Mitochondrial Disorders Linked to mtDNA instability : From Therapy to Mechanism
Institution:
Paris 11Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
The instability of mitochondrial DNA (mtDNA) in form of mtDNA depletion (quantitative instability) or large deletion (qualitative instability) is one of the most common cause of mitochondrial diseases.. One of the genes responsible for human mtDNA stability, POLG, is exploited in this study. POLG encodes the human mitochondrial polymerase gamma. In human, POLG mutations are a major cause of mitochondrial disorders including hepatic insufficiency; Alpers syndrome, progressive external ophthalmoplegia, sensory neuropathy and ataxia. They are also associated with Parkinsonism. Currently, there is no effective and disease-specific therapy for these diseases. Based on the conservation of mitochondrial function from yeast to human, we used Saccharomyces cerevisiae and Caenorhabditis elegans as first pass filters to identify chemical compounds that suppresses mtDNA instability in cultured fibroblasts of a POLG-deficient patient. We found three potential candidates, MRS2, MRS3 and MRS4, from a chemical screening of nearly 2000 compounds in yeast. MRS3 is the most efficacious in stabilizing mtDNA in yeast, filamentous fungi, worm and patient fibroblasts. This unsuspected compound, clofilium tosylate (CLO), belongs to a class of antiarrhythmic agents for cardiovascular disease. Two other antiarrhythmic agents (FDA-approved) sharing common pharmacological properties and chemical structure with CLO also show potential benefit for POLG deficiency in C. elegans. Using a chemogenomic approach in yeast, we also discovered that a mitochondrial fission actor Fis1 is implicated in the mechanism of action of CLO. Fis1 is important for cellular viability in a slightly toxic concentration of CLO and is required for the mtDNA stabilizing potency of CLO. Our findings provide evidence of the first mtDNA-stabilizing compound that may be an effective pharmacological alternative for the treatment of POLG-related diseases and uncover a new connection between the mitochondrial fission process and mtDNA replication.
Abstract FR:
L’instabilité d’ADN mitochondrial (ADNmt) peut être quantitative avec la déplétion de l’ADNmt ou qualitative avec des délétions de l’ADNmt. Ces anomalies sont une des causes les plus commmunes des maladies mitochondriales. Un des gènes qui contrôle la stabilité et le maintien de l’ADNmt est POLG. Ce gène code pour la polymerase gamma mitochondriale. Chez l’homme, les mutations dans le gène POLG sont liées aux maladies mitochondriales telle que; l’insuffisance hépatique, le syndrome d’Alpers, le PEO ou Progressive External Ophtalmoplegia, la neuropathie sensorielle et l’ataxie. Des mutations dans le gène POLG sont aussi associées au syndrome de Parkinson. Aujourd’hui, il n’existe aucune thérapie pour ces maladies. Compte tenu de la conservation évolutive de la fonction mitochondriale de la levure à l’homme, nous avons utilisé deux organismes modèles, Saccharomyces cerevisiae et Caenorhabditis elegans, pour identifier des molecules chimiques capables de compenser l’instabilité de l’ADNmt liée à des mutations du gène POLG dans des fibroblastes d’un patient. Nous avons trouvé trois molécules candidates potentielles: MRS2, MRS3 et MRS4, à partir d’un criblage primaire chez la levure, en utilisant une chimiothèque d’environ 2000 molécules chimiques. MRS3 est la molécule candidate la plus efficace pour la stabilization d’ADNmt chez des mutants POLG de la levure, du champignon filamenteux, du nématode et sur des fibroblastes de patients. MRS3, ou clofilium tosylate (CLO), est un agent antiarrhytmique, médicament pour soigner les troubles du rythme cardiaque. Dans cette étude, nous avons aussi montré que deux autres antiarrhythmiques appartenant à la même classe que CLO avaient un effet positive chez un mutant POLG de C. elegans. En utilisant une approche de chemogénomique chez la levure, nous avons identifié Fis1, un acteur de la fission mitochondriale qui pourrait être impliqué dans la mode d’action de CLO. Fis1 est requise pour la viabilité cellulaire en concentration légèrement toxique de CLO et nécesaire pour la stabilization de l’ADNmt par CLO. L’ensemble de ces résultats ont montré que CLO pourrait être la première molécule chimique qui stimule la réplication de l’ADNmt et qui pourrait être développée pour le traitement des maladies liées à des mutations dans le gène POLG. Ces résultats ont aussi permis de mettre en évidence une nouvelle connexion entre replication de l’ADNmt et la fission mitochondriale.