The role of α-adducin in the function and structure of retina.

Abstract

Neurons are polarized and specialized cells responsible for the directional information flow in the central nervous system (CNS). Their organized cytoskeleton is composed by microtubules, neurofilaments and several proteins such as actin, spectrin and adducin. Spectrin tetramers act as spacers of actin rings, which are periodically disposed along the axon shaft. Adducin, located at the growing end of actin filaments, is an actin-binding protein encoded by three closely related genes, alpha (α), beta (β) and gamma (γ). It is already known that adducin assumes an important role in the stabilization of the diameter of actin rings. Although it is also known that deletion of α-adducin gene (Add1) leads to optic nerve enlargement and consequent degeneration, the effect of this protein in the physiology and structure of the retina was not addressed, so far. Therefore, the aim of the present study was to evaluate the role of α-adducin in the function and structure of the retina.α-adducin knockout (KO) mice were obtained from heterozygous breeding pairs. At P100, wild-type (WT) and KO animals were submitted to electroretinography (ERG) and optical coherence tomography (OCT) to assess retinal function and structure, respectively. The presence of opacities in the lens of KO animals hindered the observation of the retinal structure by OCT.Regarding ERG, dark and light-adapted retinal light responses were recorded. It was found a significant increase (up to 25%) in the a-wave time to peak values, in the scotopic response, and in the phase of fundamental and first harmonic waves, in the photopic flicker test.In the same time point, structural changes in about 26% of retina extension were observed in the retina of KO animals. Comparing to WT animals, KO animals presented: (i) higher density of ganglion and amacrine cells, (ii) increased length and abnormal morphology of bipolar cells, (iii) horizontal cells with different orientation and morphology, (iv) apparent worsening organization of cones, (v) higher density and reactivity of microglial cells. These characteristics were more evident in the areas presenting structural changes. Nevertheless, no cell death by apoptosis was detected.In conclusion, we show, for the first time, that deletion of α-adducin induces evident structural changes in the retina, namely the morphology of some retinal cells, despite subtle functional alterations.Further studies will be important to carry out in order to assess the time point where this protein affects the retinal development, thus, explaining some features that remain unclear.

Os neurónios são células polarizadas e especializadas responsáveis pelo fluxo de informação no sistema nervoso central (SNC). O seu organizado citoesqueleto é maioritariamente composto por microtúbulos, neurofilamentos e várias proteínas, tais como a actina, a espectrina e a aducina. Os tetrâmeros de espectrina atuam como ‘espaçadores’ dos anéis de actina, os quais se encontram periodicamente dispostos ao longo do eixo axonal. A aducina, localizada na extremidade dos filamentos de actina nos quais ocorre a sua polimerização, é uma proteína codificada por três genes semelhantes, alfa (α), beta (β) e gama (γ). Resultados previamente publicados demonstraram o importante papel que a aducina assume na estabilização do diâmetro dos anéis de actina. Foi também provado que a ausência do gene da α-aducina (Add1) provoca o alargamento do nervo ótico e consequente degenerescência. No entanto, o efeito desta proteína na fisiologia e estrutura da retina nunca foi analisado. Assim, o presente estudo teve como objetivo a avaliação do papel da α-aducina na função e estrutura da retina. Murganhos KO para a α-aducina foram obtidos a partir de casais reprodutores heterozigóticos. Cem dias após o seu nascimento, os animais wild type (WT) e knock-out (KO) foram submetidos às técnicas de eletrorretinografia (ERG) e tomografia de coerência ótica (OCT; do inglês, optical coherence tomography) por forma a avaliar a função e estrutura da retina, respetivamente. A presença de opacidades na lente dos animais KO impediu a observação da estrutura da retina, a partir da técnica de OCT.Relativamente à técnica de ERG, foram analisadas as respostas sob condições de escuro e de luz. Na resposta escotópica, a ausência da α-aducina resultou num aumento significativo (até 25%) do tempo de latência da onda-a. As fases da onda fundamental e da primeira harmónica também estavam significativamente aumentadas no teste flicker fotópico. No mesmo ponto temporal, foram observadas alterações estruturais em 26% da extensão da retina. Comparativamente aos WT, os animais KO apresentaram: (i) uma maior densidade das células ganglionares e amácrinas, (ii) um aumento do comprimento e morfologia invulgar das células bipolares, (iii) células horizontais com diferentes orientações e morfologias, (iv) uma aparente desorganização dos cones, (v) uma maior densidade e reatividade das células da microglia. Estas características tornaram-se ainda mais evidentes nas áreas em que se observaram alterações estruturais. Todavia, não foi detetada morte celular, pelo mecanismo de apoptose.Sumariamente, pela primeira vez, demonstrámos que a ausência da α-aducina induz alterações estruturais evidentes na retina, nomeadamente na morfologia de algumas células, sendo a função da retina apenas subtilmente afetada.Estudos posteriores serão importantes para avaliar o momento em que esta proteína afeta o desenvolvimento da retina, assim como explicar algumas características que ainda não permanecem claras.