Genetic background modulates phenotypic expressivity in OPA1 mutated mice, relevance to DOA pathogenesis

Dominant optic atrophy (DOA) is mainly caused by OPA1 mutations and is characterized by the degeneration of retinal ganglion cells (RGCs), whose axons form the optic nerve. The penetrance of DOA is incomplete and the disease is marked by highly variable expressivity, ranging from asymptomatic patients to some who are totally blind or who suffer from multisystemic effects. No clear genotype–phenotype correlation has been established to date. Taken together, these observations point toward the existence of modifying genetic and/or environmental factors that modulate disease severity. Here, we investigated the influence of genetic background on DOA expressivity by switching the previously described DOA mouse model bearing the c.1065 + 5G → A Opa1 mutation from mixed C3H; C57BL/6 J to a pure C57BL/6 J background. We no longer observed retinal and optic nerve abnormalities; the findings indicated no degeneration, but rather a sex-dependent negative effect on RGC connectivity. This highlights the fact that RGC synaptic alteration might precede neuronal death, as has been proposed in other neurodegenerative diseases, providing new clinical considerations for early diagnosis as well as a new therapeutic window for DOA. Furthermore, our results demonstrate the importance of secondary genetic factors in the variability of DOA expressivity and offer a model for screening for aggravating environmental and genetic factors

Preuve de principe pour la thérapie de l'atrophie optique dominante de type1

L'impact des handicaps visuels a considérablement augmenté avec les moyens contemporains de communication visuelle. Les atrophies du nerf optique, souvent provoquées par des défauts des mitochondries, constituent une des causes majeures de déficience visuelle. Elles résultent de la dégénérescence des cellules ganglionnaires de la rétine (CGR), dont les axones forment le nerf optique. Les mutations du gène codant la protéine mitochondriale OPA1 sont responsables de la principale forme d'atrophie optique dominante (AOD). OPA1 est impliquée dans la fusion des mitochondries, qui de concert avec la fission, détermine la morphologie des mitochondries, permet leur adaptation immédiate aux besoins énergétiques et contrôle leur qualité en restaurant ou en éliminant les organites endommagés. De plus, OPA1 est impliquée dans d'autres fonctions, notamment le maintien de l'ADN mitochondrial et la protection contre l'apoptose. À ce jour, il n'existe pas de thérapie pour l'AOD. Ma thèse visait à développer deux types de stratégies thérapeutiques, l'une génétique et l'autre pharmacologique, pour cette maladie. La stratégie génétique impliquait l'expression d'une protéine du Borna virus nommée X, dont les propriétés neuroprotectrices ont été démontrées in vitro et sur des souris modèles de la maladie de Parkinson par l'équipe du Dr D. Dunia. D'autre part, l'équipe de P. Belenguer a montré que la protéine X permettait de remédier aux défauts de morphologie mitochondriale, d'arborisation dendritique et de synapses induits par l'inactivation d'OPA1 dans des neurones en culture primaire. Dans la continuité, j'ai montré que X permettait également de remédier aux défauts de morphologie mitochondriale de fibroblastes de patients porteurs de mutations d'OPA1 et atteints d'AOD. D'autre part, dans le cadre d'une thérapie pharmacologique, l'équipe de P. Belenguer a récemment montré que deux médicaments en repositionnement, le Clomifène et l'Hexestrol, ont permis de remédier à divers désordres mitochondriaux chez des levures mutées pour l'orthologue d'OPA1. J'ai étendu cette étude au système mammifère, en analysant l'effet des deux médicaments sur la morphologie mitochondriale de fibroblastes de patients atteints d'AOD. J'ai montré que les deux médicaments permettaient de remédier aux défauts de morphologie mitochondriale en inhibant le processus de fission. Alors que mon projet visait également à analyser l'effet de la protéine X, ainsi que celle de l'Hexestrol et du Clomiphene in vivo, je n'ai malheureusement pas pu mettre en évidence les défauts de la rétine et du nerf optique décrits précédemment dans un modèle de souris AOD, ce qui a empêché son utilisation pour tester l'effet neuroprotecteur de X et des deux drogues. En conclusion, bien que ces études précliniques doivent être consolidées par des études in vivo, les résultats in vitro indiquent que les stratégies génétiques et pharmacologiques testées pourraient être efficaces pour traiter l'AOD. À ma connaissance, ce travail est le premier du genre, où la dynamique mitochondriale, c'est-à-dire l'équilibre entre la fusion et la fission mitochondriale, a été ciblée pour traiter l'AOD. En outre, ces travaux donnent également l'espoir de développer ces thérapies pour d'autres maladies mitochondriales associées aux CGR, comme la neuropathie optique héréditaire de Leber ou le glaucome.The impact of visual handicaps has dramatically risen with the contemporary means of visual communication. A major cause of visual impairment lies in optic nerve atrophies often due to defects in mitochondria. Mutations in the gene coding for the mitochondrial protein OPA1 lead to the main form of Dominant Optic Atrophy (DOA), due to degeneration of the Retinal Ganglionic Cells (RGCs), which axons form the optic nerve. OPA1 is involved in the fusion of mitochondria, which together with mitochondrial fission determines the morphology of mitochondria, allows their immediate adaptation to energetic needs and controls their quality by restoring or removing damaged organelles. In addition, OPA1 has other functions including mitochondrial DNA maintenance and protection from apoptosis. To date, there is no therapy available for DOA. My thesis aimed at developing both genetic and pharmacological therapeutic strategies for this disease. Genetic strategy involved the expression of a protein called X from the Borna Disease Virus, which was shown to have neuroprotective properties in in vitro and mouse model of Parkinson Disease by D. Dunia's team. Work in P. Belenguer 's team has shown that X rescued the defects in mitochondrial morphology, dendritic arborisation and synapses induced by downregulation of OPA1 in primarily cultured neurons. In continuation, I showed that X rescued the defects in mitochondrial morphology of fibroblasts of DOA patients harbouring OPA1 mutations by inducing mitochondrial elongation. On the other hand, as part of pharmacological therapy, P. Belenguer's team recently showed that two repurposed drugs, clomiphene and hexestrol, rescued mitochondrial defects in yeast mutated for the orthologue of OPA1. I extended the study to the mammalian system, by analysing the effect of the two drugs on mitochondrial morphology in DOA fibroblasts bearing OPA1 mutations. I showed that the two the drugs rescued defects in mitochondrial morphology by inhibiting the fission process. Although, this project aimed to extend the analysis of the effect of X protein as well as of hexestrol and clomiphene, in vivo, unfortunately, I was not able to evidence the previously described retina and optic nerve defects in a DOA mouse model, impairing its use to test the protective effect of X and the two drugs. In conclusion, although, these pre-clinical studies need to be extended in vivo, the results in vitro indicated that the two genetic and pharmacological strategies could be effective to treat DOA. To my knowledge, this work is first of its kind, where mitochondrial dynamics, i.e. the equilibrium between mitochondrial fusion and fission, was targeted to treat DOA disease. Furthermore, this work is also giving the hope to develop therapies for other RGCs associated mitochondrial diseases like Leber Hereditary Optic Neuropathy and glaucoma

Novel method to isolate and identify specific RNA/DNA binding proteins

A brief ide

Proof of principle of therapies for dominant optic atrophy type1

L'impact des handicaps visuels a considérablement augmenté avec les moyens contemporains de communication visuelle. Les atrophies du nerf optique, souvent provoquées par des défauts des mitochondries, constituent une des causes majeures de déficience visuelle. Elles résultent de la dégénérescence des cellules ganglionnaires de la rétine (CGR), dont les axones forment le nerf optique. Les mutations du gène codant la protéine mitochondriale OPA1 sont responsables de la principale forme d'atrophie optique dominante (AOD). OPA1 est impliquée dans la fusion des mitochondries, qui de concert avec la fission, détermine la morphologie des mitochondries, permet leur adaptation immédiate aux besoins énergétiques et contrôle leur qualité en restaurant ou en éliminant les organites endommagés. De plus, OPA1 est impliquée dans d'autres fonctions, notamment le maintien de l'ADN mitochondrial et la protection contre l'apoptose. À ce jour, il n'existe pas de thérapie pour l'AOD. Ma thèse visait à développer deux types de stratégies thérapeutiques, l'une génétique et l'autre pharmacologique, pour cette maladie. La stratégie génétique impliquait l'expression d'une protéine du Borna virus nommée X, dont les propriétés neuroprotectrices ont été démontrées in vitro et sur des souris modèles de la maladie de Parkinson par l'équipe du Dr D. Dunia. D'autre part, l'équipe de P. Belenguer a montré que la protéine X permettait de remédier aux défauts de morphologie mitochondriale, d'arborisation dendritique et de synapses induits par l'inactivation d'OPA1 dans des neurones en culture primaire. Dans la continuité, j'ai montré que X permettait également de remédier aux défauts de morphologie mitochondriale de fibroblastes de patients porteurs de mutations d'OPA1 et atteints d'AOD. D'autre part, dans le cadre d'une thérapie pharmacologique, l'équipe de P. Belenguer a récemment montré que deux médicaments en repositionnement, le Clomifène et l'Hexestrol, ont permis de remédier à divers désordres mitochondriaux chez des levures mutées pour l'orthologue d'OPA1. J'ai étendu cette étude au système mammifère, en analysant l'effet des deux médicaments sur la morphologie mitochondriale de fibroblastes de patients atteints d'AOD. J'ai montré que les deux médicaments permettaient de remédier aux défauts de morphologie mitochondriale en inhibant le processus de fission. Alors que mon projet visait également à analyser l'effet de la protéine X, ainsi que celle de l'Hexestrol et du Clomiphene in vivo, je n'ai malheureusement pas pu mettre en évidence les défauts de la rétine et du nerf optique décrits précédemment dans un modèle de souris AOD, ce qui a empêché son utilisation pour tester l'effet neuroprotecteur de X et des deux drogues. En conclusion, bien que ces études précliniques doivent être consolidées par des études in vivo, les résultats in vitro indiquent que les stratégies génétiques et pharmacologiques testées pourraient être efficaces pour traiter l'AOD. À ma connaissance, ce travail est le premier du genre, où la dynamique mitochondriale, c'est-à-dire l'équilibre entre la fusion et la fission mitochondriale, a été ciblée pour traiter l'AOD. En outre, ces travaux donnent également l'espoir de développer ces thérapies pour d'autres maladies mitochondriales associées aux CGR, comme la neuropathie optique héréditaire de Leber ou le glaucome.The impact of visual handicaps has dramatically risen with the contemporary means of visual communication. A major cause of visual impairment lies in optic nerve atrophies often due to defects in mitochondria. Mutations in the gene coding for the mitochondrial protein OPA1 lead to the main form of Dominant Optic Atrophy (DOA), due to degeneration of the Retinal Ganglionic Cells (RGCs), which axons form the optic nerve. OPA1 is involved in the fusion of mitochondria, which together with mitochondrial fission determines the morphology of mitochondria, allows their immediate adaptation to energetic needs and controls their quality by restoring or removing damaged organelles. In addition, OPA1 has other functions including mitochondrial DNA maintenance and protection from apoptosis. To date, there is no therapy available for DOA. My thesis aimed at developing both genetic and pharmacological therapeutic strategies for this disease. Genetic strategy involved the expression of a protein called X from the Borna Disease Virus, which was shown to have neuroprotective properties in in vitro and mouse model of Parkinson Disease by D. Dunia's team. Work in P. Belenguer 's team has shown that X rescued the defects in mitochondrial morphology, dendritic arborisation and synapses induced by downregulation of OPA1 in primarily cultured neurons. In continuation, I showed that X rescued the defects in mitochondrial morphology of fibroblasts of DOA patients harbouring OPA1 mutations by inducing mitochondrial elongation. On the other hand, as part of pharmacological therapy, P. Belenguer's team recently showed that two repurposed drugs, clomiphene and hexestrol, rescued mitochondrial defects in yeast mutated for the orthologue of OPA1. I extended the study to the mammalian system, by analysing the effect of the two drugs on mitochondrial morphology in DOA fibroblasts bearing OPA1 mutations. I showed that the two the drugs rescued defects in mitochondrial morphology by inhibiting the fission process. Although, this project aimed to extend the analysis of the effect of X protein as well as of hexestrol and clomiphene, in vivo, unfortunately, I was not able to evidence the previously described retina and optic nerve defects in a DOA mouse model, impairing its use to test the protective effect of X and the two drugs. In conclusion, although, these pre-clinical studies need to be extended in vivo, the results in vitro indicated that the two genetic and pharmacological strategies could be effective to treat DOA. To my knowledge, this work is first of its kind, where mitochondrial dynamics, i.e. the equilibrium between mitochondrial fusion and fission, was targeted to treat DOA disease. Furthermore, this work is also giving the hope to develop therapies for other RGCs associated mitochondrial diseases like Leber Hereditary Optic Neuropathy and glaucoma