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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-552165
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.55216
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 13 December 2023 |
| Referee: | Prof. Dr. Charlotte Wagner |
| Date of exam: | 12 December 2023 |
| Institutions: | Biology, Preclinical Medicine > Institut für Anatomie > Lehrstuhl für Humananatomie und Embryologie > Prof. Dr. Ernst Tamm |
| Keywords: | VPP-Mausmodell; Desorganisation der extrazellulären Matrix; In-situ-Hybridisierung; Neurodegeneration; Neuroinflammation; neuroprotective Pathways; Retinitis pigmentosa |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 500 Natural sciences & mathematics 500 Science > 570 Life sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 55216 |
Abstract (English)
Retinitis Pigmentosa (RP) is one of the major causes of blindness in younger patients starting in adolescence, already. To date, there is no therapy that prevents or mitigates this retinal degeneration. Therefore, it is necessary to investigate the downstream molecular mechanisms in detail with the aim to identify future therapeutic approaches. To this end, animal models have been developed ...
Abstract (English)
Retinitis Pigmentosa (RP) is one of the major causes of blindness in younger patients starting in adolescence, already. To date, there is no therapy that prevents or mitigates this retinal degeneration. Therefore, it is necessary to investigate the downstream molecular mechanisms in detail with the aim to identify future therapeutic approaches.
To this end, animal models have been developed mimicking retinal degeneration and to allow for investigation of causative damaging mechanisms. Amongst these models, the light damage paradigm is a well-established and frequently used damage model. In this thesis, we characterized the impact of different light intensities and exposure times on light-induced photoreceptor degeneration and the expression levels of retinal reference genes. We could show, that the number of degenerating photoreceptor cells increased with light intensity and duration of light exposure. Moreover, following high light intensities, we detected a significant and extensive downregulation in the expression levels of reference genes such as Gapdh, Gnb2l, Rpl32, Rps9, Actb, Ubc and Tbp compared to control (no light exposure) animals.
We also studied the VPP mouse line, a model mimicking autosomal dominant RP. TUNEL-labelling at the age of one month, morphometric and relative mRNA analyses at the age of three months confirmed the progressive degeneration of photoreceptors. Moreover, next generation RNAsequencing (RNAseq) analyses revealed more than 9,000 significantly dysregulated genes in VPP retinae and six significantly associated gene modules in the subsequently performed weighted correlation network analysis WGCNA Gene ontology enrichment showed, amongst others, dysregulation of genes involved in TGFβ regulated extracellular matrix organization, the (ocular) immune system/response, and cellular homeostasis. Moreover, we identified dysregulation of several neuroprotective pathways in VPP retinae. Taken together, the predominant effect of VPP-induced photoreceptor degeneration pointed towards induction of neuroinflammation and the upregulation of neuroprotective pathways like TGFβ, G-protein activated, and VEGF signaling. 3D reconstructions of immunostained/in situ hybridized sections revealed Müller cells and retinal neurons as the major cellular populations that express representative components of these signaling pathways such as Tgfbr2, Vegfr2 and Ednrb.
Finally, we conditionally deleted Tgfbr2 in retinal neurons and Müller cells to study, whether the VPP-associated upregulation of Tgfbr2 in these cell populations might have neuroprotective properties. We therefore crossbred VPP mice and mice with a conditional deletion of Tgfbr2 in Müller cells and retinal neurons (α-Cre;Tgfbr2 = Tgfbr2ΔOC). We studied the impact of Tgfbr2 deletion in “healthy” retinae (not carrying the VPP transgene) and in “diseased” (VPP) retinae. TUNEL-labeling, morphometric analyses and RNAseq analyses showed that the deletion of Tgfbr2 in Müller cells and retinal neurons in “healthy” animals had no obvious effects on the retinal morphology and affected the retinal transcriptome only very mildly. However, in diseased, neurodegenerative VPP retinae, Tgfbr2 deletion in Müller cells and retinal neurons significantly aggravated retinal degeneration in double mutant mice (Tgfbr2ΔOC; VPP) compared to VPP mice. RNAseq analyses and subsequently performed gene ontology analysis and weighted correlation network analysis (WGCNA) revealed induction of pro-apoptotic genes and dysregulation of the MAP kinase associated pathways upon VPP-mediated photoreceptor degeneration and Tgfbr2 deficiency. Moreover, we identified Hddc3 a factor involved in ferroptosis, as being significantly upregulated in Tgfbr2 deficient retinae (Tgfbr2ΔOC and Tgfbr2ΔOC; VPP) leading to the assumption, that Tgfbr2 depletion may sensitize photoreceptors to ferroptosis mediated cell death.
In summary, we conclude, that modulation of neuroinflammation, and/or TGFβ signaling in retinal neurons and Müller cells might pose promising therapeutic options to attenuate photoreceptor degeneration in humans.
Translation of the abstract (German)
Retinitis Pigmentosa (RP) ist eine der Hauptursachen für Erblindung bei jüngeren Patienten, die bereits im Jugendalter beginnt. Bislang gibt es keine Therapie, die diese Netzhautdegeneration verhindert oder abschwächt. Daher ist es notwendig, die nachgeschalteten molekularen Mechanismen im Detail zu untersuchen, um zukünftige therapeutische Ansätze zu identifizieren. Zu diesem Zweck wurden ...
Translation of the abstract (German)
Retinitis Pigmentosa (RP) ist eine der Hauptursachen für Erblindung bei jüngeren Patienten, die bereits im Jugendalter beginnt. Bislang gibt es keine Therapie, die diese Netzhautdegeneration verhindert oder abschwächt. Daher ist es notwendig, die nachgeschalteten molekularen Mechanismen im Detail zu untersuchen, um zukünftige therapeutische Ansätze zu identifizieren.
Zu diesem Zweck wurden Tiermodelle entwickelt, die eine Netzhautdegeneration imitieren und die Untersuchung der ursächlichen Schädigungsmechanismen ermöglichen. Unter diesen Modellen ist das Lichtschadensparadigma ein gut etabliertes und häufig verwendetes Schadensmodell. In dieser Arbeit haben wir die Auswirkungen verschiedener Lichtintensitäten und Expositionszeiten auf die lichtinduzierte Photorezeptordegeneration und die Expressionswerte retinaler Referenzgene untersucht. Wir konnten zeigen, dass die Anzahl der degenerierenden Photorezeptorzellen mit der Lichtintensität und der Dauer der Lichtexposition zunahm. Darüber hinaus konnten wir nach hohen Lichtintensitäten eine signifikante und weitgehende Herabregulierung der Expressionswerte von Referenzgenen wie Gapdh, Gnb2l, Rpl32, Rps9, Actb, Ubc und Tbp im Vergleich zu Kontrolltieren (ohne Lichtexposition) feststellen.
Wir untersuchten auch die VPP-Mauslinie, ein Modell, das die autosomal dominante RP nachahmt. TUNEL-Labeling im Alter von einem Monat sowie morphometrische und relative mRNA-Analysen im Alter von drei Monaten bestätigten die fortschreitende Degeneration der Photorezeptoren. Darüber hinaus ergaben RNAsequenzierungsanalysen der nächsten Generation (RNAseq) mehr als 9.000 signifikant dysregulierte Gene in VPP-Retinae und sechs signifikant assoziierte Genmodule in der anschließend durchgeführten gewichteten Korrelationsnetzwerkanalyse WGCNA Die Anreicherung von Genen in der Genontologie zeigte unter anderem eine Dysregulation von Genen, die an der TGFβ-regulierten Organisation der extrazellulären Matrix, dem (okulären) Immunsystem/der Immunantwort und der zellulären Homöostase beteiligt sind. Darüber hinaus haben wir eine Dysregulation mehrerer neuroprotektiver Signalwege in VPP-Retinae festgestellt. Insgesamt deutet die vorherrschende Wirkung der VPP-induzierten Photorezeptor-Degeneration auf die Induktion von Neuroinflammation und die Hochregulierung von neuroprotektiven Signalwegen wie TGFβ, aktivierte G-Proteine und VEGF-Signalisierung hin. 3D-Rekonstruktionen von immungefärbten/in situ hybridisierten Schnitten zeigten Müllerzellen und retinale Neuronen als die wichtigsten Zellpopulationen, die repräsentative Komponenten dieser Signalwege wie Tgfbr2, Vegfr2 und Ednrb exprimieren.
Schließlich haben wir Tgfbr2 in retinalen Neuronen und Müllerzellen konditional deletiert, um zu untersuchen, ob die VPP-assoziierte Hochregulierung von Tgfbr2 in diesen Zellpopulationen neuroprotektive Eigenschaften haben könnte. Daher kreuzten wir VPP-Mäuse und Mäuse mit einer konditionalen Deletion von Tgfbr2 in Müllerzellen und retinalen Neuronen (α-Cre;Tgfbr2 = Tgfbr2ΔOC). Wir untersuchten die Auswirkungen der Tgfbr2-Deletion in "gesunden" Netzhäuten (die das VPP-Transgen nicht tragen) und in "kranken" (VPP-)Netzhäuten. TUNEL-Labeling, morphometrische Analysen und RNAseq-Analysen zeigten, dass die Deletion von Tgfbr2 in Müllerzellen und retinalen Neuronen bei "gesunden" Tieren keine offensichtlichen Auswirkungen auf die retinale Morphologie hatte und das retinale Transkriptom nur sehr geringfügig beeinflusste. In erkrankten, neurodegenerativen VPP-Retinae verschlimmerte die Deletion von Tgfbr2 in Müllerzellen und retinalen Neuronen jedoch die retinale Degeneration in doppelt mutierten Mäusen (Tgfbr2ΔOC; VPP) im Vergleich zu VPP-Mäusen signifikant. RNAseq-Analysen und anschließend durchgeführte Gen-Ontologie-Analysen und gewichtete Korrelationsnetzwerkanalysen (WGCNA) zeigten eine Induktion pro-apoptotischer Gene und eine Dysregulation der MAP-Kinase-assoziierten Signalwege bei VPP-vermittelter Photorezeptor-Degeneration und Tgfbr2-Mangel. Darüber hinaus haben wir festgestellt, dass Hddc3, ein an der Ferroptose beteiligter Faktor, in Tgfbr2-defizienten Netzhäuten (Tgfbr2ΔOC und Tgfbr2ΔOC; VPP) signifikant hochreguliert ist, was zu der Annahme führt, dass eine Tgfbr2-Depletion Photorezeptoren für den Ferroptose-vermittelten Zelltod sensibilisieren könnte.
Zusammenfassend kommen wir zu dem Schluss, dass die Modulation der Neuroinflammation und/oder der TGFβ-Signalübertragung in retinalen Neuronen und Müllerzellen vielversprechende therapeutische Optionen zur Abschwächung der Photorezeptordegeneration beim Menschen darstellen könnte.
Metadata last modified: 14 Dec 2023 09:41
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