Mechanism of Photoreceptor Cell Death in Rhodopsin mutant Rat Models (S334ter-3 and P23H-1) of Autosomal Dominant Retinitis Pigmentosa

Abstract

Retinitis pigmentosa (RP) denotes a group of genetically heterogeneous retinal degenerative disorders characterized by initial loss of rod photoreceptors followed by secondary degeneration of cones, which causes irreversible vision loss in humans. No promising cure is available for this devastating eye condition as yet. Mutations in rod pigment gene ‘Rhodopsin’ account for approximately 25–30% of human autosomal dominant RP cases. S334ter and P23H are two such mutations, which result in C-terminus truncation and misfolding of rhodopsin protein respectively. Despite the knowledge about genetic causes, the mechanisms leading to photoreceptor degeneration in RP remain poorly understood till date. Previous research has often linked photoreceptor cell death to apoptosis, but recent studies indicate the involvement of alternative non-apoptotic cell death markers during retinal degeneration in RP. Since S334ter and P23H mutants reportedly have delayed recovery during phototransduction, calcium dysregulation is expected in these mutants, and it was hypothesized that calcium dependent processes might be involved in the retinal degenerative events in these mutants. Accordingly, photoreceptor degeneration in S334ter and P23H transgenic rats was analysed with an aim to investigate the role of calcium sensitive calpain proteases and poly(ADP-ribose) polymerase (PARP) enzyme. The study unequivocally showed that calpain and PARP alongwith high oxidative stress play significant role during photoreceptor cell death in these mutants, reflecting earlier similar findings of non apoptotic events during retinal degeneration in PDE6 mutant rd1 mice. Further, specific inhibitors of calpain and PARP seemed neuroprotective under special paradigms of in-vitro treatment in case of P23H and S334ter cultured retinas. Classical apoptotic events were observed only in the S334ter mutant. Additionally, both mutant retinas showed accumulation of cGMP, a factor considered common during photoreceptor cell death in different models of RP. Retinal guanylyl cyclase and other phototransduction proteins also showed alterations in the expression patterns suggesting downstream consequences of rhodopsin mutations on visual transduction cascade, which might affect the calcium levels, and hence the related processes ultimately leading to cell death.

Retinitis pigmentosa (RP) bezeichnet eine Gruppe von genetisch heterogenen degenerativen Netzhauterkrankungen. RP ist charakterisiert durch den anfänglichen Verlust von Stäbchen-Photorezeptoren, gefolgt von einer sekundäre Degeneration der Zapfen, was zum irreversiblen Verlust der Sehkraft beim Menschen führt. Bisher gibt es kein Heilmittel für diese fatale Augenkrankheit. Mutationen im Gen für das Stab-Pigment "Rhodopsin" machen etwa 25-30% der autosomal dominanten RP Fälle aus. S334ter und P23H, zwei dieser Mutationen, führen zu C-terminalen Abbruch und Fehlfaltung von Rhodopsin. Die Mechanismen, die zur Degeneration in RP führen, sind bis heute schlecht verstanden. Frühere Untersuchungen haben oft den Zelltod mit Apoptose verbunden, aber neuere Studien zeigen die Beteiligung von alternativen nicht-apoptotischen Zelltod-Markern. Da S334ter und P23H-Mutanten eine verzögerte Erholung während der Phototransduktion haben sollen, ist in diesen Mutanten eine Kalzium-Fehlregulation zu erwarten. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass Kalzium-abhängige Prozesse in den degenerativen Abläufen dieser Mutanten beteiligt sein könnten. Daher wurde die Photorezeptor-Degeneration in S334ter und P23H transgenen Ratten mit dem Ziel analysiert, die Rolle der kalziumsensitiven Calpaine und des Poly (ADP-Ribose) Polymerase (PARP) Enzyms zu untersuchen. Die Studie zeigte eindeutig, dass Calpain und PARP zusammen mit hohem oxidativem Stress signifikant beteiligt sind am Zelltod dieser Mutanten, was frühere Studien von nicht-apoptotischen Abläufen während der Degeneration in PDE6 rd1 mutanten Mäusen wiederspiegelt. Darüber hinaus schienen spezifische Inhibitoren von Calpain und PARP unter bestimmten Bedingungen in P23H und S334ter Mutanten neuroprotektiv zu sein. Klassische apoptotische Abläufe wurden nur in der S334ter Mutante beobachtet. Zusätzlich zeigten beide Mutanten akkumuliertes cGMP, ein Faktor, der häufig während des Zelltods in verschiedenen Modellen der RP auftreten soll. Die retinale Guanylylzyklase und andere Phototransduktions-Proteine zeigten ebenfalls veränderte Expressions-Muster, was auf Konsequenzen der Rhodopsin Mutationen auf die visuelle Transduktions-Kaskade hindeutet, den Kalzium-Spiegel und die damit verbundenen Prozesse beeinflussen könnte, letztendlich zum Zelltod führend.