The disposal phase of the retinal rod outer segment renewal process has been studied by radioautography in adult frogs injected with tritiated amino acids. Shortly after injection, newly formed radioactive protein is incorporated into disc membranes which are assembled at the base of the rod outer segment. During the following 2 months, these labeled discs are progressively displaced along the outer segment owing to the repeated formation of newer discs. When the labeled membranes reach the end of the outer segment, they are detached from it. They subsequently may be identified in inclusion bodies within the pigment epithelium by virtue of their content of radioactivity. These inclusions have been termed phagosomes. Disc membrane formation is a continuous process, but the detachment of groups of discs occurs intermittently. The detached outer segment fragments become deformed, compacted, undergo chemical changes, and are displaced within the pigment epithelium. Ultimately, the material contained in the phagosomes is eliminated from the cell. In this manner the pigment epithelium participates actively in the disposal phase of the rod outer segment renewal process.

Vitamin A has diverse biological functions. It is transported in the blood as a complex with retinol binding protein (RBP), but the molecular mechanism by which vitamin A is absorbed by cells from the vitamin A-RBP complex is not clearly understood. We identified in bovine retinal pigment epithelium cells STRA6, a multitransmembrane domain protein, as a specific membrane receptor for RBP. STRA6 binds to RBP with high affinity and has robust vitamin A uptake activity from the vitamin A-RBP complex. It is widely expressed in embryonic development and in adult organ systems. The RBP receptor represents a major physiological mediator of cellular vitamin A uptake.

Visual cell outer segment renewal was studied in eyes of mutant Royal College of Surgeons (RCS) and Sprague-Dawley (control) rats by a combination of microscopy and radioautography with the light and electron microscopes. RCS and control rats were injected with amino acids-(3)H at 11 days of age. Radioactive rod outer segment discs were assembled at the outer segment base from radioactive proteins synthesized in the rod inner segments. In controls, all radioactive discs assembled at 11 days of age were displaced the length of the outer segments, removed from outer segment tips, and phagocytized by the pigment epithelium by 8 days after injection. In the RCS rats, disc assembly and displacement resembled controls for the first 3 days after injection. However, as disc assembly continued for some time thereafter, a layer of labeled, disorganized, lamellar debris accumulated between the outer segment tips and the pigment epithelium. The buildup of debris was accompanied by visual cell death. At no time during the study was there evidence for phagocytic activity by the pigment epithelium. 61 days after injection, the layer of debris was the only heavily radioactive component in the retina. In the retina of RCS rats, the outer segment renewal mechanism malfunctions because the pigment epithelium does not fulfill its normal phagocytic role. The end result is visual cell death and blindness.

The eye is an intricate organ with limited representation in large-scale functional genomics datasets. The retinal pigment epithelium (RPE) serves vital roles in ocular development and retinal homeostasis. We interrogated the genetics of gene expression of cultured human fetal RPE (fRPE) cells under two metabolic conditions. Genes with disproportionately high fRPE expression are enriched for genes related to inherited ocular diseases. Variants near these fRPE-selective genes explain a larger fraction of risk for both age-related macular degeneration (AMD) and myopia than variants near genes enriched in 53 other human tissues. Increased mitochondrial oxidation of glutamine by fRPE promoted expression of lipid synthesis genes implicated in AMD. Expression and splice quantitative trait loci (e/sQTL) analysis revealed shared and metabolic condition-specific loci of each type and several eQTL not previously described in any tissue. Fine mapping of fRPE e/sQTL across AMD and myopia genome-wide association data suggests new candidate genes, and mechanisms by which the same common variant of RDH5 contributes to both increased AMD risk and decreased myopia risk. Our study highlights the unique transcriptomic characteristics of fRPE and provides a resource to connect e/sQTL in a critical ocular cell type to monogenic and complex eye disorders.

ABSTRACT Ciliary neurotrophic factor (CNTF) acts as a potent neuroprotective cytokine in multiple models of retinal degeneration. To understand mechanisms underlying its broad neuroprotective effects, we have investigated the influence of CNTF on metabolism in a mouse model of photoreceptor degeneration. CNTF treatment improves the morphology of photoreceptor mitochondria, but also leads to reduced oxygen consumption and suppressed respiratory chain activities. Molecular analyses show elevated glycolytic pathway gene transcripts and active enzymes. Metabolomics analyses detect significantly higher levels of ATP and the energy currency phosphocreatine, elevated glycolytic pathway metabolites, increased TCA cycle metabolites, lipid biosynthetic pathway intermediates, nucleotides, and amino acids. Moreover, CNTF treatment restores the key antioxidant glutathione to the wild type level. Therefore, CNTF significantly impacts the metabolic status of degenerating retinas by promoting aerobic glycolysis and augmenting anabolic activities. These findings reveal cellular mechanisms underlying enhanced neuronal viability and suggest potential therapies for treating retinal degeneration.