Background Muscle biopsy is the gold standard for diagnosis of mitochondrial disorders because of the lack of sensitive biomarkers in serum. Fibroblast growth factor 21 (FGF-21) is a growth factor with regulatory roles in lipid metabolism and the starvation response, and concentrations are raised in skeletal muscle and serum in mice with mitochondrial respiratory chain deficiencies. We investigated in a retrospective diagnostic study whether FGF-21 could be a biomarker for human mitochondrial disorders. Methods We assessed samples from adults and children with mitochondrial disorders or non-mitochondrial neurological disorders (disease controls) from seven study centres in Europe and the USA, and recruited healthy volunteers (healthy controls), matched for age where possible, from the same centres. We used ELISA to measure FGF-21 concentrations in serum or plasma samples (abnormal values were defined as >200 pg/mL). We compared these concentrations with values for lactate, pyruvate, lactate-to-pyruvate ratio, and creatine kinase in serum or plasma and calculated sensitivity, specificity, and positive and negative predictive values for all biomarkers. Findings We analysed serum or plasma from 67 patients (41 adults and 26 children) with mitochondrial disorders, 34 disease controls (22 adults and 12 children), and 74 healthy controls. Mean FGF-21 concentrations in serum were 820 (SD 1151) pg/mL in adult and 1983 (1550) pg/mL in child patients with respiratory chain deficiencies and 76 (58) pg/mL in healthy controls. FGF-21 concentrations were high in patients with mitochondrial disorders affecting skeletal muscle but not in disease controls, including those with dystrophies. In patients with abnormal FGF-21 concentrations in serum, the odds ratio of having a muscle-manifesting mitochondrial disease was 132·0 (95% CI 38·7–450·3). For the identification of muscle-manifesting mitochondrial disease, the sensitivity was 92·3% (95% CI 81·5–97·9%) and specificity was 91·7% (84·8–96·1%). The positive and negative predictive values for FGF-21 were 84·2% (95% CI 72·1–92·5%) and 96·1 (90·4–98·9%). The accuracy of FGF-21 to correctly identify muscle-manifesting respiratory chain disorders was better than that for all conventional biomarkers. The area under the receiver-operating-characteristic curve for FGF-21 was 0·95; by comparison, the values for other biomarkers were 0·83 lactate (p=0·037, 0·83 for pyruvate (p=0·015), 0·72 for the lactate-to-pyruvate ratio (p=0·0002), and 0·77 for creatine kinase (p=0·013). Interpretation Measurement of FGF-21 concentrations in serum identified primary muscle-manifesting respiratory chain deficiencies in adults and children and might be feasible as a first-line diagnostic test for these disorders to reduce the need for muscle biopsy. Funding Sigrid Jusélius Foundation, Jane and Aatos Erkko Foundation, Molecular Medicine Institute of Finland, University of Helsinki, Helsinki University Central Hospital, Academy of Finland, Novo Nordisk, Arvo and Lea Ylppö Foundation.

Mitochondrial respiratory chain (RC) deficiency is among the most common causes of inherited metabolic disease, but its physiological consequences are poorly characterized. We studied the skeletal muscle gene expression profiles of mice with late-onset mitochondrial myopathy. These animals express a dominant patient mutation in the mitochondrial replicative helicase Twinkle, leading to accumulation of multiple mtDNA deletions and progressive subtle RC deficiency in the skeletal muscle. The global gene expression pattern of the mouse skeletal muscle showed induction of pathways involved in amino acid starvation response and activation of Akt signaling. Furthermore, the muscle showed induction of a fasting-related hormone, fibroblast growth factor 21 (Fgf21). This secreted regulator of lipid metabolism was also elevated in the mouse serum, and the animals showed widespread changes in their lipid metabolism: small adipocyte size, low fat content in the liver and resistance to high-fat diet. We propose that RC deficiency induces a mitochondrial stress response, with local and global changes mimicking starvation, in a normal nutritional state. These results may have important implications for understanding the metabolic consequences of mitochondrial myopathies.

Abstract Background Techniques enabling targeted re-sequencing of the protein coding sequences of the human genome on next generation sequencing instruments are of great interest. We conducted a systematic comparison of the solution-based exome capture kits provided by Agilent and Roche NimbleGen. A control DNA sample was captured with all four capture methods and prepared for Illumina GAII sequencing. Sequence data from additional samples prepared with the same protocols were also used in the comparison. Results We developed a bioinformatics pipeline for quality control, short read alignment, variant identification and annotation of the sequence data. In our analysis, a larger percentage of the high quality reads from the NimbleGen captures than from the Agilent captures aligned to the capture target regions. High GC content of the target sequence was associated with poor capture success in all exome enrichment methods. Comparison of mean allele balances for heterozygous variants indicated a tendency to have more reference bases than variant bases in the heterozygous variant positions within the target regions in all methods. There was virtually no difference in the genotype concordance compared to genotypes derived from SNP arrays. A minimum of 11× coverage was required to make a heterozygote genotype call with 99% accuracy when compared to common SNPs on genome-wide association arrays. Conclusions Libraries captured with NimbleGen kits aligned more accurately to the target regions. The updated NimbleGen kit most efficiently covered the exome with a minimum coverage of 20×, yet none of the kits captured all the Consensus Coding Sequence annotated exons.

ABSTRACT Rhabdomyolysis is the acute breakdown of skeletal myofibres in response to an initiating factor, most commonly toxins and over exertion. A variety of genetic disorders predispose to rhabdomyolysis through different pathogenic mechanisms, particularly in patients with recurrent episodes. However, the majority of cases remain without a genetic diagnosis. Here we present six patients who presented with severe and recurrent rhabdomyolysis, usually with onset in the teenage years; other features included a history of myalgia and muscle cramps. We identified ten bi-allelic loss-of-function variants in the gene encoding obscurin ( OBSCN ) co-segregating with disease. We show reduced expression of OBSCN and loss of obscurin protein in patient muscle. Obscurin is proposed to be involved in SR function and Ca 2+ handling. Patient cultured myoblasts appear more susceptible to starvation as evidenced by a greater decreased in SR Ca 2+ content compared to control myoblasts. This likely reflects a lower efficiency when pumping Ca 2+ back into the SR and/or a decrease in Ca 2+ SR storage ability when metabolism is diminished. OSBCN variants have previously been associated with cardiomyopathies. None of the patients presented with a cardiomyopathy and cardiac examinations were normal in all cases in which cardiac function was assessed. There was also no history of cardiomyopathy in first degree relatives, in particular in any of the carrier parents. This cohort is relatively young, thus follow-up studies and the identification of additional cases with bi-allelic null OBSCN variants will further delineate OBSCN -related disease and the clinical course of disease.

ABSTRACT Charcot-Marie-Tooth disease (CMT) is the most common inherited peripheral polyneuropathy in humans, and its different subtypes are linked to mutations in dozens of different genes. Mutations in ganglioside-induced differentiation-associated protein 1 (GDAP1) cause two types of CMT, demyelinating CMT4A and axonal CMT2K. The GDAP1-linked CMT genotypes are mainly missense point mutations. Despite clinical profiling and in vivo studies on the mutations, the etiology of GDAP1-linked CMT is poorly understood. Here, we describe the biochemical and structural properties of the Finnish founding CMT2K mutation H123R as well as CMT2K-linked R120W, both of which are autosomal dominant mutations. The disease variant proteins retain close to normal structure and solution behaviour, but both present a large decrease in thermal stability. Using GDAP1 variant crystal structures, we identify a side chain interaction network between helices α3, α6, and α7, which is affected by CMT mutations, as well as a hinge in the long helix α6, which is linked to structural flexibility. Structural analysis of GDAP1 indicates that CMT may arise from disruption of specific intra- and intermolecular interaction networks, leading to alterations in GDAP1 structure and stability, and eventually, insufficient motor and sensory neuron function.

Abstract Mitochondrial DNA (mtDNA) has been suggested to drive immune system activation, but the induction of interferon signaling by mtDNA has not been demonstrated in a Mendelian mitochondrial disease. We initially ascertained two patients, one with a purely neurological phenotype, and one with features suggestive of systemic sclerosis in a syndromic context, and found them both to demonstrate enhanced interferon-stimulated gene (ISG) expression in blood. We determined each to harbor a previously described de novo dominant-negative heterozygous mutation in ATAD3A , encoding ATPase family AAA domain-containing protein 3A (ATAD3A). We identified five further patients with mutations in ATAD3A , and recorded up-regulated ISG expression and interferon alpha protein in four of them. Knockdown of ATAD3A in THP-1 cells resulted in increased interferon signaling, mediated by cyclic GMP-AMP synthase (cGAS) and stimulator of interferon genes (STING). Enhanced interferon signaling was abrogated in THP-1 cells and patient fibroblasts depleted of mtDNA. Thus, mutations in the mitochondrial membrane protein ATAD3A define a novel type I interferonopathy. Summary Dominant-negative mutations in ATAD3A, a ubiquitously expressed mitochondrial protein, cause mitochondrial DNA-dependent up-regulation of type I interferon signaling in the context of neurological disease and autoimmunity, thereby defining a novel type I interferonopathy.

SUMMARY Loss-of-function of the mRNA export protein GANP ( MCM3AP gene) cause early-onset sensorimotor neuropathy, characterised by axonal degeneration in long peripheral nerves. GANP functions as a scaffold at nuclear pore complexes, contributing to selective nuclear export of mRNAs. Here, we aimed to identify motor neuron specific transcripts that are regulated by GANP and may be limiting for local protein synthesis in motor neuron axons. We compared motor neurons with a gene edited mutation in the Sac3 mRNA binding domain of GANP to isogenic controls. We also examined patient-derived motor neurons. RNA sequencing of motor neurons as well as nuclear and axonal subcompartments showed that mutant GANP had a profound effect on motor neuron transcriptomes, with alterations in nearly 40 percent of all expressed genes and broad changes in splicing. Expression changes in multiple genes critical for neuronal functions, combined with compensatory upregulation of protein synthesis and early-stage metabolic stress genes, indicated that RNA metabolism was abnormal in GANP-deficient motor neurons. Surprisingly, limited evidence was found for large-scale nuclear retention of mRNA. This first study of neuropathy-linked GANP defects in human motor neurons shows that GANP has a wide gene regulatory role in a disease-relevant cell type that requires long-distance mRNA transport.