Mutations in the Mitochondrial Methionyl-tRNA Synthetase Cause a Neurodegenerative Phenotype in Flies and a Recessive Ataxia (ARSAL) in Humans

An increasing number of genes required for mitochondrial biogenesis, dynamics, or function have been found to be mutated in metabolic disorders and neurological diseases such as Leigh Syndrome. In a forward genetic screen to identify genes required for neuronal function and survival in Drosophila photoreceptor neurons, we have identified mutations in the mitochondrial methionyl-tRNA synthetase, Aats-met, the homologue of human MARS2. The fly mutants exhibit age-dependent degeneration of photoreceptors, shortened lifespan, and reduced cell proliferation in epithelial tissues. We further observed that these mutants display defects in oxidative phosphorylation, increased Reactive Oxygen Species (ROS), and an upregulated mitochondrial Unfolded Protein Response. With the aid of this knowledge, we identified MARS2 to be mutated in Autosomal Recessive Spastic Ataxia with Leukoencephalopathy (ARSAL) patients. We uncovered complex rearrangements in the MARS2 gene in all ARSAL patients. Analysis of patient cells revealed decreased levels of MARS2 protein and a reduced rate of mitochondrial protein synthesis. Patient cells also exhibited reduced Complex I activity, increased ROS, and a slower cell proliferation rate, similar to Drosophila Aats-met mutants.

Oxidative Stress and Friedreich’s Ataxia

Friedreich’s Ataxia (FRDA) is a neurodegenerative disorder caused by a deficiency of the protein frataxin and characterized by oxidative stress. The first aim of my research project was to analyze the effects of tocotrienol in FRDA patients. Patients received for 2 months a low dose of tocotrienol. A number of biochemical parameters related to oxidative stress were studied. We consistently showed that taking for 2 months a low dose of tocotrienol led to the decrease of oxidative stress indexes in FRDA patients. Also, this study provides a suitable model to investigate the efficacy of natural compounds to counteract the oxidative stress in FRDA. Furthermore, we investigated whether the tocotrienol was able to modulate the expression of the frataxin isoforms (FXN-1, FXN -2, FXN-3) in FRDA patients. We demonstrated that tocotrienol leads to a specific and significant increase of FXN-3 expression. As no structural and functional details were available for FNX-2 and FXN-3, 3D-models were built. FXN-1, the canonical isoform, was then docked on the human iron-sulphur complex and functional interactions were computed; when FXN-1 was replaced by FXN-2 or FNX-3, we found that the interactions were maintained, thus suggesting a possible biological role for both isoforms. The second aim of my research project was to investigate the role of a single nucleotide polymorphism (SNP) in the protein Sirtuin 6 in FRDA patients. In fact, it was known that those who harbour a SNP (Asn46/Ser46) in the gene enconding Sirt6 show a better outcome those individuals who are homozygous for the Asn 46 allele. We found that fibroblasts and iPSC-derived neurons from FRDA patients harboring the SNP (Asn46/Ser46) have a reduced amount of Sirt6 protein compared to cells from individuals who are homozygous for the prevalent Asn allele. Our studies provide new information on the role of Sirtuins in FRDA pathogenesis.

Untersuchungen zum Einfluss von NBN, ATM und ATR auf die Alkylanzien-induzierte Toxizität

In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der DNA-Reparaturenzyme NBN, ATM und ATR, die wichtige Funktionen während der Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen (DSBs) besitzen, auf die Alkylanzien-induzierte Toxizität untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass verschiedene menschliche Zelllinien, welche eine Beeinträchtigung in einem dieser drei Gene aufweisen, eine erhöhte Sensitivität gegenüber N-Methyl-N'-Nitro-N-Nitrosoguanidin (MNNG) und dem Chemotherapeutikum Temozolomid (TMZ) zeigen. Da das DNA-Reparaturenzym MGMT die Zellen vor der Induktion des Zelltods schützt, kann geschlussfolgert werden, dass die Hypersensitivität der mutierten Zelllinien auf die O6-MeG-Läsion zurückzuführen ist. Es konnte gezeigt werden, dass Mutationen von NBN oder ATM nicht zu einer verminderten Kapazität der Basen-Exzisions-Reparatur (BER) führen. Somit ist die erhöhte Sensitivität der mutierten Zellen sehr wahrscheinlich auf eine verminderte Reparatur der DSBs zurückzuführen, welche durch die O6-MeG-Läsion induziert werden. Damit konnte NBN, ATM und ATR als neue Faktoren in der Abwehr gegen Alkylanzien-induzierte Toxizität identifiziert werden. Dies ist von großer klinischer Bedeutung, da einerseits die drei Proteine als therapeutisches Angriffsziel Bedeutung gewinnen und andererseits verschiedene Tumore, die in der Klinik mit alkylierenden Agenzien behandelt werden, Mutationen in diesen Genen tragen.rnrnWeiterhin wurde beobachtet, dass NBN- und ATM-defiziente Zellen nach Behandlung mit methylierenden Agenzien eine ungewöhnlich hohe Nekrose-Rate aufweisen. Es konnte gezeigt werden, dass diese unabhängig von einer PARP1-Aktivierung induziert wird. Dennoch wurde in den NBN- und ATM-mutierten Zelllinien im Gegensatz zum Wildtyp eine sehr starke Verminderung der ATP-Menge nach MNNG-Behandlung beobachtet. Diese wird durch das Fehlen einer effektiven Aktivierung der AMP-Kinase in diesen Zellen verursacht. Somit kann angenommen werden, dass die hohe Nekrose-Rate auf eine ATP-Depletion zurückzuführen ist, welche durch die nicht ausreichende AMP-Kinase-Aktivierung in diesen Zellen bedingt wird. Daher konnte NBN und ATM als Faktoren des zellulären Schutzes gerichtet gegen die Induktion der „programmierten Nekrose“ identifiziert werden. Dies ist ebenfalls von klinischer Bedeutung. Tragen Tumorzellen von Tumoren, welche mit methylierenden Agenzien behandelt werden, Mutationen in einem dieser Gene, so muss mit einer vermehrten Induktion von Nekrose und daher mit einer Stimulierung des Immunsystems während der Chemotherapie gerechnet werden. Dies wäre einerseits mit erhöhten Nebenwirkungen, die sich insbesondere durch Entzündungsreaktionen äußern, verbunden. Andererseits zeigen verschiedene Arbeiten, dass die Stimulation des Immunsystems durch sterbende Tumorzellen während der Chemotherapie die Tumorregression positiv beeinflussen kann.

The characterization of the Atxn2-CAG42-knock-in mouse as a model for Spinocerebellar Ataxia Type 2

Die Ursache der neurodegenerativen Erkrankung Spinozerebelläre Ataxie Typ 2 (SCA2) ist eine expandierte Polyglutamin-Domäne im humanen ATXN2-Gen von normalerweise 22 auf über 31 CAGs. Von der Degeneration sind vorwiegend die zerebellären Purkinje Neuronen betroffen, in denen zunehmend zytoplasmatische Aggregate sichtbar werden. Auch wenn die genaue Funktion von ATXN2 und die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen noch immer ungeklärt sind, werden ein toxischer Funktionsgewinn sowie der Verlust der normalen Proteinfunktion als mögliche Ursachen diskutiert.rnUm ein wirklichkeitsgetreues Tiermodell für die SCA2 zu haben, wurde eine knock-in Maus generiert, deren einzelnes CAG im Atxn2-Gen durch 42 CAGs ersetzt wurde. Dieses Mausmodell ist durch eine stabile Vererbung der Expansion charakterisiert. Weiterhin zeigt sie ein verringertes Körpergewicht sowie eine spät beginnende motorische Inkoordination, was dem Krankheitsbild von SCA2 entspricht. rnIm Weiteren konnte gezeigt werden, dass, obwohl die Atxn2 mRNA-Spiegel in Großhirn und Kleinhirn erhöht waren, die Menge an löslichem ATXN2 im Laufe der Zeit abnahm und dies mit einem Auftreten an unlöslichem ATXN2 korrelierte. Dieser im Kleinhirn progressive Prozess resultierte schließlich in zytoplasmatischen Aggregaten innerhalb der Purkinje Neuronen alter Mäuse. Der Verlust an löslichem ATXN2 könnte Effekte erklären, die auf einen partiellen Funktionsverlust von ATXN2 zurückzuführen sind, wobei die Aggregatbildung einen toxischen Funktionsgewinn wiederspiegeln könnte. Neben ATXN2 wurde auch sein Interaktor PABPC1 zunehmend unlöslich. Während dies im Großhirn eine Erhöhung der PABPC1 mRNA- und löslichen Proteinspiegel zur Folge hatte, konnte keine kompensatorische Veränderung seiner mRNA und zudem eine Verminderung an löslichem PABPC1 im Kleinhirn beobachtet werden. Auch PABPC1 wurde in Aggregate sequestriert. Diese Unterschiede zwischen Großhirn und Kleinhirn könnten zu der spezifischen Vulnerabilität des Kleinhirns beitragen.rnUm die Folgen auf mRNA-Prozessierung zu untersuchen, wurde ein Transkriptomprofil im mittleren sowie fortgeschrittenen Alter der Mäuse erstellt. Hierbei war eine erhöhte Expression von Fbxw8 im Kleinhirn alter Mäuse auffällig. Als Komponente eines Ubiquitin-E3-Ligase-Komplexes, hilft FBXW8 in der Degradierung von Zielproteinen und könnte somit die Toxizität des expandieren ATXN2 verringern. rnZur näheren Beschreibung der physiologischen Funktion von ATXN2, konnte in ATXN2-knock-out Mäusen gezeigt werden, dass das Fehlen von ATXN2 zu einer reduzierten globalen Proteinsyntheserate führte und somit eine Rolle als Translationsaktivator möglich erscheint. Kompensatorisch wurde eine erhöhte S6-Phosphorylierung gemessen.

Nerve excitability studies characterize Kv1.1 fast potassium channel dysfunction in patients with episodic ataxia type 1

Episodic ataxia type 1 is a neuronal channelopathy caused by mutations in the KCNA1 gene encoding the fast K(+) channel subunit K(v)1.1. Episodic ataxia type 1 presents with brief episodes of cerebellar dysfunction and persistent neuromyotonia and is associated with an increased incidence of epilepsy. In myelinated peripheral nerve, K(v)1.1 is highly expressed in the juxtaparanodal axon, where potassium channels limit the depolarizing afterpotential and the effects of depolarizing currents. Axonal excitability studies were performed on patients with genetically confirmed episodic ataxia type 1 to characterize the effects of K(v)1.1 dysfunction on motor axons in vivo. The median nerve was stimulated at the wrist and compound muscle action potentials were recorded from abductor pollicis brevis. Threshold tracking techniques were used to record strength-duration time constant, threshold electrotonus, current/threshold relationship and the recovery cycle. Recordings from 20 patients from eight kindreds with different KCNA1 point mutations were compared with those from 30 normal controls. All 20 patients had a history of episodic ataxia and 19 had neuromyotonia. All patients had similar, distinctive abnormalities: superexcitability was on average 100% higher in the patients than in controls (P < 0.00001) and, in threshold electrotonus, the increase in excitability due to a depolarizing current (20% of threshold) was 31% higher (P < 0.00001). Using these two parameters, the patients with episodic ataxia type 1 and controls could be clearly separated into two non-overlapping groups. Differences between the different KCNA1 mutations were not statistically significant. Studies of nerve excitability can identify K(v)1.1 dysfunction in patients with episodic ataxia type 1. The simple 15 min test may be useful in diagnosis, since it can differentiate patients with episodic ataxia type 1 from normal controls with high sensitivity and specificity.

Susceptibility-Weighted MR Imaging for Diagnosis of Capillary Telangiectasia of the Brain

BCT is a benign entity, whose appearance on conventional MR imaging makes its differentiation from neoplastic, inflammatory, or subacute ischemic disease challenging. SWI is sensitive to susceptibility effects from deoxyhemoglobin with excellent spatial resolution. Only scarce case reports have described the utility of SWI in cases of BCT. Our aim was to show the diagnostic value of SWI applied to a larger series of cases.

Retinal crystals in type 2 idiopathic macular telangiectasia

To characterize the phenotype and investigate the associations of intraretinal crystalline deposits in a large cohort with type 2 idiopathic macular telangiectasia (MacTel).

The IS/OS junction layer in the natural history of type 2 idiopathic macular telangiectasia

To document the progression of a break in the photoreceptor inner segment/outer segment (IS/OS) junction layer and its functional correlates over time in the natural history of type 2 idiopathic macular telangiectasia (type 2 MacTel).

"En face" OCT imaging of the IS/OS junction line in type 2 idiopathic macular telangiectasia

We investigated abnormalities of the photoreceptor inner/outer segment (IS/OS) junction layer viewed "en face" and their functional correlates in type 2 idiopathic macular telangiectasia (type 2 MacTel).

Kidney infarction in Friedreich's ataxia with dilated cardiomyopathy

A 37-year-old man with advanced Friedreich's ataxia was referred to our emergency department with acute exacerbated abdominal pain of unclear aetiology. Laboratory tests showed slightly increased inflammatory parameters, elevated troponin and B-type natriuretic peptide, as well as minimal proteinuria. Transthoracic echocardiography revealed a pre-existing dilated cardiomyopathy. Abdominal sonography showed no pathological alterations. Owing to persistent pain under analgesia, a contrast-enhanced CT-abdomen was performed, which revealed a non-homogeneous perfusion deficit of the right kidney, although neither abdominal vascular alteration, cardiac thrombus, deep vein thrombosis nor a patent foramen ovale could be detected. Taking all clinical and radiological results into consideration, the current incident was diagnosed as a thromboembolic kidney infarction. As a consequence, lifelong oral anticoagulation was initiated.

Mitochondrial dysfunction and Purkinje cell loss in autosomal recessive spastic ataxia of Charlevoix-Saguenay (ARSACS)

Autosomal recessive spastic ataxia of Charlevoix-Saguenay (ARSACS) is a childhood-onset neurological disease resulting from mutations in the SACS gene encoding sacsin, a 4,579-aa protein of unknown function. Originally identified as a founder disease in Québec, ARSACS is now recognized worldwide. Prominent features include pyramidal spasticity and cerebellar ataxia, but the underlying pathology and pathophysiological mechanisms are unknown. We have generated an animal model for ARSACS, sacsin knockout mice, that display age-dependent neurodegeneration of cerebellar Purkinje cells. To explore the pathophysiological basis for this observation, we examined the cell biological properties of sacsin. We show that sacsin localizes to mitochondria in non-neuronal cells and primary neurons and that it interacts with dynamin-related protein 1, which participates in mitochondrial fission. Fibroblasts from ARSACS patients show a hyperfused mitochondrial network, consistent with defects in mitochondrial fission. Sacsin knockdown leads to an overly interconnected and functionally impaired mitochondrial network, and mitochondria accumulate in the soma and proximal dendrites of sacsin knockdown neurons. Disruption of mitochondrial transport into dendrites has been shown to lead to abnormal dendritic morphology, and we observe striking alterations in the organization of dendritic fields in the cerebellum of knockout mice that precedes Purkinje cell death. Our data identifies mitochondrial dysfunction/mislocalization as the likely cellular basis for ARSACS and indicates a role for sacsin in regulation of mitochondrial dynamics.

Analysis and mapping of CACNB4, CHRNA1, KCNJ3, SCN2A and SPG4, physiological candidate genes for porcine congenital progressive ataxia and spastic paresis

The cause of porcine congenital progressive ataxia and spastic paresis (CPA) is unknown. This severe neuropathy manifests shortly after birth and is lethal. The disease is inherited as a single autosomal recessive allele, designated cpa. In a previous study, we demonstrated close linkage of cpa to microsatellite SW902 on porcine chromosome 3 (SSC3), which corresponds syntenically to human chromosome 2. This latter chromosome contains ion channel genes (Ca(2+), K(+) and Na(+)), a cholinergic receptor gene and the spastin (SPG4) gene, which cause human epilepsy and ataxia when mutated. We mapped porcine CACNB4, KCNJ3, SCN2A and CHRNA1 to SSC15 and SPG4 to SSC3 with the INRA-Minnesota porcine radiation hybrid panel (IMpRH) and we sequenced the entire open reading frames of CACNB4 and SPG4 without finding any differences between healthy and affected piglets. An anti-epileptic drug treatment with ethosuximide did not change the severity of the disease, and pigs with CPA did not exhibit the corticospinal tract axonal degeneration found in humans suffering from hereditary spastic paraplegia, which is associated with mutations in SPG4. For all these reasons, the hypothesis that CACNB4, CHRNA1, KCNJ3, SCN2A or SPG4 are identical with the CPA gene was rejected.