Enzymatic modulation of perineuronal nets by a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs 4 (ADAMTS-4) and the tissue plasminogen activator (tPA)
Modulation enzymatique des réseaux périneuronaux par la désintégrine et métalloprotéinase à motifs thrombospondines de type 4 (ADAMTS-4) et l'activateur tissulaire du plasminogène (tPA)
Résumé
Perineuronal nets (PNNs) are extracellular matrix assemblies that preferentially enwrap interneurons expressing parvalbumin (PV). PNNs development and maintenance regulate several processes within the central nervous system, including neuronal activity, neuronal protection from oxidative stress, and closure of developmental critical period plasticity window. Converging evidence indicate that PNNs degradation restores plasticity and improves functional recovery in a variety of neurological disorders. Understanding PNNs enzymatic modulation may be essential for the development of new therapeutic tools. Our work focused on two endogenous proteases with pleiotropic functions in the brain. We first studied the involvement of a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs type 4 (ADAMTS-4) in the evolution of ischemic brain damages and dysfunctions, in relation to PNNs. In a second part, we investigated the potential role of tissue-type plasminogen activator (tPA) in PNNs physiological degradation.We established that endogenous ADAMTS-4, alone or coupled with intensive rehabilitation, accelerates functional recovery after stroke, without modulating PNNs structure. In addition, we demonstrated that ADAMTS-4 is protective in the acute phase of ischemic stroke, by limiting infarct progression. Combining immunohistology, electrophysiology and single cell RT-PCR PCR allowed identifying PV interneurons as being a source of tPA in vivo. We found that mice specifically lacking tPA in PV interneurons display denser PNNs, suggesting that endogenous tPA modulates PNNs structure. In vitro analyses supported this hypothesis, and allowed the demonstration that tPA converts plasminogen into active plasmin, which in turn, directly degrades aggrecan, a major chondroitin sulfate proteoglycans contained is PNNs. Overall, this work allows to better characterize two endogenous brain proteases, notably by providing a new physiological mechanism regulating PNNs remodeling.
Les réseaux périneuronaux (perineuronal nets, PNNs) sont des structures de la matrice extracellulaire, qui enveloppent préférentiellement les interneurones exprimant la parvalbumine (PV). Ils régulent l’activité neuronale, protègent contre le stress oxydatif et ferment les périodes critiques du développement. La dégradation des PNNs restaure la plasticité cérébrale et améliore la récupération fonctionnelle dans différentes pathologies cérébrales. Une meilleure compréhension des mécanismes enzymatiques modulant les PNNs peuvent conduire au développement de nouveaux outils thérapeutiques. Nos travaux se sont donc intéressés à deux protéases endogènes pléiotropiques du cerveau. Nous avons tout d’abord étudié l’implication de la désintégrine et métalloprotéinase à motifs thrombospondines de type 4 (ADAMTS 4) dans l'évolution des dommages causés par l’ischémie cérébrale, en lien avec la modulation des PNNs. Dans une seconde partie, nous avons étudié le potentiel rôle de l’activateur tissulaire du plasminogène (tPA), dans la dégradation des PNNs en condition physiologique.Nous montrons qu’ADAMTS-4 endogène, seule ou couplée à une rééducation intensive, accélère la récupération fonctionnelle après une ischémie cérébrale, sans affecter la structure des PNNs. Nous démontrons également qu'ADAMTS 4 est protecteur dans la phase aiguë de l’ischémie cérébrale, en limitant la progression de l'infarctus. La combinaison de l’immunohistologie, de l’électrophysiologie et de la single-cell RT-PCR a permis d’identifier les interneurones PV, comme une source de tPA in vivo. Nous observons que les souris spécifiquement déficientes en tPA dans les interneurones PV, présentent des PNNs plus denses, suggérant un rôle du tPA dans le remodelage des PNNs. Des analyses in vitro confortent cette hypothèse, en montrant que le tPA convertit le plasminogène en plasmine, qui à son tour, dégrade un des principaux composants des PNNs, l’aggrecan. Dans l’ensemble, ces travaux permettent de mieux caractériser les fonctions de deux protéases endogènes du système nerveux central, en démontrant notamment l’existence d’un nouveau mécanisme de régulation des PNNs.
Origine : Version validée par le jury (STAR)