ForschungspapierCodon-Optimierung ist ein wesentlicher Parameter für die effiziente allotopische Expression von mtDNA-Genen☆

Mutationen in der mitochondrialen DNA können vererbt werden oder de novo auftreten, was zu verschiedenen schwächenden Myopathien führt, für die es keine Heilungsmöglichkeit und nur wenige oder keine wirksamen Behandlungen gibt. Die allotopische Expression rekodierter mitochondrialer Gene aus dem Zellkern hat das Potenzial einer Gentherapiestrategie für derartige Erkrankungen, doch der Fortschritt auf diesem Gebiet wird durch technische Herausforderungen behindert. Hier haben wir die Codon-Optimierung als Werkzeug eingesetzt, um die proteinkodierenden Gene des menschlichen mitochondrialen Genoms für eine robuste, effiziente Expression aus dem Zellkern umzugestalten. Alle 13 kodon-optimierten Konstrukte wiesen eine wesentlich höhere Proteinexpression auf als minimal kodierte Gene, wenn sie transient exprimiert wurden, und die stationären mRNA-Spiegel der optimierten Genkonstrukte waren in stabil selektierten Wildtyp-Zellen um das 5-180-fache höher als die rekodierten Versionen. Acht der dreizehn in den Mitochondrien kodierten Proteine der oxidativen Phosphorylierung (OxPhos) behielten ihre Proteinexpression nach stabiler Selektion bei, wobei die Expressionsprodukte in den Mitochondrien lokalisiert waren. Wir untersuchten auch den Nutzen dieser Strategie bei der Rettung von Zellmodellen mitochondrialer Erkrankungen und stellten fest, dass die Rettungskapazität der allotopischen Expressionskonstrukte genspezifisch ist. Die allotopische Expression von kodon-optimiertem ATP8 in Krankheitsmodellen konnte die Proteinkonzentration und die Atmungsfunktion wiederherstellen, die Rettung des pathogenen Phänotyps eines anderen Gens, ND1, war jedoch nur teilweise erfolgreich. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Codon-Optimierung allein zwar nicht für eine funktionelle allotopische Expression der meisten mitochondrialen Gene ausreicht, dass sie aber ein wesentlicher Faktor bei der Entwicklung dieser Gene ist.