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
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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
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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
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2 ARNr 12S and 16S
sous-unites protéiques du ribosome
22 ARNt décodage de l’ARNm
11 ARNm 13 sous-unités OXPHOS
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~ 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
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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
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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
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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 - - +
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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
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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