Bringing light to darkness: what is the role of synucleins in retinal neurodegeneration?

Abstract

A retinopatia diabética é uma complicação progressiva da diabetes e é a principal causa de cegueira em adultos. Apesar de ter sido, por muitos anos, considerada uma doença microvascular, estudos recentes sugerem que há neurodegeneração da retina antes de ocorrerem danos a esse nível. A família das sinucleínas é composta por três proteínas que partilham uma grande homologia, alfa-sinucleína (aSyn), beta-sinucleína (bSyn) e gama-sinucleína (gSyn), que estão associadas a doenças neurodegenerativas, tal como a doença de Parkinson. A agregação das sinucleínas foi descrita em pacientes com outras doenças neurodegenerativas, assim como ocorrendo com o envelhecimento. Estas proteínas são também expressas na retina, mas tanto a sua função fisiológica como possíveis papéis patológicos estão por estudar neste contexto. Vários estudos sugerem um mecanismo de neurodegeneração comum entre a Doença de Parkinson e a Retinopatia Diabética. Nomeadamente, o facto da diabetes ser um fator de risco para a Doença de Parkinson; o facto da Diabetes promover a toxicidade e agregação da aSyn devido à possível glicação da mesma; O facto de L-DOPA levar à recuperação de danos visuais em ratinhos modelo da Retinopatia Diabética e drogas anti-diabéticas tecerem um efeito neuroprotetor em neurónios nigrostriatais e da retina em modelos de ratinho da Doença de Parkinson. Para além disso, o ambiente diabético do olho, onde se sabe ocorrer stress oxidativo, inflamação, aumento dos níveis de AGEs e debilitação na mitocôndria, apresenta semelhanças extraordinárias com elementos que se sabe estarem envolvidos na agregação da aSyn no cérebro de doentes de Parkinson. O objetivo deste trabalho é estabelecer uma correlação entre o perfil das sinucleínas na retina e a progressão da retinopatia diabética, num modelo de ratinho diabético (Ins2Akita) e em controlos, em vários estadios de desenvolvimento da doença. Pretende-se caracterizar o padrão de distribuição das sinucleínas nas várias populações neuronais da retina de ratinhos Ins2Akita e ‘Wild Type’, por imunohistoquímica. Os níveis de expressão das proteínas sinucleínas vão ser também avaliados nestes mesmos animais por western-blot. Os resultados obtidos indicam que a aSyn e a bSyn se encontram distribuídas pela camada plexiform interna (IPL), nos terminais pré-sinápticos das células amácrinas, assim como em corpos celulares da camada nuclear interna (INL). Para além disso, foi possível localizar a aSyn nas células amácrinas dopaminérgicas, considerando-se a possibilidade da aSyn levar à degeneração destas células com o envelhecimento, tendo em conta a sua co-localização e a diminuição das células dopaminérgicas nas retinas de ratinhos WT ao longo do envelhecimento. O aumento de co-localização entre a aSyn e a Syntaxina 1A na IPL pode sugerir alterações a nível das sinapses destas proteínas. A bSyn encontra-se localizada em células bipolares na INL e a gSyn em células horizontais na INL e em corpos celulares da camada de células ganglionares (GCL). Outra observação interessante é o facto de ocorrer co-localização entre a aSyn e bSyn, e aSyn e gSyn em corpos celulares da INL. Um aumento da co-localização entre a aSyn e a bSyn nas células amácrinas poderá levar a danos nestas células devido a um aumento de toxicidade da aSyn e bSyn como descrito em levedura, indicando um possível papel destas proteínas na retinopatia diabética. Estes resultados são promissores e podem sugerir alterações importantes destas proteínas no contexto da retinopatia diabética, mas especialmente com o envelhecimento. Apesar da função exata das sinucleínas na visão e na retinopatia diabética permanece por esclarecer, este trabalho contribuiu para o conhecimento da distribuição das sinucleínas na retina, assim como para a sua potencial contribuição no envelhecimento.

Diabetic retinopathy is a progressive complication of diabetes and the leading cause of irreversible vision in adults. While it is considered a microvascular pathology, recent evidence suggests that neurodegeneration is an earlier event in diabetic retinopathy. The synuclein family is composed of three proteins that share high homology, alpha-synuclein (aSyn), beta-synuclein (bSyn) and gamma-synuclein (gSyn), which have been associated with neurodegenerative diseases, such as Parkinson’s disease. Aggregation of the synucleins was described in other neurodegenerative disorders as well as with ageing. These proteins are also expressed in the retina, but both its physiological function and its pathologic role are yet to be described in this context. Several indications point to a shared mechanism of neurodegeneration in PD and DR. Namely, diabetes being a risk factor for Parkinson’s disease; diabetes promoting aSyn toxicity and aggregation due to aSyn glycation; L-DOPA being observed to rescue visual impairment in a DR mouse model, and an antidiabetic drug demonstrating to have a neuroprotective effect on retinal and nigrostriatal neurons in a PD mouse model. Moreover, the environment of the diabetic eye where it is known to occur oxidative stress, inflammation, increased levels of AGE and mitochondrial impairment, has remarkable similarities with the features that are known to be involved in aSyn aggregation in the brain of PD patients. The aim of this study is to establish a correlation between the retina profile of the synucleins and the progression of diabetic retinopathy, using diabetic model mice (Ins2Akita) as well as Wild Type controls in different stages of the disease. We intended to characterize the distribution pattern of these proteins in the different neuronal populations of the retina in Ins2Akita and wild type mice, through immunohistochemistry. The synucleins proteins expression levels were also assessed in these animals by western blot techniques. Our results show that aSyn and bSyn are pre-synaptic proteins in the Inner Plexiform Layer of the retina, and are localized in amacrine cells pre-synaptic terminals but also in amacrine cell bodies in the Inner Nuclear Layer (INL). aSyn is further localized in the dopaminergic amacrine cells, where aSyn might be leading to dopaminergic amacrine cells degeneration with ageing, considering its localization in those cells and a loss of dopaminergic amacrine cells Moreover, the increased colocalization between aSyn and Syntaxin 1A in the might suggest alterations in amacrine cell synapses. bSyn was found to be localized in bipolar cells in the INL and gSyn in horizontal cells in the INL but also in the Ganglion Cell Layer. Another interesting observation is that co-localization between aSyn with bSyn and aSyn with gSyn might occur in the INL. The increased colocalization between aSyn and bSyn in amacrine cells of 9 months old Ins2Akita may lead to damages to amacrine cells due to exacerbation of cytotoxicity by aSyn and bSyn, similar to what is described in yeast, indicating that these proteins’ colocalization may play a part in DR. These results are promising and may suggest important alterations in these proteins, especially in ageing. Although the exact role of the synucleins in vision and in DR pathophysiology remains unclear, this work contributed to furthering the knowledge about the synucleins in the retina, by elucidating their special distribution in normal and diabetic retina, providing insights on their potential contribution in ageing.