Molekulare Charakterisierung der Centrin-Isoformen in der Retina von Säugetieren

Centrine sind Mitglieder einer hoch konservierten Überfamilie von Ca2+-bindenden Proteinen mit EF-Hand Motiven. Bislang sind vier Centrin-Isoformen bei Säugern beschrieben worden, die in diversen Zellen in der Regel mit Centriolen von Centrosomen oder Centrosomen-verwandten Strukturen assoziiert sind. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden die vier Centrin-Isoformen bezüglich der Expression in verschiedenen Geweben untersucht. Dabei lag der Hauptfokus auf Untersuchungen der Centrine in den Photorezeptorzellen der Retina. Analysen auf subzellulärer Ebene brachten Klarheit über die differenzielle Lokalisation der verschiedenen Isoformen in der Retina. Mit Hilfe von verschiedenen Methoden konnten Wechselwirkungspartner in der Retina identifiziert werden, die eine Rolle in der visuellen Signaltransduktionskaskade spielen. Dabei könnten Centrine einem Regelmechanismus angehören, der wichtige Translokationsprozesse dieser Proteine regelt. In den Photorezeptorzellen der Säugetierretina werden die vier Isoformen exprimiert, die in den Strukturen des Cilienapparates differenziell lokalisiert sind. Dabei beschränkt sich ihre Lokalisation entweder auf den Basalkörper (Centrin 4), auf das Verbindungscilium (Centrin 1) oder sie sind in beiden Strukturen zu finden (Centrin 2 und 3). In den nicht- Photorezeptorzellen der Retina sind die Isoformen Centrin 2 und 3 zudem an den Centriolen der Centrosomen lokalisiert. In der vorliegenden Arbeit wurde zum ersten Mal gezeigt, dass alle Centrin-Isoformen in ein und derselben Zelle, der Photorezeptorzelle, koexprimiert werden und dabei subzellulär kolokalisiert sind. Im Weiteren konnte die ubiquitäre Expression von Centrin 2 und 3 in allen untersuchten Geweben an Centrosomen bestätigt werden. Centrin 1 und 4 hingegen werden nur in Geweben mit Cilien-tragenden Zellen exprimiert. Die Funktion der Centrine wird nicht nur durch Bindung von Ca2+, sondern auch durch Phosphorylierungen reguliert. Alle Sequenzen der Centrine weisen diverse mögliche Phosphorylierungsstellen für unterschiedliche Proteinkinasen auf. Die Ergebnisse aller durchgeführten in vitro und ex vivo Phosphorylierungs „Assays“ zeigen eine licht-abhängige Phosphorylierung der Centrin-Isoformen in der Retina. Dabei war in der dunkel-adaptierten Retina die Phosphorylierung vor allem von Centrin 1 und 2 erhöht. Weiterführende Experimente mit Kinase-Inhibitoren wiesen darauf hin, dass vor allem die Proteinkinase CKII eine bedeutende Rolle bei der Centrin-Phosphorylierung in der Retina einnimmt. Centrine sind die ersten Cytoskelettkomponenten, deren Phosphorylierungsgrad lichtabhängig moduliert wird. Diese Ergebnisse weisen auf einen Signalweg, der zwischen der visuellen Signaltransduktionskaskade und der Regulation der Centrin-Aktivität vermittelt, hin. Bei der Suche nach Centrin-Bindungspartnern gelang mit Hilfe von Centrin 1 Blot „Overlay Assays“ der Durchbruch. Der neuartige Ansatz zeigte, dass ausschließlich Ca2+-aktiviertes Centrin 1 mit Proteinen aus der Retina interagierte. Nach der Identifikation eines 37 kDa-Proteins als die β-Untereinheit des visuellen G-Proteins Transducin wurden die Untersuchungen auf diesen Interaktionspartner fokussiert. Die Ergebnisse der hier durchgeführten biochemischen und biophysikalischen Protein-Protein Interaktionsexperimente zeigen insgesamt folgendes: ⇒ Alle vier Centrine interagieren mit Transducin, wobei Centrin 3 die geringste Affinität zu Transducin hat. ⇒ Die Assemblierung der Centrin•G-Protein-Komplexe ist strikt Ca2+-abhängig. ⇒ Die Centrine binden sowohl an das isolierte Gtβγ-Heterodimer als auch an den heterotrimeren Gt-holo-Proteinkomplex, nicht aber an Gtα. Die quantitativen immunoelektronenmikroskopischen Analysen zeigen im Weiteren, dass sich die Komplexe aus Transducin und Centrin 1 bis 3 wahrscheinlich in einer Subdomäne des Verbindungsciliums der Photorezeptorzellen ausbilden. Dabei dürfte die Ausbildung der Komplexe an der Regulation der lichtinduzierten Translokation von Transducin zwischen Innen- und Außensegment der Photorezeptorzellen beteiligt sein. Dieser Translokationsmechanismus wird als ein wichtiger Bestandteil der Langzeitadaption der Signaltransduktionskaskade der Säugerretina diskutiert. Der neuartige Regelmechanismus der molekularen Translokationen, in dem Centrine involviert sind, ist außergewöhnlich und dürfte über die speziellen Photorezeptorzellen hinaus von weit reichender Bedeutung sein.

Charakterisierung funktioneller Domänen von Centrin-Isoformen

Centrine sind kleine Ca2+-bindende Proteine aus der Familie der EF-Hand Proteine. Erstmals wurden Centrine als Hauptbestandteil der kontraktilen Flagellenwurzeln von Grünalgen beschrieben. Mittlerweile konnten Centrine in nahezu allen eukaryotischen Organismen nachgewiesen werden. In Säugetieren wurden bis zu vier Isoformen identifiziert, die an Centrosomen oder davon abgeleiteten Strukturen, wie Spindelpolkörpern und Basalkörper, aber auch in Übergangszonen von Cilien exprimiert werden. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Centrine im zellulären Kontext der Photorezeptorzellen nicht nur durch die Bindung von Ca2+ reguliert werden, sondern auch durch reversible Phosphorylierungen. Die Phosphorylierung der Centrin-Isoformen findet in der Retina von Vertebraten lichtabhängig während der Dunkeladaption statt. Die Protein Kinase CK2 (CK2) ist für die beschriebenen lichtabhängigen Phosphorylierungen hauptverantwortlich. Obwohl alle Centrin-Isoformen mehrere mögliche Zielsequenzen für die CK2 besitzen, kommt es nur zur Phosphorylierung einer einzigen Aminosäure in Cen1p, Cen2p und Cen4p. Im Gegensatz dazu stellt die Isoform Cen3p kein Substrat für die CK2 dar. Zudem wurden hier erstmals Phosphatasen identifiziert, die in der Lage sind Centrine zu dephosphorylieren. Die Dephosphorylierung durch die PP2Cund PP2C ist sehr spezifisch, da keine andere Phosphatase der Retina die CK2-vermittelte Phosphorylierung der Centrine rückgängig machen kann. Hoch auflösende licht- und elektronenmikroskopische Analysen zeigten erstmals, dass die Centrine sowohl mit der CK2 als auch mit der PP2C im Verbindungscilium der Photorezeptorzellen colokalisiert sind. Cen1p und CK2 sind in der Lage, direkt an Mikrotubuli zu binden, was die notwendige räumliche Nähe zwischen Enzymen und Substrat herstellt. Bisherige Arbeiten zeigten, dass alle Centrine Ca2+-abhängig mit dem visuellen G-Protein Transducin interagieren. Diese Wechselwirkung dürfte an der Regulation der lichtabhängigen Translokation des visuellen G-Proteins Transducin zwischen dem Außen- und dem Innensegment der Photorezeptorzelle beteiligt sein. In der vorliegenden Arbeit zeigten Interaktionsstudien, dass die Bindungsaffinitäten der Centrine für Transducin durch die CK2-vermittelte Phosphorylierung drastisch verringert wurden. Dieser beobachtete Effekt beruht auf deutlich verringerten Ca2+-Affinitäten der Centrin-Isoformen nach der CK2-vermittelten Phosphorylierung. In der vorliegenden Arbeit wurde ein neuartiger Regulationsmechanismus der Centrine in den Photorezeptorzellen der Vertebraten beschrieben. Centrine werden nicht nur durch Ca2+-Bindung zur Bildung von Protein Komplexen stimuliert, sondern durch die Phosphorylierung zum Auflösen dieser Komplexe angeregt. Damit reguliert die CK2-vermittelte, lichtabhängige Phosphorylierung der Centrine möglicherweise ebenfalls die adaptive Translokation des visuellen G-Proteins Transducin zwischen dem Außen- und Innensegment der Photorezeptorzellen.

Early local functional changes in the human diabetic retina : a global flash multifocal electroretinogram study

Purpose: To investigate early functional changes of local retinal defects in type II diabetic patients using the global flash multifocal electroretinogram (MOFO mfERG). Methods: Thirty-eight diabetic patients and 14 age-matched controls were recruited. Nine of the diabetics were free from diabetic retinopathy (DR), while the remainder had mild to moderate non-proliferative diabetic retinopathy. The MOFO mfERG was performed at high (98%) and low (46%) contrast levels. MfERG responses were grouped into 35 regions for comparison with DR classification at those locations. Z-scores of the regional mfERG responses were compared across different types of DR defects. Results: The mfERG waveform consisted of the direct component (DC) and the induced component (IC). Local reduction in DC and IC amplitudes were found in diabetic patients with and without DR. With increasing severity of retinopathy, there was a further deterioration in amplitude of both components. Under MOFO mfERG paradigm, amplitude was a useful screening parameter. Conclusion: The MOFO mfERG can help in detecting early functional anomalies before the appearance of visible signs, and may assist in monitoring further functional deterioration in diabetic patients.

Development of a cultured tissue substitute to repair the ageing retina

This project provides a foundation for the use of silk membranes in a tissue engineered therapy for the treatment of devastating retinal diseases such as age-related macular degeneration. The three-dimensional tissue model described in this thesis has great potential for use in basic research of retinal pathologies, and the potential to be implemented into clinical approaches after appropriate refinement.

Análisis del crecimiento de las células ganglionares de la retina de rata in vitro

De los diferentes tipos celulares que forman la retina unos de los más importantes son las células ganglionares (RGCs, del inglés Retinal Ganglion Cells), que son las neuronas que se encargan de transmitir la información visual desde el ojo hasta los centros visuales del cerebro. En este trabajo se pretende determinar el efecto del tiempo de cultivo en la supervivencia de las RGCs,y en la extensión y número de sus neuritas. También se pretende caracterizar un subtipo de RGCs, las RGCs que expresan el fotopigmento melanopsina.

Postnatal development of the retina in root vole Microtus oeconomus

Vision plays an important role in the living habits of animals, especially in feeding. We investigated the postnatal development of retina in root vole Microtus oeconornus. The result shows that the retina of the M. oeconornus is very primitive before postnatal day （PD） 3. The neuroblastic layer does not differentiate and makes up more than half of the retina layer. The outer plexiform layer （OPL） first comes into existence at PDS. At PD6, as the presence of the OPL becomes obvious, the outer nuclear layer （ONL） and inner nuclear layer （INL） are much clearer. At PD18, the retina is similar to an adult retina and each layer becomes distinct. The thickness and cell density of the ganglion cell layer （GCL） and ONL during different postnatal days were also examined. These results show that the thickness and density of ONL increase during ontogeny, while the thickness and density of GCL decrease. Compared with Rattus norvegicus, Apodemus agrarius , Cricetulus triton, Microtus mandarinus , Myospalax cansus , Spermophilus dauricus and Sciurotamias davidianus, the histological structure of the retina of M. oeconornus is between that of nocturnal and diurnal rodents.

On Directional Selectivity in Vertebrate Retina: An Experimental and Computational Study

This thesis describes an investigation of retinal directional selectivity. We show intracellular (whole-cell patch) recordings in turtle retina which indicate that this computation occurs prior to the ganglion cell, and we describe a pre-ganglionic circuit model to account for this and other findings which places the non-linear spatio-temporal filter at individual, oriented amacrine cell dendrites. The key non-linearity is provided by interactions between excitatory and inhibitory synaptic inputs onto the dendrites, and their distal tips provide directionally selective excitatory outputs onto ganglion cells. Detailed simulations of putative cells support this model, given reasonable parameter constraints. The performance of the model also suggests that this computational substructure may be relevant within the dendritic trees of CNS neurons in general.

Shh/Boc signaling is required for sustained generation of ipsilateral projecting ganglion cells in the mouse retina

Sonic Hedgehog (Shh) signaling is an important determinant of vertebrate retinal ganglion cell (RGC) development. In mice, there are two major RGC populations: (1) the Islet2-expressing contralateral projecting (c)RGCs, which both produce and respond to Shh; and (2) the Zic2-expressing ipsilateral projecting RGCs (iRGCs), which lack Shh expression. In contrast to cRGCs, iRGCs, which are generated in the ventrotemporal crescent (VTC) of the retina, specifically express Boc, a cell adhesion molecule that acts as a high-affinity receptor for Shh. In Boc −/− mutant mice, the ipsilateral projection is significantly decreased. Here, we demonstrate that this phenotype results, at least in part, from the misspecification of a proportion of iRGCs. In Boc−/− VTC, the number of Zic2-positive RGCs is reduced, whereas more Islet2/Shh-positive RGCs are observed, a phenotype also detected in Zic2 and Foxd1 null embryos.

A Unified Model of Spatiotemporal Processing in the Retina

A computational model of visual processing in the vertebrate retina provides a unified explanation of a range of data previously treated by disparate models. Three results are reported here: the model proposes a functional explanation for the primary feed-forward retinal circuit found in vertebrate retinae, it shows how this retinal circuit combines nonlinear adaptation with the desirable properties of linear processing, and it accounts for the origin of parallel transient (nonlinear) and sustained (linear) visual processing streams as simple variants of the same retinal circuit. The retina, owing to its accessibility and to its fundamental role in the initial transduction of light into neural signals, is among the most extensively studied neural structures in the nervous system. Since the pioneering anatomical work by Ramón y Cajal at the turn of the last century[1], technological advances have abetted detailed descriptions of the physiological, pharmacological, and functional properties of many types of retinal cells. However, the relationship between structure and function in the retina is still poorly understood. This article outlines a computational model developed to address fundamental constraints of biological visual systems. Neurons that process nonnegative input signals-such as retinal illuminance-are subject to an inescapable tradeoff between accurate processing in the spatial and temporal domains. Accurate processing in both domains can be achieved with a model that combines nonlinear mechanisms for temporal and spatial adaptation within three layers of feed-forward processing. The resulting architecture is structurally similar to the feed-forward retinal circuit connecting photoreceptors to retinal ganglion cells through bipolar cells. This similarity suggests that the three-layer structure observed in all vertebrate retinae[2] is a required minimal anatomy for accurate spatiotemporal visual processing. This hypothesis is supported through computer simulations showing that the model's output layer accounts for many properties of retinal ganglion cells[3],[4],[5],[6]. Moreover, the model shows how the retina can extend its dynamic range through nonlinear adaptation while exhibiting seemingly linear behavior in response to a variety of spatiotemporal input stimuli. This property is the basis for the prediction that the same retinal circuit can account for both sustained (X) and transient (Y) cat ganglion cells[7] by simple morphological changes. The ability to generate distinct functional behaviors by simple changes in cell morphology suggests that different functional pathways originating in the retina may have evolved from a unified anatomy designed to cope with the constraints of low-level biological vision.

High-sensitivity rod photoreceptor input to the blue-yellow color opponent pathway in macaque retina.

Small bistratified cells (SBCs) in the primate retina carry a major blue-yellow opponent signal to the brain. We found that SBCs also carry signals from rod photoreceptors, with the same sign as S cone input. SBCs exhibited robust responses under low scotopic conditions. Physiological and anatomical experiments indicated that this rod input arose from the AII amacrine cell-mediated rod pathway. Rod and cone signals were both present in SBCs at mesopic light levels. These findings have three implications. First, more retinal circuits may multiplex rod and cone signals than were previously thought to, efficiently exploiting the limited number of optic nerve fibers. Second, signals from AII amacrine cells may diverge to most or all of the approximately 20 retinal ganglion cell types in the peripheral primate retina. Third, rod input to SBCs may be the substrate for behavioral biases toward perception of blue at mesopic light levels.

Altered pericyte-endothelial relations in the rat retina during aging: Implications for vessel stability

Mural cells (smooth muscle cells and pericytes) regulate blood flow and contribute to vessel stability. We examined whether mural cell changes accompany age-related alterations in the microvasculature of the central nervous system. The retinas of young adult and aged Wistar rats were subjected to immunohistofluorescence analysis of a-smooth muscle actin (SMA), caldesmon, calponin, desmin, and NG2 to identify mural cells. The vasculature was visualized by lectin histochemistry or perfusion of horse-radish peroxidase, and vessel walls were examined by electron microscopy. The early stage of aging was characterized by changes in peripheral retinal capillaries, including vessel broadening, thickening of the basement membrane, an altered length and orientation of desmin filaments in pericytes, a more widespread SMA distribution and changes in a subset of pre-arteriolar sphincters. In the later stages of aging, loss of capillary patency, aneurysms, distorted vessels, and foci of angiogenesis were apparent, especially in the peripheral deep vascular plexus. The capillary changes are consistent with impaired vascular autoregulation and may result in reduced pericyte-endothelial cell contact, destabilizing the capillaries and rendering them susceptible to angiogenic stimuli and endothelial cell loss as well as impairing the exchange of metabolites required for optimal neuronal function. This metabolic uncoupling leads to reactivation of