The Ca 2+ -activated protein phosphatase calcineurin induces apoptosis, but the mechanism is unknown. Calcineurin was found to dephosphorylate BAD, a pro-apoptotic member of the Bcl-2 family, thus enhancing BAD heterodimerization with Bcl-x L and promoting apoptosis. The Ca 2+ -induced dephosphorylation of BAD correlated with its dissociation from 14-3-3 in the cytosol and translocation to mitochondria where Bcl-x L resides. In hippocampal neurons, l -glutamate, an inducer of Ca 2+ influx and calcineurin activation, triggered mitochondrial targeting of BAD and apoptosis, which were both suppressible by coexpression of a dominant-inhibitory mutant of calcineurin or pharmacological inhibitors of this phosphatase. Thus, a Ca 2+ -inducible mechanism for apoptosis induction operates by regulating BAD phosphorylation and localization in cells.

Several extracellular matrix (ECM) molecules have been identified as potent inhibitors of neurite outgrowth in vitro and are believed to limit axonal growth after CNS injury. Recent studies have shown that different members of the chondroitin sulfate proteoglycan (CSPG) class of putatively inhibitory ECM molecules are expressed after a number of CNS injuries. The purpose of this study was to evaluate the relative amounts of individual CSPGs expressed after spinal cord injury (SCI) and identify their cells of origin. Evaluation of total soluble CSPGs 2 weeks after dorsal column lesion in the rat demonstrated that NG2 is highly upregulated and is a major CSPG species. Immunocytochemical analysis further demonstrated that NG2 expression is upregulated within 24 hr of injury, peaks at 1 week, and remains elevated for at least an additional 7 weeks. NG2 expression results from a multicellular response to injury, including both reactive macrophages and oligodendrocyte progenitors; astrocytes were not identified as a major source of NG2. Immunocytochemical analysis of other CSPG family members 7 d after injury showed moderate upregulation of versican, brevican, and neurocan, and downregulation of phosphacan. Axonal tracing experiments demonstrated dense NG2 labeling adjacent to the forward processes of transected corticospinal tract axons in a spatial profile that could restrict axonal growth. Thus, NG2 is a major component of this putatively inhibitory class of ECM molecules expressed at sites of SCI and may restrict axonal regeneration.

Heparan sulfate (HS) is required for morphogen signaling during Drosophila pattern formation, but little is known about its physiological importance in mammalian development. To define the developmental role of HS in mammalian species, we conditionally disrupted the HS-polymerizing enzyme EXT1 in the embryonic mouse brain. The EXT1-null brain exhibited patterning defects that are composites of those caused by mutations of multiple HS-binding morphogens. Furthermore, the EXT1-null brain displayed severe guidance errors in major commissural tracts, revealing a pivotal role of HS in midline axon guidance. These findings demonstrate that HS is essential for mammalian brain development.

The response of neuronal growth cones to axon guidance cues depends on the developmental context in which these cues are encountered. We show here that the transmembrane protein semaphorin 5A (Sema5A) is a bifunctional guidance cue exerting both attractive and inhibitory effects on developing axons of the fasciculus retroflexus, a diencephalon fiber tract associated with limbic function. The thrombospondin repeats of Sema5A physically interact with the glycosaminoglycan portion of both chondroitin sulfate proteoglycans (CSPGs) and heparan sulfate proteoglycans (HSPGs). CSPGs function as precisely localized extrinsic cues that convert Sema5A from an attractive to an inhibitory guidance cue. Therefore, glycosaminoglycan bound guidance cues provide a molecular mechanism for CSPG-mediated inhibition of axonal extension. Further, axonal HSPGs are required for Sema5A-mediated attraction, suggesting that HSPGs are components of functional Sema5A receptors. Thus, neuronal responses to Sema5A are proteoglycan dependent and interpreted according to the biological context in which this membrane bound guidance cue is presented.

Tissue fibrosis is a major cause of morbidity, and idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) is a terminal illness characterized by unremitting matrix deposition in the lung. The mechanisms that control progressive fibrosis are unknown. Myofibroblasts accumulate at sites of tissue remodeling and produce extracellular matrix components such as collagen and hyaluronan (HA) that ultimately compromise organ function. We found that targeted overexpression of HAS2 (HA synthase 2) by myofibroblasts produced an aggressive phenotype leading to severe lung fibrosis and death after bleomycin-induced injury. Fibroblasts isolated from transgenic mice overexpressing HAS2 showed a greater capacity to invade matrix. Conditional deletion of HAS2 in mesenchymal cells abrogated the invasive fibroblast phenotype, impeded myofibroblast accumulation, and inhibited the development of lung fibrosis. Both the invasive phenotype and the progressive fibrosis were inhibited in the absence of CD44. Treatment with a blocking antibody to CD44 reduced lung fibrosis in mice in vivo. Finally, fibroblasts isolated from patients with IPF exhibited an invasive phenotype that was also dependent on HAS2 and CD44. Understanding the mechanisms leading to an invasive fibroblast phenotype could lead to novel approaches to the treatment of disorders characterized by severe tissue fibrosis.

Abstract Purpose Wolf-Hirschhorn syndrome (WHS), a contiguous gene syndrome caused by the hemizygous deletion of the distal short arm of chromosome 4 where NSD2 is, reportedly exhibits specific DNA methylation signatures in peripheral blood cells. However, responsible genomic loci for signatures are unreported. The objective of the study is to define the loci of WHS-related DNA methylation signatures and to explore the role of NSD2 for the signatures. Methods We conducted genome-wide methylation analysis of individuals with WHS or NSD2 variants using array. We studied genome-edited knock in mice or induced pluripotent stem cells to explore the function of NSD2 variants which are observed in congenital anomaly cases. Results Three undiagnosed cases with NSD2 variants showed WHS-related DNA methylation signatures. These variants were validated to be NSD2 loss-of-function in induced pluripotent stem cells or genome-edited knock-in mice. p.Pro905Leu variant decreased Nsd2 protein levels, and changed Histone H3-Lysine 36 demethylation levels in similar way in the same genomic regions as Nsd2 knock out mice regulated. Nsd2 knock out mice exhibited common DNA methylation changes. Conclusion These results revealed that WHS-related DNA methylation signatures are dependent on NSD2 dysfunction and are useful in diagnosing NSD2 variants of unknown significance.

Abstract Neural crest cells (NCCs) are a migratory population that gives rise to a diverse cell lineage, including the craniofacial complex, the peripheral nervous system, and a part of the heart. Hyaluronan (HA) is a major component of the extracellular matrix, and its tissue levels are dynamically regulated in during development. Although the synthesis of HA has been shown to exert substantial influence on embryonic morphogenesis, the functional importance of the catabolic side of HA turnover is poorly understood. Here, we demonstrate that the transmembrane hyaluronidase TMEM2 plays an essential role in NCC development and the morphogenesis of their derivatives. Wnt1-Cre –mediated Tmem2 knockout ( Tmem2 CKO ) mice exhibit severe craniofacial and cardiovascular abnormalities. Analysis of Tmem2 expression using Tmem2 knock-in reporter mice reveals that Tmem2 is expressed at the site of NCC delamination in the neural tube and in Sox9-positive emigrating NCCs, suggesting that Tmem2 is critical for NCC development. Consistent with this possibility, linage tracing analysis reveals that the contribution of Wnt1-Cre –labeled cells to NCC derivatives is significantly reduced in a Tmem2 -deficient background. Moreover, the emigration of NCCs from the neural tube is greatly reduced in Tmem2 CKO mice. In vitro assays demonstrate that Tmem2 expression is essential for the ability of mouse O9-1 NCCs to form focal adhesion on and migrate into HA-containing substrates. Tmem2 CKO mice also exhibit increased apoptotic cell death in NCC-derived tissues. Collectively, our data demonstrate that Tmem2 is essential for normal development of NCC-derivatives, including the craniofacial complex, and that TMEM2-mediated HA degradation allows NCCs to generate a tissue environment suitable for efficient focal adhesion assembly and migration. This study reveals the hitherto unrecognized functional importance of the catabolic side of HA metabolism in embryonic development and highlights the pivotal role of Tmem2 in the process. Author Summary The functional significance of hyaluronan (HA) in embryonic developmental processes has been demonstrated by studies using genetic manipulation of HA synthesis. However, the expression of HA is regulated not only by its synthesis, but also by its degradation. This issue is of particular importance due to the extremely rapid metabolic turnover of HA. Curiously, mice with mutations/ablations of known hyaluronidase molecules, such as the lysosomal hyaluronidases HYAL1 and HYAL2, exhibit little embryonic phenotypes. This suggests the existence of yet another hyaluronidase molecule that plays a key role in regulating extracellular HA balance in developing tissues. In this context, transmembrane protein 2 (TMEM2) is a novel hyaluronidase that functions on the cell surface. Here, we demonstrate that TMEM2 is expressed at the site of neural crest development and in neural crest cell (NSC)-derived craniofacial tissue, and that NCC-targeted Tmem2 conditional knockout mice develop severe craniofacial defects, which attests to a requirement for TMEM2-mediated extracellular HA degradation in neural crest development. Our in vitro and in vivo analyses on the underlying mechanisms of the phenotype demonstrate that TMEM2 is essential for generating a tissue environment suitable for efficient focal adhesion formation by NCCs. This paper reveals for the first time that the catabolic machinery for HA exerts a specific regulatory role in embryonic morphogenesis, and that its dysregulation of HA degradation leads to severe developmental defects.