Involvement of N1-Methyladenosine (m1A) in the mitochondrial ND5 mRNA and the corresponding writer enzyme TRMT10C in Alzheimer's disease

Abstract

Alzheimer’s disease (AD) is a progressive neurodegenerative disease and the most common form of dementia. Even though the U.S. Food and Drug Administration (FDA) this year approved a new antibody that may moderately decelerate cognitive decline, there is still no treatment that can halt or even reverse the symptoms of AD. Apart from the prime suspects (amyloid β and phosphorylated tau), growing body of evidence suggests mitochondrial dysfunction to be an early and possibly causative event in AD. For the function of mitochondria, Complex I (Cpx I) is of particular importance, as it represents the primary entry point of the electron transport chain required for cellular ATP generation. Although an impairment of Cpx I has been reported multiple times in AD, the underlying mechanism is so far unclear. However, in 2017, a N1-methyladenosine (m1A) modification site has been discovered at position 1374 in the mRNA of ND5, an essential core subunit of Cpx I. Although this m1A1374 site has been unanimously reported, its impact on ND5 protein levels, Cpx I and the mitochondrial respiration is so far unknown. As m1A is known to block Watson-Crick base pairing, this work aimed to investigate whether m1A1374 in the mRNA of ND5 could disrupt the mitochondrial translation of ND5, thus leading to a reduced activity of Cpx I in AD. For this purpose, the tRNA methyltransferase 10 homolog C (TRMT10C) was also examined, as it installs m1A1374 in the mRNA of ND5 (as a so-called writer enzyme). Strikingly, the protein expression of TRMT10C was consistently increased in AD model cells, mice and frontal cortex samples of human AD patients. As revealed by the evaluation of TRMT10C mRNA in single-cell RNA-Seq data from AD patients, this upregulation was cell type-specific for neurons. Besides, m1A1374 methylation was significantly increased in AD model cells, which was determined with a site-specific analysis based on m1A-induced mismatch during reverse transcription and subsequent Illumina sequencing. This result was confirmed in RNA-Seq data generated from the primary visual cortex of AD patients. In line with this, ND5 protein levels were significantly reduced in AD model cells, mice and human AD patients with high Braak stages. The results of this work demonstrate in manifold ways that TRMT10C is involved in the pathology of AD and show for the first time that m1A1374 levels are altered in AD patients. Moreover, the selective overexpression of TRMT10C in HEK cells provides evidence that m1A1374 methylation lowers ND5 protein levels and induces severe mitochondrial deficits. This newly discovered mechanism, along with further research, may provide a basis for the development of new drugs to treat or even cure mitochondrial dysfunction in AD.

Die Alzheimer-Krankheit (AK) ist eine neurodegenerative Erkrankung und die häufigste Form von Demenz. Auch wenn die US-amerikanische Arzneimittelzulassungsbehörde (FDA) in diesem Jahr einen neuen Antikörper zugelassen hat, der den kognitiven Verfall in einer Studie geringfügig verlangsamen konnte, gibt es noch immer kein Medikament, das die AK aufhalten oder sogar umkehren kann. Neben den Hauptverdächtigen (Amyloid β und phosphoryliertem Tau) gibt es immer mehr Hinweise darauf, dass die mitochondriale Dysfuntion ein frühes und möglicherweise ursächliches Ereignis bei der AK sein könnte. Für die Funktion der Mitochondrien ist besonders Komplex I (Cpx I) von Bedeutung, da dieser den primären Eintrittspunkt der Elektronentransportkette darstellt, welche für die zelluläre ATP Produktion benötigt wird. Obwohl eine Beeinträchtigung von Cpx I bei der AK mehrfach berichtet wurde, ist der zugrundeliegende Mechanismus bisher unklar. Im Jahr 2017 wurde jedoch eine N1-Methyladenosin (m1A) Stelle an Position 1374 in der mRNA von ND5, einer Kernuntereinheit von Cpx I, entdeckt. Allerdings ist die Auswirkung dieser m1A-Stelle auf die ND5 Proteinspiegel, Cpx I und die mitochondriale Funktion bisher unbekannt. Deshalb sollte in dieser Arbeit untersucht werden, ob m1A1374 die mitochondriale Translation von ND5 stören und somit zu einer verminderten Aktivität von Cpx I im Rahmen der AK führen könnte. Zu diesem Zweck wurde auch die tRNA-Methyltransferase 10 Homolog C (TRMT10C) untersucht, welche die m1A1374 Methylierung in die mRNA von ND5 einbringt (als sogenanntes Schreiber-Enzym). Bemerkenswerterweise war die Proteinexpression der TRMT10C sowohl in Zell- und Mausmodellen als auch in Kortexproben von Alzheimer-Patienten konsequent erhöht. Diese Hochregulation war zelltypenspezifisch für Neurone. Außerdem war die Methylierung von m1A1374 in AK-Modellzellen und in RNA-Seq Daten aus dem primären, visuellen Cortex von AK-Patienten deutlich erhöht, was anhand einer stellenspezifischen Analyse festgestellt wurde. Zusätzlich waren die ND5-Proteinspiegel in AK-Modellzellen, -mäusen und Patienten mit hohem Braak-Stadium deutlich vermindert. Die Ergebnisse dieser Arbeit belegen auf vielfältige Art und Weise, dass die TRMT10C in der Pathologie der AK involviert ist und zeigen zum ersten Mal, dass die Methylierungsspiegel von m1A1374 im Rahmen der AK verändert sind. Darüber hinaus lieferte die selektive Überexpression der TRMT10C in HEK-Zellen den Beweis, dass die m1A1374 Methylierung die ND5 Proteinspiegel senkt und dadurch schwere mitochondriale Defizite verursacht. Dieser neu entdeckte Mechanismus könnte zusammen mit weiteren Forschungen eine Grundlage für die Entwicklung neuer Medikamente zur Behandlung oder gar der Heilung von mitochondrialer Dysfunktion im Rahmen der AK bilden.