Mutation-Dependent Pathomechanisms Determine the Phenotype in the Bestrophinopathies

Abstract

Best vitelliform macular dystrophy (BD), autosomal dominant vitreoretinochoroidopathy (ADVIRC), and the autosomal recessive bestrophinopathy (ARB), together known as the bestrophinopathies, are caused by mutations in the bestrophin-1 (BEST1) gene affecting anion transport through the plasma membrane of the retinal pigment epithelium (RPE). To date, while no treatment exists a better understanding of BEST1-related pathogenesis may help to define therapeutic targets. Here, we systematically characterize functional consequences of mutant BEST1 in thirteen RPE patient cell lines differentiated from human induced pluripotent stem cells (hiPSCs). Both BD and ARB hiPSC-RPEs display a strong reduction of BEST1-mediated anion transport function compared to control, while ADVIRC mutations trigger an increased anion permeability suggesting a stabilized open state condition of channel gating. Furthermore, BD and ARB hiPSC-RPEs differ by the degree of mutant protein turnover and by the site of subcellular protein quality control with adverse effects on lysosomal pH only in the BD-related cell lines. The latter finding is consistent with an altered processing of catalytic enzymes in the lysosomes. The present study provides a deeper insight into distinct molecular mechanisms of the three bestrophinopathies facilitating functional categorization of the more than 300 known BEST1 mutations that result into the distinct retinal phenotypes.

Mutationsabhängige Mechanismen und deren Bedeutung für zielgerichtete Behandlungsstrategien am Beispiel von Bestrophin 1 und den Bestrophinopathien

“…Im Einklang mit früheren Arbeiten zeigten unsere iPSC-RPE-Zelllinien von Patienten mit Morbus Best einen stark verminderten Ionentransport im Vergleich zu denen der Kontrolllinien [20,28]. Eine stark eingeschränkte Kanalfunktion konnte ebenso für 2 ARB-Patientenlinien mit zusammengesetzt-heterozygoten BEST1-Mutationen gezeigt werden, bei denen die jeweiligen Elternzelllinien als heterozygote Merkmalsträger vergleichsweise gute Ströme aufwiesen [28]. Im Gegensatz dazu war in iPSC-RPE-Zelllinien von 2 ADVIRC-Patienten eine signifikant höhere Ionentransportleistung im Vergleich zu gesunden Spendern zu beobachten [28].…”

“…Eine stark eingeschränkte Kanalfunktion konnte ebenso für 2 ARB-Patientenlinien mit zusammengesetzt-heterozygoten BEST1-Mutationen gezeigt werden, bei denen die jeweiligen Elternzelllinien als heterozygote Merkmalsträger vergleichsweise gute Ströme aufwiesen [28]. Im Gegensatz dazu war in iPSC-RPE-Zelllinien von 2 ADVIRC-Patienten eine signifikant höhere Ionentransportleistung im Vergleich zu gesunden Spendern zu beobachten [28]. Dieses zunächst überraschende Ergebnis unterstützt Studien von Miller et al [29], die mithilfe der Kryoelektronenmikroskopie den Öffnungs-bzw.…”

“…Inzwischen konnte gezeigt werden, dass der vorzeitige Abbau von mutiertem BEST1-Protein eine zentrale Rolle in der Krankheitsentstehung der unterschiedlichen Bestrophinopathien einnimmt [19,28]. Untersuchungen zur Halbwertszeit (HWZ) von BEST1 weisen generell eine geringere Proteinstabilität von mutiertem im Vergleich zu nicht mutiertem BEST1 nach (letzteres mit HWZ > 24 h).…”

“…endo-lysosomalen Degradationsweg von den Lysosomen abgebaut. Somit können Mutationen, die mutantes BEST1 einer Degradation im Proteasom zuführen, in Abgrenzung zu Morbus Best-und ADVIRC-Mutationen, molekularbiologisch eindeutig einem ARB-Phänotyp zugeordnet werden [28].…”

“…der Lysosomen über die Zeit erschöpfen [33]. Unsere eigenen experimentellen Daten deuten darauf hin, dass klassische multifokale Läsionen im Fundus von ARB-Patienten Ablagerungen mit falsch gefalteten Proteinen korrelieren, da sie aufgrund einer Überlastung des ERassoziierten Degradationsweges nicht abgebaut werden können und sich infolgedessen auch in der Peripherie der Netzhaut anreichern [19,28]. Dagegen müssen lipofuszinartige Ablagerungen im zentralen Bereich der Makula von Morbus-Best-Patienten als…”