Fate of the earliest retinal ganglion cells during development of the visual system

Tese de Doutoramento em MedicinaDuring development of the mammalian eye, the first retinal ganglion cells (RGCs) that extend to the brain are located in the dorsocentral retina, in the mouse, during mid-embryogenesis. These RGCs extend to either ipsilateral or contralateral targets, but the ipsilateral projections from the central retina do not survive into postnatal periods. The function and means of disappearance of the transient ipsilateral projection are not known. We have followed the course of this transient early ipsilateral RGC cohort, paying attention to how far they extend, whether they enter target regions in the brain and if so, which ones, and the time course of their disappearance. Several different techniques were tested for labeling the axonal projection from the central retina. While the use of a viral vector and a conditional Brn3b knock-out mouse presented difficulties in specifc labeling of RGCs and of ipsi- or contralateral projections, respectively, both the application of the lipophilic tracer DiI and in utero electroporation of GFP into central retina allowed the analysis of the growth and position of the ipsilateral and contralateral retinal projections. The proportion of ipsi- versus contralateral projections was calculated at E13.5 and 15.5 using DiI. In utero electroporation of E12.5 retina with GFP constructs was used to label axons prospectively into postnatal ages. Our results show that the earliest ipsilateral axons are segregated from the laterally-positioned contralateral axons in the optic tract. In agreement with previous reports, we found that the number of central retina ipsilateral RGCs declines after E16.5. Nonetheless, some ipsilateral axons from the central retina enter the superior colliculus (SC) and arborize minimally, but very few enter the dorsal lateral geniculate nucleus (dLGN). To understand whether caspases are involved in the disappearance of the ipsilateral projection from the central retina, immunohistochemistry experiments were performed but without conclusive results. To identify candidate genes expressed in ipsilateral vs contralateral RGC axons in the central retina at E13.5, a technique that combines retrograde labeling with DiI, applied retrogradely, with immunohistochemistry was developed. To date, no molecular marker was found that selectively labeled the transient ipsilaterally-projecting RGC axons from central retina. The results of this work and the methods developed will be useful to better understand the elimination of transient axonal projections, and their role in establishing neuronal circuits.Durante o desenvolvimento do olho, as primeiras células ganglionares da retina (CGR) que se extendem para o cérebro estão localizadas na retina dorsocentral dos murganhos. Apesar destas CGR projetarem tanto para alvos ipsilaterais como contralaterais, a projeção ipsilateral da retina central não sobrevive para o período pós-natal. A função e o contexto do desaparecimento da projeção transitória ipsilateral é desconhecida. Nesta tese, seguimos o percurso desta coorte de CGR transitória ipsilaterais, atendendo à sua extensão, a invasão de alvos, e desaparecimento. Foram testadas diferentes técnicas de marcação de projeções axonais da retina central. O uso de vetores víricos e de murganhos destituídos do gene Brn3b não marcou seletivamente uma coorte de CGR na retina central, enquanto as experiências com DiI e electroporação in utero da proteína fluorescente verde (PFV) permitiram a análise da projeção ipsilateral e contralateral da retina central, esta última de forma prospetiva. A proporção da projeção ipsi- vs contralateral marcada com DiI diminui do dia de gestação embrionária E13.5 ao E15.5. As experiências com DiI mostraram também a segregação lateral dos primeiros axónios ipsilaterais no trato óptico. A electroporação in utero de um plasmídeo de PFV foi usada para marcar os axónios em estadios temporais consecutivos até idades pósnatais. Em concordância com estudos anteriores verificámos um declínio acentuado do número de CGR ipsilaterais da retina central após E16.5. No entanto, alguns axónios ipsilaterais da retina central invadem o colículo superior e arborizam minimamente, com poucos axónios invadindo a componente dorsal do núcleo geniculado lateral com ramificações curtas. Para compreender se o desaparecimento da projeção ipsilateral da retina central está relacionada com a expressão axonal de caspases, foram realizadas análises imunohistoquímicas que não revelaram resultados conclusivos. Para testar a expressão diferencial de ‘genes candidatos’ nas CGR da retina central a E13.5, foi desenvolvida uma técnica que combina o uso do marcador biofílico DiI com imunohistoquímica. No entanto com esta técnica e em estudos anteriores não foram identificados marcadores moleculares que identifiquem exclusivamente a projeção transitória ipsilateral da retina central. Os resultados desta tese e os métodos desenvolvidos nela serão úteis para uma melhor compreensão da eliminação de projeções axonais transitórias com o objetivo final de compreender melhor a formação de circuitos neuronais.The work on this thesis was supported by NIH R01 EY012736 and P30 EY019007 (Carol Mason); and the Portuguese Foundation for Science and Technology fellowship SFRH/BD/74926/2010, Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT, Portugal)/ European Regional Development Fund (FEDER) for the PhD scholarship and the Portuguese North Regional Operational Program (ON.2 SR&TD Integrated Program – NORTE-07-0124-FEDER-000021) under the National Strategic Reference Framework (QREN), through the FEDER); the Luso-American Development Foundation, and the MD-PhD Program, University of Minho