Thesis (M.S.)--Uniformed Services University of the Health Sciences, 2005. / Running title: Seasonal affective disorder and melanopsin. Typescript (photocopy).

Les yeux forment des avant-postes visuels importants du cerveau. Comme les autres organes, la rétine sensorielle des yeux est vulnérable aux effets nocifs des facteurs environnementaux, tels que la lumière et l'oxygène. Dans ce travail, nous nous sommes concentrés sur l’impact de l’exposition à une lumière constante et l’hyperoxie prolongée sur l'architecture et la fonction rétinienne. Dans la première partie de notre étude, nous avons montré qu’ une exposition de sept jours à une lumière constante perturbe la phagocytose des bâtonnets et cônes et régule négativement leur renouvellement dans la « rétine riche en cônes " d’Arvicanthis ansorgei. Notre étude donne un aperçu sur la physiopathologie des cônes, ce qui représente la principale source de handicap visuel dans une variété de pathologies rétiniennes, y compris la rétinite pigmentaire (RP) et la dégénérescence maculaire liée à l'âge (DMLA). Dans la deuxième partie de notre étude, nous avons montré qu’ une exposition de cinq jours à l’hyperoxie entraîne chez les souris néonatales une perte significative de cellules ganglionnaires dans les régions périphériques de la rétine, et de cellules à mélanopsine (ipRGC). L’exposition prolongée à l’hyperoxie perturbe également la capacité de photoentrainment des animaux probablement due à la perte des ipRGC et la perte de la rhodopsine dans les segments externes des bâtonnets chez les animaux traités. / Eyes form important visual outposts of the brain. Just like other organs, sensory retina in the eyes is also vulnerable to the injurious effects of environmental factors; such as light and oxygen. In this work, we have focused on the impacts of constant prolonged light and hyperoxia on the retinal architecture and function. In the first part of our study, we show that seven days of constant light disrupts rod and cone phagocytosis and downregulates their turnover in the “cone rich retina” of Arvicanthis ansorgei. The study gives an insight on the cone pathophysiology, which represents the major source of visual handicap in a variety of retinal pathologies, including retinitis pigmentosa (RP) and age-related macular degeneration (AMD). In the second part of our study, we show that five days of hyperoxia treatment in the neonatal mice results in the significant loss of retinal ganglion cells in the peripheral regions; the loss of melanopsin expressing retinal ganglion cells (ipRGC) was found to be significant. Hyperoxia also affects the photoentrainment capability of the animals probably because of the loss of ipRGC and the loss of rhodopsin in the outer segments of the photoreceptors in the treated animals.

La dégénérescence maculaire liée à l’âge ou DMLA représente la première cause de cécité légale dans les pays industrialisés. C’est une affection multifactorielle (facteurs environnementaux et génétiques), caractérisée par la dégénérescence des photorécepteurs et une dysfonction de l’épithélium pigmentaire de la rétine (EPR). La présence de dépôts sous-rétiniens, les drusen, qui sont un facteur de risque de développer la DMLA contiennent de l’amyloïde-b (Ab), le peptide neurotoxique impliqué dans la maladie d’Alzheimer (MA) et le facteur H du complément (CFH), qui est un des inhibiteurs solubles majeurs de l’activation de la voie du complément. L’Aβ est capable de lier le CFH et il existe une corrélation inverse entre les taux de CFH et d’Aβ dans le cerveau et la rétine de modèles murins de la MA, de plus, le polymorphisme H402Y dans le gène codant pour le CFH est associé à la moitié des cas de DMLA et est aussi un facteur de risque pour la MA. Au début de ma thèse, rien n’était connu sur les fonctions de la protéine précurseur de l’amyloïde β (APP), et du CFH dans la rétine. Ainsi, le but de ma thèse a été d’étudier d’une part le rôle physiologique de l’APP au cours de la différenciation de la rétine et à l’âge adulte chez la souris, et d’autre part le CFH dans la rétine normale chez la souris normale adulte et chez la souris Rd10, un modèle de dégénérescence des photorécepteurs. Nous avons montré par l’utilisation d’une souris dont le gène de l’APP est invalidé (APPko), une diminution stable de 35% de nombre de cellules amacrines glycinergiques et de 36% de celui des cellules bipolaires, associé à une désorganisation importante des laminations des synapses au stade adulte, et une augmentation transitoire à 50% du nombre cellules horizontales au cours de la phase précoce de la différenciation rétinienne. Nous avons identifié Ptf1a, facteur de transcription indispensable à la différenciation des cellules amacrines, comme la cible de l’APP. De plus, non montrons que SorLA, le récepteur de l’APP, est indispensable à la fonction de différenciation rétinienne de l’APP. Dans la deuxième partie de mon étude, j’ai montré que le CFH protége in vitro les cellules de l’EPR contre les effets létaux du stress oxydant. Après avoir caractérisé les processus associés à la dégénérescence des photorécepteurs chez la souris Rd10 (activation gliale, microgliale, activation de l’inflammation et de la voie du complément), j’ai montré que l’injection intrapéritonéale répétée de CFH humain durant la dégénérescence protège partiellement les photorécepteurs de la mort. L’ensemble de mon étude montre pour la première fois un rôle important de l’APP dans la différenciation de la rétine et un nouveau rôle, comme antioxydant, pour le CFH, qui pourrait être un agent thérapeutique ciblant des photorécepteurs et l’EPR dans les pathologies dégénératives rétiniennes. / Age-related macular degeneration (AMD) is the first cause of central vision loss, due to photoreceptor degeneration and retinal pigmented epithelium (RPE) dysfunction. It is a multifactorial disease (genetic and environmental factors) and subretinal deposits of materials called drusen, is a major risk to develop AMD. Drusen contain amyloïd β (Aβ), the major neurotoxic peptide involved in Alzheimer disease (AD), and complement factor H (CFH), one of the major inhibitor of the complement pathway. Aβ and CFH interact and there is an inverse correlation between CFH and Aβ in the brain and retina of mouse models of AD. Polymorphism H402Y of CFH may be a cause of AMD in as many as 50% of cases. At the beginning of my thesis, nothing was known about the role of the amyloid precursor protein (APP) in the retina, as well as CFH. Therefore, the aim of my work was to investigate the retinal functions of both APP during retinal development and in adult mouse and CFH in normal mouse and in the Rd10 mouse model of photoreceptor degeneration. By using a mouse knock-out for app, we showed that APP regulates differentiation of retinal interneurons: it positively controls differentiation of glycinergic amacrine cells and bipolar cells, whereas it negatively controls differentiation of horizontal cells. Moreover, we identified the transcription factor, Ptf1-1, as a main transcriptional target of APP. Finally, we demonstrated that SorLA, an APP receptor, participates to the differentiation role of APP in the retina. In the second part of the study, I demonstrated that CFH protects RPE cells from lethal oxidative stress in cultures. Moreover, I showed that expression of CFH is very low in neural retina in comparison to the RPE/choroid/sclera complex in normal mice, and that CFH expression increases in both the neural retina and the RPE/choroid/sclera complex during photoreceptor degeneration in the Rd10 mice, suggesting an adaptive response of these tissues to degeneration. Intrapéritonéale injections of CFH partially protect photoreceptors from degeneration, suggesting a protective effect of CFH against retinal degeneration. Altogether, my study showed for the first time a physiological function of APP in the retina, and a new role for CFH in the protection of photoreceptors against degeneration, suggesting that it may be a therapeutic target against retinal degeneration.

La dégénérescence maculaire liée à l’âge ou DMLA est une pathologie oculaire qui touche près d’un million de personnes en France, et représente la première cause de cécité légale dans les pays industrialisés. C’est une affection multifactorielle (environnement, génétique), dans laquelle les stress inflammatoires, métaboliques et oxydants interviennent et aboutissent à la mort des photorécepteurs. L’apparition des drusen (dépôts de matériel extracellulaire contenant de l’amyloïde-β (Aβ)), entre les cellules de l’épithélium pigmentaire de la rétine (EPR) et la membrane de Brush, représente un facteur de risque de développement de la DMLA. De plus, le 4-hydroxynonenal (4-HNE) est un marqueur de stress oxydant dans la rétine de patients de différentes pathologies dégénératives comme la DLMA. L’identification des mécanismes moléculaires et cellulaires impliqués dans les dégénérescences rétiniennes la pathogenèse de la DMLA constitue un enjeu de santé publique, puisqu’elle permettrait de développer de nouvelles stratégies thérapeutiques anti-dégénératives.Le but de mon travail de thèse a été dans un premier temps de mieux comprendre le rôle de l’Aβ dans la dégénérescence rétinienne.Nous avons montré que l’Aβ induit une activation rapide des cellules microgliales, une gliose soutenue des cellules gliales de Müller (CGM), un œdème dans la rétine interne et une apoptose des photorécepteurs. La dégénérescence des photorécepteurs est en corrélation avec une activation soutenue de PERK, impliquée dans la voie pro-apoptotique de la réponse UPR. Par ailleurs la gliose des CGM est caractérisé par une délocalisation des canaux Kir4.1, une diminution de l’expression d’AQP4 et de la glutamine synthetase (GS), et une augmentation de l’expression des canaux Kir2.1 et du transporteur GLAST1, suggérant une dérégulation de l’homéostasie rétinienne contrôlée par ces protéines. Nous avons montré que l’inhibition de la réponse inflammatoire, par l’utilisation de l’indomethacine, un inhibiteur non stéroïdien de de la cyclooxygénase (COX) 2, réverse l’effet de l’Aβ sur l’expression des canaux Kir4.1 et sur GLAST1 mais pas celle de la GS et d’AQP4, suggérant un couplage partiel entre la gliose et la réponse inflammatoire dans notre modèle d’injection sous-rétinienne d’Aβ.Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés au rôle du 4-HNE dans les CGM, un produit de peroxydation lipidique, qui est produit dans la rétine sous l’effet de l’Aβ. Nous avons observé qu’un stress oxydant unique et létal induit par le 4-HNE, entraîne la mort des CGM par apoptose dépendante de l’activation des caspases. L’utilisation d’antioxydants impliqués dans la régénération du glutathion (GSH), protège contre la mort des CGM. L’analyse du transcriptome des CGM soumises au 4-HNE a permis de mettre en évidence une réponse transcriptionnelle adaptative des CGM : une activation de la défense anti-oxydante, de la réponse UPR (unfolded protein response) au stress du réticulum endoplasmique, et un phénotype anti-inflammatoire. Par ailleurs, la surexpression de l’APP (amyloid protein precursor), dont l’expression du transcrit est augmentée sous l’effet du stress oxydant dans les CGM, protège ces cellules contre la mort induite par le 4-HNE. Cette protection est associée à une augmentation des capacités anti-oxydantes et à une activation de la voie de survie de la réponse UPR. L’ensemble de nos résultats montre un rôle de l’Aβ dans la dégénérescence des photorécepteurs et indique que le métabolisme de l’APP, ainsi que les voies de survie et pro-apoptotique de la réponse UPR pourraient constituer des cibles thérapeutiques contre la dégénérescence rétinienne induite par l’Aβ ou les stress oxydants. / Age related macular degeneration (AMD) is a leading cause of blindness in western countries and affects one million people in France. Multiple risk factors (genetics, environment) are involved in the pathogenesis of AMD. In addition, the AMD pathogenesis is strongly associated with chronic oxidative stress and inflammation that ultimately lead to photoreceptor death. AMD is characterized by the formation of drusen, extracellular deposits, including amyloid-β (Aβ), between the retinal pigmented epithelium and Bruch’s membrane. Moreover, 4-hydroxynonenal (4-HNE) is an oxidative stress marker of different retinal diseases including AMD. The determination of molecular and cell mechanisms involved in retinal degeneration and the pathogenesis of AMD is required in order to develop new therapeutic anti-degenerative approaches. The aim of our study was first to investigate the role of Aβ in retinal degeneration. We demonstrated that subretinal injection of Aβ induces an early activation of microglial cells, a sustained retinal Müller glial (RMG) cells gliosis, an oedema in the internal part of retina and photoreceptors apoptosis. The photoreceptors apoptosis was correlated with a sustained activation of PERK, a kinase implicated in the pro-apoptotic pathway of UPR (unfolded protein response). In addition, RMG gliosis has been characterized by a Kir4.1 channel redistribution, a down-regulation of AQP4 and glutamine synthetase (GS) expression, and an up-regulation of Kir2.1 channel and GLAST1 transporter expression, suggesting a dysregulation of the retinal homeostasis which is controlled by these proteins. The inhibition of the inflammatory response using indomethacin, a non-steroidal and non-specific cyclooxygenase (COX) 2 inhibitor, reversed Aβ-induced Kir4.1 channel redistribution and GLAST1 up-regulation but not GS and AQP4 down-regulation, suggesting a partial coupling between gliosis and inflammatory response in retinal degeneration after subretinal injection of Aβ in mice. The second part of our study aimed to investigate the effects on RMG cells of 4-HNE, a lipid peroxidation product that is up-regulated in retina after Aβ injection. We have shown that a single lethal oxidative stress using 4-HNE induces RMG cells apoptosis associated with caspase 3 and caspase 9 activation. Pre-treatment of RMG cells with anti-oxidative molecules involved in glutathione regeneration restored cell viability. Transcriptome analysis of RMG cells treated with 4-HNE showed an adaptive transcriptional response consisting in an activation of anti-oxidative stress cell defense, activation of UPR in response to endoplasmic reticulum stress and anti-inflammatory phenotype. APP (amyloid protein precursor) overexpression, which the transcript is up-regulated in RMG cells under oxidative stress, protects from 4-HNE-induced cell death. This protection is associated with an up-regulation of anti-oxidative cell defense and an activation of the pro-survival pathway of UPR. Our study pinpoints the role of Aβ in photoreceptors degeneration and suggests that targeting APP metabolism, pro and anti-apoptotic pathways of the UPR response may hel develop selective methods against retinal degeneration implicating Aβ and oxidative stress.

In Canada alone, there were an estimated 800,000 visually impaired people in 2007, costing the federal government an annual amount of $15.8 billion in services, treatments and lost revenue. These costs are estimated to double by the year 2032, as the population ages. The leading causes of visual impairment and blindness is retinal degeneration, characterized by the progressive death of retinal cells. The research presented in this PhD thesis aimed to prevent retinal degeneration by over-expressing the X-linked Inhibitor of Apoptosis (XIAP) in retinal cells using plasmid and adeno-associated viral vectors. The work is divided into four sequential chapters targeted at developing an anti-apoptotic gene therapy strategy to prevent retinal cell death. The first chapter examines XIAP gene therapy in the treatment of Leber’s Hereditary Optic Neuropathy (LHON). In vitro studies using the 661W cone-photoreceptor cell line showed that XIAP over-expression significantly lowers cell death when 661W cells are exposed to a number of apoptotic stimuli. In a mouse model of Leber’s Hereditary Optic Neuropathy (LHON), XIAP expression in retinal ganglion cells (RGCs) protected the ultrastructure of the RGC axons within the optic nerve, in addition to providing evidence of functional protection. The second and third chapters further examine the potential for XIAP gene therapy in the treatment of retinal disease by developing an in vivo model of retinal detachment in cats, followed by evaluating the efficacy of XIAP gene therapy intervention. When XIAP was over-expressed in the photoreceptor cells, there was significant structural protection and trends in preservation of function in this model of degeneration. Finally, the fourth chapter explores an alternate method to viral gene therapy by evaluating the efficacy and toxicity of chitosan microparticles as a protein delivery system to the retina. Results show that chitosan microparticles are mucosal-adhesive and are non-toxic at low concentrations in vitro in 661W cells and in vivo in rats. This thesis work provides strong evidence that XIAP gene therapy is an effective method for preventing retinal degeneration, and works as a broad spectrum gene therapy strategy that can be applied to different forms of retinal degeneration.

O decorim e o biglicam são membros da família dos pequenos proteoglicanos ricos em leucina e possuem importantes funções no controle da proliferação, migração e invasão do citotrofoblasto extraviloso (TEV). O objetivo deste trabalho foi de caracterizar a expressão diferencial e a imunolocalização de decorim e biglicam em placentas humanas normais a termo (PNT), na placenta acreta (PA), na mola invasora (MI) e no coriocarcinoma (CO). Na PNT, as células deciduais apresentaram positividade para o decorim, enquanto o TEV foi negativo. O decorim foi fracamente expresso na matriz endometrial, mas negativo no fibrinoide do tipo matriz, enquanto foi positivo para biglicam. Na PA e na MI, o TEV mostrou positividade para decorim e biglicam. No CO, somente o citotrofoblasto foi positivo para ambos proteoglicanos. Portanto, o decorim e o biglicam são expressos diferencialmente em placentas normais e patológicas, sugerindo que os padrões de expressão desses proteoglicanos nas patologias estudadas indicam um papel na modulação da migração e da invasão do trofoblasto. / Decorin and biglycan are family members of the small leucine-rich proteoglycans family, and they have many functions as controlling proliferation, migration and invasion of extravillous trophoblast cells (EVT). The aim of this study was to characterize decorin and biglycan differential expression and immunolocalization in human normal term placenta (NTP), in placenta accreta (PA), in invasive mole (IM), and in choriocarcinoma (CH) samples. In PNT, deciduas cells were positive to decorin whereas EVT was negative. Decorin was faintly stained at endometrial matrix, but negative at matrix-type fibrinoid, although it was positive for biglycan. In PA and IM, the EVT was positive for decorin and biglycan. In CH, only cytotrophoblast cells were positive for both proteoglycans. Therefore, decorin and biglycan are differentially expressed in normal placenta and in placenta pathologies, suggesting that the expression patterns of the proteoglycans in studied pathologies indicate a role in modulating trophoblast migration and invasion.

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Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Photoreceptors are a class of sensory neuronal cells that are deleteriously affected in many disorders and injuries of the visual system. Significant injury or loss of these cells often results in a partial or complete loss of vision. While previous studies have determined many necessary components of the gene regulatory network governing the establishment, development, and maintenance of these cells, the necessary and sufficient profile and timecourse of gene expression and/or silencing has yet to be elucidated. Arduous protocols do exist to derive photoreceptors in vitro utilizing pluripotent stem cells, but only recently have been able to yield cells that are disease- and/or patient-specific. The discovery that mammalian somatic cells can be directly reprogrammed to another terminally-differentiated cell phenotype has inspired an explosion of research demonstrating the successful genetic reprogramming of one cell type to another, a process which is typically both more timely and efficient than those used to derive the same cells from pluripotent stem cell sources. Therefore, the emphasis of this study was to establish a novel system to be used to determine a minimal transcriptional network capable of directly reprogramming mouse embryonic fibroblasts (MEFs) to rod photoreceptors. The tools, assays, and experimental design chosen and established herein were designed and characterized to facilitate this determination, and preliminary data demonstrated the utility of this approach for accomplishing this aim.

Las enfermedades neurodegenerativas cursan con la degeneración y muerte de las neuronas las cuales son incapaces de suplir su propia muerte. Debido a esta característica enfermedades como el Alzheimer, el Parkinson o el Glaucoma no tienen cura en la actualidad. La retina es una proyección del sistema nervioso central (SNC) encapsulada en el globo ocular y aislada del resto del SNC, lo que la hace fácilmente accesible a la manipulación experimental. En este trabajo estudiamos las alteraciones funcionales de la retina con el electrorretinograma de campo completo (ERG), técnica basada en el registro de la respuesta eléctrica retiniana tras la presentación de un estímulo de luz homogéneo. Así hemos estudiado los efectos de la sección del nervio, del aumento de presión intraocular y de la fototoxicidad, dichas lesiones afectan selectivamente a determinadas poblaciones neuronales retinianas e imitan enfermedades neurodegenerativas como el Glaucoma o la Degeneración Macular Asociada a la Edad. / Neurodegenerative diseases are characterized by degeneration and death of neurons which are unable to recover after a given insult, thus impairing functional recuperation. Because of this, there is no cure for diseases such as Alzheimer, Parkinson or Glaucoma. The retina is a projection of the central nervous system (CNS) located in the eye and therefore, isolated from the rest of the CNS. This makes the retina a very good model for experimental manipulation. In this work we have studied the functional changes in the retina by full field electroretinograme (ERG). This technique records the electric response of the retina after presentation of homogeneous light stimuli. We have studied the effects that optic nerve sections, increase of the intraocular pressure and phototoxicity have on ERG recordings. These lesions impair selectively certain retinal neuronal populations and imitate neurodegenerative diseases as Glaucoma or Age-related Macular Degeneration.