The role of cugbp1 in the development of zebrafish lens

Abstract

The lens is a transparent tissue in the anterior of the eye and its main role is to refract light on the retina. The lens consists of two types of cells: epithelial cells and fibers. Epithelial cells surround the anterior and lateral limits of the lens, remain proliferative and at the equator of the lens they differentiate into lens fibers. In this process newly generated lens fibers elongate and gradually lose their organelles, enabling transparency. Cataracts are any opacification of the lens that compromises its ability to refract light onto the retina, and can be genetic or environmentally induced. Since it has been demonstrated that the zebrafish (Danio rerio) is an ideal organism to study human ocular disorders, this model system was utilized to study gene products that regulate normal lens development and that in pathological states contribute to cataracts. CUGBP1 is an mRNA binding protein that has been implicated in the multisystemic disease Myotonic Dystrophy 1 (DM1). DM1 is caused by a (CTG)n repeat expansion within the 3'UTR region of the DMPK gene. Its mechanism implies a toxic gain of function where expanded CUG mRNA repeats increase steady state levels of CUGBP1 protein among other effects. Patients with DM1 develop cataracts. So, it can be hypothesized that CUGBP1 disrupted expression in lenses from DM1 patients can be, at least, one of the causes that leads to cataracts in this disease. In situ hybridization results show that cugbp1 is expressed in the zebrafish lens at early embryonic development in newly formed lens fibers. Transgenic embryos expressing nuclear or membrane localized-EGFP under the control of a 1.2kb cugbp1 promoter further demonstrate its expression in the lens. Knocking down expression of cugbp1 with a splice-altering morpholino results in cataracts as early as 3dpf. Hence, the latter reveals that cugbp1 expression is a requirement for normal lens early development. In morphant embryos, lens fiber compaction is disturbed. In addition, these cells retain nuclei. Lens overall shape and size is also affected. Furthermore, the defective phenotype includes a general developmental delay, little mobility and dilated cardiomyopathy, symptoms that are also observed in DM1 patients. ____________________________________________________________________ El cristalino (lente del ojo) es un tejido transparente en la región anterior del ojo y su rol principal es refractar la luz sobre la retina. El cristalino está constituido por dos tipos de células: células epiteliales y fibras. Las células epiteliales rodean la parte anterior y los límites laterales de la lente del ojo, mantienen su capacidad de proliferación y en el ecuador del cristalino se diferencian para generar fibras. En este proceso, las fibras recién generadas se elongan y gradualmente pierden sus organelas, permitiendo así la transparencia. Las cataratas se refieren a cualquier opacificación del cristalino que comprometa su habilidad de refractar la luz hacia la retina y pueden ser inducidas por la genética o el ambiente. Debido a que se ha demostrado que el pez cebra (Danio rerio) es un organismo ideal para estudiar desordenes oculares humanos, este sistema modelo se utilizó para estudiar productos génicos que regulan el desarrollo normal de la lente y que en estados patológicos contribuyen a la aparición de cataratas. CUGBP1 es una proteína de unión a ARNm que ha sido implicada en la enfermedad multisistémica Distrofia Miotónica 1 (DM1). La DM1 es causada por la expansión de la repetición (CTG)n localizada en la región 3'UTR del gen DMPK. Su mecanismo implica una ganancia de función que es tóxica donde la expansión de las repeticiones CUG del ARNm estabilizan la proteína CUGBP1 provocando un aumento de sus niveles, entre otros efectos. Pacientes con DM1 desarrollan cataratas. Entonces, se puede plantear la hipótesis de que una expresión defectuosa de CUGBP1 en el cristalino de pacientes con DM1 puede ser, por lo menos, una de las causas que conllevan a la formación de cataratas en esta enfermedad. Resultados de ensayos de hibridación in situ muestran que cugbp1 se expresa en la lente del ojo del pez cebra durante el desarrollo embrionario temprano en fibras recién formadas. Embriones transgénicos que expresan la proteína verde fluorescente co-localizada en el núcleo o la membrana celular bajo el control de una región promotora de 1.2kb del gen cugbp1 evidencian aún más su expresión en el cristalino. El disminuir la expresión (knock down) de cugbp1 con un morfolino que altera el proceso de corte y empalme (splicing) resulta en la formación de cataratas a partir de los 3 días después de la fertilización. Por lo tanto, lo anterior revela que la expresión de cugbp1 es un requerimiento para el desarrollo temprano normal de la lente del ojo. En embriones inyectados con el morfolino, la compactación de las fibras del cristalino se ve perturbada. Además, estas células retienen el núcleo. La forma y el tamaño generales de la lente del ojo también se ven afectados. Asimismo, el fenotipo defectuoso incluye un retraso general en el desarrollo, poca movilidad y miocardiopatía dilatada, síntomas que también se observan en pacientes con DM1.