Mitofusin 2 is required for neuron specific functions

0 downloads 0 Views 12MB Size Report
primary canine fibroblast (PCF) and dorsal root ganglia (DRG) cultures, respectively. Mitochondrial degradation by mitophagy was significantly reduced in FNAD ...
        Mitofusin  2  is  required  for  neuron  specific  functions  divergent  from  mitochondrial   fusion   Rabeah  Al-­‐Temaimi1,2,  Kyle  Miller3,  John  C.  Fyfe2     1  Human  Genetics  Unit,  Department  of  Pathology,  Faculty  of  Medicine,  Kuwait  University,   P.O.  Box  24923,  Safat  13110  ,  Kuwait.   2  Laboratory  of  Comparative  Medical  Genetics,  Department  of  Microbiology  &  Molecular  

Genetics,  College  of  Veterinary  Medicine,  Michigan  State  University,  East  Lansing,  MI   48824,  USA.   3Department  of  Zoology,  Michigan  State  University,  East  Lansing,  MI  48824-­‐1115,  USA  

  Corresponding  Author   Rabeah  Al-­‐Temaimi   Head  of  Human  Genetics  Unit   Dept.  Pathology,  Faculty  of  Medicine   Kuwait  University   P.O.  Box  24923,  Safat  13110     Tel:  +965  24636250   Email:  [email protected]                                        

ABSTRACT     Mutations  in  mitofusin  2  (MFN2)  gene  cause  a  commonly  inherited  neuropathy,  Charcot   Marie  Tooth2  type  A2  (CMT2  A2). A  novel  MFN2  mutation  (ΔE539)  was  detected  in  a   canine  autosomal  recessive  fetal  onset  neuroaxonal  dystrophy  (FNAD)  model.  FNAD   pathology  manifests  in  the  nervous  system,  causing  secondary  effects  on  muscle  functions.   MFN2  is  a  nuclear  encoded,  mitochondrial  outer  membrane  protein  involved  in   maintaining  mitochondrial  shape,  integrity,  and  dynamics  through  interaction  with  its   cellular  paralogue  MFN1,  and  other  protein  networks.  The  aim  of  this  study  was  to   investigate  the  effects  of  the  novel  MFN2  mutation  at  molecular  and  cellular  levels  in  vitro.   No  defects  in  mitochondrial  morphology,  distribution,  or  respiration  were  detected  in   FNAD  cultured  primary  cells,  despite  lost  and  decreased  MFN2ΔE539  protein  expression  in   primary  canine  fibroblast  (PCF)  and  dorsal  root  ganglia  (DRG)  cultures,  respectively.   Mitochondrial  degradation  by  mitophagy  was  significantly  reduced  in  FNAD  PCFs  (p  =   0.001).  In  addition,  MFN1  knock-­‐down  in  FNAD  PCF  resulted  in  hyperfragmented   mitochondria  suggesting  MFN2ΔE539  is  deficient  of  fusion  functions.  Whereas  MFN1   knockdown  in  wild-­‐type  and  FNAD  DRG  cultures  resulted  in  similar  hyperfragmented   mitochondria  indicative  of  MFN1’s  exclusive  role  in  mitochondrial  fusion  in  neurons.  In   conclusion,  MFN2ΔE539  result  in  protein  loss  that  can  be  tolerated  in  non-­‐neuronal  tissues   while  pathogenic  effects  manifest  exclusively  in  neuronal  tissues  possibly  involving  neuron   specific  functions  other  than  mitochondrial  fusion.                   Keywords:  Mitofusion  2,  Charcot  Marie  Tooth  2A2,  fetal  onset  neuroaxonal  dystrophy,   mitochondrial  fusion,  mitophagy,  dorsal  root  ganglia  culture.         Footnote   Abbreviations:     PCF:  primary  canine  fibroblast;  PDRG:  primary  dorsal  root  ganglia;  FNAD:  fetal  onset   neuroaxonal  dystrophy                

INTRODUCTION     Mitofusin  2  (MFN2;  Gene  ID:  9927)  is  a  nuclear  coded  mitochondrial  outer  membrane   GTPase  protein  composed  of  five  domains:  a  Ras  GTPase  domain,  two  coiled  coil  domains,   and  two  short  transmembrane  domains.  In  combination  with  its  cellular  paralogue   mitofusin  1  (MFN1),  it  promotes  mitochondrial  fusion  [1,2,3]  and  is  critical  for  oxidative   phosphorylation  [4],  apoptosis  [5,6],  autophagy  [7],  metabolism  [8,9],  axonal  transport   [10],  and  development  [11].       Mutations  in  MFN2  are  associated  with  Charcot  Marie  Tooth  (CMT),  one  of  the  most   prevalent  hereditary  sensorimotor  neuropathies  [12].  The  two  principal  forms  of  CMT,   called  CMT1  and  CMT2,  are  both  autosomal  dominant  but  differ  in  that  the  first  is   demyelinating  and  the  second  primarily  is  axonal.  CMT2A2  (OMIM  ID:  609260)  is  the  most   common  form  of  axonal  CMT  [13]  and  is  associated  with  mutations  in  MFN2  [14].  Reported   MFN2  mutations  are  mostly  missense,  though  splicing  and  compound  heterozygous   mutations  are  also  observed  [15].  These  mutations  typically  map  to  the  GTPase  domain  of   the  protein,  or  are  in  close  proximity  to  it  [16].  In  addition  a  unique  set  of  MFN2  mutations,   associated  with  hereditary  motor  and  sensory  neuropathy  type  VI  (OMIM  ID:  601152)  and   sporadic  severe  early  onset  axonal  neuropathy  (SEOAN)  incidence  have  also  been  reported   [17,18].         Here  we  attempt  to  further  define  the  functional  attributes  of  MFN2  by  investigating  an   MFN2  mutation  associated  with  canine  fetal  onset  neuroaxonal  dystrophy  (FNAD).  FNAD  is     similar  to  conatal  forms  of  infantile  neuroaxonal  dystrophy  (INAD,  OMIM  ID:  256600)   [19,20]  and  is  an  autosomal  recessive  neuropathy  causing  axonal  dysfunction  prior  to   birth.  The  mutation  in  FNAD  is  an  in  frame  trinucleotide  deletion,  predicted  to  remove  a   glutamate  residue  at  position  539  (ΔE539). The  mutation  maps  to  a  highly  conserved   region  within  MFN2  found  between  the  N  terminal  coiled-­‐coil  and  the  transmembrane   domains  [21].  In  this  report  we  investigate  the  effects  of  MFN2ΔE539  on  mitochondrial   dynamics  and  function  in  two  primary  in  vitro  cell  culture  systems,  FNAD  fibroblasts  and   dorsal  root  ganglia  (DRG).  Our  findings  show  mitochondrial  morphology  and  oxidative   phosphorylation  to  be  intact,  with  significant  decrease  in  mitochondrial  clearance   (mitophagy).  Moreover,  we  found  specific  knockdown  of  MFN1  in  neuronal  mitochondria   results  in  hyperfragmented  mitochondria  in  wild-­‐type  and  MFN2ΔE539  neurons,  suggesting  a   neuron  specific  function  of  MFN2  other  than  mitochondrial  fusion  is  the  cause  of  observed   neuropathology  in  MFN2  related  neuropathies.       MATERIALS  AND  METHODS     Animals     FNAD  carrier  dogs  were  maintained  in  a  breeding  colony  at  Michigan  State  University   (MSU)  under  animal  use  protocols  approved  by  the  Institutional  Animal  Use  and  Care   Committee  (Forms  02/21/2001  and  10/07-­‐161-­‐00).    At  birth,  stillborn  FNAD  pups  were  

directly  processed  for  tissue  harvest.  Clinically  normal  littermates  were  euthanized  and   their  tissues  were  processed  for  use  as  controls.  Spinal  cord  and  umbilical  cord  fragments   were  collected  in  sterile  DMEM  with  antibiotics  and  stored  on  ice  for  follow  up  processing.   Derived  cells  were  confirmed  as  wild-­‐type  by  genotyping,  as  published  previously  [20].       Mitochondrial  respiration  assay   Kidneys  were  isolated  for  preparation  of  crude  mitochondrial  fractions  for  polarography.   Kidneys  were  immersed  in  MSH  buffer  (210  mM  mannitol,  750  mM  sucrose,  20  mM  HEPES,   pH  7.4),  minced  and  washed  three  times.  Kidney  mince  was  homogenized  in  MSH  buffer   (with  1  mM  EDTA,  0.1  mM  PMSF)  using  a  glass  Teflon  homogenizer.  Homogenate  was   centrifuged  (600  x  g,  10  minutes)  and  resultant  supernatant  further  centrifuged  (7,500  x  g,   10  minutes)  to  yield  mitochondrial  pellet.  Crude  mitochondria  were  washed  in  MSH  buffer   without  EDTA  twice.  The  final  mitochondrial  pellet  was  resuspended  in  respiration  media   (220  mM  mannitol,  68  mM  sucrose,  1.9  mM  HEPES,  2.4  mM  potassium  phosphate  buffer,   0.5  mM  EDTA,  1.8  mM  MgCl2,  5.2  mM  succinate,  0.7  g/l  BSA,  pH  7.4).  Mitochondrial   respiration  was  measured  as  the  rate  of  oxygen  consumption  from  medium  using  an   oxygen  polarograph  (Gilson  Medical  Electronics,  Middleton,  WI)  with  a  0.5  cm  diameter   Clark  electrode  fitted  to  a  1.75  ml  glass  reaction  chamber  maintained  at  37°C.  Basal   respiration  was  recorded  after  chamber  oxygen  saturation,  and  for  active  respiration   following  addition  of  0.45  µM  ADP.  Oxygen  consumption  was  determined  and  normalized   to  added  protein  concentration  [22].  Four  homozygous  MFN2  mutants  and  four   homozygous  wildtype  MFN2  mitochondrial  fractions  were  assayed  in  triplicates.  All   mitochondrial  extracts  were  quantified  for  protein  concentration  using  Bradford  protein   assay  [23].     Cell  Culture   Primary  canine  fibroblast  (PCF)  cultures  were  established  from  excised  pup  umbilical  cord   tissue.  Excised  tissue  was  washed  three  times  in  full  PCF  growth  medium  (high  glucose   DMEM,  10%  fetal  bovine  serum,  0.4  mM  L-­‐glutamine,  1%  penicillin/streptomycin),  and   minced  with  sterile  scalpels.  Tissue  fragments  were  transferred  to  60  mm  culture  dishes   containing  full  PCF  growth  medium.  Primary  dorsal  root  ganglion  neuron  (PDRG)  cultures   were  established  from  spinal  cord  isolated  with  nerve  roots  attached.  PDRGs  were   collected  and  dissociated  by  incubation  (15  minutes  at  37°C)  with  collagenase  IA  and  (30   minutes  at  37°C)  with  trypsin,  consecutively.  Dissociation  was  terminated  by  adding  full   PDRG  growth  medium  (L15  medium,  10%  fetal  bovine  serum,  2  mM  L-­‐glutamine,  24  mM   NaHCO3,  38  mM  glucose,  1%  penicillin/streptomycin,  50  ng/ml  nerve  growth  factor  (Sigma   Aldrich,  St.  Louis,  MO)).  Five  mechanical  triturations  were  performed  with  each  trituration   followed  by  a  brief  low  speed  centrifugation  and  collection  of  resultant  supernatant  into  a   fresh  tube.  Resultant  pellet  was  retriturated  in  PBS.  Finally,  collected  supernatants   following  triturations  were  centrifuged  (1,000  x  g,  5  minutes)  and  suspended  in  full  PDRG   growth  medium  and  plated  in  0.1%  poly-­‐L-­‐ornithine  coated  culture  dishes.  All  cultures   were  maintained  at  37°C  and  5%  CO2  incubator.    

Protein  expression  analysis   PCF  and  PDRG  cultures  of  wild  type  normal  and  FNAD  genotypes  were  grown  to   confluence.  Cultures  were  trypsinized  and  collected  in  full  growth  media.  Suspensions  were   centrifuged  (700xg,  5  minutes)  and  pellets  washed  in  PBS.  Final  pellets  were  resuspended   in  cold  protein  extraction  buffer  (0.3  M  mannitol,  0.2  mM  EDTA,  10  mM  HEPES,  0.1  mM   PMSF,  pH  7.4).  PCF  suspensions  were  homogenized  with  a  glass  homogenizer  on  ice.   Suspensions  were  centrifuged  (1,000  x  g,  10  minutes,  4°C),  and  resultant  supernatants   were  centrifuged  again  (14,000  x  g,  15  minutes,  4°C)  to  produce  mitochondrial  pellets  and   post  mitochondrial  supernatant,  respectively.  PDRG  suspensions  were  sonicated  on  ice  for   10  seconds  and  centrifuged  (1,000  x  g,  10  minutes,  4°C).  Resultant  supernatant  was  saved   as  PDRG  total  protein  lysate  and  pellets  discarded.  Western  blotting  was  performed,  and   antibodies  were  validated  as  previously  described  [24].     Mitochondrial  morphology  and  mitophagy  analysis   Live  cell  imaging  of  mitochondria  in  in  vitro  cultures  was  performed  using  cover  slip   bottom  culture  dishes  (MatTek  corp.,  Ashland,  MA).  Mitochondria  were  incubated  with  0.5   µM  Mitotracker  green  (MTG,  Invitrogen  Corp.,  Carlsbad,  CA)  for  1  hour  prior  to  image   capture  to  analyze  mitochondrial  morphology  and  distribution.  Mitophagy  was  analyzed  in   live  cells  using  consecutive  staining  with  0.5  µM  MTG,  and  50  nM  lysotracker  blue  DND  22   (Invitrogen  Corp.,  Carlsbad,  CA).  Briefly,  separate  PCF  and  PDRG  cultures  were  incubated   with  MTG  for  20,  and  24  hours  under  normal  culture  conditions.  Cultures  were  washed   three  times  with  their  respective  full  growth  medium  and  incubated  with  lysotracker  blue   for  30  minutes.  Cultures  were  washed  two  times  with  full  medium,  and  prepared  for  live   cell  imaging.  All  images  were  captured  using  an  Olympus  FlowView  1500  confocal   microscope  (Olympus  America  Inc.,  Center  Valley,  PA)  equipped  with  60X  PlanApo   objectives  at  1.0  or  higher  digital  zoom  when  required.  Colocalization  analysis  of   mitophagy  was  performed  using  ImageJ  (http://rsb.info.nih.gov/ij/),  JACoP  plugin  [25],   and  the  Excel®  program  of  Microsoft  Office  for  statistical  analysis.         MFN  silencing   Twenty  seven  bp,  double  stranded  RNA  interference  (dsiRNA)  oligomers  (Integrated  DNA   tech.,  Inc.,  Coralville,  IA)  were  assessed  by  qRT  PCR  for  ability  to  knock  down  MFN1  and   MFN2  transcripts  in  wild  type  PCF  cultures.  Selected  dsiRNA  with  successful  knockdown  of   transcription  are  listed  in  table  1.  A  scrambled  noncoding  oligomer  (NC1)  and  a  TYE563  DS   labeled  oligomer  were  used  as  transfection  and  cellular  uptake  controls,  respectively.  PCF   and  PDRG  cells  were  seeded  at  5  to  10  x  104  cells/ml  in  12-­‐well  culture  plates  and  35  mm   glass  bottom  culture  dishes.  PCF  and  PDRG  cultures  were  incubated  in  full  growth  medium   without  antibiotics  overnight  at  50%  confluence.  Lipofectamine  2000  (Invitrogen,   Carlsbad,  CA)  reagent  was  used  for  transfection  according  to  manufacturer  protocol.  All   oligomers  were  used  at  20  nM  whether  in  combination  with  other  oligomers  or  alone,   except  for  the  water  negative  control.  All  cultures  were  incubated  for  24  hours  in  oligomer   containing  OptiMEM  (Invitrogen,  Carlsbad,  CA)  before  medium  was  changed  into  full   growth  medium  and  cells  were  processed  for  imaging.    

Mitochondrial  axonal  transport       Results     Mitochondrial  respiration  is  normal  in  FNAD  kidney   We  have  previously  shown  that  FNAD  kidney  mitochondria  do  not  show  any  detectable   amounts  of  MFN2ΔE539  protein  through  Western  blotting  (Fyfe,  et  al.  2011).  Kidney   mitochondrial  fractions  were  used  in  polarographic  measurements  of  oxygen  consumption   rate  as  in  [22].  Oxygen  consumption  rates  were  adjusted  according  to  total  amount  of   mitochondria  added  to  the  reaction  chamber.  Basal  mitochondrial  respiration  in   homozygous  wildtype  MFN2  and  MFN2ΔE539  mitochondrial  extracts  were  similar.  Wildtype   MFN2  mitochondria’s  mean  basal  respiration  was  16.3  (nmoles  O2/minute)/μg  (SD  =  5.2),   while  in  MFN2ΔE539  mitochondria  it  was  15.3  (nmoles  O2/minute)/μg  (SD  =  7.6).  Active   mitochondrial  respiration  was  comparable  between  the  two  assayed  genotypes.  Wildtype   MFN2  mitochondria  mean  active  respiration  was  30.0  (nmoles  O2/minute)/μg  (SD  =  9),   while  in  MFN2ΔE539  mitochondria  it  was  27.4  (nmoles  O2/minute)/μg  (SD  =  10.2).  These   findings  suggest  that  ATP  production  through  succinate  driven;  complex  II  mitochondrial   respiration  and  maximal  respiration  through  direct  ADP  conversion  is  intact  in  mutant   MFN2  mitochondria  under  controlled  experimental  conditions.       Mitochondrial  Morphology  In  vitro  is  normal  in  FNAD  PCF  and  PDRG  cells   Mitochondrial  morphology  in  FNAD  PCF  cultures  did  not  show  noticeable  deviation  from   wild  type  cultures  (Fig.1a).  Mitochondria  were  mostly  tubular  in  shape  of  varying  lengths,   and  some  spherical  mitochondria  were  also  visible.  No  aberrant  distribution,  peri-­‐nuclear   aggregation,  or  abnormal  patterning  was  noticed.  Mitochondrial  abundance  in  FNAD  PCF   cultures  was  comparable  to  wild  type  PCF  cultures.  Mitochondrial  morphology  and   distribution  in  wild  type  and  FNAD  PDRG  cultures  were  similar,  with  tubular  and  spherical   mitochondria  randomly  spaced  within  axons  and  abundant  in  the  cell  body  (Fig.1b).  No   abnormal  patterns  of  mitochondrial  distribution,  shape  or  abundance  were  noted  in  FNAD   PDRG  cultures.       Mitochondrial  association  with  acidic  vacuoles  is  reduced  in  MFN2ΔE539  PCFs       Mitophagy  was  assessed  through  colocalization  of  mitochondria  with  acidic  vacuoles,   including  lysosomes,  in  PCF  cultures.  Qualitative  assessments  of  merged  representative   images  of  the  two  dyes  did  not  show  any  disparity  between  mutant  and  wild  type   mitochondria.  However,  Pearson’s  coefficient  suggested  colocalization  between  channels  in   both  genotypes.  Mander’s  coefficient  of  overlap  was  also  suggestive  and  the  fraction  of   mitochondrial  overlap  with  acidic  vacuoles  (M2)  was  calculated  for  each  genotype.  There   were  fewer  mitochondria  associated  with  acidic  vacuoles  in  the  MFN2ΔE539  genotype  cells   (11%)  compared  to  wild  type  (20%)  after  20  hrs  of  incubation  with  MTG  (p=  0.003).  

Similarly,  the  fraction  of  acidic  vacuoles  colocalized  with  mitochondria  (M1)  at  20  hours  of   MTG  incubation  was  less  in  MFN2ΔE539  PCFs  (21%)  than  in  the  wild  type  cells  (47%,  p=   0.001).  After  24  hours  of  MTG  incubation  the  differences  in  colocalization  of  the  two  dyes   between  the  two  genotypes  were  lost.  In  PDRG  cultures  of  both  genotypes  acidic  vacuole   and  mitochondrial  colocalization  was  present.  However,  no  significant  differences  were   found  between  wild  type  and  mutant  genotypes  after  20  hours  incubation  with  MTG  and   the  fractions  of  mitochondria  and  acidic  vacuoles  contributing  to  colocalization  were   comparable.       MFN2  Protein  expression  is  reduced  and  MFN1  expression  is  increased  in  primary   cell  cultures   MFN2  expression  was  not  detected  by  Western  blot  (Fig.  2a)  in  the  total  protein  or   subcellular  fractions  of  MFN2ΔE539  fibroblasts.  Findings  were  concordant  with  FNAD   affected  dog  kidney,  brain,  and  brainstem  tissues  assayed  previously  (Fyfe,  et  al.  2011).  In   contrast,  FNAD  PDRG  cultures  showed  detectable  amounts  of  MFN2ΔE539  protein,  albeit  ~   60%  less  than  in  wild  type  PDRG  cultures,  in  total  protein  lysates  (Fig.  2b).  MFN1   expression  detected  by  western  blot  was  increased  by  ~40%  in  FNAD  PDRG  compared  to   wild  type  PDRG  cultures.  This  finding  was  consistent  with  the  previously  shown  increase  of   MFN1  in  FNAD  brainstem  tissue.       MFN  Silencing  In  vitro   MFN1  knockdown  in  wild  type  PCF  cultures  did  not  impart  any  morphological  changes  to   mitochondria  (Fig.  3a).  However,  in  FNAD  PCF  cultures,  MFN1  knockdown  resulted  in   hyperfragmented,  punctate  mitochondria  (Fig.  3a,  right).  Similar  mitochondrial   morphology  was  observed  when  wild  type  and  FNAD  PCF  cultures  were  subjected  to   double  MFNs  knockdown  (Fig.  3b).  In  contrast,  MFN1  knockdown  in  wild  type  and  FNAD   PDRG  cultures  showed  pronounced  mitochondrial  fragmentation  (Fig.  4a).  Similarly,   double  MFNs  knockdown  resulted  in  analogous  mitochondrial  morphology  (Fig.  4b).  No   changes  in  mitochondrial  morphology  were  observed  in  wild  type  or  FNAD  PCF  or  PDRG   cells  treated  with  the  NC1  oligo.    

 

DISCUSSION     Mutations  in  MFN2  cause  CMT2A2,  while  MFN2  is  ubiquitously  expressed  the  predominant   pathology  occurs  in  neurons.  The  reason  neurons  are  selectively  affected  is  unknown.  The   mutations  in  MFN2  that  cause  CMT2A2  are  typically  autosomal  dominant.  While  many  of   MFN2  alleles  that  cause  CMT2A2  disrupt  mitochondrial  morphology,  some  do  not  [26,27].   This  could  be  because  the  alleles  disrupt  some  function  of  MFN2  unrelated  to   mitochondrial  fusion,  yet  important  for  neuronal  function,  or  because  MFN1  in  cell  types   assayed  can  competently  complement  for  MFN2  fusion  functions  [3,28].  In  order  to  better   understand  why  disruption  of  MFN2  leads  to  CMT2A2  it  would  be  helpful  to  assess  the   effects  of  MFN2  loss  of  function  in  an  animal  model,  yet  mice  null  for  MFN2  die  mid  

gestation  due  to  placental  defects  [11].  In  a  previously  described  canine  FNAD  phenotype   [19],  a  homozygous  MFN2ΔE539  mutation  was  associated  with  pathology  confined  to  the   nervous  system,  and  consequent  impairment  of  innervated  muscles.  The  mutation  affects   MFN2  protein  expression  but  does  not  affect  gene  transcription,  as  MFN2  transcripts  were   detected  in  FNAD  tissues  [20].  Protein  analysis  showed  complete  loss  of  MFN2  expression   in  kidney,  brain,  brainstem,  and  fibroblasts.  This  provides  an  excellent  system  that   complements  previous  studies.  We  began  with  the  working  hypothesis  that  loss  of  MFN2   expression  would  generate  pathology  as  a  result  of  defects  in  mitochondrial  fusion.  In  our   current  study  we  assayed  for  mutant  MFN2  protein  expression  in  primary  culture  systems   and  found  it  to  be  lost  in  PCF  but  detectable  in  PDRG  cells  that  are  coupled  to  the  neuronal   pathology  observed  in  FNAD.  The  deleted  glutamate  residue  in  MFN2ΔE539  is  a   constitutively  conserved  residue  in  all  bilateria  species  catalogued  in  HomoloGene   database  (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/homologene/8915).         Building  on  our  prior  studies,  we  hypothesized  that  MFN2  loss  of  function  would   disrupt  mitochondrial  function  and  morphology.  To  test  this,  we  first  examined  FNAD   embryonic  fibroblasts.  In  primary  FNAD  fibroblast  cultures  lacking  MFN2  expression,   measures  of  mitochondrial  morphology,  distribution,  respiration,  and  membrane  potential   (data  not  shown)  showed  no  significant  differences  from  wild  type  fibroblast  cultures.   Furthermore,  mitochondrial  dynamics  were  intact  in  FNAD  PCF  despite  the  lack  of  MFN2   expression,  most  likely  through  MFN1  expression  that  has  been  shown  to  complement  the   mitochondrial  fusion  function  of  MFN2  [26].  We  confirmed  this  assumption  through  MFN1   knockdown  in  FNAD  PCF  that  resulted  in  hyperfragmented  mitochondria,  indicating   decreased  fusion  potential  due  to  lack  of  both  MFNs.  A  similar  hyper-­‐fragmented   mitochondria  phenotype  was  generated  by  double  knockdown  of  MFNs  in  wild  type  PCF   mitochondria.  These  findings  further  demonstrate  that  MFN1  is  efficient  in  complementing   MFN2  fusion  function  in  FNAD  PCF  whereas  MFN2ΔE539,  if  expressed  at  all,  does  not.  These   results  were  similar  to  reports  that  showed  mitochondrial  morphology  and  functions  to  be   intact  in  CMT2A2  patients’  fibroblasts  [27,29].  In  contrast,  our  findings  disagree  with   findings  in  murine  embryonic  fibroblasts  deficient  of  MFN2  [11],  possibly  due  to  species-­‐ specific  dependence  on  MFN1  for  mitochondrial  fusion.  Or  perhaps  MFN2  null  MEFs  which   were  produced  by  introducing  a  premature  stop  codon  might  still  be  producing  partial   MFN2  proteins  competitively  forming  heterodimers  with  MFN1  and  thus  reducing  its   fusion  complementation  property,  or  still  partial  MFN2  with  maintained  outer  membrane   insertion  properties.  In  addition,  MFN2  null  MEFs  were  presumed  null  by  the  assurance   that  an  intact  GTPase  domain  is  essential  for  MFN2  function  which  is  debatable  since  MFN2   lacking  a  GTPase  domain  has  normal  mitochondrial  morphology  [21],  and  since  most   CMT2A2  MFN2  mutants  that  have  mutations  in  the  GTPase  domain  have  normal   mitochondrial  morphology  and  fusion,  presumably  through  interacting  with  MFN1.     Inaddition,  our  MFN2ΔE539  mitochondrial  morphology  and  fusion  results  replicate  previous   reported  findings  for  CMT2A2  MFN2  mutants  that  are  within  highly  conserved  regions   when  introduced  homozygously  in  mouse  embryonic  fibroblasts  [26].  A  hyper-­‐fragmented   phenotype  was  only  visible  when  these  MFN2  mutants  were  introduced  in  an  MFN1  null  

cell  system.  Those  MFN2  mutations  overlap  with  the  R1  and  R2  highly  conserved  regions  of   unknown  function  and  the  GTPase  domain,  whereas  our  mutation  is  the  first  reported  in   the  R5  conserved  region  of  unknown  function.  These  findings  suggest  that  MFN2ΔE539   pathogenesis  in  nervous  tissues  is  possibly  through  a  mechanism  other  than  dysfunctional   mitochondrial  fusion.     In  contrast  to  PCF,  protein  expression  of  MFN2ΔE539  was  detectable  in  cultured  PDRG   cells  derived  from  FNAD  pups.  FNAD  PDRG  mitochondria  showed  no  defects  in   mitochondrial  morphology.  MFN1  knockdown  in  PDRG  generated  hyperfragmented   mitochondria  analogous  to  PCF,  demonstrating  that  MFN2ΔE539  cannot  rescue   mitochondrial  fusion  in  this  cell  type,  at  least  at  the  demonstrated  expression  level.  The   same  phenotype  was  observed  when  MFN1  was  knocked  down  in  wild  type  PDRG   indicating  that  in  these  cultured  sensory  neurons,  wild  type  MFN2  contributes  little  if   anything  to  mitochondrial  fusion.  To  our  knowledge,  this  is  the  first  report  of  wild  type   MFN2  failing  to  complement  MFN1  mitochondrial  fusion  functions  in  neuronal  cultures.   Most  of  the  reported  studies  in  MFN1  null  cells  focused  on  fibroblast  culture  systems,  the   few  that  have  used  neuron  cell  systems  focused  on  creating  MFN2  null  neurons  to   introduce  mutant  MFN2  forms  [10,30],  or  failed  to  provide  evidence  of  MFN1  loss  in  an   MFN1  null  neuron  system  [31].  Our  finding  here  also  suggest  that  the  pathological  events  in   CMT2A2  related  MFN2  loss  of  function  mutations  affect  neurons  for  reasons  other  than  loss   of  mitochondrial  fusion.       Mfn2  has  been  proposed  to  be  involved  in  extramitochondrial  functions  that  include   mitochondrial  transport  in  neurons  and  ER-­‐mitochondrial  interaction.  In  addition,  in  our   study,  we  found  significant  dysregulation  of  mitophagy  in  FNAD  fibroblast  cultures.   Decreased  mitophagy  seen  in  mutant  cells  could  be  due  to  loss  of  MFN2  expression  [32].   Mitophagy  is  regulated  by  MFN2  ubiquitination  through  the  PINK1/Parkin  pathway  [7,33].   At  this  point  it  is  unclear  whether  this  MFN2  mutation  would  alter  a  structural  or  a   functional  property  of  MFN2  that  leads  to  defects  in  mitophagy.  However,  it  is  possible  that   the  mutation  itself  might  target  MFN2  for  earlier  degradation  and  absolve  its  role  in   mitophagic  regulation.  Degradation  of  MFN2ΔE539  either  by  targeted  early  protein   degradation  would  be  protective  in  FNAD  non  neuronal  tissues,  but  does  not  fully  explain   their  lack  of  detectable  pathology  or  the  fatal  pathology  found  in  nervous  tissues.           MFN2  function  in  neurons  has  been  the  subject  of  vigorous  research  to  determine  its   role  in  the  pathogenesis  of  a  number  of  related  neurodegenerative  diseases  [34,35,36].  An   MFN2  function  seemingly  unique  to  neurons  is  the  axonal  transport  of  mitochondria  [10].   We  have  attempted  to  investigate  this  function  in  a  sampled  time  lapse  imaging  experiment   and  in  both  wild  type  and  MFN2ΔE539  PDRG  cells  movement  was  evident  (data  not  shown).   However,  quantitative  and  qualitative  measurements  need  to  be  assessed  for  a  conclusive   result.  Moreover,  we  have  shown  that  MFN2ΔE539  is  expressed  in  PDRG  cells,  albeit  at   decreased  levels.  It  is  plausible  that  reduced  stability  of  MFN2ΔE539  is  briefly  tolerated  by   interacting  with  the  axonal  transport  machinery.  However,  such  association  might  be   inefficient  in  maintaining  mitochondrial  axonal  transport  in  long  motor  and  sensory  

neurons,  which  are  sites  of  the  most  evident  pathology  in  the  FNAD  model.  It  is  also   probable  that  additional  deficits  in  expressed  MFN2ΔE539  regulatory  mitochondrial   functions  including  energy  production,  endoplasmic  reticulum  tethering,  and  mitophagy   contribute  to  the  death  signals  that  result  in  neuronal  degeneration.     In  contrast  to  previous  studies,  we  found  very  mild  defects  in  mitochondrial   morphology  as  the  result  of  MFN2  loss  of  function.  Because  MFN1  complements,  MFN2,  this   suggests  that  one  of  the  toxic  gain  of  function  effects  of  MFN2  CTM2A  may  be  the   disruption  of  MFN1  function.  Together  our  results  suggest  that  defects  in  mitochondrial   fusion  caused  by  mutations  in  MFN2  may  be  something  of  a  red  herring  and  that  instead   the  pathology  in  CMT2A  may  be  primarily  the  result  of  “extra-­‐mitochondrial”  functions  of   MFN2  that  are  particular  important  for  neuronal  health.  Likewise,  this  helps  to  explain  why   some  alleles  of  MFN2  lead  to  pathology  without  significant  effects  on  mitochondrial  fusion.   One  implication  of  our  work  is  that  simply  increasing  the  expression  or  activity  of  MFN1  in   neurons,  may  not  rescue  normal  function.  Altered  axonal  transport  and  trafficking  of   mitochondria  has  been  reported  when  selected  CMT2A2  MFN2  mutants  were  expressed  in   DRG  cultures  [37].  Therefore,  we  suggest  that  axonal  transport  of  mitochondria  should  be   investigated  in  neuron  culture  systems  expressing  different  MFN2  mutations.  Such   experiments  would  provide  causative  evidence  for  MFN2  mutations  that  failed  to  generate   defects  in  non-­‐neuronal  tissues.  And  possibly  point  out  the  pathogenic  mechanism   contributing  to  variable  phenotype  severities.  Such  studies  might  provide  targets  for  better   pharmaceutical  treatment  and  management  of  MFN2  related  neuronal  disorders.    

Acknowledgements  

We  would  like  to  acknowledge  Prof.  Shelagh  M.  Ferguson-­‐Miller  for  providing  access  to  her   laboratory  facility,  and  Carrie  Hiser  and  Neil  Bowlby  for  sharing  their  experience.  We   would  like  to  thank  Philip  Lamoureux  at  Kyle  Miller  laboratory,  and  Melinda  Kay-­‐Frame  at   the  laser  Capture  Microscopy  (LCM)  unit,  MSU.  

  References  

    1.  Hales  KG,  Fuller  MT  (1997)  Developmentally  regulated  mitochondrial  fusion  mediated   by  a  conserved,  novel,  predicted  GTPase.  Cell  90:  121-­‐129.   2.  Santel  A,  Fuller  MT  (2001)  Control  of  mitochondrial  morphology  by  a  human  mitofusin.  J   Cell  Sci  114:  867-­‐874.   3.  Ishihara  N,  Eura  Y,  Mihara  K  (2004)  Mitofusin  1  and  2  play  distinct  roles  in   mitochondrial  fusion  reactions  via  GTPase  activity.  J  Cell  Sci  117:  6535-­‐6546.   4.  Pich  S,  Bach  D,  Briones  P,  Liesa  M,  Camps  M,  et  al.  (2005)  The  Charcot-­‐Marie-­‐Tooth  type   2A  gene  product,  Mfn2,  up-­‐regulates  fuel  oxidation  through  expression  of  OXPHOS   system.  Hum  Mol  Genet  14:  1405-­‐1415.   5.  Neuspiel  M,  Zunino  R,  Gangaraju  S,  Rippstein  P,  McBride  H  (2005)  Activated  mitofusin  2   signals  mitochondrial  fusion,  interferes  with  Bax  activation,  and  reduces   susceptibility  to  radical  induced  depolarization.  J  Biol  Chem  280:  25060-­‐25070.  

6.  Brooks  C,  Wei  Q,  Feng  L,  Dong  G,  Tao  Y,  et  al.  (2007)  Bak  regulates  mitochondrial   morphology  and  pathology  during  apoptosis  by  interacting  with  mitofusins.  Proc   Natl  Acad  Sci  U  S  A  104:  11649-­‐11654.   7.  Ziviani  E,  Whitworth  AJ  (2010)  How  could  Parkin-­‐mediated  ubiquitination  of  mitofusin   promote  mitophagy?  Autophagy  6:  660-­‐662.   8.  Bach  D,  Pich  S,  Soriano  FX,  Vega  N,  Baumgartner  B,  et  al.  (2003)  Mitofusin-­‐2  determines   mitochondrial  network  architecture  and  mitochondrial  metabolism.  A  novel   regulatory  mechanism  altered  in  obesity.  J  Biol  Chem  278:  17190-­‐17197.   9.  Papanicolaou  KN,  Kikuchi  R,  Ngoh  GA,  Coughlan  KA,  Dominguez  I,  et  al.  (2012)   Mitofusins  1  and  2  are  essential  for  postnatal  metabolic  remodeling  in  heart.  Circ   Res  111:  1012-­‐1026.   10.  Misko  A,  Jiang  S,  Wegorzewska  I,  Milbrandt  J,  Baloh  RH  (2010)  Mitofusin  2  is  necessary   for  transport  of  axonal  mitochondria  and  interacts  with  the  Miro/Milton  complex.  J   Neurosci  30:  4232-­‐4240.   11.  Chen  H,  Detmer  SA,  Ewald  AJ,  Griffin  EE,  Fraser  SE,  et  al.  (2003)  Mitofusins  Mfn1  and   Mfn2  coordinately  regulate  mitochondrial  fusion  and  are  essential  for  embryonic   development.  J  Cell  Biol  160:  189-­‐200.   12.  Martyn  CN,  Hughes  RA  (1997)  Epidemiology  of  peripheral  neuropathy.  J  Neurol   Neurosurg  Psychiatry  62:  310-­‐318.   13.  Verhoeven  K,  Claeys  KG,  Zuchner  S,  Schroder  JM,  Weis  J,  et  al.  (2006)  MFN2  mutation   distribution  and  genotype/phenotype  correlation  in  Charcot-­‐Marie-­‐Tooth  type  2.   Brain  129:  2093-­‐2102.   14.  Zuchner  S,  Mersiyanova  IV,  Muglia  M,  Bissar-­‐Tadmouri  N,  Rochelle  J,  et  al.  (2004)   Mutations  in  the  mitochondrial  GTPase  mitofusin  2  cause  Charcot-­‐Marie-­‐Tooth   neuropathy  type  2A.  Nat  Genet  36:  449-­‐451.   15.  Boaretto  F,  Vettori  A,  Casarin  A,  Vazza  G,  Muglia  M,  et  al.  (2010)  Severe  CMT  type  2  with   fatal  encephalopathy  associated  with  a  novel  MFN2  splicing  mutation.  Neurology   74:  1919-­‐1921.   16.  Calvo  J,  Funalot  B,  Ouvrier  RA,  Lazaro  L,  Toutain  A,  et  al.  (2009)  Genotype-­‐phenotype   correlations  in  Charcot-­‐Marie-­‐Tooth  disease  type  2  caused  by  mitofusin  2   mutations.  Arch  Neurol  66:  1511-­‐1516.   17.  Zuchner  S,  De  Jonghe  P,  Jordanova  A,  Claeys  KG,  Guergueltcheva  V,  et  al.  (2006)  Axonal   neuropathy  with  optic  atrophy  is  caused  by  mutations  in  mitofusin  2.  Ann  Neurol   59:  276-­‐281.   18.  Nicholson  GA,  Magdelaine  C,  Zhu  D,  Grew  S,  Ryan  MM,  et  al.  (2008)  Severe  early-­‐onset   axonal  neuropathy  with  homozygous  and  compound  heterozygous  MFN2  mutations.   Neurology  70:  1678-­‐1681.   19.  Fyfe  JC,  Al-­‐Tamimi  RA,  Castellani  RJ,  Rosenstein  D,  Goldowitz  D,  et  al.  (2010)  Inherited   neuroaxonal  dystrophy  in  dogs  causing  lethal,  fetal-­‐onset  motor  system  dysfunction   and  cerebellar  hypoplasia.  J  Comp  Neurol  518:  3771-­‐3784.   20.  Fyfe  JC,  Al-­‐Tamimi  RA,  Liu  J,  Schaffer  AA,  Agarwala  R,  et  al.  (2011)  A  novel  mitofusin  2   mutation  causes  canine  fetal-­‐onset  neuroaxonal  dystrophy.  Neurogenetics  12:  223-­‐ 232.  

21.  Honda  S,  Aihara  T,  Hontani  M,  Okubo  K,  Hirose  S  (2005)  Mutational  analysis  of  action  of   mitochondrial  fusion  factor  mitofusin-­‐2.  J  Cell  Sci  118:  3153-­‐3161.   22.  Lemasters  JJ  (1984)  The  ATP-­‐to-­‐oxygen  stoichiometries  of  oxidative  phosphorylation   by  rat  liver  mitochondria.  An  analysis  of  ADP-­‐induced  oxygen  jumps  by  linear   nonequilibrium  thermodynamics.  J  Biol  Chem  259:  13123-­‐13130.   23.  Bradford  MM  (1976)  A  rapid  and  sensitive  method  for  the  quantitation  of  microgram   quantities  of  protein  utilizing  the  principle  of  protein-­‐dye  binding.  Anal  Biochem  72:   248-­‐254.   24.  Xu  D,  Fyfe  JC  (2000)  Cubilin  expression  and  posttranslational  modification  in  the  canine   gastrointestinal  tract.  Am  J  Physiol  Gastrointest  Liver  Physiol  279:  G748-­‐756.   25.  Bolte  S,  Cordelieres  FP  (2006)  A  guided  tour  into  subcellular  colocalization  analysis  in   light  microscopy.  J  Microsc  224:  213-­‐232.   26.  Detmer  SA,  Chan  DC  (2007)  Complementation  between  mouse  Mfn1  and  Mfn2  protects   mitochondrial  fusion  defects  caused  by  CMT2A  disease  mutations.  J  Cell  Biol  176:   405-­‐414.   27.  Amiott  EA,  Lott  P,  Soto  J,  Kang  PB,  McCaffery  JM,  et  al.  (2008)  Mitochondrial  fusion  and   function  in  Charcot-­‐Marie-­‐Tooth  type  2A  patient  fibroblasts  with  mitofusin  2   mutations.  Exp  Neurol  211:  115-­‐127.   28.  Chen  H,  Chomyn  A,  Chan  DC  (2005)  Disruption  of  fusion  results  in  mitochondrial   heterogeneity  and  dysfunction.  J  Biol  Chem  280:  26185-­‐26192.   29.  Guillet  V,  Gueguen  N,  Verny  C,  Ferre  M,  Homedan  C,  et  al.  (2010)  Adenine  nucleotide   translocase  is  involved  in  a  mitochondrial  coupling  defect  in  MFN2-­‐related  Charcot-­‐ Marie-­‐Tooth  type  2A  disease.  Neurogenetics  11:  127-­‐133.   30.  Misko  AL,  Sasaki  Y,  Tuck  E,  Milbrandt  J,  Baloh  RH  (2012)  Mitofusin2  mutations  disrupt   axonal  mitochondrial  positioning  and  promote  axon  degeneration.  J  Neurosci  32:   4145-­‐4155.   31.  Lee  S,  Sterky  FH,  Mourier  A,  Terzioglu  M,  Cullheim  S,  et  al.  (2012)  Mitofusin  2  is   necessary  for  striatal  axonal  projections  of  midbrain  dopamine  neurons.  Hum  Mol   Genet  21:  4827-­‐4835.   32.  Zhao  T,  Huang  X,  Han  L,  Wang  X,  Cheng  H,  et  al.  (2012)  Central  role  of  mitofusin  2  in   autophagosome-­‐lysosome  fusion  in  cardiomyocytes.  J  Biol  Chem  287:  23615-­‐23625.   33.  Gegg  ME,  Cooper  JM,  Chau  KY,  Rojo  M,  Schapira  AH,  et  al.  (2010)  Mitofusin  1  and   mitofusin  2  are  ubiquitinated  in  a  PINK1/parkin-­‐dependent  manner  upon  induction   of  mitophagy.  Hum  Mol  Genet  19:  4861-­‐4870.   34.  Palau  F,  Estela  A,  Pla-­‐Martin  D,  Sanchez-­‐Piris  M  (2009)  The  role  of  mitochondrial   network  dynamics  in  the  pathogenesis  of  Charcot-­‐Marie-­‐Tooth  disease.  Adv  Exp   Med  Biol  652:  129-­‐137.   35.  Cho  DH,  Nakamura  T,  Lipton  SA  (2010)  Mitochondrial  dynamics  in  cell  death  and   neurodegeneration.  Cell  Mol  Life  Sci  67:  3435-­‐3447.   36.  Oettinghaus  B,  Licci  M,  Scorrano  L,  Frank  S  (2012)  Less  than  perfect  divorces:   dysregulated  mitochondrial  fission  and  neurodegeneration.  Acta  Neuropathol  123:   189-­‐203.  

37.  Baloh  RH,  Schmidt  RE,  Pestronk  A,  Milbrandt  J  (2007)  Altered  axonal  mitochondrial   transport  in  the  pathogenesis  of  Charcot-­‐Marie-­‐Tooth  disease  from  mitofusin  2   mutations.  J  Neurosci  27:  422-­‐430.                                                                                  

Table  1.  Control  and  selected  knock-­‐down  dsiRNA  sense  (S)  and  anti-­‐sense  (A)  sequences.   DsiRNA name

Duplex sequence

NC1 negative control

S 5’- CGU UAA UCG CGU AUA AUA CGC GUA T -3’ A 5’- AUA CGC GUA UUA UAC GCG AUU AAC GAC -3’

TYE 563 transfection

S 5’- TCC UUC CUC UCU UUC UCU CCC UUG UGA -3’

control

A 5’- TCA CAA GGG AGA GAA AGA GAG GAA -3’

MFN1 Duplex 1

S 5’- AGA AUA UAU GGA AGA CGU ACG CAG A -3’ A 5’- UCU GCG UAC GUC UUC CAU AUA UUC UGG -3’

MFN2 Duplex 1

S1 5’- CCC GGU UAC GAC AGA AGA ACA GGT T -3’ A1 5’- AAC CUG UUC UUC UGU CGU AAC CGG GUC -3’

Duplex 2

S2 5’- CGA GCA ACG GGA AGA GCA CUG UAA T -3’ A2 5’- AUU ACA GUG CUC UUC CCG UUG CUC GUC -3’

                                         

Figure  1.  Mitochondrial  morphology  in  (A)  Wildtype  MFN2  PCF  (left),  and  MFN2ΔE539  PCF   (right);  (B)  wildtype  MFN2  in  PDRG  (left),  and  MFN2ΔE539  PDRG  (right).  (bar  =  5µm)                      

 

       

    Figure  2.  MFN2  protein  expression  in  MFN2wt  and  MFN2ΔE539  cell  cultures.  (A)  PCF  cells   subcellular  fractions  consistently  showed  complete  loss  of    MFN2ΔE539  compared  to  MFN2wt   PCF  cells.  (B)  PDRG  cells  total  lysate  MFN2ΔE539  expression  was  detectable  albeit  in   decreased  amounts  when  compared  to  MFN2wt  PDRG  lysate.  MFN1  expression  was   increased  in  MFN2ΔE539  PDRG  lysate  when  compared  to  MFN2wt    PDRG  lysate.                

    Figure  3.  MFN1  knockdown  in  MFN2wt  and  MFN2ΔE539  PCF  cells  resulted  in  different   phenotypes  (A),  while  MFN2wt  PCF  (left)  mitochondria  retained  normal  morphology   MFN2ΔE539  PCF  cells  (center,  right)  showed  hyperfragmented  mitochondria.  In  MFNs   double  knockdown  experiment  (B),  both  MFN2wt    (left)  and  MFN2ΔE539    (right)  PCF   mitochondria  displayed  similar  hyperfragmented  morphology.            

 

   

    Figure  4.  MFN1  knockdown  in  MFN2wt  (A)  and  MFN2ΔE539  (B)  PDRG  cells  resulted  in   similar  phenotypes  of  hyperfragmented  mitochondria  indicating  that  MFN2wt  is  incapable   of  complementing  MFN1  fusion  function  in  PDRG  cells.