The signals that determine whether axons are ensheathed or myelinated by Schwann cells have long been elusive. We now report that threshold levels of neuregulin-1 (NRG1) type III on axons determine their ensheathment fate. Ensheathed axons express low levels whereas myelinated fibers express high levels of NRG1 type III. Sensory neurons from NRG1 type III deficient mice are poorly ensheathed and fail to myelinate; lentiviral-mediated expression of NRG1 type III rescues these defects. Expression also converts the normally unmyelinated axons of sympathetic neurons to myelination. Nerve fibers of mice haploinsufficient for NRG1 type III are disproportionately unmyelinated, aberrantly ensheathed, and hypomyelinated, with reduced conduction velocities. Type III is the sole NRG1 isoform retained at the axon surface and activates PI 3-kinase, which is required for Schwann cell myelination. These results indicate that levels of NRG1 type III, independent of axon diameter, provide a key instructive signal that determines the ensheathment fate of axons.

Summary In the developing central nervous system, oligodendrocyte precursor cells (OPCs) differentiate into oligodendrocytes, which form myelin around axons. Oligodendrocytes and myelin are essential for the function of the central nervous system, as evidenced by the severe neurological symptoms that arise in demyelinating diseases such as multiple sclerosis and leukodystrophy. Although many cell-intrinsic mechanisms that regulate oligodendrocyte development and myelination have been reported, it remains unclear whether interactions among oligodendrocyte-lineage cells (OPCs and oligodendrocytes) affect oligodendrocyte development and myelination. Here, we show that blocking vesicle-associated membrane protein (VAMP) 1/2/3-dependent exocytosis from oligodendrocyte-lineage cells impairs oligodendrocyte development, myelination, and motor behavior in mice. Adding oligodendrocyte-lineage cell-secreted molecules to secretion-deficient OPC cultures partially restores the morphological maturation of oligodendrocytes. Moreover, we identified L-type prostaglandin D synthase as an oligodendrocyte-lineage cell-secreted protein that promotes oligodendrocyte development and myelination in vivo . These findings reveal a novel autocrine/paracrine loop model for the regulation of oligodendrocyte and myelin development.

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.

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.

We previously reported that in the absence of Prostaglandin D2 synthase (L-PGDS) peripheral nerves are hypomyelinated in development and that with aging they present aberrant myelin sheaths. We now demonstrate that L-PGDS expressed in Schwann cells is part of a coordinated program aiming at preserving myelin integrity.