The Role of PARP1 in cGMP Mediated Photoreceptor Degeneration

Abstract

Retinitis Pigmentosa (RP) is an inherited eye disease which causes progressive photoreceptor degeneration and consequently blindness in humans. So far, there has been no found cure or reliable treatment for RP. The retinal degeneration 1 (rd1)mouse model is a well-studied model of human autosomal recessive RP. In 2007, it was found that over-activation of poly(ADP-ribose) polymerases (PARP) contributed to photoreceptor degeneration in the rd1 mouse. However, it was still unclear which PARP family member exactly was involved in photoreceptor degeneration. Therefore, the aim of this thesis was to investigate the role of PARP1, the most prominently expressed and extensively studied member of the PARP family, in photoreceptor degeneration in the rd1 retina. Electroretinography, optic coherence tomography (OCT), scanning laser ophthalmoscopy (SLO), and histology identified no significant differences between PARP1 knock-out (KO) and wild-type (wt) animals in terms of retinal function, thickness, and structure. In addition to PARP, histone deacetylase (HDAC) activity was shown to be involved in rd1 photoreceptor degeneration. Double-label immunohistochemistry showed poly(ADP-ribose) (PAR) accumulation - i.e. the product of PARP activity - in photoreceptor nuclei that were devoid of acetylated proteins, indicating a causal link between PARP and HDAC activity. We emulated the rd1 situation in organotypic retinal cultures derived from PARP1 KO and wt animals using zaprinast, a selective inhibitor of PDE6. Accumulation of cyclic guanosine monophosphate (cGMP) in zaprinast treated PARP1 KO retina was significantly reduced compared to zaprinast treated wt. At the same time, PAR accumulation and cell death were also significantly reduced in zaprinast treated PARP1 KO when compared with wt. In conclusion, PARP1 appears to have an important role in the progression of photoreceptor cell death. In rd1 photoreceptors, PARylation was linked to cell death as well as to deacetylation and HDAC activity, while PARP1 KO retina showed increased resistance to pharmacologically induced photoreceptor degeneration. Because of the involvement of PARP in photoreceptor degeneration and since retinal function and morphology in PARP1 KO retina appeared normal, PARP1 promises to be an interesting target for future therapy development.

Retinitis Pigmentosa (RP) ist eine erbliche Augenkrankheit, die progressive Degeneration von Photorezeptorzellen und damit Blindheit beim Menschen verursacht. Bisher gibt es keine Heilung oder zuverlässige Behandlung für RP. Das Retinadegeneration-1 (rd1) Mausmodell ist ein gut untersuchtes Modell der menschlichen autosomal-rezessiven RP. Im Jahr 2007 wurde festgestellt, dass die Überaktivierung von Poly(ADP-Ribose) Polymerase (PARP) zur Photorezeptordegeneration in der rd1 Maus beiträgt Allerdings war unklar, welche Isoform der PARP-Enzymfamilie an der Photorezeptordegeneration beteiligt ist. Daher war es das Hauptziel dieser Arbeit, die genaue Rolle von PARP1 in der Photorezeptordegeneration der rd1 Retina zu untersuchen. Elektroretinographie (ERG), optische Kohärenztomographie (OCT), Scanning Laser Ophthalmoskopie (SLO) und Histologie zeigten keine signifikanten Unterschiede zwischen PARP1 Knock-out (KO) und Wildtyp (wt) Tieren, im Hinblick auf die retinale Funktion, die Schichtdicke oder die retinale Struktur. Zusätzlich zu PARP konnte gezeigt werden, dass HDAC-Aktivität in der rd1 Photorezeptordegeneration involviert war. Immunohistochemische Doppel-Markierung zeigte eine Akkumulation von PAR – d.h. dem Produkt von PARP Aktivität – in Photorezeptorkernen die negativ für acetylierte Proteine waren. Dies weis auf einen ursächlichen Zusammenhang zwischen PARP- und HDAC-Aktivität hin. Anhand von organotypischen Retina-Kulturen die aus PARP1 KO und wt Tieren gewonnen wurden, haben wir die rd1 Situation durch Verwendung des selektiven PDE6-Inhibitors Zaprinast emuliert. Die Akkumulation von cGMP in der Zaprinast-behandelten PARP1 KO Retina war deutlich reduziert im Vergleich zur Zaprinast-behandelten wt Retina. Außerdem waren die PAR Akkumulation und der Zelltod ebenfalls signifikant reduziert in der PARP1 KO Situation, verglichen mit wt. Zusammenfassend scheint es, dass PARP1 eine wichtige Rolle beim Voranschreiten des Photorezeptor-Zelltods hat. In rd1 Photorezeptoren war PAR Akkumulation ursächlich sowohl mit Proteindeacetylierung und HDAC Aktivität, als auch mit dem Zelltod verbunden. Dahingegen zeigte PARP1 KO Retina eine erhöhte Resistenz zur pharmakologisch induzierten Photorezeptordegeneration. Wegen der offensichtlichen Beteiligung von PARP an der Photorezeptordegeneration und weil die retinale Funktion und Morphologie in PARP1 KO Retina normal erscheinen, könnte PARP1 ein interessantes Target für die Entwicklung von zukünftigen Therapien sein.