Effect of high glucose on AMPA receptors content in the retina e hippocampus

Abstract

A retinopatia diabética é uma das principais complicações da diabetes mellitus, sendo considerada a maior causa de perda de visão nos paísesocidentais. A diabetes tem sido também associada a défices moderados emprocessos cognitivos e de memória, os quais estão associados a alterações nohipocampo. A hiperglicémia é considerada o principal factor para o desenvolvimentodestas complicações e várias evidências sugerem que o conteúdo dereceptores ionotrópicos de glutamato pode ser afectado em condições dehiperglicémia. Além disso, resultados obtidos no nosso laboratório em células de retina expostas a glucose elevada, sugerem que há um aumento dasubunidade GluR2 nos receptores do ácido alfa-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazol–propiónico (AMPA), um subtipo de receptores ionotrópicos deglutamato responsáveis pela neurotransmissão excitatória rápida, que estãolocalizados na membrana plasmática. Assim, o objectivo deste estudoconsistiu em investigar o efeito da glucose no conteúdo de diferentessubunidades dos receptores AMPA na membrana plasmática das células de retina, e também de hipocampo. Para tal, as culturas primárias de retina e de hipocampo foram expostas auma concentração elevada de glucose (30 mM), de forma a mimetizarcondições de hiperglicémia, e manitol (24,5 mM mais 5,5 mM de glucose), o controlo osmótico, durante dois e sete dias, respectivamente. Para identificaras proteínas presentes na membrana plasmática, foi realizado um ensaio debiotinilação e, de seguida, a expressão proteica das subunidades dosreceptores AMPA (GluR1, GluR2 e GluR4) foi determinada por western blotting. A immunoreactividade das subunidades dos receptores AMPA foitambém avaliada por imunocitoquímica em culturas de células de retina. Neste estudo verificou-se que a concentração elevada de glucose aumentou os níveis totais e membranares das subunidades GluR1 e GluR2,enquanto os níveis proteicos da subunidade GluR4 aumentaram apenas namembrana plasmática. Os resultados obtidos para as quantidades totais dastrês subunidades foram confirmados por imunocitoquímica. Contrariamente, no hipocampo a glucose elevada não alterou significativamente os níveis totais emembranares das subunidades dos receptores AMPA. O manitol, controloosmótico, não alterou a expressão das subunidades dos receptores AMPA. Estes resultados indicam que a glucose elevada pode alterar os níveistotais e membranares das subunidades dos receptores AMPA em célulasneuronais de retina, e que este efeito não é devido a um aumento daosmolaridade. As alterações na expressão e distribuição dos receptores AMPA podem ter um impacto na fisiologia da retina. Os neurónios de hipocampoparecem ser mais resistentes a alterações nas subunidades dos receptoresAMPA quando expostos a condições de hiperglicémia, o que pode de alguma forma explicar o surgimento de alterações na retina causadas pela diabetesantes dos défices de memória.

ABSTRACT: Diabetic retinopathy is a common complication of diabetes mellitusand a leading cause of vision loss in western countries. Diabetes has been alsoassociated with moderate impairment in cognitive and memory processes,which have been linked to changes in the hippocampus. Hyperglycemia is considered the main factor for the development of thesecomplications, and several evidences indicate that the content of ionotropicglutamate receptors can be affected by hyperglycemic conditions. Also,previous results obtained in our laboratory,in retinal cells exposed to high glucose, suggest that α-amino-3-hydroxy-5-methylisoxazole-4-propionic acid receptors (AMPAR), a subtype of ionotropic glutamate receptor responsible forfast excitatory neurotransmission, that arelocated at the plasma membrane are enriched in GluR2 subunits. Therefore, the main aim of this study was to investigate whether high glucose could affect the content of different AMPARsubunits at the plasma membrane in retinal cells, and also in hippocampal cells. For this purpose, retinal and hippocampal cell cultures were exposed tohigh glucose (30 mM), to mimic hyperglycemia, and mannitol (24.5 mM plus 5.5mM of glucose), the osmotic control, for two and seven days, respectively. Toidentify the proteins present at the plasma membrane, we performed abiotinylation assay, and then AMPAR subunits (GluR1, GluR2 and GluR4)protein expression was assessed by western blotting. The immunoreactivity of AMPAR subunits was also evaluated by immunocytochemistry in retinal cellcultures. We demonstrated that high glucose increased both total and surface content of GluR1 and GluR2 subunits in retinal cells, whereas GluR4 proteinlevels increased only at the plasma membrane. The results obtained for thetotal amount of AMPAR subunits were confirmed by immunocytochemistry. Contrarily, in hippocampal cultures, high glucose did not change significantlythe total and surface levels of AMPAR subunits. Mannitol, the osmotic control,had no effect on the protein levels of AMPAR subunits. These results indicate that high glucose can alter the total and membrane protein levels of AMPAR subunits in retinal neural cells, and these effects areindependent of the increase in osmolarity.Changes in AMPAR expression and distribution can eventually have an impact on retinal physiology. Hippocampal neurons appear to be more resistant than retinal neurons to changes inAMPAR subunits when exposed to hyperglycemic conditions, which mayexplain the occurrence of retinal dysfunction in diabetes before memoryimpairments.