Participación de la respuesta a proteínas mal plegadas(UPR) en la regeneración oxonal luego del daño al nervio ciático de ratón

Abstract

Peripheral nerve injuries triggers the process of Wallerian degeneration distal to the injury zone, characterized by axonal degeneration, removal of myelin and axonal debris by Schwann cells and macrophages recruited into the damaged region. After this, a process of axonal regeneration initiates in the proximal stump, where new regenerated fibers extend and reinnervate their targets leading to locomotor recovery. Accumulating evidence indicate that organelle function, in particular the endoplasmic reticulum (ER) is altered after nerve damage. Alterations to ER proteostasis generate a stress condition that engages an adaptive mechanism known as the unfolded protein response (UPR) in order to restore cellular function. However, the impact of the UPR to peripheral nerve damage remains poorly explored. Here, we investigated the possible role of the UPR in the tissular changes after peripheral nerve damage and its impact in peripheral nerve regeneration. Here we demonstrated that damage triggers a specific activation of the IRE1a/XBP1 branch but not the PERK/ATF4 axis after injury. The functional contribution of the UPR in axonal regeneration and locomotor recovery after sciatic nerve injury was assessed using mice models with specific ablation of key UPR components, including the transcriptional factors XBP1 and ATF4. Importantly, XBP1 ablation led to a significant impairment of locomotor recovery after nerve crush, but in contrast, no changes in recovery rate were detected in ATF4-null animals. The functional impairment in XBP1 knockout mice was associated with a reduced amount of regenerated axons and myelin removal, and a decrease in macrophage infiltration in the injury region. Remarkably, overexpression of XBP1s led to an increase in locomotor recovery, associated with an increased in macrophage recruitment, faster myelin clearance and enhanced axonal regeneration. Furthermore, local overexpression of XBP1s to sensory neurons of the dorsal root ganglia using a gene transfer strategy with adeno-associated viruses (AAV) also enhanced axonal regeneration, demonstrating an important role of UPR activation in the neuronal-autonomous process of axonal regeneration after sciatic nerve injury. Our results demonstrate for the first time a functional role of specific components of the ER proteostasis network in the tissular changes associated to regeneration and functional recovery after peripheral nerve injury.

La lesión a un nervio periférico desencadena un proceso denominado degeneración Walleriana en la región distal al sitio de daño. Este proceso está caracterizado por la degeneración del axón, la remoción de los restos de mielina y de axón por parte de las células de Schwann y macrófagos que infiltran en la zona de daño. Posteriormente, ocurre un proceso de regeneración axonal en la zona proximal a la lesión, de donde se extienden las fibras regeneradas que finalmente reinervarán el tejido blanco, permitiendo una recuperación funcional exitosa. Existe evidencia que indica que la función de organelos subcelulares, y en particular del retículo endoplásmico (RE), se ven alterados luego de un daño a un nervio. Alteraciones a la proteostasis del RE generan una condición de estrés que desencadena un mecanismo adaptativo conocido como la respuesta a proteínas mal plegadas (UPR por sus siglas en inglés) que contribuye a restaurar la función celular. Sin embargo, el impacto de la UPR luego de un daño al nervio periférico aún es desconocido. En este estudio investigamos el posible papel funcional de la UPR sobre los cambios tisulares locales luego del daño y el impacto que tiene sobre la regeneración axonal periférica. Demostramos que el daño al nervio ciático desencadena la activación específica de la rama de la UPR mediada por IRE1a/XBP1 y no de la vía PERK/ATF4 luego del daño. Para evaluar la contribución funcional de la UPR en la regeneración axonal y recuperación locomotora luego del daño, utilizamos modelos murinos deficientes de dos componentes claves de la UPR, los factores de transcripción XBP1 y ATF4. La eliminación genética de XBP1 en el sistema nervioso produjo un retraso en la recuperación locomotora luego del daño. Sin embargo, no se observaron cambios en la recuperación funcional en los animales nulos para ATF4. El efecto funcional en los ratones deficientes para XBP1 estuvo asociado a una menor cantidad de axones regenerados, una disminución en la remoción de mielina y una baja infiltración de macrófagos a la zona de daño. Por otro lado, la sobreexpresión de la forma activa de XBP1 en neuronas y glías produjo un aumento en la recuperación locomotora, asociado a un aumento en la remoción de mielina, un mayor número de axones regenerados y un aumento en la infiltración de macrófagos. Además, el tratamiento de ratones silvestres con virus adeno-asociados en las neuronas sensitivas que inervan al nervio ciático, para expresar la forma activa de XBP1, provocó un aumento en la regeneración axonal, demostrando un importante papel de la activación autónomaneuronal de la UPR en la regeneración axonal luego del daño al nervio ciático. Nuestros resultados sugieren un papel clave de los componentes de la proteostasis del RE en los cambios tisulares asociados a la regeneración axonal y a una recuperación funcional exitosa.