Protein phosphorylation regulates virtually all biological processes. Although protein kinases are popular drug targets, targeting protein phosphatases remains a challenge. Here, we describe Sephin1 (selective inhibitor of a holophosphatase), a small molecule that safely and selectively inhibited a regulatory subunit of protein phosphatase 1 in vivo. Sephin1 selectively bound and inhibited the stress-induced PPP1R15A, but not the related and constitutive PPP1R15B, to prolong the benefit of an adaptive phospho-signaling pathway, protecting cells from otherwise lethal protein misfolding stress. In vivo, Sephin1 safely prevented the motor, morphological, and molecular defects of two otherwise unrelated protein-misfolding diseases in mice, Charcot-Marie-Tooth 1B, and amyotrophic lateral sclerosis. Thus, regulatory subunits of phosphatases are drug targets, a property exploited here to safely prevent two protein misfolding diseases.

Abstract Charcot Marie Tooth diseases type 1A (CMT1A), caused by duplication of Peripheral Myelin Protein 22 ( PMP22 ) gene, and CMT1B, caused by mutations in myelin protein zero ( MPZ ) gene are the two most common forms of demyelinating CMT (CMT1) and no treatments are available for either. Prior studies of the Mpz Ser63del mouse model of CMT1B have demonstrated that protein misfolding, endoplasmic reticulum (ER) retention and activation of the unfolded protein response (UPR) contributed to the neuropathy. Heterozygous patients with an arginine to cysteine mutation in MPZ ( MPZ R98C) develop a severe infantile form of CMT1B which is modeled by Mpz R98C/+ mice that also show ER-stress and an activated UPR. C3-PMP22 mice are considered to effectively model CMT1A. Altered proteostasis, ER-stress and activation of the UPR have been demonstrated in mice carrying Pmp22 mutations. To determine whether enabling the ER-stress/UPR and readjusting protein homeostasis would effectively treat these models of CMT1B and CMT1A we administered Sephin1/IFB-088/icerguestat, a UPR modulator which showed efficacy in the MpzS63del model of CMT1B, to heterozygous Mpz R98C and C3-PMP22 mice. Mice were analyzed by behavioral, neurophysiological, morphological and biochemical measures. Both Mpz R98C/+ and C3-PMP22 mice improved in motor function and neurophysiology. Myelination, as demonstrated by g-ratios and myelin thickness, improved in CMT1B and CMT1A mice and markers of UPR activation returned towards wild type values. Taken together our results demonstrate the capability of IFB-088 to treat a second mouse model of CMT1B and a mouse model of CMT1A, the most common form of CMT. Given the recent benefits of IFB-088 treatment in Amyotrophic Lateral Sclerosis and Multiple Sclerosis animal models, these data demonstrate its potential in managing UPR and ER-stress for multiple mutations in CMT1 as well as in other neurodegenerative diseases.

Abstract Mutations in myelin protein zero (MPZ) are generally associated with Charcot-Marie-Tooth type 1B (CMT1B) disease, one of the most common forms of demyelinating neuropathy. Pathogenesis of some MPZ mutants, such as S63del and R98C, involves the misfolding and retention of MPZ in the endoplasmic reticulum (ER) of myelinating Schwann cells. To cope with proteotoxic ER-stress, Schwann cells mount an unfolded protein response (UPR) characterized by activation of the PERK, ATF6 and IRE1α/XBP1 pathways. Previous results showed that targeting the PERK UPR pathway mitigates neuropathy in mouse models of CMT1B; however, the contributions of other UPR pathways in disease pathogenesis remains poorly understood. Here, we probe the importance of the IRE1α/XBP1 signalling during normal myelination and in CMT1B. In response to ER stress, IRE1α is activated to stimulate the non-canonical splicing of Xbp1 mRNA to generate spliced Xbp1 ( Xbp1s ). This results in the increased expression of the adaptive transcription factor XBP1s, which regulates the expression of genes involved in diverse pathways including ER proteostasis. We generated mouse models where Xbp1 is deleted specifically in Schwann cells, preventing XBP1s activation in these cells. We observed that Xbp1 is dispensable for normal developmental myelination, myelin maintenance and remyelination after injury. However, Xbp1 deletion dramatically worsens the hypomyelination and the electrophysiological and locomotor parameters observed in young and adult CMT1B neuropathic animals. RNAseq analysis suggested that XBP1s exerts its adaptive function in CMT1B mouse models in large part via the induction of ER proteostasis genes. Accordingly, the exacerbation of the neuropathy in Xbp1 deficient mice was accompanied by upregulation of ER-stress pathways and of IRE1-mediated RIDD signaling in Schwann cells, suggesting that the activation of XBP1s via IRE1 plays a critical role in limiting mutant protein toxicity and that this toxicity cannot be compensated by other stress responses. Schwann cell specific overexpression of XBP1s partially re-established Schwann cell proteostasis and attenuated CMT1B severity in both the S63del and R98C mouse models. In addition, the selective, pharmacologic activation of IRE1α/XBP1 signaling ameliorated myelination in S63del dorsal root ganglia explants. Collectively, these data show that XBP1 has an essential adaptive role in different models of proteotoxic CMT1B neuropathy and suggest that activation of the IRE1α/XBP1 pathway may represent a therapeutic avenue in CMT1B and possibly for other neuropathies characterized by UPR activation.

Spinal and bulbar muscular atrophy (SBMA) is caused by polyglutamine (polyQ) expansions in the androgen receptor (AR) gene. Although clinical and experimental evidence highlight a primary role for skeletal muscle in the onset, progression, and outcome of disease, the pathophysiological and molecular processes underlying SBMA muscle atrophy are poorly understood. Here we show that polyQ-expanded AR alters intrinsic muscle force generation before denervation. Reduced muscle force was associated with a switch in fiber-type composition, disrupted muscle striation, altered calcium (Ca++) dynamics in response to muscle contraction, and aberrant expression of excitation-contraction coupling (ECC) machinery genes in transgenic, knock-in and inducible SBMA mice and patients. Importantly, treatment to suppress polyQ-expanded AR toxicity restored ECC gene expression back to normal. Suppression of AR activation by surgical castration elicited similar ECC gene expression changes in normal mice, suggesting that AR regulates the expression of these genes in physiological conditions. Bioinformatic analysis revealed the presence of androgen-responsive elements on several genes involved in muscle function and homeostasis, and experimental evidence showed AR-dependent regulation of expression and promoter occupancy of the most up-regulated gene from transcriptomic analysis in SBMA muscle, i.e. sarcolipin, a key ECC gene. These observations reveal an unpredicted role for AR in the regulation of expression of genes involved in muscle contraction and Ca++ dynamics, a level of muscle function regulation that is disrupted in SBMA muscle, yet restored by pharmacologic treatment.

Abstract Myelin is essential for rapid nerve impulse propagation and axon protection. Accordingly, defects in myelination or myelin maintenance lead to secondary axonal damage and subsequent degeneration. Studies utilizing genetic (CNPase-, MAG-, and PLP-null mice) and naturally occurring neuropathy models suggest that myelinating glia also support axons independently from myelin. Myelin protein zero (MPZ or P0), which is expressed only by Schwann cells, is critical for myelin formation and maintenance in the peripheral nervous system. Many mutations in MPZ are associated with demyelinating neuropathies (Charcot-Marie-Tooth disease type 1B [CMT1B]). Surprisingly, the substitution of threonine by methionine at position 124 of P0 (P0T124M) causes axonal neuropathy (CMT2J) with little to no myelin damage. This disease provides an excellent paradigm to understand how myelinating glia support axons independently from myelin. To study this, we generated targeted knock-in P0T124M mutant mice, a genetically authentic model of T124M-CMT2J neuropathy. Similar to patients, these mice develop axonopathy between 2 and 12 months of age, characterized by impaired motor performance, normal nerve conduction velocities but reduced compound motor action potential amplitudes, and axonal damage with only minor compact myelin modifications. Mechanistically, we detected metabolic changes that could lead to axonal degeneration, and prominent alterations in non-compact myelin domains such as paranodes, Schmidt-Lanterman incisures, and gap junctions, implicated in Schwann cell-axon communication and axonal metabolic support. Finally, we document perturbed mitochondrial size and distribution along P0T124M axons suggesting altered axonal transport. Our data suggest that Schwann cells in P0T124M mutant mice cannot provide axons with sufficient trophic support, leading to reduced ATP biosynthesis and axonopathy. In conclusion, the P0T124M mouse model faithfully reproduces the human neuropathy and represents a unique tool for identifying the molecular basis for glial support of axons.

Charcot-Marie-Tooth neuropathies (CMTs) are a group of genetic disorders that affect the peripheral nervous system (PNS) with heterogeneous pathogenesis and no available treatment. Axonal Neuregulin 1 type III (Nrg1TIII) drives peripheral nerve myelination by activating downstream signaling pathways such as PI3K/Akt and MAPK/Erk that converge on master transcriptional regulators of myelin genes, such as Krox20. We reasoned that modulating Nrg1TIII activity may constitute a general therapeutic strategy to treat CMTs that are characterized by reduced levels of myelination. Here, we show that genetic overexpression of Nrg1TIII ameliorates neurophysiological and morphological parameters in a mouse model of demyelinating CMT1B, without exacerbating the toxic gain of function that underlies the neuropathy. Intriguingly, the mechanism appears not to be related to Krox20 or myelin gene upregulation, but rather to a beneficial rebalancing in the stoichiometry of myelin lipids and proteins. Finally, we provide proof of principle that stimulating Nrg1TIII signaling, by pharmacological suppression of the Nrg1TIII inhibitor TACE/ADAM17, also ameliorates the neuropathy. Thus, modulation of Nrg1TIII by TACE/ADAM17 inhibition may represent a general treatment for hypomyelinating neuropathies.

Myelin sheath thickness is precisely regulated and essential for rapid propagation of action potentials along myelinated axons. In the peripheral nervous system, extrinsic signals from the axonal protein neuregulin 1 type III regulate Schwann cell fate and myelination. Here we ask if modulating neuregulin 1 type III levels in neurons would restore myelination in a model of congenital hypomyelinating neuropathy (CHN). Using a mouse model of CHN, we rescued the myelination defects by early overexpression of neuregulin 1 type III. Surprisingly, the rescue was independent from the upregulation of Egr2 or essential myelin genes. Rather, we observed the activation of MAPK/ERK and other myelin genes such as peripheral myelin protein 2 (Pmp2) and oligodendrocyte myelin glycoprotein (Omg). We also confirmed that the permanent activation of MAPK/ERK in Schwann cells has detrimental effects on myelination. Our findings demonstrate that the modulation of axon-to-glial neuregulin 1 type III signaling has beneficial effects and restores myelination defects during development in a model of CHN.