Role of collagen VI in peripheral nerves and wound-induced hair regrowth

Collagen VI is an extracellular matrix (ECM) molecule dynamically expressed in a variety of tissues, including peripheral nerves and skin. However, the role of collagen VI in the peripheral nervous system (PNS) and hair follicle growth is yet unknown. The main focus of my PhD study was to investigate the role and the underlying mechanisms of collagen VI in peripheral nerve myelination and function, in PNS regeneration, as well as in wound-induced hair growth. During the first year of my PhD, I focused on investigating the phenotype of peripheral nerve myelination and function in collagen VI null (Col6a1–/–) mice. The data shows that Schwann cells, but not axons, contribute to collagen VI deposition in peripheral nerves. Lack of collagen VI in Col6a1–/– mice leads to hypermyelination via multiple signaling pathways, disorganized C-fibers in the PNS, impaired nerve conduction velocity, and sensorimotor dysfunction. These findings indicate that that collagen VI is a critical component of PNS contributing to the structural integrity and proper function of peripheral nerves. The second part of my PhD work focused on investigating the role of collagen VI in PNS under pathological conditions using nerve crush injury models, and revealed a novel mechanism of this ECM protein in modulating macrophage function. The results show that collagen VI is critical for macrophage migration and polarization during peripheral nerve regeneration. Nerve injury induces a robust upregulation of collagen VI, whereas lack of collagen VI in Col6a1–/– mice delays peripheral nerve regeneration. In vitro studies demonstrated that collagen VI promotes macrophage migration and polarization via AKT and PKA pathways. Col6a1–/– macrophages exhibit impaired migration abilities and reduced anti-inflammatory (M2) phenotype polarization, but are prone to skewing towards pro-inflammatory (M1) phenotype. In vivo, macrophage recruitment and M2 polarization are impaired in Col6a1–/– mice after nerve injury. The delayed nerve regeneration of Col6a1–/– mice is induced by macrophage deficits and rejuvenated by transplantation of wild-type bone marrow cells. These results identify collagen VI as a novel regulator for peripheral nerve regeneration by modulating macrophage function. In the last year of my PhD I moved my focus to skin homeostasis and investigated the role of collagen VI in wound-induced hair regrowth. The data shows that collagen VI is strongly deposited in hair follicles, and it is dramatically upregulated by skin wounding. Lack of collagen VI in Col6a1–/– mice promotes wound-induced hair regrowth, but does not affect skin regeneration. Conversely, addition of purified collagen VI rescues the abnormal wound-induced hair regrowth in Col6a1–/– mice. Mechanistic studies revealed that the increased wound-induced hair regrowth of Col6a1–/– mice is triggered by upregulation of Keratin 79 and activation of the Wnt/beta-catenin signaling pathway, and is abolished by inhibition of the Wnt/beta-catenin pathway. These findings highlight the essential relationships between ECM and hair follicle regeneration, and point at collagen VI as a potential therapeutic target for hair loss. Altogether, the data I obtained during my PhD studies strongly support a key role of collagen VI in peripheral nerves and wound-induced hair follicle growth, thus paving the way for future studies on ECM molecules in PNS and skin under physiological and pathological conditions.

Il collagene VI è una proteina della matrice extracellulare (MEC), espressa in un’ampia varietà di tessuti, inclusi i nervi periferici e la pelle. La funzione del collagene VI nel sistema nervoso periferico (SNP) e nel follicolo pilifero rimane tuttavia ancora sconosciuta. L'obiettivo principale del mio studio di dottorato è stato quindi, quello di indagare il ruolo del collagene VI nella mielinizzazione dei nervi periferici ed i meccanismi molecolari con cui ne regola la funzione e la rigenerazione in seguito a danno, così come nella rigenerazione pilifera indotta da ferita. Durante il primo anno di dottorato, mi sono concentrato sullo studio del processo di mielinizzazione e sulla funzione dei nervi periferici in topi Col6a1–/–, privi di collagene VI. I dati dimostrano che le cellule di Schwann, ma non il comparto neuronale, contribuiscono alla deposizione del collagene VI nei nervi periferici. In assenza della proteina, si osservano ipermielinizzazione, causata dalla dis-regolazione di diversi meccanismi di segnalazione molecolare, disorganizzazione delle fibre di tipo C, deficits nella velocità di conduzione nervosa e nelle funzioni sensoriali e motorie. Questi risultati indicano che il collagene VI è un componente critico nel SNP, che contribuisce alla integrità strutturale e al corretto funzionamento dei nervi periferici. La seconda parte del mio lavoro di dottorato è incentrata sullo studio del ruolo del collagene VI nel SNP in condizioni patologiche, sfruttando un modello di lesione nervosa. Ciò ha rivelato un nuovo ruolo di questa proteina della MEC nel modulare la funzione dei macrofagi. I risultati mostrano che il collagene VI è fondamentale per la migrazione e la polarizzazione dei macrofagi durante la rigenerazione dei nervi periferici. La lesione del nervo induce una notevole over-espressione del collagene VI, mentre in assenza della proteina, nei topi Col6a1–/– si osserva un ritardo nella rigenerazione. Studi in vitro hanno dimostrato che il collagene VI promuove la migrazione e la polarizzazione dei macrofagi per mezzo di AKT e PKA. Macrofagi derivati da topi Col6a1–/– presentano ridotte capacità di migrazione e di polarizzazione verso il fenotipo anti-infiammatorio (M2), mentre risultano inclini al fenotipo pro-infiammatorio (M1). Anche in vivo, il reclutamento dei macrofagi e la polarizzazione in senso M2 appaiono compromesse in topi Col6a1–/– post-lesione. La rigenerazione dei nervi periferici è ritardata nei topi Col6a1–/–, a causa dei deficit a carico dei macrofagi, ma è recuperata in seguito a trapianto di cellule wild-type del midollo osseo. Questi risultati identificano il collagene VI come componente fondamentale nella regolazione della rigenerazione del nervo periferico modulando la funzione dei macrofagi. Nell'ultimo anno del mio dottorato la mia attenzione si è focalizzata sull’omostasi della pelle, studiando il ruolo del collagene VI nella ricrescita del pelo in seguito a lesione. I dati mostrano che il collagene VI è depositato ampiamente nei follicoli piliferi, ed è drammaticamente up-regolato in seguito a lesione della pelle. In assenza di collagene VI, in topi Col6a1–/–, la ricrescita del pelo appare favorita in seguito a lesione, senza che vi sia alcuna influenza sulla rigenerazione della pelle. Inoltre l’iniezione in loco di collagene VI purificato, riduce l’anomala ricrescita del pelo post-lesione in topi Col6a1–/–. Studi meccanicistici hanno rivelato che l'aumento della ricrescita del pelo in assenza di collagene VI è innescato dall’up-regolazione della cheratina-79 e dall'attivazione della via di segnalazione di Wnt/beta-catenina, e l’inibizione esercitata dal collagne VI purificato, agisce sulla stessa via Wnt/beta-catenina. Questi risultati evidenziano il rapporto essenziale tra la MEC e la rigenerazione del follicolo pilifero, e puntano al collagene VI come un potenziale bersaglio terapeutico per la perdita dei capelli. Complessivamente, i dati che ho ottenuto durante gli studi di dottorato sostengono con forza un ruolo chiave del collagene VI nei nervi periferici e nella rigenerazione del follicolo pilifero in seguito a lesione, aprendo così la strada a futuri studi su altri componenti della MEC nel SNP e nella pelle in condizioni fisiologiche e patologiche.