Aging is associated with increased prevalence of axonal injuries characterized by poor regeneration and disability. However, the underlying mechanisms remain unclear. In our experiments, RNA sequencing of sciatic dorsal root ganglia (DRG) revealed significant aging-dependent enrichment in T cell signaling both before and after sciatic nerve injury (SNI) in mice. Lymphotoxin activated the transcription factor NF-κB, which induced expression of the chemokine CXCL13 by neurons. This in turn recruited CXCR5+CD8+ T cells to injured DRG neurons overexpressing major histocompatibility complex class I. CD8+ T cells repressed the axonal regeneration of DRG neurons via caspase 3 activation. CXCL13 neutralization prevented CXCR5+CD8+ T cell recruitment to the DRG and reversed aging-dependent regenerative decline, thereby promoting neurological recovery after SNI. Thus, axonal regeneration can be facilitated by antagonizing cross-talk between immune cells and neurons.

Abstract The interruption of spinal circuitry following spinal cord injury disrupts neural activity and is followed by a failure to mount an effective regenerative gene expression response resulting in permanent neurological disability. Functional recovery requires the enhancement of axonal and synaptic plasticity of spared as well as injured fibres, which need to sprout and/or regenerate to form new connections. Here we will investigate whether the combined epigenetic stimulation of the regenerative gene expression program with neuronal activity-dependent enhancement of neuroplasticity and guidance can overcome the current inability to promote neurological recovery in severe and chronic spinal cord injury. This will be carried out by delivering the small molecule CBP/p300 activator CSP-TTK21 in combination with environmental enrichment. We will deliver the CBP/p300 activator CSP-TTK21 weekly between week twelve and twenty following a severe transection model of spinal cord injury in the mouse. Data analysis will assess modifications in regenerative signalling, in motor and sensory axon sprouting and regeneration, in synaptic plasticity as well as in neurological sensorimotor recovery. This approach will advance our mechanistic understanding of regenerative failure and provide insight of whether combining growth promoting strategies with enhancement of neural activity is an effective therapeutic strategy in chronic spinal cord injury.

Abstract Cyclin-dependent-like kinase 5 (Cdkl5) gene mutations lead to an X-linked disorder that is characterized by infantile epileptic encephalopathy, developmental delay and hypotonia. However, we found that a substantial percentage of these patients also report a previously unrecognised anamnestic deficiency in pain perception. Consistent with a role in nociception, we discovered that Cdkl5 is expressed selectively in nociceptive dorsal root ganglia (DRG) neurons in mice and in iPS-derived human nociceptors. CDKL5 deficient mice display defective epidermal innervation and conditional deletion of Cdkl5 in DRG sensory neurons significantly impairs nociception, phenocopying CDKL5 deficiency disorder in patients. Mechanistically, Cdkl5 interacts with CaMKIIα to control outgrowth as well as TRPV1-dependent signalling, which are disrupted in both Cdkl5 mutant murine DRG and human iPS-derived nociceptors. Together, these findings unveil a previously unrecognized role for Cdkl5 in nociception, proposing an original regulatory mechanism for pain perception with implications for future therapeutics in CDKL5 deficiency disorder. One Sentence Summary Cyclin-dependent-like kinase 5 (Cdkl5) controls nociception in patients and murine models of Cdkl5 deficiency disorder via CaMKII-dependent mechanisms

The in vivo three-dimensional genomic architecture of adult mature neurons at homeostasis and after medically relevant perturbations such as axonal injury remains elusive. Here we address this knowledge gap by mapping the three-dimensional chromatin architecture and gene expression programme at homeostasis and after sciatic nerve injury in wild-type and cohesin-deficient mouse sensory dorsal root ganglia neurons via combinatorial Hi-C and RNA-seq. We find that cohesin is required for the full induction of the regenerative transcriptional program, by organising 3D genomic domains required for the activation of regenerative genes. Importantly, loss of cohesin results in disruption of chromatin architecture at regenerative genes and severely impaired nerve regeneration. Together, these data provide an original three-dimensional chromatin map of adult sensory neurons in vivo and demonstrate a role for cohesin-dependent chromatin interactions in neuronal regeneration.

Cyclin-dependent-like kinase 5 ( Cdkl5) gene mutations lead to an X-linked disorder that is characterized by infantile epileptic encephalopathy, developmental delay and hypotonia. However, we found that a substantial percentage of these patients also report a previously unrecognised anamnestic deficiency in pain perception. Consistent with a role in nociception, we discovered that Cdkl5 is expressed selectively in nociceptive dorsal root ganglia (DRG) neurons in mice and in iPS-derived human nociceptors. CDKL5 deficient mice display defective epidermal innervation and conditional deletion of Cdkl5 in DRG sensory neurons significantly impairs nociception, phenocopying CDKL5 deficiency disorder in patients. Mechanistically, Cdkl5 interacts with CaMKIIα to control outgrowth as well as TRPV1-dependent signalling, which are disrupted in both Cdkl5 mutant murine DRG and human iPS-derived nociceptors. Together, these findings unveil a previously unrecognized role for Cdkl5 in nociception, proposing an original regulatory mechanism for pain perception with implications for future therapeutics in CDKL5 deficiency disorder.One Sentence Summary Cyclin-dependent-like kinase 5 (Cdkl5) controls nociception in patients and murine models of Cdkl5 deficiency disorder via CaMKII-dependent mechanisms

Regeneration after injury occurs in axons that lie in the peripheral nervous system but it fails in the central nervous system limiting functional recovery. Despite recent progress, the signalling response to injury of peripheral versus central projecting axons that might underpin this differential regenerative ability is currently largely uncharacterized. To fill this knowledge gap, here we combined axoplasmic proteomics from peripheral sciatic or central projecting dorsal root axons from sciatic DRG neurons. Proteomics was combined with cell body RNAseq to compare axonal and soma responses between a spinal regeneration-incompetent versus sciatic regeneration-competent nerve injury. This allowed the identification of injury-dependent signalling pathways uniquely represented in peripheral versus central projecting sciatic DRG axons. RNAseq and proteomics analysis suggested AMPK as a putative regulator of axonal regenerative signalling pathways. AMPK immunoprecipitation followed by mass spectrometry from DRG suggested that the 26S proteasome and its regulatory subunit PSMC5 preferentially interact with AMPKα for proteasomal degradation following sciatic axotomy. Mechanistically, we found that the proteasome and CaMKIIα-dependent proteasomal subunit PSMC5 regulates AMPKα1 protein expression. Finally, conditional deletion of AMPKα1 promoted multiple regenerative signalling pathways and robust axonal growth across the injured spinal cord, suggesting inhibition of AMPK as a novel regenerative target following spinal injury.

The molecular mechanisms discriminating between regenerative failure and success remain elusive. While a regeneration-competent peripheral nerve injury mounts a regenerative gene expression response in bipolar dorsal root ganglia (DRG) sensory neurons, a regeneration-incompetent central spinal cord injury does not. This dichotomic response offers a unique opportunity to investigate the fundamental biological mechanisms underpinning regenerative ability. Following a pharmacological screen with small molecule inhibitors targeting key epigenetic enzymes in DRG neurons we identified HDAC3 signalling as a novel candidate brake to axonal regenerative growth. In vivo, we determined that only a regenerative peripheral but not a central spinal injury induces an increase in calcium, which activates protein phosphatase 4 that in turn dephosphorylates HDAC3 thus impairing its activity and enhancing histone acetylation. Bioinformatics analysis of ex vivo H3K9ac ChIPseq and RNAseq from DRG followed by promoter acetylation and protein expression studies implicated HDAC3 in the regulation of multiple regenerative pathways. Finally, genetic or pharmacological HDAC3 inhibition overcame regenerative failure of sensory axons following spinal cord injury. Together, these data indicate that PP4-dependent HDAC3 dephosphorylation discriminates between axonal regeneration and regenerative failure.

Summary Peripheral nervous system injuries lead to long-term neurological disability due to limited axonal regenerative ability. Injury-dependent and -independent physiological mechanisms have provided important molecular insight into neuronal regeneration. However, whether common molecular denominators underpin both injury-dependent and independent biological processes remain unclear. Here, we performed a comparative analysis of recently generated transcriptomic datasets associated with the regenerative ability of sciatic dorsal root ganglia (DRG). Surprisingly, circadian rhythms were identified as a the most significantly enriched biological process associated with regenerative capability. We demonstrate that DRG neurons possess an endogenous circadian clock with a 24h oscillations of circadian genes and that their regenerative ability displays a diurnal oscillation in a mouse model of sciatic nerve injury. Consistently, transcriptomic analysis of DRG neurons showed a significant time-of-day dependent enrichment for processes associated with axonal regeneration, development and growth, as well as circadian associated genes, including the core clock genes Bmal1 and Clock . Indeed, DRG-specific ablation of the non-redundant clock gene Bmal1 showed that it is required for regenerative gene expression, neuronal intrinsic circadian regeneration and target reinnervation. Lastly, lithium, a chrono-active compound, enhanced nerve regeneration, in wildtype but not in Bmal1 and Cry1/2 -deficient mice. Together, these data demonstrate that daily rhythms and the molecular clock fine-tune the regenerative response of DRG neurons, and that chrono-active drugs, such as lithium, are a novel potential approach to nerve repair.