Non canonical role of GAPDH in neutrophil migration and chronic skin inflammation

Abstract

Los neutrófilos son los leucocitos más abundantes en la sangre y juegan un papel muy importante en la homeostasis de los tejidos y en diversas enfermedades. La migración de los neutrófilos y su rol durante la inflamación crónica en piel es actualmente un tema de enorme interés debido a su tremendo potencial terapéutico. El pez cebra se ha convertido en un excelente modelo para el estudio de inflamación y la biología del neutrófilo, con distintas líneas mutantes de pez cebra desarrolladas para permitir el estudio de enfermedades basadas en inflamación crónica. La línea mutante de pez cebra deficiente en la proteína Spint1a es ampliamente usada como modelo de estudio de inflamación crónica, estando caracterizada por la infiltración de neutrófilos, la disrupción epitelial y la muerte de queratinocitos de la piel. La enzima Gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa (GAPDH) es una proteína multifuncional ampliamente conocida por su implicación en la ruta glicolítica, así como por sus funciones no canónicas, como la muerte celular. En este trabajo describimos, utilizando una combinación de estrategias de inhibición genética y farmacológica, que la inhibición de la translocación de Gapdh al núcleo daba lugar a una disminución en la infiltración de los neutrófilos en la piel, así como de la velocidad y de la distancia de desplazamiento de estas células, dando lugar a una reducción en la hiperproliferación de queratinocitos y en la muerte celular. Además, el número de neutrófilos correlacionaba con la gravedad de la inflamación en piel y con los niveles de expresión de la proteína Gapdh, aumentando la inflamación, cosa no observada con una versión mutante de Gapdh incapaz de translocarse al núcleo. De forma similar, la inhibición de la translocación de GAPDH al núcleo en un modelo de inflamación crónica consistente en modelos organotípicos 3D humanos, reducía la expresión de marcadores asociados a las diversas patologías. Finalmente, estudios transcriptómicos de célula única en larvas deficientes en Spint1a revelaron que la inhibición de la translocación nuclear de Gapdh reducían la expresión de un conjunto de genes inducidos en los neutrófilos y los queratinocitos de las larvas con inflamación crónica en piel, destacando il4 y ptpn6. Sorprendentemente, la ausencia de Il4 en neutrófilos aliviaba la inflamación en piel de las larvas deficientes en Spint1a, sugiriendo que la producción de Il4 en los neutrófilos en respuesta a la translocación de Gapdh al núcleo contribuía al desarrollo de la inflamación crónica en piel. En especial, nuestros datos muestran que la función no canónica de GAPDH es un importante mediador de la inflamación aguda y crónica modulando tanto la biología de los queratinocitos como la infiltración de los neutrófilos en las lesiones de la piel, pudiendo tener un impacto traslacional para el desarrollo de nuevas dianas terapéuticas para tratar desórdenes inflamatorios en la piel.

Neutrophils are the most abundant leukocytes and have an important role in tissue homeostasis and disease. Neutrophil migration and its role during chronic inflammation have been recently the focus of huge interest due to its tremendous therapeutical potential. The zebrafish has become an excellent model for the study of inflammation and neutrophil biology with several zebrafish mutant lines allowing the study of chronic inflammation. Spint1a-deficient zebrafish larvae is a widely used model of chronic skin inflammation characterized by neutrophil infiltration, epithelial disruption and keratinocyte cell death. Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) is a multifunctional protein widely known for its implication in the glycolytic pathway and other non-canonical function, such as cell death. Here, we report using a combination of pharmacological and genetic strategies that inhibition of nuclear translocation of Gapdh resulted in decreased skin neutrophil infiltration, speed and displacement length, and in reduced number of keratinocyte hyperproliferation and cell death. In addition, neutrophil number correlated with skin inflammation and expression in neutrophils of wild-type Gapdh, but not a nuclear translocation defective mutant, exacerbated skin inflammation. Similarly, inhibition of nuclear translocation of GAPDH reduced the expression of pathology-associated markers in human organotypic 3D skin models of chronic inflammation. Finally, single cell RNA-Seq analysis of Spint1a-deficient larvae revealed that inhibition of nuclear translocation of Gapdh reduced the expression of a set of genes that were induced in neutrophils and keratinocytes of inflamed skin larvae as well as neutrophil-specific il4 and ptpn6. Strikingly, Il4 deficiency alleviated skin inflammation of Spint1a-deficient larvae, suggesting that Il4 production by neutrophils in response to the nuclear translocation of Gapdh contributed to skin inflammation. Overall, our data supports that a non-canonical function of GAPDH is an important mediator of acute and chronic skin inflammation by modulating both keratinocyte biology and neutrophil infiltration to skin lesions. This mechanism provides new insights into the contribution of neutrophils to acute and chronic skin inflammation, and can have a significant translational impact to develop new therapeutic approaches to treat skin inflammatory disorders.