The Effects of Lactate Receptor G Protein-Coupled Receptor 81 (GPR81) on the Integrity of the Choroidal Vasculature

Abstract

Plutôt qu’un simple déchet corporel, le lactate participe à plusieurs fonctions biologiques via son récepteur, GPR81, tel que l’angiogenèse, l’inhibition de l’inflammation et de la lipolyse. Plusieurs études soulignent l’implication du lactate dans le cancer, sa contribution aux pathologies oculaires est peu documentée. Étant donné que la rétine (et possiblement la rétine externe) est l’une des plus grande consommatrice d’énergie parmi toutes les tissus du corps humain et étant donné que son dérèglement métabolique est associé à plusieurs pathologies incluant la dégénérescence maculature liée à l’age (DMLA), la cause principale de cécité chez les personnes âgées dans les pays industrialisés, nous sous sommes intéressés au récepteur de lactate GPR81 et ses fonctions potentielles dans la rétine externe. Curieusement, nous avons observé une expression abondante du GPR81 dans la rétine externe, surtout dans l’épithélium pigmentaire rétinien (EPR), qui est un élément important au maintien de l’homéostasie de la rétine externe incluant la vasculature choroïdienne et les photorécepteurs. La fonction pro-angiogénique du GPR81 est confirmée par la technique de germination choroïdienne (ex vivo) et l’injection intravitréenne de lactate aux souris (in vivo). Par contre, en prenant les mesures de l’épaisseur choroïdienne, nous avons observé que les souris GPR81-/- manifestent la dégénération choroïdienne accompagnée par une néovascularisation aberrante. Les souris GPR81-/- jeunes (<P30) montrent une vasculature choroïdienne plus mince, résultant de l’activation de la réponse au stress intégré (RSI), qui est un mécanisme élaboré que les cellules adoptent afin de s’adapter aux stress variés. Les essais avec des facteurs de croissance montrent une réduction générale de traduction chez les souris KO, indiquant la présence de stress au niveau du reticulum endoplasmique (RE), que confirme l’augmentation de BiP et PDI. De plus, ces souris ont également manifesté une augmentation du stress oxidatif, suggéré par le niveau accru des dérivés réactifs de l'oxygène (DRO) et de l’isoprostane-8, ainsi que la déficience du système anti-oxidant, indiqué par la réduction de Nrf2 et de l’activité de la SOD. En outre, le stress oxidatif et le stress RE travaillent en synergie afin d’activer la voie de la RSI chez les souris KO, tel que suggéré par le niveau accru de phosphorylation de l’unité alpha du facteur d’initiation 2 chez les eukaryotes (eIF2α), d’ATF4 et de la transcriptions de gênes ciblés. L’inhibition de la voie RSI a éventuellement rétablie l’épaisseur choroïdienne des souris KO à P12, en restaurant partiellement la synthèse des protéines, particulièrement le VEGF A pro-angiogénique et le HGF. La fin de la voie RSI chez les souris KO à P30 est indiquée par l’augmentation de l'arrêt de croissance, le niveau accru de la GADD34 ainsi que la restauration de la traduction générale. Pourtant, l’augmentation continuelle de traduction globale chez les souris KO déclenchent le développement de la néovascularisation choroïdienne pathologique (NCP), typique à la DMLA humide, à P180. Comparé aux souris WT du même âge, l’épithélium pigmentaire rétinien (EPR) des KO a démontré une dégénérescence suggérée par la disparition des conmexions d'EPR et l’émergence d’EPR fantôme. À l’âge d’un an, les vaisseaux choroïdiens montrent une croissance dans l’EPR chez les souris KO. Toutes ces données suggèrent que les souris GPR81-/- peuvent être utilisées comme modèle de la néovascularisation choroïdienne. Globalement, notre étude fournit la première preuve du potentiel thérapeutique de cibler les récepteurs métaboliques GPR81 en DMLA humide via les régulations simultanées du stress oxidant, du stress RE et de la voie RSI.

Rather than simply a body waste, lactate exhibits various biological activities, including pro-angiogenesis, anti-inflammation, and anti-lipolysis functions, via its receptor G protein-coupled receptor GPR81 (i.e., hydroxycarboxylic acid receptor 1, HCA1). Despite being well studied in cancers, the potential involvement of GPR81 in the eye remains insufficiently investigated. Given that the retina (and perhaps also the outer retina) is one of the most energy-demanding tissues in the human body and that retinal metabolism dysregulation is linked to several pathologies including age-related macular degeneration (AMD), a leading cause of blindness in elderly people in industrialized countries, we are interested in the lactate receptor GPR81 and its potential functions in the outer retina. Intriguingly, GPR81 was abundantly expressed in the retinal pigment epithelium (RPE) layer of the outer retina, which is a key element in maintaining homeostasis of the outer retina including the choroidal vasculature and photoreceptors. The pro-angiogenic function of GPR81 activation was confirmed by choroid sprout assay (ex vivo) and choroidal thickness measurement in mice given intravitreal injections of lactate (in vivo). In contrast, by evaluating the choroidal thickness, we found that GPR81-/- (i.e., KO) mice displayed choroidal degeneration followed by aberrant neovascularization. Compared to age-matched WT mice, young GPR81-/- mice (<P30) displayed a dramatically reduced choroidal vasculature, which was mediated by activation of the integrated stress response (ISR) pathway, an elaborate mechanism employed by cells to adapt to various stresses. Growth factor microarray analysis revealed a general decrease in translation in GPR81-/- mice, indicating the presence of ER stress, which was further confirmed by the increased levels of ER stress markers (BiP and PDI). Moreover, these mice also showed a significant elevation of oxidative stress evidenced by significantly increased levels of reactive active species (ROS) and 8-isoprostane as well as lower levels of Nrf2 and SOD activity. Therefore, ER stress and oxidative stress in GPR81-/- mice worked synergistically to activate the ISR pathway, as suggested by increased levels of phosphorylation of the alpha subunit of eukaryotic translation initiation factor 2 (eIF2α), ATF4, and transcription of its downstream target genes. Inhibition of the ISR pathway reversed the choroidal thinning in GPR81-/- mice at P12, mediated by a partial restoration of protein synthesis, particularly of the pro-angiogenic factors such as VEGF A and HGF. The termination of the ISR pathway in GPR81-/- mice was at P30, as evidenced by the increased level of growth arrest and DNA damage-inducible protein 34 (GADD34) and the restoration of general translation. The subsequent increase of global translation in GPR81-/- mice, however, eventually triggered the development of pathological choroidal neovascularization (CNV), the hallmark of “wet” AMD, at P180. Compared to age-matched WT mice, these GPR81-/- RPEs displayed several forms of degeneration manifesting as the disappearance of some RPE junctions as well as the appearance of ghost RPEs. At one year of age, some choroidal vessels were observed growing into the RPE layer in GPR81-/- mice. All these data suggest that aged GPR81-/- mouse could be a mouse model of CNV. Taken together, our study provides the first evidence for the therapeutic potential of targeting the metabolic receptor GPR81 in “wet” AMD through the simultaneous regulation of oxidative stress, ER stress, and resultant ISR pathway activation. The GPR81-/- mouse can be used as a mouse model of CNV.