The role of TAG-1 and other perinodal proteins in a system of toxic de- and remyelination.

Myelinated fibers are organized into specialized domains (node of Ranvier, juxtaparanodal and paranodal region and the internode), that ensure the rapid propagation of action potentials and are characterized by protein complexes underlying axoglial interactions. TAG-1 (Transient Axonal Glycoprotein-1), a cell adhesion molecule of the Ig superfamily expressed by neurons as well as by myelinating glia, is essential for the molecular organization of myelinated fibers as it maintains the integrity of the juxtaparanodal region through its interactions with Caspr2 and the voltage-gated potassium channels (VGKCs) on the axolemma. Since TAG-1 is the only known component of the juxtaparanodal complex expressed by the glial cells, it is important to clarify its role in the molecular organization of juxtaparanodes. Moreover, the myelin segment around the node of Ranvier (juxtaparanodal region) is one of the first regions to be attacked in demyelinating diseases such as multiple sclerosis (MS) and, in this context, TAG-1 was identified as a candidate autoantigen in MS. For this purpose, using control mice (TAG-1+/-), mice with a deletion in the gene encoding TAG-1 (TAG-1-/-), and transgenic mice that exclusively express TAG-1 in oligodendrocytes (Tag-1-/-;plp Tg(rTag-1)), I investigated the exact role of TAG-1 in neurodegeneration using a de/re-myelination murine model for MS, the cuprizone model, in which the processes of de/re-myelination can be studied without the involvement of the immune system. Cuprizone is a copper chelator that can induce demyelination when introduced in the animals normal chow, without damaging the blood-brain-barrier. Toxin removal results on the recruitment of oligodendrocytes in the area of the lesion and subsequent remyelination. Here I treated 8¿10-weeks old TAG-1+/-, TAG-1-/- and Tag-1-/-;plp Tg(rTag-1) mice for 4.5 or 6 weeks with cuprizone, allowing then the remyelination for 3 weeks after the 6 weeks treatment. Myelination of the TAG-1-/- and Tag-1-/-;plp Tg(rTag-1), in absence of cuprizone treatment, was not disturbed and adult young mice showed normal myelin protein expression. Demyelination after 4.5 and 6 weeks of cuprizone treatment differed between knockout and wild type and also between these ones and the transgenic mice. Early myelin protein re-expression and thus remyelination were accelerated in all the genotypes during the third week after withdrawal of the toxin. This was mainly due to enhanced oligodendrocyte precursor cells (OPC) differentiation. Ultrastructural and morphological analysis of Tag-1-/-;plp Tg(rTag-1) mice shows the role of TAG-1 in the recruitment of OPC in the area of the lesion. During demyelination TAG-1+/- shown less severe results than TAG-1-/- and TAG-1-/-;plpTg(rTag-1): therefore, we can hypothesize that glial TAG-1 does not act protectivelly against demyelination and it needs also the axonal form.

Le fibre nervose mielinate sono organizzate in domini specializzati (nodi di Ranvier, regioni juxtaparanodali e paranodali, internodi), che assicurano la rapida propagazione del potenziale d'azione e sono caratterizzate da complessi proteici fondamentali per le interazioni asso-gliali. TAG-1 (Transient Axonal Glycoprotein-1), una molecola di adesione della superfamiglia delle Immunoglobuline, espressa dai neuroni così come dalle cellule gliali che contribuiscono alla mielinizzazione dell'assone (oligodendrociti e cellule di Schwann), è una proteina essenziale per l'organizzazione molecolare delle fibre mielinate in quanto mantiene l'integrità delle regioni juxtaparanodali attraverso la sua interazione sull'assolemma con Caspr2 e i canali del potassio voltaggio-dipendenti (VGKCs). Dal momento che TAG-1 è l'unico componente conosciuto del complesso juxtaparanodale espresso dalle cellule gliali, è importante chiarire il suo ruolo nell'organizzazione molecolare del suddetto complesso. Inoltre, il segmento di mielina intorno al nodo di Ranvier (regione juxtaparanodale) è una delle prime regioni ad essere colpite durante malattie demielinizzanti quali la sclerosi multipla (MS), e, in quest'ottica, TAG-1 è stato identificato come un possibile autoantigene. A tal fine, usando topi wild type (Tag-1+/-), topi knockout recanti delezione per il gene codificante TAG-1 (Tag-1-/-), e topi transgenici che esprimono la proteina esclusivamente negli oligodendrociti (Tag-1-/-;plp Tg(rTag-1)), ho investigato l'esatto ruolo di TAG-1 nella neurodegenerazione, utilizzando un modello murino per la sclerosi multipla, il modello neurotossico del cuprizone, nel quale il processo di de- e remielinizzazione può essere studiato senza il coinvolgimento del sistema immunitario. Il cuprizone è un chelante del rame in grado di determinare demielinizzazione quando introdotto nella normale dieta dei roditori, senza danneggiare la barriera emato-encefalica. La rimozione della tossina risulta nel reclutamento degli oligodendrociti nell'area della lesione e nella conseguente remielinizzazione. Nel presente lavoro, ho trattato topi di 8-10 settimane TAG-1+/-, TAG-1-/- e Tag-1-/-;plp Tg(rTag-1) con il cuprizone, per 4.5 o 6 settimane, permettendo poi in quest'ultimo gruppo 3 settimane di remielinizzazione. Il grado di mielinizzazione dei topi TAG-1-/- e Tag-1-/-;plp Tg(rTag-1), in assenza di cuprizone, non risulta essere alterato e gli animali mostrano un normale livello di espressione di proteine mieliniche. La demielinizzazione dopo 4.5 e 6 settimane di trattamento differisce tra i knockout e i wild type, e anche tra questi ultimi e i transgenici. L'espressione di proteine mieliniche precoci, e perciò anche la remielinizzazione, risulta essere accelerata in tutti i genotipi, durante la terza settimana dopo la rimozione della tossina. Questo è dovuto soprattutto ad una maggiore attivazione della differenziazione dei precursori degli oligodendrociti (OPC). Analisi ultrastrutturali e morfologiche degli animali mostrano il ruolo di TAG-1 nel reclutamento degli OPC nell'area della lesione. Durante la demielinizzazione, i topi TAG-1+/- mostrano risultati meno evidenti rispetto ai topi TAG-1-/- e Tag-1−/−;plpTg(rTag-1): è pertanto possibile ipotizzare che l'esclusiva espressione gliale della proteina TAG-1 non agisca in maniera protettiva nei confronti della demielinizzazione, ma sia necessaria anche la forma assonale.