Decorin is a member of the expanding group of widely distributed small leucine-rich proteoglycans that are expected to play important functions in tissue assembly. We report that mice harboring a targeted disruption of the decorin gene are viable but have fragile skin with markedly reduced tensile strength. Ultrastructural analysis revealed abnormal collagen morphology in skin and tendon, with coarser and irregular fiber outlines. Quantitative scanning transmission EM of individual collagen fibrils showed abrupt increases and decreases in mass along their axes, thereby accounting for the irregular outlines and size variability observed in cross-sections. The data indicate uncontrolled lateral fusion of collagen fibrils in the decorindeficient mice and provide an explanation for the reduced tensile strength of the skin. These findings demonstrate a fundamental role for decorin in regulating collagen fiber formation in vivo.

Abstract Collagen-I fibrillogenesis is crucial to health and development, where dysregulation is a hallmark of fibroproliferative diseases. Here, we show that collagen-I fibril assembly required a functional endocytic system that recycles collagen-I to assemble new fibrils. Endogenous collagen production was not required for fibrillogenesis if exogenous collagen was available, but the circadian-regulated vacuolar protein sorting (VPS) 33b and collagen-binding integrin-α11 subunit were crucial to fibrillogenesis. Cells lacking VPS33b secrete soluble collagen-I protomers but were deficient in fibril formation, thus secretion and assembly are separately controlled. Overexpression of VPS33b led to loss of fibril rhythmicity and over-abundance of fibrils, which was mediated through integrin α11β1. Endocytic recycling of collagen-I was enhanced in human fibroblasts isolated from idiopathic pulmonary fibrosis, where VPS33b and integrin-α11 subunit were overexpressed at the fibrogenic front; this correlation between VPS33b, integrin-α11 subunit, and abnormal collagen deposition was also observed in samples from patients with chronic skin wounds. In conclusion, our study showed that circadian-regulated endocytic recycling is central to homeostatic assembly of collagen fibrils and is disrupted in diseases.

The ability to quantitate a protein of interest temporally and spatially at subcellular resolution in living cells would generate new opportunities for research and drug discovery but remains a major technical challenge. Here, we describe dynamic protein quantitation (DyProQ) which is effective across microscopy and multiwell platforms. Using collagen as a test protein, CRISPR-Cas9-mediated introduction of nluc (encoding NanoLuciferase, NLuc) into the Col1a2 locus enabled simplification and miniaturisation of procollagen-I (PC-I) quantitation. We robustly assessed extracellular, intracellular, and subcellular PC-I levels, by correlating to known concentrations of recombinant NLuc in the presence of substrate. Loss of collagen causes tissue degeneration whereas excess collagen results in fibrosis (often with poor-outcome) and is evident in aggressive cancers; however, treatment options are extremely limited. Using collagen-DyProQ, we screened a library of 1,971 FDA-approved compounds and identified 10 candidates for repurposing in the treatment of fibrotic and 7 for degenerative diseases.

Collagen is the most abundant secreted protein in vertebrates that persists throughout life without renewal. The unchanging nature of collagen contrasts with observed continued collagen synthesis throughout adulthood and with conventional transcriptional and translational homeostatic mechanisms that replace damaged proteins with new copies. Here we show circadian clock regulation of procollagen transport from ER-to-Golgi and Golgi-to-plasma membrane by sequential rhythmic expression of SEC61, TANGO1, PDE4D and VPS33B. The result is nocturnal procollagen synthesis and daytime collagen fibril assembly in mice. Rhythmic collagen degradation by CTSK maintains collagen homeostasis. This circadian cycle of collagen synthesis, assembly and degradation affects only a pool of newly-synthesized collagen whilst maintaining the persistent collagen network. Disabling the circadian clock causes collagen accumulation and abnormal fibrils in vivo . In conclusion, our study has identified a circadian clock mechanism of protein homeostasis in which a sacrificial pool of collagen is synthesized and removed to maintain tissue function.

Abstract The circadian clock in mammals temporally coordinates physiological and behavioural processes to anticipate daily rhythmic changes in their environment. Chronic disruption to circadian rhythms (e.g., through ageing or shift work) is thought to contribute to a multitude of diseases, including degeneration of the musculoskeletal system. The intervertebral disc (IVD) in the spine contains circadian clocks which control ∼6% of the transcriptome in a rhythmic manner, including key genes involved in extracellular matrix (ECM) homeostasis. However, it remains largely unknown to what extent the local IVD molecular clock is required to drive rhythmic gene transcription and IVD physiology. In this work, we identified profound age-related changes of ECM microarchitecture and an endochondral ossification-like phenotype in the annulus fibrosus (AF) region of the IVD in the Col2a1 - Bmal1 knockout mice. Circadian time series RNA-Seq of the whole IVD in Bmal1 knockout revealed loss of circadian patterns in gene expression, with an unexpected emergence of 12-hour ultradian rhythms, including FOXO transcription factors. Further RNA sequencing of the AF tissue identified region-specific changes in gene expression, evidencing a loss of AF phenotype markers and a dysregulation of ECM and FOXO pathways in Bmal1 knockout mice. Consistent with an up-regulation of FOXO1 mRNA and protein levels in Bmal1 knockout IVDs, inhibition of FOXO1 in AF cells suppressed their osteogenic differentiation. Collectively, these data highlight the importance of the local molecular clock mechanism in the maintenance of the cell fate and ECM homeostasis of the IVD. Further studies may identify potential new molecular targets for alleviating IVD degeneration.

ABSTRACT Awareness that fungal coinfection complicates viral respiratory infections causing worse disease outcome has recently emerged. The environmental fungus Aspergillus fumigatus ( Af ) has been reported as the main driver of fungal coinfection in patients suffering from viral infections caused by Cytomegalovirus, Influenza or more recently SARS-CoV2. The airway epithelium is the first common point of contact between inhaled pathogens and the host. Aberrant airway epithelial cell (AEC) responses against fungal challenge have been described in patients susceptible to aspergillosis. Therefore, it is likely that a dysregulation of AEC responses during fungal-viral coinfection represents a potent driver for the development of fungal disease. Here we used an in vitro model of Af -viral infection of AECs to determine outcomes of spore internalisation, killing and viral replication during coinfection. Our data indicate that viral stimulation, while boosting Af uptake by AECs, limits Af spore killing by those cells, favouring fungal persistence and growth. Type I viral-induced interferon release was significantly decreased in the presence of Af hyphal forms suggesting a possible role of Af secreted factors in modulating viral pathogenicity. We next explored the impact of Af challenge in SARS-CoV2 replication within airway epithelial cells using nano-luciferase as a measure of viral replication. We found that Af increased SARS-CoV2 pathogenicity in a strain-dependent manner. Collectively, our findings demonstrate a mutual inhibition of antifungal and antiviral AEC responses during Af- viral coinfection and also suggest that some fungal factors might be key regulators of co-pathogenicity during in lung infection.

Abstract Collagen is a key structural component of multicellular organisms and is arranged in a highly organised manner. In structural tissues such as tendons, collagen forms bundles of parallel fibres between cells, which appear within a 24 hour window between E13.5 and E14.5 during mouse embryonic development. Current models assume that the organised structure of collagen requires direct cellular control, whereby cells actively lay down collagen fibrils from cell surfaces. However, such models appear incompatible with the time- and length-scales of fibril formation. We propose a phase-transition model to account for the rapid development of ordered fibrils in embryonic tendon, reducing reliance on active cellular processes. We develop phase-field crystal simulations of collagen fibrillogenesis in domains derived from electron micrographs of inter-cellular spaces in embryonic tendon and compare results qualitatively and quantitatively to observed patterns of fibril formation. To test the prediction of this phase-transition model that free protomeric collagen should exist in the intercellular spaces prior to the formation of observable fibrils, we use laser-capture microdissection, coupled with mass spectrometry, which demonstrates steadily increasing free collagen in intercellular spaces up to E13.5, followed by a rapid reduction of free collagen that coincides with the appearance of less soluble collagen fibrils. The model and measurements together provide evidence for extracellular self-assembly of collagen fibrils in embryonic mouse tendon, supporting an additional mechanism for rapid collagen fibril formation during embryonic development.

Collagen fibrils are the primary supporting scaffold of vertebrate tissues but how they are assembled is unclear. Here, using CRISPR-tagging of type I collagen and SILAC labelling, we elucidate the cellular mechanism for the spatiotemporal assembly of collagen fibrils, in cultured fibroblasts. Our findings reveal multifaceted trafficking of collagen, including constitutive secretion, intracellular pooling, and plasma membrane-directed fibrillogenesis. Notably, we differentiate the processes of collagen secretion and fibril assembly and identify the crucial involvement of endocytosis in regulating fibril formation. By employing Col1a1 knockout fibroblasts we demonstrate the incorporation of exogenous collagen into nucleation sites at the plasma membrane through these recycling mechanisms. Our study sheds light on the assembly process and its regulation in health and disease. Mass spectrometry data are available via ProteomeXchange with identifier PXD036794.

ABSTRACT Heavy carbon isotopes in the tendons of people who grew up in the age of nuclear bomb testing have shown that the extracellular matrix (ECM), assembled during development, stays with us for life. However, recent work suggests that type-I collagen in ECM-rich mouse tendon exists in two pools: a permanent matrix, and a more soluble, circadian-regulated matrix. Despite this, the underlying regulation of such distinct pools is not understood. Here, we demonstrate using stable isotope labelling coupled with mass spectrometry proteomics that circadian and permanent matrix pools have significantly different half-lives. Furthermore, the properties of the matrix pools are altered during development and ageing. Tail tendon tissue was harvested from mice fed on a heavy-lysine diet; protein was then extracted for analysis using a sequential two-step protocol. The first, soluble fraction (‘F1’) was found to contain intracellular proteins, and a range of core and associated extracellular matrix proteins, including a pool of type-I collagen shown to be circadian-regulated. The remaining fraction (‘F2’) contained primarily collagens, including type-I collagen which did not show rhythmicity. In adult mice, matrix proteins extracted in the F1 pool had significantly shorter half-lives than F2, including type-I collagen which had half-lives of 4 ± 2 days in F1, compared to 700 ± 100 days in F2. Circadian-regulated matrix proteins were found to have significantly faster turnover than non-circadian in adult mice, but this distinction was lost in older animals. This work identifies protein turnover as the underlying mechanism for the circadian/permanent model of tendon matrix, and suggests a loss of circadian regulation as a characteristic of ECM ageing.

Abstract Successful embryo implantation is associated with intensive endometrium matrix remodeling, in which fibrillar collagens and matrix metalloproteinases play a key role. Here we report that topical treatment with a single dose of human collagenase-1 improves the rate of embryo implantation in murine models regardless of genetic background. Collagenase-1 treatment reduces endometrial collagen-fiber tension affecting their aligned configuration while preserving the overall integrity of the uterine tissue. The collagenase treatment causes enhanced local vascular permeability and creates an inflammatory-like environment, all of which are necessary for successful embryo implantation. We show that this specific treatment rescued heat stress and embryo transfer induced embryo failure in mice. Our findings highlight the clinical feasibility to improve endometrial receptivity for embryo implantation. This treatment approach may be used to improve livestock breeding and for assisted human reproduction medical treatments. Teaser Mild specific collagen remodeling improves endometrial receptivity for natural and embryo- transfer-derived embryo implantation.