Molecular mechanisms in inherited retinal degeneration: Exploring three routes towards understanding Retinitis pigmentosa

Abstract

Retinitis pigmentosa (RP) groups a family of hereditary neurodegenerative diseases of the retina characterized by progressive loss of photoreceptors and for which treatment is still lacking. The aim of this thesis was to find and investigate novel markers of retinal degeneration in order to aid the understanding of the disease and the development of neuroprotective treatments. In this work four different rodent models for RP were used (rd1 and rd2 mice; S334ter and P23H rats), allowing the identification of several new players in inherited retinal degeneration. In order to do that, a wide range of techniques, including biochemistry and molecular biology, as well as microscopy and organotypic culturing methodologies were used. The main results achieved in this dissertation may be summarised as follows: 1. Increased expression of alfa-Klotho was seen in dying photoreceptors of all four models of RP. Addition of alfa-Klotho ectodomain on organotypic retinal cultures impaired retinal organization. In addition, fibroblast growth factor 15 (FGF15) was down-regulated in rd1 and rd2 mice, indicating an imbalance of the alfa-Klotho/FGF15 axis. 2. Histone deacetylases (HDAC) class I and II were over-activated and played a critical role in the cell death pathways of the rd1 mouse retina. Blockade of class I and II of this family of enzymes with trichostatin A (TSA) protected photoreceptors in vitro. 3. Increased methylation of DNA occurred in dying photoreceptors of all four rodent RP models. Moreover, short-term treatment with decitabine, a specific inhibitor of DNA methyltransferases (DNMTs) rescued photoreceptors. 4. Differential expression of photoreceptor Hsp70 was detected in rd1 mice and S334ter rat retina and could represent an early endogenous neuroprotective event. Hsp70 did not co-label with late stress markers such as TUNEL, suggesting that Hsp70 protected photoreceptors as long as it was expressed. Hsp70 induction may therefore have neuroprotective potential. In conclusion, the studies report on four different and novel molecular players in retinal degeneration - Klotho, HDACs, DNMTs, and Hsp70 - that are all either overexpressed or overactivated in different models of RP. This provides us with 1) a new understanding of the complexity of the degeneration process as such, 2) support for the idea that despite the varying mutations there are common pathways leading to photoreceptor degeneration in RP, and 3) ideas for how new neuroprotective strategies, aiming not only at one mutation, can be developed.

Retinitis Pigmentosa (RP) gehört zu einer Familie von neurodegenerativen Erkrankungen der Netzhaut, die gegenwärtig nicht behandelbar sind. Das Ziel dieser Doktorarbeit war es neue Marker für Netzhautdegeneration zu finden und zu erforschen, um so die Krankheit besser verstehen und die Entwicklung von neuroprotektiven Behandlungen vorantreiben zu können. In der Arbeit wurden vier verschiedene Nagermodelle für RP verwandt (rd1 und rd2 Mäuse; S334ter und P23H Ratten), welche es erlaubten mehrere neue Faktoren bei erblicher Netzhautdegeneration zu identifizieren. Dazu wurden eine Reihe von unterschiedlichen biochemischen, molekularbiologischer, und mikroskopischen Techniken verwandt und organotypische Kulturen untersucht. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Doktorarbeit können wie folgt zusammengefasst werden: 1. alfa-Klotho war in absterbenden Photorezeptoren, in allen vier RP-Modellen, hochreguliert. Zugabe der ecto-domäne von alfa-Klotho zu organotypischen Netzhautkulturen verhinderte den normalen Aufbau der Netzhaut. Zudem war FGF15 in der rd1 und rd2 Netzhaut runterreguliert, was ein Ungleichgewicht in der alfa-Klotho/FGF15 Achse andeutet. 2. Klasse I und II Histondeacetylasen (HDAC) waren überaktiviert und spielten eine entscheidende Rolle für die Zelltodwege in der rd1 Netzhaut. Inhibition der Klassen I und II dieser Enzymfamilie mit Trichostatin A (TSA) schützte Photorezeptoren in vitro. 3. Verstärkte DNA-Methylierung wurde in allen vier RP-Nager-Modellen gefunden. Kurzzeit-Behandlung mit Decitabine, einem spezifischen DNA-methyl-transferase (DNMT) Inhibitor, verlangsamte das Absterben von Photorezeptoren. 4. Erhöhte Expression von Hsp70 wurde in rd1 Mäusen und S334ter Ratten gefunden und könnte auf frühe endogene neuroprotective Prozesse hindeuten. Da Hsp70 nicht mit späten Stressmarkern überlappte, könnte seine Expression Photorezeptoren schützen. Somit könnte die Induktion von Hsp70 Expression ein neuroprotektives Potenzial besitzen. Zusammengefasst, hat diese Arbeit vier verschiedene und bislang unbekannte Faktoren bei erblicher Netzhautdegeneration aufgedeckt: Klotho, HDAC, DNMT und Hsp70. Diese Faktoren sind in verschiedenen RP Modellen entweder überexprimiert oder überaktiviert. Damit erhalten wir 1. Neue Einblicke in die Komplexität der degenerativen Prozesse, 2. Unterstützung für die Idee, dass unterschiedliche Mutationen in gemeinsame Zelltod-Stoffwechselwege münden können, 3. Ideen dafür wie neuartige neuroprotektive Strategien die nicht nur auf einzelnen Mutationen abzielen, entwickelt werden können.