B Fotoreceptori

Degenerările fotoreceptorilor sunt cea mai frecventă formă de orbire în lumea occidentală și implică pierderea vederii din cauza distrofiei și/sau morții fotoreceptorilor retinieni. Aceste patologii pot fi împărțite, în linii mari, în acele afecțiuni care afectează inițial fotoreceptorii bastonașe, cum ar fi retinita pigmentară (RP), și cele care afectează inițial fotoreceptorii conici, cum ar fi degenerescența maculară.141 În timp ce degenerescența fotoreceptorilor poate fi, de asemenea, cauzată indirect de defecte primare în RPE, care îndeplinește o funcție importantă în sănătatea și homeostazia fotoreceptorilor, acest subiect va fi discutat într-o secțiune ulterioară (a se vedea secțiunea II.C).

Fotoreceptorii sunt celule senzoriale foarte polarizate care constau dintr-un segment intern (IS) care este conectat la un segment extern (OS) printr-un cilium foarte modificat (Fig. 5).189 În fotoreceptorii maturi, proteinele care sunt necesare pentru creșterea și întreținerea OS-urilor fotoreceptorilor, precum și pentru fototransducție, sunt transportate de-a lungul microtubulelor polarizate de la IS bazal la OS apical. Fotoreceptorii sunt asemănători celulelor epiteliale în sensul că suprafețele lor sunt împărțite în domenii apicale și bazolaterale prin joncțiuni celulare. Centrosomii lor sunt localizați la suprafața apicală, în timp ce nucleele lor se află la bază.190 Dezvoltarea corectă și întreținerea ulterioară a fotoreceptorilor vertebratelor se bazează pe stabilirea unei polarități apicale-bazale adecvate, precum și pe funcționarea mașinăriei de transport. Prin urmare, nu este surprinzător faptul că, dintre cei peste 100 de loci genetici cunoscuți ca fiind cauza degenerării fotoreceptorilor la vertebrate, majoritatea afectează structura și funcția OS.191

Fig. 5. Structura fotoreceptorilor bastonaș și con. Celulele fotoreceptoare sunt compuse dintr-un segment extern care conține discuri membranare legate de pigmentul vizual. Segmentul intern este corpul celular polarizat al fotoreceptorului, în care nucleul rezidă la bază, iar ciliul își are originea în partea apicală și se extinde în OS. Terminalul sinaptic formează conexiuni sinaptice cu interneuronii din retină, retransmițând inputul vizual.161,188

Screen-urile genetice la peștele zebră au aruncat lumină asupra bazelor moleculare ale acestor funcții celulare prin izolarea mutanților la care dezvoltarea și/sau întreținerea fotoreceptorilor sunt defectuoase.24,192,193 S-a constatat că unul dintre acești mutanți, Mosaic eyes (moe), conține caracteristici apicale extinse în fotoreceptori.20,21 Locusul moe codifică o proteină care conține domeniul FERM și care formează un complex cu proteinele Crumbs, care, la rândul lor, s-au dovedit a fi esențiale pentru polaritatea apical-bazală la Drosophila, precum și la vertebrate.194-196 Interesant este faptul că mutațiile în ortologul uman al Crumbs, CRB1, sunt asociate cu distrofii ale fotoreceptorilor retinei, cum ar fi RP 12197 și amauroza congenitală Leber (LCA1; Ref. 198,199). Alți mutanți de pești zebră, cum ar fi nagie oko (nok) și heart and soul (has), nu numai că fenotipul mutantului moe este fenoidentic cu cel al mutantului moe, dar proteinele pe care le codifică (Pals1 și, respectiv, PKCi) interacționează, de asemenea, biochimic cu Moe.20 Mai mult, reducerea morfolino knock-down a crb2b, un paralog Crumbs al peștilor zebră, are ca rezultat reducerea dimensiunii IS.14 Prin urmare, aceste studii au început să descopere rolul complexului Crumbs în dezvoltarea și boala fotoreceptorilor vertebrați.

Formarea unei polarități apical-bazale corecte depinde nu numai de funcționarea corectă a determinanților polarității celulare, ci și de transportul și localizarea acestora. Fotoreceptorii din retina mutantă ale oko (ako) acumulează determinanții apicali Pals1 și PKCλ în corpurile lor celulare și prezintă o moarte extinsă a fotoreceptorilor la sfârșitul dezvoltării.19 Locusul ako codifică subunitatea p50 a complexului dynactin, care are un rol important în transportul încărcăturii de-a lungul microtubulilor ca parte a complexului motor dynein.200 La un alt mutant, mikre oko (mok), care posedă o mutație în dynactin-1, degenerarea retinei se datorează, cel puțin parțial, localizării greșite a nucleilor fotoreceptorilor. În mod surprinzător, spre deosebire de mutanții ako, determinanții apicali, cum ar fi Crumbs și aPKCλ, nu sunt localizați greșit, ceea ce sugerează că degenerarea la acești mutanți nu se datorează pierderii polarității celulare. Dislocalizarea experimentală a nucleului prin supraexprimarea motorului dynein a dus la moartea celulelor fotoreceptoare, susținând rolul poziției nucleare în supraviețuirea fotoreceptorilor.201 În timp ce defectele de poziționare nucleară la fotoreceptorii mok par să aibă un rol autonom celular, alte componente noncelulare autonome par să joace un rol în degenerarea mok. Analizele mozaice au arătat că fotoreceptorii mutanți prezintă o creștere de peste 2,5 ori a supraviețuirii atunci când sunt plasați într-un mediu de tip sălbatic.17 Această constatare sugerează că sănătatea și supraviețuirea fotoreceptorilor depinde de indicii de mediu de la celulele din jur. Aceste constatări sunt în concordanță cu defectele asociate cu unele degenerescențe umane, cum ar fi RP, în care un defect inițial al rodopsinei specifice bastonașelor duce în cele din urmă la pierderea atât a bastonașelor, cât și a conurilor.202

Transportul de la corpul celular la OS este, de asemenea, important pentru a înlocui componentele OS care sunt pierdute din cauza fagocitozei continue a OS ale fotoreceptorilor de către RPE suprapus.203 În fotoreceptori, ca și în cili, transportul are loc printr-un proces cunoscut sub numele de transport intraflagelar (IFT), iar mutațiile în genele componente ale IFT, cum ar fi ift57, ift80, ift88 și ift172, au ca rezultat atrofia OS și/sau pierderea completă a OS la peștii zebră24.-26 Mutațiile genei elipsa, care codifică o proteină despre care se crede că facilitează IFT35 , au ca rezultat pierderea timpurie a fotoreceptorilor22 , în timp ce blocarea cu morfolino a mai multor subunități ale motorului IFT retrograd dynein-2 a evidențiat importanța IFT în alungirea corectă a OS și în funcția vizuală.204 Degenerările fotoreceptorilor legate de IFT defectuoasă sunt unele dintre numeroasele fenotipuri legate de cili asociate cu sindromul Bardet-Biedl (BBS)205 , iar studiul în continuare al funcției componentelor IFT la peștele zebră s-ar putea dovedi a fi esențial pentru o mai bună înțelegere a cauzelor moleculare care stau la baza patologiilor oculare legate de BBS.

În timp ce mutanții descriși până acum în această secțiune au fost izolați în ecrane genetice care utilizează în principal metode histologice pentru a detecta defectele fotoreceptorilor, alții au fost izolați în ecrane comportamentale.15,82,206,207 Un astfel de screening a profitat de capacitatea peștelui zebră de a prezenta un comportament dependent de viziune încă de la 3 dpf (zile după fertilizare). Brockerhoff et al.15 au folosit pentru prima dată testul de răspuns optocinetic (OKR) pe embrioni mutagenați pentru a detecta defectele funcției vizuale. Un al doilea test a implicat utilizarea înregistrărilor electroretinogramei (ERG) pentru a identifica dacă mutațiile izolate afectează funcția retinei externe. Din acest screening, au fost izolați 18 mutanți care au fost determinați ca având o funcție vizuală redusă. Unul dintre ei, no optokinetic response a (noa), nu poseda anomalii grosiere ale fotoreceptorilor la 5 dpf (zile după fertilizare), dar s-a constatat că era orb, precum și letargic, și a murit prematur. Analiza mutației noa a evidențiat o deficiență a unei subunități a complexului piruvat dehidrogenază (PDH), care reglează producția de energie în celule. Linia mutantă noa a fost utilizată ca model pentru studiul deficienței PDH (OMIM 245348), o afecțiune umană care, la fel ca modelul peștelui zebră, duce la orbire, defecte neurologice și moarte timpurie.16 Deoarece tratamentele actuale pentru deficiența PDH la om au avut un succes limitat, Taylor și colab. au utilizat mutanții noa pentru a testa o dietă ketogenică, care s-a dovedit a avea un oarecare succes în ameliorarea simptomelor deficienței PDH la un număr limitat de pacienți umani. Administrarea acestei diete speciale a restabilit comportamentul normal la mutanții noa, evidențiind potențialul studierii terapiilor pentru deficiența PDH în linia mutantă noa.

Un alt mutant, no optokinetic response f (nof) a fost găsit ca posedând o mutație în subunitatea α a transducinei conice (Tcα), o proteină G necesară pentru fototransducție. La pacienții umani care suferă de o afecțiune cunoscută sub numele de acromatopsie (OMIM 139340), mutațiile în Tcα stau la baza pierderii vederii culorilor. La mutanții nof, dezvoltarea conurilor are loc în mod normal; cu toate acestea, aceștia sunt cu până la 1000× mai puțin sensibili la lumină, așa cum este detectat prin înregistrări ale fotoreceptorilor individuali. Analiza extensivă a răspunsurilor la lumină ale conurilor a arătat că fototransducția reziduală este dependentă de lumină, dar independentă de transducină. Afluxul de Ca+ 2, care este important pentru adaptarea la lumină a fotoreceptorilor și despre care s-a crezut anterior că este controlat de transducină, a fost încă detectabil la mutanții nof. Prin urmare, acest studiu a arătat că o parte din influxul de Ca+ 2 în fotoreceptorii conici ar putea fi independent de transducină.

Într-un screening separat, s-au efectuat mutații dominante care provoacă degenerarea fotoreceptorilor la peștii zebră adulți pentru a izola mutanți genetici care ar putea fi utilizați ulterior pentru a studia orbirea nocturnă moștenită de la om, cum ar fi RP.37,38 În cazul RP, mulți loci genetici stau la baza acestui grup de tulburări. Cu toate acestea, doar aproximativ jumătate din cazurile de RP dominantă au fost legate de mutații specifice în momentul în care a fost efectuat screeningul.38 Li et al. au analizat, prin urmare, pești zebră adulți mutagenați, utilizând un răspuns de evadare cunoscut manifestat de pești. Lipsa unui astfel de răspuns la un indiciu amenințător a fost interpretată ca o pierdere a vederii, care a fost confirmată ulterior cu ajutorul înregistrărilor ERG. În total, au fost izolați șapte mutanți heterozigoți (nightblindness a, b, c, d, e și f), dintre care șase au prezentat degenerare a fotoreceptorilor.38,39,208,209 S-a constatat că patru dintre cei șase au fost letali din punct de vedere embrionar ca homozigoți, ceea ce sugerează că genele mutante care stau la baza fenotipurilor fotoreceptorilor au alte funcții critice în timpul dezvoltării embrionare. Această constatare evidențiază importanța unor astfel de screening-uri pentru identificarea mutațiilor dominante care ar putea să nu fie izolate cu ușurință în screening-ul tradițional din cauza letalității embrionare timpurii.

.