Φυσιολογικός ρόλος του εναλλακτικού ματίσματος του υποδοχέα NMDA στο οπτικό σύστημα

Abstract

Purpose: The N-methyl-D-aspartate (NMDA) type of glutamate ionotropic receptor is a key molecule mediating plasticity related processes in the central nervous system. Visual system plasticity begins in the retina. During postnatal retinal development NMDA receptor has been shown to be involved in experience dependent plasticity such as the functional segregation of ON and OFF pathways. Development and visual deprivation have been found to affect the kinetics of NMDA receptor in rat retina and the expression of its main subunits NR1 and NR2. The NR1 fundamental subunit of NMDA receptor exists in eight distinct splice isoforms. Knowing that alternative splicing of the NR1 subunit offers a further molecular diversity to the receptor, we have addressed the question of whether the alternative splicing of NR1 subunit of the NMDA receptor is regulated during postnatal retinal development and whether this regulation is altered by visual experience. Methods: Retinas were dissected from eyes of Wistar rats raised either in normal 12-hour light/12-hour dark cycle [normal-reared (NR)], or in complete darkness [dark-reared (DR)] at postnatal days 9 to 60. Real-time PCR was performed in order to assess the mRNA expression of NR1 isoforms using oligonucleotide primers specific for N- terminal (NR1a, NR1b) and C-terminal splice variants (NR1-1, NR1-2, NR1-3, NR1-4). Results: The developmental profiles of mRNA expression levels of both N- and C-terminal NR1 isoforms showed differential increases during the second and third postnatal weeks, while their expression peaked at the end of the third week. Among N-terminal isoforms NR1b was constantly expressed at higher levels compared to NR1a and among the C-terminal isoforms, NR1-2 was expressed at higher levels than NR1-4, while both NR1-1 and NR1-3 were expressed at low levels. Dark-rearing led to reductions in both N- and C-terminal NR1 variants in several developmental ages and in adult retina. A significant age and experience interaction was observed at NR1a N-terminal isoform, and at the most abundant C-terminal isoforms NR1-2 and NR1-4. Conclusions: Our results have demonstrated that all NR1 splice isoforms are developmentally regulated in rat retina and some of them (NR1a, NR1-2 and NR1-4) are also bidirectionally regulated by age and visual experience. Such changes may play an important role in the plastic and activity-dependent events taking place in retina.

Στόχος: Ο υποδοχέας του γλουταμινικού οξέος ΝMDA (N-methyl-D-aspartate), αποτελεί μόριο-κλειδί που διαμεσολαβεί πολλούς τύπους συναπτικής πλαστικότητας στο κεντρικό νευρικό σύστημα. Στο οπτικό σύστημα η πλαστικότητα ξεκινά στο επίπεδο του αμφιβληστοειδούς χιτώνα. Κατά την ανάπτυξη του αμφιβληστροειδούς οι υποδοχείς NMDA συμμετέχουν σε φαινόμενα πλαστικότητας εξαρτώμενα από την εμπειρία όπως ο λειτουργικός διαχωρισμός των ON και OFF μονοπατιών. Η ανάπτυξη και η οπτική αποστέρηση επηρεάζουν επίσης τις ηλεκτροφυσιολογικές ιδιότητες των υποδοχέων NMDA στον αμφιβληστροειδή του επίμυος καθώς και την έκφραση των υπομονάδων του NR1 και NR2. Η βασική υπομονάδα NR1 υφίσταται εναλλακτικό μάτισμα με αποτέλεσμα να εμφανίζεται σε οκτώ διαφορετικές ισομορφές που προσδίδουν μοριακή ποικιλότητα στον υποδοχέα. Το ερώτημα που ετέθη ήταν εάν η έκφραση των ισομορφών της υπομονάδας NR1 ρυθμίζεται κατά την ανάπτυξη του αμφιβληστροειδούς χιτώνα του επίμυος και εάν μεταβάλλεται από την οπτική εμπειρία. Μέθοδος: Χρησιμοποιήθηκαν αμφιβληστροειδείς επίμυων (Wistar) που μεγάλωσαν είτε σε φυσιολογικό ημερήσιο κύκλο 12 ώρες φως/12 ώρες σκοτάδι [normal-reared (NR)], είτε σε διαρκές σκοτάδι [dark-reared (DR)] από την 9η έως την 60η ημέρα μετά τη γέννηση. Η μελέτη της έκφρασης των ισομορφών του αμινοτελικού (NR1a, NR1b) και του καρβοξυτελικού (NR1-1, NR1-2, NR1-3, NR1-4) άκρου της υπομονάδας NR1 έγινε με τη μέθοδο της real-time PCR. Αποτελέσματα: Το αναπτυξιακό προφίλ όλων των ισομορφών εμφάνισε διαφορετική αύξηση κατά τη διάρκεια της δεύτερης και τρίτης εβδομάδας, με μέγιστη έκφραση στο τέλος της τρίτης εβδομάδας. Μεταξύ των ισομορφών του αμινοτελικού άκρου, η NR1b εκφραζόταν σταθερά σε υψηλότερα επίπεδα σε σχέση με την NR1a, ενώ μεταξύ των ισομορφών του καρβοξυτελικού άκρου, η NR1-2 εκφραζόταν σε υψηλότερα επίπεδα από την NR1-4, ενώ τόσο η NR1-1 όσο και η NR1-3 εκφράζονταν σε χαμηλά επίπεδα. Η ανάπτυξη στο σκοτάδι μείωσε την έκφραση όλων των ισομορφών σε πολλά αναπτυξιακά στάδια και στο ενήλικο ζώο. Σημαντική αλληλεπίδραση μεταξύ ηλικίας και οπτικής εμπειρίας προέκυψε για τις ισομορφές NR1a, NR1-2 και NR1-4. Συμπεράσματα: Η έκφραση όλων των ισομορφών της υπομονάδας NR1 μεταβάλλεται κατά την ανάπτυξη του αμφιβληστροειδούς του επίμυος, ενώ ορισμένες (NR1a, NR1-2 and NR1-4) ρυθμίζονται τόσο από την ηλικία όσο και από την οπτική εμπειρία. Τέτοιες μεταβολές μπορεί να παίζουν σημαντικό ρόλο σε φαινόμενα πλαστικότητας που λαμβάνουν χώρα στον αμφιβληστροειδή χιτώνα.