Peroxisomale β-oxidatie is essentieel voor de integriteit van de retina: evidentie door multifunctioneel proteïne 2 knockout muizen

Peroxisomen zijn multifunctionele organellen, die in bijna elke eukaryote cel aanwezig zijn. Peroxisomale dysfunctie geeft aanleiding tot levensbedreigende ziekten. Zo vertonen patiënten met mutaties in het centrale enzym van de peroxisomale β-oxidatie, multifunctioneel proteïne 2 (MFP2), een divers ziektebeeld. In het ergste geval treedt er multi-orgaan falen op en hebben de patiënten een levensverwachting van minder dan één jaar. Het is intrigerend dat deze patiënten heel vaak retinopathie ontwikkelen, zelfs diegenen met een mild ziekteverloop. Tot op de dag van vandaag werd weinig onderzoek geleverd naar de rol van peroxisomen in de retina en zijn de onderliggende mechanismen van de ziekteprocessen nog niet gekend.

Om inzicht te vergaren in de normale fysiologische functie van de peroxisomen, hebben we eerst de distributie van peroxisomen en proteïnen die betrokken zijn in het peroxisomaal lipidenmetabolisme bestudeerd in de retina van wildtype muizen. In lijn met eerdere observaties toonden we de aanwezigheid van de peroxisomen aan in bijna elke laag van de retina. Een nieuwe bevinding was dat de peroxisomale lipidenmetaboliserende proteïnen een differentiële distributie vertoonden in de neurale retina en het retinaal pigment epitheel (RPE). Dit suggereert dat het peroxisomaal lipidenmetabolisme, inclusief peroxisomale β-oxidatie, een specifieke rol speelt in de verschillende cellen van de retina.

Ten tweede hebben we de rol van de peroxisomale β-oxidatie in de retina bestudeerd. Vermits het betrokken is in het metabolisme van zeer lange keten (VLCFAs) en poly-onverzadigde (PUFAs) vetzuren, vermoeden we dat de peroxisomale β-oxidatie noodzakelijk is voor de PUFA-homeostase van de retina. De retina bevat namelijk een grote hoeveelheid van het n-3 poly-onverzadigde vetzuur docosahexaeenzuur (DHA, C22:6n-3), dat zich voornamelijk situeert in de buitenste segmenten van de fotoreceptoren. In deze buitenste segmenten komen ook relatief veel zeer lange keten poly-onverzadigde vetzuren voor die meer dan 30 koolstofatomen bevatten. Het is bovendien ook in andere ziekten en modellen aangetoond dat een verstoring van de PUFA-homeostase aanleiding geeft tot ernstige retinale schade.

Om dit te bestuderen, hebben we het retinaal fenotype van muizen met een algemene MFP2 deficiëntie (Mfp2-/- muizen) diepgaand onderzocht. Deze muizen vertoonden een verminderde retinale functie en een achteruitgang van de gezichtsscherpte. Bovendien observeerden we een tweeledig fenotype, waarbij zowel de fotoreceptoren als de RPE-cellen sterk aangetast waren. Enerzijds veroorzaakte de MFP2 deficiëntie een verstoorde ontwikkeling van de fotoreceptoren, dat resulteerde in verkorte binnenste en buitenste segmenten, maar met een verrassend normale ultrastructuur. Tegelijk met deze morfologische abnormaliteit, vertoonden de Mfp2-/- retina’s sterke veranderingen in genexpressie en in het lipidenprofiel, dat gekarakteriseerd werd door een zeer sterke daling in DHA-bevattende fosfolipiden. Hoewel we niet kunnen uitsluiten dat deze daling veroorzaakt wordt door een lokaal defect in de peroxisomale β-oxidatie, vonden we dat een verstoorde systemische aanvoer en retinaal transport van DHA een belangrijk aandeel hadden. Daarenboven vertoonden de VLC-PUFAs een eigenaardig profiel, met de accumulatie van de VLC-PUFAs met ≥34 koolstofatomen. Dit suggereert dat er een oncontroleerbare elongatie is van de retinale PUFAs. Anderzijds vonden we een degeneratieve component in het fenotype van de Mfp2-/- muizen, met een progressief verlies van de fotoreceptoren en achteruitgang van de RPE-cellen. Dit laatste werd gekenmerkt door invasie van de RPE-cellen in de buitenste segmenten van de fotoreceptoren en het verlies van hun normale, hexagonale morfologie. Daarenboven vertoonden de MFP2 deficiënte RPE-cellen een progressieve achteruitgang van hun ultrastructuur en een verlies van de proteïnen betrokken in de visuele cyclus. We concluderen dat de RPE-cellen een soort van dedifferentiatie ondergaan.

In conclusie, we toonden aan dat normale peroxisomale β-oxidatie onmisbaar is voor de integriteit van de retina. Bovendien heeft dit onderzoek de basis gelegd voor toekomstige mechanistische studies, waarbij het retinaal fenotype van de MFP2 deficiënte muizen als startpunt kan fungeren. Het is namelijk essentieel om te onderzoeken hoe het verstoorde lipidenprofiel het fenotype beïnvloedt en welke cellen aan de grondslag liggen van de pathologie. Inzicht verwerven in het ontstaansmechanisme van de retinopathie zal hopelijk aanleiding geven tot de ontwikkeling van therapieën.