Abstract The developing CNS is exposed to physiological hypoxia, under which hypoxia inducible factor alpha (HIFα) is stabilized and plays a crucial role in regulating neural development. The cellular and molecular mechanisms of HIFα in developmental myelination remain incompletely understood. Previous concept proposes that HIFα regulates CNS developmental myelination by activating the autocrine Wnt/β-catenin signaling in oligodendrocyte progenitor cells (OPCs). Here, by analyzing a battery of genetic mice of both sexes, we presented in vivo evidences supporting an alternative understanding of oligodendroglial HIFα-regulated developmental myelination. At the cellular level, we found that HIFα was required for developmental myelination by transiently controlling upstream OPC differentiation but not downstream oligodendrocyte maturation and that HIFα dysregulation in OPCs but not oligodendrocytes disturbed normal developmental myelination. We demonstrated that HIFα played a minor, if any, role in regulating canonical Wnt signaling in the oligodendroglial lineage or in the CNS. At the molecular level, blocking autocrine Wnt signaling did not affect HIFα-regulated OPC differentiation and myelination. We further identified HIFα-Sox9 regulatory axis as an underlying molecular mechanism in HIFα-regulated OPC differentiation. Our findings support a concept shift in our mechanistic understanding of HIFα-regulated CNS myelination from the previous Wnt-dependent view to a Wnt-independent one and unveil a previously unappreciated HIFα-Sox9 pathway in regulating OPC differentiation.

Appropriate proliferation and repopulation of oligodendrocyte progenitor cells (OPCs) determine successful (re)myelination in homeostatic and demyelinating brains. Activating mutations in p21-activated kinase 1 (PAK1) cause intellectual disability, neurodevelopmental abnormality, and white matter anomaly in children. It remains unclear if and how PAK1 regulates oligodendroglial development. Here, we report that PAK1 controls proliferation and regeneration of OPCs. Unlike differentiating oligodendrocytes, OPCs display high PAK activity which maintains them in a proliferative state by modulating PDGFRa-mediated mitogenic signaling. PAK1-deficient or kinase-inhibited OPCs reduce their proliferation capacity and population expansion. Mice carrying OPC-specific PAK1 deletion or kinase inhibition are populated with fewer OPCs in the homeostatic and demyelinated CNS than control mice. Together, our findings suggest that kinase-activating PAK1 mutations stall OPCs in a progenitor state, impacting timely oligodendroglial differentiation in the CNS of affected children and that PAK1 is a potential molecular target for replenishing OPCs in demyelinating lesions.

ABSTRACT Promoting oligodendrocyte differentiation represents a promising option for remyelination therapy for treating the demyelinating disease multiple sclerosis (MS). The Wnt effector TCF7l2 was upregulated in MS lesions and had been proposed to inhibit oligodendrocyte differentiation. Recent data suggest the opposite yet underlying mechanisms remain elusive. Here we unravel a previously unappreciated function of TCF7l2 in controlling autocrine bone morphogenetic protein (BMP4)-mediated signaling. Disrupting TCF7l2 results in oligodendroglial-specific BMP4 upregulation and canonical BMP4 signaling activation in vivo . Mechanistically, TCF7l2 binds to Bmp4 gene regulatory element and directly represses its transcriptional activity. Functionally, enforced TCF7l2 expression promotes oligodendrocyte differentiation by reducing autocrine BMP4 secretion and dampening BMP4 signaling. Importantly, compound genetic disruption demonstrates that oligodendroglial-specific BMP4 deletion rescues arrested oligodendrocyte differentiation elicited by TCF7l2 disruption in vivo . Collectively, our study reveals a novel connection between TCF7l2 and BMP4 in oligodendroglial lineage and provides new insights into augmenting TCF7l2 for promoting remyelination in demyelinating disorders such as MS. Significance Statement Incomplete or failed myelin repairs, primarily resulting from the arrested differentiation of myelin-forming oligodendrocytes from oligodendroglial progenitor cells, is one of the major reasons for neurological progression in people affected by multiple sclerosis (MS). Using in vitro culture systems and in vivo animal models, this study unraveled a previously unrecognized autocrine regulation of BMP4-mediated signaling by the Wnt effector TCF7l2. We showed for the first time that TCF7l2 promotes oligodendroglial differentiation by repressing BMP4-mediated activity, which is dysregulated in MS lesions. Our study suggests that elevating TCF7l2 expression may be possible in overcoming arrested oligodendroglial differentiation as observed in MS patients.

Abstract The function of poly(ADP-ribosyl) polymerase 1 (PARP1) in myelination and remyelination of the central nervous system (CNS) remain enigmatic. Here we report that PARP1 is an intrinsic driver for oligodendroglial development and myelination. Genetic PARP1 depletion impairs the differentiation of oligodendrocyte progenitor cells (OPCs) into oligodendrocytes and impedes CNS myelination. Mechanistically, PARP1-mediated PARylation activity is not only necessary but also sufficient for OPC differentiation. At the molecular level, we identify the RNA-binding protein Myef2 as a novel PARylated target which we show controls OPC differentiation through PARylation-modulated de-repression of myelin protein expression. Furthermore, PARP1’s enzymatic activity is necessary for oligodendrocyte and myelin regeneration after demyelination. Together, our findings suggest that PARP1-mediated PARylation activity may be a potential therapeutic target for promoting OPC differentiation and remyelination in neurological disorders characterized by arrested OPC differentiation and remyelination failure such as multiple sclerosis.

ABSTRACT This study investigated the feasibility and efficiency of neuron-targeting hybrid placental mesenchymal stromal cell-derived extracellular vesicles (PMSC-EVs), engineered by membrane fusion with Targeted Axonal Import (TAxI) peptide modified, TrkB agonist 7,8-DHF-loaded liposomes for treatment of myelomeningocele (MMC) via intra-amniotic cavity administration. The prepared TAxI modified liposomes with 7,8-DHF were used to fuse with PMSC-EVs. Different fusion approaches were investigated and freeze-thaw-extrude method was found to be the optimal. The engineered PMSC-EVs had a uniform particle size and efficiently loaded 7,8-DHF. It also had typical markers of native EVs. Freeze-thaw-extrude process did not change the release profile of 7,8-DHF from engineered EVs compared to TAxI modified, 7,8-DHF loaded liposomes. The engineered EVs could elicit TrkB phosphorylation depending on the incorporation of 7,8-DHF while native EVs did not. The engineered EVs increased neurite outgrowth of apoptotic cortical neurons induced by staurosporine, suggesting that they exhibited neuroprotective function. In a rodent model of MMC, neuron-targeting, engineered EVs became an active targeting delivery system to MMC defect sites. Pups treated with engineered EVs had the lowest density of apoptotic cells and displayed a therapeutic outcome. The study suggests the potential use of engineered hybrid, active neuron-targeting EVs for the in utero treatment of MMC.

The mechanisms by which oligodendroglia modulate CNS angiogenesis remain elusive. Previous in vitro data suggest that oligodendroglia regulate CNS endothelial cell proliferation and blood vessel formation through hypoxia inducible factor alpha (HIFα)-activated Wnt (but not VEGF) signaling. Using in vivo genetic models, we show that HIFα in oligodendroglia is necessary and sufficient for angiogenesis independent of CNS regions. At the molecular level, HIFα stabilization in oligodendroglia does not perturb Wnt signaling but remarkably activates VEGF. At the functional level, genetically blocking oligodendroglia-derived VEGF but not Wnt significantly decreases oligodendroglial HIFα-regulated CNS angiogenesis. Interestingly, blocking astroglia-derived Wnt signaling reduces astroglial HIFα-regulated CNS angiogenesis. Together, our in vivo data clearly demonstrate that oligodendroglial HIFα regulates CNS angiogenesis through Wnt-independent and VEGF-dependent signaling. Our findings represent an alternative mechanistic understanding of CNS angiogenesis by postnatal glial cells and unveil a glial cell type-dependent HIFα-Wnt axis in regulating CNS vessel formation.

Abstract Serine protease inhibitor clade A member 3n (Serpina3n) or its human orthologue SERPINA3 is a secretory glycoprotein expressed primarily in the liver and brain under homeostatic conditions and dysregulated in various CNS pathologies. Yet its cellular expression profile and physiological significance in postnatal development remain elusive. Here, we showed that Serpina3n protein is expressed predominantly in oligodendroglial lineage cells in the postnatal CNS and that oligodendrocytes (OLs) responded to oxidative injury by upregulating Serpina3n production and secretion. Using loss-of-function genetic tools, we found that Serpina3n conditional knockout (cKO) from Olig2-expressing cells did not affect motor and cognitive functions in mice. Serpina3n depletion in Olig2-expressing cells did not appear to interfere with oligodendrocyte differentiation and developmental myelination nor affect the population of other glial cells and neurons in vivo . In vitro primary cell culture showed that Serpina3n-sufficient and -deficient oligodendroglial progenitor cells (OPCs) differentiated into myelin gene-expressing OLs comparatively. Together, these data suggest that Serpina3n plays a minor role, if any, in regulating brain neural cell development and myelination under homeostatic conditions and raise interests in pursuing its functional significance in CNS diseases and injuries.