Impact of glutamate and associated signaling pathways in the physiopathology of MELAS syndrome revealed by a multi-omics approach and corrected by the use of ketone bodies
Impact du glutamate et des voies de signalisations associées dans la physiopathologie du syndrome MELAS révélé par une approche multi-omiques et corrigé par l’utilisation des corps cétoniques
Résumé
Mitochondria have its own genome or mitochondrial DNA (mtDNA) present in many copies/cell. Mutations in mtDNA will therefore be responsible for mitochondrial diseases such as MELAS neurovascular syndrome. The coexistence of mutated and normal mtDNA copies defines the concept of heteroplasmy correlated with the symptoms and severity of these diseases. Among mtDNA mutations, the m.3243A>G variant is commonly found associated with MELAS syndrome. In order to better understand the pathophysiology of this syndrome, using neuronal cybrid models carrying different mutant loads for the variant m.3243A>G, we have shown a severe dysfunction of the respiratory chain, associated with a severe defect of assembly in particular of the mitochondrial complex I. The use of a multi-omics approach has also allowed us to identify a specific biochemical profile of MELAS syndrome affecting in particular the glutamate pathway with a significant accumulation of this metabolite. Ketone body exposure of MELAS cell models as a therapeutic metabolic strategy resulted in a drastic reduction in glutamate and a significant improvement in mitochondrial functions, also modulating intermediate metabolites of the Krebs cycle. The multi-omics strategy has helped us understand the mechanisms of mitochondrial dysfunction, and has identified glutamate as a potential marker of this syndrome. It also demonstrates the value of metabolic strategies as therapies in MELAS syndrome and mitochondrial diseases.
La mitochondrie centrale énergétique de nos cellules possède son propre génome ou ADN mitochondrial (ADNmt) présent en de nombreuses copies par cellule. Les mutations de l’ADNmt sont responsables de maladies mitochondriales comme le syndrome neurovasculaire MELAS. La coexistence de copies d’ADNmt mutées et normales définit le concept d’hétéroplasmie en lien direct avec la symptomatologie et la sévérité de cette maladie. Parmi les mutations MELAS de l’ADNmt, le variant m.3243A>G est le plus fréquemment rencontré. Afin de mieux comprendre la physiopathologie de ce syndrome et proposer des approches thérapeutiques, nous disposons d’un modèles cybrides neuronal qui porte différents niveaux d’hétéroplasmies pour le variant m.3243A>G. Nous avons montré une dysfonction sévère de la chaine respiratoire, associée à un défaut sévère d’assemblage en particulier du complexe I mitochondrial. L’utilisation d’une approche multi-omiques nous a permis d’identifier un profil biochimique spécifique au syndrome MELAS avec une modification de la voie du glutamate conduisant à une accumulation significative de ce métabolite au niveau extra et intra-cellulaire. L’exposition de corps cétoniques comme stratégie métabolique à visée thérapeutique entraine une réduction majeure du glutamate et une amélioration significative des fonctions mitochondriales, modulant également les métabolites intermédiaires du cycle de Krebs. La stratégie multi-omiques nous a aidé à comprendre les mécanismes de la dysfonction mitochondriale, et a permis d’identifier le glutamate comme marqueur potentiel de ce syndrome. Cela démontre aussi l’intérêt de stratégies métaboliques comme thérapies dans le syndrome MELAS et les maladies mitochondriales.
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