Investigation of the role and modulation of autophagy for neuroprotection and nerve regeneration using models of peripheral nerve injury

Abstract

Lesiones en el nervio periférico causan una disrupción axonal que puede producir una neurodegeneración retrograda. Las neuronas axotomizadas sufren una serie de cambios fenotípicos a nivel molecular y celular, algunos de ellos llamados mecanismos endógenos de neuroprotección, que promueven la supervivencia neuronal. En estos mecanismos se incluyen la respuesta de proteína desplegada (UPR) y la autofagia. La intensidad y el tiempo de respuesta de la neurona vienen influenciados por la severidad de la lesión, la distancia respecto al soma, el tipo de neurona y la edad. Sin embargo, cuando la lesión es muy proximal al soma, como es el caso de la lesión de avulsión de raíz de nervio periférico (RA), los mecanismos endógenos de neuroprotección pueden no ser activados contribuyendo a la neurodegeneración. Por este motivo creemos que la corrección o la potenciación de los mecanismos endógenos podrían ser efectivos para la neuroprotección y la regeneración. Primero caracterizamos el estado de flujo autofágico después de PNI in vivo y encontramos un bloqueo de estas vías, alteraciones en proteínas relacionadas con microtúbulos y proteínas de tráfico vesicular a los 5-7 días posteriores a la lesión. Posteriormente, modelamos algunos eventos concomitantes asociados con las alteraciones de la autofagia y en el citoesqueleto en el modelo in vitro. Además, analizamos la respuesta temporal de la autofagia y el citoesqueleto in vitro. Estos resultados, revelaron que la neurodegeneración podría ocurrir debido a la alteración inicial de los microtúbulos después del bloqueo de la autofagia. Además,estas alteraciones del citoesqueleto aumentan la astrogliosis y la muerte de MN in vivo. Finalmente, exploramos el papel de la potenciación de la autofagia. El análisis del curso temporal de la inducción de autofagia farmacológica usando rapamicina reveló ser neuroprotector solo como un pretratamiento antes de la lesión de RA. Además, la activación de la autofagia mediada por la sobreexpresión de ATG5 dio como resultado una preservación de MN acompañada de una mejora en la vía secretora y el flujo autofagico. Resultados previos demostraron que BiP neuroprotegía frente a RA y que su expresión se veía disminuida en las motoneuronas degeneradas. Considerando su relación con la autofagia, nuestro objetivo fue aclarar los mecanismos de neuroprotección mediante la proteómica. Descubrimos que la sobrexpresión de GRP78/BiP promovía la reducción de proteínas mitocondriales mediante la inducción de la mitofagia. Esta activación era dependiente de IP3R y PINK1 Finalmente, considerando que una terapia efectiva después de la lesión de nervio periférico promueve el crecimiento axonal y la regeneración nerviosa, exploramos si la potenciación de la autofagia podría ser pro-regenerativa. Finalmente, considerando que una terapia efectiva después de la PNI debería promover el rebrote axonal y la regeneración nerviosa, exploramos si la estimulación autofagia también podría ser pro-regenerativa. Descubrimos que la autofagia mediada por SIRT-1/ HIF1α promueve el crecimiento de neuritas in vitro. Además, la potenciación de la autofagia mediante la sobrexpresión de ATG5 o SIRT1 acelera la recuperación funcional y el crecimiento axonal después de la lesión. Estos hallazgos sugieren que la corrección o la potenciación de los mecanismos endógenos como la autofagia, pueden ser una terapia eficaz para aumentar la supervivencia de las motoneuronas desconectadas y mejorar el crecimiento axonal después de las lesiones de nervio periférico.

Severe peripheral nerve injury (PNI) cause axonal disruption and may produce retrograde neurodegeneration. Axotomized neurons undergo a series of phenotypic changes at the molecular and cellular levels, some of them called endogenous mechanisms of neuroprotection, that promote neuronal survival that includes the unfolded protein response (UPR), the heat-shock response, the autophagy pathway, the ubiquitin-proteasome system, chaperone, the endoplasmic reticulum (ER)-associated degradation machinery (ERAD) and the antioxidant defence. The intensity and time course of the neuronal response are mainly influenced by the severity of the injury, distance of the lesion to cell body, type of neuron and age. However, when the injury is proximal to the soma, such in the case of peripheral nerve root avulsion (RA), the endogenous mechanisms of neuroprotection might not be properly activated contributing to neurodegeneration. We reasoned that the correction or potentiation of these mechanisms might be effective for neuroprotection. We first characterize the state of autophagy flux after PNI in vivo and found a blockage of these pathway, alterations in microtubule related proteins and vesicle trafficking proteins at 5-7 days post-injury Subsequently, we modelize some concomitant events associated with autophagy failure such as cytoskeleton abnormalities in in vitro model. Furthermore, we analyse the time course response of autophagy and cytoskeleton in vitro. These revealed that neurodegeneration might occur due to initial microtubule alteration followed autophagy blockage. These cytoskeleton alterations increase astrogliosis and MN death in vivo. Finally, we explored the role of autophagy potentiation. Time-course analysis of pharmacological autophagy induction using rapamycin revealed to be neuroprotective only as a pre-treatment before RA injury. In addition, autophagy activation mediated by ATG5 overexpression resulted in a MN preservation accompanied by improved internal trafficking and autophagy flux. Previous data demonstrated neuroprotective capacities mediated by GRP78/BiP overexpression that it has been found downregulated in degenerated MNs after the lesion. Considering its relationship with autophagy, we aimed to clarify the mechanisms of these neuroprotection by proteomic analysis. We discovered that GRP78/BiP overexpression induces the downregulation of mitochondrial proteins by the induction of mitophagy. In this activation of mitophagy by GRP78/BiP is implicated IP3R and PINK1 Finally, considering that an effective therapy after PNI should promote axonal regrowth and nerve regeneration, we explored if autophagy stimulation might be pro-regenerative as well. We did so by overexpressing ATG5 or by genetic and pharmacological activation of SIRT1. We discovered that autophagy mediated by SIRT-1/HIF1α promotes neurite outgrowth in vitro. In addition, autophagy potentiation by ATG5 or SIRT1 overexpression enhances functional recovery and axonal growth after the lesion. Overall, these findings suggested that correction or potentiation of endogenous mechanisms such as autophagy may be an effective therapy to increase the survival of disconnected MNs and enhanced axonal regrowth after the peripheral nerve injuries.