Le rôle des cellules gliales de Müller dans la mort des cellules ganglionnaires de la rétine par des mécanismes cellulaires non-autonomes

Les cellules gliales sont essentielles au fonctionnement du système nerveux. Dans la rétine, les cellules gliales de Müller assurent à la fois l’homéostasie du tissu et la protection des neurones, notamment celle des cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs). L’hypothèse principale de la thèse est que les cellules de Müller joueraient un rôle primordial dans la survie neuronale tant au plan de la signalisation des neurotrophines/proneurotrophines par suite d’une blessure que lors des mécanismes d’excitotoxicité. Contrairement au brain-derived neurotrophic factor (BDNF), le nerve growth factor (NGF) n’est pas en mesure d’induire la survie des CGRs après une section du nerf optique. Le premier objectif de la thèse a donc été de localiser les récepteurs p75NTR et TrkA du NGF dans la rétine adulte et d’établir leur fonction respective en utilisant des ligands peptidomimétiques agonistes ou antagonistes spécifiques pour chacun des récepteurs. Nos résultats ont démontré que TrkA est surexprimé par les CGRs après l’axotomie, tandis que p75NTR est spécifiquement exprimé par les cellules de Müller. Alors que NGF n’est pas en mesure d’induire la survie des CGRs, l’activation spécifique de TrkA par des ligands peptidomimétique est nettement neuroprotectrice. De façon surprenante, le blocage sélectif de p75NTR ou l’absence de celui-ci protège les CGRs de la mort induite par l’axotomie. De plus, la combinaison de NGF avec l’antagoniste de p75NTR agit de façon synergique sur la survie des CGRS. Ces résultats révèlent un nouveau mécanisme par lequel le récepteur p75NTR exprimé par les cellules gliales de Müller peut grandement influencer la survie neuronale. Ensuite, nous avons voulu déterminer l’effet des proneurotrophines dans la rétine adulte. Nous avons démontré que l’injection de proNGF induit la mort des CGRs chez le rat et la souris par un mécanisme dépendant de p75NTR. L’expression de p75NTR étant exclusive aux cellules de Müller, nous avons testé l’hypothèse que le proNGF active une signalisation cellulaire non-autonome qui aboutit à la mort des CGRs. En suivant cette idée, nous avons montré que le proNGF induit une forte expression du tumor necrosis factor α (TNFα) dans les cellules de Müller et que l’inhibition du TNF bloque la mort neuronale induite par le proNGF. L’utilisation de souris knock-out pour la protéine p75NTR, son co-récepteur sortiline, ou la protéine adaptatrice NRAGE a permis de montrer que la production de TNF par les cellules gliales était dépendante de ces protéines. Le proNGF semble activer une signalisation cellulaire non-autonome qui cause la mort des neurones de façon dépendante du TNF in vivo. L’hypothèse centrale de l’excitotoxicité est que la stimulation excessive des récepteurs du glutamate sensibles au N-Methyl-D-Aspartate (NMDA) est dommageable pour les neurones et contribue à plusieurs maladies neurodégénératives. Les cellules gliales sont soupçonnées de contribuer à la mort neuronale par excitotoxicité, mais leur rôle précis est encore méconnu. Le dernier objectif de ma thèse était d’établir le rôle des cellules de Müller dans cette mort neuronale. Nos résultats ont démontré que l’injection de NMDA induit une activation du nuclear factor κB (NF-κB) dans les cellules de Müller, mais pas dans les CGRs, et que l’utilisation d’inhibiteurs du NF-κB empêche la mort des CGRs. De plus, nous avons montré que les cellules de Müller en réaction à l’activation du NF-κB produisent la protéine TNFα laquelle semble être directement impliquée dans la mort des CGRs par excitotoxicité. Cette mort cellulaire se produit principalement par l’augmentation à la surface des neurones des récepteurs AMPA perméables au Ca2+, un phénomène dépendant du TNFα. Ces donnés révèlent un nouveau mécanisme cellululaire non-autonome par lequel les cellules gliales peuvent exacerber la mort neuronale lors de la mise en jeu de mécanismes excitotoxiques.

Novel molecular mechanisms of neuronal and vascular protection in experimental glaucoma

Le glaucome est la deuxième cause de cécité irréversible dans le monde. La perte de vision qui se produit lors du glaucome s’explique par une dégénérescence du nerf optique et une mort progressive et sélective des cellules ganglionnaires de la rétine (CRG). L'hypertension oculaire est un facteur de risque majeur dans le glaucome, mais des défauts du champ visuel continuent à se développer chez un contingent de patients malgré l'administration de médicaments qui abaissent la pression intraoculaire (PIO). Par conséquent, bien que la PIO représente le seul facteur de risque modifiable dans le développement du glaucome, son contrôle ne suffit pas à protéger les CRGs et préserver la fonction visuelle chez de nombreux patients. Dans ce contexte, j'ai avancé l'hypothèse centrale voulant que les stratégies de traitement du glaucome visant à promouvoir la protection structurale et fonctionnelle des CRGs doivent agir sur les mécanismes moléculaires qui conduisent à la mort des ces neurones. Dans la première partie de ma thèse, j'ai caractérisé l'effet neuroprotecteur de la galantamine, un inhibiteur de l'acétylcholinestérase qui est utilisé cliniquement dans le traitement de la maladie d'Alzheimer. Cette étude s’est basée sur l'hypothèse que la galantamine, en modulant l'activité du récepteur de l'acétylcholine, puisse améliorer la survie des CRGs lors du glaucome. Nous avons utilisé un modèle expérimental bien caractérisé d'hypertension oculaire induite par l’administration d'une solution saline hypertonique dans une veine épisclérale de rats Brown Norway. Les résultats de cette étude (Almasieh et al. Cell Death and Disease, 2010) ont démontré que l'administration quotidienne de galantamine améliore de manière significative la survie des corps cellulaires et des axones CRGs. La protection structurelle des CRGs s’accompagne d’une préservation remarquable de la fonction visuelle, évaluée par l'enregistrement des potentiels évoqués visuels (PEV) dans le collicule supérieur, la cible principale des CRGs chez le rongeur. Une autre constatation intéressante de cette étude est la perte substantielle de capillaires rétiniens et la réduction du débit sanguin associé à la perte des CRGs dans le glaucome expérimental. Il est très intéressant que la galantamine ait également favorisé la protection de la microvascularisation et amélioré le débit sanguin rétinien des animaux glaucomateux (Almasieh et al. en préparation). J'ai notamment démontré que les neuro-et vasoprotections médiées par la galantamine se produisent par iv l'activation des récepteurs muscariniques de l'acétylcholine. Dans la deuxième partie de ma thèse, j'ai étudié le rôle du stress oxydatif ainsi que l'utilisation de composés réducteurs pour tester l'hypothèse que le blocage d'une augmentation de superoxyde puisse retarder la mort des CRG lors du glaucome expérimental. J'ai profité d'un composé novateur, un antioxydant à base de phosphineborane (PB1), pour tester sur son effet neuroprotecteur et examiner son mécanisme d'action dans le glaucome expérimental. Les données démontrent que l'administration intraoculaire de PB1 entraîne une protection significative des corps cellulaire et axones des CRGs. Les voies moléculaires conduisant à la survie neuronale médiée par PB1 ont été explorées en déterminant la cascade de signalisation apoptotique en cause. Les résultats démontrent que la survie des CRGs médiée par PB1 ne dépend pas d’une inhibition de signalisation de protéines kinases activées par le stress, y compris ASK1, JNK ou p38. Par contre, PB1 induit une augmentation marquée des niveaux rétiniens de BDNF et une activation en aval de la voie de survie des ERK1 / 2 (Almasieh et al. Journal of Neurochemistry, 2011). En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse contribuent à une meilleure compréhension des mécanismes pathologiques qui conduisent à la perte de CRGs dans le glaucome et pourraient fournir des pistes pour la conception de nouvelles stratégies neuroprotectrices et vasoprotectrices pour le traitement et la gestion de cette maladie.

Mécanismes moléculaires régulant la pathologie dendritique dans la rétine adulte lésée in vivo

Les dendrites sont essentielles pour la réception et l’intégration des stimuli afférents dans les neurones. De plus en plus d’évidences d’une détérioration dendritique sont associées à une axonopathie dans les maladies neurodégénératives. Le glaucome dont la physiopathologie est caractérisée par une détérioration progressive et irréversible des cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs) est la première cause de cécité irréversible dans le monde. Son évolution est associée à un amincissement graduel des axones et à l’atrophie des somas des CGRs. La majorité des études de neuroprotection des neuropathies rétiniennes visent la survie et la protection des somas et des axones. Des études récentes ont démontré des changements dendritiques associés à cette pathologie, toutefois les mécanismes moléculaires les régulant sont méconnus. L’hypothèse principale de ma thèse stipule qu’une lésion axonale entraîne des altérations précoces des structures dendritiques. L’identification de voies de signalisation régulant ces changements permettrait d’élaborer des stratégies de neuroprotection et de rétablir la fonction de ces neurones. Dans la première étude, nous avons examiné l’effet précoce d’une lésion axonale aigüe sur la morphologie dendritique des CGRs in vivo. En utilisant des souris transgéniques exprimant la protéine fluorescente jaune (YFP) soumises à une axotomie, nous avons démontré un rétrécissement de l’arbre dendritique des CGRs et une diminution sélective de l’activité de mTOR avant le début de la mort des CGRs lésées. Aussi nous avons démontré une augmentation de l’expression de la protéine Regulated in development and DNA damage response 2 (REDD2), un régulateur négatif en amont de la protéine mTOR en réponse à la lésion du nerf optique in vivo. Nous avons démontré que la réactivation de mTOR par l’inhibition de l’expression de REDD2 préserve les arbres dendritiques des CGRs adultes. En effet, l’injection de petits ARN d’interférence contre la REDD2 (siREDD2) stimule l’activité de mTOR dans les CGRs lésées et augmente significativement la longueur et la surface dendritique totale. De plus, la rapamycine, un inhibiteur de mTOR, inhibe complètement l’effet du siREDD2 sur la croissance et l’élaboration des dendrites. L’analyse électrophysiologique des CGRs démontre une augmentation de l’excitabilité des CGRs lésées qui est restaurée en présence du siREDD2. Par ailleurs, des données récentes ont mis en évidence l’implication de la neuro-inflammation dans le glaucome, caractérisée par une augmentation de cytokines pro-inflammatoires dont principalement le facteur de nécrose tumorale (TNFα). Ainsi dans la deuxième étude nous avons examiné l’effet du TNF exogène sur la morphologie de l’arbre dendritique des CGRs et commencé l’étude des mécanismes moléculaires sous-jacents à ces changements. Nos résultats démontrent que l’injection de TNF recombinante dans le vitrée induit une rétraction dendritique précoce qui corrèle à une réduction de phospho-S6 suggérant l’implication de mTOR dans ces CGRs lésées. Ainsi, les études présentées dans cette thèse mettent en évidence un nouveau rôle de mTOR dans la stabilité et le maintien des dendrites de neurones rétiniennes adultes. Ces études ont aussi démontré l’effet précoce de stress direct ou indirect, c’est-à-dire l’axotomie et le TNFα respectivement sur la pathologie dendritique et sur leur effet sur la fonction neuronale.

Role of Reactive Gliosis and Neuroinflammation in Experimental Glaucoma

Le glaucome est la principale cause de cécité irréversible dans le monde. Chez les patients atteints de cette pathologie, la perte de la vue résulte de la mort sélective des cellules ganglionnaires (CGR) de la rétine ainsi que de la dégénérescence axonale. La pression intraoculaire élevée est considérée le facteur de risque majeur pour le développement de cette maladie. Les thérapies actuelles emploient des traitements pharmacologiques et/ou chirurgicaux pour diminuer la pression oculaire. Néanmoins, la perte du champ visuel continue à progresser, impliquant des mécanismes indépendants de la pression intraoculaire dans la progression de la maladie. Il a été récemment démontré que des facteurs neuroinflammatoires pourraient être impliqués dans le développement du glaucome. Cette réponse est caractérisée par une régulation positive des cytokines pro-inflammatoires, en particulier du facteur de nécrose tumorale alpha (TNFα). Cependant, le mécanisme par lequel le processus neuroinflammatoire agit sur la mort neuronale reste à clarifier. L’hypothèse principale de ce doctorat propose que les facteurs pro-inflammatoires comme le TNFα et la phosphodiestérase 4 (PDE4) interagissent avec les mécanismes moléculaires de la mort neuronale, favorisant ainsi la survie et la protection des CGRs au cours du glaucome. Dans la première partie de ma thèse, J’ai utilisé un modèle in vivo de glaucome chez des rats Brown Norway pour montrer que l’expression du TNFα est augmentée après l'induction de l'hypertension oculaire. L'hypothèse spécifique de cette étude suggère que les niveaux élevés de TNFα provoquent la mort des CGRs en favorisant l'insertion de récepteurs AMPA perméables au calcium (CP-AMPAR) à la membrane cytoplasmique. Pour tester cette hypothèse, j’ai utilisé un inhibiteur sélectif de la forme soluble du TNFα, le XPro1595. L'administration de cet agent pharmacologique a induit une protection significative des somas et des axones des neurones rétiniens. L'évaluation de la perméabilité au cobalt a montré que le TNFα soluble est impliqué dans l'insertion de CP-AMPAR à la membrane des CGRs lors du glaucome. L’exposition des neurones à une pression oculaire élevée est à l’origine de la hausse de la densité membranaire des CP-AMPARs, grâce à une diminution de l’expression de la sous-unité GluA2. La présence de GluA2 au sein du récepteur ne permet pas l’entrée du calcium à l’intérieur de la cellule. L'administration intraoculaire d’antagonistes spécifiques des CP-AMPARs promeut la protection des somas et des axones des CGRs. Ces résultats montrent que les CP-AMPARs jouent un rôle important dans la pathologie du glaucome. Dans la deuxième partie de ma thèse, j’ai caractérisé l'effet neuroprotecteur d’un inhibiteur de la PDE4, l’ibudilast, dans notre modèle de glaucome. L'hypothèse spécifique s’oriente vers une atténuation de la réponse neuroinflammatoire et de la gliose par l’administration d’ibudilast, favorisant ainsi la protection neuronale. Les résultats montrent que dans les rétines glaucomateuses, l’ibudilast diminue la gliose et l'expression de plusieurs facteurs tels que le TNFα, l'interleukine-1β (IL-1β), l’interleukine-6 (IL-6) et le facteur inhibiteur de la migration des macrophages (MIF). Chez les rats glaucomateux, nous avons observé une expression notable de PDE4A dans les cellules de Müller, qui est en corrélation avec l'accumulation de l’AMP cyclique (AMPc) dans ces cellules après un traitement d’ibudilast. Finalement, nous avons démontré que la protection des CGRs via l’administration d’ibudilast est un mécanisme dépendent de l’AMPc et de la protéine kinase A (PKA). En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse identifient deux mécanismes différents impliqués dans la perte des CGRs au cours du glaucome. Ces mécanismes pourraient fournir des perspectives potentielles pour le développement de nouvelles stratégies de traitement du glaucome.

Clock Genes, Melanopsins, Melatonin, and Dopamine Key Enzymes and Their Modulation by Light and Glutamate in Chicken Embryonic Retinal Cells

The avian circadian system is composed of the retina, the mammalian homolog region of the suprachiasmatic nucleus (SNC), and the pineal gland. The retina, itself, displays many rhythmic physiological events, such as movements of photoreceptor cells, opsin expression, retinal reisomerization, and melatonin and dopamine production and secretion. Altogether, these rhythmic events are coordinated to predict environmental changes in light conditions during the day, optimizing retina function. The authors investigated the expression pattern of the melanopsin genes Opn4x and Opn4m, the clock genes Clock and Per2, and the genes for the key enzymes N-Acetyltransferase and Tyrosine Hidroxylase in chicken embryo dispersed retinal cells. Primary cultures of chicken retina from 8-day-old embryos were kept in constant dark (DD), in 12-h light/12-h dark (12L:12D), in 12L:12D followed by DD, or in DD in the absence or presence of 100 mu M glutamate for 12 h. Total RNA was extracted throughout a 24-h span, every 3 h starting at zeitgeber time 0 (ZT0) of the 6th day, and submitted to reverse transcriptase-polymerase chain reaction (RT-PCR) followed by quantitative PCR (qPCR) for mRNA quantification. The data showed no rhythmic pattern of transcription for any gene in cells kept in DD. However under a light-dark cycle, Clock, Per2, Opn4m, N-Acetyltransferase, and Tyrosine Hydroxylase exhibited rhythmic patterns of transcription. In DD, 100 mu M glutamate was able to induce rhythmic expression of Clock, strongly inhibited the expression of Tyrosine Hydroxylase, and, only at some ZTs, of Opn4x and Opn4m. The neurotransmitter had no effect on Per2 and N-Acetyltransferase transcription. The authors confirmed the expression of the protein OPN4x by immunocytochemistry. These results suggest that chicken embryonic retinal cells contain a functional circadian clock, whose synchronization requires light-dark cycle or glutamate stimuli. (Author correspondence: amdlcast@ib.usp.br).

Rod bipolar cells in the retina of the capuchin monkey (Cebus apella): Characterization and distribution

Rod bipolar cells in Cebus apella monkey retina were identified by an antibody against the alpha isoform of protein kinase C (PKC alpha). which has been shown to selectively identify rod bipolars in two other primates and various mammals. Vertical sections were used to confirm the identity of these cells by their characteristic morphology of dendrites and axons. Their topographic distribution was assessed in horizontal sections; counts taken along the dorsal, ventral, nasal, and temporal quadrants. The density of rod bipolar cells increased from 500 to 2900 cells/mm(2) at 1 mm from the fovea to reach a peak of 10,000-12,000 cellss/mm(2) at 4 mm, approximately 5 deg of eccentricity, and then gradually decreased toward retinal periphery to values of 5000 cells/mm(2) or less. Rod to rod bipolar density ratio remained between 10 and 20 across most of the retinal extension. The number of rod bipolar cells per retina was 6,360,000 +/- 387,433 (mean +/- S.D., n = 6). The anti-PKC alpha antibody has shown to be a good marker of rod bipolar cells of Cebus, and the cell distribution is similar to that described for other primates. In spite of the difference in the central retina, the density variation of rod bipolar cells in the Cebus and Macaca as well as the convergence from rod to rod bipolar cells are Generally similar, suggesting that both retinae stabilize similar sensitivity (as measured by rod density) and convergence.

Twelve chromatically opponent ganglion cell types in turtle retina

The turtle retina has been extensively used for the study of chromatic processing mechanisms. Color opponency has been previously investigated with trichromatic paradigms, but behavioral studies show that the turtle has ail ultraviolet (UV) channel and a tetrachromatic visual system. Our laboratory has been working ill the characterization of neuronal responses in the retina of vertebrates using stimuli in the UV-visible range of the electromagnetic spectrum. In the present investigation, we recorded color-opponent responses from turtle amacrine and ganglion cells to UV and visible stimuli and extended our previous results that UV color-opponency is present at the level of the inner nuclear layer. We recorded from 181 neurons, 36 of which were spectrally opponent. Among these, there were 10 amacrine (5%), and 26 ganglion cells (15%). Morphological identification of color-opponent neurons was possible for two ganglion cell classes (G17 and G22) and two amacrine cell classes (A22 and A23b). There was a variety of cell response types and a potential for complex processing of chromatic stimuli, with intensity- and wavelength-dependent response components. Ten types of color opponency were found in ganglion cells and by adding previous results from our laboratory, 12 types of opponent responses have been found. The majority of the ganglion cells were R+UVBG- and RG+UVB-color-opponents but there were other less frequent types of chromatic opponency. This study confirms the participation of a UV channel in the processing of color opponency in the turtle inner retina and shows that the turtle visual system has the retinal mechanisms to allow many possible chromatic combinations.

Morphological Homogeneity of Neurons: Searching for Outlier Neuronal Cells

We report a morphology-based approach for the automatic identification of outlier neurons, as well as its application to the NeuroMorpho.org database, with more than 5,000 neurons. Each neuron in a given analysis is represented by a feature vector composed of 20 measurements, which are then projected into a two-dimensional space by applying principal component analysis. Bivariate kernel density estimation is then used to obtain the probability distribution for the group of cells, so that the cells with highest probabilities are understood as archetypes while those with the smallest probabilities are classified as outliers. The potential of the methodology is illustrated in several cases involving uniform cell types as well as cell types for specific animal species. The results provide insights regarding the distribution of cells, yielding single and multi-variate clusters, and they suggest that outlier cells tend to be more planar and tortuous. The proposed methodology can be used in several situations involving one or more categories of cells, as well as for detection of new categories and possible artifacts.

Molecular bases, pathogenic mechanisms and possible therapeutic approach in Leber's Hereditary Optic Neuropathy

Leber’s hereditary optic neuropathy (LHON) is a mitochondrial disease characterized by a rapid loss of central vision and optic atrophy, due to the selective degeneration of retinal ganglion cells. The age of onset is around 20, and the degenerative process is fast and usually the second eye becomes affected in weeks or months. Even if this pathology is well known and has been well characterized, there are still open questions on its pathophysiology, such as the male prevalence, the incomplete penetrance and the tissue selectivity. This maternally inherited disease is caused by mutations in mitochondrial encoded genes of NADH ubiquinone oxidoreductase (complex I) of the respiratory chain. The 90% of LHON cases are caused by one of the three common mitochondrial DNA mutations (11778/ND4, 14484/ND6 and 3460/ND1) and the remaining 10% is caused by rare pathogenic mutations, reported in literature in one or few families. Moreover, there is also a small subset of patients reported with new putative pathogenic nucleotide changes, which awaits to be confirmed. We here clarify some molecular aspects of LHON, mainly the incomplete penetrance and the role of rare mtDNA mutations or variants on LHON expression, and attempt a possible therapeutic approach using the cybrids cell model. We generated novel structural models for mitochondrial encoded complex I subunits and a conservation analysis and pathogenicity prediction have been carried out for LHON reported mutations. This in-silico approach allowed us to locate LHON pathogenic mutations in defined and conserved protein domains and can be a useful tool in the analysis of novel mtDNA variants with unclear pathogenic/functional role. Four rare LHON pathogenic mutations have been identified, confirming that the ND1 and ND6 genes are mutational hot spots for LHON. All mutations were previously described at least once and we validated their pathogenic role, suggesting the need for their screening in LHON diagnostic protocols. Two novel mtDNA variants with a possible pathogenic role have been also identified in two independent branches of a large pedigree. Functional studies are necessary to define their contribution to LHON in this family. It also been demonstrated that the combination of mtDNA rare polymorphic variants is relevant in determining the maternal recurrence of myoclonus in unrelated LHON pedigrees. Thus, we suggest that particular mtDNA backgrounds and /or the presence of specific rare mutations may increase the pathogenic potential of the primary LHON mutations, thereby giving rise to the extraocular clinical features characteristic of the LHON “plus” phenotype. We identified the first molecular parameter that clearly discriminates LHON affected individuals from asymptomatic carriers, the mtDNA copy number. This provides a valuable mechanism for future investigations on variable penetrance in LHON. However, the increased mtDNA content in LHON individuals was not correlated to the functional polymorphism G1444A of PGC-1 alpha, the master regulator of mitochondrial biogenesis, but may be due to gene expression of genes involved in this signaling pathway, such as PGC-1 alpha/beta and Tfam. Future studies will be necessary to identify the biochemical effects of rare pathogenic mutations and to validate the novel candidate mutations here described, in terms of cellular bioenergetic characterization of these variants. Moreover, we were not able to induce mitochondrial biogenesis in cybrids cell lines using bezafibrate. However, other cell line models are available, such as fibroblasts harboring LHON mutations, or other approaches can be used to trigger the mitochondrial biogenesis.

Eomesodermin, a target gene of Pou4f2, is required for retinal ganglion cell and optic nerve development in the mouse.

The mechanisms regulating retinal ganglion cell (RGC) development are crucial for retinogenesis and for the establishment of normal vision. However, these mechanisms are only vaguely understood. RGCs are the first neuronal lineage to segregate from pluripotent progenitors in the developing retina. As output neurons, RGCs display developmental features very distinct from those of the other retinal cell types. To better understand RGC development, we have previously constructed a gene regulatory network featuring a hierarchical cascade of transcription factors that ultimately controls the expression of downstream effector genes. This has revealed the existence of a Pou domain transcription factor, Pou4f2, that occupies a key node in the RGC gene regulatory network and that is essential for RGC differentiation. However, little is known about the genes that connect upstream regulatory genes, such as Pou4f2 with downstream effector genes responsible for RGC differentiation. The purpose of this study was to characterize the retinal function of eomesodermin (Eomes), a T-box transcription factor with previously unsuspected roles in retinogenesis. We show that Eomes is expressed in developing RGCs and is a mediator of Pou4f2 function. Pou4f2 directly regulates Eomes expression through a cis-regulatory element within a conserved retinal enhancer. Deleting Eomes in the developing retina causes defects reminiscent of those in Pou4f2(-/-) retinas. Moreover, myelin ensheathment in the optic nerves of Eomes(-/-) embryos is severely impaired, suggesting that Eomes regulates this process. We conclude that Eomes is a crucial regulator positioned immediately downstream of Pou4f2 and is required for RGC differentiation and optic nerve development.

Diversity of neuronal connexins in the mammalian retina

Many neurons in the mammalian retina are electrically coupled by intercellular channels or gap junctions, which are assembled from a family of proteins called connexins. Numerous studies indicate that gap junctions differ in properties such as conductance and tracer permeability. For example, A-type horizontal cell gap junctions are permeable to Lucifer Yellow, but B-type horizontal cell gap junctions are not. This suggests the two cell types express different connexins. My hypothesis is that multiple neuronal connexins are expressed in the mammalian retina in a cell type specific manner. Immunohistochemical techniques and confocal microscopy were used to localize certain connexins within well-defined neuronal circuits. The results of this study can be summarized as follows: AII amacrine cells, which receive direct input from rod bipolar cells, are well-coupled to neighboring AIIs. In addition, AII amacrine cells also form gap junctions with ON cone bipolar cells. This is a complex heterocellular network. In both rabbit and primate retina, connexin36 occurs at dendritic crossings in the AII matrix as well as between AIIs and ON cone bipolar cells. Coupling in the AII network is thought to reduce noise in the rod pathway while AII/bipolar gap junctions are required for the transmission of rod signals to ON ganglion cells. In the outer plexiform layer, connexin36 forms gap junctions between cones and between rods and cones via cone telodendria. Cone to cone coupling is thought to reduce noise and is partly color selective. Rod to cone coupling forms an alternative rod pathway thought to operate at intermediate light intensity. A-type horizontal cells in the rabbit retina are strongly coupled via massive low resistance gap junctions composed from Cx50. Coupling dramatically extends the receptive field of horizontal cells and the modulation of coupling is thought to change the strength of the feedback signal from horizontal cells to cones. Finally, there are other coupled networks, such as B-type horizontal cells and S1/S2 amacrine cells, which do not use either connexin36 or Cx50. These results confirm the hypothesis that multiple neuronal connexins are expressed in the mammalian retina and these connexins are localized to particular retinal circuits. ^

The Ath5 proneural genes function upstream of Brn3 POU domain transcription factor genes to promote retinal ganglion cell development

During retinogenesis, the Xenopus basic helix–loop–helix transcription factor Xath5 has been shown to promote a ganglion cell fate. In the developing mouse and chicken retinas, gene targeting and overexpression studies have demonstrated critical roles for the Brn3 POU domain transcription factor genes in the promotion of ganglion cell differentiation. However, the genetic relationship between Ath5 and Brn3 genes is unknown. To understand the genetic regulatory network(s) that controls retinal ganglion cell development, we analyzed the relationship between Ath5 and Brn3 genes by using a gain-of-function approach in the chicken embryo. We found that during retinogenesis, the chicken Ath5 gene (Cath5) is expressed in retinal progenitors and in differentiating ganglion cells but is absent in terminally differentiated ganglion cells. Forced expression of both Cath5 and the mouse Ath5 gene (Math5) in retinal progenitors activates the expression of cBrn3c following central-to-peripheral and temporal-to-nasal gradients. As a result, similar to the Xath5 protein, both Cath5 and Math5 proteins have the ability to promote the development of ganglion cells. Moreover, we found that forced expression of all three Brn3 genes also can stimulate the expression of cBrn3c. We further found that Ath5 and Brn3 proteins are capable of transactivating a Brn3b promoter. Thus, these data suggest that the expression of cBrn3c in the chicken and Brn3b in the mouse is initially activated by Ath5 factors in newly generated ganglion cells and later maintained by a feedback loop of Brn3 factors in the differentiated ganglion cells.

Circuitry for color coding in the primate retina.

Human color vision starts with the signals from three cone photoreceptor types, maximally sensitive to long (L-cone), middle (M-cone), and short (S-cone) wavelengths. Within the retina these signals combine in an antagonistic way to form red-green and blue-yellow spectral opponent pathways. In the classical model this antagonism is thought to arise from the convergence of cone type-specific excitatory and inhibitory inputs to retinal ganglion cells. The circuitry for spectral opponency is now being investigated using an in vitro preparation of the macaque monkey retina. Intracellular recording and staining has shown that blue-ON/yellow-OFF opponent responses arise from a distinctive bistratified ganglion cell type. Surprisingly, this cone opponency appears to arise by dual excitatory cone bipolar cell inputs: an ON bipolar cell that contacts only S-cones and an OFF bipolar cell that contacts L- and M-cones. Red-green spectral opponency has long been linked to the midget ganglion cells, but an underlying mechanism remains unclear. For example, receptive field mapping argues for segregation of L-and M-cone signals to the midget cell center and surround, but horizontal cell interneurons, believed to generate the inhibitory surround, lack opponency and cannot contribute selective L- or M-cone input to the midget cell surround. The solution to this color puzzle no doubt lies in the great diversity of cell types in the primate retina that still await discovery and analysis.

Spatial organization of retinal information about the direction of image motion.

The visual stimuli that elicit neural activity differ for different retinal ganglion cells and these cells have been categorized by the visual information that they transmit. If specific visual information is conveyed exclusively or primarily by a particular set of ganglion cells, one might expect the cells to be organized spatially so that their sampling of information from the visual field is complete but not redundant. In other words, the laterally spreading dendrites of the ganglion cells should completely cover the retinal plane without gaps or significant overlap. The first evidence for this sort of arrangement, which has been called a tiling or tessellation, was for the two types of "alpha" ganglion cells in cat retina. Other reports of tiling by ganglion cells have been made subsequently. We have found evidence of a particularly rigorous tiling for the four types of ganglion cells in rabbit retina that convey information about the direction of retinal image motion (the ON-OFF direction-selective cells). Although individual cells in the four groups are morphologically indistinguishable, they are organized as four overlaid tilings, each tiling consisting of like-type cells that respond preferentially to a particular direction of retinal image motion. These observations lend support to the hypothesis that tiling is a general feature of the organization of information outflow from the retina and clearly implicate mechanisms for recognition of like-type cells and establishment of mutually acceptable territories during retinal development.

Neuroprotective Effect of Tauroursodeoxycholic Acid on N-Methyl-D-Aspartate-Induced Retinal Ganglion Cell Degeneration

Retinal ganglion cell degeneration underlies the pathophysiology of diseases affecting the retina and optic nerve. Several studies have previously evidenced the anti-apoptotic properties of the bile constituent, tauroursodeoxycholic acid, in diverse models of photoreceptor degeneration. The aim of this study was to investigate the effects of systemic administration of tauroursodeoxycholic acid on N-methyl-D-aspartate (NMDA)-induced damage in the rat retina using a functional and morphological approach. Tauroursodeoxycholic acid was administered intraperitoneally before and after intravitreal injection of NMDA. Three days after insult, full-field electroretinograms showed reductions in the amplitudes of the positive and negative-scotopic threshold responses, scotopic a- and b-waves and oscillatory potentials. Quantitative morphological evaluation of whole-mount retinas demonstrated a reduction in the density of retinal ganglion cells. Systemic administration of tauroursodeoxycholic acid attenuated the functional impairment induced by NMDA, which correlated with a higher retinal ganglion cell density. Our findings sustain the efficacy of tauroursodeoxycholic acid administration in vivo, suggesting it would be a good candidate for the pharmacological treatment of degenerative diseases coursing with retinal ganglion cell loss.