Abstract MECP2 loss-of-function mutations cause Rett syndrome, a disorder that results from a disrupted brain transcriptome. How these transcriptional defects are decoded into a disease proteome remains unknown. We studied the proteome in Rett syndrome cerebrospinal fluid (CSF) across vertebrates. We identified a consensus proteome and ontological categories shared across Rett syndrome cerebrospinal fluid (CSF) from three species, including humans. Rett CSF proteomes enriched proteins annotated to HDL lipoproteins, complement, mitochondria, citrate/pyruvate metabolism, as well as synapse compartments. We used these prioritized and shared ontologies to select analytes for orthogonal quantification. These studies independently validated our proteome and ontologies. Ontologically selected CSF hits had genotypic discriminatory capacity as determined by Receiver Operating Characteristic (ROC) analysis and distinguished Rett from a related neurodevelopmental disorder, CDKL5 deficiency disorder. We propose that Mecp2 mutant CSF proteomes and ontologies inform novel putative mechanisms and biomarkers of disease. We suggest that Rett syndrome is a metabolic disorder impacting synapse function.

Neurodevelopmental disorders offer insight into synaptic mechanisms. To unbiasedly uncover these mechanisms, we studied the 22q11.2 syndrome, a recurrent copy number variant, which is the highest schizophrenia genetic risk factor. We quantified the proteomes of 22q11.2 mutant human fibroblasts and mouse brains carrying a 22q11.2-like defect, Df(16)A+/-. Molecular ontologies defined mitochondrial compartments and pathways as some of top ranked categories. In particular, we identified perturbations in the SLC25A1-SLC25A4 mitochondrial transporter interactome as associated with the 22q11.2 genetic defect. Expression of SLC25A1-SLC25A4 interactome components was affected in neuronal cells from schizophrenia patients. Furthermore, hemideficiency of the Drosophila SLC25A4 orthologue, dSLC25A4-sesB, affected synapse function and impaired sleep patterns in a neuronal-specific manner. These results identify a novel synaptic role of mitochondrial inner membrane solute transporters. We propose that mitochondria are among key organelles affected by genetic defects that increase the risk of neurodevelopmental disorders.

Eukaryotic cells maintain proteostasis through mechanisms that require cytoplasmic and mitochondrial translation. Genetic defects affecting cytoplasmic translation perturb synapse development, neurotransmission, and are causative of neurodevelopmental disorders such as Fragile X syndrome. In contrast, there is little indication that mitochondrial proteostasis, either in the form of mitochondrial protein translation and/or degradation, is required for synapse development and function. Here we focus on two genes deleted in a recurrent copy number variation causing neurodevelopmental disorders, the 22q11.2 microdeletion syndrome. We demonstrate that SLC25A1 and MRPL40, two genes present in this microdeleted segment and whose products localize to mitochondria, interact and are necessary for mitochondrial protein translation and proteostasis. Our Drosophila studies show that mitochondrial ribosome function is necessary for synapse neurodevelopment, function, and behavior. We propose that mitochondrial proteostasis perturbations, either by genetic or environmental factors, are a novel pathogenic mechanism for neurodevelopmental disorders.

Abstract Genes mutated in monogenic neurodevelopmental disorders are broadly expressed. This observation supports the concept that monogenic neurodevelopmental disorders are systemic diseases that profoundly impact neurodevelopment. We tested the systemic disease model focusing on Rett syndrome, which is caused by mutations in MECP2 . Transcriptomes and proteomes of organs and brain regions from Mecp2 -null mice as well as diverse MECP2 -null male and female human cells were assessed. Widespread changes in the steady-state transcriptome and proteome were identified in brain regions and organs of presymptomatic Mecp2 -null male mice as well as mutant human cell lines. The extent of these transcriptome and proteome modifications was similar in cortex, liver, kidney, and skeletal muscle and more pronounced than in the hippocampus and striatum. In particular, Mecp2 - and MECP2 -sensitive proteomes were enriched in synaptic and metabolic annotated gene products, the latter encompassing lipid metabolism and mitochondrial pathways. MECP2 mutations altered pyruvate-dependent mitochondrial respiration while maintaining the capacity to use glutamine as a mitochondrial carbon source. We conclude that mutations in Mecp2 / MECP2 perturb lipid and mitochondrial metabolism systemically limiting cellular flexibility to utilize mitochondrial fuels.

Rare inherited diseases caused by mutations in the copper transporters

Abstract Mitochondria influence cellular function through both cell-autonomous and non-cell autonomous mechanisms, such as production of paracrine and endocrine factors. Here, we demonstrate that mitochondrial regulation of the secretome is more extensive than previously appreciated, as both genetic and pharmacological disruption of the electron transport chain caused upregulation of the Alzheimer’s disease risk factor apolipoprotein E (APOE) and other secretome components. This upregulation of secretory proteins was of a similar extent as modifications to the mitochondrial annotated proteome. Indirect disruption of the electron transport chain by gene editing of SLC25A mitochondrial membrane transporters as well as direct genetic and pharmacological disruption of either complexes I, III, or the copper-containing complex IV of the electron transport chain, elicited upregulation of APOE transcript, protein, and secretion, up to 49-fold. These APOE phenotypes were robustly expressed in diverse cell types and iPSC-derived human astrocytes as part of an inflammatory gene expression program. Moreover, age- and genotype-dependent decline in brain levels of respiratory complex I preceded an increase in APOE in the 5xFAD mouse model. We propose that mitochondria act as novel upstream regulators of APOE-dependent cellular processes in health and disease.

Abstract Rare genetic diseases preponderantly affect the nervous system with phenotypes spanning from neurodegeneration to neurodevelopmental disorders. This is the case for both Menkes and Wilson disease, arising from mutations in ATP7A and ATP7B, respectively. The ATP7A and ATP7B proteins localize to the Golgi and regulate copper homeostasis. We demonstrate conserved interactions between ATP7 paralogs with the COG complex, a Golgi complex tether. Disruption of Drosophila copper homeostasis by ATP7 tissue-specific transgenic expression caused alterations in epidermis, catecholaminergic, sensory, and motor neurons. Prominent among neuronal phenotypes was a decreased mitochondrial content at synapses, a phenotype that paralleled with alterations of synaptic morphology, transmission, and plasticity. These neuronal and synaptic phenotypes caused by transgenic expression of ATP7 were rescued by downregulation or haploinsufficiency of COG complex subunits. We conclude that the integrity of Golgi-dependent copper homeostasis mechanisms, requiring ATP7 and COG, are necessary to maintain mitochondria functional integrity and localization to synapses. Significance Statement Menkes and Wilson disease affect copper homeostasis and characteristically afflict the nervous system. However, their molecular neuropathology mechanisms remain mostly unexplored. We demonstrate that copper homeostasis in neurons is maintained by two factors that localize to the Golgi apparatus, ATP7 and the COG complex. Disruption of these mechanisms affect mitochondrial function and localization to synapses as well as neurotransmission and synaptic plasticity. These findings suggest a new principle of interorganelle communication whereby the Golgi apparatus and mitochondria are functionally coupled through homeostatically controlled cellular copper levels.