Abstract Aims The extent of perihematomal edema following intracerebral hemorrhage (ICH) significantly impacts patient prognosis, and disruption of the blood–brain barrier (BBB) exacerbates perihematomal edema. However, the role of peripheral IL‐10 in mitigating BBB disruption through pathways that link peripheral and central nervous system signals remains poorly understood. Methods Recombinant IL‐10 was administered to ICH model mice via caudal vein injection, an IL‐10‐inhibiting adeno‐associated virus and an IL‐10 receptor knockout plasmid were delivered intraventricularly, and neurobehavioral deficits, perihematomal edema, BBB disruption, and the expression of JAK1 and STAT3 were evaluated. Results Our study demonstrated that the peripheral cytokine IL‐10 mitigated BBB breakdown, perihematomal edema, and neurobehavioral deficits after ICH and that IL‐10 deficiency reversed these effects, likely through the IL‐10R/JAK1/STAT3 signaling pathway. Conclusions Peripheral IL‐10 has the potential to reduce BBB damage and perihematomal edema following ICH and improve patient prognosis.

Abstract The insufficient remyelination due to the impaired oligodendrocyte precursor cell differentiation and maturation is highly associated with irreversible white matter injury and neurological deficits. Consequently, inhibitory components and microenvironment for remyelination might serve as potential therapeutic targets for treating white matter injury after acute central nervous system injury and neurodegeneration diseases. Lipocalin-2 was recently reported to corelate with white matter in both atypical, acute white matter injured disease subarachnoid hemorrhage and typical, chronic white matter injured disease multiple sclerosis. To elucidate the role and underlying mechanism of Lipocalin-2 in oligodendrocyte precursor cell differentiation and remyelination, we used genetic inhibition and a constitutive conditional knockout model with subarachnoid hemorrhage or multiple sclerosis. We found that the genetic inhibition of the increase in Lipocalin-2 promoted oligodendrocyte precursor cell differentiation, remyelination, and functional recovery after subarachnoid hemorrhage or multiple sclerosis. Unexpectedly, the inhibition of Lipocalin-2 did not reduce glial activation and inflammation. Lipocalin-2 was shown to activate Early Growth Response Protein 1 in oligodendrocyte precursor cells, which is partly regulated by its receptor SLC22A17. In the conditional knockout of Early Growth Response Protein 1 in oligodendrocyte precursor cells, we discovered enhanced oligodendrocyte precursor cell differentiation in developing and injured white matter; consistently, the specific inactivation of Early Growth Response Protein 1 promoted remyelination and neurological recovery after subarachnoid hemorrhage or multiple sclerosis. Thus, we propose that following white matter injury in humans, the increase in Lipocalin-2 activates Early Growth Response Protein 1 and consequently impair oligodendrocyte precursor cell differentiation and myelin repair. Our results suggest that therapies specifically inactivating Lipocalin-2/ Early Growth Response Protein 1 signal in oligodendroglial lineage cells could represent a novel strategy to enhance differentiation and remyelination in white matter injury patients.

Abstract Central nervous system (CNS) diseases, such as neurodegenerative disorders and brain diseases caused by acute injuries, are important yet challenging to study due to disease leisions’ locations and other complexities. Utilizing the powerful spatial transcriptome analysis together with novel algorithms we developed for the study, we report here for the first time a 3D trajectory map of gene expression changes in the brain following acute neural injury using a mouse model of intraventricular haemorrhage (IVH). IVH is a common and representative complication after various acute brain injuries with severe mortality and mobility implications. Our data identified three main 3D global pseudospace-time trajectory bundles which represent the main neural circuits from the lateral ventricle to the hippocampus and primary cortex induced by experimental intraventricular haematoma stimulation. Further analysis indicated a rapid response in the primary cortex, as well as a direct and integrated effect on the hippocampus after IVH. These results are informative in understanding the pathophysiological changes, including the spatial and temporal patterns of gene expression changes, in IVH patients after acute brain injuries and strategizing more effective clinical management regimens. The bioinformatics strategies will also be useful for the study of other CNS diseases.

The water-soluble Nrf2 is accepted as a master regulator of antioxidant responses to cellular stress, it was also identified as a direct target of the endoplasmic reticulum (ER)-anchored PERK. However, the membrane-bound Nrf1 response to ER stress remains elusive. Herein, we report a unity of opposites in both Nrf1- and Nrf2-coordinated responses to the ER stressor tunicamycin (TU). The TU-inducible transcription of Nrf1 and Nrf2, as well as GCLM and HO-1, was accompanied by activation of ER stress signaling networks. The unfolded protein response (UPR) mediated by ATF6, IRE1 and PERK was significantly suppressed by Nrf1-specific knockout, but hyper-expression of Nrf2, GCLM and HO-1 was retained in Nrf1α-/- cells. By contrast, Nrf2-/-ΔTA cells with a genomic deletion of its transactivation domain resulted in significant decreases of GCLM, HO-1 and Nrf1; this was accompanied by partial decreases of IRE1 and ATF6, but not PERK, along with an obvious increase of ATF4. Notably, Nrf1 glycosylation and its trans-activity to mediate transcriptional expression of 26S proteasomal subunits were repressed by TU. This inhibitory effect was enhanced by Nrf1α-/- and Nrf2-/-ΔTA, but not by a constitutive activator caNrf2ΔN (that increased abundances of non-glycosylated and processed Nrf1). Furthermore, caNrf2ΔN also enhanced induction of PERK and IRE1 by TU, but reduced expression of ATF4 and HO-1. Such distinct roles of Nrf1 and Nrf2 are unified to maintain cell homeostasis by a series of coordinated ER-to-nuclear signaling responses to TU. Overall, Nrf1α acts in a cell-autonomous manner to determine transcription of most of UPR-target genes, albeit Nrf2 is also partially involved in this process.

Abstract The single Nrf1 gene has capability to be differentially transcripted alongside with alternative mRNA-splicing and subsequent translation through different initiation signals so as to yield distinct lengths of polypeptide isoforms. Amongst them, three of the most representatives are Nrf1α, Nrf1β and Nrf1γ, but the putative specific contribution of each isoform to regulating ARE-driven target genes remains unknown. To address this, we have here established three cell lines on the base of the Flp-In ™ T-REx ™ system, which are allowed for tetracycline-inducibly stable expression of Nrf1α, Nrf1β and Nrf1γ. The RNA-Sequencing results have demonstrated that a vast majority of differentially expressed genes (i.e. >90% DEGs detected) were dominantly up-regulated by Nrf1α and/or Nrf1β following induction by tetracycline. By contrast, other DEGs regulated by Nrf1γ were far less than those regulated by Nrf1α/β (i.e. ~11% of Nrf1α and 7% of Nrf1β). Further transcriptomic analysis revealed that tetracycline-induced expression of Nrf1γ significantly increased the percentage of down-regulated genes in total DEGs. These statistical data were further validated by quantitative real-time PCR. The experimental results indicate that distinct Nrf1 isoforms make diverse and even opposing contributions to regulating different subsets of target genes, such as those encoding 26S proteasomal subunits and others involved in various biological processes and functions. Collectively, Nrf1γ acts as a major dominant-negative competitor against Nrf1α/β activity, such that a number of DEGs regulated by Nrf1α/β are counteracted by Nrf1γ.

Our previous work revealed that Nrf1α exerts a tumor-repressing effect because its genomic loss (to yield Nrf1α-/-) results in oncogenic activation of Nrf2 and target genes. Interestingly, β-catenin is concurrently activated by loss of Nrf1α in a way similar to β-catenin-driven liver tumor. However, a presumable relationship between Nrf1 and β-catenin is not as yet established. Here, we demonstrate that Nrf1 enhanced ubiquitination of β-catenin for targeting to proteasomal degradation. Conversely, knockdown of Nrf1 by its short-hairpin RNA (shNrf1) caused accumulation of β-catenin so as to translocate the nucleus, allowing activation of a subset of Wnt-β-catenin signaling responsive genes, which leads to the epithelial-mesenchymal transition (EMT) and related cellular processes. Such silencing of Nrf1 resulted in malgrowth of human hepatocellular carcinoma, along with malignant invasion and metastasis to the lung and liver in xenograft model mice. Further transcriptomic sequencing unraveled significant differences in the expression of both Wnt/β-catenin-dependent and -independent responsive genes implicated in the cell process, shape and behavior of the shNrf1-expressing tumor. Notably, we identified that β-catenin is not a target gene of Nrf1, but this CNC-bZIP factor contributes to differential or opposing expression of other critical genes, such as CDH1, Wnt5A, Wnt11A, FZD10, LEF, TCF4, SMAD4, MMP9, PTEN, PI3K, JUN and p53, each of which depends on the positioning of distinct cis-regulatory sequences (e.g., ARE and/or AP-1 binding sites) in the gene promoter contexts. In addition, altered expression profiles of some Wntt-β-catenin signaling proteins were context-dependent, as accompanied by decreased abundances of Nrf1 in the clinic human hepatomas with distinct differentiation. Together, these results corroborate the rationale that Nrf1 acts as a bona fide dominant tumor-repressor, by its intrinsic inhibition of Wnt-β-catenin signaling and relevant independent networks in cancer development and malignant progression.

Liver-specific knockout of Nrf1 in mice leads to non-alcoholic steatohepatitis with dyslipidemia, and its deterioration results in spontaneous hepatoma, but the underlying mechanism remains elusive. A similar pathological model is herein reconstructed by using human Nrf1α-specific knockout cell lines. We demonstrated that a marked increase of the inflammation marker COX2 in Nrf1α-/- cells. Loss of Nrf1α leads to hyperactivation of Nrf2, which results from substantial decreases in both Keap1 and PTEN in Nrf1α-/- cells. Further investigation of xenograft mice showed that malignant growth of Nrf1α-/--derived tumor is almost abolished by silencing Nrf2, while Nrf1α+/+-tumor is markedly repressed by inactive Nrf2-/-ΔTA, but unaffected by a priori constitutive activator of caNrf2ΔN. Mechanistic studies unraveled there exist opposing and unifying inter-regulatory cross-talks between Nrf1 and Nrf2. Collectively, Nrf1α manifests a dominant tumor-suppressive effect by confining Nrf2 oncogenicity, while Nrf2 can directly activate the transcriptional expression of Nrf1 to form a negative feedback loop.