Somatic mitochondrial DNA (mtDNA) mutation accumulation has been observed in individuals with retinal degenerative disorders. To study the effects of aging and mtDNA mutation accumulation in the retina, a Polymerase gamma (POLG) deficiency model, the POLGD257A mutator mice (PolgD257A), was used. POLG is an enzyme responsible for regulating mtDNA replication and repair. Retinas of young and older mice with this mutation were analyzed in vivo and ex vivo to provide new insights into the contribution of age-related mitochondrial dysfunction due to mtDNA damage. Optical coherence tomography (OCT) image analysis revealed a decrease in retinal and photoreceptor thickness starting at 6 months of age in mice with the POLGD257A mutation compared to wild-type (WT) mice. Electroretinography (ERG) testing showed a significant decrease in all recorded responses at 6 months of age. Sections labeled with markers of different types of retinal cells, including cones, rods, and bipolar cells, exhibited decreased labeling starting at 6 months. However, electron microscopy analysis revealed differences in retinal pigment epithelium (RPE) mitochondria morphology beginning at 3 months. Interestingly, there was no increase in oxidative stress observed in the retina or RPE of POLGD257A mice. Additionally, POLGD257A RPE exhibited an accelerated rate of autofluorescence cytoplasmic granule formation and accumulation. Mitochondrial markers displayed decreased abundance in protein lysates obtained from retina and RPE samples. These findings suggest that the accumulation of mitochondrial DNA mutations leads to impaired mitochondrial function and accelerated aging, resulting in retinal degeneration.

Abstract Genetic disorders which present during development make treatment strategies particularly challenging because there is a need to disentangle primary pathophysiology from downstream dysfunction caused at key developmental stages. To provide a deeper insight into this question, we studied a mouse model of X-linked juvenile retinoschisis (XLRS), an early onset inherited condition caused by mutations in the RS1 gene encoding retinoschisin (RS1) and characterized by cystic retinal lesions and early visual deficits. Using an unbiased approach in expressing the fast intracellular calcium indicator GCaMP6f in neuronal, glial, and vascular cells of the retina of mice lacking RS1, we found that initial cyst formation is paralleled by the appearance of aberrant spontaneous neuro-glial signals as early as postnatal day 13. These presented as glutamate-driven wavelets of neuronal activity and sporadic radial bursts of activity by Müller glia, spanning all retinal layers and disrupting light-induced signaling. This study highlights a critical role for RS1 in early retinal development with a potential to disrupt circuit formation to central targets. Additionally, it confers a functional role to RS1 beyond the scope of an adhesion molecule and identifies an early onset for dysfunction, a potential temporal target for therapeutic intervention and diagnosis. Significance Statement/ Highlights Photoreceptor inner segments express Rs1 at P5, after which RS1 protein is detected in the inner segments by P9 and throughout the retina at later ages, with structural abnormalities observed by optical coherence tomography at P13 in Rs1 mutant mouse models. Aberrant glutamate-driven wavelets identified by GCaMP6f-based analyses are a novel pathophysiological feature of RS1 deficient mice that emerge after maximal RS1 expression. Müller glia display abnormal radial glutamate-driven coordinated and sporadic bursts of activity in RS1-deficient mice. These data identify a novel pathophysiological feature of RS1-deficient mice and define a window where treatments might be most effective. Graphical Abstract