Déficits de la traductionmitochondriale chez l’homme

Metodi D. Metodiev

Laboratory for Genetics of Mitochondrial Disorders

Institute Imagine

24 Bd du Montparnasse

Paris

Metodi D. Metodiev

Metodi D. Metodiev

La biogenèse de la chaîne respiratoire

est sous le contrôle de deux génomes

Maladies mitochondriales

• Déficit d'un ou plusieurs complexes OXPHOS

• Fréquence ~ 1:5000

multiple 51%CI 22%

CII 4%CIII 2,5%

CIV 13%

CV 7%

Q 1%

Metodi D. Metodiev

IsoléMultiple

+

+ +

CV

+ +

Les maladies mitochondriales sont cliniquementhétérogènes et tissue-spécifiques

Maladies

Mitochondriales

NERVOUS SYSTEM

Leigh, MELAS, MERRF, Kearns-Sayre

syndromes, hypotonia, ataxia, myoclony,

psychomotor retardation, mental retardation,

leucodystrophy neuropathy

PEAU

Pigmentation anormale

SYSTEME DIGESTIF

Diarrhées, vomissements,

atrophie villositaire

OEIL

Atrophie optique,

retinitis pigmentosa, ptosis,

cataracte, ophtalmoplégie

FOIE

Insuffisance hépatocellulaire,

défaillance hépatique

ENDOCRINE

Déficit en GH,

hypoparathyroïdism

SANG

Anémie sidéroblastique,

neutropénie, thrombopénie

AUDITION

Surdité

HEART

Cardiomyopathy,

atrioventricular block

PANCREAS

Insuffisance

pancréatique externe,

diabète

REIN

Tubulopathie, syndrome néphrotique,

insuffisance rénale

Metodi D. Metodiev

SYSTEME NERVEUX

Syndromes de Leigh, MELAS, MERRF, Kearns-

Sayre, hypotonie, ataxie, myoclonies, retard

psychomoteur, retard mental,

leucodystrophie, neuropathie

MUSCLE

Myopathie, atrophie musculaire,

myoglobinurie, douleurs musculaires,

intolérance à l’exercice

L’hétérogénéité clinique et la tissu spécificité ne sont pas bien comprises

Metodi D. Metodiev

Hétérogénéité génétique : plus de 250 genes de maladies mitochondriales

Metodi D. Metodiev

Maladies mitochondriales

Different types de transmission

Metodi D. Metodiev

Autosomale récessive

Mutations de gènes nucléairesAutosomale dominante

(PEO)

Transmission maternelle

mutations de l’ADNmt

liée à l’X

(syndrome de Barth)

Les deficits de traduction résultent d’une grande variété de mutations de gènes nucléaires et mitochondriaux

Metodi D. Metodiev

Comment identifier un défaut de traduction mitochondriale ?

Metodi D. Meotidiev

Pas de corrélation génotype – phénotype

Enzymologyie

CIII

CI

CII

CIV

CV

Déficit multiple OXPHOS

NGS ciblé : ADNmt et gènes nucléaires connus

ou séquençage d’exome (3% du génome) / génome

Les défauts de traduction sont une cause fréquente de maladie mitochondriale (série Necker)

Metodi D. Metodiev

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Number of patients / function

Mutations de gènes nucléaires

0

5

10

15

20

25

PO

LG

TA

Z

AC

AD

9

ND

UF

V1

BC

S1

p53

R2

FB

XL

4

SU

CL

A2

EL

AC

2

ND

UF

S1

SU

CL

G1

TR

NT

1

C12

orf

62

IAR

S2

ND

UF

S3

CO

Q2

GT

PB

P3

MP

V17

ND

UF

S6

ND

UF

S8

NU

BP

L

PD

SS

1

SC

O2

TK

2

Tw

inkle

YA

RS

2

AA

RS

2

AT

P7

A

C20

OR

F7

CO

X10

GA

RS

HU

MQ

PC

MR

PL1

2

MR

PS

2

MR

PS

34

ND

UF

A1

1

ND

UF

A4

ND

UF

AF

7

ND

UF

B8

PO

P1

QIL

1

SC

O1

TS

FM

Number of patients / gene

Déficits de traduction par mutations de l’ADNmt

Metodi D. Metodiev

2 ARNr 12S and 16S

sous-unites protéiques du ribosome

22 ARNt décodage de l’ARNm

11 ARNm 13 sous-unités OXPHOS

Metodi D. Metodiev

~ 20% des maladies mitochondriales

ARNr & ARNt Multiple

ARNm Isolated

Déficits de traduction et mutations d’ARNt

Mutations d’ARNt stabilité

modification

function

Suzuki et al. (2002) EMBO J,

Kirono et al. (2005) PNAS

Yasukawa et al. (2001)

EMBO J Metodi D. Metodiev

Le phenotype depend de la charge en mutation

Metodi D. Metodiev

normal atteint

0% 25% 75%50% 100%

wt mutant

ADNmt normalADNmt muté

ADNmt sauvageADNmt muté

mitochondrie

cellule

Ségrégation mitotique

Gènes nucléaires de défauts de traduction

Metodi D. Metodiev

mtDNA

tRNAtRNA

processing

aminoacyl –tRNA

synthetases

rRNA

mRNA

fatal neonatal lactic acidosis

EFTu

EFG1

TSFMencephalomyopathy

cardiomyopathy

hepato/encephalopathy

encephalopathy

C12ORF65

TACO1

LRPPRC

C12ORF62

Leigh syndrome

Leigh syndrome

neonatal lactic acidosis

encephalomyopathy/SPG55

RNMD1 encephalopathy

PUS1

TRMUhepatocellular

insufficiency

myopathy and

sideroblastic anemia

MTO1cardiomyopathy

MTFMTLeigh syndrome

MRPS22

MRPS16

MRPL12

MRPL3

multivisceral involvement

growth retardation

cardiomyopathy

MRPL44cardiomyopathy

MRPS23

MRPS7hearing impairement

liver disease

GTPBP3cardiomyopathy,

neurological disease

MTPAP

spastic ataxia

YARS2 myopathy and sideroblastic anemia

DARS2 leukoencephalopathy

RARS2 pontocerebellar hypoplasia

SARS2 pulmonary hypertension, renal failure

AARS2 cardiomyopathy

HARS2 Perrault syndrome

MARS2 leukoencephalopathy

EARS2 ataxia (ARSAL)

FARS2 Alpers encephalopathy

FARS2 Renal failure, pulmonary hypertensionSARS2

GARS

KARS CMT type B; deafness

CMT type 2D

LARS2 Perrault syndrome;

sideroblastic anemia

TARS2 encephalomyopathy

VARS2 encephalomyopathy

Mitoribosomal

biogenesis

Translation

NSUN3developmental delay;

opthalmoplegia; myopathy

Metodi D. Metodiev

Maturation des ARN mitochondriaux

RNAseZ - ELAC2

MRPP1(TRMT10C)

MRPP2/HSD17B10

MRPP3 (KIAA0391)

RNAseP

MRPP1 – 1. RNAseP

2. Methyltransferase m1G/A9

MRPP2 – 1. RNAseP

2. Methylation m1G/A9

3. Hydroxysteroid Dehydrogenase

Atteinte neuro

Cardiomyopathie

Cardiomyopathie

Metodi D. Metodiev

Mutations de MRPP1 (TRMT10C) :Défaut de maturation des ARN et deficit multiple OXPHOS

Metodiev et al. 2016. AJHG

Metodi D. Metodiev

2 patients: début néonatal; décès ~ 5 mois

acidose lactique, hypotonie, difficulté d’alimentation, surdité;

déficit de la function hépatique

Muscle : CI , CIII, CIV

16S ND1

tRNALeu(UUR)

RNA19

RNA 19

ND1

*

5S

ND

1 p

robe

C1 C2 S1 S2

Northern blot

NGS Primer extension

Déficit d’assemblage OXPHOS

Blue-Native PAGE

marquage 35S-Met in vitro

Metodi D. Metodiev

Défaut de traduction

Mutations de MRPP1(TRMT10C):Défaut de traduction et d’assemblage OXPHOS

Mutations de gènes de modification des ARNt

>50 modifications

des ARNt

Metodi D. Metodiev

Anémie

sidéroblastique

MLASA

PUS1

NSUN3

TRIT1Atteinte neurologique

diabète

Retard de dév

myopathie

ophtalmoplégie

TRNT1

PUS1

MTO1CDM,

Neuro

TRMUDéfaillance

hépatique

MRPP1

TRMT5Atteinte neurologique

Nephro; Myo; Cardio

Mutations GTPBP3 et défaut de traduction

11 patients de 9 familles avec déficit multiple OXPHOS

Début : J1 – 10 ans

Décès : (6/11)

-Atteinte neurologique (6/11)

-Cardiomyopathie hypertrophique (8/11)

Metodi D. Metodiev

GTPBP3 et MTO1 modifient la base

wobble de plusieurs ARNt indispensables à

la traduction

tRNA-LEU

tRNA-GLN

tRNA-GLU

tRNA-TRP

tRNA-LYS

In vitro mitochondrial translation

Organe GTPBP3 MTO1 TRMU

Cerveau + + -

Coeur + + -

Foie - - +

Metodi D. Metodiev

Présentations cliniques variables des déficitsd’ARNt synthétases (ARS2)

YARS2 myopathy and sideroblastic anemia

DARS2 leukoencephalopathy

RARS2 pontocerebellar hypoplasia

SARS2 pulmonary hypertension, renal failure

FARS2 Alpers encephalopathy

Renal failure, pulmonary hypertensionSARS2

GARS

KARS CMT type B; deafness

CMT type 2D

AARS2 cardiomyopathy

HARS2 Perrault syndrome

MARS2 leukoencephalopathy

EARS2 ataxia (ARSAL)

LARS2 Perrault syndrome;

sideroblastic anemia

TARS2 encephalomyopathy

VARS2 encephalomyopathy

Metodi D. Metodiev

AA

ARS cytosoliques

Charcot Marie Tooth

et autres neuropathiesYao and Fox, 2013

Facteurs de traduction et sous-unites du mitoribosome

Metodi D. Metodiev

Gene Patients Onset/Death Presentation

MRPS7 (Menezes et al. 2016) 2 sibs 14 yrs - alive Deafness, failure to thrive

MRPS16 (Miller et al, 2004) 1 1 / 3 days CDM; Brain; Hypo; Skin;

MRPS22 (Saada et al. 2007;

Smiths et al.2011; Baertling et al. 2015

5 1 / 2-22 days;

Alive 5yrs;

CDM (5/5), Hypo (4/5); Skin (1/4); Brain

(2/4)

MRPS23 (Kohada et al. 2016) 1 ? Hepatic disease

MRPL3 (Galmiche et al. 2011) 4 sibs 15-17 mo; alive at

3 yrs

CDM; Brain (PSMR);

MRPL12 (Serre et al. 2013) 1 1 / 2 yrs Brain; growth retardation; Hypo;

MRPL44 (Carroll et al. 2013;

Distelmaier et al. 2015)

4 Neo or Infantile/

alive 8 and 26 yrs

HCDM (4/4)

Hypo = hypotonia; (H)CDM = (hypertrophic) cardiomyopathy; Brain = neurological disease incl. structural abnormalities; EM = encephalomyopathypathy; OA – optic atrophy

GFM1 (EFG1) (Coenen et al,

2004, Valente et al, 2007)

4 Brain (EM); Liver

EFTs (TSFM) (Smeitink et al,

2009)

5 Brain (EM);

EFTu (TUFM) (Valente et al,

2007)

1 Brain (Leukodystrophy)

C12ORF65 (Antonick et al. 2010;

Schimazaki et al. 2012 )

5 (4 sibs) 1 / 8 (1 of 3); OA; Brain (Lesions Spastic Parplegia,

peripheral neuropathy); Hypo;

MRPS2: un nouveau gène de déficits de traduction

Patients MRPS2 (uS2m) : début dans l’enfance

dysmorphie, hypotonie,

retard de développement

surdité défaut de langage

cutis laxa (1/2)

Metodi D. Metodiev

Conclusions

Défauts de traduction mitochondriale :

• Mutations de gènes impliqués dans différentesétapes de l’expression de l’ADNmt

• Cause fréquente de déficits multiples d’OXPHOSdeficiencies

• Présentations et evolutions cliniques variées

Metodi D. Metodiev

Necker Hospital

Dep of Genetics

Dep of Pediatrics

CARAMMEL

Centre de référence

Maladies Mitochondriales

Collaborations

A. Filipovska (Australia)

O. Rackham (Australia)

D. Torburn (Australia)

E. Morava (USA)

H. Prokisch (Germany)

L. Nijtmans (The Nederlands)

R. Wevers (The Netherlands)

I. Wittig (Germany)

R. Taylor (UK)

INSERM UMR1163

Genetics of Mitochondrial Disorders

A. Rötig – DR1

•Mouse model for mitochondrial disorders and defects in

the assembly of the OXPHOS systemB. Ruzzenente

L. Bianchi

•Mitochondrial translation deficiencies and mitochondrial

protein processing defects

M. Metodiev

J. Pulman

•Drug testing

C. Tamby

C. Zangarelli

•Iron homeostasis

F. Petit

•mtDNA replication during embryofetal development

JP. Bonnefont

J. Steffann

•Metabolic flows

C. Ottolenghi

C. Pontoiseau

F. Habarou

Imagine core facilities

Genomic, Bioinformatic, Cell imaging,

Histology and morphology platformsgenomit - ERA-Net E-Rare