Mutations in the solute-linked carrier family 4 member 11 (SLC4A11) gene are associated with congenital hereditary endothelial dystrophy (CHED), Fuchs endothelial corneal dystrophy and Harboyan syndrome, in all of which visually significant cornea edema may require corneal transplantation. However, the pathogenesis of SLC4A11-associated corneal endothelial dystrophies remains to be elucidated. Recent evidence suggested cellular respiration reprogramming and mitochondrial oxidative stress in SLC4A11-deficient corneal endothelium. Given the complexity of cellular metabolic regulation and its cell type specific impact on cellular physiology, we systemically analyzed the transcriptome of SLC4A11 knock-down primary human corneal endothelium (SLC4A11 KD pHCEnC) and corneal endothelial cells derived from Slc4a11-/- mice (Slc4a11-/- MCEnC) to provide a comprehensive characterization of the transcriptome profile changes resulting from loss of SLC4A11. To identify the conserved molecular mechanisms that lead to cornea endothelial dysfunction in both the human and murine models, we performed comparative transcriptomic analysis. Our analysis identified inhibition of cell metabolism and ion transport function as well as mitochondria dysfunction as shared between SLC4A11 KD pHCEnC and Slc4a11-/- MCEnC. Functional analysis confirmed the absence of SLC4A11-mediated NH4Cl-induced membrane depolarization in Slc4a11-/- MCEnC. Transcriptome of SLC4A11 KD pHCEnC and Slc4a11-/- MCEnC identified downregulation of Na+-HCO3- transporter (NBCe1, SLC4A4), a key player in corneal endothelial ″pump″ function, and upregulation of Syntaxin 17 (STX17), an initiator of mitophagy. NBCe1 and STX17 were further analyzed in Slc4a11-/- MCEnC for functional impact and in SLC4A11 KD pHCEnC and corneal endothelium from individuals with CHED for protein expression, all showed consistent changes with transcriptome. CHED corneal endothelium also showed decreased immunostaining intensity for mitochondria markers suggesting decreased mitochondira density . In SLC4A11 KD pHCEnC and Slc4a11-/- MCEnC, steady state ATP depletion and ATP sensing AMPK-p53 pathway activation were observed, consistent with the prediction using transcriptome data that transcriptional factor p53 were responsible for the transcriptomic changes. These findings suggest that insufficient energy fueling the corneal endothelial 'pump', as a result of metabolic inhibition and failing mitochondria, is the direct cause of clinical phenotype of corneal edema in SLC4A11-associated corneal endothelial dystrophies.

The zinc finger e-box binding homeobox 1 (ZEB1) transcription factor is a master regulator of the epithelial to mesenchymal transition (EMT), and of the reverse mesenchymal to epithelial transition (MET) processes. ZEB1 plays an integral role in mediating cell state transitions during cell lineage specification, wound healing and disease. EMT/MET are characterized by distinct changes in molecular and cellular phenotype that are generally context-independent. Posterior polymorphous corneal dystrophy (PPCD), associated with ZEB1 insufficiency, provides a new biological context in which to understand and evaluate the classic EMT/MET paradigm. PPCD is characterized by a cadherin-switch and transition to an epithelial-like transcriptomic and cellular phenotype, which we study in a cell-based model of PPCD generated using CRISPR-Cas9-mediated ZEB1 knockout in corneal endothelial cells (CEnCs). Transcriptomic and functional studies support the hypothesis that CEnC undergo a MET-like transition in PPCD, termed endothelial to epithelial transition (EnET), and lead to the conclusion that EnET may be considered a corollary to the classic EMT/MET paradigm.

The advent of cell culture-based methods for the establishment and expansion of human corneal endothelial cells (CEnC) has provided a source of transplantable corneal endothelium, with a significant potential to challenge the one donor-one recipient paradigm. However, concerns over cell identity remain, and a comprehensive characterization of the cultured CEnC across serial passages has not been performed. To this end, we compared two established CEnC culture methods by assessing the transcriptomic changes that occur during in vitro expansion. In confluent monolayers, low mitogenic culture conditions preserved corneal endothelial cell state identity better than culture in high mitogenic conditions. Expansion by continuous passaging induced replicative cell senescence. Transcriptomic analysis of the senescent phenotype identified a cell senescence signature distinct for CEnC. We identified activation of both classic and new cell signaling pathways that may be targeted to prevent senescence, a significant barrier to realizing the potential clinical utility of in vitro expansion.