title: Small leucine-rich proteoglycans inhibit CNS regeneration by modifying the structural and mechanical properties of the lesion environment
Creators: name: Kolb, Julia
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024

description: Spinal cord injury (SCI) severs axons that in humans and other mammals fail to regrow across the lesion site resulting in persistent loss of sensory and motor function. A major factor limiting axon regeneration in the central nervous system (CNS) is the formation of fibrous scar tissue, composed of extracellular matrix (ECM), deposited, among others, by fibroblasts that migrate into the lesion site. Recent research has identified several scar components, such as myelin-associated factors, basal lamina proteins, and high molecular weight chondroitin sulfate proteoglycans (CSPGs), as inhibitors of axon regrowth. However, the limited gain in regenerative capacity observed upon their removal suggests that other molecules responsible for regeneration failure might exist. Current investigations suggest that in addition to its biochemical composition, the CNS scar may inhibit axon regeneration by modulating the local mechanical properties of the microenvironment, such as elasticity and viscosity. Nevertheless, there remains a dearth of in vivo evidence establishing causality between the mechanics of scar tissue in CNS lesions and regenerative capacity. Furthermore, specific ECM components influencing the mechanical properties of CNS scars have not yet been identified. Similar to mammals, following SCI in zebrafish, fibroblasts invade the spinal lesion site and deposit a complex ECM. However, this injury ECM is permissive and required for axon regeneration and functional recovery. Why injury-induced ECM deposits inhibit axon regeneration in the mammalian CNS but not in zebrafish is not fully understood. Recent evidence suggests that the permissiveness of the lesion ECM in zebrafish is due to a more favorable composition. Specifically, matrix molecules adverse to regeneration are lacking. However, no systematic mapping of the matrisome dynamics in the regenerating lesion site of the zebrafish nor its comparison to the axon-growth hostile CNS scar tissue in mammals has been conducted. To address this, using a cross-species comparative proteomics approach this study identifies differences in the biochemical composition of the injury-induced ECM deposits of zebrafish and rodents. My work demonstrates that members of the small leucine-rich proteoglycans (SLRPs) are enriched in rodent and human CNS scar tissue but not in zebrafish lesions. This study further identifies the SLRPs chondroadherin, fibromodulin, lumican, and prolargin as contributing factors to regeneration failure, as experimentally increasing their abundance to the zebrafish injury ECM inhibits axon growth and functional recovery. Mechanistically, this study provides evidence that SLRPs modulate both the structural and mechanical properties of the lesion environment toward non-permissive, scar-like signatures. Altogether, this work reveals SLRPs as axon growth-limiting ECM components of mammalian brain and spinal cord scar tissue, which likely contribute to the differential regenerative capacities of mammalian and zebrafish CNS axons. Moreover, this study provides evidence for tissue mechanics and structure as determinants of regeneration success. These findings imply that SLRPs may be targets for therapeutic strategies to promote CNS regeneration.
description: Durch Rückenmarksverletzungen werden Axone durchtrennt, die bei Menschen und anderen Säugetieren nicht in der Lage sind, über die Läsionsstelle nachzuwachsen. Dies resultiert in einem dauerhaften Verlust sensorischer und motorischer Funktionen. Ein wesentlicher Faktor, der die Axonregeneration im zentralen Nervensystem (ZNS) hemmt, ist die Bildung von fibrösem Narbengewebe. Dieses Narbengewebe besteht aus extrazellulärer Matrix (EZM), die unter anderem von in die Läsionsstelle einwandernden Fibroblasten abgelagert wird. Vorangegangene Forschungsarbeiten haben mehrere Bestandteile von Narbengewebe identifiziert, die das Axonwachstum hemmen, wie etwa myelinassoziierte Faktoren, Proteine der Basallamina und hochmolekulare Chondroitinsulfat-Proteoglykane (CSPGs). Allerdings weist die begrenzte Verbesserung der Regenerationsfähigkeit nach der Entfernung dieser Faktoren darauf hin, dass es weitere Moleküle geben könnte, die das Scheitern der Regeneration verursachen. Aktuelle Untersuchungen zeigen, dass eine Narbe im ZNS nicht nur durch ihre biochemische Zusammensetzung, sondern auch durch ihre lokalen mechanischen Eigenschaften wie Elastizität und Viskosität die Axonregeneration hemmen kann. Dennoch fehlen nach wie vor in vivo-Beweise für einen kausalen Zusammenhang zwischen der Mechanik des Narbengewebes bei ZNS-Läsionen und der Regenerationsfähigkeit. Zudem sind spezifische Komponenten der EZM, die die mechanischen Eigenschaften von ZNS-Narben beeinflussen, noch nicht identifiziert worden. Ähnlich wie bei Säugetieren migrieren bei Zebrabärblingen nach Rückenmarksverletzungen Fibroblasten in die Läsionsstelle und bilden eine komplexe EZM. Diese verletzungsbedingte EZM ist jedoch durchlässig für Axone und für die Regeneration sowie die funktionelle Erholung erforderlich. Warum diese EZM-Ablagerungen die ZNS-Axonregeneration bei Säugetieren aber nicht bei Zebrabärblingen hemmen, ist noch nicht vollständig geklärt. Neuere Erkenntnisse deuten darauf hin, dass in Zebrabärblingen die Durchlässigkeit der Läsions-EZM auf deren vorteilhaftere Zusammensetzung zurückzuführen ist, wie das Fehlen regenerationshemmender Matrixmoleküle. Allerdings wurde bisher weder eine systematische Analyse der Matrisomdynamik in der sich regenerierenden Läsionsstelle des Zebrabärblings noch ein Vergleich mit dem axonwachstumsfeindlichen ZNS-Narbengewebe von Säugetieren durchgeführt. Um dies zu beantworten, identifiziert diese Arbeit mithilfe einer artenübergreifenden Proteomanalyse Unterschiede in der biochemischen Zusammensetzung der verletzungsbedingten EZM von Zebrabärblingen und Nagetieren. Dabei wird gezeigt, dass Mitglieder der kleinen leucinreichen Proteoglykane (SLRPs) Familie im ZNS- Narbengewebe von Nagetieren und Menschen angereichert sind, jedoch nicht in Zebrabärblingsläsionen. Dar ̈uber hinaus identifiziert diese Studie die SLRPs Chondroadherin, Fibromodulin, Lumican und Prolargin als Faktoren, die zum Scheitern der Regeneration beitragen, da ihre experimentelle Anreicherung in der EZM von Zebrabärblingsverletzungen das Axonwachstum und die funktionelle Erholung hemmen. Diese Studie liefert darüber hinaus mechanistische Beweise dafür, dass SLRPs sowohl die strukturellen als auch die mechanischen Eigenschaften der Läsionsumgebung verändern und dadurch eine undurchlässige, narbenähnliche Beschaffenheit entsteht. Diese Arbeit zeigt insgesamt, dass SLRPs als axonwachstumshemmende Komponenten der EZM wirken und ein charakteristisches Merkmal des Narbengewebes im Gehirn und Rückenmark von Säugetieren darstellen. Dadurch tragen sie zur unterschiedlichen Regenerationsfähigkeit von Axonen im ZNS von Säugetieren und Zebrabärblingen bei. Darüber hinaus liefert diese Studie Beweise für den Einfluss von Gewebemechanik und -struktur auf den Regenerationserfolg. Diese Ergebnisse legen nahe, dass SLRPs Ansätze für therapeutische Maßnahmen zur Förderung der Regeneration des ZNS bieten könnten.