Mutant POLG2 Disrupts DNA Polymerase γ Subunits and Causes Progressive External Ophthalmoplegia

Abstract

DNA polymerase gamma (pol gamma ) is required to maintain the genetic integrity of the 16,569-bp human mitochondrial genome (mtDNA). Mutation of the nuclear gene for the catalytic subunit of pol gamma (POLG) has been linked to a wide range of mitochondrial diseases involving mutation, deletion, and depletion of mtDNA. We describe a heterozygous dominant mutation (c.1352G-->A/p.G451E) in POLG2, the gene encoding the p55 accessory subunit of pol gamma , that causes progressive external ophthalmoplegia with multiple mtDNA deletions and cytochrome c oxidase (COX)-deficient muscle fibers. Biochemical characterization of purified, recombinant G451E-substituted p55 protein in vitro revealed incomplete stimulation of the catalytic subunit due to compromised subunit interaction. Although G451E p55 retains a wild-type ability to bind DNA, it fails to enhance the DNA-binding strength of the p140-p55 complex. In vivo, the disease most likely arises through haplotype insufficiency or heterodimerization of the mutated and wild-type proteins, which promote mtDNA deletions by stalling the DNA replication fork. The progressive accumulation of mtDNA deletions causes COX deficiency in muscle fibers and results in the clinical phenotype.

Syndromic parkinsonism and dementia associated with OPA1 missense mutations

“…Direct sequencing of the complete coding region and the exon/intron boundaries of the candidate genes POLG, 3 POLG2, 4 C10orf2 (Twinkle),5 SLC25A4 (ANT1),7 OPA1, 17 PINK1, 29 and PARK2 30 were carried out as previously described. Large gene deletions or duplications in PARK2 and PINK1 genes were tested by using the MLPA assay for Parkinson disease (SALSA MLPA Kit P051/P052 Parkinson; MRC‐Holland, Amsterdam, the Netherlands).…”

“…Most of these cases are caused by mutations in nuclear genes directly involved in mtDNA replication and maintenance, that is, POLG 3 and POLG2 ,4 encoding the 2 subunits of mtDNA polymerase, C10orf2 ,5 encoding the mtDNA helicase Twinkle, and DNA2 ,6 encoding an mtDNA helicase/nuclease. Mutations in genes that control the mitochondrial nucleotide pools can also be associated with this phenotype, including SLC25A4 ,7 encoding the heart/muscle‐specific adenine nucleotide translocator ANT1, TYMP ,8 encoding thymidine phosphorylase, TK2 ,9 encoding the mitochondrial thymidine kinase, RRM2B ,10 encoding the p53‐sensitive subunit of ribonucleoside reductase, and DGUOK ,11 encoding mitochondrial deoxyguanosine kinase.…”

Decreased mtDNA, oxidative stress, cardiomyopathy, and death from transgenic cardiac targeted human mutant polymerase γ

“…16 One recently reported patient with autosomal dominant CPEO harbored a mutation in the gene for the Pol g accessory subunit. 17 Importantly, candidate genes encode products that replicate mtDNA 2 or are involved with metabolism of nucleotide precursors for mtDNA replication. 18 Y955C is the most common and severe autosomal dominant mutation in the POLG gene.…”

Instabilité du génome mitochondrial et pathologies associées

“…L'hypothèse selon laquelle les délétions pourraient survenir durant la réparation de l'ADNmt altéré a été proposée mais sa validation nécessiterait des investigations plus poussées [4]. À l'heure actuelle, dans le cas du gène POLG2, une mutation dominante a été décrite associée à une PEO et à des délétions multiples de l'ADNmt [5] (Figure 1). Les analyses biochimiques ont permis de révéler que cette mutation était responsable d'un défaut d'interaction entre la sous-unité α et la sousunité β de la polymérase, empêchant de ce fait la sous-unité α de lier l'ADNmt [5].…”

“…À l'heure actuelle, dans le cas du gène POLG2, une mutation dominante a été décrite associée à une PEO et à des délétions multiples de l'ADNmt [5] (Figure 1). Les analyses biochimiques ont permis de révéler que cette mutation était responsable d'un défaut d'interaction entre la sous-unité α et la sousunité β de la polymérase, empêchant de ce fait la sous-unité α de lier l'ADNmt [5]. Le phénotype associé aux mutations du gène PEO1 se calque sur celui lié aux mutations dans le gène POLG1, à l'exception près que dans le cas de PEO1, seules des mutations dominantes ont été décrites comme étant à l'origine de délétions multiples [6][7][8].…”