Capture of a photon by an opsin visual pigment isomerizes its 11-cis-retinaldehyde (11cRAL) chromophore to all-trans-retinaldehyde (atRAL), which subsequently dissociates. To restore light sensitivity, the unliganded apo-opsin combines with another 11cRAL to make a new visual pigment. Two enzyme pathways supply chromophore to photoreceptors. The canonical visual cycle in retinal pigment epithelial cells supplies 11cRAL at low rates. The photic visual cycle in Müller cells supplies cones with 11-cis-retinol (11cROL) chromophore precursor at high rates. Although rods can only use 11cRAL to regenerate rhodopsin, cones can use 11cRAL or 11cROL to regenerate cone visual pigments. We performed a screen in zebrafish retinas and identified ZCRDH as a candidate for the enzyme that converts 11cROL to 11cRAL in cone inner segments. Retinoid analysis of eyes from Zcrdh-mutant zebrafish showed reduced 11cRAL and increased 11cROL levels, suggesting impaired conversion of 11cROL to 11cRAL. By microspectrophotometry, isolated Zcrdh-mutant cones lost the capacity to regenerate visual pigments from 11cROL. ZCRDH therefore possesses all predicted properties of the cone 11cROL dehydrogenase. The human protein most similar to ZCRDH is RDH12. By immunocytochemistry, ZCRDH was abundantly present in cone inner segments, similar to the reported distribution of RDH12. Finally, RDH12 was the only mammalian candidate protein to exhibit 11cROL-oxidase catalytic activity. These observations suggest that RDH12 in mammals is the functional ortholog of ZCRDH, which allows cones, but not rods, to regenerate visual pigments from 11cROL provided by Müller cells. This capacity permits cones to escape competition from rods for visual chromophore in daylight-exposed retinas.

Abstract Mutations in PRPH2 are a relatively common cause of sight-robbing inherited retinal degenerations (IRDs). Peripherin-2 (PRPH2) is a photoreceptor-specific tetraspanin protein that structures the disk rim membranes of rod and cone outer segment (OS) organelles, and is required for OS morphogenesis. PRPH2 is noteworthy for its broad spectrum of disease phenotypes; both inter- and intra-familial heterogeneity have been widely observed and this variability in disease expression and penetrance confounds efforts to understand genotype–phenotype correlations and pathophysiology. Here we report the generation and initial characterization of a gene-edited animal model for PRPH2 disease associated with a nonsense mutation (c.1095:C>A, p.Y285X), which is predicted to truncate the peripherin-2 C-terminal domain. Young (P21) Prph2Y285X/WT mice developed near-normal photoreceptor numbers; however, OS membrane architecture was disrupted, OS protein levels were reduced, and in vivo and ex vivo electroretinography (ERG) analyses found that rod and cone photoreceptor function were each severely reduced. Interestingly, ERG studies also revealed that rod-mediated downstream signaling (b-waves) were functionally compensated in the young animals. This resiliency in retinal function was retained at P90, by which time substantial IRD-related photoreceptor loss had occurred. Altogether, the current studies validate a new mouse model for investigating PRPH2 disease pathophysiology, and demonstrate that rod and cone photoreceptor function and structure are each directly and substantially impaired by the Y285X mutation. They also reveal that Prph2 mutations can induce a functional compensation that resembles homeostatic plasticity, which can stabilize rod-derived signaling, and potentially dampen retinal dysfunction during some PRPH2-associated IRDs.

Abstract Bipolar cells are vertebrate retinal interneurons conveying signals from rod and cone photoreceptors to amacrine and ganglion cells. Bipolar cells are found in all vertebrates and have many structural and molecular affinities with photoreceptors; they probably appeared very early during vertebrate evolution in conjunction with rod and cone progenitors. There are two types of bipolar cells, responding to central illumination with depolarization (ON) or hyperpolarization (OFF). In most vertebrate species, rod signals are conveyed to specialized rod bipolar cells, which sum signals from many rods and facilitate detection at the visual threshold. Lamprey, which diverged from all other vertebrates in the late Cambrian, have both rod ON and rod OFF bipolar cells, but mammals have only rod ON cells. Rod signals in mammals are conveyed to output neurons indirectly via AII (or A2) amacrine cells, which synapse onto cone ON and cone OFF bipolar‐cells and then to ganglion cells. These findings raise the question of when during retinal evolution rod OFF bipolar cells were lost. Because physiological recordings have been made from rod OFF bipolar cells in both cartilaginous fishes (dogfish) and urodeles (salamanders), rod OFF bipolar cells and their circuits must have been retained in vertebrate progenitors at least until the Devonian. Recent evidence showing that zebrafish retina processes rod signals similar to those in mammals indicates that rod OFF bipolar cells were lost at least twice. The sole utilization of rod ON bipolar cells may have provided a selective advantage from increased signal‐to‐noise discrimination near the visual threshold. image Key points Rods and cones have many structural and molecular similarities to bipolar cells, which are retinal interneurons conveying signals from photoreceptors to the retinal output. Bipolar cells can be either ON (centre depolarizing) or OFF (centre hyperpolarizing) and either rod or cone dominant. Lamprey, which diverged from all other vertebrates 500 million years ago, have both ON and OFF bipolar cells, which can each be either rod or cone dominant. We argue that this configuration of separate rod/cone bipolar‐cell pathways is representative of early vertebrates. Rod ON and rod OFF bipolars persisted at least until the progenitors of amphibians in the Devonian, but mammals and teleost fishes have only rod ON bipolar cells and convey rod OFF signals via a specialized amacrine cell. We argue that rod OFF bipolar cells were lost in at least two different lineages during vertebrate evolution, probably to increase the signal‐to‐noise of rod vision.