The role of the c-myc gene in pigment cell development and homeostasis

Résumé La dérégulation de c-Myc est un événement fréquent de la transformation cellulaire. Une régulation positive de cette oncoprotéine a été démontrée dans divers mélanomes cutanés primaires et métastatiques et est associée à un pronostic défavorable (Grover et al., 1996; Zhuang et al., 2008). c-Myc est considéré comme une molécule centrale impliquée dans plusieurs processus de l'homéostasie cellulaire. En raison de sa contribution importante dans la progression tumorale, la fonction de c-Myc a été étudiée intensément. Cependant nous connaissons peu le rôle de ce facteur de transcription dans l'embryogenèse et dans la spécification tissulaire. Un déficit total de c-Myc pendant l'embryogenèse conduit à la mort embryonnaire avant 10.5 jours de gestation. Cette mort est causée par de multiples imperfections du développement touchant la taille de l'embryon, le coeur, le péricarde, le tube neural et les cellules sanguines (Davis et al., 1993; Trumpp et al., 2001). Récemment, il a été montré que la plupart de ces anomalies sont secondaires et résultent d'une insuffisance du placenta dans les embryons c-myc-/- (Dubois et al., 2008). Sachant que c-Myc est important dans la maintenance des lignées de la crête neurale (Wei et al., 2007), nous nous sommes intéressés au rôle de c-Myc dans le développement des cellules pigmentaires et à leur homéostasie après la naissance. Un allèle floxé de c-myc (Trumpp et al., 2001) a été utilisé pour supprimer ce gène spécifiquement dans la lignée mélanocytaire à l'aide d'une souris transgénique Tyr::Cre (Delmas et al., 2003). L'ablation des deux allèles de c-myc dans les mélanocytes des souris c-myccKO conduit au phénotype de grisonnement des poils, observé directement après la naissance et associé à une diminution du nombre de mélanocytes dans le bulbe des follicules pileux. Les cellules pigmentaires restantes expriment les marqueurs mélanogéniques (Tyr, TRP-1, Dct and MITF) et semblent être fonctionnelles puisqu'elles peuvent produire et transférer la mélanine. De plus, la capacité de prolifération des mélanocytes déficients en c-Myc dans le bulbe des follicules pileux ne semble pas être affectée chez les nouveaux-nés. Les cellules souches mélanocytaires sont présentes, mais en nombre réduit, dans le bulge des follicules pileux à la fin de la morphogenèse chez les souris c-myccKO âgées de huit jours. Ces cellules sont maintenues sans changement durant le premier cycle pileux (vérifié à l'âge de trente jours), ce qui sous-entend que la fonction de c-Myc n'est pas nécessaire pour ce processus. Ceci explique pourquoi, en supposant que des cellules souches mélanocytaires fonctionnelles sont présentes dans la peau, nous n'observons pas de dilution de couleur de la robe liée à l'âge. Cependant, la présence de ces cellules souches mélanocytaires dans la peau c-myccKO ne suffit pas à assurer une quantité normale de mélanocytes différenciés dans le bulbe des follicules pileux. Cette population de cellules pigmentaires matures est sévèrement affectée par la suppression de c-Myc, ce qui contribue amplement au phénotype de grisonnement des poils. De plus, c-Myc paraît être important pour le développement des mélanocytes. Ainsi, le nombre de mélanoblastes diminue dans les embryons c-myccKO à partir du douzième jour de gestation. A treize jours de gestation, au stade où les mélanoblastes pénètrent dans l'épiderme et prolifèrent, les mélanoblastes déficients en c-Myc ne s'adaptent pas aux signaux de prolifération et se retrouvent en nombre réduit dans l'épiderme. Finalement, nous nous sommes intéressés, au rôle de N-Myc, un homologue proche de c-Myc, dans la lignée mélanocytaire. Nos expériences ont montré que. N-Myc était superflu pour le développement et l'homéostasie des mélanocytes, une seule copie du gène c-myc étant suffisante pour maintenir une pigmentation normale de la robe des souris c-mycc-myccKO/+~N_ myccKO/KO. Cependant, le rôle essentiel de N-Myc dans la maintenance des cellules mélanocytaires précurseurs apparaît lorsque c-Myc est absent, puisque la suppression simultanée des deux Myc résulte en une perte complète de la coloration de la robe. Ceci implique la présence d'un mécanisme compensatoire entre c- et N-Myc dans la lignée mélanocytaire, avec un rôle prédominant de c-Myc. Summary Deregulation of c-Myc is known to be a common event in cellular transformation. Upregulation of this oncoprotein was shown in a variety of primary and metastatic cutaneous melanomas and has been associated with a poor prognosis (Grover et al., 1996; Zhuang et al., 2008). c-myc is seen as a central molecule involved in many aspects of cellular homeostasis. c-Myc function has been intensively studied mostly because of its significant contribution to tumour progression. However little is known on the role of this transcription factor in embryogenesis and tissue specification. Complete loss of c-Myc during embryogenesis results in embryonic death before E10.5 due to multiple developmental defects including embryonic size, heart, pericardium, neural tube and blood cells (Davis et al., 1993; Trumpp et al., 2001). Recently it was discovered that most of these abnormalities are secondary and results of placental insufficiency in c-Myc-/- embryos (Dubois et al., 2008). Here, we focused on the role of c-Myc in pigment cell development and homeostasis after birth, knowing that c-Myc is important in the maintenance of neural crest lineages (Wei et al., 2007). A floxed allele of c-Myc (Trumpp et al., 2001) was used to specifically delete this gene in the melanocyte lineage using Tyr::Cre transgenic mice (Delmas et al., 2003). Removal of both c-Myc alleles in melanocytes of c-MyccKO mouse led to the grey hair phenotype which is seen directly after birth and was associated with a decrease in the melanocyte number in the bulb of the hair follicle. The remaining population of pigment cells express melanogenic markers (Tyr, TRP-1, Dct and MITF) and seem functionally normal since they can produce and transfer melanin. Furthermore proliferation capacity of c-Myc deficient melanocytes in the bulb of hair follicle seems not to be affected in newborn animals. Melanocyte stem cells (MSCs) are present but reduced in numbers in the bulge of the hair follicle at the end of morphogenesis in 8 days old c-MyccKO mice. These cells are maintained through the first hair cycle (as verified at P30) without any further changes, suggesting that c-Myc function is not required for this process. This explains why we did not detect any agerelated coat color dilution, assuming a presence of functional MSCs in the skin. Importantly, presence of MSCs in c-MyccKO skin was not sufficient for assuring a normal number of differentiated melanocytes in the bulb of the hair follicle. This population of mature pigmented cells is severely affected upon c-myc deletion thus largely contributing to the grey hair phenotype. Moreover, c-Myc appears to be important for melanocyte development. Thus, melanoblast number is affected in c-MyccKO embryos day 12 of gestation onwards. At E13.5, when melanoblasts enter the epidermis and proliferate, c-myc deficient melanoblasts failed to adapt to proliferation signals and are therefore reduced in number in the epidermis. Finally, we addressed the role of N-Myc, a closest homologue of c-Myc, in the melanocyte lineage. In these experiments, N-Myc was dispensable for melanocyte development and homeostasis, and even one copy of the c-myc gene was sufficient to maintain normal coat color pigmentation in c-mycc-mycCKO/+ ,N-myccKO/KO mice. However the crucial role of N-Myc in maintenance of melanocyte precursor cells became apparent when c-myc is eliminated since simultaneous deletion of both Myc results in complete loss of coat color pigmentation. This suggests compensatory mechanisms between c- and N-Myc with a predominant role of c-Myc in melanocyte lineage.

Adaptive sequence evolution in a color gene involved in the formation of the characteristic egg-dummies of male haplochromine cichlid fishes.

BACKGROUND: The exceptionally diverse species flocks of cichlid fishes in East Africa are prime examples of parallel adaptive radiations. About 80% of East Africa's more than 1 800 endemic cichlid species, and all species of the flocks of Lakes Victoria and Malawi, belong to a particularly rapidly evolving lineage, the haplochromines. One characteristic feature of the haplochromines is their possession of egg-dummies on the males' anal fins. These egg-spots mimic real eggs and play an important role in the mating system of these maternal mouthbrooding fish. RESULTS: Here, we show that the egg-spots of haplochromines are made up of yellow pigment cells, xanthophores, and that a gene coding for a type III receptor tyrosine kinase, colony-stimulating factor 1 receptor a (csf1ra), is expressed in egg-spot tissue. Molecular evolutionary analyses reveal that the extracellular ligand-binding and receptor-interacting domain of csf1ra underwent adaptive sequence evolution in the ancestral lineage of the haplochromines, coinciding with the emergence of egg-dummies. We also find that csf1ra is expressed in the egg-dummies of a distantly related cichlid species, the ectodine cichlid Ophthalmotilapia ventralis, in which markings with similar functions evolved on the pelvic fin in convergence to those of the haplochromines. CONCLUSION: We conclude that modifications of existing signal transduction mechanisms might have evolved in the haplochromine lineage in association with the origination of anal fin egg-dummies. That positive selection has acted during the evolution of a color gene that seems to be involved in the morphogenesis of a sexually selected trait, the egg-dummies, highlights the importance of further investigations of the comparative genomic basis of the phenotypic diversification of cichlid fishes.

Control of gene expression in melanocytes and RPE by conserved distal regulatory elements

Résumé Durant le développement embryonnaire, les cellules pigmentaires des mammifères se développent à partir de deux origines différentes : les melanocytes se développent à partir de la crête neurale alors que les cellules de la rétine pigmentaire (RP) ont une origine neuronale. Un grand nombre de gènes sont impliqués dans la pigmentation dont les gènes de la famille tyrosinase à savoir Tyr, Tyrp1 et Dct. Certaines études ont suggéré que les gènes de la pigmentation sont régulés de manière différentielle dans les mélanocytes et dans la RP. Dans ce travail, les gènes de la famille tyrosinase ont été étudiés comme modèle de la régulation des gènes de la pigmentation par des éléments régulateurs agissant à distance. II a été montré que le promoteur du gène Tyrp1pouvait induire l'expression d'un transgène uniquement dans la RP alors que ce gène est aussi exprimé dans les mélanocytes comme le montre le phénotype des souris mutantes pour Tyrp1. Ce résultat suggère que les éléments régulateurs du promoteur sont suffisants pour l'expression dans la RP mais pas pour l'expression dans les mélanocytes. J'ai donc cherché à identifier la séquence qui régule l'expression dans les mélanocytes. Un chromosome artificiel bactérien (CAB) contenant le gène Tyrp1 s'est avéré suffisant pour induire l'expression dans les mélanocytes, comme démontré par la correction du phénotype mutant. La séquence de ce CAB contient plusieurs régions très conservées qui pourraient représenter de nouveaux éléments régulateurs. Par la suite, j'ai focalisé mon analyse sur une séquence située à -I5 kb qui s'est révélée être un amplificateur spécifique aux mélanocytes comme démontré par des expériences de cultures cellulaire et de transgenèse. De plus, une analyse poussée de cet élément a révélé que le facteur de transcription Sox 10 représentait un transactivateur de cet amplificateur. Comme pour Tyrp1, la régulation du gène tyrosinase est contrôlée par différents éléments régulateurs dans les mélanocytes et la RP. Il a été montré que le promoteur de tyrosinase n'était pas suffisant pour une forte expression dans les mélanocytes et la RP. De plus, l'analyse de la région située en amont a révélé la présence d'un amplificateur nécessaire à l'expression dans les mélanocytes à la position -15 kb. Cet amplificateur n'est toutefois pas actif dans la RP mais agit comme un répresseur dans ces cellules. Ces résultats indiquent que certains éléments nécessaires à l'expression dans les deux types de cellules pigmentaires sont absents de ces constructions. Comme pour Tyrp1, j'ai en premier lieu démontré qu'un CAB était capable de corriger le phénotype albinique, puis ai inséré un gène reporter (lacZ) dans le CAB par recombinaison homologue et ai finalement analysé l'expression du reporter en transgenèse. Ces souris ont montré une expression forte du lacZ dans les mélanocytes et la RP, ce qui indique que le CAB contient les séquences régulatrices nécessaires à l'expression correcte de tyrosinase. Afin de localiser plus précisément les éléments régulateurs, j'ai ensuite généré des délétions dans le CAB et analysé l'expression du lacZ en transgenèse. La comparaison de séquences génomiques provenant de différentes espèces a permis par la suite d'identifier des régions représentant de nouveaux éléments régulateurs potentiels. En utilisant cette approche, j'ai identifié une région qui se comporte comme un amplificateur dans la RP et qui est nécessaire à l'expression de tyrosinase dans ce tissu. De plus, j'ai identifié les facteurs de transcription Mitf et Sox10 comme transactivateurs de l'amplificateur spécifique aux mélanocytes situé à -15 kb. L'identification et la caractérisation des ces éléments régulateurs des gènes tyrosinase et Tyrp1confirme donc que la régulation différentielle des gènes dans les mélanocytes et la RP est liée à des éléments régulateurs séparés. Summary Pigment cells of mammals originate from two different lineages: melanocytes arise from the neural crest, whereas cells of the retinal pigment epithelium (RPE) originate from the optic cup of the developing forebrain. A large set of genes are involved in pigmentation, including the members of the tyrosinase gene family, namely tyrosinase, Tyrp1 and Dct. Previous studies have suggested that pigmentation genes are differentially regulated in melanocytes and RPE. In this work, the tyrosinase gene family was used as a model for studying the involvement of distal regulatory elements in pigment cell-specific gene expression. The promoter of the Tyrp1 gene has been shown to drive detectable transgene expression only to the RPE, even though the gene is also expressed in melanocytes as evident from Tyrp1-mutant mice. This indicates that the regulatory elements responsible for Tyrp1 gene expression in the RPE are not sufficient for expression in melanocytes. I thus searched for a putative melanocyte-specific regulatory sequence and demonstrate that a bacterial artificial chromosome (BAC) containing the Tyrp1 gene and surrounding sequences is able to target transgenic expression to melanocytes and to rescue the Tyrp1 b (brown) phenotype. This BAC contains several highly conserved non-coding sequences that might represent novel regulatory elements. I further focused on a sequence located at -15 kb which I identified as amelanocyte-specific enhancer as shown by cell culture and transgenic mice. In addition, further functional analysis identified the transcription factor Sox10 as being able to bind and transactivate this enhancer. As for Tyrp1, tyrosinase gene regulation is mediated by different cis-regulatory elements in melanocytes and RPE. It was shown that the tyrosinase promoter was not sufficient to confer strong and specific expression in melanocytes and RPE. Moreover, analysis of tyrosinase upstream sequence, revealed the presence of a specific enhancer at position -15 kb which was necessary to confer strong expression in melanocytes. This enhancer element however failed to act as an enhancer in the RPE, but rather repressed expression. This indicates that some regulatory elements required for tyrosinase expression in both RPE and melanocytes are still missing from these constructs. As for Tyrp1, I first demonstrated that a BAC containing the Tyr gene is able to rescue the Tyr c (albino) phenotype in mice, then I inserted a lacZ reporter gene in the BAC by homologous recombination, and finally analysed the pattern of lacZ expression in transgenic mice. These mice showed strong lacZ expression in both RPE and melanocytes, indicating that the BAC contains the regulatory sequences required for proper tyrosinase expression. In order to localize more precisely these regulatory elements, I have then generated several deletions in the BAC and analysed lacZ expression in transgenic mice. Multi-species comparative genomic analysis then allowed identifying conserved sequences that potentially represent novel regulatory elements. Using this experimental approach, I identified a region that behaves as a RPE-specific enhancer and that is required for tyrosinase expression in the retina] pigment epithelium. In addition, I identified the transcription factors Mitf and Sox l0 as being transactivators of the melanocyte-specific enhancer located at -l5 kb. The identification and characterization of these tyrosinase and Tyrp1 distal regulatory element supports the idea that separate regulatory sequences mediate differential gene expression in melanocytes and RPE.

MAP kinase pathways in UV-induced apoptosis of retinal pigment epithelium ARPE19 cells.

The retinal pigment epithelium (RPE) is constantly exposed to external injuries which lead to degeneration, dysfunction or loss of RPE cells. The balance between RPE cells death and proliferation may be responsible for several diseases of the underlying retina, including age-related macular degeneration (AMD) and proliferative vitreoretinopathy (PVR). Signaling pathways able to control cells proliferation or death usually involve the MAPK (mitogen-activated protein kinases) pathways, which modulate the activity of transcription factors by phosphorylation. UV exposure induces DNA breakdown and causes cellular damage through the production of reactive oxygen species (ROS) leading to programmed cell death. In this study, human retinal pigment epithelial cells ARPE19 were exposed to 100 J/m(2) of UV-C and MAPK pathways were studied. We first showed the expression of the three major MAPK pathways. Then we showed that activator protein-1 (AP-1) was activated through phosphorylation of cJun and cFos, induced by JNK and p38, respectively. Specific inhibitors of both kinases decreased their respective activities and phosphorylation of their nuclear targets (cJun and cFos) and reduced UV-induced cell death. The use of specific kinases inhibitors may provide excellent tools to prevent RPE apoptosis specifically in RPE diseases involving ROS and other stress-related compounds such as in AMD.

Nanoparticles for gene delivery to retinal pigment epithelial cells.

PURPOSE: To evaluate the safety and potential use of poly(lactic) acid (PLA) and poly(lactide-co-glycolide) (PLGA) nanoparticles (NPs) as vectors for gene transfer to RPE cells. METHODS: Experiments were conducted with primary bovine RPE cells and with the ARPE-19 human RPE cell line. Rhodamine loaded NPs were used to study factors influencing the internalization process by the various RPE cells: concentrations of NPs, duration of contact time, stage of cell culture and ambient temperature. The extent of NPs internalization was evaluated by fluorescence and phase microscopy. Potential NP toxicity was measured by the trypan blue exclusion dye test and the MTT method. Green fluorescent protein (GFP) plasmid or red nuclear fluorescent protein (RNFP) plasmid were sequestered in NPs. The ability ot these "loaded" NPs to generate gene transfection and protein expression in RPE cells was assessed both in vivo and in vitro by fluorescence and confocal microscopy. RESULTS: The extent of NP internalization in cultured cells increases with their concentration reaching a plateau at 1 mg/ml and a contact time of up to 6 h. Temperature and culture stage did not influence the in vitro internalization process. No toxic effects on RPE cells could be detected when these were incubated with up to 4 mg/ml of NPs. In human and bovine RPE cells incubated with GFP loaded NPs, cytoplasmic green fluorescence was observed in 14+/-1.65% of the cultured cells. Incubation with RNFP loaded NPs yielded a nuclear red fluorescence in 18.9+/-1.6% of the cells. These percentage levels of expression initially detected after 48 h of incubation remained unchanged during the following 8 additional days in culture. No significant differences in the extent of cytoplasm or nuclear fluorescence expression were observed between bovine or human RPE cultured cells. In vivo, a preferential RNFP expression within the RPE cell layer was detected after intra vitreous injection of RNFP plasmid loaded NPs. CONCLUSIONS: The ability of PLGA NPs to sequester plasmids, their nontoxic characteristics, and rapid internalization enables gene transfer and expression in RPE cells. These findings may be of potential use when designing future gene therapy strategies for ocular diseases of the posterior segment.

EIU in the rat promotes the potential of syngeneic retinal cells injected into the vitreous cavity to induce PVR.

PURPOSE: To determine whether syngeneic retinal cells injected in the vitreous cavity of the rat are able to initiate a proliferative process and whether the ocular inflammation induced in rats by lipopolysaccharide (LPS) promotes this proliferative vitreoretinopathy (PVR). METHODS: Primary cultured differentiated retinal Müller glial (RMG) and retinal pigmented epithelial (RPE) cells isolated from 8 to 12 postnatal Lewis rats were injected into the vitreous cavity of 8- to 10-week-old Lewis rats (10(5) cells/eye in 2 microlieter sterile saline), with or without the systemic injection of 150 microgram LPS to cause endotoxin-induced uveitis (EIU). Control groups received an intravitreal injection of 2 microliter saline. At 5, 15, and 28 days after cell injections, PVR was clinically quantified, and immunohistochemistry for OX42, ED1, vimentin (VIM), glial fibrillary acidic protein (GFAP), and cytokeratin was performed. RESULTS: The injection of RMG cells, alone or in combination with RPE cells, induced the preretinal proliferation of a GFAP-positive tissue, that was enhanced by the systemic injection of LPS. Indeed, when EIU was induced at the time of RMG cell injection into the vitreous cavity, the proliferation led to retinal folds and localized tractional detachments. In contrast, PVR enhanced the infiltration of inflammatory cells in the anterior segment of the eye. CONCLUSIONS: In the rat, syngeneic retinal cells of glial origin induce PVR that is enhanced by the coinduction of EIU. In return, vitreoretinal glial proliferation enhanced the intensity and duration of EIU.

Role of ATH5 in the specification of retinal ganglion cells and expression and cell compartmentalization of EFEMP1, a protein associated with Malattia Leventinese

ABSTRACT : The development of the retina is a very complex process, occurring through the progressive restriction of cell fates, from pluripotent cell populations to complex tissues and organs. In all vertebrate species analyzed so far, retinal differentiation starts with the generation of retinal ganglion cells (RGC)s. One of the documented key essential events in the specification of RGCs is the expression of ATHS, an atonal homolog encoding a bHLH transcription factor. Despite the putative role of master regulator of RGC differentiation, the mechanism of integrating its functions into a coherent program underlying the production of this subclass of retinal neurons has not yet been elucidated. By using chromatin immunoprecipitation combined with microarray (ChIP-on-chip) we have screened for ATH5 direct targets in the developing chick retina at two consecutive periods: E3.5 (stage HH22) and E6 (stage HH30), covering the stages of progenitor proliferation, neuroepithelium patterning, RGC specification, cell cycle exit and early neuronal differentiation. In parallel, complementary analysis with Affymetrix expression microarrays was conducted. We compared RGCs versus retina to see if the targets correspond to genes preferentially expressed in RGCs. We also precociously overexpressed ATH5 in the retina of individual embryo, and contralateral retina vas used as a control. Our integrated approach allowed us to establish a compendium of ATH5-targets and enabled us to position ATH5 in the transcription network underlying neurogenesis in the retina. Malattia Leventinese (ML) is an autosomal, dominant retinal dystrophy characterized by extracellular, amorphous deposits known as drusen, between the retinal pigment epithelium (RPE) and Bruch's membrane. On the genetic level, it has been associated with a single missense mutation (R345W) in a widely expressed gene with unknown function called EFEMP1. We determined expression patterns of the EFEMP1 gene in normal and ML human retinas. Our data shown that the upregulation of EFEMP1 is not specific to ML eye, except for the region of the ciliary body. We also analyzed the cell compartmentalization of different versions of the protein (both wild type and mutant). Our studies indicate that both abnormal expression of the EFEMP1 gene and mutation and accumulation of EFEMP 1 protein (inside or outside the cells) might contribute to the ML pathology. Résumé : 1er partie : L'ontogenèse de la rétine est un processus complexe au cours duquel des cellules progénitrices sont engagée, par vagues successives, dans des lignées où elles vont d'abord être déterminées puis vont se différencier pour finalement construire un tissu rétinien composé de cinq classes de neurones (les photorécepteurs, les cellules horizontales, bipolaires, amacrines et ganglionnaires) et d'une seule de cellules gliales (les cellules de Muller). Chez tous les vertébrés, la neurogenèse rétinienne est d'abord marquée par la production des cellules ganglionnaires (RGCs). La production de cette classe de neurone est liée à l'expression du gène ATH5 qui est un homologue du gène atonal chez la Drosophile et qui code pour un facteur de transcription de la famille des protéines basic Helix-Loop-Helix (bHLH). Malgré le rôle central que joue ATH5 dans la production des RGCs, le mécanisme qui intègre la fonction de cette protéine dans le programme de détermination neuronale et ceci en relation avec le développement de la rétine n'est pas encore élucidé. Grâce à une technologie qui permet de combiner la sélection de fragments de chromatine liant ATH5 et la recherche de séquences grâce à des puces d'ADN non-codants (ChIP-on-chip), nous avons recherché des cibles potentielles de la protéine ATH5 dans la rétine en développement. Nous avons conduit cette recherche à deux stades de développement de manière à englober la phase de prolifération cellulaire, la détermination des RGCs, la sortie du cycle cellulaire ainsi que les premières étapes de la différentiation de ces neurones. Des expériences complémentaires nous ont permis de définir les patrons d'expression des gènes sélectionnés ainsi que l'activité promotrice des éléments de régulation identifiés lors de notre criblage. Ces approches expérimentales diverses et complémentaires nous ont permis de répertorier des gènes cibles de la protéine ATH5 et d'établir ainsi des liens fonctionnels entre des voies métaboliques dont nous ne soupçonnions pas jusqu'alors qu'elles puissent être associées à la production d'une classe de neurones centraux. 2ème partie : Malattia Leventinese (ML) est une maladie génétique qui engendre une dystrophie de la rétine. Elle se caractérise par l'accumulation de dépôt amorphe entre l'épithélium pigmentaire et la membrane de Bruch et connu sous le nom de drusen. Cette maladie est liée à une simple mutation non-sens (R345W) dans un gène dénommé EFEMP1 qui est exprimé dans de nombreux tissus mais dont la fonction reste mal définie. Une étude détaillée de l'expression de ce gène dans des rétines humaines a révélé une expression à un niveau élevé du gène EFEMP1 dans divers tissus de l'oeil ML mais également dans des yeux contrôles. Alors que l'accumulation d'ARN messager EFEMP1 dans les cellules de l'épithélium pigmentaire n'est pas spécifique à ML, l'expression de ce gène dans le corps cilié n'a été observée que dans l'oeil ML. Nous avons également comparé la sécrétion de la protéine sauvage avec celle porteuse de la mutation. En résumé, notre étude révèle que le niveau élevé d'expression du gène EFEMP1 ainsi que l'accumulation de la protéine dans certains compartiments cellulaires pourraient contribuer au développement de pathologies rétiniennes liées à ML.

Establishment of models to study mouse and human retinogenesis "in vitro" : isolation and characterization of retinal stem cells

SUMMARY IN FRENCH Les cellules souches sont des cellules indifférenciées capables a) de proliférer, b) de s'auto¬renouveller, c) de produire des cellules différenciées, postmitotiques et fonctionnelles (multipotencialité), et d) de régénérer le tissu après des lésions. Par exemple, les cellules de souches hematopoiétiques, situées dans la moelle osseuse, peuvent s'amplifier, se diviser et produire diverses cellules différenciées au cours de la vie, les cellules souches restant dans la moelle osseuse et consentant leur propriété. Les cellules souches intestinales, situées dans la crypte des microvillosités peuvent également régénérer tout l'intestin au cours de la vie. La rétine se compose de six classes de neurones et d'un type de cellule gliale. Tous ces types de cellules sont produits par un progéniteur rétinien. Le pic de production des photorécepteurs se situe autour des premiers jours postnatals chez la souris. A cette période la rétine contient les cellules hautement prolifératives. Dans cette étude, nous avons voulu analyser le phénotype de ces cellules et leur potentiel en tant que cellules souches ou progénitrices. Nous nous sommes également concentrés sur l'effet de certains facteurs épigéniques sur leur destin cellulaire. Nous avons observé que toutes les cellules prolifératives isolées à partir de neurorétines postnatales de souris expriment le marqueur de glie radiaire RC2, ainsi que des facteurs de transcription habituellement trouvés dans la glie radiaire (Mash1, Pax6), et répondent aux critères des cellules souches : une capacité élevée d'expansion, un état indifférencié, la multipotencialité (démontrée par analyse clonale). Nous avons étudié la différentiation des cellules dans différents milieux de culture. En l'absence de sérum, l'EGF induit l'expression de la β-tubulin-III, un marqueur neuronal, et l'acquisition d'une morphologie neuronale, ceci dans 15% des cellules présentes. Nous avons également analysé la prolifération de cellules. Seulement 20% des cellules incorporent le bromodéoxyuridine (BrdU) qui est un marqueur de division cellulaire. Ceci démontre que l'EGF induit la formation des neurones sans une progression massive du cycle cellulaire. Par ailleurs, une stimulation de 2h d'EGF est suffisante pour induire la différentiation neuronale. Certains des neurones formés sont des cellules ganglionnaires rétiniennes (GR), comme l'indique l'expression de marqueurs de cellules ganglionnaires (Ath5, Brn3b et mélanopsine), et dans de rare cas d'autres neurones rétiniens ont été observés (photorécepteurs (PR) et cellules bipolaires). Nous avons confirmé que les cellules souches rétiniennes tardives n'étaient pas restreintes au cours du temps et qu'elles conservent leur multipotencialité en étant capables de générer des neurones dits précoces (GR) ou tardifs (PR). Nos résultats prouvent que l'EGF est non seulement un facteur contrôlant le développement glial, comme précédemment démontré, mais également un facteur efficace de différentiation pour les neurones rétiniens, du moins in vitro. D'autre part, nous avons voulu établir si l'oeil adulte humain contient des cellules souches rétiniennes (CSRs). L'oeil de certains poissons ou amphibiens continue de croître pendant l'âge adulte du fait de l'activité persistante des cellules souches rétiniennes. Chez les poissons, le CSRs se situe dans la marge ciliaire (CM) à la périphérie de la rétine. Bien que l'oeil des mammifères ne se développe plus pendant la vie d'adulte, plusieurs groupes ont prouvé que l'oeil de mammifères adultes contient des cellules souches rétiniennes également dans la marge ciliaire plus précisément dans l'épithélium pigmenté et non dans la neurorétine. Ces CSRs répondent à certains critères des cellules souches. Nous avons identifié et caractérisé les cellules souches rétiniennes résidant dans l'oeil adulte humain. Nous avons prouvé qu'elles partagent les mêmes propriétés que leurs homologues chez les rongeurs c.-à-d. auto-renouvellement, amplification, et différenciation en neurones rétiniens in vitro et in vivo (démontré par immunocoloration et microarray). D'autre part, ces cellules peuvent être considérablement amplifiées, tout en conservant leur potentiel de cellules souches, comme indiqué par l'analyse de leur profil d'expression génique (microarray). Elles expriment également des gènes communs à diverses cellules souches: nucleostemin, nestin, Brni1, Notch2, ABCG2, c-kit et son ligand, aussi bien que cyclin D3 qui agit en aval de c-kit. Nous avons pu montré que Bmi1et Oct4 sont nécessaires pour la prolifération des CSRs confortant leur propriété de cellules souches. Nos données indiquent que la neurorétine postnatale chez la souris et l'épithélium pigmenté de la marge ciliaire chez l'humain adulte contiennent les cellules souches rétiniennes. En outre, nous avons développé un système qui permet d'amplifier et de cultiver facilement les CSRs. Ce modèle permet de disséquer les mécanismes impliqués lors de la retinogenèse. Par exemple, ce système peut être employé pour l'étude des substances ou des facteurs impliqués, par exemple, dans la survie ou dans la génération des cellules rétiniennes. Il peut également aider à disséquer la fonction de gènes ou les facteurs impliqués dans la restriction ou la spécification du destin cellulaire. En outre, dans les pays occidentaux, la rétinite pigmentaire (RP) touche 1 individu sur 3500 et la dégénérescence maculaire liée à l'âge (DMLA) affecte 1 % à 3% de la population âgée de plus de 60 ans. La génération in vitro de cellules rétiniennes est aussi un outil prometteur pour fournir une source illimitée de cellules pour l'étude de transplantation cellulaire pour la rétine. SUMMARY IN ENGLISH Stem cells are defined as undifferentiated cells capable of a) proliferation, b) self maintenance (self-renewability), c) production of many differentiated functional postmitotic cells (multipotency), and d) regenerating tissue after injury. For instance, hematopoietic stem cells, located in bone marrow, can expand, divide and generate differentiated cells into the diverse lineages throughout life, the stem cells conserving their status. In the villi crypt, the intestinal stem cells are also able to regenerate the intestine during their life time. The retina is composed of six classes of neurons and one glial cell. All these cell types are produced by the retinal progenitor cell. The peak of photoreceptor production is reached around the first postnatal days in rodents. Thus, at this stage the retina contains highly proliferative cells. In our research, we analyzed the phenotype of these cells and their potential as possible progenitor or stem cells. We also focused on the effect of epigenic factor(s) and cell fate determination. All the proliferating cells isolated from mice postnatal neuroretina harbored the radial glia marker RC2, expressed transcription factors usually found in radial glia (Mash 1, Pax6), and met the criteria of stem cells: high capacity of expansion, maintenance of an undifferentiated state, and multipotency demonstrated by clonal analysis. We analyzed the differentiation seven days after the transfer of the cells in different culture media. In the absence of serum, EGF led to the expression of the neuronal marker β-tubulin-III, and the acquisition of neuronal morphology in 15% of the cells. Analysis of cell proliferation by bromodeoxyuridine incorporation revealed that EGF mainly induced the formation of neurons without stimulating massively cell cycle progression. Moreover, a pulse of 2h EGF stimulation was sufficient to induce neuronal differentiation. Some neurons were committed to the retinal ganglion cell (RGC) phenotype, as revealed by the expression of retinal ganglion markers (Ath5, Brn3b and melanopsin), and in few cases to other retinal phenotypes (photoreceptors (PRs) and bipolar cells). We confirmed that the late RSCs were not restricted over-time and conserved multipotentcy characteristics by generating retinal phenotypes that usually appear at early (RGC) or late (PRs) developmental stages. Our results show that EGF is not only a factor controlling glial development, as previously shown, but also a potent differentiation factor for retinal neurons, at least in vitro. On the other hand, we wanted to find out if the adult human eye contains retina stem cells. The eye of some fishes and amphibians continues to grow during adulthood due to the persistent activity of retinal stem cells (RSCs). In fish, the RSCs are located in the ciliary margin zone (CMZ) at the periphery of the retina. Although, the adult mammalian eye does not grow during adult life, several groups have shown that the adult mouse eye contains retinal stem cells in the homologous zone (i.e. the ciliary margin), in the pigmented epithelium and not in the neuroretina. These RSCs meet some criteria of stem cells. We identified and characterized the human retinal stem cells. We showed that they posses the same features as their rodent counterpart i.e. they self-renew, expand and differentiate into retinal neurons in vitro and in vivo (indicated by immunostaining and microarray analysis). Moreover, they can be greatly expanded while conserving their sternness potential as revealed by the gene expression profile analysis (microarray approach). They also expressed genes common to various stem cells: nucleostemin, nestin, Bmil , Notch2, ABCG2, c-kit and its ligand, as well as cyclin D3 which acts downstream of c-kit. Furthermore, Bmil and Oct-4 were required for RSC proliferation reinforcing their stem cell identity. Our data indicate that the mice postnatal neuroretina and the adult pigmented epithelium of adult human ciliary margin contain retinal stem cells. We developed a system to easily expand and culture RSCs that can be used to investigate the retinogenesis. For example, it can help to screen drugs or factors involved, for instance, in the survival or generation of retinal cells. This could help to dissect genes or factors involved in the restriction or specification of retinal cell fate. In Western countries, retinitis pigmentosa (RP) affects 1 out of 3'500 individuals and age-related macula degeneration (AMD) strikes 1 % to 3% of the population over 60. In vitro generation of retinal cells is thus a promising tool to provide an unlimited cell source for cellular transplantation studies in the retina.

Ocular drug delivery targeting the retina and retinal pigment epithelium using polylactide nanoparticles.

PURPOSE: To study the kinetics of polylactide (PLA) nanoparticle (NP) localization within the intraocular tissues and to evaluate their potential to release encapsulated material. METHODS: A single intravitreous injection (5 micro L) of an NP suspension (2.2 mg/mL) encapsulating either Rh-6G (Rh) or Nile red (Nr) was performed. Animals were killed at various times, and the NPs localization within the intraocular tissues was studied by environmental scanning electron microscopy (ESEM), confocal microscopy, light microscopy histology, fluorescence microscopy, and immunohistochemistry. Eyes injected with blank NPs, free Rh, or PBS solution were used as the control. RESULTS: ESEM showed the flow of the NPs from the site of injection into the vitreous cavity and their rapid settling on the internal limiting membrane. Histology demonstrated the anatomic integrity of the injected eyes and showed no toxic effects. A mild inflammatory cell infiltrate was observed in the ciliary body 6 hours after the injection and in the posterior vitreous and retina at 18 to 24 hours. The intensity of inflammation decreased markedly by 48 hours. Confocal and fluorescence microscopy and immunohistochemistry showed that a transretinal movement of the NPs was gradually taking place with a later localization in the RPE cells. Rh encapsulated within the injected NPs diffused and stained the retina and RPE cells. PLA NPs were still present within the RPE cells 4 months after a single intravitreous injection. CONCLUSIONS: Intravitreous injection of PLA NPs appears to result in transretinal movement, with a preferential localization in the RPE cells. Encapsulated Rh diffuses from the NPs and stains the neuroretina and the RPE cells. The findings support the idea that specific targeting of these tissues is feasible. Furthermore, the presence of the NPs within the RPE cells 4 months after a single injection shows that a steady and continuous delivery of drugs can be achieved.

VEGF is a mediator of retinal pigment epithelium permeability leading to photoreceptor cell death in light-induced retinal degeneration : gene therapy strategy to prevent AMD-disorders

ABSTRACTIn normal tissues, a balance between pro- and anti-angiogenic factors tightly controls angiogenesis. Alterations of this balance may have pathological consequences. For instance, concerning the retina, the vascular endothelial growth factor (VEGF) is a potent pro-angiogenic factor, and has been identified has a key player during ocular neovascularization implicated in a variety of retinal diseases. In the exudative form (wet-form) of age-related macular degeneration (AMD), neovascularizations occurring from the choroidal vessels are responsible for a quick and dramatic loss of visual acuity. In diabetic retinopathy and retinopathy of prematurity, sprouting from the retinal vessels leads to vision loss. Furthermore, the aging of the population, the increased- prevalence of diabetes and the better survival rate of premature infants will lead to an increasing rate of these conditions. In this way, anti-VEGF strategy represents an important therapeutic target to treat ocular neovascular disorders.In addition, the administration of Pigmented Epithelial growth factor, a neurotrophic and an anti- angiogenic factor, prevents photoreceptor cell death in a model of retinal degeneration induced by light. Previous results analyzing end point morphology reveal that the light damage (LD) model is used to mimic retinal degenerations arising from environmental insult, as well as aging and genetic disease such as advanced atrophic AMD. Moreover, light has been identified as a co-factor in a number of retinal diseases, speeding up the degeneration process. This protecting effect of PEDF in the LD retina raises the possibility of involvement of the balance between pro- and anti-angiogenic factors not only for angiogenesis, but also in cell survival and maintenance.The aim of the work presented here was to evaluate the importance of this balance in neurodegenerative processes. To this aim, a model of light-induced retinal degeneration was used and characterized, mainly focusing on factors simultaneously controlling neuron survival and angiogenesis, such as PEDF and VEGF.In most species, prolonged intense light exposure can lead to photoreceptor cell damage that can progress to cell death and vision loss. A protocol previously described to induce retinal degeneration in Balb/c mice was used. Retinas were characterized at different time points after light injury through several methods at the functional and molecular levels. Data obtained confirmed that toxic level of light induce PR cell death. Variations were observed in VEGF pathway players in both the neural retina and the eye-cup containing the retinal pigment epithelium (RPE), suggesting a flux of VEGF from the RPE towards the neuroretina. Concomitantly, the integrity of the outer blood-retinal-barrier (BRB) was altered, leading to extravascular albumin leakage from the choroid throughout the photoreceptor layer.To evaluate the importance of VEGF during light-induced retinal degeneration process, a lentiviral vector encoding the cDNA of a single chain antibody directed against all VEGF-A isoforms was developed (LV-V65). The bioactivity of this vector to block VEGF was validated in a mouse model of laser-induced choroidal neovascularization mediated by VEGF upregulation. The vector was then used in the LD model. The administration of the LV-V65 contributed to the maintenance of functional photoreceptors, which was assessed by ERG recording, visual acuity measurement and histological analyses. At the RPE level, the BRB integrity was preserved as shown by the absence of albumin leakage and the maintenance of RPE cell cohesion.These results taken together indicate that the VEGF is a mediator of light induced PR degeneration process and confirm the crucial role of the balance between pro- and anti-angiogenic factors in the PR cell survival. This work also highlights the prime importance of BRB integrity and functional coupling between RPE and PR cells to maintain the PR survival. VEGF dysregulation was already shown to be involved in wet AMD forms and our study suggests that VEGF dysregulation may also occur at early stages of AMD and could thus be a potential therapeutic target for several RPE related diseases.RESUMEDans les différents tissues de l'organisme, l'angiogenèse est strictement contrôlée par une balance entre les facteurs pro- et anti-angiogéniques. Des modifications survenant dans cette balance peuvent engendrer des conséquences pathologiques. Par exemple, concernant la rétine, le facteur de croissance de l'endothélium vasculaire (VEGF) est un facteur pro-angiogénique important. Ce facteur a été identifié comme un acteur majeur dans les néovascularisations oculaires et les processus pathologiques angiogéniques survenant dans l'oeil et responsables d'une grande variété de maladies rétiniennes. Dans la forme humide de la dégénérescence maculaire liée à l'âge (DMLA), la néovascularisation choroïdienne est responsable de la perte rapide et brutale de l'acuité visuelle chez les patients affectés. Dans la rétinopathie diabétique et celle lié à la prématurité, l'émergence de néovaisseaux rétiniens est la cause de la perte de la vision. Les néovascularisations oculaires représentent la principale cause de cécité dans les pays développés. De plus, l'âge croissant de la population, la progression de la prévalence du diabète et la meilleure survie des enfants prématurés mèneront sans doute à l'augmentation de ces pathologies dans les années futures. Dans ces conditions, les thérapies anti- angiogéniques visant à inhiber le VEGF représentent une importante cible thérapeutique pour le traitement de ces pathologies.Plusieurs facteurs anti-angiogéniques ont été identifiés. Parmi eux, le facteur de l'épithélium pigmentaire (PEDF) est à la fois un facteur neuro-trophique et anti-angiogénique, et l'administration de ce facteur au niveau de la rétine dans un modèle de dégénérescence rétinienne induite par la lumière protège les photorécepteurs de la mort cellulaire. Des études antérieures basées sur l'analyse morphologique ont révélé que les modifications survenant lors de la dégénération induite suite à l'exposition à des doses toxiques de lumière représente un remarquable modèle pour l'étude des dégénérations rétiniennes suite à des lésions environnementales, à l'âge ou encore aux maladies génétiques telle que la forme atrophique avancée de la DMLA. De plus, la lumière a été identifiée comme un co-facteur impliqué dans un grand nombre de maladies rétiniennes, accélérant le processus de dégénération. L'effet protecteur du PEDF dans les rétines lésées suite à l'exposition de des doses toxiques de lumière suscite la possibilité que la balance entre les facteurs pro- et anti-angiogéniques soit impliquée non seulement dans les processus angiogéniques, mais également dans le maintient et la survie des cellules.Le but de ce projet consiste donc à évaluer l'implication de cette balance lors des processus neurodégénératifs. Pour cela, un modèle de dégénération induite par la lumière à été utilisé et caractérisé, avec un intérêt particulier pour les facteurs comme le PEDF et le VEGF contrôlant simultanément la survie des neurones et l'angiogenèse.Dans la plupart des espèces, l'exposition prolongée à une lumière intense peut provoquer des dommages au niveau des cellules photoréceptrices de l'oeil, qui peut mener à leur mort, et par conséquent à la perte de la vision. Un protocole préalablement décrit a été utilisé pour induire la dégénération rétinienne dans les souris albinos Balb/c. Les rétines ont été analysées à différents moments après la lésion par différentes techniques, aussi bien au niveau moléculaire que fonctionnel. Les résultats obtenus ont confirmé que des doses toxiques de lumière induisent la mort des photorécepteurs, mais altèrent également la voie de signalisation du VEGF, aussi bien dans la neuro-rétine que dans le reste de l'oeil, contenant l'épithélium pigmentaire (EP), et suggérant un flux de VEGF provenant de ΙΈΡ en direction de la neuro-rétine. Simultanément, il se produit une altération de l'intégrité de la barrière hémato-rétinienne externe, menant à la fuite de protéine telle que l'albumine, provenant de la choroïde et retrouvée dans les compartiments extravasculaires de la rétine, telle que dans la couche des photorécepteurs.Pour déterminer l'importance et le rôle du VEGF, un vecteur lentiviral codant pour un anticorps neutralisant dirigée contre tous les isoformes du VEGF a été développé (LV-V65). La bio-activité de ce vecteur a été testé et validée dans un modèle de laser, connu pour induire des néovascularisations choroïdiennes chez la souris suite à l'augmentation du VEGF. Ce vecteur a ensuite été utilisé dans le modèle de dégénération induite par la lumière. Les résultats des électrorétinogrammes, les mesures de l'acuité visuelle et les analyses histologiques ont montré que l'injection du LV-V65 contribue à la maintenance de photorécepteurs fonctionnels. Au niveau de l'EP, l'absence d'albumine et la maintenance des jonctions cellulaires des cellules de l'EP ont démontré que l'intégrité de la barrière hémato-rétinienne externe est préservée suite au traitement.Par conséquent, tous les résultats obtenus indiquent que le VEGF est un médiateur important impliquée dans le processus de dégénération induit par la lumière et confirme le rôle cruciale de la balance entre les facteurs pro- et anti-angiogéniques dans la survie des photorécepteurs. Cette étude révèle également l'importance de l'intégrité de la barrière hémato-rétinienne et l'importance du lien fonctionnel et structurel entre l'EP et les photorécepteurs, essentiel pour la survie de ces derniers. Par ailleurs, Cette étude suggère que des dérèglements au niveau de l'équilibre du VEGF ne sont pas seulement impliqués dans la forme humide de la DMLA, comme déjà démontré dans des études antérieures, mais pourraient également contribuer et survenir dans des formes précoces de la DMLA, et par conséquent le VEGF représente une cible thérapeutique potentielle pour les maladies associées à des anomalies au niveau de l'EP.

Peroxynitrite cytotoxicity on bovine retinal pigmented epithelial cells in culture.

Peroxynitrite induced in vitro a dose dependent toxicity on retinal pigmented epithelial (RPE) cells. Cell death was partially mediated by apoptosis as demonstrated by nuclear fragmentation and TdT-mediated dUTP nick-end labeling assay. Peroxynitrite-induced tyrosine nitration was revealed by immunocytochemistry, both in the cytoplasm and in the nucleus of the cells. Nitration was not observed in RPE cells, producing nitric oxide (NO) after stimulation by lipopolysacharide and interferon-g (IFN-gamma), suggesting that peroxynitrite was not formed in vitro in such conditions. Peroxynitrite could be responsible for the retinal damages observed in pathological conditions in which NO has been demonstrated to be involved. In this context, EGb761, identified as a free radical scavenger, was showed herein to protect RPE cells against peroxynitrite injury.

Hyperactivation of retina by light in mice leads to photoreceptor cell death mediated by VEGF and retinal pigment epithelium permeability.

Light toxicity is suspected to enhance certain retinal degenerative processes such as age-related macular degeneration. Death of photoreceptors can be induced by their exposure to the visible light, and although cellular processes within photoreceptors have been characterized extensively, the role of the retinal pigment epithelium (RPE) in this model is less well understood. We demonstrate that exposition to intense light causes the immediate breakdown of the outer blood-retinal barrier (BRB). In a molecular level, we observed the slackening of adherens junctions tying up the RPE and massive leakage of albumin into the neural retina. Retinal pigment epithelial cells normally secrete vascular endothelial growth factor (VEGF) at their basolateral side; light damage in contrast leads to VEGF increase on the apical side - that is, in the neuroretina. Blocking VEGF, by means of lentiviral gene transfer to express an anti-VEGF antibody in RPE cells, inhibits outer BRB breakdown and retinal degeneration, as illustrated by functional, behavioral and morphometric analysis. Our data show that exposure to high levels of visible light induces hyperpermeability of the RPE, likely involving VEGF signaling. The resulting retinal edema contributes to irreversible damage to photoreceptors. These data suggest that anti-VEGF compounds are of therapeutic interest when the outer BRB is altered by retinal stresses.

Lipid-bloated subretinal microglial cells are at the origin of drusen appearance in CX3CR1-deficient mice.

Drusen, the white yellowish deposits that can be seen in funduscopy, are a hallmark of age-related macular degeneration. Histologically, drusen are believed to be dome-shaped or more confluent lipid accumulations between the retinal pigment epithelium and the choriocapillaries. Recent advances in mouse funduscopy have revealed the presence of drusen-like structures in chemokine knockout animals in the absence of sizeable dome-shaped material below the retinal pigment epithelium. We show that aged CX3CR1-/- mice present with drusen-like appearance in funduscopy that is associated with a progressive age-related microglial cell accumulation in the subretinal space. We demonstrate that the anatomical equivalent of the drusen-like appearance in these mice are lipid-bloated subretinal microglial cells rather than subretinal pigment epithelium deposits [Combadière C, et al: J Clin Invest 2007;117:2920-2928].

CCR2/CCL2-mediated inflammation protects photoreceptor cells from amyloid-β-induced apoptosis.

Age-related macular degeneration is characterized by the formation of drusen containing amyloid-β (Aβ) and the degeneration of photoreceptors. To explore the largely unknown role of Aβ in the retina, we investigated the effects on photoreceptors of the oligomeric form of Aβ(1-42). Subretinal injection of the Aβ peptide induced misplaced expression of recoverin and synaptophysin in the photoreceptors, oxidative stress in their inner and outer segments, and finally apoptosis. Aβ did not induce cell death in purified photoreceptor cell cultures, but did so in retinal cell cultures, thereby suggesting that the cellular environment plays a role in Aβ-induced photoreceptor apoptosis. Subretinal injection of Aβ was followed by activation and migration of microglial cells and then by photoreceptor apoptosis. Microglial cells phagocytosed rhodopsin-containing debris and Aβ in the subretinal space. Quantitative RT-PCR allowed us to identify a specific gene expression profile associated with the Aβ-induced progression of retinal degeneration and consistent with oxidative stress, inflammation, and an apoptotic program. The gene most highly upregulated in Aβ-injected retinas was that for the chemokine CCL2, and its absence or that of its cognate receptor CCR2 greatly reduced migration of activated microglial cells to the site of retinal injury and profoundly worsened photoreceptor degeneration and disorganization of the retinal pigment epithelium in Aβ-injected retinas. Our study pinpoints the roles of Aβ and of CCL2/CCR2 axis-dependent inflammation in photoreceptor apoptosis.

VP22 light controlled delivery of oligonucleotides to ocular cells in vitro and in vivo.

PURPOSE: To study VP22 light controlled delivery of antisense oligonucleotide (ODN) to ocular cells in vitro and in vivo. METHODS: The C-terminal half of VP22 was expressed in Escherichia coli, purified and mixed with 20 mer phosphorothioate oligonucleotides (ODNs) to form light sensitive complex particles (vectosomes). Uptake of vectosomes and light induced redistribution of ODNs in human choroid melanoma cells (OCM-1) and in human retinal pigment epithelial cells (ARPE-19) were studied by confocal and electron microscopy. The effect of vectosomes formed with an antisense ODN corresponding to the 3'-untranslated region of the human c-raf kinase gene on the viability and the proliferation of OCM-1 cells was assessed before and after illumination. Cells incubated with vectosomes formed with a mismatched ODN, a free antisense ODN or a free mismatched ODN served as controls. White light transscleral illumination was carried out 24 h after the intravitreal injection of vectosomes in rat eyes. The distribution of fluorescent vectosomes and free fluorescent ODN was evaluated on cryosections by fluorescence microscopy before, and 1 h after illumination. RESULTS: Overnight incubation of human OCM-1 and ARPE-19 cells with vectosomes lead to intracellular internalization of the vectosomes. When not illuminated, internalized vectosomes remained stable within the cell cytoplasm. Disruption of vectosomes and release of the complexed ODN was induced by illumination of the cultures with a cold white light or a laser beam. In vitro, up to 60% inhibition of OCM-1 cell proliferation was observed in illuminated cultures incubated with vectosomes formed with antisense c-raf ODN. No inhibitory effect on the OCM-1 cell proliferation was observed in the absence of illumination or when the cells are incubated with a free antisense c-raf ODN and illuminated. In vivo, 24 h after intravitreal injection, vectosomes were observed within the various retinal layers accumulating in the cytoplasm of RPE cells. Transscleral illumination of the injected eyes with a cold white light induced disruption of the vectosomes and a preferential localization of the "released" ODNs within the cell nuclei of the ganglion cell layer, the inner nuclear layer and the RPE cells. CONCLUSIONS: In vitro, VP22 light controlled delivery of ODNs to ocular cells nuclei was feasible using white light or laser illumination. In vivo, a single intravitreal injection of vectosomes, followed by transscleral illumination allowed for the delivery of free ODNs to retinal and RPE cells.