Insulin-induced retinal ganglion cell dendrite regeneration : characterization and identification of novel molecular mechanisms

Abstract

La rétraction des dendrites de cellules ganglionnaires de la rétine (CGR) est parmi les changements pathologiques qui conduisent à des déficits fonctionnels lors du glaucome. Récemment, on a montré que l’administration de l’insuline promeut une importante régénération des dendrites des cellules ganglionnaires de la rétine et rétablie les synapses. On se basant sur ces données, on a posé les questions suivantes: 1) Est ce que la réduction de la pression intraoculaire (PIO) élevée est suffisante pour promouvoir la régénération des dendrites en absence d’apport exogène de l’insuline? 2) Quels sont les mécanismes moléculaires en aval de l’insuline qui permettent la régénération des dendrites des CGR lors du glaucome? Les souris transgéniques Thy1-YFP, qui permettent la visualisation des dendrites des CGR, ont reçu une injection intra-camérale de microbilles magnétiques pour induire l’hypertension oculaire. Des gouttes journalières du brinzolamide ont été administrées pour réduire la PIO. Les CGR ont été imagés à l’aide du microscope confocal et les dendrites ont été reconstruites en 3D grâce au logiciel Imaris. Pour l’analyse des mécanismes moléculaires, les CGR ont été isolées grâce à la technique de cytométrie FACS, à partir des rétines traitées à l’insuline et au véhicule suivi par un séquençage d’ARN (ARNseq). Le brinzolamide réduit de façon effective la PIO, cependant cette réduction ne permet pas la régénération des dendrites des CGR. Le séquençage de l’ARN des rétines glaucomateuses et des rétines contrôles a aidé à identifier des voies de signalisation candidates pour participer à la régénération des dendrites des CGR incluant mTOR, Notch, glycolyse, métabolisme des acides gras, réparations d’ADN et myc-cibles. Ces données nous ont conduit à retirer les conclusions suivantes: 1) La réduction de la PIO n’est pas suffisant pour promouvoir la régénération IV des dendrites des CGR, suggérant que l’insuline endogène ne remplit pas le rôle de l’insuline exogène. 2) De nombreuses voies moléculaires sont activées pour mener l'effet régénérateur de l’insuline sur les dendrites des CGR. Ces résultats supportent le rôle de l’administration de l’insuline pour restaurer les connections et le fonctionnement de la rétine et identifient des gènes qui pourraient être de nouvelles cibles pour traiter le glaucome.

Glaucoma is the leading cause of irreversible blindness worldwide. High intraocular pressure (IOP) is the most important risk factor to develop the disease. The retraction of retinal ganglion cell (RGC) dendrites is one of the earliest pathological changes leading to substantial functional deficits. We recently demonstrated that insulin, administered after arbor retraction, promoted remarkable RGC dendrite and synapse regeneration. Here, we asked the following questions: 1) is insulin effective at promoting RGC dendrite regeneration in experimental glaucoma? 2) is reduction of IOP sufficient to promote dendrite regeneration in the absence of exogenous insulin? 3) what are the signaling components downstream of insulin that stimulate RGC dendrite regeneration in glaucoma? Thy1-YFP mice, which allow visualization of RGC dendritic arbors, received an intracameral injection of magnetic microbeads to induce ocular hypertension. RGC dendrites were imaged by confocal microscopy and arbors were 3D reconstructed. Total RGC dendritic length and complexity increased in glaucomatous eyes treated with insulin to values similar to those found in intact non-injured controls, but not in eyes treated with brinzolamide, to lower IOP, or vehicle. RGCs were isolated by Fluorescence Activated Cell Sorting (FACS) from insulin- or vehicle-treated glaucomatous retinas as well as shamoperated controls, followed by RNA sequencing analysis (RNA-seq). Our data show a global decrease in transcriptional efficiency in glaucomatous retinas. In addition, we identified a number of key regulatory pathways potentially implicated in insulin-induced RGC dendrite regeneration including: the mammalian target of rapamycin (mTOR), glycolysis, fatty acid metabolism, DNA repair, and myc-targets. These data allow us to draw the following conclusions: 1) insulin promotes robust RGC dendrite regeneration in glaucoma, 2) IOP reduction alone is not sufficient to promote dendritic regrowth, and 3) multiple molecular pathways are activated during insulin-mediated regeneration. These findings support a critical role for insulin administration to restore RGC dendritic structure, and identify differential gene expression that might reveal novel therapeutic targets for glaucoma.