Mutations in OPA1, a dynamin-related GTPase involved in mitochondrial fusion, cristae organization and control of apoptosis, have been linked to non-syndromic optic neuropathy transmitted as an autosomal-dominant trait (DOA). We here report on eight patients from six independent families showing that mutations in the OPA1 gene can also be responsible for a syndromic form of DOA associated with sensorineural deafness, ataxia, axonal sensory-motor polyneuropathy, chronic progressive external ophthalmoplegia and mitochondrial myopathy with cytochrome c oxidase negative and Ragged Red Fibres. Most remarkably, we demonstrate that these patients all harboured multiple deletions of mitochondrial DNA (mtDNA) in their skeletal muscle, thus revealing an unrecognized role of the OPA1 protein in mtDNA stability. The five OPA1 mutations associated with these DOA ‘plus’ phenotypes were all mis-sense point mutations affecting highly conserved amino acid positions and the nuclear genes previously known to induce mtDNA multiple deletions such as POLG1, PEO1 (Twinkle) and SLC25A4 (ANT1) were ruled out. Our results show that certain OPA1 mutations exert a dominant negative effect responsible for multi-systemic disease, closely related to classical mitochondrial cytopathies, by a mechanism involving mtDNA instability.

Additional neurological features have recently been described in seven families transmitting pathogenic mutations in OPA1, the most common cause of autosomal dominant optic atrophy. However, the frequency of these syndromal ‘dominant optic atrophy plus’ variants and the extent of neurological involvement have not been established. In this large multi-centre study of 104 patients from 45 independent families, including 60 new cases, we show that extra-ocular neurological complications are common in OPA1 disease, and affect up to 20% of all mutational carriers. Bilateral sensorineural deafness beginning in late childhood and early adulthood was a prominent manifestation, followed by a combination of ataxia, myopathy, peripheral neuropathy and progressive external ophthalmoplegia from the third decade of life onwards. We also identified novel clinical presentations with spastic paraparesis mimicking hereditary spastic paraplegia, and a multiple sclerosis-like illness. In contrast to initial reports, multi-system neurological disease was associated with all mutational subtypes, although there was an increased risk with missense mutations [odds ratio = 3.06, 95% confidence interval = 1.44–6.49; P = 0.0027], and mutations located within the guanosine triphosphate-ase region (odds ratio = 2.29, 95% confidence interval = 1.08–4.82; P = 0.0271). Histochemical and molecular characterization of skeletal muscle biopsies revealed the presence of cytochrome c oxidase-deficient fibres and multiple mitochondrial DNA deletions in the majority of patients harbouring OPA1 mutations, even in those with isolated optic nerve involvement. However, the cytochrome c oxidase-deficient load was over four times higher in the dominant optic atrophy + group compared to the pure optic neuropathy group, implicating a causal role for these secondary mitochondrial DNA defects in disease pathophysiology. Individuals with dominant optic atrophy plus phenotypes also had significantly worse visual outcomes, and careful surveillance is therefore mandatory to optimize the detection and management of neurological disability in a group of patients who already have significant visual impairment.

Mutations in nuclear genes involved in mitochondrial DNA (mtDNA) maintenance cause a wide range of clinical phenotypes associated with the secondary accumulation of multiple mtDNA deletions in affected tissues. The majority of families with autosomal dominant progressive external ophthalmoplegia (PEO) harbour mutations in genes encoding one of three well-characterized proteins—polγ, Twinkle or Ant 1. Here we show that a heterozygous mis-sense mutation in OPA1 leads to multiple mtDNA deletions in skeletal muscle and a mosaic defect of cytochrome c oxidase (COX). The disorder presented with visual failure and optic atrophy in childhood, followed by PEO, ataxia, deafness and a sensory-motor neuropathy in adult life. COX-deficient skeletal muscle fibres contained supra-threshold levels of multiple mtDNA deletions, and genetic linkage, sequencing and expression analysis excluded POLG1, PEO1 and SLC25A4, the gene encoding Ant 1, as the cause. This demonstrates the importance of OPA1 in mtDNA maintenance, and implicates OPA1 in diseases associated with secondary defects of mtDNA.

Autosomal-recessive optic neuropathies are rare blinding conditions related to retinal ganglion cell (RGC) and optic-nerve degeneration, for which only mutations in TMEM126A and ACO2 are known. In four families with early-onset recessive optic neuropathy, we identified mutations in RTN4IP1, which encodes a mitochondrial ubiquinol oxydo-reductase. RTN4IP1 is a partner of RTN4 (also known as NOGO), and its ortholog Rad8 in C. elegans is involved in UV light response. Analysis of fibroblasts from affected individuals with a RTN4IP1 mutation showed loss of the altered protein, a deficit of mitochondrial respiratory complex I and IV activities, and increased susceptibility to UV light. Silencing of RTN4IP1 altered the number and morphogenesis of mouse RGC dendrites in vitro and the eye size, neuro-retinal development, and swimming behavior in zebrafish in vivo. Altogether, these data point to a pathophysiological mechanism responsible for RGC early degeneration and optic neuropathy and linking RTN4IP1 functions to mitochondrial physiology, response to UV light, and dendrite growth during eye maturation. Autosomal-recessive optic neuropathies are rare blinding conditions related to retinal ganglion cell (RGC) and optic-nerve degeneration, for which only mutations in TMEM126A and ACO2 are known. In four families with early-onset recessive optic neuropathy, we identified mutations in RTN4IP1, which encodes a mitochondrial ubiquinol oxydo-reductase. RTN4IP1 is a partner of RTN4 (also known as NOGO), and its ortholog Rad8 in C. elegans is involved in UV light response. Analysis of fibroblasts from affected individuals with a RTN4IP1 mutation showed loss of the altered protein, a deficit of mitochondrial respiratory complex I and IV activities, and increased susceptibility to UV light. Silencing of RTN4IP1 altered the number and morphogenesis of mouse RGC dendrites in vitro and the eye size, neuro-retinal development, and swimming behavior in zebrafish in vivo. Altogether, these data point to a pathophysiological mechanism responsible for RGC early degeneration and optic neuropathy and linking RTN4IP1 functions to mitochondrial physiology, response to UV light, and dendrite growth during eye maturation. Inherited optic neuropathies (IONs) are neurodegenerative diseases affecting the visual pathway and are frequently associated with extra-ocular symptoms.1Lenaers G. Hamel C. Delettre C. Amati-Bonneau P. Procaccio V. Bonneau D. Reynier P. Milea D. Dominant optic atrophy.Orphanet J. Rare Dis. 2012; 7: 46Crossref PubMed Scopus (165) Google Scholar, 2Maresca A. la Morgia C. Caporali L. Valentino M.L. Carelli V. The optic nerve: a "mito-window" on mitochondrial neurodegeneration.Mol. Cell. Neurosci. 2013; 55: 62-76Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar Dominant IONs (dominant optic atrophy [DOA] [MIM: 165500]) are mostly caused by mutations in OPA13Delettre C. Lenaers G. Griffoin J.M. Gigarel N. Lorenzo C. Belenguer P. Pelloquin L. Grosgeorge J. Turc-Carel C. Perret E. et al.Nuclear gene OPA1, encoding a mitochondrial dynamin-related protein, is mutated in dominant optic atrophy.Nat. Genet. 2000; 26: 207-210Crossref PubMed Scopus (1149) Google Scholar, 4Ferré M. Caignard A. Milea D. Leruez S. Cassereau J. Chevrollier A. Amati-Bonneau P. Verny C. Bonneau D. Procaccio V. Reynier P. Improved locus-specific database for OPA1 mutations allows inclusion of advanced clinical data.Hum. Mutat. 2015; 36: 20-25Crossref PubMed Scopus (37) Google Scholar (MIM: 605290) and rarely by mutations in OPA35Reynier P. Amati-Bonneau P. Verny C. Olichon A. Simard G. Guichet A. Bonnemains C. Malecaze F. Malinge M.C. Pelletier J.B. et al.OPA3 gene mutations responsible for autosomal dominant optic atrophy and cataract.J. Med. Genet. 2004; 41: e110Crossref PubMed Scopus (125) Google Scholar (MIM: 606580); both genes encode inner mitochondrial proteins. Non- or pauci-syndromic recessive IONs occur less frequently, and several families affected by these recessive forms have recently been linked to TMEM126A (MIM: 612988) and ACO26Hanein S. Perrault I. Roche O. Gerber S. Khadom N. Rio M. Boddaert N. Jean-Pierre M. Brahimi N. Serre V. et al.TMEM126A, encoding a mitochondrial protein, is mutated in autosomal-recessive nonsyndromic optic atrophy.Am. J. Hum. Genet. 2009; 84: 493-498Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (69) Google Scholar, 7Metodiev M.D. Gerber S. Hubert L. Delahodde A. Chretien D. Gérard X. Amati-Bonneau P. Giacomotto M.C. Boddaert N. Kaminska A. et al.Mutations in the tricarboxylic acid cycle enzyme, aconitase 2, cause either isolated or syndromic optic neuropathy with encephalopathy and cerebellar atrophy.J. Med. Genet. 2014; 51: 834-838Crossref PubMed Scopus (67) Google Scholar (MIM: 100850) mutations. Informed consent was obtained from all patients for clinical examination and genetic analysis, according to approved protocols of the Montpellier University Hospitals and in agreement with the Declaration of Helsinki. The Ministry of Public Health approved the biomedical research under the authorization number 11018S. In a consanguineous Moroccan family affected by an autosomal-recessive ION, we performed SNP genotyping (GeneChip Human Mapping 250K SNP Array, Affymetrix) in the proband (I-3, Figure 1A) and identified four homozygous regions on chromosomes 1, 6, 18, and 22 of 12.2, 19, 22.6, and 23.4 megabases, respectively. After exome sequencing (SureSelectXT Human All Exon V5 [Agilent] followed by Illumina HiSeq2000) and filtering for rare (<1/300) homozygous variants present in genes that are included in these regions and that encode for mitochondrial proteins, we identified a c.308G>A (p.Arg103His) substitution in RTN4IP1 (MIM: 610502) (GenBank: NM_032730.4), encoding the RTN4-interacting protein 1,8Hu W.H. Hausmann O.N. Yan M.S. Walters W.M. Wong P.K. Bethea J.R. Identification and characterization of a novel Nogo-interacting mitochondrial protein (NIMP).J. Neurochem. 2002; 81: 36-45Crossref PubMed Scopus (45) Google Scholar in the 19 Mb homozygous region of chromosome 6 (Figure 1B). This change was referenced in the NCBI database (rs372054380 [GenBank: NP_116119.2]) and had a heterozygous frequency of 2/13,004 in the NHLBI Exome Sequencing Project Exome Variant Server and 1/121,304 in the ExAC Browser databases. It modifies an amino acid evolutionarily conserved among vertebrates (Figure 1C) and is predicted to be functionally damaging (scores of 0.01 and 1 via SIFT and PolyPhen-2, respectively). Both affected individuals from this family were homozygous for the missense mutation, whereas their parents and three unaffected relatives, II-1, II-2, and II-6, were heterozygous. Affected siblings II-3 and II-4 had presented with low vision since early childhood and did not complain of any other symptoms (Table S1). Fundus examination revealed moderate bilateral optic-disk pallor (Figure 2A), and optical coherence tomography disclosed a marked decrease in the thickness of the retinal nerve fiber layer in the temporal side (Figure 2B), a characteristic feature of mitochondrial forms of hereditary optic atrophy.Figure 2Ophthalmological Exploration of Individuals Affected by RTN4IP1 MutationsShow full caption(A) Fundus examinations (RE, right eye; LE, left eye) of the individuals I-3 from family I (top) and IV-2 (middle) and IV-3 (bottom) from family IV revealed temporal pallor of the optic discs and a peripheral de-pigmented retina for the two sisters of family IV.(B) Optical coherence tomography scanning and measurement of the retinal nerve fiber layer of the optic disks showed a drastic reduction in thickness (black line) in the temporal quadrants of individual I.3 from family I (top) and in all the quadrants of the two sisters in family IV (middle and bottom). The green area corresponds to the 5th to 95th percentile, the yellow area corresponds to the 1st to 5th percentile, and the red area corresponds to below the 1st percentile. RE, right eye; LE, left eye.View Large Image Figure ViewerDownload Hi-res image Download (PPT) (A) Fundus examinations (RE, right eye; LE, left eye) of the individuals I-3 from family I (top) and IV-2 (middle) and IV-3 (bottom) from family IV revealed temporal pallor of the optic discs and a peripheral de-pigmented retina for the two sisters of family IV. (B) Optical coherence tomography scanning and measurement of the retinal nerve fiber layer of the optic disks showed a drastic reduction in thickness (black line) in the temporal quadrants of individual I.3 from family I (top) and in all the quadrants of the two sisters in family IV (middle and bottom). The green area corresponds to the 5th to 95th percentile, the yellow area corresponds to the 1st to 5th percentile, and the red area corresponds to below the 1st percentile. RE, right eye; LE, left eye. Screening of RTN4IP1 by Sanger sequencing in a cohort of 240 European ION-affected probands without genetic diagnosis identified four additional affected subjects. Two of them were simplex-case subjects of Roma origin (families II and III, Figure 1A) who were also homozygous for the c.308G>A (p.Arg103His) substitution on the same haplotype, suggesting a founder effect (Figure S1). The affected individuals had mild to moderate optic atrophy similar to the individuals of family I and showed no additional symptoms (Table S1). The two other additional subjects (IV-2 and IV-3, Figure 1A) were sisters from a multiplex family carrying compound heterozygous mutations, including the c.308G>A variant found in families I, II, and III but on a different haplotype (Figure S1) and a nonsense c.601A>T (p.Lys201∗) variant (Figure 1B) leading to the truncation of the last 196 amino acids of the protein. This latter mutation was not referenced in databases. The parents were heterozygous for one of each mutated allele, and the unaffected brother carried no mutation. The two sisters presented similarly in early life, with a severe bilateral optic neuropathy, associated with nystagmus, a mild stato-kinetic cerebellar syndrome, and learning disabilities. The older sister was more severely affected with mild mental retardation and exhibited generalized seizures from the age of 3 years (Table S1). Fundus examinations of both sisters disclosed abnormal optic disks, which appeared small with a horizontal orientation and were pale on their entire surface (Figure 2A), possibly reflecting a subtle hypoplasia. The thickness of the retinal nerve fiber layer was dramatically reduced in all quadrants (Figure 2B). There was no detectable visual evoked potential, and the optic tracts were thin in brain MRI, indicative of the severe alteration of the optic path. The brain was otherwise normal, as were the cerebral spectroscopic MRI, ENT, cardiologic, and neuro-muscular examinations (Table S1). To gain insight into the pathophysiological mechanisms, we studied skin-derived fibroblasts from the proband of family I and from the two affected sisters of family IV. Assessment of RTN4IP1 expression revealed that the mRNA abundance remained unaffected (data not shown), whereas that of the altered protein was drastically reduced (>95%, Figure 3A) and that of the truncated protein was undetectable. Because RTN4IP1 encodes a mitochondrial protein,8Hu W.H. Hausmann O.N. Yan M.S. Walters W.M. Wong P.K. Bethea J.R. Identification and characterization of a novel Nogo-interacting mitochondrial protein (NIMP).J. Neurochem. 2002; 81: 36-45Crossref PubMed Scopus (45) Google Scholar we monitored respiratory parameters. Oxygen consumptions driven by complex CI, CI + CII, CII, and CIV were normal in mutated fibroblasts (Figure 3B), whereas enzymatic activities of CI and CIV were significantly reduced in RTN4IP1 fibroblasts (Figure 3C). We further analyzed the structure of the mitochondrial network and did not find evidence of significant fusion or fission defect (Figure 3D), nor did we find a difference in mtDNA copy number (data not shown) between wild-type and RTN4IP1 mutated fibroblasts. Because the Caenorhabditis elegans ortholog of RTN4IP1 is Rad8, a gene involved in UV light sensitivity,9Fujii M. Yasuda K. Hartman P.S. Ayusawa D. Ishii N. A mutation in a mitochondrial dehydrogenase/reductase gene causes an increased sensitivity to oxidative stress and mitochondrial defects in the nematode Caenorhabditis elegans.Genes Cells. 2011; 16: 1022-1034Crossref PubMed Scopus (9) Google Scholar, 10Ishi N. Suzuki N. Hartman P.S. Suzuki K. The radiation-sensitive mutant rad-8 of Caenorhabditis elegans is hypersensitive to the effects of oxygen on aging and development.Mech. Ageing Dev. 1993; 68: 1-10Crossref PubMed Scopus (19) Google Scholar we monitored the susceptibility to UV light of fibroblasts. Exposure of RTN4IP1 mutated fibroblasts to UV light induced a straight cell morphological change, with altered fibroblasts adopting a round shape in less than 30 min (Figure S3A) and tending to detach from the support. After overnight incubation, we found a 2-fold increase in apoptosis in mutated cells compared to that in control cells (Figure S3B), a finding consistent with RTN4IP1's involvement in the response to UV light exposure.11Osborne N.N. Li G.Y. Ji D. Mortiboys H.J. Jackson S. Light affects mitochondria to cause apoptosis to cultured cells: possible relevance to ganglion cell death in certain optic neuropathies.J. Neurochem. 2008; 105: 2013-2028Crossref PubMed Scopus (98) Google Scholar We then assessed whether RTN4IP1 subcellular localization is consistent with its predicted N-terminal 41-amino-acid-long mitochondrial targeting peptide8Hu W.H. Hausmann O.N. Yan M.S. Walters W.M. Wong P.K. Bethea J.R. Identification and characterization of a novel Nogo-interacting mitochondrial protein (NIMP).J. Neurochem. 2002; 81: 36-45Crossref PubMed Scopus (45) Google Scholar and its known interaction with RTN4 (also known as NOGO) (MIM: 604475) at the ER.12GrandPré T. Nakamura F. Vartanian T. Strittmatter S.M. Identification of the Nogo inhibitor of axon regeneration as a Reticulon protein.Nature. 2000; 403: 439-444Crossref PubMed Scopus (1019) Google Scholar The RTN4IP1-EYFP fusion protein colocalized with the mitochondrial ATPase protein (Figure S2A) and partially colocalized with the GRP78 protein from the ER at spots corresponding to contact sites with mitochondria (Figure S2B). Mitochondrial sublocalization study, using increasing concentrations of digitonin and proteinase K digestion, suggested that, together with BCL2, RTN4IP1 is associated with the outer membrane (Figure S3C), thus supporting the possibility of cross-talk between RTN4IP1 at the surface of mitochondria and RTN4 from the ER. Because RTN4 regulates dendrite branching and extension during development of the CNS,13Fournier A.E. GrandPre T. Strittmatter S.M. Identification of a receptor mediating Nogo-66 inhibition of axonal regeneration.Nature. 2001; 409: 341-346Crossref PubMed Scopus (970) Google Scholar, 14Petrinovic M.M. Duncan C.S. Bourikas D. Weinman O. Montani L. Schroeter A. Maerki D. Sommer L. Stoeckli E.T. Schwab M.E. Neuronal Nogo-A regulates neurite fasciculation, branching and extension in the developing nervous system.Development. 2010; 137: 2539-2550Crossref PubMed Scopus (77) Google Scholar, 15Teng F.Y. Ling B.M. Tang B.L. Inter- and intracellular interactions of Nogo: new findings and hypothesis.J. Neurochem. 2004; 89: 801-806Crossref PubMed Scopus (15) Google Scholar we assessed the effects of Rtn4ip1 silencing on RGC arborization. Depletion of Rtn4ip1 in RGCs from mouse pups, via lentivirus-targeted shRNA, revealed a significant increase in dendrite numbers (+19%, ± 4.55%) and in total surface area of dendritic arborization (+20%, ± 17.5%) (Figures 4A and 4B ), suggesting that Rtn4ip1 acts as a regulator of Rtn4 function and controls RGC neurite outgrowth. Finally, we addressed whether RTN4IP1 invalidation could reproduce in vivo the clinical phenotype seen in affected individuals. For this purpose, we silenced the expression of its zebrafish ortholog, which has 67% identity with and 91% similarity to its human counterpart, by using antisense morpholino oligonucleotides. Injection in fertilized eggs of a morpholino targeting exon 2 splicing (MO) and of a control mismatch morpholino (MI) did not affect the overall development at 24 hr post fertilization (hpf). However, in MO-injected animals, a detectable alteration in the morphology of the eyes was noticeable from 48 hpf onward, becoming severely abnormal at 72 hpf; MO morphants caused a significant reduction in ocular size (Figure 5A). This correlated with a drastic absence of RGC and plexiform layers in retinal histological slices from rtn4ip1-silenced fish (Figure 5B), which exhibited a looping swimming behavior typical of visually impaired fish (Figure 5C and Movies S1, S2, and S3).Together, both the deep structural alterations of the retina with early RGC degeneration and the functional visual impairment16Huang Y.Y. Tschopp M. Neuhauss S.C. Illusionary self-motion perception in zebrafish.PLoS ONE. 2009; 4: e6550Crossref PubMed Scopus (12) Google Scholar, 17Malicki J. Neuhauss S.C. Schier A.F. Solnica-Krezel L. Stemple D.L. Stainier D.Y. Abdelilah S. Zwartkruis F. Rangini Z. Driever W. Mutations affecting development of the zebrafish retina.Development. 1996; 123: 263-273PubMed Google Scholar evidenced in rtn4ip1-silenced zebrafish parallel the ophthalmological observations in individuals with RTN4IP1 mutations.Figure 5Phenotype Associated with the Silencing of the RTN4IP1 Ortholog in ZebrafishShow full captionZebrafish (Danio rerio) of the AB genetic background were maintained at 28°C on a 14-hr-light and 10-hr-dark cycle. Eggs were injected with antisense rtn4ip1 morpholino nucleotides (MO) and mismatch nucleotides (MI) at a concentration of 0.3 pM and monitored up to 72 hpf. They produced reproducible phenotypes. The rtn4ip1 MO morpholino (Gene Tools) was designed against the splice junction between intron 1 and exon 2. Sequences are rtn4ip1 MO: 5′-ATAGCCACCTACAAGAGCGAAAATA-3′ and control MI: 5′-ATACCGACCTAGAAGACCCAAAATA-3′.(A) To observe global larvae morphology, we imaged whole-mount animals with a Zeiss SteREO Discovery V20 microscope and their heads with by a Zeiss AxioImager.D2 microscope. Representative phenotypes of 72-hr-old control larvae (Ctrl; top) and larvae derived from fertilized eggs injected with a mismatch (MI; middle) or rtn4ip1-specific (MO; bottom) morpholino. Depletion of rtn4ip1 does not show developmental modification (left; scale bar represents 500 μm), except for the size of the eye (right; scale bar represents 250 μm); the ocular diameter is clearly reduced in larvae treated with the rtn4ip1 morphant.(B) Histological analysis of the eye was done on larvae fixed in 2.5% glutaraldehyde and 4% paraformaldehyde overnight and post-fixed in 1% osmotic acid + 0.8 potassium ferrocianide for 2 hr in the dark and at room temperature. After two washes in Sorensen's buffer, tissues were dehydrated in a graded series of ethanol solutions (30%–100%) and then embedded in EmBed 812 with a Leica EM AMW Automated Microwave Tissue Processor for Electronic Microscopy.26Talmat-Amar Y. Arribat Y. Redt-Clouet C. Feuillette S. Bougé A.L. Lecourtois M. Parmentier M.L. Important neuronal toxicity of microtubule-bound Tau in vivo in Drosophila.Hum. Mol. Genet. 2011; 20: 3738-3745Crossref PubMed Scopus (31) Google Scholar Semi-thin sections of retina (1 μm) were collected, stained with toluidine bleu, and imaged by a Zeiss AxioImager D2 microscope. Normal retinal structure in larvae derived from eggs injected with the mismatch morpholino (MI; top) showed the retinal pigmentary epithelium (RPE), the outer nuclear layer (ONL), the outer plexiform layer (OPL), the inner nuclear layer (INL), the inner plexiform layer (IPL), and the retinal ganglion cell layer (RGCL). In contrast, in larvae derived from eggs injected with the rtn4ip1 morpholino (MO; bottom), the structure of the retina is deeply disorganized, showing a total absence of the layers from the retinal ganglion cell layer to the outer plexiform layer. Scale bar represents 100 μm.(C) The motility of zebrafish larvae was assessed with the touch response test at 72 hpf. The motion of individual larvae was monitored by a video camera after mechanical stimulation at the tail and was analyzed by the ImageJ software. Representative traces were obtained from the movies and the proportions of the different behaviors inferred from n = 9 for controls (Ctrl), n = 10 for MI morphant (MI), and n = 18 for the rtn4ip1 morphant (MO).Swimming behavior (left) showed normal longitudinal traces for the control larvae (Ctrl; top) (Movie S1) and the larvae issued from eggs injected with the mismatch morpholino (MI; middle) (Movie S2), whereas the majority of traces recorded for larvae derived from eggs injected with the rtn4ip1 morpholino (MO; bottom) (Movie S3) were loopings. Quantification of the swimming behavior (right) from the three larvae types showed a normal mobility for the control and MI larvae, whereas rtn4ip1-silenced larvae showed motionless (25%) or looping (55%) behaviors, indicating possible paralysis and visual impairment, respectively.View Large Image Figure ViewerDownload Hi-res image Download (PPT) Zebrafish (Danio rerio) of the AB genetic background were maintained at 28°C on a 14-hr-light and 10-hr-dark cycle. Eggs were injected with antisense rtn4ip1 morpholino nucleotides (MO) and mismatch nucleotides (MI) at a concentration of 0.3 pM and monitored up to 72 hpf. They produced reproducible phenotypes. The rtn4ip1 MO morpholino (Gene Tools) was designed against the splice junction between intron 1 and exon 2. Sequences are rtn4ip1 MO: 5′-ATAGCCACCTACAAGAGCGAAAATA-3′ and control MI: 5′-ATACCGACCTAGAAGACCCAAAATA-3′. (A) To observe global larvae morphology, we imaged whole-mount animals with a Zeiss SteREO Discovery V20 microscope and their heads with by a Zeiss AxioImager.D2 microscope. Representative phenotypes of 72-hr-old control larvae (Ctrl; top) and larvae derived from fertilized eggs injected with a mismatch (MI; middle) or rtn4ip1-specific (MO; bottom) morpholino. Depletion of rtn4ip1 does not show developmental modification (left; scale bar represents 500 μm), except for the size of the eye (right; scale bar represents 250 μm); the ocular diameter is clearly reduced in larvae treated with the rtn4ip1 morphant. (B) Histological analysis of the eye was done on larvae fixed in 2.5% glutaraldehyde and 4% paraformaldehyde overnight and post-fixed in 1% osmotic acid + 0.8 potassium ferrocianide for 2 hr in the dark and at room temperature. After two washes in Sorensen's buffer, tissues were dehydrated in a graded series of ethanol solutions (30%–100%) and then embedded in EmBed 812 with a Leica EM AMW Automated Microwave Tissue Processor for Electronic Microscopy.26Talmat-Amar Y. Arribat Y. Redt-Clouet C. Feuillette S. Bougé A.L. Lecourtois M. Parmentier M.L. Important neuronal toxicity of microtubule-bound Tau in vivo in Drosophila.Hum. Mol. Genet. 2011; 20: 3738-3745Crossref PubMed Scopus (31) Google Scholar Semi-thin sections of retina (1 μm) were collected, stained with toluidine bleu, and imaged by a Zeiss AxioImager D2 microscope. Normal retinal structure in larvae derived from eggs injected with the mismatch morpholino (MI; top) showed the retinal pigmentary epithelium (RPE), the outer nuclear layer (ONL), the outer plexiform layer (OPL), the inner nuclear layer (INL), the inner plexiform layer (IPL), and the retinal ganglion cell layer (RGCL). In contrast, in larvae derived from eggs injected with the rtn4ip1 morpholino (MO; bottom), the structure of the retina is deeply disorganized, showing a total absence of the layers from the retinal ganglion cell layer to the outer plexiform layer. Scale bar represents 100 μm. (C) The motility of zebrafish larvae was assessed with the touch response test at 72 hpf. The motion of individual larvae was monitored by a video camera after mechanical stimulation at the tail and was analyzed by the ImageJ software. Representative traces were obtained from the movies and the proportions of the different behaviors inferred from n = 9 for controls (Ctrl), n = 10 for MI morphant (MI), and n = 18 for the rtn4ip1 morphant (MO). Swimming behavior (left) showed normal longitudinal traces for the control larvae (Ctrl; top) (Movie S1) and the larvae issued from eggs injected with the mismatch morpholino (MI; middle) (Movie S2), whereas the majority of traces recorded for larvae derived from eggs injected with the rtn4ip1 morpholino (MO; bottom) (Movie S3) were loopings. Quantification of the swimming behavior (right) from the three larvae types showed a normal mobility for the control and MI larvae, whereas rtn4ip1-silenced larvae showed motionless (25%) or looping (55%) behaviors, indicating possible paralysis and visual impairment, respectively. In conclusion, we identified mutations in RTN4IP1 that, like mutations in TMEM126A and ACO2, induce an early-onset optic neuropathy that might be followed by the development of additional neurological symptoms. These three genes encode mitochondrial proteins with divergent functions in mitochondria,6Hanein S. Perrault I. Roche O. Gerber S. Khadom N. Rio M. Boddaert N. Jean-Pierre M. Brahimi N. Serre V. et al.TMEM126A, encoding a mitochondrial protein, is mutated in autosomal-recessive nonsyndromic optic atrophy.Am. J. Hum. Genet. 2009; 84: 493-498Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (69) Google Scholar, 7Metodiev M.D. Gerber S. Hubert L. Delahodde A. Chretien D. Gérard X. Amati-Bonneau P. Giacomotto M.C. Boddaert N. Kaminska A. et al.Mutations in the tricarboxylic acid cycle enzyme, aconitase 2, cause either isolated or syndromic optic neuropathy with encephalopathy and cerebellar atrophy.J. Med. Genet. 2014; 51: 834-838Crossref PubMed Scopus (67) Google Scholar but none of them is involved in mitochondrial dynamics, in contrast to the proteins encoded by genes mutated in dominant optic neuropathies, namely OPA1 and OPA3. Nevertheless, the decrease in CI and CIV enzymatic activities in individuals with RTN4IP1 mutations recapitulates the mitochondrial respiratory chain dysfunctions observed both in DOA and Leber hereditary optic neuropathy. However, in contrast to these diseases, the very early onset of visual dysfunction in persons harboring RTN4IP1 mutations suggests an impairment of RGC maturation or even a developmental alteration of the inner retina and optic nerve. Indeed, in the individuals who harbor the presumably most severe alteration (p.Lys201∗), we found that the optic discs were of smaller size and had a horizontal tilt, suggesting that the content in fibers was already decreased when the optic nerves were formed at a prenatal stage. The observation of small eyes totally lacking retinal ganglion cells and inner retinal layers in rtn4ip1-silenced zebrafish larvae is in line with the human findings and with an abnormal development of the retinal ganglion cells. This could plausibly be related to the lack of interaction between RTN4IP1 and the RTN4 pathway,12GrandPré T. Nakamura F. Vartanian T. Strittmatter S.M. Identification of the Nogo inhibitor of axon regeneration as a Reticulon protein.Nature. 2000; 403: 439-444Crossref PubMed Scopus (1019) Google Scholar, 18Schmandke A. Schmandke A. Schwab M.E. Nogo-A: Multiple Roles in CNS Development, Maintenance, and Disease.Neuroscientist. 2014; 20: 372-386Crossref PubMed Scopus (46) Google Scholar which would have a negative impact on RGC dendritic growth and synaptogenesis and deleterious consequences on RGC survival, as reported in neurons and aging mice depleted for OPA1.19Bertholet A.M. Millet A.M. Guillermin O. Daloyau M. Davezac N. Miquel M.C. Belenguer P. OPA1 loss of function affects in vitro neuronal maturation.Brain. 2013; 136: 1518-1533Crossref PubMed Scopus (66) Google Scholar, 20Williams P.A. Piechota M. von Ruhland C. Taylor E. Morgan J.E. Votruba M. Opa1 is essential for retinal ganglion cell synaptic architecture and connectivity.Brain. 2012; 135: 493-505Crossref PubMed Scopus (71) Google Scholar Our results also implicate RTN4IP1 in the response to UV light assaults,21Birch-Machin M.A. Swalwell H. How mitochondria record the effects of UV exposure and oxidative stress using human skin as a model tissue.Mutagenesis. 2010; 25: 101-107Crossref PubMed Scopus (111) Google Scholar a concept that is relevant to the neuroanatomical and physiological specificities of RGCs and that has been postulated to contribute to the selective vulnerability of these neurons in mitochondrial optic neuropathies.11Osborne N.N. Li G.Y. Ji D. Mortiboys H.J. Jackson S. Light affects mitochondria to cause apoptosis to cultured cells: possible relevance to ganglion cell death in certain optic neuropathies.J. Neurochem. 2008; 105: 2013-2028Crossref PubMed Scopus (98) Google Scholar Indeed, RGC soma are continuously exposed to exogenous short-wavelength light, which is known to modify mitochondrial function22del Olmo-Aguado S. Manso A.G. Osborne N.N. Light might directly affect retinal ganglion cell mitochondria to potentially influence function.Photochem. Photobiol. 2012; 88: 1346-1355Crossref PubMed Scopus (40) Google Scholar and could therefore potentiate the deleterious effects of RTN4IP1 mutations and further inhibit mitochondrial function sufficiently to compromise RGC survival. The identification of mutations in RTN4IP1 in individuals with recessive optic neuropathy points toward a pathophysiological triad linking mitochondrial dysfunction, UV light susceptibility, and altered neuronal plasticity. Future work will in turn demonstrate whether these pathological interactions could be relevant to other optic neuropathies, including glaucoma. We are indebted to the Centre National de la Recherche Scientifique, INSERM, the University of Montpellier, and the University of Angers for institutional support and to the Département des Partenariats et des Relations Extérieures from INSERM for providing a traveling INSERM and Centre National de la Recherche Scientifique et Technique grant to M.C. We are indebted to the Angers Loire Métropole, Région Pays de la Loire, the Centre Hospitalier Universitaire d'Angers, the Fondation Maladies Rares and Fondation pour la Recherche Médicale, and the following patient associations for their financial support: Retina France, the Union Nationale des Aveugles et Déficients Visuels, the Association Française contre les Myopathies, and Ouvrir Les Yeux. We are indebted to Dr. Arribat, Dr. Cazevieille, Dr. Lancyre, and Dr. Pouilly for their respective contributions and to colleagues from the Institut des Neurosciences de Montpellier and from the MitoLab in Angers for generating helpful discussions. P.Y.-W.-M. receives funding from Fight for Sight (UK) and the UK National Institute of Health Research as part of the Rare Diseases Translational Research Collaboration. P.B. is supported by grants from the Avenir-Atip program from INSERM and the Centre National de la Recherche Scientifique, the Région Languedoc-Roussillon, and the Association Française contre les Myopathies. Download .pdf (3.4 MB) Help with pdf files Document S1. Figures S1–S3 and Table S1eyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiIyMzIwMTdlOTg2ZWNlZjRmZDk2OGFhZDg0OWNmMTJjNSIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc4ODA0NDQ0fQ.cD8aLmvOsf-EfbvcEcchMAy60vL6buBYTS2bjLLtWn_o48kNevbSO2Gd2eYe7T4m6E4oTD0dKIvHH91Bmp_q8BAVdd8EmPfXJzYVmiKsRpe3RkNZGOdmFprKsNSnoL3MVol7YlWV-ZTefu8kohp1yhVIU8BfTYfPP4_UvGV6BttbqfctAXadvValzV4ru5tmZjPNsy7VzGpToIjlw-bx9fFifxh4jEaVkKbNbiyXkP_Il5EPxpNbsS2SYdy7DCEYfWXE7lQz39LWFq_O72et7l6-GePDLO5k1HztBtgNDrvgGLlT1NStkhfusDMM3gvJb1n5RaCXM6ASeuxBYYBH7A Download .mp4 (0.35 MB) Help with .mp4 files Movie S1. Swimming Behavior of a Control Zebrafish LarvaeeyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiIzMzFhMTIzNjkxM2ZjMDQ3ZGI3ZDBhZjMwNDljNjAxZiIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc4ODA0NDQ0fQ.jEsUvvOzG9UPS-_gPyEzGfLx341AC_P5GJd1gkTzuffM7-NKVL8oIK9kDsNzIDYOd_u5v3sdXZTiHfTPKYtLuEgGehJYL9SQGfbMvGiB_ErA6-TsHzE40GHXy3_GQMKcCTHqopPkv-IYLzSoCt7SU3ak3llWIueddBCmL-0Sq8uMSI7LzfG1C9CB4yljOSPLhd76Fs81s-tgFhV46cC6h_Nnct56UpmRMI2dcwD2y3lXK-qm0v-fkn1mkBaAzCpi8B-SfL6BOa8jbjJTFhKF97bxUoVd0HuqdxJy2h_yHvgMWbyqoSP7-tqRvqmOtISTU7pyIDKXgHfALdIMsGlbIA Download .mp4 (1 MB) Help with .mp4 files Movie S2. Swimming Behavior of a Zebrafish Larvae Micro-injected with the Mismatch Morphant (MO)eyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiI3NjdhZWU0MmNhMzMwMWU2MDUzNmRhOWFkNzA1ZmJhMCIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc4ODA0NDQ0fQ.Z_CfSwd6xatRn79fPsYpuMQ5102-H0IZhrFqNERLv7arMv4t2jZABtOPYR5Cm6gf6t2ZYKAm0eC3jOl1HVzNMwLEPHpqB6X-9EtV0VjX2k5Hg_RsRSEziXalkZsxuxN8hPFofYqhmHLp9-B0-X769e6bjnWbTYv_ZpHXT7XkL6x-1RGKbD4l3RB-W6PSKrm-SONNqOfZzBRU2Fe-ZZOje0U4fs_ohqLtNUSYn4e-dmJ1tEtA2l7PmU9jyoRPe43YrRE7GGeRBT5ngevJQh4bOUxwsAm3LmKj1Kuxe_MnJ_gU-aQINYwoQkrmqxYebrBPecPMvZ-7eECjyM35memxuA Download .mp4 (0.77 MB) Help with .mp4 files Movie S3. Swimming Behavior of a Zebrafish Larvae Injected with the rtn4ip1-Specific Morphant (MI)For behavioral tests, zebrafish motion was stimulated by the touch response on the tail, observed in 10 mm dishes, recorded by a video camera, and analyzed by the ImageJ software. The URLs for data presented herein are as follows:ExAC Browser, http://exac.broadinstitute.org/NHLBI Exome Sequencing Project (ESP) Exome Variant Server, http://evs.gs.washington.edu/EVS/OMIM, http://www.omim.org/PolyPhen-2, http://genetics.bwh.harvard.edu/pph2/SIFT, http://sift.bii.a-star.edu.sg/ Recessive Mutations in RTN4IP1 Cause Isolated and Syndromic Optic NeuropathiesAngebault et al.The American Journal of Human GeneticsNovember 05, 2015In Brief(The American Journal of Human Genetics 97, 754–760; November 5, 2015) Full-Text PDF Open Archive

(The American Journal of Human Genetics 97, 754–760; November 5, 2015) In the original version of this article published online October 22, 2015, Markus Preising’s last name was unfortunately misspelled. It appears correctly here and is now correct in both the online and print versions. The authors regret the error. Recessive Mutations in RTN4IP1 Cause Isolated and Syndromic Optic NeuropathiesAngebault et al.The American Journal of Human GeneticsOctober 22, 2015In BriefAutosomal-recessive optic neuropathies are rare blinding conditions related to retinal ganglion cell (RGC) and optic-nerve degeneration, for which only mutations in TMEM126A and ACO2 are known. In four families with early-onset recessive optic neuropathy, we identified mutations in RTN4IP1, which encodes a mitochondrial ubiquinol oxydo-reductase. RTN4IP1 is a partner of RTN4 (also known as NOGO), and its ortholog Rad8 in C. elegans is involved in UV light response. Analysis of fibroblasts from affected individuals with a RTN4IP1 mutation showed loss of the altered protein, a deficit of mitochondrial respiratory complex I and IV activities, and increased susceptibility to UV light. Full-Text PDF Open Archive

Purpose: To investigate the plasma concentration of nicotinamide in primary open-angle glaucoma (POAG). Methods: Plasma of 34 POAG individuals were compared to that of 30 age- and sex-matched controls using a semi-quantitative method based on liquid chromatography coupled to high-resolution mass spectrometry. Subsequently, an independent quantitative method, based on liquid chromatography coupled to mass spectrometry, was used to assess nicotinamide concentration in the plasma from the same initial cohort and from a replicative cohort of 20 POAG individuals and 15 controls. Results: Using the semi-quantitative method, the plasma nicotinamide concentration was significantly lower in the initial cohort of POAG individuals compared to and further confirmed in the same cohort, using the targeted quantitative method, with mean concentrations of 0.14 micromolar (median: 0.12 micromolar; range: 0.06-0.28 micromolar) in the POAG group (-30 %; p = 0.022), and 0.19 micromolar (median: 0.18 micromolar; range: 0.08-0.47 micromolar) in the control group. The quantitative dosage also disclosed a significantly lower plasma nicotinamide concentration (-33 %; p = 0.011) in the replicative cohort with mean concentrations of 0.14 micromolar (median: 0.14 micromolar; range: 0.09-0.25 micromolar) in the POAG group, and 0.19 micromolar (median: 0.21 micromolar; range: 0.09-0.26 micromolar) in the control group. Conclusions: Glaucoma is associated with lower plasmatic nicotinamide levels, compared to controls, suggesting that nicotinamide supplementation might become a future therapeutic strategy. Further studies are needed, in larger cohorts, to confirm these preliminary findings.

The pathophysiology of toxico-nutritional optic neuropathies remains debated, with no clear understanding of the respective roles played by the direct alcohol toxicity, smoking and the often associated vitamin deficiencies, which are risk factors for optic neuropathy. Our aim was to investigate genetic susceptibility in patients with bilateral infraclinical optic neuropathy associated with chronic alcohol use disorder.