B Fotorreceptores

Las degeneraciones de los fotorreceptores son la forma más común de ceguera en el mundo occidental e implican la pérdida de visión debido a la distrofia y/o muerte de los fotorreceptores de la retina. Estas patologías pueden dividirse a grandes rasgos en aquellas que afectan inicialmente a los fotorreceptores de los bastones, como la retinosis pigmentaria (RP), y las que afectan inicialmente a los fotorreceptores de los conos, como la degeneración macular141. Aunque la degeneración de los fotorreceptores también puede ser causada indirectamente por defectos primarios en el EPR, que cumple una función importante en la salud y la homeostasis de los fotorreceptores, este tema se tratará en una sección posterior (véase la sección II.C).

Los fotorreceptores son células sensoriales altamente polarizadas que consisten en un segmento interno (SI) que está conectado a un segmento externo (SO) por un cilio altamente modificado (Fig. 5).189 En los fotorreceptores maduros, las proteínas que se requieren para el crecimiento y el mantenimiento de los SO de los fotorreceptores, así como para la fototransducción, se transportan a lo largo de microtúbulos polarizados desde el SI basal hasta el SO apical. Los fotorreceptores son similares a las células epiteliales en el sentido de que sus superficies están divididas en dominios apicales y basolaterales por medio de uniones celulares. Sus centrosomas están situados en la superficie apical, mientras que sus núcleos residen en la parte basal.190 El correcto desarrollo y posterior mantenimiento de los fotorreceptores de los vertebrados depende del establecimiento de una polaridad apical-basal adecuada, así como de la función de la maquinaria de transporte. Por lo tanto, no es sorprendente que de los más de 100 loci genéticos conocidos que causan degeneraciones de los fotorreceptores en los vertebrados, la mayoría afecten a la estructura y función del OS.191

Fig. 5. Estructura de los fotorreceptores de bastones y conos. Las células fotorreceptoras están compuestas por un segmento externo que contiene discos de membrana unidos al pigmento visual. El segmento interno es el cuerpo celular polarizado del fotorreceptor, donde el núcleo reside basalmente y el cilio se origina apicalmente y se extiende hacia el OS. El terminal sináptico forma conexiones sinápticas con las interneuronas de la retina, transmitiendo la información visual.161,188

Las pruebas genéticas en el pez cebra han arrojado luz sobre las bases moleculares de estas funciones celulares mediante el aislamiento de mutantes en los que el desarrollo y/o el mantenimiento de los fotorreceptores son defectuosos.24,192,193 Uno de estos mutantes, el ojo mosaico (moe), contiene características apicales expandidas en los fotorreceptores.20,21 El locus moe codifica una proteína que contiene un dominio FERM que forma un complejo con las proteínas Crumbs, que a su vez han demostrado ser críticas para la polaridad apical-basal en Drosophila, así como en los vertebrados.194-196 Curiosamente, las mutaciones en el ortólogo humano de Crumbs, CRB1, están asociadas a distrofias de los fotorreceptores de la retina como la RP 12197 y la amaurosis congénita de Leber (LCA1; Ref. 198,199). Otros mutantes del pez cebra, como nagie oko (nok) y heart and soul (has) no sólo fenotipan el fenotipo del mutante moe, sino que las proteínas que codifican (Pals1 y PKCi, respectivamente) también interactúan bioquímicamente con Moe.20 Además, el knockdown con morfolino de crb2b, un paralogismo de Crumbs en el pez cebra, da lugar a la reducción del tamaño del SI.14 Por lo tanto, estos estudios han comenzado a descubrir el papel del complejo Crumbs en el desarrollo de los fotorreceptores de los vertebrados y en las enfermedades.

La formación de una correcta polaridad apical-basal no sólo depende de la función adecuada de los determinantes de la polaridad celular, sino también de su transporte y localización. Los fotorreceptores de la retina mutante ale oko (ako) acumulan los determinantes apicales Pals1 y PKCλ en sus cuerpos celulares y muestran una extensa muerte de fotorreceptores en las últimas etapas del desarrollo.19 El locus ako codifica la subunidad p50 del complejo de la dinactina, que desempeña un papel importante en el transporte de carga a lo largo de los microtúbulos como parte del complejo motor de la dineína.200 En otro mutante, mikre oko (mok), que posee una mutación en la dinactina-1, la degeneración de la retina se debe, al menos parcialmente, a la deslocalización de los núcleos de los fotorreceptores. Sorprendentemente, a diferencia de los mutantes ako, los determinantes apicales como Crumbs y aPKCλ no están mal localizados, lo que sugiere que la degeneración en estos mutantes no se debe a la pérdida de polaridad celular. La deslocalización experimental del núcleo por la sobreexpresión del motor de dineína provocó la muerte de las células fotorreceptoras, apoyando el papel de la posición nuclear en la supervivencia de los fotorreceptores.201 Mientras que los defectos de posicionamiento nuclear en los fotorreceptores mok parecen tener un papel autónomo de las células, otros componentes no autónomos parecen desempeñar un papel en la degeneración de mok. Los análisis de mosaico han revelado que los fotorreceptores mutantes muestran un aumento de más de 2,5 veces en la supervivencia cuando se colocan en un entorno de tipo salvaje.17 Este hallazgo sugiere que la salud y la supervivencia de los fotorreceptores depende de las señales ambientales de las células circundantes. Estos hallazgos son coherentes con los defectos asociados a algunas degeneraciones humanas, como la RP, en la que un defecto inicial en la rodopsina específica de los bastones acaba provocando la pérdida tanto de bastones como de conos.202

El transporte desde el cuerpo celular hasta el OS también es importante para reemplazar los componentes del OS que se pierden debido a la fagocitosis continua de los OS de los fotorreceptores por parte del EPR subyacente.203 En los fotorreceptores, al igual que en los cilios, el transporte se produce mediante un proceso conocido como transporte intraflagelar (IFT) y las mutaciones en los genes componentes del IFT, como ift57, ift80, ift88 e ift172, dan lugar a la atrofia del OS y/o a la pérdida completa de los OS en el pez cebra.24-26 Las mutaciones en el gen elipsa, que codifica una proteína que se cree que facilita el IFT,35 dan lugar a una pérdida temprana de fotorreceptores,22 mientras que la eliminación con morfolino de múltiples subunidades del motor retrógrado IFT dynein-2 ha puesto de manifiesto la importancia del IFT en la elongación adecuada del OS y la función visual.204 Las degeneraciones de los fotorreceptores relacionadas con un IFT defectuoso son algunos de los muchos fenotipos relacionados con los cilios que se asocian con el síndrome de Bardet-Biedl (BBS),205 y el estudio adicional de la función de los componentes del IFT en el pez cebra podría resultar decisivo para comprender mejor las causas moleculares que subyacen a las patologías oculares relacionadas con el BBS.

Mientras que los mutantes descritos hasta ahora en esta sección se aislaron en cribas genéticas utilizando principalmente métodos histológicos para detectar defectos en los fotorreceptores, otros se aislaron en cribas de comportamiento.15,82,206,207 Una de estas pruebas aprovechó la capacidad del pez cebra de mostrar un comportamiento dependiente de la visión a partir de los 3 dpf (días después de la fecundación). Brockerhoff et al.15 utilizaron primero el ensayo de respuesta optocinética (OKR) en embriones mutagénicos para detectar defectos en la función visual. Un segundo ensayo consistió en el uso de grabaciones del electrorretinograma (ERG) para identificar si las mutaciones aisladas afectan a la función de la retina externa. A partir de esta selección, se aislaron 18 mutantes que se determinó que tenían una función visual reducida. Uno de ellos, sin respuesta optocinética a (noa), no presentaba anomalías graves en los fotorreceptores a los 5 dpf (días después de la fecundación), pero resultó ser ciego, además de letárgico, y murió prematuramente. El análisis de la mutación noa reveló una deficiencia en una subunidad del complejo piruvato deshidrogenasa (PDH), que regula la producción de energía en las células. La línea mutante noa se ha utilizado como modelo para el estudio de la deficiencia de PDH (OMIM 245348), un trastorno humano que, al igual que el modelo del pez cebra, provoca ceguera, defectos neurológicos y muerte prematura.16 Dado que los tratamientos actuales para la deficiencia de PDH en humanos han tenido un éxito limitado, Taylor et al. utilizaron los mutantes noa para probar una dieta cetogénica que ha demostrado cierto éxito en el alivio de los síntomas de la deficiencia de PDH en un número limitado de pacientes humanos. La administración de esta dieta especial restauró el comportamiento normal en los mutantes noa, lo que pone de relieve el potencial de estudiar las terapias contra la deficiencia de PDH en la línea de mutantes noa.

Se descubrió que otro mutante, sin respuesta optocinética f (nof), posee una mutación en la subunidad α de la transducina de cono (Tcα), una proteína G necesaria para la fototransducción. En los pacientes humanos que padecen una enfermedad conocida como acromatopsia (OMIM 139340), las mutaciones en Tcα subyacen a la pérdida de la visión del color. En los mutantes de nof, el desarrollo de los conos se produce con normalidad; sin embargo, son hasta 1000 veces menos sensibles a la luz, según se detecta en las grabaciones de los fotorreceptores individuales. El análisis exhaustivo de las respuestas a la luz de los conos reveló que la fototransducción residual depende de la luz, pero es independiente de la transducina. La afluencia de Ca+ 2, que es importante para la adaptación a la luz de los fotorreceptores y que anteriormente se pensaba que estaba controlada por la transducina, seguía siendo detectable en los mutantes nof. Por lo tanto, este estudio reveló que parte del influjo de Ca+ 2 en los fotorreceptores de los conos podría ser independiente de la transducina.

En un cribado separado, se realizaron mutaciones dominantes que causan la degeneración de los fotorreceptores en el pez cebra adulto con el fin de aislar mutantes genéticos que pudieran utilizarse posteriormente para estudiar la ceguera nocturna heredada en humanos, como la RP.37,38 En el caso de la RP, muchos loci genéticos subyacen a este grupo de trastornos. Sin embargo, sólo la mitad de los casos de RP dominante se han vinculado a mutaciones específicas en el momento en que se realizó el cribado.38 Por lo tanto, Li et al. cribaron peces cebra adultos mutagénicos utilizando una respuesta de escape conocida que exhiben los peces. La falta de dicha respuesta a una señal de amenaza se interpretó como una pérdida de visión, lo que se confirmó posteriormente mediante grabaciones de ERG. En total, se aislaron siete mutantes heterocigotos (ceguera nocturna a, b, c, d, e y f), de los cuales seis presentaban degeneración de los fotorreceptores.38,39,208,209 Cuatro de los seis resultaron ser letales desde el punto de vista embrionario como homocigotos, lo que sugiere que los genes mutados que subyacen a los fenotipos de los fotorreceptores tienen otras funciones críticas durante el desarrollo embrionario. Este hallazgo subraya la importancia de este tipo de cribados para la identificación de mutaciones dominantes que podrían no ser fácilmente aisladas en el cribado tradicional debido a la letalidad embrionaria temprana.