells’ phenotype. Microtubules hyper-acetylation led to a reversal of mitochondrial network phenotype, an increased mitochondrial biogenesis and a tighter mitochondrial coupling.L’atrophie optique autosomique dominante (ADOA) est une maladie mitochondriale rare. Les cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs) et les axones qui forment le nerf optique dégénèrent entraînant une perte visuelle progressive. Cette neuropathie héréditaire est liée aux mutations du gène OPA1. Différentes atteintes du système nerveux central, périphérique et autonome ont été rapportés chez des patients ADOA syndromiques avec des variations de l'âge d'apparition et de la gravité. La protéine mitochondriale OPA1 est impliquée dans la fusion mitochondriale, la constriction des crêtes et la maintenance du génome mitochondrial. La conjonction d’une dynamique mitochondriale perturbée, d’une instabilité l'ADNmt et d’une altération de la phosphorylation oxydative mitochondriale précipiterait la mort des CGRs et autres cellules neuronales. Les fibroblastes de patients ADOA permettent d’étudier la physiopathologie des différentes mutations du gène OPA1. Une caractérisation biochimique et par microscopie fluorescente nous a permis d’isoler des cellules de patients ADOA syndromiques présentant un défaut de couplage mitochondrial et un réseau mitochondrial hyperfragmenté. Nous avons montré une altération de la compaction de l’ADNmt et de la distribution des nucléoïdes. Une étude des voies autophagiques des cellules mutées OPA1 montre une corrélation entre le défaut de couplage et l’activation de la mitophagie. Ces mécanismes physiopathologiques sont en accord avec l’aspect progressif de l’ADOA. La recherche de pistes thérapeutiques nous a permis de mettre en évidence un effet bénéfique d’un inhibiteur spécifique d’une histone-déacétylase, la tubacine, sur le phénotype des cellules mutées OPA1. L’hyper-acétylation des microtubules permet une réversion du phénotype du réseau mitochondrial, une biogénèse mitochondriale et une amélioration du défaut de couplage mitochondrial

Study of mitochondrial alterations in optic neuropathies associated with OPA1 gene mutations

L’atrophie optique autosomique dominante (ADOA) est une maladie mitochondriale rare. Les cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs) et les axones qui forment le nerf optique dégénèrent entraînant une perte visuelle progressive. Cette neuropathie héréditaire est liée aux mutations du gène OPA1. Différentes atteintes du système nerveux central, périphérique et autonome ont été rapportés chez des patients ADOA syndromiques avec des variations de l'âge d'apparition et de la gravité. La protéine mitochondriale OPA1 est impliquée dans la fusion mitochondriale, la constriction des crêtes et la maintenance du génome mitochondrial. La conjonction d’une dynamique mitochondriale perturbée, d’une instabilité l'ADNmt et d’une altération de la phosphorylation oxydative mitochondriale précipiterait la mort des CGRs et autres cellules neuronales. Les fibroblastes de patients ADOA permettent d’étudier la physiopathologie des différentes mutations du gène OPA1. Une caractérisation biochimique et par microscopie fluorescente nous a permis d’isoler des cellules de patients ADOA syndromiques présentant un défaut de couplage mitochondrial et un réseau mitochondrial hyperfragmenté. Nous avons montré une altération de la compaction de l’ADNmt et de la distribution des nucléoïdes. Une étude des voies autophagiques des cellules mutées OPA1 montre une corrélation entre le défaut de couplage et l’activation de la mitophagie. Ces mécanismes physiopathologiques sont en accord avec l’aspect progressif de l’ADOA. La recherche de pistes thérapeutiques nous a permis de mettre en évidence un effet bénéfique d’un inhibiteur spécifique d’une histone-déacétylase, la tubacine, sur le phénotype des cellules mutées OPA1. L’hyper-acétylation des microtubules permet une réversion du phénotype du réseau mitochondrial, une biogénèse mitochondriale et une amélioration du défaut de couplage mitochondrial.Autosomal dominant optic atrophy (ADOA) is a rare mitochondrial disease. Retinal ganglion cells (RGCs) and axons that form the optic nerve degenerate, resulting in progressive visual loss. This hereditary neuropathy is linked to mutations of the OPA1 gene. Various alterations of the central nervous system, peripheral and autonomous have been reported in syndromic ADOA patients with variation in age of onset and severity. The mitochondrial protein OPA1 is involved in mitochondrial fusion, cristae constriction and mitochondrial genome maintenance. The conjunction of disturbed mitochondrial dynamics, mtDNA instability and impaired mitochondrial oxidative phosphorylation precipitate RGCs and other neuronal cells death. The use of ADOA patients’ fibroblasts allows the pathophysiology study of different OPA1 mutations. Biochemical characterization and fluorescent microscopy allowed the isolation of syndromic ADOA patients with mitochondrial network defects and mitochondrial uncoupling. We showed an alteration of mtDNA compaction and nucleoids’ distribution. A study of the autophagic pathways in OPA1-mutated cells showed a correlation between partial uncoupling and an increased mitophagy response. These pathophysiological mechanisms are consistent with the progressive aspect of ADOA. The search for therapeutic approaches highlighted the beneficial effect of tubacine, a specific histone deacetylase’s inhibitor, on OPA1-mutated-cells’ phenotype. Microtubules hyper-acetylation led to a reversal of mitochondrial network phenotype, an increased mitochondrial biogenesis and a tighter mitochondrial coupling

Lipidomics Reveals Triacylglycerol Accumulation Due to Impaired Fatty Acid Flux in Opa1 -Disrupted Fibroblasts

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The Metabolomic Bioenergetic Signature of Opa1-Disrupted Mouse Embryonic Fibroblasts Highlights Aspartate Deficiency

International audienceOPA1 (Optic Atrophy 1) is a multi-isoform dynamin GTPase involved in the regulation of mitochondrial fusion and organization of the cristae structure of the mitochondrial inner membrane. Pathogenic OPA1 variants lead to a large spectrum of disorders associated with visual impairment due to optic nerve neuropathy. The aim of this study was to investigate the metabolomic consequences of complete OPA1 disruption in Opa1−/− mouse embryonic fibroblasts (MEFs) compared to their Opa1+/+ counterparts. Our non-targeted metabolomics approach revealed significant modifications of the concentration of several mitochondrial substrates, i.e. a decrease of aspartate, glutamate and α-ketoglutaric acid, and an increase of asparagine, glutamine and adenosine-5′-monophosphate, all related to aspartate metabolism. The signature further highlighted the altered metabolism of nucleotides and NAD together with deficient mitochondrial bioenergetics, reflected by the decrease of creatine/creatine phosphate and pantothenic acid, and the increase in pyruvate and glutathione. Interestingly, we recently reported significant variations of five of these molecules, including aspartate and glutamate, in the plasma of individuals carrying pathogenic OPA1 variants. Our findings show that the disruption of OPA1 leads to a remodelling of bioenergetic pathways with the central role being played by aspartate and related metabolites

A Plasma Metabolomic Signature Involving Purine Metabolism in Human Optic Atrophy 1 (OPA1)-Related Disorders

International audiencePurpose: Dominant optic atrophy (DOA; MIM [Mendelian Inheritance in Man] 165500), resulting in retinal ganglion cell degeneration, is mainly caused by mutations in the optic atrophy 1 (OPA1) gene, which encodes a dynamin guanosine triphosphate (GTP)ase involved in mitochondrial membrane processing. This work aimed at determining whether plasma from OPA1 pathogenic variant carriers displays a specific metabolic signature.Methods: We applied a nontargeted clinical metabolomics pipeline based on ultra-high-pressure liquid chromatography coupled to high-resolution mass spectrometry (UHPLC-HRMS) allowing the exploration of 500 polar metabolites in plasma. We compared the plasma metabolic profiles of 25 patients with various OPA1 pathogenic variants and phenotypes to those of 20 healthy controls. Statistical analyses were performed using univariate and multivariate (principal component analysis [PCA], orthogonal partial least-squares discriminant analysis [OPLS-DA]) methods and a machine learning approach, the Biosigner algorithm.Results: A robust and relevant predictive model characterizing OPA1 individuals was obtained, based on a complex panel of metabolites with altered concentrations. An impairment of the purine metabolism, including significant differences in xanthine, hypoxanthine, and inosine concentrations, was at the foreground of this signature. In addition, the signature was characterized by differences in urocanate, choline, phosphocholine, glycerate, 1-oleoyl-rac-glycerol, rac-glycerol-1-myristate, aspartate, glutamate, and cystine concentrations.Conclusions: This first metabolic signature reported in the plasma of patient carrying OPA1 pathogenic variants highlights the unexpected involvement of purine metabolism in the pathophysiology of DOA.</p

Warburg-like effect is a hallmark of complex I assembly defects

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Nicotinamide Deficiency in Primary Open-Angle Glaucoma

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