Influence of methionine synthase on postnatal neurogenesis & ophthalmological consequences of invalidation of methionine synthase

Les défauts innés du métabolisme de la vitamine B12 (cobalamine) incluant la pathologie CblG causée par des mutations du gène MTR codant pour l’enzyme méthionine synthase (MS) sont responsables du développement de symptômes persistants aux traitements en particulier des symptômes neurologiques, neurocognitifs et ophtalmologiques. Cependant les mécanismes sous-jacents au développement de ces symptômes restent largement méconnus. L’objectif de ce projet est d’étudier dans un modèle murin conditionnel de déficience en MS, les conséquences de la délétion du gène Mtr dans le cerveau et dans la rétine afin d’apporter une meilleure compréhension des mécanismes à l’origine des troubles neurologiques, neurocognitifs et oculaires retrouvés chez les patients CblG. Nous avons constaté que l'invalidation sélective de Mtr dans le cerveau entraine des altérations métaboliques sévères. Nos résultats ont mis en évidence une dérégulation de la voie de signalisation Wnt/β.caténine impliquant directement la protéine GSK3β et la protéine SIRT1, affectant ainsi la neurogenèse postnatale à travers une dérégulation de la balance de différenciation associée à une altération de la prolifération des cellules souches neurales et progénitrices. Ces défauts de neurogenèse semblent s’accompagner d’anomalies du métabolisme énergétique ainsi que de la biogenèse mitochondriale impliquant la protéine SIRT1 et favorisant ainsi l’activation de la cascade apoptotique intrinsèque dans l’hippocampe des souris déficientes en MS. Ces anomalies de neurogenèse ainsi que les altérations mitochondriales semblent être deux mécanismes majeurs participant au développement des troubles neurologiques. Les protéines GSK3β et SIRT1 semblent être deux cibles thérapeutiques d’intérêts dans l’optique d’un traitement visant à corriger les défauts neurologiques dans la pathologie CblG.Dans la rétine l’invalidation de la MS a entrainé des altérations métaboliques majeures associées à des modifications de la méthylation de l’ADN ainsi qu’à une baisse de l’acuité visuelle chez les souris MS déficientes sans pour autant entrainer d’anomalies visibles du fond d’œil. Les résultats de notre étude ont permis de mettre en évidence une possible implication de gènes du métabolisme des rétinoïdes associée à une baisse spécifique des cellules photoréceptrices de type cône pouvant ainsi participer à la baisse de l’acuité visuelle chez les souris déficientes en MS. Ces travaux préliminaires nécessiteront d’autres investigations, mais apportent cependant pour la première fois l’évidence d’anomalies rétiniennes en condition de déficience en MS.Inborn defects in vitamin B12 (cobalamin) metabolism including CblG pathology caused by mutations in the MTR gene encoding the methionine synthase (MS) enzyme are responsible for the development of persistent symptoms upon treatment, particularly neurological, neurocognitive, and ophthalmological symptoms. However, the mechanisms underlying the development of these symptoms remain largely unknown. The aim of this project is to study in a conditional mouse model of MS deficiency, the consequences of Mtr gene deletion in the brain and retina in order to provide a better understanding of the mechanisms underlying the neurological, neurocognitive, and ocular disorders found in CblG patients. We found that selective invalidation of Mtr in the brain leads to severe metabolic alterations. Our results showed a deregulation of the Wnt/β.catenin signaling pathways that directly involving the GSK3β protein and the SIRT1 protein thus affecting postnatal neurogenesis through the deregulation of the differentiation balance associated with an alteration of neural stem cell and progenitor proliferation. These defects in neurogenesis seem to come with abnormalities in energy metabolism and mitochondrial biogenesis, involving the SIRT1 protein and thus favoring the activation of the intrinsic apoptotic cascade in the hippocampus of MS deficient mice. These neurogenesis abnormalities as well as mitochondrial alterations appear to be two major mechanisms involved in the development of neurological disorders. GSK3β and SIRT1 proteins seem to be two therapeutic targets of interest from the perspective of a treatment aiming to correct the neurological defects in CblG pathologies.In the retina, MS invalidation resulted in major metabolic alterations associated with changes in DNA methylation and a decrease in visual acuity in MS-deficient mice without visible fundus abnormalities. The results of our studies have shown an involvement of retinoid metabolism genes associated with a specific decrease in cone photoreceptor cells, which may contribute to the decrease in visual acuity measured in MS deficient mice. This preliminary work will require further investigation but provides for the first-time evidence of retinal abnormalities in MS deficient mice

Influence de la méthionine synthase sur la neurogenèse postnatale & conséquences ophtalmologiques de l’invalidation de la méthionine synthase

Inborn defects in vitamin B12 (cobalamin) metabolism including CblG pathology caused by mutations in the MTR gene encoding the methionine synthase (MS) enzyme are responsible for the development of persistent symptoms upon treatment, particularly neurological, neurocognitive, and ophthalmological symptoms. However, the mechanisms underlying the development of these symptoms remain largely unknown. The aim of this project is to study in a conditional mouse model of MS deficiency, the consequences of Mtr gene deletion in the brain and retina in order to provide a better understanding of the mechanisms underlying the neurological, neurocognitive, and ocular disorders found in CblG patients. We found that selective invalidation of Mtr in the brain leads to severe metabolic alterations. Our results showed a deregulation of the Wnt/β.catenin signaling pathways that directly involving the GSK3β protein and the SIRT1 protein thus affecting postnatal neurogenesis through the deregulation of the differentiation balance associated with an alteration of neural stem cell and progenitor proliferation. These defects in neurogenesis seem to come with abnormalities in energy metabolism and mitochondrial biogenesis, involving the SIRT1 protein and thus favoring the activation of the intrinsic apoptotic cascade in the hippocampus of MS deficient mice. These neurogenesis abnormalities as well as mitochondrial alterations appear to be two major mechanisms involved in the development of neurological disorders. GSK3β and SIRT1 proteins seem to be two therapeutic targets of interest from the perspective of a treatment aiming to correct the neurological defects in CblG pathologies.In the retina, MS invalidation resulted in major metabolic alterations associated with changes in DNA methylation and a decrease in visual acuity in MS-deficient mice without visible fundus abnormalities. The results of our studies have shown an involvement of retinoid metabolism genes associated with a specific decrease in cone photoreceptor cells, which may contribute to the decrease in visual acuity measured in MS deficient mice. This preliminary work will require further investigation but provides for the first-time evidence of retinal abnormalities in MS deficient mice.Les défauts innés du métabolisme de la vitamine B12 (cobalamine) incluant la pathologie CblG causée par des mutations du gène MTR codant pour l’enzyme méthionine synthase (MS) sont responsables du développement de symptômes persistants aux traitements en particulier des symptômes neurologiques, neurocognitifs et ophtalmologiques. Cependant les mécanismes sous-jacents au développement de ces symptômes restent largement méconnus. L’objectif de ce projet est d’étudier dans un modèle murin conditionnel de déficience en MS, les conséquences de la délétion du gène Mtr dans le cerveau et dans la rétine afin d’apporter une meilleure compréhension des mécanismes à l’origine des troubles neurologiques, neurocognitifs et oculaires retrouvés chez les patients CblG. Nous avons constaté que l'invalidation sélective de Mtr dans le cerveau entraine des altérations métaboliques sévères. Nos résultats ont mis en évidence une dérégulation de la voie de signalisation Wnt/β.caténine impliquant directement la protéine GSK3β et la protéine SIRT1, affectant ainsi la neurogenèse postnatale à travers une dérégulation de la balance de différenciation associée à une altération de la prolifération des cellules souches neurales et progénitrices. Ces défauts de neurogenèse semblent s’accompagner d’anomalies du métabolisme énergétique ainsi que de la biogenèse mitochondriale impliquant la protéine SIRT1 et favorisant ainsi l’activation de la cascade apoptotique intrinsèque dans l’hippocampe des souris déficientes en MS. Ces anomalies de neurogenèse ainsi que les altérations mitochondriales semblent être deux mécanismes majeurs participant au développement des troubles neurologiques. Les protéines GSK3β et SIRT1 semblent être deux cibles thérapeutiques d’intérêts dans l’optique d’un traitement visant à corriger les défauts neurologiques dans la pathologie CblG.Dans la rétine l’invalidation de la MS a entrainé des altérations métaboliques majeures associées à des modifications de la méthylation de l’ADN ainsi qu’à une baisse de l’acuité visuelle chez les souris MS déficientes sans pour autant entrainer d’anomalies visibles du fond d’œil. Les résultats de notre étude ont permis de mettre en évidence une possible implication de gènes du métabolisme des rétinoïdes associée à une baisse spécifique des cellules photoréceptrices de type cône pouvant ainsi participer à la baisse de l’acuité visuelle chez les souris déficientes en MS. Ces travaux préliminaires nécessiteront d’autres investigations, mais apportent cependant pour la première fois l’évidence d’anomalies rétiniennes en condition de déficience en MS

Cognitive Impairment Is Associated with AMPAR Glutamatergic Dysfunction in a Mouse Model of Neuronal Methionine Synthase Deficiency

Impairment of one-carbon metabolism during pregnancy, either due to nutritional deficiencies in B9 or B12 vitamins or caused by specific genetic defects, is often associated with neurological defects, including cognitive dysfunction that persists even after vitamin supplementation. Animal nutritional models do not allow for conclusions regarding the specific brain mechanisms that may be modulated by systemic compensations. Using the Cre-lox system associated to the neuronal promoter Thy1.2, a knock-out model for the methionine synthase specifically in the brain was generated. Our results on the neurobehavioral development of offspring show that the absence of methionine synthase did not lead to growth retardation, despite an effective reduction of both its expression and the methylation status in brain tissues. Behaviors were differently affected according to their functional outcome. Only temporary retardations were recorded in the acquisition of vegetative functions during the suckling period, compared to a dramatic reduction in cognitive performance after weaning. Investigation of the glutamatergic synapses in cognitive areas showed a reduction of AMPA receptors phosphorylation and clustering, indicating an epigenomic effect of the neuronal deficiency of methionine synthase on the reduction of glutamatergic synapses excitability. Altogether, our data indicate that cognitive impairment associated with methionine synthase deficiency may not only result from neurodevelopmental abnormalities, but may also be the consequence of alterations in functional plasticity of the brain

A transgenic mice model of retinopathy of cblG-type inherited disorder of one-carbon metabolism highlights epigenome-wide alterations related to cone photoreceptor cells development and retinal metabolism

Abstract Background MTR gene encodes the cytoplasmic enzyme methionine synthase, which plays a pivotal role in the methionine cycle of one-carbon metabolism. This cycle holds a significant importance in generating S-adenosylmethionine (SAM) and S-adenosylhomocysteine (SAH), the respective universal methyl donor and end-product of epigenetic transmethylation reactions. cblG type of inherited disorders of vitamin B12 metabolism due to mutations in MTR gene exhibits a wide spectrum of symptoms, including a retinopathy unresponsive to conventional therapies. Methods To unveil the underlying epigenetic pathological mechanisms, we conducted a comprehensive study of epigenomic-wide alterations of DNA methylation by NGS of bisulfited retinal DNA in an original murine model with conditional Mtr deletion in retinal tissue. Our focus was on postnatal day 21, a critical developmental juncture for ocular structure refinement and functional maturation. Results We observed delayed eye opening and impaired visual acuity and alterations in the one-carbon metabolomic profile, with a notable dramatic decline in SAM/SAH ratio predicted to impair DNA methylation. This metabolic disruption led to epigenome-wide changes in genes involved in eye development, synaptic plasticity, and retinoid metabolism, including promoter hypermethylation of Rarα, a regulator of Lrat expression. Consistently, we observed a decline in cone photoreceptor cells and reduced expression of Lrat, Rpe65, and Rdh5, three pivotal genes of eye retinoid metabolism. Conclusion We introduced an original in vivo model for studying cblG retinopathy, which highlighted the pivotal role of altered DNA methylation in eye development, cone differentiation, and retinoid metabolism. This model can be used for preclinical studies of novel therapeutic targets

Additional file 1 of A transgenic mice model of retinopathy of cblG-type inherited disorder of one-carbon metabolism highlights epigenome-wide alterations related to cone photoreceptor cells development and retinal metabolism

Additional file 1: Table S1 Conversion rate of the methylated spike-in controls of RRBS Diagenode kit. Table S2 Primers used for RT-qPCR analysis. Fig. S1 RBPMS and Rhodopsin protein expression in the retina of Mtr-cKO vs Wild-type mice. Fig. S2 Enhanced Genome Browser View panel revealing the Rara gene with ENCODE’s annotations