The nuclear receptor NR2E3 plays a role in human
retinal photoreceptor differentiation and degeneration
Ann H. Milam, Linda Rose, Artur V.Cideciyan, Mark R. Barakat, Wai-Xing
Tang, Nisha Gupta, Tomas S. Aleman, Alan F. Wright, Edwin M. Stone, Val C.
Sheffield, and Samuel G. Jacobson Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Vol. 99, Issue 1, 473-478, January 8, 2002 ,
Нормальное развитие сетчатки человека связано с упорядоченной генерацией палочек и колбочек с помощью сложных механизмов. Спецификация судьбы клеток связана с выделением клеточных клонов предшетвенников и внешними сигналами, такими как растворимые факторы и межклеточные взаимодействия. Большинство мутаций ведет к ухудшению зрения лишь одно наследственное нарушение сетчатки enhanced S cone syndrome (ESCS), ведет к усилению зрительной функции, связанному с увеличением минорных S (blue) колбочек и уменьшением функции палочек и L/M (red/green) колбочек. Это аутосомно-рецессивное заболевание обусловливается мутацияи NR2E3, фоторецепторного транскрипционного фактора ядерного рецептора и м. возникать в результате аномального предопределния судьбы клеток, ведущего к избытку S конусов при потери др. субтипов фоторецепторов. У 16 ESCS пациентов с наиболее распространенной мутацией NR2E3,
R311Q, выявлено аномальное соотношение функций S и L/M колбочек и прогрессивная ретинальная дегенерация. Посмертные исследования сетчатки ESCS пациентов, гомозиготных по NR2E3 R311Q не выявили палочек, но количество колбочек увеличено примерно в 2 раза и 92% из них были S колбочками. Лишь 15% колбочек экспрессировали L/M cone opsin, a некоторые ко-экспрессировали S cone opsin. Сетчатка дизорганизована, с плотно упакованными конусами, перемешанными с внутренними ретинальными нейронами. Сетчатка также дегенерирована, остаточные фоторецепторы только в центральной и периферических областях. Эти наблюдения указывают на ключевую роль NR2E3 в регуляции развития фоторецепторов у человека. Дегенерация NR2E3 сетчатки м.б. результатом дефектного развития, известной ломкости S колбочек или аномального сохранения зрелых фоторецепторов.
(Рис.1.) | S versus L/M cone function and disease progression in patients with NR2E3 R311Q mutations.
(Рис.2.) | Microscopy of normal and NR2E3 mutant human retinas.
(Рис.3.) | Cone cell types in a normal and NR2E3 mutant
retina, identified by immunocytochemistry with mAb 7G6 (to label all
cones), anti-S cone opsin (to label blue cones), and anti-L/M cone
opsin (to label red/green cones).
Молекулярные события во время развития сетчатки у беспозвоночных и позвоночных изучены недостаточно. Спецификация палочек и колбочек связана со взаимодействиями как внутренних, так и внешних факторов, включая клоны клеток, растворимые факторы илокальные межклеточные взаимодействия. Эти сложные сигнальные пути используют ядерные рецепторы, сверхсемейство транскрипцтонных факторов, которые обладают общими структурными свойствами, включая ДНК и лиганд-связывающие домены. Специфические для фоторецепторов ядерные рецепторы (photoreceptor-specific nuclear
receptor (PNR)), NR2E3, являются членами подсемейства II ядерных рецепторов. Коэкспрессия NR2E3, CRX (cone-rod homeobox), и NRL (nuclear retina leucine zipper) в клетках Y79 retinoblastoma человека указывает на то, что NR2E3 являются компонетом фоторецепторного транскрипционного каскада в развитии сетчаатки у человека.
Мутации в NR2E3 вызывают уникальное для человека заболевание enhanced S cone syndrome (ESCS). ESCS лишены функции фоторецепторов-палочек, как и при др. наследственных дегенерациях сетчатки, подобных retinitis pigmentosa, уникальность заключается в том, что их S (blue) колбочки, обычно минорная популяция , наиболее чувствительная к свету, чем обычно более многочисленные L/M (red/green)
колбочки. Патология сетчатки, лежащая в основе ESCS фенотипа неизвестна. Считается, что NR2E3 мутантная сетчатка должна напоминать трансплантаты и эксплантаты сетчатки кроликов и грызунов, которые формируют больше S, чем M колбочек. Мутации NR2E3 м. приводить к дизорганизации детерминации судьбы клеток сетчатки с избыточной продукцией S колбочек в ущерб др. типам фоторецепторов.
Использовали иммуноцитохимическую и морфометрическую технику для посметртного изучения сетчатки от пациентов с (R311Q) NR2E3 мутацией. Выявлено драматические увеличение популяции S колбочек, двухкратное увеличение общего количества колбочек, некоторые из которых ко-экспрессируют S и L/M opsin, и дизорганизованная, дегенерирующая внутренняя сетчатка. Это согласуется с наблюдениями сетчатки от мутантных Nr2e3 rd7/rd7 мышей, которые обнаруживают избыточную продукцию S колбочек и дегенерацию сетчатки. NR2E3 м. играть ключевую роль в онтогенетических процессах, которые обеспечивают нормальную топограцию фоторецепторов у человека.
Члены сверхсемейства транскрипционных факторов ядерных рецепторов играют важную роль в развитии нервной системы, они специфицируют уникальные свойства развивающихся нейронов. В работе решался вопрос, может ли NR2E3, подобно структурно очень похожему NR2E1, участвовать в детерминации судьбы клеток сетчатки человека. Фенотипический анализ с помощью иммуноцитохимии и морфометрии сетчатки от гомозиготных по R311Q NR2E3 мутации подтвердил мнение, что орфановые ядерные рецепторы играют важную роль в развитии сетчатки человека и что эта мутация ведет к аномальной дифференцировке фоторецепторов-колбочек. Это заключение согласуется с недавними доказательствами, полученными на мутантных Nr2e3 и
Nr2e1 мышах.
Мутантная NR2E3 обнаруживает несколько признаков, неизвестных ранее для человека: (i) аномальное соотношение S к L/M колбочкам, (ii) присутствие колбочек ко-экспрессирующих S и L/M opsin во взрослой сетчатке и (iii) вдвое большая, чем в норме плотность колбочек в центральной сетчатке.
Аномальное соотношение S и L/M колбочек в NR2E3 мутантной сетчатке составляет морфологическую основу аномальных взаимоотноешний психофизических порогов между S и L/M колбочками у одного и того же пациента, а также и у др. пациентов с R311Q мутациями. Это такж м. служить основой ERG реакций фоторецепторов и у др. ESCS пациентов с др. NR2E3 мутациями. Сходные аномальные соотношения субтипов колбочек встречаются и у модельных животных. Напр., трансплантаты сетчатки от эмбрионов и ранних постнатальных кроликов и мышей образуют высокое соотношение S к M колбочкам. Рецептор тироидного гормона необходим для развития M колбочек у мышей, а животные, лишенные Thrb формируют только S (UV) колбочки. Отсутствие у мышей nuclear transcription protein, Nrl, который регулирует экспрессию rhodopsin, также вызывает увеличение количества S (UV) колбочек. Повышенные количества S
колбочек и дегенерация сетчатки у rd7/rd7 мышей, как известно, вызвана делеционной мутацией, затрагивающей часть лиганд-связывающего домена гена Nr2e3.
В сетчатке плодов человека S cone opsin экспрессируется раньше L/M
cone opsin. Мутация NR2E3 вызывает уменьшение количества L/M колбочек, указывая тем самым, что некоторые клетки-предшественники колбочек или неспособны переключаться с пути S на путь L/M колбочек или переключаются с L/M на S cone фенотип. Кроме того, примерно половина L/M колбочек ко=экспрессирует S cone opsin в мутантной NR2E3 сетчатке. Этому есть прецендент. У грызунов, M колбочки экспрессируют S opsin прежде M opsin, a некоторые колбочки синтезируют оба опсина в течение жизни. Известно, что большинство колбочек мышей экспресирует как S , так и M cone пигменты. Однако, этого не наблюдается у людей, где некоторые колбочки у плодов ко-экспрессируют S и L/M cone opsin, но очень немногие колбочки у взрослых экспрессируют оба опсина. Количество колбочек, экспрессирующих S иL/M cone opsin значительно выше, чем в норме в мутантной NR2E3 сетчатке. Не удалось найти колбочек, ко-экспрессирующих S и L/M опсин в нормальной сетчатке.
Повышенные количества колбочек в области сетчатки - это третье новое свойство NR2E3 мутантной сетчатки у людей. Палочки отсутствовали в этой сетчатке и хотя общее количество колбочек увеличено вдвое, нельзя исходя из этого определить, обусловлено ли повышение количества S колбочек включением клеток-предшественников палочек из-за отсутствия сигналов, заставляющих их обычно становиться палочками. Тяжелые нарушения функции палочек характерное свойство ESCS фенотипа на всех изученных возрастах и возможно, что клетки, обычно предназначенные стать палочками, вместо этого становятся S колбочками. Дефектная centrifugal миграция фоторецепторов во время развития центральной части сетчатки у человека такж м. вносить свой вклад в этот результат.
Дегенерация сетчатки определенно является частью R311Q NR2E3фенотипа. Гистопатологические признаки дегенерации сетчатки проявляются началом потери клеток колбочек, глиозом Müller клеток и RPE миграцией во внутренние части сетчатки. Анализ фенотипа ESCS пациентов с мутацией NR2E3 выявил офтальмоскопические, психофизиологические и ERG доказательства дегенерации. У пациентов с сохраненной функцией периферической сетчатки выявлялись региональные отклонения болезни сетчатки в виде более тяжелой потери функции S и L/M колбочек вблизи midperipheral части сетчатки, чем в центральной ее части или дальше к периферии. Исследования чувствительности S и L/M колбочек у NR2E3 R311Q гомозигот показало прогрессивную потерю ее в течение более 10 лет.
Простая модель фенотипа NR2E3 мутации д. иметь два компонента: (i) онтогенетический эффект, ведущий к аномальному соотношению S к L/M колбочкам и к уникальному ESCS дефекту; и (ii) варьирующую дегенерацию сетчатки. Вариабельность тяжести дегенерации у ESCS взывает противоречия в клинической литературе и несколько различных диагнозов от стационарной ночной слепоты до пигментного ритинита ставятся пациентам с ESCS. Доказательство, что NR2E3 вызывает ESCS указывает на то, что механизм аномального соотношения S и L/M колбочек должен сопровождать такие варьирующие драматически степень дегенерации сетчатки. Хотя время экспрессии NR2E3 в сетчатке плодов человека неизвестно, данные для мышей
Nr2e3 указывают на эмбриональную стадию (E18.5) и постнатальную фазу
(P2.5), распространяющуюся на взрослый период. Поздняя фаза м. отражать известную ломкость S колбочек или роль NR2E3 в поддержании зрелых фоторецепторов.
Y. Yanagi, S.-i. Takezawa, and S. Kato Distinct Functions of Photoreceptor Cell-Specific Nuclear Receptor, Thyroid Hormone Receptor {beta}2 and CRX in Cone Photoreceptor Development
Invest. Ophthalmol. Vis. Sci., November 1, 2002;
43(11): 3489 - 3494.
[Abstract][Full Text][PDF]