Mechanisms of cone photoreceptor cell death in models for inherited retinal degeneration

Abstract

In hereditary eye diseases of the Retinitis pigmentosa (RP) type, rod photoreceptors degenerate in a mutation-dependent fashion, followed by mutation independent cone cell death. Until today, no adequate treatment is available, but efforts are made to gain more knowledge about the mechanism of photoreceptor degeneration. To do so various animal models are available, showing mutations and symptoms comparable to human patients. In this study three models for RP (rd1 mouse, S334ter rat, and P23H rat) and a cone degeneration model, the cpfl1 mouse were investigated, asking whether a CRE-mediated transcription repressor, the inducible cAMP early repressor (ICER) was expressed. Since ICER is known to be involved in cell death in many neuronal and non-neural cells (Borlikova and Endo 2009), it may also have a detrimental effect on neuronal retinal cells. With immunostaining, ICER expression was observed in GCL, INL and in cone photoreceptors of all mutants and corresponding wt retinas. However, during cone degeneration or cone cell stress ICER expression was significantly upregulated in all mutant retinas. This finding suggests a role of ICER in cone degeneration and needs to be further investigated. Human vision is strongly depending on cone photoreceptors, mediating high spatial resolution and color perception. However, cone degeneration is taking place in many eye diseases such as age-related-macula-degeneration (AMD), diabetic retinopathy, achromatopsia, cone-rod-dystrophies, and RP. Furthermore, satisfactory treatment options are not available for these diseases and the detailed study of murine cone degeneration models is challenging, because rod photoreceptors outnumber cones by far. Investigations of the mechanism of cone cell death and the search for a neuroprotective compound requires a reliable, high-throughput cell based model system, which we intended to establish using the murine-photoreceptor cell line 661W (Al-Ubaidi et al. 1992). In a first step, these cells were characterized with several retinal markers, in order to find out whether these cone-like cells were suitable for the intended cone degeneration model. Thereafter, the cone degeneration of cpfl1 cones was mimicked in 661W cells by either inhibition of the cone phosphodiesterase 6, or activation of the cGMP dependent protein kinase G. Conclusively, the cpfl1-like degeneration of 661W cells may be used for further investigations of cone degeneration mechanisms and to search for neuroprotective substances.

In den angeborenen Augenerkrankungen des Retinitis Pigmentosa (RP) Typs, degenerieren Mutationsabhängig zuerst die Stäbchen, während die nachfolgende Zapfendegeneration Mutationsunabhängig abläuft. Bis heute gibt es keine zufriedenstellende RP Therapie. Um eine Therapie zu finden, die möglichst gezielt in den Photorezeptor Zelltod eingreift, muss dieser genauestens erforscht und der zugrundeliegende Mechanismus bekannt sein. Hierfür gibt es diverse Mutante Tiermodelle, deren Mutationen und retinale Pathogenese denen von humanen Patienten ähnelt. In dieser Studie wurden drei RP (rd1 Maus, S334ter und P23H Ratte) und ein Zapfendegenerations-Tiermodell (cpfl1 Maus) auf Expression des zelltodfördernden Transkriptionsfaktors ICER („inducible cAMP early repressor“) untersucht. Es wurde bereits nachgewiesen, dass die Expression des Transkriptionsrepressors ICER in neuronalen und nicht-neuronalen Zellen während des Zelltodes hochreguliert ist und auch dessen zelltodfördernde Wirkung gezeigt (Borlikova and Endo 2009). Mittels immunhistochemischen Methoden konnte die ICER Expression in verschiedenen retinalen Zellen (Ganglienzellen, Zellen, der inneren Körnerschicht und Zapfen) von allen vier Photorezeptordegenerationsmodellen und in den korrespondieren Wildtypen nachgewiesen werden. Allerdings war die ICER Expression in den degenerierenden Zapfen der Mutanten Tiermodellen signifikant erhöht. Diese Hochregulierung der ICER Expression könnte auf eine mögliche Beteiligung von ICER am Zapfen Zelltod hinweisen. Die humane, visuelle Wahrnehmung ist stark Zapfenabhängig, nur durch diese wird die hohe Auflösung und Farbwahrnehmung garantiert. Zapfendegeneration findet jedoch in einer Vielzahl von Augenkrankheiten wie AMD (Altersbedingte Makuladegeneration), diabetische Retinopathie, Achromatopsie, Zapfen-Stäbchen-Dystrophien und RP statt, ohne dass eine zufriedenstellende Therapie existiert. Des Weiteren ist die Erforschung des Zapfenzelltodes anspruchsvoll, da in den gängigen, murinen Zapfendegenerationsmodellen zahlenmäßig die Zapfen den Stäbchen bei weitem unterlegen sind. Untersuchungen des Zapfenzelltodmechanismus und die Suche nach einem neuroprotektiven Wirkstoff benötigen ein möglichst spezifisches Zapfenzelltodmodell, welches wir unter Verwendung der Mausphotorezeptorzelllinie 661W (Al-Ubaidi et al. 1992) etablieren wollen. Hierfür wurde die Zellen zuerst mit verschiedenen retinalen Zellmarkern charakterisiert um herauszufinden, ob die 661W Zellen für das geplante Zapfenzelltodmodell geeignet sind. Anschließend wurde die Zapfendegeneration der cpfl1 Maus in den 661W Zellen nachgeahmt. Hierfür wurde pharmakologisch entweder die PDE6 inhibiert oder die PKG aktiviert. Die erzielten Resultate waren erfolgsversprechend und wir konnten zeigen, dass die degenerierenden 661W Zellen sich für Untersuchungen des Zapfenzelltodmechanismuns und für die Suche nach neuroprotektiven Substanzen eignen.