S. cerevisiae as a model for studying mutations in the human gene OPA1 associated with dominant optic atrophy and for drug discovery

L’atrofia ottica dominante (ADOA) è una malattia mitocondriale caratterizzata da difetti visivi, che si manifestano durante l’infanzia, causati da progressiva degenerazione delle cellule gangliari della retina (RGC). ADOA è una malattia genetica associata, nella maggior parte dei casi, a mutazioni nel gene OPA1 che codifica per la GTPasi mitocondriale OPA1, appartenente alla famiglia delle dinamine, principalmente coinvolta nel processo di fusione mitocondriale e nel mantenimento del mtDNA. Finora sono state identificate più di 300 mutazioni patologiche nel gene OPA1. Circa il 50% di queste sono mutazioni missenso, localizzate nel dominio GTPasico, che si pensa agiscano come dominanti negative. Questa classe di mutazioni è associata ad una sindrome più grave nota come “ADOA-plus”. Nel lievito Saccharomyces cerevisiae MGM1 è l’ortologo del gene OPA1: nonostante i due geni abbiano domini funzionali identici le sequenze amminoacidiche sono scarsamente conservate. Questo costituisce una limitazione all’uso del lievito per lo studio e la validazione di mutazioni patologiche nel gene OPA1, infatti solo poche sostituzioni possono essere introdotte e studiate nelle corrispettive posizioni del gene di lievito. Per superare questo ostacolo è stato pertanto costruito un nuovo modello di S. cerevisiae, contenente il gene chimerico MGM1/OPA1, in grado di complementare i difetti OXPHOS del mutante mgm1Δ. Questo gene di fusione contiene una larga parte di sequenza corrispondente al gene OPA1, nella quale è stato inserito un set di nuove mutazioni trovate in pazienti affetti da ADOA e ADOA-plus. La patogenicità di queste mutazioni è stata validata sia caratterizzando i difetti fenotipici associati agli alleli mutati, sia la loro dominanza/recessività nel modello di lievito. A tutt’oggi non è stato identificato alcun trattamento farmacologico per la cura di ADOA e ADOA-plus. Per questa ragione abbiamo utilizzato il nostro modello di lievito per la ricerca di molecole che agiscono come soppressori chimici, ossia composti in grado di ripristinare i difetti fenotipici indotti da mutazioni nel gene OPA1. Attraverso uno screening fenotipico high throughput sono state testate due differenti librerie di composti chimici. Questo approccio, noto con il nome di drug discovery, ha permesso l’identificazione di 23 potenziali molecole attive.

The investigation of the sensitivity gradient of the visual field, as a function of stimulus dynamic range, in the normal and abnormal eye

The study utilized the advanced technology provided by automated perimeters to investigate the hypothesis that patients with retinitis pigmentosa behave atypically over the dynamic range and to concurrently determine the influence of extraneous factors on the format of the normal perimetric sensitivity profile. The perimetric processing of some patients with retinitis pigmentosa was considered to be abnormal in either the temporal and/or the spatial domain. The standard size III stimulus saturated the central regions and was thus ineffective in detecting early depressions in sensitivity in these areas. When stimulus size was scaled in inverse proportion to the square root of ganglion cell receptive field density (M-scaled), isosensitive profiles did not result, although cortical representation was theoretically equivalent across the visual field. It was conjectured that this was due to variations in the ganglion cell characteristics with increasing peripheral angle, most notably spatial summation. It was concluded that the development of perimetric routines incorporating stimulus sizes adjusted in proportion to the coverage factor of retinal ganglion cells would enhance the diagnostic capacity of perimetry. Good general and local correspondence was found between perimetric sensitivity and the available retinal cell counts. Intraocular light scatter arising both from simulations and media opacities depressed perimetric sensitivity. Attenuation was greater centrally for the smaller LED stimuli, whereas the reverse was true for the larger projected stimuli. Prior perimetric experience and pupil size also demonstrated eccentricity-dependent effect on sensitivity. Practice improved perimetric sensitivity for projected stimuli at eccentricities greater than or equal to 30o; particularly in the superior region. Increase in pupil size for LED stimuli enhanced sensitivity at eccentricities greater than 10o. Conversely, microfluctuation in the accommodative response during perimetric examination and the correction of peripheral refractive error had no significant influence on perimetric sensitivity.

Investigation into visual defects attributed to Vigabatrin

Vigabatrin (VGB) is a transaminase inhibitor that elicits its anitepileptic effect by increasing GABA concentrations in the brain and retina. - Assess whether certain factors predispose patients to develop severe visual field loss. - Develop a sensitive algorithm for investigating the progression of visual field loss. - Determine the most sensitive clinical regimen for diagnosing VGB-attributed visual field loss. - Investigate whether the reports of central retinal sparing are accurate. The investigations have resulted in a number of significant findings: - The anatomical evidence in combination with the pattern of visual field loss suggests that the damage induced by VGB therapy occurs at retinal level, and is most likely a toxic effect. - The quantitative algorithm, designed within the course of this investigation, provided increased sensitivity in determining the severity of visual field loss. - Maximum VGB dose predisposes patients to develop severe visual field loss. - The SITA Standard algorithm was found to be as sensitive and significantly faster, in diagnosing visual field defects attributed to VGB, when compared to the Full Threshold algorithm. The Full Threshold was found to be the most repeatable between visits. - The normal SWAP 10-2 database provided an effective method of differentiating SWAP defects. - SWAP, FDT and the mfERG have increased sensitivity in detecting visual field loss attributed to VGB. The pattern of visual field loss from these investigations suggests that VGB produces a diffuse effect across the retina including subtle central abnormalities and more severe peripheral defects. - Abnormalities detected using the mfERG have suggested that VGB adversely affects the photoreceptors Müller, amacrine and ganglion cells in the retina. An urgent review of the manufacturers recommended maximum dose for VGB is required.

Impact of senescence and disease on the structural and functional performance of the visual pathway

The diagnosis and monitoring of ocular disease presents considerable clinical difficulties for two main reasons i) the substantial physiological variation of anatomical structure of the visual pathway and ii) constraints due to technical limitations of diagnostic hardware. These are further confounded by difficulties in detecting early loss or change in visual function due to the masking of disease effects, for example, due to a high degree of redundancy in terms of nerve fibre number along the visual pathway. This thesis addresses these issues across three areas of study: 1. Factors influencing retinal thickness measures and their clinical interpretation As the retina is the principal anatomical site for damage associated with visual loss, objective measures of retinal thickness and retinal nerve fibre layer thickness are key to the detection of pathology. In this thesis the ability of optical coherence tomography (OCT) to provide repeatable and reproducible measures of retinal structure at the macula and optic nerve head is investigated. In addition, the normal physiological variations in retinal thickness and retinal nerve fibre layer thickness are explored. Principal findings were: • Macular retinal thickness and optic nerve head measurements are repeatable and reproducible for normal subjects and diseased eyes • Macular and retinal nerve fibre layer thickness around the optic nerve correlate negatively with axial length, suggesting that larger eyes have thinner retinae, potentially making them more susceptible to damage or disease • Foveola retinal thickness increases with age while retinal nerve fibre layer thickness around the optic nerve head decreases with age. Such findings should be considered during examination of the eye with suspect pathology or in long-term disease monitoring 2. Impact of glucose control on retinal anatomy and function in diabetes Diabetes is a major health concern in the UK and worldwide and diabetic retinopathy is a major cause of blindness in the working population. Objective, quantitative measurements of retinal thickness. particularly at the macula provide essential information regarding disease progression and the efficacy of treatment. Functional vision loss in diabetic patients is commonly observed in clinical and experimental studies and is thought to be affected by blood glucose levels. In the first study of its kind, the short term impact of fluctuations in blood glucose levels on retinal structure and function over a 12 hour period in patients with diabetes are investigated. Principal findings were: • Acute fluctuations in blood glucose levels are greater in diabetic patients than normal subjects • The fluctuations in blood glucose levels impact contrast sensitivity scores. SWAP visual fields, intraocular pressure and diastolic pressure. This effect is similar for type 1 and type 2 diabetic patients despite the differences in their physiological status. • Long-term metabolic control in the diabetic patient is a useful predictor in the fluctuation of contrast sensitivity scores. • Large fluctuations in blood glucose levels and/or visual function and structure may be indicative of an increased risk of development or progression of retinopathy 3. Structural and functional damage of the visual pathway in glaucomatous optic neuropathy The glaucomatous eye undergoes a number of well documented pathological changes including retinal nerve fibre loss and optic nerve head damage which is correlated with loss of functional vision. In experimental glaucoma there is evidence that glaucomatous damage extends from retinal ganglion cells in the eye, along the visual pathway, to vision centres in the brain. This thesis explores the effects of glaucoma on retinal nerve fibre layer thickness, ocular anterior anatomy and cortical structure, and its correlates with visual function in humans. Principal findings were: • In the retina, glaucomatous retinal nerve fibre layer loss is less marked with increasing distance from the optic nerve head, suggesting that RNFL examination at a greater distance than traditionally employed may provide invaluable early indicators of glaucomatous damage • Neuroretinal rim area and retrobulbar optic nerve diameter are strong indicators of visual field loss • Grey matter density decreases at a rate of 3.85% per decade. There was no clear evidence of a disease effect • Cortical activation as measured by fMRI was a strong indicator of functional damage in patients with significant neuroretinal rim loss despite relatively modest visual field defects These investigations have shown that the effects of senescence are evident in both the anterior and posterior visual pathway. A variety of anatomical and functional diagnostic protocols for the investigation of damage to the visual pathway in ocular disease are required to maximise understanding of the disease processes and thereby optimising patient care.

An overview of eye-related photophobias

This chapter provides an overview of the various eye-related causes of photophobia and the likely mechanisms responsible. Photophobia is the experience of discomfort affecting the eyes as a result of exposure to light. It has a variety of causes, including the result of eye or brain disease, or it can be a side effect of various drugs or laser surgery. Photophobia can also be a symptom of a more serious disorder such as meningitis and therefore, requires appropriate investigation, diagnosis, and treatment. Trauma or disease affecting several structures of the eye are a common cause of photophobia and can be associated with: (1) the ocular adnexia, such as blepharitis and blepharospasm, (2) the cornea, including abrasion, ulcerative keratitis, and corneal dystrophy, (3) problems in eye development, such as aniridia, buphthalmos, coloboma, and aphakia, (4) various eye inflammations, including uveitis, and (5) retinal disorders, such as achromatopsia, retinal detachment, and retinal dystrophy. There may be two main explanations for photophobia associated with these conditions: (1) direct stimulation of the trigeminal nerve due to damage, disease, or excessive light entering the eye and (2) overstimulation of the retina including a specific population of light-sensitive ganglion cells.

Eye-related photophobia

This article provides an overview of the various eye-related causes of photophobia and the likely mechanisms responsible. Photophobia is an experience of discomfort affecting the eyes due to exposure to light. It has a variety of causes including the result of eye or brain disease, or it can be a side effect of various drugs or laser surgery. Photophobia can also be a symptom of a more serious disorder such as meningitis and therefore, requires appropriate investigation, diagnosis, and treatment. Trauma or disease affecting several structures of the eye are a common cause of photophobia and can be associated with: (1) the ocular adnexia, such as blepharitis and blepharospasm, (2) the cornea, including abrasion, ulcerative keratitis, and corneal dystrophy, (3) problems in eye development, such as aniridia, buphthalmos, coloboma, and aphakia, (4) various eye inflammations, including uveitis, and (5) retinal disorders, such as achromatopsia, retinal detachment, and retinal dystrophy. There may be two main explanations for eye-related photophobia: (1) direct stimulation of the trigeminal nerve due to damage, disease, or excessive light entering the eye and (2) overstimulation of the retina including a specific population of light-sensitive ganglion cells.

Rôle des récepteurs aux protéines G (GPR55, GPR91 et GPR99) dans la croissance et le guidage axonal au cours du développement du système visuel

Lors de l’attribution du prix Nobel de chimie aux docteurs Robert Leftkowitz et Brian Kobika pour leurs travaux essentiels sur les récepteurs couplés à des protéines G (RCPGs), Sven Lindin, membre du comité Nobel, a affirmé que « jusqu'à la moitié » des médicaments « reposent sur une action ciblant les RCPG ». En raison de leurs rôles importants, leurs mécanismes d'activation et l’action de leurs ligands, les RCPG demeurent les cibles potentielles de la majorité des recherches pour le développement de nouveaux médicaments et de leurs applications cliniques. Dans cette optique, nous avons concentré nos recherches à travers cette thèse pour élucider les rôles, les mécanismes d’action et les effets des ligands de trois RCPG : GPR55; GPR91 et GPR99 au cours du développement des axones des cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs). Les résultats de nos études confirment l’expression des récepteurs lors du développement embryonnaire, postnatal et adulte des CGRs ainsi qu’au cours de l’établissement de la voie rétinothalamique. In vitro, la modulation pharmacologique et génétique de l’activité de ces RCPGs réorganise la morphologie du cône de croissance des CGRs, celle des neurones corticaux et elle modifie la croissance axonale globale. De plus, les effets de la stimulation avec des ligands des ces trois RCPGs sur le guidage axonal varient d’aucun effet (GPR91 et GPR99) à la répulsion ou l’attraction (GPR55). La voie de signalisation MAPK-ERK1/2 joue un rôle essentiel dans la médiation des effets des ligands de ces récepteurs avec une implication de la voie de RhoA à hautes concentrations pour l’agoniste endogène de GPR55. In vivo, cette recherche démontre également l’implication de GPR55 dans les processus de sélection des cibles thalamiques et de raffinement au cours du développement du système nerveux visuel.

Rôle des récepteurs aux protéines G (GPR55, GPR91 et GPR99) dans la croissance et le guidage axonal au cours du développement du système visuel.

Lors de l’attribution du prix Nobel de chimie aux docteurs Robert Leftkowitz et Brian Kobika pour leurs travaux essentiels sur les récepteurs couplés à des protéines G (RCPGs), Sven Lindin, membre du comité Nobel, a affirmé que « jusqu'à la moitié » des médicaments « reposent sur une action ciblant les RCPG ». En raison de leurs rôles importants, leurs mécanismes d'activation et l’action de leurs ligands, les RCPG demeurent les cibles potentielles de la majorité des recherches pour le développement de nouveaux médicaments et de leurs applications cliniques. Dans cette optique, nous avons concentré nos recherches à travers cette thèse pour élucider les rôles, les mécanismes d’action et les effets des ligands de trois RCPG : GPR55; GPR91 et GPR99 au cours du développement des axones des cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs). Les résultats de nos études confirment l’expression des récepteurs lors du développement embryonnaire, postnatal et adulte des CGRs ainsi qu’au cours de l’établissement de la voie rétinothalamique. In vitro, la modulation pharmacologique et génétique de l’activité de ces RCPGs réorganise la morphologie du cône de croissance des CGRs, celle des neurones corticaux et elle modifie la croissance axonale globale. De plus, les effets de la stimulation avec des ligands des ces trois RCPGs sur le guidage axonal varient d’aucun effet (GPR91 et GPR99) à la répulsion ou l’attraction (GPR55). La voie de signalisation MAPK-ERK1/2 joue un rôle essentiel dans la médiation des effets des ligands de ces récepteurs avec une implication de la voie de RhoA à hautes concentrations pour l’agoniste endogène de GPR55. In vivo, cette recherche démontre également l’implication de GPR55 dans les processus de sélection des cibles thalamiques et de raffinement au cours du développement du système nerveux visuel.

Identification des gènes modifiant l’âge d’apparition du glaucome primaire à angle-ouvert dans une famille canadienne-française fondatrice.

Le glaucome est un groupe hétérogène de maladies qui sont caractérisées par l’apoptose des cellules ganglionnaires de la rétine et la dégénérescence progressive du nerf optique. Il s’agit de la première cause de cécité irréversible, qui touche environ 60 millions de personnes dans le monde. Sa forme la plus commune est le glaucome à angle ouvert (GAO), un trouble polygénique causé principalement par une prédisposition génétique, en interaction avec d’autres facteurs de risque tels que l’âge et la pression intraoculaire élevée (PIO). Le GAO est une maladie génétique complexe, bien que certaines formes sévères sont autosomiques dominantes. Dix-sept loci ont été liés à la maladie et acceptés par la « Human Genome Organisation » (HUGO) et cinq gènes ont été identifiés à ces loci (MYOC, OPTN, WDR36, NTF4, ASB10). Récemment, des études d’association sur l’ensemble du génome ont identifié plus de 20 facteurs de risque fréquents, avec des effets relativement faibles. Depuis plus de 50 ans, notre équipe étudie 749 membres de la grande famille canadienne-française CA où la mutation MYOCK423E cause une forme autosomale dominante de GAO dont l’âge de début est fortement variable. Premièrement, il a été montré que cette variabilité de l’âge de début de l’hypertension intraoculaire possède une importante composante génétique causée par au moins un gène modificateur. Ce modificateur interagit avec la mutation primaire et altère la sévérité du glaucome chez les porteurs de MYOCK423E. Un gène modificateur candidat WDR36 a été génotypé dans 2 grandes familles CA et BV. Les porteurs de variations non-synonymes de WDR36 ainsi que de MYOCK423E de la famille CA ont montré une tendance à développer la maladie plus jeune. Un outil de forage de données a été développé pour représenter des informations connues relatives à la maladie et faciliter la priorisation des gènes candidats. Cet outil a été appliqué avec succès à la dépression bipolaire et au glaucome. La suite du projet consiste à finaliser un balayage de génome sur la famille CA et à séquencer les loci afin d’identifier les variations modificatrices du glaucome. Éventuellement, ces variations permettront d’identifier les individus dont le glaucome risque d’être plus agressif.

OPA1-related disorders: Diversity of clinical expression, modes of inheritance and pathophysiology

International audience

Evaluation of Calretinin as a New Marker in the Diagnosis of Hirschsprung Disease

Background: Hirschsprung’s disease (HD) is a congenital intestinal motility disorder with absence of ganglion cells in the colonic wall. Diagnosis of the disease is mainly based on the identification of the lack of ganglion cells in the pathology sections of the colon which is very difficult and time consuming and also needs several serial cut sections. There are many proposed markers in this field in the literature but none of them has been satisfactory. Calretinin immunohistochemistry (IHC) has been introduced as a new diagnostic marker to overcome the problems in diagnosis of this disease about 5 years ago. However there are few studies regarding the benefits and pitfalls of this marker. Objectives: The aim of this study is to determine the diagnostic value of calretinin IHC in detecting aganglionosis (HD). Patients and Methods: 27 HD patients and 28 non-Hirschsprung’s disease (NHD) patients were collected in a prospective study and calretinin IHC was performed on 31 aganglionic and 51 normoganglionic full wall thickness sections of colectomies (some of the cases had more than 1 section). The IHC slides were evaluated by two pathologists and the diagnostic value was calculated in comparison with gold standard which is the presence or absence of ganglion cells in serial Hematoxylin and Eosin (HE) stained sections of the colectomies. Results: There was great concordance between the final diagnosis of both pathologists and gold standard (k > 0.9). Calretinin immunostaining showed 100% specificity and positive predictive value and more than 90% sensitivity and negative predictive value. High agreement was present between the two pathologists (k > 0.9). Conclusions: Calretinin IHC is a very convenient, useful and valuable method to demonstrate aganglionosis in HD patients. Loss of calretinin immunostaining in lamina propria and submucosa is characteristic of HD.

Les récepteurs GPR91 et GPR99 et leur implication dans le développement du système nerveux visuel

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) démontrent de plus en plus de capacités à activer des mécanismes jusqu’alors associés à des facteurs de transcription ou des molécules d’adhésion. En effet, de nouvelles preuves rapportent qu’ils pourraient également participer au guidage axonal qui est le mécanisme permettant aux axones de cellules nerveuses de rejoindre leur cible anatomique. Le guidage axonal se fait par l’interaction entre les molécules de guidage et une structure particulière présente à l’extrémité de l’axone, le cône de croissance. Par exemple, les RCPGs participent au guidage des cellules ganglionnaires de la rétine (CGR), dont les axones s’étendent de la rétine jusqu’au noyaux cérébraux associés à la vision. Cet effet est observé avec des RCPGs tels que les récepteurs aux cannabinoïdes (CB1 et CB2) et celui du lysophosphatidylinositol, le GPR55. Les RCPGs GPR91 et GPRG99, respectivement récepteurs au succinate et à l’α-cétoglutarate, se trouvent à la surface de ces CGRs, ce qui en font des candidats potentiels pouvant participer au guidage axonal. Dans ce mémoire, l’effet des ligands de ces récepteurs sur la croissance et la navigation des axones des CGRs fut analysé. L’impact produit par ces récepteurs ainsi que leurs ligands sur la morphologie des cônes de croissance fut déterminé en mesurant leur taille et le nombre de filopodes présents sur ces cônes. Pour évaluer le rôle du succinate et de l’a-cétoglutarate sur la croissance globale des axones de CGRs, la longueur totale des projections axonales d’explants rétiniens a été mesurée. L’effet de ces ligands des récepteurs GPR91 et GPR99 sur le guidage axonal a également été évalué en temps réel à l’aide d’un gradient créé par un micro injecteur placé à 45° et à 100µm du cône de croissance. La distribution in vivo des récepteurs GPR91 et GPR99 sur la rétine a été étudié à l’aide d’expériences d’immunohistochimie. Les résultats obtenus indiquent que l’ajout de 100µM de succinate produit une augmentation de la taille des cônes de croissance et du nombre de filopodes présents à leur surface. Il augmente également la croissance des axones. Ce type de réponse fut également observé lorsque les cellules furent soumises à 200µM d’α-cétoglutarate. Fait à noter, les deux récepteurs n’ont pas d’impact sur le guidage axonal. Ces résultats indiquent donc que les agonistes des récepteurs GPR91 et GPR99 augmentent la croissance des cellules ganglionnaires lorsqu’ils sont présents lors du développement. Par contre, ils n’ont pas d’influence sur la direction prise par les cônes de croissance. Ces nouvelles données sont un pas de plus dans la compréhension des mécanismes qui gèrent et participent au développement et la croissance des CGRs, ce qui pourrait donner de nouvelles cibles thérapeutique pouvant mener à la régénération de nerfs optiques endommagés.

Les récepteurs GPR91 et GPR99 et leur implication dans le développement du système nerveux visuel

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) démontrent de plus en plus de capacités à activer des mécanismes jusqu’alors associés à des facteurs de transcription ou des molécules d’adhésion. En effet, de nouvelles preuves rapportent qu’ils pourraient également participer au guidage axonal qui est le mécanisme permettant aux axones de cellules nerveuses de rejoindre leur cible anatomique. Le guidage axonal se fait par l’interaction entre les molécules de guidage et une structure particulière présente à l’extrémité de l’axone, le cône de croissance. Par exemple, les RCPGs participent au guidage des cellules ganglionnaires de la rétine (CGR), dont les axones s’étendent de la rétine jusqu’au noyaux cérébraux associés à la vision. Cet effet est observé avec des RCPGs tels que les récepteurs aux cannabinoïdes (CB1 et CB2) et celui du lysophosphatidylinositol, le GPR55. Les RCPGs GPR91 et GPRG99, respectivement récepteurs au succinate et à l’α-cétoglutarate, se trouvent à la surface de ces CGRs, ce qui en font des candidats potentiels pouvant participer au guidage axonal. Dans ce mémoire, l’effet des ligands de ces récepteurs sur la croissance et la navigation des axones des CGRs fut analysé. L’impact produit par ces récepteurs ainsi que leurs ligands sur la morphologie des cônes de croissance fut déterminé en mesurant leur taille et le nombre de filopodes présents sur ces cônes. Pour évaluer le rôle du succinate et de l’a-cétoglutarate sur la croissance globale des axones de CGRs, la longueur totale des projections axonales d’explants rétiniens a été mesurée. L’effet de ces ligands des récepteurs GPR91 et GPR99 sur le guidage axonal a également été évalué en temps réel à l’aide d’un gradient créé par un micro injecteur placé à 45° et à 100µm du cône de croissance. La distribution in vivo des récepteurs GPR91 et GPR99 sur la rétine a été étudié à l’aide d’expériences d’immunohistochimie. Les résultats obtenus indiquent que l’ajout de 100µM de succinate produit une augmentation de la taille des cônes de croissance et du nombre de filopodes présents à leur surface. Il augmente également la croissance des axones. Ce type de réponse fut également observé lorsque les cellules furent soumises à 200µM d’α-cétoglutarate. Fait à noter, les deux récepteurs n’ont pas d’impact sur le guidage axonal. Ces résultats indiquent donc que les agonistes des récepteurs GPR91 et GPR99 augmentent la croissance des cellules ganglionnaires lorsqu’ils sont présents lors du développement. Par contre, ils n’ont pas d’influence sur la direction prise par les cônes de croissance. Ces nouvelles données sont un pas de plus dans la compréhension des mécanismes qui gèrent et participent au développement et la croissance des CGRs, ce qui pourrait donner de nouvelles cibles thérapeutique pouvant mener à la régénération de nerfs optiques endommagés.

Whole Exome Sequencing widens the genetic landscape of Hereditary Optic Neuropathies

Hereditary optic neuropathies (HON) are a genetic cause of visual impairment characterized by degeneration of retinal ganglion cells. The majority of HON are caused by pathogenic variants in mtDNA genes and in gene OPA1. However, several other genes can cause optic atrophy and can only be identified by high throughput genetic analysis. Whole Exome Sequencing (WES) is becoming the primary choice in rare disease molecular diagnosis, being both cost effective and informative. We performed WES on a cohort of 106 cases, of which 74 isolated ON patients (ON) and 32 syndromic ON patients (sON). The total diagnostic yield amounts to 27%, slightly higher for syndromic ON (31%) than for isolated ON (26%). The majority of genes found are related to mitochondrial function and already reported for harbouring HON pathogenic variants: ACO2, AFG3L2, C19orf12, DNAJC30, FDXR, MECR, MTFMT, NDUFAF2, NDUFB11, NDUFV2, OPA1, PDSS1, SDHA, SSBP1, and WFS1. Among these OPA1, ACO2, and WFS1 were confirmed as the most relevant genetic causes of ON. Moreover, several genes were identified, especially in sON patients, with direct impairment of non-mitochondrial molecular pathways: from autophagy and ubiquitin system (LYST, SNF8, WDR45, UCHL1), to neural cells development and function (KIF1A, GFAP, EPHB2, CACNA1A, CACNA1F), but also vitamin metabolism (SLC52A2, BTD), cilia structure (USH2A), and nuclear pore shuttling (NUTF2). Functional validation on yeast model was performed for pathogenic variants detected in MECR, MTFMT, SDHA, and UCHL1 genes. For SDHA and UCHL1 also muscle biopsy and fibroblast cell lines from patients were analysed, pointing to possible pathogenic mechanisms that will be investigated in further studies. In conclusion, WES proved to be an efficient tool when applied to our ON cohort, for both common disease-genes identification and novel genes discovery. It is therefore recommended to consider WES in ON molecular diagnostic pipeline, as for other rare genetic diseases.

Neuro-ophthalmological and electrophysiological characterization of mitochondrial diseases.

Aims and methods: 1) characterization of patients with Dominant Optic Atrophy (DOA) associated with mutations in AFG3L2 and ACO2 genes in comparison with classical OPA1-DOA; 2) characterization of patients with mtDNA mutations causing MELAS and MERRF syndromes and correlation with heteroplasmy; 3) longitudinal evaluation of subacute m.11778G>A/MTND4 Leber’s Hereditary Optic Neuropathy (LHON) patients co-treated with rAAV2/2-ND4 gene therapy and idebenone. We performed a comprehensive neuro-ophthalmological assessment coupled with electrophysiological examination. Results: 1) We described and compared 23 ACO2 and 13 AFG3L2 patients with 72 OPA1 patients. All patients presented temporally predominant optic atrophy, with ACO2 showing higher RNFL and GCL thicknesses at OCT, while AFG3L2 was virtually-indistinguishable from OPA1. 2) Retinopathy was the most common manifestation in 17/33 MELAS patients, conversely, optic atrophy was the most common finding in 7/8 MERRF patients. Correlation of heteroplasmy with neuro-ophthalmological parameters failed to disclose any significance in MELAS, while it negatively correlated with OCT parameters in MERRF. 3) We compared modifications in visual acuity, OCT and electrophysiological parameters at 3 timepoints in 9 LHON patients. We observed significant decrease of RNFL thickness and reduction of PhNR amplitude. Visual acuity improved of about -0.37 LogMAR, correlating significantly with time from onset and from injection, but not with idebenone therapy duration. Discussion: 1) ACO2 seems associated to better preservation of retinal ganglion cells, depending on a different pathogenic mechanism involving mtDNA maintenance, as opposed to AFG3L2 which is involved in OPA1 processing. 2) MELAS and MERRF patients presented with a clearly distinct ocular phenotype, possibly reflecting a selective susceptibility of different retinal cell types to global energy defect or oxidative stress. 3) Follow up of LHON patients treated with gene therapy confirmed the deterioration in OCT and electrophysiological parameters, while the amount of visual improvement was similar to the one observed in recent clinical trials.