Mechanisms of immune modulation mediated by Mesencephalic Astrocyte-derived Neurotrophic Factor

Abstract

Aging is characterized by a progressive decline in tissue function and integrity and an overall decline in regenerative potential. This reduction can be attributed to stem cell intrinsic dysfunctions and alterations in the local and systemic environments, including age-related immune dysfunction. The skeletal muscle is a paradigmatic model to study age-associated loss of regenerative capacity. Muscle repair depends on the precise coordination between myogenesis and the immune response and relies on the balance between pro- and anti-inflammatory signalling. Mesencephalic Astrocyte-derived Neurotrophic Factor (MANF) is an evolutionarily conserved protein with immunomodulatory and tissue repair functions. MANF is widely expressed in the body and was found to be transiently induced during skeletal muscle regeneration, particularly by pro-repair macrophages. However, its levels are downregulated during aging, which is associated with impairments in muscle regeneration and immune responses. In the present study, we intend to investigate the role of MANF in the process of immune modulation during skeletal muscle regeneration. Here, we demonstrate that organismal MANF loss results in a severe regenerative failure with accumulation of necrotic fibres and failure in myofibers formation. Ubiquitous loss of MANF disrupts the immune response to damage, affecting myeloid accumulation, macrophages transition towards a pro-repair state, bone marrow emergency hematopoiesis and the numbers of circulating monocytes. We further explore the specific role of MANF on macrophages, identifying a potential autocrine function in the phenotypic transition of macrophage subpopulations. In addition, we uncover intrinsic alterations in pro-repair macrophages with MANF ablation that can be associated with defective digestion of cellular debris. This work demonstrates how a systemic immune modulator can regulate the immune response to tissue damage at multiple levels, including in the production of myeloid cells and locally during the regenerative process.

O envelhecimento é caracterizado pela redução progressiva da integridade fisiológica e por um declínio da capacidade regenerativa dos tecidos. Este fenómeno está associado a limitações intrínsecas das células estaminais e a alterações sistémicas e do nicho onde se inserem, incluindo alterações da resposta imune. O músculo esquelético é um modelo clássico utilizado no estudo da redução da capacidade regenerativa associada ao envelhecimento. A sua regeneração depende de interações altamente reguladas entre as células estaminais musculares e as células imunes e de um equilíbrio entre os sinais pro- e anti-inflamatórios. O Fator Neurotrófico derivado de Astrócitos Mesencefálicos (MANF) é uma proteína conservada, expressa por vários tipos celulares, com funções imunomoduladoras e de reparação tecidual. Durante a regeneração muscular, o MANF é transitoriamente expresso, particularmente por macrófagos anti-inflamatórios. Porém, durante o envelhecimento, os seus níveis estão reduzidos o que se associa ao comprometimento da regeneração e da resposta imune. Neste estudo temos como objetivo investigar o papel do MANF na regulação da resposta imune durante a regeneração muscular. Assim, demonstramos que a ausência completa de MANF resulta num severo comprometimento da regeneração, com acumulação de fibras necróticas e falha na formação de novas fibras. A perda ubíqua de MANF provoca uma falha da resposta imune, afetando a acumulação de células mieloides, a transição fenotípica dos macrófagos, o processo hematopoiético de emergência e a constituição celular do sangue. Exploramos também o papel específico do MANF nos macrófagos, identificando um possível mecanismo autócrino na transição fenotípica dos macrófagos. Por fim, identificamos alterações estruturais nos macrófagos pro-regenerativos com deleção de MANF, potencialmente associadas a falhas na digestão de material celular. Assim, este trabalho demonstra como um modulador imune sistémico pode regular a resposta imunológica ao dano tecidual a vários níveis, incluindo na produção de células mieloides e localmente durante o processo regenerativo.