Unveiling the role of FAIM in the retina: Characterization of the neurodegenerative and functional alterations of a FAIM knockout mouse model and associated molecular mechanisms

Abstract

Fas Apoptotic Inhibitory Molecule (FAIM) va ser descrita per primer cop com un antagonista de receptors de mort i un regulador de l’apoptosi. Tot i això, durant els últims anys se li ha atribuït nous rols com la modulació de la ubiqüitinació i la prevenció de l’agregació proteica. El gen de Faim codifica per dues isoformes FAIM-short (FAIM-S) i FAIM-long (FAIM-L), i les dues tenen funcions neuronals rellevants. Tot i que FAIM-S s’expressa de forma ubiqua, està específicament involucrat en funcions neuronals com el creixement neurític, però no confereix protecció a les neurones davant d’estímuls apoptòtics. D’altra banda, FAIM-L s’expressa de forma exclusiva en neurones i sí que atorga protecció contra l’apoptosi. A més a més, FAIM-L també està involucrada en funcions no-apoptòtiques com la plasticitat sinàptica. De forma rellevant, s’ha descrit com els nivell proteics de FAIM-L estan reduïts en pacients i models murins de la malaltia d’Alzheimer abans de l’inici de la neurodegeneració, i l’expressió gènica de Faim està disminuïda en models murins de neurodegeneració retiniana. Curiosament, dades preliminars obtinguts amb eines bioinformàtics van determinar que l’expressió de Faim està particularment enriquida a la retina abans que qualsevol altre teixit, i com correlaciona de forma significativa amb gens de fototransducció. Tot i això, fins el dia d’avui pocs estudis han adreçat el rol de Faim in vivo al sistema nerviós central, i cap s’ha centrat en la retina. Per tal d’estudiar una possible implicació de FAIM a la retina vam explorar-la de forma histològica i funcional en ratolins knockout per a Faim (Faim KO) a diferents edats. En la present tesis descrivim com una depleció de Faim genera una neurodegeneració retiniana i un mal funcionament de la retina, i com les retines Faim KO presenten acumulació d’agregats d’ubiqüitina des d’edats primerenques, gliosis i vessament vascular, alteracions que empitjoren amb l’edat. A més d’aquests resultats, també vam trobar una reducció en l’activitat funcional de cèl·lules fotoreceptores, bipolars i ganglionars de la retina en anàlisis d’electrorretinografia en comparació amb animals silvestres. Sorprenentment, també vam trobar els ratolins Faim KO pateixen un greu retard en l’adaptació a la foscor, la qual pot ser causada per una funció o localització alterada de les proteïnes involucrades en aquest mecanisme com l’Arrestina-1. En aquesta tesi, reportem com la translocació de l’Arrestina-1 a través dels segments dels fotoreceptors arran d’un estímul lumínic és deficient en animals Faim KO. A més a més, el mecanisme de redistribució de l’Arrestina podria ser depenent d’ubiqüitinació. Aquesta modificació posttransduccional està significativament reduïda en la presència de FAIM in vitro, indicant que la regulació de l’adaptació a la foscor de FAIM podria ser a través del seu rol en el mecanisme de translocació de l’Arrestina-1. Aquests resultats suggereixen que FAIM és important pel manteniment de la proteostasis i del correcte funcionament de la retina, i d’aquesta manera revelem noves funcions de Faim en un teixit en el qual no havia set explorat. En conclusió, en aquesta tesi descrivim com l’absència de FAIM comporta unes alteracions histopatològiques que probablement són responsables pels dèficits funcionals que hi hem trobat, tals com el retard en l’adaptació a la foscor des d’edats primerenques i la disminució en activitat elèctrica de les cèl·lules de la retina a edats avançades. Aquestes alteracions són característiques de malalties de la retina genètiques o causades per l’edat, tals com la retinosis pigmentària, la retinopatia diabètica i la degeneració macular associada a l’edat. Així doncs, la investigació de FAIM en la retina podria ser decisiva per desemmascarar els mecanismes moleculars d’aquestes malalties.

Fas Apoptotic Inhibitory Molecule (FAIM) fue descrita por primera vez como un antagonista de receptores de muerte y un regulador de la apoptosis. Sin embargo, durante los últimos años se le ha atribuido nuevos roles como la modulación de la ubicuitinación y la prevención de la agregación proteica. El gen de Faim codifica por dos isoformas FAIM-short (FAIM-S) y FAIM-long (FAIM-L), y ambas tienen funciones neuronales relevantes. Aunque FAIM-S se expresa de forma ubicua, está específicamente involucrado en funciones neuronales como el crecimiento neurítico, pero no confiere protección a las neuronas frente a estímulos apoptóticos. Por su parte, FAIM-L se expresa de forma exclusiva en neuronas y sí otorga protección contra la apoptosis. Además, FAIM-L también está involucrada en funciones no apoptóticas como la plasticidad sináptica. De forma relevante, se ha descrito cómo los niveles proteicos de FAIM-L están reducidos en pacientes y modelos murinos de la enfermedad de Alzheimer antes del inicio de la neurodegeneración, y la expresión génica de Faim está disminuida en modelos murinos de neurodegeneración retiniana. Curiosamente, datos preliminares obtenidos con herramientas bioinformáticos determinaron que la expresión de Faim está particularmente enriquecida en la retina antes que cualquier otro tejido, y cómo correlaciona de forma significativa con genes de fototransducción. Sin embargo, hasta el día de hoy pocos estudios han dirigido el rol de Faim in vivo en el sistema nervioso central, y ninguno se ha centrado en la retina. Para estudiar una posible implicación de FAIM en la retina la exploramos de forma histológica y funcional en ratones knockout para Faim (Faim KO) a diferentes edades. En la presente tesis describimos cómo una depleción de Faim genera una neurodegeneración retiniana y un mal funcionamiento de la retina, y cómo las retinas Faim KO presentan acumulación de agregados de ubicuitina desde edades tempranas, gliosis y derrame vascular, alteraciones que empeoran con la edad. Además de estos resultados, también encontramos una reducción en la actividad funcional de células fotorreceptoras, bipolares y ganglionares de la retina en análisis de electrorretinografía en comparación con animales silvestres. Sorprendentemente, también encontramos a los ratones Faim KO sufren un grave retraso en la adaptación a la oscuridad, la cual puede ser causada por una función o localización alterada de las proteínas involucradas en este mecanismo como la Arrestina-1. En esta tesis, reportamos cómo la translocación de Arrestina-1 a través de los segmentos de los fotorreceptores a raíz de un estímulo lumínico es deficiente en animales Faim KO. Además, el mecanismo de redistribución de Arrestina podría ser dependiente de ubicuitinación. Esta modificación posttransduccional está significativamente reducida en la presencia de FAIM in vitro, indicando que la regulación de la adaptación a la oscuridad de FAIM podría ser a través de su rol en el mecanismo de translocación de Arrestina-1. Estos resultados sugieren que FAIM es importante para el mantenimiento de la proteostasis y del correcto funcionamiento de la retina, revelando así nuevas funciones de Faim en un tejido en el que no había sido explorado. En conclusión, en esta tesis describimos cómo la ausencia de FAIM comporta unas alteraciones histopatológicas que probablemente son responsables por los déficits funcionales que hemos encontrado, tales como el retraso en la adaptación a la oscuridad desde edades tempranas y la disminución en actividad eléctrica de las células de la retina a edades avanzadas. Estas alteraciones son características de enfermedades de la retina genéticas o causadas por la edad, tales como retinosis pigmentaria, retinopatía diabética y degeneración macular asociada a la edad. Así, la investigación de FAIM en la retina podría ser decisiva para desenmascarar los mecanismos moleculares de estas enfermedades.

Fas Apoptotic Inhibitory Molecule protein (FAIM) was first described as a death-receptor antagonist and an apoptosis regulator. However, new roles like ubiquitin modulation and prevention of protein aggregation have been described over the past years. The Faim gene encodes two isoforms, namely FAIM-short (FAIM-S) and FAIM-long (FAIM-L), and both isoforms hold significant neuronal functions. Although FAIM-S is ubiquitously expressed, it is specifically involved in neuronal roles like neurite outgrowth. However, it does not protect neurons from apoptosis. FAIM-L, on the other hand, is exclusively expressed in neurons and it does confer protection against apoptosis. Moreover, FAIM-L is also involved in non-apoptotic functions, such as synaptic plasticity. Interestingly, FAIM-L protein levels are downregulated in patients and mouse models of Alzheimer’s disease before the onset of neurodegeneration, and Faim gene levels are decreased in mouse models of retinal degeneration. Surprisingly, preliminary bioinformatic data determined how the expression of Faim is greatly enriched in the retina among every other tissue and is heavily correlated with phototransduction. However, to this date few studies had addressed the role of FAIM in vivo in the central nervous system, yet alone the retina. To study a possible implication of FAIM in the retina we explored histologically and functionally this tissue in Faim knockout (Faim KO) mice at different ages. Here, we describe that a Faim depletion in mice leads to retinal neurodegeneration and malfunction, and that Faim KO retinas present accumulation of ubiquitin aggregates from early ages, gliosis and vascular leakage, alterations that are exacerbated with age. Together with these results, we also found a decrease in the functional activity of photoreceptor, bipolar and retinal ganglion cells in electroretinogram analyses in comparison to wildtype mice. Surprisingly, we also found that Faim KO mice present a delay in dark adaptation, which can be caused by a detrimental function or localization of proteins involved in this mechanism, like Arrestin-1. In here, we report that Arrestin-1 translocation through photoreceptor segments upon light reception is impaired in Faim KO mice. Moreover, the redistribution mechanism of Arrestin-1 translocation could rely on Arrestin-1 ubiquitination, a post-translational modification that is significantly reduced in the presence of FAIM in vitro, indicating that FAIM regulation of dark adaptation could be dependent on its role on Arrestin-1 translocation. These results suggest that FAIM is an important player in the maintenance of proteostasis and correct phototransduction in the retina, as we unravel novel functions for FAIM in this previously unexplored tissue. In summary, in the present thesis we describe how the absence of FAIM leads to histopathological alterations that are probably responsible for the functional deficits we found, namely the dark adaptation delay from early ages, and the decreased activity of retinal cells at late ages. Remarkably, the alterations we report are also features of multiple inherited and age-related retinal diseases, such as retinitis pigmentosa, diabetic retinopathy and age-related macular degeneration. Therefore, this supports the notion that further research on FAIM in the retina could be a turning point to unveil the molecular mechanisms of these diseases.