Glaucoma and optic neuropathies cause progressive and irreversible degeneration of retinal ganglion cells (RGCs) and the optic nerve and are currently without any effective treatment. Previous research into cell replacement therapy of these neurodegenerative diseases has been stalled due to the limited capability for grafted RGCs to integrate into the retina and project properly along the long visual pathway to reach their brain targets. In vivo RGC regeneration would be a promising alternative approach but mammalian retinas lack regenerative capacity even though cold-blood vertebrates such as zebrafish have the full capacity to regenerate a damaged retina using Muller glia (MG) as retinal stem cells. Nevertheless, mammalian MG undergo limited neurogenesis when stimulated by retinal injury. Therefore, a fundamental question that remains to be answered is whether MG can be induced to efficiently regenerate functional RGCs for vision restoration in mammals. Here we show that without stimulating proliferation, the transcription factor (TF) Math5 together with a Brn3 TF family member are able to reprogram mature mouse MG into RGCs with exceedingly high efficiency while either alone has no or limited capacity. The reprogrammed RGCs extend long axons that make appropriate intra-retinal and extra-retinal projections through the entire visual pathway including the optic nerve, optic chiasm and optic tract to innervate both image-forming and non-image-forming brain targets. They exhibit typical neuronal electrophysiological properties and improve visual responses in two glaucoma mouse models: Brn3b null mutant mice and mice with the optic nerve crushed (ONC). Together, our data provide evidence that mammalian MG can be reprogrammed by defined TFs to achieve robust in vivo regeneration of functional RGCs as well as a promising new therapeutic approach to restore vision to patients with glaucoma and other optic neuropathies.

Abstract Chimeric RNAs have been found in both cancer and healthy human cells. They have regulatory effects on human stem/progenitor cell differentiation, stemness maintenance and central nervous system (CNS) development. However, their physiological functions in the retinal development remain unknown. Based on the human embryonic stem cells (hESC)-derived retinal organoids (ROs) spanning from day 0 to day 120, we present the expression atlas of chimeric RNAs throughout the developing ROs. We confirmed the existence of some common chimeric RNAs and also discovered many novel chimeric RNAs during retinal development. We focused on CTNNBIP1-CLSTN1 (CTCL) whose downregulation causes precocious neuronal differentiation and a marked reduction of neural progenitors in human cerebral organoids. Our study found that CTCL also plays a key role in human retinogenesis, CTCL loss-of-function obstructed RO differentiation but prompted the retinal pigment epithelial (RPE) differentiation. Together, this work provides a landscape of chimeric RNAs and reveals evidence for their crucial roles in human retina development.

The tear drainage apparatus evolved in terrestrial animals serving as conduits for tear flow. Obstruction of tear drainage causes a range of ocular surface disorders. Hitherto, genetics of tear duct development and obstruction has been scarcely explored. Here we report that a severe Prickle 1 hypomorph mouse line exhibited epiphora. This phenotype was due to blockage of the tear drainage by the incompletely formed nasolacrimal duct (NLD) and lacrimal canaliculi (CL). Further analysis revealed that the precocious eyelid opening, previously observed in the same type of Prickle 1 mutants, is also caused by tear duct dysplasia. A comparison of wild type, the Prickle 1 hypomorph and null mutants revealed a dose-dependent requirement of Prickle 1 for tear duct outgrowth. As a key component of a set of six Wnt/PCP core proteins, Prickle 1 usually works together with other PCP components. An investigation of expression of Wnt/PCP core genes demonstrated three of the six PCP components in tear duct, supporting the notion of context-dependent organization of PCP protein complexes. Furthermore, expression of Fgfr2/Fgf10 and p63 genes, mutations of which are associated with NLD and CL hypoplasia in human, were not altered in Prickle 1 mutant mice. Lastly, we showed that Prickle 1 expression in developing tear drainage system is conserved between mouse and human despite anatomical differences. Altogether, the study uncovered how obstruction of the tear drainage could lead to a complex ocular surface disorder, which may have genetic implications in human ocular health.