Un criblage haut débit par ARN interférent identifie PGS1 comme suppresseur fonctionnel de la fragmentation mitochondriale observée dans des fibroblastes dérivés de patients mutés pour OPA1

High-throughput mitochondrial morphology screen identifies PGS1 as a functional suppressor of mitochondrial fragmentation in patient-derived OPA1 mutant fibroblasts

• Auteur / Autrice : Emma Cretin
• Direction : Timothy Wai
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et moléculaire
• Date : Soutenance le 12/02/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité Biologie mitochondriale
• Partenaire(s) de recherche : Structure de recherche : Institut Pasteur. Département de Biologie cellulaire et infection (2006-….)
• Jury : Président / Présidente : Guy Lenaers
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Suliana Manley, Fabrizia Stavru
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guy Lenaers, Jean-Claude Martinou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Atrophie optique autosomique dominante

Dynamique mitochondriale

Lipides

Atrophie optique

Mitochondriopathies

Mots clés libres

Dynamique mitochondriale

OPA1

Lipides

Mitochondrial dynamics

OPA1

Lipids

Résumé

Les mutations affectant la protéine de fusion mitochondriale atrophie optique 1 (OPA1) provoquent une atrophie optique autosomique dominante (DOA) - l'une des formes les plus courantes de maladie mitochondriale. La majorité des patients développent une atrophie optique isolée, mais environ 20% d'entre eux manifestent des déficits neurologiques plus sévères dans le cadre d'un phénotype «DOA +». Une carence en OPA1 provoque une fragmentation mitochondriale et perturbe l'organisation des crêtes, la phosphorylation oxydative, le maintien de l'ADN mitochondrial (ADNmt) et la viabilité cellulaire. Il n'a pas encore été établi si la sévérité phénotypique peut être modulée par des modificateurs génétiques de OPA1. Pour mieux comprendre la régulation génétique de la dynamique mitochondriale, nous avons établi un processus d'imagerie à haut débit utilisant l'apprentissage automatique supervisé pour effectuer une analyse de la morphologie mitochondriale quantitative impartiale. Nous avons couplé ce processus à une bibliothèque d'ARN interférent (siARN) ciblant l'ensemble du protéome mitochondrial connu (1531 gènes) afin de fournir un criblage phénotypique détaillé des fibroblastes humains. Dans les fibroblastes contrôles, nous avons identifié des gènes déjà identifiés et nouveaux dont la déplétion favorise l'élongation ou la fragmentation du réseau mitochondrial. Dans les fibroblastes de patients DOA +, nous avons identifié 91 gènes candidats dont la déplétion pourrait empêcher la fragmentation mitochondriale, y compris les gènes de fission mitochondriale DNM1L, MIEF1 et SLC25A46, mais aussi des gènes non liés auparavant à la dynamique mitochondriale tels que le Phosphatidyl Glycerophosphate Synthase (PGS1), qui appartient à la voie de synthèse du cardiolipine (CL). Nous avons découvert que la déplétion de PGS1 réduit la teneur en CL dans les mitochondries et rééquilibre la dynamique mitochondriale dans les fibroblastes déficients en OPA1 en inhibitant la fission mitochondriale, ce qui améliore la respiration mitochondriale, mais n'empêche pas la déplétion de l'ADNmt, la dysmorphologie des crêtes ou la sensibilité apoptotique. Nos données révèlent que les différents rôles d'OPA1 dans les mitochondries peuvent être fonctionnellement découplés en modulant le métabolisme des lipides mitochondriaux, fournissant de nouvelles informations sur la pertinence cellulaire de la fragmentation mitochondriale. Cette étude illustre la puissance d'une première approche d'imagerie automatisée objective pour découvrir les modificateurs génétiques de maladie mitochondriale grâce au dépistage phénotypique à haut débit des fibroblastes de patients.

Mutations affecting the mitochondrial fusion protein Optic Atrophy 1 (OPA1) cause autosomal dominant optic atrophy (DOA) - one of the most common form of mitochondrial disease. The majority of patients develop isolated optic atrophy, but about 20% of them manifest more severe neurological deficits as part of a ''DOA+'' phenotype. OPA1 deficiency causes mitochondrial fragmentation and disrupts cristae organization, oxidative phosphorylation, mitochondrial DNA (mtDNA) maintenance, and cell viability. It has not yet been established whether phenotypic severity can be modulated by genetic modifiers of OPA1. To better understand the genetic regulation of mitochondrial dynamics, we established a high-throughput imaging pipeline using supervised machine learning to perform unbiased, quantitative mitochondrial morphology analysis, which was coupled with a bespoke siRNA library targeting the entire known mitochondrial proteome (1531 genes), providing a detailed phenotypic screening of human fibroblasts. In control fibroblasts, we identified known and novel genes whose depletion promoted elongation or fragmentation of the mitochondrial network. In DOA+ patient fibroblasts, we identified 91 candidate genes whose depletion could prevent mitochondrial fragmentation, including the mitochondrial fission genes DNM1L, MIEF1, and SLC25A46, but also genes not previously linked to mitochondrial dynamics such as Phosphatidyl Glycerophosphate Synthase (PGS1), which belongs to the cardiolipin (CL) synthesis pathway. PGS1 depletion reduces CL content in mitochondria and rebalances mitochondrial dynamics in OPA1-deficient fibroblasts by inhibiting mitochondrial fission, which improves defective respiration, but does not rescue mtDNA depletion, cristae dysmorphology or apoptotic sensitivity. Our data reveal that the multifaceted roles of OPA1 in mitochondria can be functionally uncoupled by modulating mitochondrial lipid metabolism, providing novel insights into the cellular relevance of mitochondrial fragmentation. This study illustrates the power of a first-in-kind objective automated imaging approach to uncover genetic modifiers of mitochondrial disease through high-throughput phenotypic screening of patient fibroblasts.