NDRG1 and PrPC in peripheral nerve myelin maintenance : insights from morphological studies in two unique animal models

Abstract

Peripheral nerves transmit signals between peripheral tissue and the central nervous system, essential for normal motor and sensory function. To enable this, the integrity of both the axon and Schwann cell is crucial. The Schwann cell forms a myelin sheath around large diameter axons, necessary for rapid nerve conduction and axonal survival. Neuropathies, diseases affecting peripheral nerves, have diverse etiologies and may cause severe clinical signs in both human and animals. Some neuropathies are caused by inherited deficiencies in proteins necessary for normal axonal function or formation/maintenance of the myelin sheath. In this work, we have investigated how deficiencies in NDRG1 or PrPC affect peripheral nerve myelin maintenance by using morphological studies in two unique, spontaneous animal models.

The hereditary polyneuropathy of Alaskan Malamutes is associated with a mutation in N-myc downstream-regulated gene 1 (NDRG1). Other mutations in the same gene cause polyneuropathies in humans, rodent models and Greyhound show dogs. However, the function of NDRG1 in peripheral nerves is largely unknown and the pathomorphological changes described in NDRG1-associated neuropathies of different species diverge. Whereas the human disease, denominated Charcot-Marie-Tooth disease type 4D, is considered a primary demyelinating disease with secondary axonal loss, axonal degeneration dominated in the polyneuropathy of Greyhounds. A detailed mapping of NDRG1 in canine tissues and cells presented in this thesis revealed high NDRG1 expression in epithelia and myelinating Schwann cells. A phosphorylated isoform of the protein localized to the centrosomes and cleavage furrow in a primary canine Schwann cell culture. Phosphorylated NDRG1 was restricted to the abaxonal cytoplasm of myelinating Schwann cells in control dogs, but this signal was not observed in an affected Alaskan Malamute. Ultrastructural studies and teased fiber preparations of nerves from neuropathic Alaskan Malamutes uncovered a demyelinating neuropathy associated with accumulation of actin in the Schwann cell and prominent myelin infoldings. The latter ultimately segregated the axon into pockets with aggregates of organelles, suggestive of early axonal degeneration. We therefore suggest that impaired NDRG1 function in the myelinating Schwann cells of affected Alaskan Malamutes results in deranged myelin maintenance, demyelination and secondary axonal degeneration.

The cellular prion protein (PrPC) has been studied extensively because of its role in the development of transmissible spongiform encephalopathies in several species, such as Creutzfeldt-Jakobs disease in humans, bovine spongiform encephalopathy (“mad cow disease”) in cattle and scrapie in small ruminants. In these diseases, a misfolded isoform of the protein, PrPSc, accumulates in the brain and ultimately results in neuronal death. The normal functions of PrPC are not fully understood. Some of the phenotypes reported from transgenic mice lacking PrPC have later been ascribed to other genes, but recent reports have suggested that PrPC is important in dampening pro-inflammatory signaling and in myelin maintenance. We have used a nontransgenic, spontaneous model to investigate the latter; a line of Norwegian dairy goats lacking PrPC. Morphological studies revealed a demyelinating neuropathy with infiltration of macrophages and lymphocytes, vacuolated fibers and paranodal myelin outfoldings. Peripheral nerve lipid composition of adult goats lacking PrPC was significantly different from controls, while no difference was observed in young goats, suggesting a progressive disease. In conclusion, this is the first report of a demyelinating polyneuropathy caused by loss of PrPC in a nontransgenic mammal, supporting that PrPC has a vital role in peripheral nerve myelin maintenance.

Perifere nerver overfører nerveimpulser mellom perifert vev og sentralnervesystemet, og er derfor essensielle for normal motorisk og sensorisk funksjon. For opprettholdelse av denne funksjonen, er både aksonet og den Schwannske cellen viktige. Aksonet er en utløper fra nervecellen og sørger for overføring av nerveimpulser. Den Schwannske cellen danner en myelinskjede rundt større aksoner. Dette er nødvendig for rask nerveledningshastighet og aksonal overlevelse. Nevropatier, sykdommer i perifere nerver, har ulik etiologi og kan forårsake alvorlige kliniske tegn både hos mennesker og dyr. Noen nevropatier er forårsaket av arvelige forstyrrelser i proteiner som er nødvendig for normal aksonal funksjon eller dannelse/vedlikehold av myelinskjeden. I dette arbeidet har vi undersøkt hvordan mangel på NDRG1 eller PrPC påvirker myelinvedlikehold i perifere nerver ved å bruke morfologiske studier i to unike, spontane dyremodeller.

Arvelig polynevropati hos alaskan malamute er assosiert med en mutasjon i N-myc downstream-regulated gene 1 (NDRG1). Andre mutasjoner i samme genet forårsaker polynevropatier hos menneske, gnagermodeller og utstillingslinjer av greyhound. Funksjonen til NDRG1 i perifere nerver er imidlertid ukjent, og de patomorfologiske forandringene ved NDRG1-assosierte nevropatier hos ulike arter divergerer. Mens den humane nevropatien, Charcot-Marie-Tooths sykdom type 4D, er ansett for å være en primær demyeliniserende sykdom med sekundært aksonalt tap, dominerte aksonal degenerasjon ved polynevropati hos greyhound. En detaljert kartlegging av NDRG1 i celler og vev fra hund presentert i denne avhandlingen viser høye nivåer av NDRG1 i epitel og myeliniserende Schwannske celler. En fosforylert isoform av proteinet ble lokalisert i centrosomer og kløyvingsfuren hos Schwannske celler isolert fra hund. Fosforylert NDRG1 var begrenset til abaksonale cytoplasma i myeliniserende Schwannske celler i kontrollhunder, men dette signalet ble ikke observert i en syk alaskan malamute. Ultrastrukturelle studier og teased nerve fibers av nerver fra affiserte alaskan malamuter avslørte en demyeliniserende nevropati assosiert med aktinaggregater i de myeliniserende Schwannske cellene og uttalte innfoldinger av myelin. Innfoldingene delte stedvis aksonene inn i atskilte lommer med aggregater av organeller, forenelig med tidlig aksonal degenerasjon. Resultatene tyder på at svekket NDRG1-funksjon i myeliniserende Schwannske celler hos affiserte alaskan malamuter fører til forstyrret vedlikehold av myelin, demyelinisering og sekundær aksonal degenerasjon.

Det cellulære prionproteinet (PrPC) har blitt grundig studert på grunn av sin rolle i utvikling av overførbare spongiforme encefalopatier, eller prionsykdommer, hos flere arter, for eksempel Creutzfeldt-Jakobs sykdom hos menneske, bovin spongiform encefalopati («kugalskap») hos storfe og skrapesjuke hos små drøvtyggere. Ved disse sykdommene vil en misfoldet isoform av proteinet, PrPSc, akkumulere i hjernen og tilslutt resultere i nevronal celledød. Normalfunksjonen til PrPC er ikke fullstendig forstått, og forståelsen av denne kan være viktig for å belyse den molekylære patogenesen ved prionsykdommer. Noen fenotyper rapportert fra transgene mus uten PrPC ble senere vist å skyldes andre gener, men nylige rapporter foreslår at PrPC er viktig for å dempe proinflammatorisk signalering og myelinvedlikehold. Vi har brukt en ny, ikke-transgen, spontan modell - en linje av norske melkegeiter som mangler PrPC - til å undersøke om denne modellen kan bekrefte tidligere studier fra transgene mus som har vist myelinskader. Morfologiske studier hos geiter uten PrPC avslørte en demyeliniserende nevropati med infiltrasjon av makrofager og lymfocytter, vakuoliserte nervefibre og paranodale myelinutfoldinger. Lipidsammensetningen i perifere nerver hos voksne geiter uten PrPC var signifikant forskjellig fra kontrollene, mens ingen forskjell ble observert hos unge dyr, noe som tyder på en progredierende sykdom. Dette er den første rapporten av en demyeliniserende polynevropati forårsaket av PrPC-mangel hos et ikke-transgent pattedyr, og støtter at PrPC har en viktig rolle i myelinvedlikehold.