Screen for abnormal mitochondrial phenotypes in mouse embryonic stem cells identifies a model for succinyl-CoA ligase deficiency and mtDNA depletion

Abstract

Introduction: Mutations in subunits of succinyl-CoA synthetase/ligase (SCS), a component of the citric acid cycle, are associated with mitochondrial encephalomyopathy, elevation of methylmalonic acid (MMA), and mitochondrial DNA (mtDNA) depletion. Method: A FACS-based retroviral-mediated gene trap mutagenesis screen in mouse embryonic stem (ES) cells for abnormal mitochondrial phenotypes identified a gene trap allele of SUCLA2 (SUCLA2SAβgeo), which was used to generate transgenic mice. SUCLA2 encodes the ADP-specific β-subunit isoform of SCS. Results: SUCLA2SAβgeo homozygotes exhibited recessive lethality, with most mutants dying late in gestation (e18.5). Mutant placenta and embryonic (e17.5) brain, heart and muscle showed varying degrees of mtDNA depletion (20-60%). However, there was no mtDNA depletion in mutant liver, where the gene is not normally expressed. Elevated levels of MMA were observed in embryonic brain. SCS-deficient mouse embryonic fibroblasts (MEFs) demonstrated a 50% reduction in mtDNA content compared with wild-type MEFs. The mtDNA depletion resulted in reduced steady state levels of mtDNA encoded proteins and multiple respiratory chain deficiencies. mtDNA content could be restored by reintroduction of SUCLA2. Conclusion: This mouse model of SCS deficiency and mtDNA depletion promises to provide insights into the pathogenesis of mitochondrial diseases with mtDNA depletion and into the biology of mtDNA maintenance. In addition, this report demonstrates the power of a genetic screen that combines gene trap mutagenesis and FACS analysis in mouse ES cells to identify mitochondrial phenotypes and to develop animal models of mitochondrial dysfunction.

Einleitung: Mutationen in Untereinheiten der Succinyl-CoA-Synthetase/Ligase (SCS), einer Komponente des Zitronensäure-Zyklus, sind mit mitochondrialer Enzephalo-myopathie, Erhöhung der Methylmalonsäure (MMS) und dem Verlust von mitochondrialer DNA (mtDNA) verbunden. Methodik: Ein Screening auf abnorme mitochondriale Phänotypen mittels FACS-basierter retroviral-vermittelter „gene trap mutagenesis“ Methode in murinen embryonalen Stammzellen (ES) identifizierte ein gene trap Allel für SUCLA2 (SUCLA2SAβgeo), welches verwendet wurde, um transgene Mäuse zu erzeugen. SUCLA2 codiert die ADP- spezifische Isoform der SCS β-Untereinheit. Ergebnisse: Embryonen mit homozygotem Genotyp für SUCLA2SAβgeo zeigten eine rezessive Letalität, wobei die meisten Mutanten in der späten Gestation starben (e18.5). Plazenta und embryonales Gehirn, Herz und Muskeln (e17.5) der Mutanten zeigten unterschiedliche Grade der mtDNA Depletion (20-60%). Jedoch gab es in Mutanten keine mtDNA Depletion in der Leber, wo das Gen normalerweise nicht exprimiert wird. Erhöhte Konzentrationen von MMS wurden im embryonalen Gehirn beobachtet. SCS-defiziente Mausembryo-Fibroblasten (MEFs) zeigten eine 50%-ige Reduktion der mtDNA Depletion im Vergleich zu Wildtyp-MEFs. Der mtDNA Depletion führte zu einem reduzierten Gleichgewichtsanteil der durch mtDNA kodierten Proteine und mehrere Defekte in der mitochondrialen Atmungskette. Der mtDNA Gehalt konnte durch Wiedereinbringung von SUCLA2 wiederhergestellt werden. Schlussfolgerung: Dieses Mausmodell des SCS-Mangels und mtDNA Depletion verspricht Einblicke in die Pathogenese von Erkrankungen mit quantitativen Störungen der mtDNA und in die Biologie der Aufrechterhaltung von mtDNA. Darüber hinaus zeigt diese Studie die Stärke eines genetischen Filterns durch Kombination von gene trap mutagenesis und FACS-Analyse in Mäuse ES-Zellen zur Identifizierung von mitochondrialen Phänotypen und zur Entwicklung von Tiermodellen mit mitochondrialer Dysfunktion.