Cristae membrane state plays a central role in regulating mitochondrial function and cellular metabolism. The protein Optic atrophy 1 (Opa1) is an important crista remodeler that exists as two forms in the mitochondrion, a membrane-anchored long form (l-Opa1) and a processed short form (s-Opa1). The mechanisms for how Opa1 influences cristae shape have remained unclear due to lack of native three-dimensional views of cristae. We perform in situ cryo-electron tomography of cryo-focused ion beam milled mouse embryonic fibroblasts with defined Opa1 states to understand how each form of Opa1 influences cristae architecture. In our tomograms, we observe a variety of cristae shapes with distinct trends dependent on s-Opa1:l-Opa1 balance. Increased l-Opa1 levels promote cristae stacking and elongated mitochondria while increased s-Opa1 levels correlated with irregular cristae packing and round mitochondria shape. Functional assays indicate a role for l-Opa1 in wild-type apoptotic and calcium handling responses, and compromised respiratory function under Opa1 imbalance. In summary, we provide three-dimensional visualization of cristae architecture to reveal relationships between mitochondrial ultrastructure and cellular function dependent on Opa1-mediated membrane remodeling.

Abstract Spinal muscular atrophy (SMA) is a devastating neuromuscular disease caused by mutations in the SMN1 gene. Despite the development of various therapies, outcomes can remain suboptimal in SMA infants and the duration of such therapies are uncertain. SMN2 is a paralogous gene that mainly differs from SMN1 by a C•G-to-T•A transition in exon 7, resulting in the skipping of exon 7 in most SMN2 transcripts and production of only low levels of survival motor neuron (SMN) protein. Genome editing technologies targeted to the SMN2 exon 7 mutation could offer a therapeutic strategy to restore SMN protein expression to normal levels irrespective of the patient SMN1 mutation. Here, we optimized a base editing approach to precisely edit SMN2 , reverting the exon 7 mutation via an A•T-to-G•C base edit. We tested a range of different adenosine base editors (ABEs) and Cas9 enzymes, resulting in up to 99% intended editing in SMA patient-derived fibroblasts with concomitant increases in SMN2 exon 7 transcript expression and SMN protein levels. We generated and characterized ABEs fused to high-fidelity Cas9 variants which reduced potential off-target editing. Delivery of these optimized ABEs via dual adeno-associated virus (AAV) vectors resulted in precise SMN2 editing in vivo in an SMA mouse model. This base editing approach to correct SMN2 should provide a long-lasting genetic treatment for SMA with advantages compared to current nucleic acid, small molecule, or exogenous gene replacement therapies. More broadly, our work highlights the potential of PAMless SpRY base editors to install edits efficiently and safely.