Mitochondrial DNA depletion syndromes (MDS) are a group of rare autosomal recessive disorders with early onset and no cure available. MDS are caused by mutations in several nuclear genes, involved in mitochondrial DNA (mtDNA) maintenance, characterized by a strong reduction of mtDNA copy number in affected tissues and severe defects in mitochondrial functionality. Mutations in MPV17, a nuclear gene encoding a mitochondrial inner membrane protein, have been specifically associated with hepatocerebral forms of MDS. However, MPV17 protein function is still unclear, although it has been suggested a primary role in mtDNA maintenance. Zebrafish represents a model to clarify this biological question: a mpv17 null mutant (roy orbison) shows a 19 bp deletion resulting in aberrant splicing between the exons 2 and 3 of mpv17 gene and lacks the guanine-based reflective skin cells named iridophores. In our work, we have characterized in details the mitochondrial phenotype of roy larvae and found early severe ultrastructural alterations in liver mitochondria; we could also observe a significant impairment of respiratory chain complexes leading to mitochondrial quality control activation. Our results provide evidences for Mpv17 being really essential in mitochondrial cristae maintenance and OXPHOS functionality, while its effect on mtDNA maintenance seems to be consequential, considering that mtDNA depletion only appeared at later stages of development. Moreover, taking into account that in roy orbison it has been previously postulated a role for Mpv17 in purines availability, and that embryos blocked in their pyrimidine synthesis resemble roy phenotype, we investigated the two alternatives by administrating purine and pyrimidine precursors to homozygous mutant embryos. Interestingly, orotic acid (OA) administration ameliorated roy phenotype, hence linking the loss of Mpv17 to pyrimidine de novo synthesis. In particular, the treatment with OA, currently used as food supplement, significantly increased not only iridophores number but also mtDNA content of mpv17 null mutants, thus opening up a new simple therapeutic approach for MPV17-related MDS.

Le sindromi da deplezione del DNA mitocondriale (MDS) sono un gruppo di malattie rare a carattere autosomico recessivo con esordio precoce e prognosi infausta. Le MDS sono causate da mutazioni a carico di diversi geni nucleari, coinvolti nel mantenimento del DNA mitocondriale (mtDNA), e caratterizzate da una forte riduzione del numero di copie del mtDNA nei tessuti interessati, nonchè da gravi difetti nella funzionalità mitocondriale. Le mutazioni a carico di MPV17, un gene nucleare che codifica per una proteina di membrana mitocondriale interna, sono state specificatamente associate a forme epatocerebrali di MDS. Tuttavia, la funzione della proteina MPV17 non è nota, sebbene sia stato ipotizzato un ruolo primario nel mantenimento del mtDNA. Zebrafish rappresenta un modello per rispondere a questa domanda biologica: un mutante nullo per il gene mpv17, detto roy orbison (roy), presenta una delezione di 19 bp che causa uno splicing aberrante tra gli esoni 2 e 3 del gene e, di conseguenza, l’assenza della proteina codificata. Dal punto di vista fenotipico, il mutante roy mostra un difetto di pigmentazione, caratterizzato dall’assenza di cellule, chiamate iridofori, le quali conferiscono alla pelle, grazie al loro contenuto di cristalli di guanina, la sua proprietà riflettente. Il presente lavoro di tesi ha avuto come obiettivo principale la caratterizzazione dettagliata del fenotipo mitocondriale delle larve mutanti per il gene mpv17, nelle quali abbiamo rilevato, già a stadi precoci, importanti alterazioni dell’ultrastruttura mitocondriale nel fegato e una significativa perdita della funzionalità dei complessi della catena respiratoria (OXPHOS). I nostri risultati suggeriscono, pertanto, una funzione essenziale del gene mpv17 nel mantenimento delle creste mitocondriali e della piena attività dell’OXPHOS, mentre il suo effetto sulla stabilità del mtDNA, ipotizzato in letteratura, sembra essere consequenziale, considerando che la deplezione del mtDNA è rilevabile solo in fasi tardive dello sviluppo. Inoltre, considerando che nei mutanti roy orbison era stata precedentemente ipotizzata una funzione di Mpv17 nel metabolismo delle purine e che, inoltre, l’inibizione della sintesi di pirimidine negli embrioni wild-type causa un fenotipo assimilabile a quello dei roy, sono stati somministrati precursori purinici e pirimidinici agli embrioni omozigoti mutanti, al fine di osservare o meno un miglioramento del fenotipo. È interessante notare che la somministrazione di acido orotico (OA), prodotto dell’enzima mitocondriale Diidroorotato deidrogenasi (DHODH) e precursore delle pirimidine, ha migliorato il fenotipo roy, collegando quindi la perdita di Mpv17 alla sintesi de novo dei nucleotidi. In particolare, il trattamento con OA, attualmente usato come integratore alimentare, ha aumentato significativamente non solo il numero di iridofori ma anche il contenuto di mtDNA nei mutanti nulli di mpv17, aprendo così nuove prospettive nel trattamento delle malattie da deplezione del DNA mitocondriale causate da mutazioni a carico di MPV17.

The zebrafish orthologue of the human hepatocerebral disease gene MPV17 plays pleiotropic roles in mitochondria / Martorano, Laura. - (2018 Nov 27).

The zebrafish orthologue of the human hepatocerebral disease gene MPV17 plays pleiotropic roles in mitochondria

Martorano, Laura
2018-11-27

Abstract

Mitochondrial DNA depletion syndromes (MDS) are a group of rare autosomal recessive disorders with early onset and no cure available. MDS are caused by mutations in several nuclear genes, involved in mitochondrial DNA (mtDNA) maintenance, characterized by a strong reduction of mtDNA copy number in affected tissues and severe defects in mitochondrial functionality. Mutations in MPV17, a nuclear gene encoding a mitochondrial inner membrane protein, have been specifically associated with hepatocerebral forms of MDS. However, MPV17 protein function is still unclear, although it has been suggested a primary role in mtDNA maintenance. Zebrafish represents a model to clarify this biological question: a mpv17 null mutant (roy orbison) shows a 19 bp deletion resulting in aberrant splicing between the exons 2 and 3 of mpv17 gene and lacks the guanine-based reflective skin cells named iridophores. In our work, we have characterized in details the mitochondrial phenotype of roy larvae and found early severe ultrastructural alterations in liver mitochondria; we could also observe a significant impairment of respiratory chain complexes leading to mitochondrial quality control activation. Our results provide evidences for Mpv17 being really essential in mitochondrial cristae maintenance and OXPHOS functionality, while its effect on mtDNA maintenance seems to be consequential, considering that mtDNA depletion only appeared at later stages of development. Moreover, taking into account that in roy orbison it has been previously postulated a role for Mpv17 in purines availability, and that embryos blocked in their pyrimidine synthesis resemble roy phenotype, we investigated the two alternatives by administrating purine and pyrimidine precursors to homozygous mutant embryos. Interestingly, orotic acid (OA) administration ameliorated roy phenotype, hence linking the loss of Mpv17 to pyrimidine de novo synthesis. In particular, the treatment with OA, currently used as food supplement, significantly increased not only iridophores number but also mtDNA content of mpv17 null mutants, thus opening up a new simple therapeutic approach for MPV17-related MDS.
Le sindromi da deplezione del DNA mitocondriale (MDS) sono un gruppo di malattie rare a carattere autosomico recessivo con esordio precoce e prognosi infausta. Le MDS sono causate da mutazioni a carico di diversi geni nucleari, coinvolti nel mantenimento del DNA mitocondriale (mtDNA), e caratterizzate da una forte riduzione del numero di copie del mtDNA nei tessuti interessati, nonchè da gravi difetti nella funzionalità mitocondriale. Le mutazioni a carico di MPV17, un gene nucleare che codifica per una proteina di membrana mitocondriale interna, sono state specificatamente associate a forme epatocerebrali di MDS. Tuttavia, la funzione della proteina MPV17 non è nota, sebbene sia stato ipotizzato un ruolo primario nel mantenimento del mtDNA. Zebrafish rappresenta un modello per rispondere a questa domanda biologica: un mutante nullo per il gene mpv17, detto roy orbison (roy), presenta una delezione di 19 bp che causa uno splicing aberrante tra gli esoni 2 e 3 del gene e, di conseguenza, l’assenza della proteina codificata. Dal punto di vista fenotipico, il mutante roy mostra un difetto di pigmentazione, caratterizzato dall’assenza di cellule, chiamate iridofori, le quali conferiscono alla pelle, grazie al loro contenuto di cristalli di guanina, la sua proprietà riflettente. Il presente lavoro di tesi ha avuto come obiettivo principale la caratterizzazione dettagliata del fenotipo mitocondriale delle larve mutanti per il gene mpv17, nelle quali abbiamo rilevato, già a stadi precoci, importanti alterazioni dell’ultrastruttura mitocondriale nel fegato e una significativa perdita della funzionalità dei complessi della catena respiratoria (OXPHOS). I nostri risultati suggeriscono, pertanto, una funzione essenziale del gene mpv17 nel mantenimento delle creste mitocondriali e della piena attività dell’OXPHOS, mentre il suo effetto sulla stabilità del mtDNA, ipotizzato in letteratura, sembra essere consequenziale, considerando che la deplezione del mtDNA è rilevabile solo in fasi tardive dello sviluppo. Inoltre, considerando che nei mutanti roy orbison era stata precedentemente ipotizzata una funzione di Mpv17 nel metabolismo delle purine e che, inoltre, l’inibizione della sintesi di pirimidine negli embrioni wild-type causa un fenotipo assimilabile a quello dei roy, sono stati somministrati precursori purinici e pirimidinici agli embrioni omozigoti mutanti, al fine di osservare o meno un miglioramento del fenotipo. È interessante notare che la somministrazione di acido orotico (OA), prodotto dell’enzima mitocondriale Diidroorotato deidrogenasi (DHODH) e precursore delle pirimidine, ha migliorato il fenotipo roy, collegando quindi la perdita di Mpv17 alla sintesi de novo dei nucleotidi. In particolare, il trattamento con OA, attualmente usato come integratore alimentare, ha aumentato significativamente non solo il numero di iridofori ma anche il contenuto di mtDNA nei mutanti nulli di mpv17, aprendo così nuove prospettive nel trattamento delle malattie da deplezione del DNA mitocondriale causate da mutazioni a carico di MPV17.
mitochondria; zebrafish; MPV17; mitochondrial DNA depletion syndrome
The zebrafish orthologue of the human hepatocerebral disease gene MPV17 plays pleiotropic roles in mitochondria / Martorano, Laura. - (2018 Nov 27).
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