The role of PSA-NCAM in the survival of retinal ganglion cells

Abstract

Närviraku adhesioonimolekul (NCAM) on glükoproteiin, mis kuulub immunoglobuliinide superperekonda. Kolm peamist NCAMi isovormi on jaotatud molekulmassi alusel (NCAM-180, NCAM-140, NCAM-120) ning need erinevad üksteisest rakumembraani läbiva domeeni poolest. Närviraku adhesioonimolekulide peamine roll on närvirakkude vaheliste kontaktide loomine ja nende stabiliseerimine. Polüsiaalhappe (PSA) seondumine NCAMi viienda immunoglobuliini domeeni külge toimub polüsialüültransferaas II (ST8SiaII) ja IV (ST8SiaIV) vahendusel, ning selle tulemusena väheneb rakkudevaheline adhesioon. Lisaks on näidatud, et PSA-NCAM ei mõjuta mitte üksnes rakkudevahelisi adhesiivseid omandusi, vaid sellel on oluline roll ka protsessides, mille kaudu reguleeritakse rakkude elulemust, proliferatsiooni, diferentseerumist, migratsiooni, aksonite väljakasvu ning sünaptilist plastilisust. PSA-NCAMi leidub valdavalt kesknärvisüsteemi neuronitel ning gliiarakkudel ja olles närvirakkudevahelise struktuurse dünaamilisuse vahendaja, omab ta olulist rolli aju plastilisuse regulatsioonis nii arenevas ajukoes kui ka täiskasvanueas. Silma võrkkestas esineb PSA-NCAMi täiskasvanueas kõige rohkem Mülleri rakkudel ja astrotsüütidel ganglionirakkude (RGC) juures. Silma võrkkest koosneb mitmetest erineva funktsiooniga rakukihtidest, millest ühe kihi moodustavad ganglionirakud. Selles kihis paiknevad RGCde kehad, mille aksonid moodustavad nägemisnärvi. On näidatud, et silma võrkkesta PSA-NCAM võib mõjutada RGC elulemust, kuid milline on PSA-NCAMi täpne roll täiskasvanueas silma võrkkesta funktsiooni tagamisel, pole teada.

Töö eesmärgid: 1. Tuvastada, kas NCAM, ST8SiaII, ST8SiaIV puudulikel hiirtel ja endosialidaas-N-i (Endo-N) indutseeritud PSA defitsiit metsiktüüpi hiirtel esinevad muutused PSA-NCAMi ekspressionis ja silma võrkkesta RGCde arvus. 2. Selgitada, kas ja kuidas mõjutab NCAM-/-, ST8SiaII-/-, ST8SiaIV-/- või Endo-N-iga tekitatud PSA kadu silma võrkkesta RGCde elulemust neurotoksiini kaiinhappe intravitreaalse manustamise järgselt. 3. Selgitada, millise mehhanismi vahendusel väheneb PSA-NCAMi tase ning tekib RGCde degeneratsioon kaiinhappe intravitreaalse manustamise järgselt. 4. Teha kindlaks PSA-NCAMi ja maatriksi metalloproteinaas-9 (MMP-9) roll RGCde elulemusele hiire streptosototsiiniga indutseeritud diabeedi mudelis.

Töö tulemused: 1. Antud töö tulemused näitasid, et vastsündinud ST8SiaII-/- ja ST8SiaIV-/- hiirtel on PSA-NCAMi ekspressioon oluliselt vähenenud, kuid täiskasvanud hiirtel ekspressioonis muutusi ei täheldatud. NCAM-/- hiirtel PSA-NCAMi ei leitud. Tuvastati, et NCAM-/- hiirtel on RGCde arv oluliselt suurenenud, vastupidiselt ST8SiaII-/- hiirtele, kellel RGCde arv on vähenenud, kuid ST8SiaIV-/- hiirtel RGCde arvus muutusi ei esinenud. Samuti selgus, et PSA eemaldamine NCAMilt Endo-N-iga ei mõjutanud RGCde elulemust. 2. Ilmnes, et ST8SiaII-, ST8SiaIV- või NCAM-defitsiitsetel loomadel ei mõjutanud kaiinhappe poolt põhjustatud toksilisus RGCde elulemust, mille põhjuseks võib olla olemasolevate sialüültransferaaside aktivatsioon. Samas, Endo-N-iga tekitatud PSA kadu suurendas kaiinhappe toksilist toimet RGCdele, mis viitab, et polüsialüülitud NCAMi vorm on vajalik RGCde elulemuse tagamiseks. 3. Selgus, et MMP-9 osaleb kaiinhappest indutseeritud PSA-NCAMi taseme vähenemises, põhjustades PSA eemaldamist NCAMilt ning selle mehhanismi kaudu mõjutatakseb RGCde elulemust. 4. Tuvastati, et streptosototsiiniga indutseeritud diabeedi mudelis on RGCde arv vähenenud ja see on seotud PSA-NCAMi taseme vähenemisega ning MMP-9 aktivatsiooni suurenemisega RGCde piirkonnas.Retinal ganglion cells (RGCs) undergo degeneration in many human diseases, such as glaucoma, diabetic retinopathy, optic nerve atrophy, some inherited diseases (dominant optic atrophy, Leber hereditary optic neuropathy). There is no effective treatment for progressive vision loss due to RGC degeneration. Polysialylated neural cell adhesion molecule (PSA-NCAM) is expressed abundantly in the retina in close proximity to the RGCs. PSA is attached to NCAM by two specific polysialyltransferases, II and IV (ST8SiaII, ST8SiaIV). It is thought that PSA-NCAM affects not only adhesive properties between cells, but also plays a role in the intracellular signaling, which influences cell survival, proliferation, differentiation, migration, axon outgrowth and pathfinding, and synaptic plasticity. The functions of PSA-NCAM in the retina in the adult are not clearly understood. One of the putative roles of PSA-NCAM in the retina is in the maintenance of RGC survival. The aims of this study were to investigate in detail (a) the survival of RGCs in mice deficient for NCAM and ST8SiaII or ST8SiaIV; (b) the protective roles of NCAM/PSA-NCAM during excitotoxic retinal damage induced by kainic acid (KA); (c) the protective roles of PSA-NCAM in the mouse model of diabetic retinopathy (DR). Our study demonstrates that the viability and survival of RGCs is dependent on the presence of PSA-NCAM expressed by astroglial and Müller cells. Excitotoxic retinal damage or diabetic retinopathy induces a decrease in the levels of PSA-NCAM and thereby promotes RGC degeneration. The reduction of PSA-NCAM levels in these models is mediated by matrix metalloproteinase-9 (MMP-9), which induces shedding of the extracellular domain of PSA-NCAM. Our study demonstrates that PSA-NCAM and MMP-9 might be new pharmacological targets to combat retinal degeneration.