background image

Article

Microglial CMPK2 promotes neuroinflammation and
brain injury after ischemic stroke

Graphical abstract

Highlights

d

CMPK2 expression is increased in microglia/macrophages

after ischemic stroke

d

CMPK2 knockdown in microglia/macrophages ameliorates

ischemic injury in mice

d

CMPK2 inhibitor nordihydroguaiaretic acid ameliorates

ischemic injury in mice

Authors

Xin Guan, Sitong Zhu, Jinqian Song, ...,

Jin Wu, Xiaojun Xu, Tao Pang

Correspondence

wujin@njmu.edu.cn (J.W.),
xiaojunxu@zju.edu.cn (X.X.),
tpang@cpu.edu.cn (T.P.)

In brief

Neuroinflammation promotes brain

ischemic injury. Guan et al. show that

mitochondrial CMPK2 is induced after

ischemic insults in monocytes/

macrophages and microglia and

participates in neuroinflammation. AAV-

mediated CMPK2 knockdown in

microglia/macrophages, or the CMPK2

inhibitor nordihydroguaiaretic acid,

reduces neuroinflammation and

ameliorates ischemic injury, indicating a

potential therapeutic target for ischemic

stroke.

Guan et al., 2024, Cell Reports Medicine

5

, 101522

May 21, 2024

ª

2024 The Authors. Published by Elsevier Inc.

https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101522

ll

mmc2-html.html
background image

Article

Microglial CMPK2 promotes neuroinflammation
and brain injury after ischemic stroke

Xin Guan,

1,5

Sitong Zhu,

1,5

Jinqian Song,

1

Kui Liu,

1

Mei Liu,

2

Luyang Xie,

1

Yifang Wang,

2

Jin Wu,

2,

*

Xiaojun Xu,

3,

*

and Tao Pang

1,4,6,

*

1

State Key Laboratory of Natural Medicines, New Drug Screening Center, Key Laboratory of Drug Quality Control and Pharmacovigilance

(Ministry of Education), China Pharmaceutical University, Nanjing 210009, P.R. China

2

Department of Neurology, The Second Affiliated Hospital of Nanjing Medical University, Nanjing 210011, P.R. China

3

Department of Pharmacy, The Fourth Affiliated Hospital, Zhejiang University School of Medicine, Center for Innovative Traditional Chinese

Medicine Target and New Drug Research, International Institutes of Medicine, Zhejiang University, Yiwu, Zhejiang Province 322000, P.R.
China

4

State Key Laboratory of Pharmaceutical Biotechnology, Nanjing University, Nanjing 210023, P.R. China

5

These authors contributed equally

6

Lead contact

*Correspondence:

wujin@njmu.edu.cn

(J.W.),

xiaojunxu@zju.edu.cn

(X.X.),

tpang@cpu.edu.cn

(T.P.)

https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101522

SUMMARY

Neuroinflammation plays a significant role in ischemic injury, which can be promoted by oxidized mitochon-
drial DNA (Ox-mtDNA). Cytidine/uridine monophosphate kinase 2 (CMPK2) regulates mtDNA replication, but
its role in neuroinflammation and ischemic injury remains unknown. Here, we report that CMPK2 expression
is upregulated in monocytes/macrophages and microglia post-stroke in humans and mice, respectively. Mi-
croglia/macrophage CMPK2 knockdown using the

Cre

recombination-dependent adeno-associated virus

suppresses the inflammatory responses in the brain, reduces infarcts, and improves neurological outcomes
in ischemic

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice. Mechanistically, CMPK2 knockdown limits newly synthesized mtDNA and

Ox-mtDNA formation and subsequently blocks NLRP3 inflammasome activation in microglia/macrophages.
Nordihydroguaiaretic acid (NDGA), as a CMPK2 inhibitor, is discovered to reduce neuroinflammation and
ischemic injury in mice and prevent the inflammatory responses in primary human monocytes from ischemic
patients. Thus, these findings identify CMPK2 as a promising therapeutic target for ischemic stroke and other
brain disorders associated with neuroinflammation.

INTRODUCTION

Acute ischemic stroke is a devastating acute cerebrovascular
disorder,

1

,

2

manifesting as fast-onset muscle weakness, mental

confusion, loss of balance or coordination, sudden syncope, pa-
ralysis, and other severe symptoms.

3

Despite the advancements

in medical technology and surgical instruments, stroke remains
the second leading cause of death globally, accounting for
11.6% of all disease mortality,

4

and ranks as the third leading

cause of disability-adjusted life years (DALYs), accounting for
approximately 5.7% of all DALYs.

4

Currently, intravenous throm-

bolysis with recombinant tissue plasminogen activator (r-tPA) is
the only treatment strategy recognized as effective by all regula-
tory agencies.

5

Nevertheless, intravenous thrombolysis with

r-tPA has strict time window limitations of approximate 4.5 h
as well as medical restrictions,

6

so less than 3% of ischemic pa-

tients could benefit from it. Although numerous neuroprotective
agents have displayed significant efficacy in animal experiments
for decades, they have failed in clinical trials.

7

Consequently,

there is an urgent need to identify potential therapeutic targets
and interventions for ischemic stroke.

Multiple pathophysiological mechanisms participate in the

progression of cerebral ischemic stroke, including neuroinflam-
matory response, calcium overload, oxidative stress, and exci-
totoxicity.

6

Neuroinflammation mediated by microglia exhibits

crucial influences over ischemic injury and is highly correlated
with long-term cognitive and motor function after stroke.

8

Upon ischemia attack, neuronal death triggers secondary im-
mune responses characterized by microglia hyperactivation
and release of cytokines and chemokines.

9

Afterward, acti-

vated microglia accumulate around the lesioned area and
peri-infarct border zone, lasting from a few hours to several
weeks.

8

,

9

In microglial mitochondria, the reactive oxygen

species (ROSs) are extensively produced after stroke.

10

,

11

As mitochondrial DNA (mtDNA) possesses limited repair
capacity and is lacking the protection of histone proteins,

12

,

13

mtDNA is vulnerable and easily oxidized, primarily in the form
of 8-hydroxy-2-deoxyguanosine (8-OHdG).

14

The level of

8-OHdG has been validated to be highly correlated with the
severity of ischemic stroke and to be an independent prog-
nostic factor of the functional outcomes in patients with
stroke.

15–19

However, it is unclear whether inhibition of oxidized

Cell Reports Medicine

5

, 101522, May 21, 2024

ª

2024 The Authors. Published by Elsevier Inc.

1

This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/

).

Please cite this article in press as: Guan et al., Microglial CMPK2 promotes neuroinflammation and brain injury after ischemic stroke, Cell Reports Med-
icine (2024), https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101522

ll

OPEN ACCESS

mmc2-html.html
background image

mtDNA (Ox-mtDNA) production could be an effective way to
treat ischemic stroke.

Cytidine/uridine monophosphate kinase 2 (CMPK2) is a

rate-limiting enzyme for the synthesis of deoxynucleoside tri-
phosphates to regulate mtDNA replication.

14

Several reports

have shown that CMPK2 participates in the progression
of diseases, including acute respiratory distress syndrome
(ARDS), brain calcification, spinal cord injury, and coronaviruses
(CoVs).

14

,

20–24

mtDNA is an intramitochondrial closed double-

stranded DNA circle that functions as a damage-associated mo-
lecular marker to induce inflammation.

14

,

25

Under normal physi-

ological circumstances, on the one hand, transcription factor A
(TFAM) can promote the packaging and compaction of naked
mtDNA into nucleoids,

14

thereby minimizing susceptibility to

mitochondrial ROS (mtROS); on the other hand, timely termina-
tion of inflammation evoked by mtDNA can promote tissue repair
and help re-establish homeostasis in the host by clearing patho-
gens.

14

However, under pathological states, ROSs, pathogen-

associated molecular patterns, and damage-associated molec-
ular patterns (DAMPs) can prompt mitochondrial permeability
transition pore (mPTP) opening and voltage-dependent anion
channel (VDAC) oligomerization in mitochondrial membranes to
facilitate mtDNA release to the cytoplasm.

14

,

25

,

26

mtROS does

not directly induce inflammasome activation,

26

but mtDNA

oxidized by mtROS (Ox-mtDNA) can directly activate the
NLRP3 inflammasome to induce cleaved caspase-1 and mature
interleukin (IL)-1

b

secretion. The upregulation of CMPK2 expres-

sion could initiate new synthesis of naked and uncompacted
mtDNA in lipopolysaccharide (LPS)-primed immune cells to
trigger inflammasome-mediated inflammation.

14

,

25

,

26

Despite

considerable studies highlighting the pivotal roles of CMPK2 in
diseases including ARDS, brain calcification, spinal cord injury,
and CoVs,

14

,

20–24

little is yet known about the role of CMPK2 in

cerebral ischemic stroke.

In this study, we investigated the function of CMPK2

in ischemic stroke. We found that adeno-associated virus
(AAV)-mediated microglia/macrophage CMPK2 knockdown in

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice, or a natural product, nordihydroguaiaretic

acid (NDGA), identified as a specific CMPK2 inhibitor, reduced
brain injury and presented better long-term neurological out-
comes after transient middle cerebral artery occlusion (tMCAO)
treatment. Moreover, microglia/macrophage CMPK2 knock-
down or NDGA treatment inhibited the expression of newly syn-
thesized mtDNA and Ox-mtDNA formation and subsequently
limited NLRP3 inflammasome activation. Our study laid the foun-
dation for CMPK2 as a potential therapeutic target for ischemic
stroke and other neurological disorders associated with
neuroinflammation.

RESULTS

Peripheral blood expression of CMPK2 is upregulated in
patients with stroke and correlated with infarct volume

Gene expression variability in peripheral whole blood between
healthy subjects and patients with ischemic stroke, which has
been recognized as an approach to identify valuable bio-
markers or predictors for the diagnosis or prognosis of
ischemic stroke,

27

,

28

has garnered investigators’ interest for

decades. Currently, the precise role of CMPK2 in the patholog-
ical processes of ischemic stroke remains to be elucidated. We
evaluated

CMPK2

gene expression in peripheral whole blood

and discovered that

CMPK2

gene expression was highly

elevated in patients with ischemic stroke compared with that
in the control subjects (

Figure 1

A). We subsequently analyzed

the relationship between

CMPK

gene expression and infarct

volume or National Institutes of Health Stroke Scale (NIHSS)
score. We observed a positive correlation between

CMPK2

gene expression and infarct volume or NIHSS score, indicating
that CMPK2 may be positively correlated with stroke severity in
patients (

Figures 1

B–1D). Afterward, we evaluated the changes

of mtDNA levels in the peripheral blood of patients with
stroke by examining the expressions of representative mtDNA
markers, including displacement loop (

D-LOOP

),

COX1

,

CYTB

, and nDNA (

TERT

).

29

,

30

The results revealed that the ex-

pressions of

D-LOOP

,

COX-1

, and

CYTB

were upregulated in

patients with stroke in comparison to control subjects (

Fig-

ure S1

A). Then, we examined the expression of 8-OHdG, the

biomarker of Ox-mtDNA, which is promoted by CMPK2 upre-
gulation.

14

Immunofluorescence

analyses

showed

that

8-OHdG expression and CMPK2 expression were increased
in peripheral whole blood after stroke onset relative to that of
the control subject (

Figures 1

E–1H). Moreover, we observed

that 8-OHdG expression was obviously increased in CD11b

+

cells (

Figures S1

and S1C). These findings demonstrated

that elevated CMPK2 levels in peripheral whole blood corre-
lated positively with stroke severity in human stroke subjects.

CMPK2 is a microglia/macrophage-specific regulator
after ischemic stroke onset

Coincident with the finding in human peripheral blood, we
discovered that CMPK2 protein expression was significantly
elevated at 3 h, peaked at 24 h, and finally returned to baseline
at 7 days in the brain peri-infarct region in the mouse or rat
tMCAO model (

Figures 2

A, 2B,

S2

A, and S2B). Subsequently,

we investigated which cell type would increase CMPK2
expression in the ischemic hemisphere. Immunofluorescence
staining results revealed that CMPK2 expression was obviously
increased in microglia/macrophages, but not astrocytes or neu-
rons, after stroke onset (

Figures 2

C, 2D,

S2

C, and S2D). To

further determine the expression of CMPK2 in microglia/macro-
phages after ischemia attack, we isolated microglia/macro-
phages by magnetic bead sorting (

Figures S2

E and S2F). Also,

we observed a significant increase in CMPK2 expression in mi-
croglia/macrophages at 24 h post-stroke compared with the
sham group (

Figures 2

E and 2F).

Then, to simulate the

in vivo

cerebral ischemia, the oxygen-

glucose deprivation (OGD)-induced cell death model was estab-
lished in primary mouse astrocytes, microglia, and cortical
neurons

in vitro

. Consistent with the findings of

in vivo

experi-

ments, CMPK2 expression was markedly elevated in a time-
dependent manner and peaked at 6 h in primary mouse microglia
(

Figures 2

G and 2H). However, after OGD conditions, primary

neurons displayed slight upregulation in CMPK2 expression,
and primary astrocytes displayed no discernible change in
CMPK2 expression (

Figures 2

I, 2J, and

S2

G–S2J). Overall, these

data demonstrated that CMPK2 expression was predominantly

Please cite this article in press as: Guan et al., Microglial CMPK2 promotes neuroinflammation and brain injury after ischemic stroke, Cell Reports Med-
icine (2024), https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101522

2

Cell Reports Medicine

5

, 101522, May 21, 2024

Article

ll

OPEN ACCESS

mmc2-html.html
background image

increased in microglia/macrophages in the ischemic brain during
the acute phase of stroke.

Microglia/macrophage CMPK2 knockdown protects
against ischemic brain injury in the mouse tMCAO model

According to the previous literature,

31

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice

were microinjected with microglia/macrophage-specific ad-
eno

-

associated virus (AAV)

-

CMPK2 short hairpin RNA (AAV-

U6-LoxP-CMV-mCherry-LoxP-CMPK2-shRNA-WPRE-poly(A)
[AAV-shCMPK2]) or the scrambled control AAV (AAV-U6-LoxP-
CMV-mCherry-LoxP-scramble-shRNA-WPRE-poly(A) [AAV-
shCon]) in the right cortex, followed by administration with
tamoxifen for 5 consecutive days (

Figure 3

A). We examined

the transfection

efficiency of mCherry-tagged

AAV and

observed that mCherry was primarily detected in microglia/
macrophages, with little colocalization with neurons or astro-
cytes (

Figures 3

and

S3

A–S3C). The immunohistochemical

staining and western blotting results showed that CMPK2
expression was obviously downregulated in microglia/macro-
phages in the cerebral cortex of AAV-shCMPK2

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice (

Figures 3

C, 3D, and

S3

D–S3G). Next, we explored

whether microglial proliferation after stroke onset affected
CMPK2 knockdown efficiency by western blotting. We isolated
primary mouse microglia cells from

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice at

postnatal days 1–3 and then supplemented them with mouse
recombinant macrophage colony-stimulating factor (MCSF)
protein for 48 h to stimulate the microglial proliferation accord-
ing to previous literature.

32

The western blotting analysis

Figure 1. Peripheral blood expression of CMPK2 is elevated and positively correlative with infarct volume in human ischemic subjects

(A) Quantification for

CMPK2

gene expression (control = 21, stroke = 31).

(B) Representative magnetic resonance imaging (MRI) images (diffusion-weighted imaging) of patients with stroke with

CMPK2

gene expression (fold change < 10

and fold change > 10).
(C) The correlation analysis was performed between

CMPK2

transcript levels in blood and infarct volume in patients with stroke.

n

= 20.

(D) The correlation analysis was performed between

CMPK2

transcript levels in blood and NIHSS score in patients with stroke.

n

= 20.

(E and F) Representative immunofluorescence images and quantification of 8-OHdG expression levels in the peripheral blood of ischemic patients. Scale bar:
20

m

m.

n

= 6.

(G and H) Representative immunofluorescence images and quantification of CMPK2 expression levels in the peripheral blood of patients with acute ischemic
stroke. Scale bar: 20

m

m.

n

= 6.

Results are represented as means

±

SD. ***

p

< 0.001 vs. non-stroke control subjects.

Please cite this article in press as: Guan et al., Microglial CMPK2 promotes neuroinflammation and brain injury after ischemic stroke, Cell Reports Med-
icine (2024), https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101522

Cell Reports Medicine

5

, 101522, May 21, 2024

3

Article

ll

OPEN ACCESS

mmc2-html.html
background image

indicated that transfection with AAV-shCMPK2 small interfering
RNAs (siRNAs) could effectively reduce the protein expression
of CMPK2 to approximately 50% compared to cells transfected
with AAV-shCon subjected to MCSF stimulation (

Figure S3

H).

Thus, supported by the above findings, we validated that
CMPK2 shRNA-specific targeting to microglia/macrophages
was established in

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice. Subsequently, we

developed the mouse tMCAO model to seek out the potential
effects of microglial CMPK2 on cerebral ischemic damage.
We initially assessed the regional cerebral blood flow (rCBF)
to exclude the possibilities of variations in cerebral vessel
congestion and eventually verified that there existed no
apparent

differences

in

the

rCBF

at

baseline,

during

ischemia, or after reperfusion between the AAV-shCon and
AAV-shCMPK2

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice (

Figures 3

and 3F).

Then, after ischemia attack, AAV-shCMPK2

CX

3

CR1

Cre/ERT2

Figure 2. CMPK2 expression is mainly upre-
gulated in microglia/macrophages of the
brain after ischemia onset

(A and B) Western blotting images and quantification
for CMPK2 protein expression in the peri-infarct re-
gion of sham-operated and ischemic mice at 3 h, 12
h, 1 day, 3 days, and 7 days following operation.

n

= 6.

(C and D) Representative immunofluorescence im-
ages and quantitative analysis of CMPK2

+

Iba1

+

cells

in the peri-infarct region of the ischemic mice. Scale
bar: 50

m

m.

n

= 6.

(E and F) Western blotting images and quantification
for CMPK2 protein expression in microglia/macro-
phages isolated from the peri-infarct region with
CD11b

+

magnetic beads at 24 h following operation.

n

= 6.

(G and H) Western blotting images and quantification
for CMPK2 expression in primary mouse microglia
exposed to OGD conditions for 0, 2, 4, 6, 9, or 12 h.

n

= 4.

(I and J) Western blotting images and quantification
for CMPK2 expression in primary mouse microglia,
astrocytes, or cortical neurons exposed to OGD
conditions for 0 and 6 h.

n

= 6.

Results are represented as means

±

SD. **

p

< 0.01

and ***

p

< 0.001 vs. sham or 0 h group.

mice

displayed

markedly

ameliorated

ischemic volume as determined by 2,3,5-
triphenyltetrazolium chloride (TTC) staining
and

significantly

improved

short-term

neurological outcomes as indicated by
lower scores in the Longa test in compar-
ison to the AAV-shCon

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice (

Figures 3

and 3H). Moreover, we

also found that less ischemic volume and
improved neurological functions existed
in the AAV-shCMPK2

CX

3

CR1

Cre/ERT2

fe-

male mice compared with AAV-shCon

CX

3

CR1

Cre/ERT2

female

mice

following

ischemic

stroke

(

Figures

3

I

and

3J).

Based on the aforementioned finding, we

conclude that microglia/macrophage-specific CMPK2 knock-
down ameliorates ischemic injury in the mouse tMCAO model.

Microglia/macrophage CMPK2 knockdown improves
the long-term functional performances in the mouse
tMCAO model

The prognosis and quality of life of long-term stroke survivors are
correlated with motor function recovery post-ischemic stroke.

33

To further investigate the effects of CMPK2 on long-term func-
tional outcomes after ischemia onset, we conducted longitudinal
T2-weighted MRI scanning and a series of long-term functional
tests on the AAV-shCon and AAV-shCMPK2

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice subjected to ischemic stroke (

Figure 4

A). MRI scanning re-

vealed obviously enlarged ischemic lesions in the AAV-shCon

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice at 14 days after tMCAO, whereas the

AAV-shCMPK2 injection in the

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice efficiently

Please cite this article in press as: Guan et al., Microglial CMPK2 promotes neuroinflammation and brain injury after ischemic stroke, Cell Reports Med-
icine (2024), https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101522

4

Cell Reports Medicine

5

, 101522, May 21, 2024

Article

ll

OPEN ACCESS

mmc2-html.html
background image

Figure 3. Microglia/macrophage CMPK2 silencing reduces brain ischemic volume and improves short-term neurological function in the
mouse tMCAO model

(A) Schematic diagram about experimental strategy for CMPK2 knockdown.
(B) Representative immunofluorescence images of mCherry

+

cells stained with Iba1. Scale bar: 50

m

m.

n

= 4.

(C) Representative immunofluorescence images of mCherry

+

cells stained with Iba1 and CMPK2. Scale bar: 20

m

m.

n

= 6.

(legend continued on next page)

Please cite this article in press as: Guan et al., Microglial CMPK2 promotes neuroinflammation and brain injury after ischemic stroke, Cell Reports Med-
icine (2024), https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101522

Cell Reports Medicine

5

, 101522, May 21, 2024

5

Article

ll

OPEN ACCESS

mmc2-html.html
background image

reduced the infarct volume (

Figures 4

and 4C). In addition, AAV-

shCMPK2 treatment significantly ameliorated long-term func-
tional deficits in the

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice, as revealed by the

markedly reduced score in the modified neurological severity
score (mNSS) test, enhanced score in the wire-hanging test,
decreased percentage of forelimb faults in foot missteps, and
increased time in the rotarod test in contrast to the AAV-shCon

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice 0, 3, 5, 7, 14, 21, and 28 days post-

ischemia (

Figure 4

D). Furthermore, AAV-shCMPK2 administra-

tion substantially enhanced the survival proportions during the
relatively delayed stage (28 days) compared to ischemic AAV-
shCon

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice (

Figure 4

E). These results high-

lighted that CMPK2 in microglia/macrophages contributed, at
least partly, to ischemic injury and poor long-term functional per-
formances after ischemic stroke.

Microglia/macrophage CMPK2 knockdown promotes
microglial ramification and inhibits Ox-mtDNA-induced
NLRP3 inflammasome activation in the brain of ischemic
mice

Microglia morphology is highly plastic and rapidly changes to
closely monitor and regulate neuronal functions in response to
varying environmental situations, especially ischemic insult.

34

,

35

To seek out the potential mechanism underlying microglial
protection against ischemic stroke, we assessed the influences
of microglia/macrophage CMPK2 silencing on microglial
morphology. We observed that microglial morphology was
more ramified and homeostatic-like in the AAV-shCMPK2

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice than in the AAV-shCon

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice at 3 days after ischemia (

Figure 5

A). Particularly, the

morphometric analysis indicated that the AAV-shCMPK2 treat-
ment could increase the process lengths and the number of
branches compared to the AAV-shCon treatment (

Figure 5

B).

In addition, ramified microglial cells were accompanied by less
proliferation ability.

36

Then, to evaluate whether CMPK2 knock-

down influences microglia proliferation in the mouse tMCAO
model

in vivo

, we conducted immunofluorescence staining by

costaining Ki67 with Iba1, according to previous reports,

37

,

38

and found that no statistical differences were observed in the
numbers of Ki67

+

Iba1

+

cells between the AAV-shCon and

AAV-shCMPK2

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice (

Figure S4

A). To evaluate

the effects of CMPK2 knockdown on microglia proliferation

in vitro

, we established an MCSF-induced proliferation model

in mouse primary microglia cells and applied EdU staining ac-
cording to previous literature.

38

The immunofluorescence results

of EdU staining indicated that the MCSF-induced microglia pro-
liferation was not influenced by CMPK2 knockdown (

Figure S4

B).

Thus, CMPK2 knockdown did not affect microglia proliferation

in vivo

and

in vitro

. Consequently, these data demonstrated

that CMPK2 knockdown inhibited microglial hyperactivation
following ischemic insult.

We then explored the effects of microglia/macrophage

CMPK2 silencing on 8-OHdG, which is the biomarker of Ox-
mtDNA. As illustrated by

Figures 5

C–5F, the immunofluores-

cence analysis results demonstrated that the 8-OHdG level
was significantly elevated in microglia in the AAV-shCon

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice, but substantially decreased in the peri-

infarct area of AAV-shCMPK2

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice, at 24 and

72 h after ischemia.

Ox-mtDNA mediated by CMPK2 could drive NLRP3 inflamma-

some activation,

26

which eventually promotes uncontrolled

inflammation and death in the neighboring cell.

39

,

40

Compared

to sham-operated

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice, the protein expressions

of bioactive gasdermin D N-terminal fragment (N-GSDMD [p30]),
cleaved caspase-1 (caspase-1 p20), and mature IL-1

b

(IL-1

b

p17) were obviously upregulated in the peri-infarct region after
AAV-shCon administration, which was significantly reduced af-
ter AAV-shCMPK2 treatment in the peri-infarct region of

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice at 3 days after ischemia (

Figure 5

G). Based

on the aforementioned findings, we conclude that CMPK2 could
promote mtDNA replication to stimulate Ox-mtDNA formation
and subsequently trigger NLRP3 inflammasome activation in mi-
croglia/macrophages after ischemic stroke.

CMPK2 facilitates Ox-mtDNA formation and NLRP3
inflammasome activation in primary mouse microglia
cells

To validate these findings from

in vivo

experiments, we investi-

gated the effects of CMPK2 on Ox-mtDNA formation in primary
mouse microglia cells

in vitro

. Priming with LPSs followed by ATP

stimulation is a well

-

established model to activate the NLRP3 in-

flammasome in primary mouse microglia cells

41–43

and has been

implicated in a plethora of literature exploring the pathological
mechanisms of microglia in the context of ischemic stroke.

34

,

43

First, we examined the gene and protein expressions of
CMPK2 in microglia stimulated with LPS. As depicted in the

Figures S5

A–S5C, the gene and protein expressions of CMPK2

were significantly increased from 3 to 12 h after LPS stimulation.
Afterward, we confirmed that CMPK2 siRNA potently reduced
CMPK2 protein expression in primary mouse microglia cells rela-
tive to the control group, with or without LPS stimulation
(

Figures S5

D–S5G). Then, we observed significant increases of

cleaved caspase-1, N-GSDMD, and mature IL-1

b

in the cell su-

pernatant of LPS-primed microglia cells followed by stimulation
with ATP, which were significantly suppressed by CMPK2
knockdown in primary mouse microglia (

Figures S5

H–S5J).

Lactate dehydrogenase (LDH) assay analysis showed that LPS
plus ATP stimulation induced LDH release in the supernatant

(D) Western blotting images for CMPK2 protein expression in microglia/macrophages isolated from the brain of AAV-shCon and AAV-shCMPK2

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice with CD11b

+

magnetic beads.

n

= 6.

(E and F) Regional cerebral blood flow. Results are expressed as means

±

SD.

n

= 4.

(G and H) AAV-shCMPK2 administration reduced cerebral infarct volume and promoted neurological functions in

CX

3

CR1

Cre/ERT2

male mice.

n

= 12.

(I and J) AAV-shCMPK2 administration toned down cerebral infarct volume and improved neurological function in the

CX

3

CR1

Cre/ERT2

female mice.

n

= 8. Results

are represented as means

±

SD.

***

p

< 0.001 vs. sham plus AAV-shCon group and

###

p

< 0.001 vs. tMCAO plus AAV-shCon group.

Please cite this article in press as: Guan et al., Microglial CMPK2 promotes neuroinflammation and brain injury after ischemic stroke, Cell Reports Med-
icine (2024), https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101522

6

Cell Reports Medicine

5

, 101522, May 21, 2024

Article

ll

OPEN ACCESS

mmc2-html.html
background image

Figure 4. Microglia/macrophage CMPK2 silencing reduces brain infarction and improves long-term functional performances in the mouse
tMCAO model

(A) Schematic diagram about experimental procedures.
(B and C) Representative T2-weighted MRI images of

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice on day 14 post-tMCAO.

n

= 4 or 5.

(D) The long-term functional performances were investigated in

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice.

n

= 8.

(E) The survival proportions.

n

= 12–15.

Results are represented as means

±

SD. **

p

< 0.01 and ***

p

< 0.001 vs. sham plus AAV-shCon group and

#

p

< 0.05,

##

p

< 0.01, and

###

p

< 0.001 vs. tMCAO plus

AAV-shCon group.

Please cite this article in press as: Guan et al., Microglial CMPK2 promotes neuroinflammation and brain injury after ischemic stroke, Cell Reports Med-
icine (2024), https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101522

Cell Reports Medicine

5

, 101522, May 21, 2024

7

Article

ll

OPEN ACCESS

mmc2-html.html
background image

of primary mouse microglia cells, which was remarkably attenu-
ated by CMPK2 knockdown, suggesting the inhibition of CMPK2
on pyroptosis (

Figure S5

K). To mimic cerebral ischemia condi-

tions

in vitro

, we further applied OGD conditions and found

that CMPK2 knockdown inhibited LDH release after OGD stimu-
lation (

Figure S5

L). Collectively, these results indicated that

CMPK2 knockdown inhibited NLRP3 inflammasome activation
and pyroptosis in microglia subjected to LPS plus ATP stimula-
tion or OGD conditions.

Furthermore, we examined the effects of CMPK2 on mtDNA

synthesis and Ox-mtDNA production. CMPK2 knockdown
decreased the expressions of

D-loop

,

Cox-1

, and

CYTB

, which

were upregulated in primary mouse microglia cells in response
to LPS (

Figures S6

A–S6C). In addition, CMPK2 silencing blocked

Figure

5. Microglia/macrophage

CMPK2

silencing promotes microglial ramification
and disrupts Ox-mtDNA-induced NLRP3 in-
flammasome activation in the brain of
ischemic mice

(A) Imaris-based 3D reconstruction images of mi-
croglia immunofluorescently stained with Iba1.
Scale bar: 15

m

m.

(B) The process length and the number of branches
of microglia stained with Iba1 in AAV-shCon and
AAV-shCMPK2

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice at 3 days

after ischemia.

n

= 10. Results are represented as

means

±

SD.

(C–F) Representative immunofluorescence images
and

quantification

of

microglia/macrophages

stained with 8-OHdG and quantitative analysis of
8-OHdG

+

Iba1

+

cells in the peri-infarct region of

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice at 24 and 72 h after ischemia.

Scale bar: 50

m

m.

n

= 6.

(G) Western blotting images and quantification for
cleaved caspase-1, mature IL-1

b

, and N-GSDMD

in the peri-infarct region of AAV-shCon and AAV-
shCMPK2

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice

at

3

days

following ischemic stroke.

n

= 6. Results are rep-

resented as means

±

SD.

***

p

< 0.001 vs. sham plus AAV-shCon group and

###

p

< 0.001 vs. tMCAO plus AAV-shCon group.

the replication of newly synthesized
mtDNA in microglia subjected to LPS
stimulation or the OGD model (

Figures

S6

D–S6G). Furthermore, we observed a

significant increase in the 8-OHdG level
following LPS plus ATP stimulation or
OGD treatment, which was significantly
suppressed by CMPK2 knockdown in mi-
croglia (

Figures S6

H–S6K).

Then, we assessed the potential effects

of CMPK2 knockdown on mitochondrial
functions,

including

bioenergetics,

biogenesis, and morphology. Firstly, we
evaluated

mitochondrial

bioenergetics

by measuring intracellular ATP levels ac-
cording to previous studies

32

,

44

,

45

and

discovered that CMPK2 knockdown, fol-

lowed by LPS plus ATP stimulation, did not influence the intracel-
lular ATP level in primary mouse microglia cells (

Figure S7

A).

Then, we measured the protein expression of PGC-1

a

and

NRF1, which are widely recognized as pivotal regulators of mito-
chondrial biogenesis.

32

,

46

,

47

Western blotting analysis showed

that the protein expressions of PGC-1

a

and NRF1 were signifi-

cantly reduced in the microglial cells after LPS plus ATP stimula-
tion, and they were also not influenced by CMPK2 knockdown
(

Figures S7

and S7C). Afterward, we assessed the changes

of mitochondrial morphology outlined by TOMM20 antibodies
according to previous studies.

45

,

48

The immunofluorescence an-

alyses showed that, compared to the controls, the mitochondria
turned out to be obviously more fragmented after LPS plus ATP
stimulation, which could be mitigated by CMPK2 knockdown

Please cite this article in press as: Guan et al., Microglial CMPK2 promotes neuroinflammation and brain injury after ischemic stroke, Cell Reports Med-
icine (2024), https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101522

8

Cell Reports Medicine

5

, 101522, May 21, 2024

Article

ll

OPEN ACCESS

mmc2-html.html
background image

Figure 6. The CMPK2-specific inhibitor NDGA suppresses Ox-mtDNA formation and NLRP3 inflammasome activation in microglia

in vitro

(A) The molecule structure of nordihydroguaiaretic acid (NDGA) and quantification of CMPK2 kinase assay with indicated concentrations of NDGA.

n

= 3.

(B) The real-time binding kinetics of NDGA to immobilized CMPK2 protein were examined by SPR assay with the K

D

value of 0.6

m

M.

(C) NDGA reduced the protein expression of cleaved caspase-1, N-GSDMD, and mature IL-1

b

in the cell supernatant of LPS-primed microglia cells followed by

ATP stimulation.
(D and E) NDGA prevented LDH release in microglia subjected to LPS plus ATP stimulation or OGD model.

n

= 4. Results are represented as means

±

SD.

***

p

< 0.001 vs. control (CN) group and

##

p

< 0.01 and

###

p

< 0.001 vs. LPS plus ATP or OGD group.

(legend continued on next page)

Please cite this article in press as: Guan et al., Microglial CMPK2 promotes neuroinflammation and brain injury after ischemic stroke, Cell Reports Med-
icine (2024), https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101522

Cell Reports Medicine

5

, 101522, May 21, 2024

9

Article

ll

OPEN ACCESS

mmc2-html.html
background image

(

Figures S7

and S7E). Hence, CMPK2 knockdown, followed by

LPS plus ATP stimulation, could mitigate the mitochondrial frag-
mentation in primary mouse microglia cells.

Several studies have indicated that oxidative stress also en-

hances NLRP3 inflammasome activation

49–53

thus, we investi-

gated whether the inhibitory effects of CMPK2 knockdown on
NLRP3 inflammasome activation were reliant on ROS genera-
tion. However, we found that CMPK2 knockdown did not change
the level of mtROS production in primary microglial cells after
LPS plus ATP stimulation (

Figures S8

and S8B). The LPS-

primed primary mouse microglia cells were treated with H

2

O

2

for 6 h and then stimulated with ATP according to previous
studies,

26

,

53

,

54

and we found that H

2

O

2

administration failed to

restore NLRP3 inflammasome activation in CMPK2-silenced mi-
croglia (

Figures S8

C and S8D). Furthermore, CMPK2 knock-

down inhibited the colocalization of 8-OHdG with apoptosis-
associated speck-like protein containing a CARD (ASC) specks
in LPS-primed primary mouse microglia followed by ATP stimu-
lation (

Figures S8

and S8F). Hence, these findings indicated

that CMPK2 knockdown may act by regulating Ox-mtDNA pro-
duction, rather than ROS generation, to inhibit NLRP3 inflamma-
some activation in microglial cells.

Discovery of NDGA as a valid CMPK2 inhibitor with
potent inhibitory effects on Ox-mtDNA formation and
NLRP3 inflammasome activation

in vitro

Based on above findings, we proposed that CMPK2 inhibitors
may serve as promising pharmacological treatments for
ischemic stroke. We screened compounds from compound li-
brary containing natural products and FDA-approved drugs
and discovered that a natural compound, NDGA, was an effec-
tive CMPK2 inhibitor with a half-maximum inhibitory concentra-
tion of 5.958

m

(

Figure 6

A). NDGA is a plant lignan isolated

from creosote bush and

Larrea

tridentata, usually discovered

in North America and Mexico.

55

NDGA possesses pleiotropic

effects, including anticancer, antioxidant, anti-inflammation,
and analgesic activities.

55–57

Furthermore, as indicated by the

surface plasmon resonance (SPR) results, there was a strong
binding between NDGA and CMPK2 protein with a dissociation
constant (K

D

) value of 0.6

m

(

Figure 6

B). Therefore, we inves-

tigated whether NDGA could regulate NLRP3 inflammasome
activation in microglia. As illustrated in

Figures 6

and

S9

A,

treatment with NDGA significantly inhibited the release of
cleaved caspase-1, N-GSDMD, and mature IL-1

b

into cell su-

pernatant in LPS-primed microglia followed by ATP stimulation.
Then, we assessed the effects of NDGA on cell death in the LPS
plus ATP or OGD-induced microglia cell injury model and found
that NDGA could effectively tone down LDH release (

Figures 6

D

and 6E). All the aforementioned suggested that NDGA could
inhibit microglial pyroptosis

in vitro

. Inspired by these findings,

we continued to seek out whether the effects of NDGA were
associated with CMPK2 inhibition. As depicted by

Figure 6

F,

NDGA treatment remarkably downregulated the expressions

of

D-loop

,

Cox-1

, and

CYTB

in primary mouse microglia after

LPS treatment. Also, the EdU staining results revealed that
NDGA treatment remarkably reduced the newly synthesized
mtDNA after LPS stimulation (

Figure 6

G and

S9

B). Additionally,

the level of Ox-mtDNA was suppressed by NDGA treatment, as
determined by 8-OHdG immunofluorescence staining in LPS-
primed microglia followed by ATP stimulation (

Figures 6

H and

S9

C). Moreover, NDGA treatment greatly inhibited the newly

synthesized mtDNA and Ox-mtDNA formation in the OGD-
induced microglia injury model (

Figures S9

D–S9G). Then, we

assessed the potential effects of NDGA treatment on mitochon-
drial functions, and the data showed that NDGA treatment did
not change the ATP contents and could not rescue the reduc-
tion of PGC-1

a

and NRF1 expressions but effectively mitigated

mitochondrial fragmentation in primary mouse microglia cells
followed by LPS plus ATP stimulation (

Figures S10

A–S10E)

Previous literature has shown that NDGA is a valid lipoxyge-

nase (LOX) inhibitor to elicit potent antioxidant actions.

55–57

To

determine whether 5-LOX was crucial for the inhibitory effects
of NDGA on the activation of the NLRP3 inflammasome, we
knocked down 5-LOX using 5-LOX siRNA in primary mouse mi-
croglia cells (

Figure S11

A). As depicted in

Figures S11

B and

S11C, 5-LOX knockdown did not impact the protein expression
of cleaved caspase-1, N-GSDMD, or mature IL-1

b

in the cell su-

pernatant of LPS-primed microglia followed by ATP stimulation.
In addition, the inhibitory effects of NDGA on the release of
cleaved caspase-1, N-GSDMD, and mature IL-1

b

were not

influenced by 5-LOX silencing in microglia after LPS plus ATP
stimulation (

Figures S11

B–S11C). In addition, NDGA treatment

in CMPK2-silenced microglia did not produce more noticeable
inhibitory effects on the release of cleaved caspase-1,
N-GSDMD, and mature IL-1

b

in the cell supernatant of LPS-

primed microglia followed by ATP stimulation (

Figures S11

D

and S11E). Furthermore, H

2

O

2

, which further augmented the

release of caspase-1, N-GSDMD, and mature IL-1

b

, cannot

restore NLRP3 inflammasome activation in NDGA-treated mi-
croglia followed by LPS plus ATP stimulation (

Figures S11

F

and S11G). These findings support the hypothesis that NDGA
could suppress NLRP3 inflammasome activation primarily by in-
hibiting CMPK2 but not 5-LOX.

CMPK2 inhibitor NDGA elicits potent neuroprotective
activity in the cerebral ischemic mice

Inspired by the above data, we examined the effects of NDGA in
the mouse tMCAO model (

Figures S12

A–S12C). The CBF

assessment indicated that there were no apparent differences
in the CBF at baseline, during ischemia, or after reperfusion
between the NDGA and vehicle groups (

Figures S12

D and

S12E). Then, we discovered that NDGA administration dose-
dependently ameliorated ischemic volume using TTC staining
and markedly reduced neurological scores in the Longa test
compared with the vehicle group after ischemia attack
(

Figures 7

A–7C).

(F) NDGA decreased the

Cox-1

,

CYTB

, and

D

-

loop

expression in primary mouse microglia cells.

n

= 3. Results are represented as means

±

SD. ***

p

< 0.001 vs. CN

group and

##

p

< 0.01 and

###

p

< 0.001 vs. LPS group.

(G) NDGA reduced the newly synthesized DNA, as visualized by EdU labeling in primary mouse microglia cells. Scale bar: 5

m

m.

n

= 6.

(H) NDGA reduced 8-OHdG expression in LPS-primed microglia followed by ATP stimulation. Scale bar: 20

m

m.

n

= 4.

Please cite this article in press as: Guan et al., Microglial CMPK2 promotes neuroinflammation and brain injury after ischemic stroke, Cell Reports Med-
icine (2024), https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101522

10

Cell Reports Medicine

5

, 101522, May 21, 2024

Article

ll

OPEN ACCESS

mmc2-html.html
background image

To explore whether the neuroprotective effects of NDGA in

ischemic stroke were associated with CMPK2, we administrated
AAV-shCon and AAV-shCMPK2

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice with an

effective dosage of NDGA (20 mg/kg). As shown in

Figures

S12

F–S12H

,

NDGA could not exhibit additional beneficial effects,

including decreased ischemic lesion and enhanced short-term
functional outcome, in AAV-shCMPK2

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice.

Based on the above findings, we conclude that NDGA could
effectively ameliorate ischemic brain injury in tMCAO mice mainly
through CMPK2 inhibition.

In addition, the long-term functional performances were mark-

edly improved with NDGA treatment in mice subjected to
tMCAO, as indicated by the significantly decreased scores in
the mNSS test, upregulated scores in the wire-hanging test,
downregulated percentage of the forelimb faults in foot mis-

steps, and increased time in the rotarod test relative to the
vehicle group 0, 3, 5, 7, 14, 21, and 28 days post-ischemia (

Fig-

ure 7

D). Moreover, NDGA administration promoted the survival

proportions at the relatively delayed stage (28 days) compared
to the vehicle group in the mice post-ischemia (

Figure 7

E). These

results indicated that NDGA could ameliorate ischemic damage
and improve long-term neurological performances in mice sub-
jected to ischemic stroke.

To better understand the mechanism underlying then neuro-

protective effects of NDGA in ischemic stroke, we analyzed mi-
croglial morphological alterations using Iba1 immunofluorescent
staining followed by 3D reconstruction. Evidently, administration
of NDGA suppressed the hyperactivated state of microglia,
as evidenced by increased process lengths and branches in
comparison to the vehicle group following ischemic onset

Figure 7. The CMPK2 inhibitor NDGA reduces brain ischemic volume and improves neurological performances in the mouse tMCAO model

(A–C) NDGA reduced cerebral infarct volume and promoted short-term neurological functions in the male mice.

n

= 8.

(D) NDGA improved long-term functional performances, including mNSS test, wire-hanging test, forelimb foot fault test, and rotarod test in the male mice.

n

= 8.

(E) NDGA improved long-term survival proportions in the male mice.

n

= 12–15.

Results are represented as means

±

SD. *

p

< 0.05, **

p

< 0.01, and ***

p

< 0.001 vs. sham group and

#

p

< 0.05,

##

p

< 0.01, and

###

p

< 0.001 vs. tMCAO plus vehicle

group.

Please cite this article in press as: Guan et al., Microglial CMPK2 promotes neuroinflammation and brain injury after ischemic stroke, Cell Reports Med-
icine (2024), https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101522

Cell Reports Medicine

5

, 101522, May 21, 2024

11

Article

ll

OPEN ACCESS

mmc2-html.html
background image

(

Figures S13

A–S13C). Then, we investigated the effects of

NDGA on Ox-mtDNA formation. Immunohistochemical staining
analysis

confirmed

that

NDGA

substantially

decreased

8-OHdG expression in microglia in the peri-infarct region of
ischemic mice at 72 h after tMCAO compared with the vehicle
group (

Figures S13

D and S13E). In addition, NDGA treatment

greatly reduced the levels of cleaved caspase-1, N-GSDMD,
and mature IL-1

b

in the peri-infarct region of ischemic mice at

72

h

after

tMCAO

compared

with

the

vehicle

group

(

Figures S13

F and S13G). Therefore, these data indicated that

the NDGA could attenuate Ox-mtDNA formation and NLRP3 in-
flammasome activation in mice subjected to tMCAO.

CMPK2 inhibitor NDGA suppresses Ox-mtDNA
production and NLPR3 inflammasome activation in
primary human monocytes from patients with cerebral
ischemic stroke

To corroborate the translational relevance of the findings from
the

in vivo

and

in vitro

models described above, we further iso-

lated the peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) from pa-
tients with acute cerebral ischemic stroke and established the
NLRP3 inflammasome activation model. Upon priming with
LPS followed by ATP stimulation, mature IL-1

b

was substantially

elevated in the cell supernatant of PBMCs (

Figure S14

A).

Congruent with the above

in vitro

finding, NDGA treatment mark-

edly inhibited IL-1

b

release (

Figure S14

A). Moreover, a positive

correlation was observed between

CMPK2

gene expression

and IL-1

b

inhibition rate by NDGA in PBMCs from patients with

cerebral ischemic stroke (

Figure S14

B). We also examined the

effects of NDGA on PBMCs from healthy donors and found
that NDGA treatment could also inhibit mature IL-1

b

release after

LPS plus ATP stimulation (

Figure S14

C). Additionally, NDGA

treatment also mitigated Ox-mtDNA production in PBMCs, as
determined

by

8-OHdG

immunofluorescence

staining

(

Figures S14

D and S14E). The aforementioned data support

our hypothesis that NDGA, as a specific CMPK2 inhibitor, could
limit Ox-mtDNA formation and NLRP3 inflammasome activation
in primary human monocytes from patients with stroke and may
have better therapeutic potential in patients with stroke with
higher CMPK2 expression.

DISCUSSION

Currently, little is known about the potential role of CMPK2 in
neuroinflammation and brain injury during ischemic stroke. Our
study revealed that

Cre

recombination-dependent AAV-medi-

ated microglia/macrophage CMPK2 knockdown or pharmaco-
logical intervention with NDGA mitigated ischemic injury by in-
hibiting Ox-mtDNA-induced NLRP3 inflammasome activation,
indicating that microglial CMPK2 may play a crucial role in the
pathological processes of ischemic stroke.

In the peripheral circulation system, Ox-mtDNA can act as one

of the DAMPs to activate the NLRP3 inflammasome and then
prompt the formation of GSDMD pores in the membranes of pe-
ripheral cells including monocytes, macrophages, and neutro-
phils, which allows the circulatory release of more Ox-mtDNA
to initiate the inflammatory cascade.

14

,

26

Lorente et al. and Liu

et al. also confirmed that concentrations of 8-OHdG were higher

in the peripheral blood of ischemic patients and positively corre-
lated with the severity of ischemic injury and poor prognosis.

18

,

58

Our data indicated that

CMPK2

gene expression in human

stroke patients was positively correlated with infarct volume
and NIHSS score, supporting the clinical significance of
CMPK2 in ischemic stroke.

In peripheral system disorders, pharmacological interventions

or gene knockout/knockdown of CMPK2 have demonstrated
therapeutic effects on a series of inflammation-associated dis-
eases, including ARDS, atherosclerosis, oral ulcer healing, and
liver ischemia/reperfusion injury.

21–23

,

59

The sterile inflammation

mediated by DAMPs is a crucial component in the pathophysi-
ology after stroke; ATP, HMGB-1, MRP8 (S100A8), and MRP14
(S100A9) may be promising DAMPs to promote CMPK2 upregu-
lation in the brain after stroke, which is worthy of further investi-
gation. Nevertheless, the precise function of CMPK2 in neuroin-
flammation of central nervous system disorders remains elusive.
Our experiments revealed that CMPK2 expression was substan-
tially elevated in the peri-infarct region of ischemic rodents,
predominantly located in the microglia. The

in vitro

data also

supported the above finding that CMPK2 expression was
markedly enhanced in microglia following OGD treatment.
Consequently, our findings firmly suggested that microglia/
macrophage CMPK2 expression was markedly increased in
the peri-infarct region after cerebral ischemic attack.

In brain calcification, biallelic variants of CMPK2 lead to

reduced mtDNA copies and promote mitochondrial dysfunc-
tion.

20

In addition, cannabidiol negatively regulates the transcrip-

tional activity of PPAR

g

on CMPK2 and inhibits inflammasome

activation, thereby relieving oral ulcer healing.

60

Moreover,

myeloid-specific knockout of CMPK2 can mitigate pulmonary
injury in ARDS.

21

Furthermore, CMPK2 accelerates the synthesis

of deoxy-3

0

,4

0

-didehydro-cytidine triphosphate, blocking virus

replication in CoVs.

24

However, the precise function of CMPK2

in microglia, particularly in the context of ischemic stroke, has
not been investigated. Hence, we adopted a well-established
strategy of AAV selective expression based on the

Cre

recombi-

nase system to knock down CMPK2 expression in microglia. Mi-
croglia/macrophage CMPK2 silencing elicited protective effects
in reducing ischemic volume and promoting short-term neuro-
logical outcome in ischemic mice at 3 days post-operation.
Moreover, AAV-shCMPK2 injection attenuated long-term neuro-
logical deficits in the

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice, indicating that

CMPK2 might be a biomarker associated with poor prognosis
following stroke.

Microglia dynamically modulate the morphology between the

ramified state and ameboid morphology, the latter of which indi-
cates the activated state.

31

Although microglia of ameboid

morphology help remove necrotic cells, cellular and myelin
debris, and pathogens, prolonged exposure to hyperactivated
microglia leads to neuron damage and loss. Our data demon-
strated that CMPK2 knockdown maintained the homeostatic
state of microglia, as indicated by increases in process lengths
and branch number, which might enable microglia to react
appropriately to an ischemic insult and enhance neurological
performance. Han et al. also confirmed that enhanced microglial
ramification mediated by PGC-1

a

protected against ischemia-

induced brain injury in mice.

34

Cao et al. also highlighted the

Please cite this article in press as: Guan et al., Microglial CMPK2 promotes neuroinflammation and brain injury after ischemic stroke, Cell Reports Med-
icine (2024), https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101522

12

Cell Reports Medicine

5

, 101522, May 21, 2024

Article

ll

OPEN ACCESS

mmc2-html.html
background image

essential role of microglia with a ramified morphology in surveil-
lance and scavenging functions.

31

Therefore, we speculated that

CMPK2 silencing would limit the overactivation of microglia, thus
reducing brain infarct injury in the ischemic mice.

Under normal physiological conditions, mtDNA exists as a

nucleoid with a compaction size of less than 5

m

m, which is pre-

cisely regulated by the packaging and compaction of TFAM.

14

,

26

Under conditions of microbial infections, non-sterile inflamma-
tion, and tumor cell stimuli, mtDNA replication is extensively
accelerated by CMPK2. Of note, the newly synthesized mtDNA
is naked and unstable and can easily secrete into the cytosol
through mPTP and VDAC1, thereby exacerbating tissue injury.

14

Especially, the D-loop bubble of mtDNA is vulnerable to oxida-
tive stress and then is oxidized by ROSs to produce Ox-
mtDNA, which can directly activate the NLRP3 inflammasome.
Furthermore, microglial Hv1 increases ROS generation through
NADPH oxidase regulation and then aggravates neuron death
and brain injury after neurological disorders,

61–65

which may syn-

ergize with CMPK2 to exacerbate neuroinflammation and neuron
death after ischemic stroke. Our current study showed that
CMPK2 knockdown suppressed new mtDNA synthesis, as
determined by EdU staining, inhibited levels of representative
mtDNA markers, including D-loop,

Cox1

, and

CYTB

, and disrup-

ted Ox-mtDNA formation, as determined by 8-OHdG immunoflu-
orescence staining in primary mouse microglia upon LPS prim-
ing followed by ATP stimulation or OGD conditions

in vitro

. The

in vivo

data also validated that CMPK2 knockdown inhibited

8-OHdG expression in microglia/macrophages in the ischemic
mice stroke model. Furthermore, CMPK2 silencing inhibited
cleaved caspase-1, mature IL-1

b

, and bioactive N-GSDMD in

the mouse tMCAO model

in vivo

and LPS-primed microglia fol-

lowed by ATP stimulation

in vitro

. Xian et al. also verified that

myeloid-specific CMPK2 ablation suppressed IL-1

b

production

and NLRP3 inflammasome assembly in LPS-induced ARDS.

20

Zhong et al. highlighted that mtDNA and 8-OHdG, rather than
mtROSs, directly enabled NLRP3 inflammasome activation.

25

Thus, we concluded that CMPK2 accelerated mtDNA replication
and Ox-mtDNA production and then promoted NLRP3 inflam-
masome activation in the microglia so as to aggravate the brain
injury after ischemic stroke.

Target identification and lead discovery are critical steps in

drug discovery for clinical use. Using the CMPK2 kinase assay
combined with the SPR assay, we identified NDGA as a potent
CMPK2 inhibitor. NDGA is the principal metabolite of creosote
bush and has been confirmed as a promising agent for treating
multiple diseases, including cardiovascular diseases, neurolog-
ical disorders, and cancers, as well as viral infections.

55–57

In

addition, a previous investigation reported that NDGA amelio-
rated cerebral infarction volume by inhibiting neuronal apoptosis
in a rat with ischemic stroke, but the cellular and molecular
mechanisms underlying the neuroprotective effects of NDGA
remain ambiguous under ischemia stimuli.

55–57

Therefore, a

deeper understanding of the precise mechanisms of NDGA in
microglia will help explain its therapeutic efficacy and lead to
the discovery of NDGA derivatives with enhanced therapeutic
potential for ischemic stroke. Our data revealed that NDGA treat-
ment blocked the new mtDNA synthesis and inhibited 8-OHdG
formation, corroborating the abovementioned findings that

CMPK2 knockdown could efficiently suppress mtDNA replica-
tion and Ox-mtDNA production. In addition, NDGA treatment
could potently reduce the levels of cleaved caspase-1, mature
IL-1

b

, and bioactive N-GSDMD in LPS-primed microglia fol-

lowed by ATP stimulation

in vitro

and the mouse tMCAO model

in vivo

. However, 5-LOX knockdown could not diminish the pro-

tein expressions of cleaved caspase-1, mature IL-1

b

, or bioac-

tive N-GSDMD, nor could it influence the inhibitory effects of
NDGA on NLRP3 inflammasome in LPS-primed microglia
following ATP stimulation. Moreover, NDGA treatment had no
further suppressive effects on NLRP3 inflammasome activation
in CMPK2-silenced microglia. These findings indicated that the
role of NDGA in NLRP3 inflammasome activation was indepen-
dent of 5-LOX but at least partially dependent on CMPK2.
Furthermore, we also observed that NDGA reduced ischemic
volume and short-term and long-term neurological deficits in
the mouse tMCAO model. Subsequently, we studied whether
the neuroprotective effects of NDGA were correlated with
CMPK2. Our data proved that NDGA cannot produce additional
therapeutic effects in AAV-shCMPK2 CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice after

ischemic stroke, which validated that the neuroprotective effects
of NDGA in ischemic stroke were at least partially dependent on
CMPK2. To better ascertain the clinical relevance of CMPK2, we
evaluated the effects of CMPK2-specific inhibitor NDGA on pri-
mary human monocytes. We discovered that NDGA substan-
tially reduced mature IL-1

b

release and 8-OHdG expression in

LPS-primed PBMCs, followed by ATP stimulation. Of note, we
observed a positive correlation between

CMPK2

gene expres-

sion and IL-1

b

inhibition rate by NDGA, indicating that CMPK2

expression was highly associated with the inhibition rate of
NDGA on CMPK2. In conclusion, NDGA administration, a prom-
ising immunotherapy based on CMPK2 inhibition, promises to
be a mainstay of ischemic stroke management in future clinical
research.

Limitations of the study

There are several unsolved issues in the current investigation.
First, we confirmed that microglia CMPK2 knockdown amelio-
rates cerebral ischemic injury by inhibiting the Ox-mtDNA-
induced NLRP3 inflammasome activation. However, it cannot
be ruled out that other mechanisms of CMPK2 action besides
the NLRP3 inflammasome may contribute to the progression of
ischemic stroke. Specifically, it remains to be determined
whether the STING signaling pathway is involved in the function
of CMPK2 in cerebral ischemic injury. Second, the signaling
pathways or key mediators that promote the increase of
CMPK2 protein remain obscure, so further experimental and ro-
dent models (microglia CMPK2 transgenic or knockout mice) are
required. Third, neuroinflammation is implicated in a series of
disease processes, including Alzheimer’s disease, vascular de-
mentia, traumatic brain injury, and multiple sclerosis. We will
further continue to explore whether CMPK2 participates in other
neurologic disorders, such as multiple sclerosis and vascular de-
mentia. Fourth, due to the unavailability of human brain samples
and primary human microglia from patients with stroke, we ob-
tained primary human monocytes isolated from patients with
stroke to evaluate the inhibitory effects of CMPK2-specific inhib-
itor NDGA on NLRP3 inflammasome activation

in vitro

. Thus, our

Please cite this article in press as: Guan et al., Microglial CMPK2 promotes neuroinflammation and brain injury after ischemic stroke, Cell Reports Med-
icine (2024), https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101522

Cell Reports Medicine

5

, 101522, May 21, 2024

13

Article

ll

OPEN ACCESS

mmc2-html.html
background image

understanding of CMPK2 function in patients with ischemic
stroke is less refined. Hence, human postmortem brain tissue
may be utilized in our ongoing research. Lastly, the brain tissue
of rodents and humans differs greatly; therefore, non-human pri-
mates would be an alternative model to evaluate the role of
CMPK2 in ischemic stroke through pharmacological modulation
and genetic intervention. Nevertheless, our findings in this study
would provide CMPK2 as a potential target for ischemic stroke
and also CMPK2 inhibitor NDGA as a valuable therapeutic agent
for the treatment of ischemic stroke.

STAR

+

METHODS

Detailed methods are provided in the online version of this paper and include
the following:

d

KEY RESOURCES TABLE

d

RESOURCE AVAILABILITY

B

Lead contact

B

Materials availability

B

Data and code availability

d

EXPERIMENTAL MODEL AND SUBJECT DETAILS

B

Human sample collection and processing

B

Animals

B

Isolation of primary mouse cortical neurons, astrocytes and micro-
glia

d

METHOD DETAILS

B

Quantitative real-time PCR (qRT-PCR)

B

Western blotting analysis

B

CMPK2 protein and antibody production

B

Establishment of focal cerebral ischemia/reperfusion model

B

Assessment of cerebral infarct volume and neurological function

B

Immunofluorescence staining

B

Adult mouse microglial isolation and flow cytometry examination

B

Oxygen-glucose deprivation (OGD) treatment

B

Stereotaxic surgery

B

In vivo

mouse brain magnetic resonance imaging (MRI) scanning

B

Three-dimensional (3D) reconstruction

B

LPS-primed NLRP3 inflammasome model in primary mouse micro-
glia cells and human primary monocytes

B

Cell transfection

B

Analysis of lactate dehydrogenase (LDH) release

B

Edu staining experiment

B

Measurement of total mtDNA

B

Enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) for IL-1

b

cytokine

B

In vitro

CMPK2 kinase assay and compounds screening

B

Surface plasmon resonance (SPR) assay

d

QUANTIFICATION AND STATISTICAL ANALYSIS

SUPPLEMENTAL INFORMATION

Supplemental information can be found online at

https://doi.org/10.1016/j.

xcrm.2024.101522

.

ACKNOWLEDGMENTS

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China
(82174010, 81973512, and 81973500); The Open Fund of the State Key Labo-
ratory of Pharmaceutical Biotechnology, Nanjing University, China (grant no.
KF-202206), and the Double First-Class Project of China Pharmaceutical Uni-
versity (CPUQNJC22_02).

AUTHOR CONTRIBUTIONS

T.P., X.X., J.W., and X.G. conceived the project and designed the studies.
X.G., J.W., and T.P. wrote the paper. M.L. and Y.W. collected human samples.
S.Z. performed enzyme assay and compound screening. X.G., J.S., K.L., and
L.X. revised the manuscript. X.G., J.S., K.L., and L.X. conducted animal exper-
iments. X.G., J.S., and K.L. performed the molecular biology and cell biology
experiments.

DECLARATION OF INTERESTS

The authors declare no competing interests.

Received: October 29, 2023
Revised: February 8, 2024
Accepted: March 28, 2024
Published: April 26, 2024

REFERENCES

1. Owolabi, M.O., Thrift, A.G., Mahal, A., Ishida, M., Martins, S., Johnson,

W.D., Pandian, J., Abd-Allah, F., Yaria, J., Phan, H.T., et al. (2022). Primary
stroke prevention worldwide: translating evidence into action. Lancet Pub-
lic Health

7

, e74–e85.

https://doi.org/10.1016/S2468-2667(21)00230-9

.

2. Yu, H., Chen, X., Guo, X., Chen, D., Jiang, L., Qi, Y., Shao, J., Tao, L.,

Hang, J., Lu, G., et al. (2023). The clinical value of serum xanthine oxidase
levels in patients with acute ischemic stroke. Redox Biol.

60

, 102623.

https://doi.org/10.1016/j.redox.2023.102623

.

3. Barclay, R.E., Stevenson, T.J., Poluha, W., Semenko, B., and Schubert, J.

(2020). Mental practice for treating upper extremity deficits in individuals
with hemiparesis after stroke. Cochrane Database Syst. Rev.

5

,

CD005950.

https://doi.org/10.1002/14651858.CD005950.pub5

.

4. (2021). Global, regional, and national burden of stroke and its risk factors,

1990-2019: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study
2019. Lancet Neurol.

20

, 795–820.

https://doi.org/10.1016/S1474-

4422(21)00252-0

.

5. Wang, R., Zhu, Y., Liu, Z., Chang, L., Bai, X., Kang, L., Cao, Y., Yang, X.,

Yu, H., Shi, M.-J., et al. (2021). Neutrophil extracellular traps promote
tPA-induced brain hemorrhage via cGAS in mice with stroke. Blood

138

,

91–103.

https://doi.org/10.1182/blood.2020008913

.

6. Brenna, S., Altmeppen, H.C., Mohammadi, B., Rissiek, B., Schlink, F., Lu-

dewig, P., Krisp, C., Schl

uter, H., Failla, A.V., Schneider, C., et al. (2020).

Characterization of brain-derived extracellular vesicles reveals changes
in cellular origin after stroke and enrichment of the prion protein with a po-
tential role in cellular uptake. J. Extracell. Vesicles

9

, 1809065.

https://doi.

org/10.1080/20013078.2020.1809065

.

7. Loppi, S., Korhonen, P., Bouvy-Liivrand, M., Caligola, S., Turunen, T.A.,

Turunen, M.P., Hernandez de Sande, A., Ko

1

osowska, N., Scoyni, F.,

Rosell, A., et al. (2021). Peripheral inflammation preceeding ischemia im-
pairs neuronal survival through mechanisms involving miR-127 in aged an-
imals. Aging Cell

20

, e13287.

https://doi.org/10.1111/acel.13287

.

8. Guan, X., Wu, J., Geng, J., Ji, D., Wei, D., Ling, Y., Zhang, Y., Jiang, G.,

Pang, T., and Huang, Z. (2024). A Novel Hybrid of Telmisartan and Borneol
Ameliorates Neuroinflammation and White Matter Injury in Ischemic
Stroke Through ATF3/CH25H Axis. Transl. Stroke Res.

15

, 195–218.

https://doi.org/10.1007/s12975-022-01121-5

.

9. Paolicelli, R.C., Sierra, A., Stevens, B., Tremblay, M.-E., Aguzzi, A., Ajami,

B., Amit, I., Audinat, E., Bechmann, I., Bennett, M., et al. (2022). Microglia
states and nomenclature: A field at its crossroads. Neuron

110

, 3458–

3483.

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2022.10.020

.

10. Kim, S., Lee, W., Jo, H., Sonn, S.-K., Jeong, S.-J., Seo, S., Suh, J., Jin, J.,

Kweon, H.Y., Kim, T.K., et al. (2022). The antioxidant enzyme
Peroxiredoxin-1 controls stroke-associated microglia against acute
ischemic stroke. Redox Biol.

54

, 102347.

https://doi.org/10.1016/j.

redox.2022.102347

.

Please cite this article in press as: Guan et al., Microglial CMPK2 promotes neuroinflammation and brain injury after ischemic stroke, Cell Reports Med-
icine (2024), https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101522

14

Cell Reports Medicine

5

, 101522, May 21, 2024

Article

ll

OPEN ACCESS

mmc2-html.html
background image

11. Bernhart, E., Kogelnik, N., Prasch, J., Gottschalk, B., Goeritzer, M., De-

paoli, M.R., Reicher, H., Nusshold, C., Plastira, I., Hammer, A., et al.
(2018). 2-Chlorohexadecanoic acid induces ER stress and mitochondrial
dysfunction in brain microvascular endothelial cells. Redox Biol.

15

,

441–451.

https://doi.org/10.1016/j.redox.2018.01.003

.

12. Kotrys, A.V., Cysewski, D., Czarnomska, S.D., Pietras, Z., Borowski, L.S.,

Dziembowski, A., and Szczesny, R.J. (2019). Quantitative proteomics re-
vealed C6orf203/MTRES1 as a factor preventing stress-induced tran-
scription deficiency in human mitochondria. Nucleic Acids Res.

47

,

7502–7517.

https://doi.org/10.1093/nar/gkz542

.

13. Kosmider, B., Lin, C.-R., Karim, L., Tomar, D., Vlasenko, L., Marchetti, N.,

Bolla, S., Madesh, M., Criner, G.J., and Bahmed, K. (2019). Mitochondrial
dysfunction in human primary alveolar type II cells in emphysema. EBio-
Medicine

46

, 305–316.

https://doi.org/10.1016/j.ebiom.2019.07.063

.

14. Xian, H., and Karin, M. (2023). Oxidized mitochondrial DNA: a protective

signal gone awry. Trends Immunol.

44

, 188–200.

https://doi.org/10.

1016/j.it.2023.01.006

.

15. Hsieh, Y.-W., Lin, K.-C., Korivi, M., Lee, T.-H., Wu, C.-Y., and Wu, K.-Y.

(2014). The reliability and predictive ability of a biomarker of oxidative
DNA damage on functional outcomes after stroke rehabilitation. Int. J.
Mol. Sci.

15

, 6504–6516.

https://doi.org/10.3390/ijms15046504

.

16. Liu, Z., Liu, Y., Tu, X., Shen, H., Qiu, H., Chen, H., and He, J. (2017). High

Serum Levels of Malondialdehyde and 8-OHdG are both Associated with
Early Cognitive Impairment in Patients with Acute Ischaemic Stroke. Sci.
Rep.

7

, 9493.

https://doi.org/10.1038/s41598-017-09988-3

.

17. Nakajima, H., Unoda, K.-I., Ito, T., Kitaoka, H., Kimura, F., and Hanafusa,

T. (2012). The Relation of Urinary 8-OHdG, A Marker of Oxidative Stress to
DNA, and Clinical Outcomes for Ischemic Stroke. Open Neurol. J.

6

,

51–57.

https://doi.org/10.2174/1874205X01206010051

.

18. Liu, Z., Cai, Y., and He, J. (2018). High serum levels of 8-OHdG are an in-

dependent predictor of post-stroke depression in Chinese stroke survi-
vors. Neuropsychiatr. Dis. Treat.

14

, 587–596.

https://doi.org/10.2147/

NDT.S155144

.

19.

Mizukoshi, G., Katsura, K.-I., and Katayama, Y. (2005). Urinary 8-hydroxy-
2’-deoxyguanosine and serum S100beta in acute cardioembolic stroke
patients. Neurol. Res.

27

, 644–646.

20. Zhao, M., Su, H.-Z., Zeng, Y.-H., Sun, Y., Guo, X.-X., Li, Y.-L., Wang, C.,

Zhao, Z.-Y., Huang, X.-J., Lin, K.-J., et al. (2022). Loss of function of
CMPK2 causes mitochondria deficiency and brain calcification. Cell Dis-
cov.

8

, 128.

https://doi.org/10.1038/s41421-022-00475-2

.

21. Xian, H., Liu, Y., Rundberg Nilsson, A., Gatchalian, R., Crother, T.R., Tour-

tellotte, W.G., Zhang, Y., Aleman-Muench, G.R., Lewis, G., Chen, W., et al.
(2021). Metformin inhibition of mitochondrial ATP and DNA synthesis ab-
rogates NLRP3 inflammasome activation and pulmonary inflammation.
Immunity

54

, 1463–1477.e11.

https://doi.org/10.1016/j.immuni.2021.

05.004

.

22. Chen, Y., Wu, L., Shi, M., Zeng, D., Hu, R., Wu, X., Han, S., He, K., Xu, H.,

Shao, X., and Ma, R. (2022). Electroacupuncture Inhibits NLRP3 Activation
by Regulating CMPK2 After Spinal Cord Injury. Front. Immunol.

13

,

788556.

https://doi.org/10.3389/fimmu.2022.788556

.

23. Pawlak, J.B., Hsu, J.C.-C., Xia, H., Han, P., Suh, H.-W., Grove, T.L., Mor-

rison, J., Shi, P.-Y., Cresswell, P., and Laurent-Rolle, M. (2023). CMPK2
restricts Zika virus replication by inhibiting viral translation. PLoS Pathog.

19

, e1011286.

https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1011286

.

24. Zhu, M., Lv, J., Wang, W., Guo, R., Zhong, C., Antia, A., Zeng, Q., Li, J., Liu,

Q., Zhou, J., et al. (2023). CMPK2 is a host restriction factor that inhibits
infection of multiple coronaviruses in a cell-intrinsic manner. PLoS Biol.

21

, e3002039.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3002039

.

25. Newman, L.E., and Shadel, G.S. (2023). Mitochondrial DNA Release in

Innate Immune Signaling. Annu. Rev. Biochem.

92

, 299–332.

https://doi.

org/10.1146/annurev-biochem-032620-104401

.

26. Zhong, Z., Liang, S., Sanchez-Lopez, E., He, F., Shalapour, S., Lin, X.-J.,

Wong, J., Ding, S., Seki, E., Schnabl, B., et al. (2018). New mitochondrial

DNA synthesis enables NLRP3 inflammasome activation. Nature

560

,

198–203.

https://doi.org/10.1038/s41586-018-0372-z

.

27.

Tang, Y., Xu, H., Du, X., Lit, L., Walker, W., Lu, A., Ran, R., Gregg, J.P., Re-
illy, M., Pancioli, A., et al. (2006). Gene expression in blood changes rapidly
in neutrophils and monocytes after ischemic stroke in humans: a microar-
ray study. J. Cerebr. Blood Flow Metabol.

26

, 1089–1102.

28. Raman, K., O’Donnell, M.J., Czlonkowska, A., Duarte, Y.C., Lopez-Jara-

millo, P., Pen˜aherrera, E., Sharma, M., Shoamanesh, A., Skowronska,
M., Yusuf, S., and Pare´, G. (2016). Peripheral Blood MCEMP1 Gene
Expression as a Biomarker for Stroke Prognosis. Stroke

47

, 652–658.

https://doi.org/10.1161/STROKEAHA.115.011854

.

29. Zhang, J., Wang, C., Chen, X., Takada, M., Fan, C., Zheng, X., Wen, H.,

Liu, Y., Wang, C., Pestell, R.G., et al. (2015). EglN2 associates with the
NRF1-PGC1

a

complex and controls mitochondrial function in breast can-

cer. EMBO J.

34

, 2953–2970.

https://doi.org/10.15252/embj.201591437

.

30. West, A.P., Khoury-Hanold, W., Staron, M., Tal, M.C., Pineda, C.M., Lang,

S.M., Bestwick, M., Duguay, B.A., Raimundo, N., MacDuff, D.A., et al.
(2015). Mitochondrial DNA stress primes the antiviral innate immune
response. Nature

520

, 553–557.

https://doi.org/10.1038/nature14156

.

31. Cao, P., Chen, C., Liu, A., Shan, Q., Zhu, X., Jia, C., Peng, X., Zhang, M.,

Farzinpour, Z., Zhou, W., et al. (2021). Early-life inflammation promotes
depressive symptoms in adolescence via microglial engulfment of den-
dritic spines. Neuron

109

, 2573–2589.e9.

https://doi.org/10.1016/j.

neuron.2021.06.012

.

32. Harrington, J.S., Ryter, S.W., Plataki, M., Price, D.R., and Choi, A.M.K.

(2023). Mitochondria in health, disease, and aging. Physiol. Rev.

103

,

2349–2422.

https://doi.org/10.1152/physrev.00058.2021

.

33. Studer, B., Timm, A., Sahakian, B.J., Kalenscher, T., and Knecht, S. (2021).

A decision-neuroscientific intervention to improve cognitive recovery after
stroke. Brain

144

, 1764–1773.

https://doi.org/10.1093/brain/awab128

.

34. Han, B., Jiang, W., Cui, P., Zheng, K., Dang, C., Wang, J., Li, H., Chen, L.,

Zhang, R., Wang, Q.M., et al. (2021). Microglial PGC-1

a

protects against

ischemic brain injury by suppressing neuroinflammation. Genome Med.

13

, 47.

https://doi.org/10.1186/s13073-021-00863-5

.

35. Li, D., Lang, W., Zhou, C., Wu, C., Zhang, F., Liu, Q., Yang, S., and Hao, J.

(2018). Upregulation of Microglial ZEB1 Ameliorates Brain Damage after
Acute Ischemic Stroke. Cell Rep.

22

, 3574–3586.

https://doi.org/10.

1016/j.celrep.2018.03.011

.

36. Gu, N., Peng, J., Murugan, M., Wang, X., Eyo, U.B., Sun, D., Ren, Y., Di-

Cicco-Bloom, E., Young, W., Dong, H., and Wu, L.-J. (2016). Spinal Micro-
gliosis Due to Resident Microglial Proliferation Is Required for Pain Hyper-
sensitivity after Peripheral Nerve Injury. Cell Rep.

16

, 605–614.

https://doi.

org/10.1016/j.celrep.2016.06.018

.

37. Zhang, C.-J., Jiang, M., Zhou, H., Liu, W., Wang, C., Kang, Z., Han, B.,

Zhang, Q., Chen, X., Xiao, J., et al. (2018). TLR-stimulated IRAKM acti-
vates caspase-8 inflammasome in microglia and promotes neuroinflam-
mation.

J.

Clin.

Invest.

128

,

5399–5412.

https://doi.org/10.1172/

JCI121901

.

38. McDonough, A., Noor, S., Lee, R.V., Dodge, R., Strosnider, J.S., Shen, J.,

Davidson, S., Mo¨ller, T., Garden, G.A., and Weinstein, J.R. (2020).
Ischemic preconditioning induces cortical microglial proliferation and a
transcriptomic program of robust cell cycle activation. Glia

68

, 76–94.

https://doi.org/10.1002/glia.23701

.

39. Walsh, J.G., Muruve, D.A., and Power, C. (2014). Inflammasomes in the

CNS. Nat. Rev. Neurosci.

15

, 84–97.

https://doi.org/10.1038/nrn3638

.

40. Chen, S., Mei, S., Luo, Y., Wu, H., Zhang, J., and Zhu, J. (2018). Gasdermin

Family: a Promising Therapeutic Target for Stroke. Transl. Stroke Res.

9

,

555–563.

https://doi.org/10.1007/s12975-018-0666-3

.

41. He, M., Chiang, H.-H., Luo, H., Zheng, Z., Qiao, Q., Wang, L., Tan, M., Oh-

kubo, R., Mu, W.-C., Zhao, S., et al. (2020). An Acetylation Switch of the
NLRP3 Inflammasome Regulates Aging-Associated Chronic Inflammation
and Insulin Resistance. Cell Metabol.

31

, 580–591.e5.

https://doi.org/10.

1016/j.cmet.2020.01.009

.

Please cite this article in press as: Guan et al., Microglial CMPK2 promotes neuroinflammation and brain injury after ischemic stroke, Cell Reports Med-
icine (2024), https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101522

Cell Reports Medicine

5

, 101522, May 21, 2024

15

Article

ll

OPEN ACCESS

mmc2-html.html
background image

42. Han, X., Xu, T., Fang, Q., Zhang, H., Yue, L., Hu, G., and Sun, L. (2021).

Quercetin hinders microglial activation to alleviate neurotoxicity via the
interplay between NLRP3 inflammasome and mitophagy. Redox Biol.

44

, 102010.

https://doi.org/10.1016/j.redox.2021.102010

.

43. Li, S., Fang, Y., Zhang, Y., Song, M., Zhang, X., Ding, X., Yao, H., Chen, M.,

Sun, Y., Ding, J., et al. (2022). Microglial NLRP3 inflammasome activates
neurotoxic astrocytes in depression-like mice. Cell Rep.

41

, 111532.

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.111532

.

44. Ding, L., Yang, X., Tian, H., Liang, J., Zhang, F., Wang, G., Wang, Y., Ding,

M., Shui, G., and Huang, X. (2018). Seipin regulates lipid homeostasis by
ensuring calcium-dependent mitochondrial metabolism. EMBO J.

37

,

e97572.

https://doi.org/10.15252/embj.201797572

.

45. Yu, B., Ma, J., Li, J., Wang, D., Wang, Z., and Wang, S. (2020). Mitochon-

drial phosphatase PGAM5 modulates cellular senescence by regulating
mitochondrial dynamics. Nat. Commun.

11

, 2549.

https://doi.org/10.

1038/s41467-020-16312-7

.

46. Huang, T., Lin, R., Su, Y., Sun, H., Zheng, X., Zhang, J., Lu, X., Zhao, B.,

Jiang, X., Huang, L., et al. (2023). Efficient intervention for pulmonary
fibrosis via mitochondrial transfer promoted by mitochondrial biogenesis.
Nat. Commun.

14

, 5781.

https://doi.org/10.1038/s41467-023-41529-7

.

47. Zhao, T., Zhang, J., Lei, H., Meng, Y., Cheng, H., Zhao, Y., Geng, G., Mu,

C., Chen, L., Liu, Q., et al. (2023). NRF1-mediated mitochondrial biogen-
esis antagonizes innate antiviral immunity. EMBO J.

42

, e113258.

https://doi.org/10.15252/embj.2022113258

.

48. Zeng, Z., You, M., Fan, C., Rong, R., Li, H., and Xia, X. (2023). Pathologi-

cally high intraocular pressure induces mitochondrial dysfunction through
Drp1 and leads to retinal ganglion cell PANoptosis in glaucoma. Redox
Biol.

62

, 102687.

https://doi.org/10.1016/j.redox.2023.102687

.

49. Chen, J., Sun, W., Zhang, H., Ma, J., Xu, P., Yu, Y., Fang, H., Zhou, L., Lv,

J., Xie, J., et al. (2020). Macrophages reprogrammed by lung cancer mi-
croparticles promote tumor development via release of IL-1

b

. Cell. Mol.

Immunol.

17

, 1233–1244.

https://doi.org/10.1038/s41423-019-0313-2

.

50. Mun˜oz-Wolf, N., Ward, R.W., Hearnden, C.H., Sharp, F.A., Geoghegan, J.,

O’Grady, K., McEntee, C.P., Shanahan, K.A., Guy, C., Bowie, A.G., et al.
(2023). Non-canonical inflammasome activation mediates the adjuvantic-
ity of nanoparticles. Cell Rep. Med.

4

, 100899.

https://doi.org/10.1016/j.

xcrm.2022.100899

.

51. Jin, X., Liu, D., Zhou, X., Luo, X., Huang, Q., and Huang, Y. (2023). Entrec-

tinib inhibits NLRP3 inflammasome and inflammatory diseases by directly
targeting NEK7. Cell Rep. Med.

4

, 101310.

https://doi.org/10.1016/j.xcrm.

2023.101310

.

52. Sidor, K., Jeznach, A., Hoser, G., and Skirecki, T. (2023). 1-Methylnicotina-

mide (1-MNA) inhibits the activation of the NLRP3 inflammasome in human
macrophages. Int. Immunopharm.

121

, 110445.

https://doi.org/10.1016/j.

intimp.2023.110445

.

53. Bai, H., Yang, B., Yu, W., Xiao, Y., Yu, D., and Zhang, Q. (2018). Cathepsin

B links oxidative stress to the activation of NLRP3 inflammasome. Exp.
Cell Res.

362

, 180–187.

https://doi.org/10.1016/j.yexcr.2017.11.015

.

54. Rajanbabu, V., Galam, L., Fukumoto, J., Enciso, J., Tadikonda, P., Lane,

T.N., Bandyopadhyay, S., Parthasarathy, P.T., Cho, Y., Cho, S.H., et al.
(2015). Genipin suppresses NLRP3 inflammasome activation through un-
coupling protein-2. Cell. Immunol.

297

, 40–45.

https://doi.org/10.1016/j.

cellimm.2015.06.002

.

55. Liu, Y., Wang, H., Zhu, Y., Chen, L., Qu, Y., and Zhu, Y. (2012). The protec-

tive effect of nordihydroguaiaretic acid on cerebral ischemia/reperfusion
injury is mediated by the JNK pathway. Brain Res.

1445

, 73–81.

https://

doi.org/10.1016/j.brainres.2012.01.031

.

56.

Shishido, Y., Furushiro, M., Hashimoto, S., and Yokokura, T. (2001). Effect
of nordihydroguaiaretic acid on behavioral impairment and neuronal cell
death after forebrain ischemia. Pharmacol. Biochem. Behav.

69

, 469–474.

57.

Aktan, S., Aykut, C., Yegen, B.C., Okar, I., Ozkutlu, U., and Ercan, S.
(1993). The effect of nordihydroguaiaretic acid on leukotriene C4 and pros-
taglandin E2 production following different reperfusion periods in rat brain

after forebrain ischemia correlated with morphological changes. Prosta-
glandins Leukot. Essent. Fatty Acids

49

, 633–641.

58. Lorente, L., Martı´n, M.M., Gonza´lez-Rivero, A.F., Pe´rez-Cejas, A., Abreu-

Gonza´lez, P., Ramos, L., Argueso, M., Ca´ceres, J.J., Sole´-Viola´n, J., Al-
varez-Castillo, A., et al. (2021). DNA and RNA oxidative damage are asso-
ciated to mortality in patients with cerebral infarction. Med. Intensiva

45

,

35–41.

https://doi.org/10.1016/j.medin.2019.07.008

.

59. Wu, W., Bao, W., Chen, X., Lu, Y., Fang, J., Liu, J., Peng, S., Pi, J., Tom-

linson, B., Chan, P., et al. (2023). Endothelial Gata6 deletion reduces
monocyte recruitment and proinflammatory macrophage formation and
attenuates atherosclerosis through Cmpk2-Nlrp3 pathways. Redox Biol.

64

, 102775.

https://doi.org/10.1016/j.redox.2023.102775

.

60. Qi, X., Lin, W., Wu, Y., Li, Q., Zhou, X., Li, H., Xiao, Q., Wang, Y., Shao, B.,

and Yuan, Q. (2022). CBD Promotes Oral Ulcer Healing via Inhibiting
CMPK2-Mediated Inflammasome. J. Dent. Res.

101

, 206–215.

https://

doi.org/10.1177/00220345211024528

.

61. Wu, L.-J. (2014). Microglial voltage-gated proton channel Hv1 in ischemic

stroke. Transl. Stroke Res.

5

, 99–108.

https://doi.org/10.1007/s12975-

013-0289-7

.

62. Wu, L.-J., Wu, G., Akhavan Sharif, M.R., Baker, A., Jia, Y., Fahey, F.H.,

Luo, H.R., Feener, E.P., and Clapham, D.E. (2012). The voltage-gated pro-
ton channel Hv1 enhances brain damage from ischemic stroke. Nat. Neu-
rosci.

15

, 565–573.

https://doi.org/10.1038/nn.3059

.

63. Liu, X., Lei, Z., Gilhooly, D., He, J., Li, Y., Ritzel, R.M., Li, H., Wu, L.-J., Liu,

S., and Wu, J. (2023). Traumatic brain injury-induced inflammatory
changes in the olfactory bulb disrupt neuronal networks leading to olfac-
tory dysfunction. Brain Behav. Immun.

114

, 22–45.

https://doi.org/10.

1016/j.bbi.2023.08.004

.

64. Haruwaka, K., Ying, Y., Liang, Y., Umpierre, A.D., Yi, M.-H., Kremen, V.,

Chen, T., Xie, T., Qi, F., Zhao, S., et al. (2024). Microglia enhance post-
anesthesia neuronal activity by shielding inhibitory synapses. Nat. Neuro-
sci.

27

, 449–461.

https://doi.org/10.1038/s41593-023-01537-8

.

65. Zhao, S., Umpierre, A.D., and Wu, L.-J. (2024). Tuning neural circuits and

behaviors by microglia in the adult brain. Trends Neurosci.

47

, 181–194.

https://doi.org/10.1016/j.tins.2023.12.003

.

66. He, T., Shang, J., Gao, C., Guan, X., Chen, Y., Zhu, L., Zhang, L., Zhang,

C., Zhang, J., and Pang, T. (2021). A novel SIRT6 activator ameliorates
neuroinflammation and ischemic brain injury via EZH2/FOXC1 axis. Acta
Pharm. Sin. B

11

, 708–726.

https://doi.org/10.1016/j.apsb.2020.11.002

.

67. Iiott, N.E., Heward, J.A., Roux, B., Tsitsiou, E., Fenwick, P.S., Lenzi, L.,

Goodhead, I., Hertz-Fowler, C., Heger, A., Hall, N., et al. (2014). Long
non-coding RNAs and enhancer RNAs regulate the lipopolysaccharide-
induced inflammatory response in human monocytes. Nat. Commun.

5

,

3979.

https://doi.org/10.1038/ncomms4979

.

68. Jin, M., Shiwaku, H., Tanaka, H., Obita, T., Ohuchi, S., Yoshioka, Y., Jin, X.,

Kondo, K., Fujita, K., Homma, H., et al. (2021). Tau activates microglia via
the PQBP1-cGAS-STING pathway to promote brain inflammation. Nat.
Commun.

12

, 6565.

https://doi.org/10.1038/s41467-021-26851-2

.

69. Hupp, S., Fo¨rtsch, C., Graber, F., Mitchell, T.J., and Iliev, A.I. (2022). Pneu-

molysin boosts the neuroinflammatory response to Streptococcus pneu-
moniae through enhanced endocytosis. Nat. Commun.

13

, 5032.

https://

doi.org/10.1038/s41467-022-32624-2

.

70. Guo, J., Wang, F., Hu, Y., Luo, Y., Wei, Y., Xu, K., Zhang, H., Liu, H., Bo, L.,

Lv, S., et al. (2023). Exosome-based bone-targeting drug delivery allevi-
ates impaired osteoblastic bone formation and bone loss in inflammatory
bowel diseases. Cell Rep. Med.

4

, 100881.

https://doi.org/10.1016/j.xcrm.

2022.100881

.

71. Chin, C., Ravichandran, R., Sanborn, K., Fleming, T., Wheatcroft, S.B.,

Kearney, M.T., Tokman, S., Walia, R., Smith, M.A., Flint, D.J., et al.
(2023). Loss of IGFBP2 mediates alveolar type 2 cell senescence and pro-
motes lung fibrosis. Cell Rep. Med.

4

, 100945.

https://doi.org/10.1016/j.

xcrm.2023.100945

.

Please cite this article in press as: Guan et al., Microglial CMPK2 promotes neuroinflammation and brain injury after ischemic stroke, Cell Reports Med-
icine (2024), https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101522

16

Cell Reports Medicine

5

, 101522, May 21, 2024

Article

ll

OPEN ACCESS

mmc2-html.html
background image

72. Singh, A., D’Amico, D., Andreux, P.A., Fouassier, A.M., Blanco-Bose, W.,

Evans, M., Aebischer, P., Auwerx, J., and Rinsch, C. (2022). Urolithin A im-
proves muscle strength, exercise performance, and biomarkers of mito-
chondrial health in a randomized trial in middle-aged adults. Cell Rep.
Med.

3

, 100633.

https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2022.100633

.

73. Wang, X., Yu, J., Liu, X., Luo, D., Li, Y., Song, L., Jiang, X., Yin, X., Wang,

Y., Chai, L., et al. (2022). PSMG2-controlled proteasome-autophagy bal-
ance mediates the tolerance for MEK-targeted therapy in triple-negative
breast cancer. Cell Rep. Med.

3

, 100741.

https://doi.org/10.1016/j.xcrm.

2022.100741

.

74. Luo, Z., Hu, X., Wu, C., Chan, J., Liu, Z., Guo, C., Zhu, R., Zhang, L., Zhang,

Y., Jin, S., and He, S. (2023). Plasma exosomes generated by ischaemic
preconditioning are cardioprotective in a rat heart failure model. Br. J.
Anaesth.

130

, 29–38.

https://doi.org/10.1016/j.bja.2022.08.040

.

75. Wang, Y., Guan, X., Gao, C.-L., Ruan, W., Zhao, S., Kai, G., Li, F., and

Pang, T. (2021). Medioresinol as a novel PGC-1

a

activator prevents pyrop-

tosis of endothelial cells in ischemic stroke through PPAR

a

-GOT1 axis.

Pharmacol.

Res.

169

,

105640.

https://doi.org/10.1016/j.phrs.2021.

105640

.

76. Gao, C., Xu, Y., Liang, Z., Wang, Y., Shang, Q., Zhang, S., Wang, C., Ni, M.,

Wu, D., Huang, Z., and Pang, T. (2021). A novel PGAM5 inhibitor LFHP-1c
protects blood-brain barrier integrity in ischemic stroke. Acta Pharm. Sin.
B

11

, 1867–1884.

https://doi.org/10.1016/j.apsb.2021.01.008

.

77. Wlodarczyk, A., Holtman, I.R., Krueger, M., Yogev, N., Bruttger, J., Khor-

ooshi, R., Benmamar-Badel, A., de Boer-Bergsma, J.J., Martin, N.A., Kar-
ram, K., et al. (2017). A novel microglial subset plays a key role in myelino-
genesis in developing brain. EMBO J.

36

, 3292–3308.

https://doi.org/10.

15252/embj.201696056

.

78. Kana, V., Desland, F.A., Casanova-Acebes, M., Ayata, P., Badimon, A.,

Nabel, E., Yamamuro, K., Sneeboer, M., Tan, I.L., Flanigan, M.E., et al.
(2019). CSF-1 controls cerebellar microglia and is required for motor func-
tion and social interaction. J. Exp. Med.

216

, 2265–2281.

https://doi.org/

10.1084/jem.20182037

.

79. Wan, P., Su, W., Zhang, Y., Li, Z., Deng, C., Li, J., Jiang, N., Huang, S.,

Long, E., and Zhuo, Y. (2020). LncRNA H19 initiates microglial pyroptosis
and neuronal death in retinal ischemia/reperfusion injury. Cell Death Differ.

27

, 176–191.

https://doi.org/10.1038/s41418-019-0351-4

.

80. Zhang, J., Rong, P., Zhang, L., He, H., Zhou, T., Fan, Y., Mo, L., Zhao, Q.,

Han, Y., Li, S., et al. (2021). IL4-driven microglia modulate stress resilience
through BDNF-dependent neurogenesis. Sci. Adv.

7

, eabb9888.

https://

doi.org/10.1126/sciadv.abb9888

.

81. Al Mamun, A., Chauhan, A., Qi, S., Ngwa, C., Xu, Y., Sharmeen, R., Hazen,

A.L., Li, J., Aronowski, J.A., McCullough, L.D., and Liu, F. (2020). Microglial
IRF5-IRF4 regulatory axis regulates neuroinflammation after cerebral
ischemia and impacts stroke outcomes. Proc. Natl. Acad. Sci. USA

117

,

1742–1752.

https://doi.org/10.1073/pnas.1914742117

.

82. Lin, R., Zhou, Y., Yan, T., Wang, R., Li, H., Wu, Z., Zhang, X., Zhou, X.,

Zhao, F., Zhang, L., et al. (2022). Directed evolution of adeno-associated
virus for efficient gene delivery to microglia. Nat. Methods

19

, 976–985.

https://doi.org/10.1038/s41592-022-01547-7

.

83. Chen, J., Jin, J., Zhang, X., Yu, H., Zhu, X., Yu, L., Chen, Y., Liu, P., Dong,

X., Cao, X., et al. (2021). Microglial lnc-U90926 facilitates neutrophil infil-
tration in ischemic stroke via MDH2/CXCL2 axis. Mol. Ther.

29

, 2873–

2885.

https://doi.org/10.1016/j.ymthe.2021.04.025

.

84. Hu, Y., Yao, Y., Qi, H., Yang, J., Zhang, C., Zhang, A., Liu, X., Zhang, C.,

Gan, G., and Zhu, X. (2023). Microglia sense and suppress epileptic
neuronal hyperexcitability. Pharmacol. Res.

195

, 106881.

https://doi.org/

10.1016/j.phrs.2023.106881

.

85. Seo, D.-O., O’Donnell, D., Jain, N., Ulrich, J.D., Herz, J., Li, Y., Lemieux,

M., Cheng, J., Hu, H., Serrano, J.R., et al. (2023). ApoE isoform- and micro-
biota-dependent progression of neurodegeneration in a mouse model of
tauopathy. Science

379

, eadd1236.

https://doi.org/10.1126/science.

add1236

.

86. Xu, Y., Johansson, M., and Karlsson, A. (2008). Human UMP-CMP kinase

2, a novel nucleoside monophosphate kinase localized in mitochondria.
J. Biol. Chem.

283

, 1563–1571.

https://doi.org/10.1074/jbc.M707997200

.

87. Renner, M., Flanagan, A., Dejnirattisai, W., Puttikhunt, C., Kasinrerk, W.,

Supasa, P., Wongwiwat, W., Chawansuntati, K., Duangchinda, T., Cow-
per, A., et al. (2018). Characterization of a potent and highly unusual mini-
mally enhancing antibody directed against dengue virus. Nat. Immunol.

19

, 1248–1256.

https://doi.org/10.1038/s41590-018-0227-7

.

Please cite this article in press as: Guan et al., Microglial CMPK2 promotes neuroinflammation and brain injury after ischemic stroke, Cell Reports Med-
icine (2024), https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101522

Cell Reports Medicine

5

, 101522, May 21, 2024

17

Article

ll

OPEN ACCESS

mmc2-html.html
background image

STAR

+

METHODS

KEY RESOURCES TABLE

REAGENT or RESOURCE

SOURCE

IDENTIFIER

Antibodies

Mouse anti-

b

-actin

Proteintech

Cat# 20536-1-AP; RRID: AB_10700003

Rabbit anti-Caspase-1

CST

Cat# 89332S; RRID: AB_2923067

Rabbit anti-GSDMD

Abcam

Cat# ab209845; RRID: AB_2783550

Rabbit anti-GSDMD

Abcam

Cat# ab219800; RRID: AB_2888940

Goat anti-IL-1

b

R&D Systems

Cat# AB-401-NA; RRID: AB_354347

Rabbit anti-IBA1

Wako

Cat# 01919741; RRID: AB_839504

Goat anti-IBA1

NOVUS

Cat# NB100-1028; RRID: AB_521594

Mouse anti-GFAP

CST

Cat# 3670; RRID:AB_561049

Mouse anti-NeuN

Proteintech

Cat# 66836-1-Ig; RRID: AB_2882179

Rabbit anti-8-OHdG

Bioss

Cat# bs-1278R; RRID: AB_10856120

Rat anti-Ki67

Invitrogen

Cat# 14-5698-82; RRID: AB_10854564

Goat anti-ASC

Abcam

Cat# Ab175449; RRID: AB_3096354

Rat anti-CD11b

Invitrogen

Cat# 14-0112-82; RRID: AB_467108

Rabbit anti-TOMM20

Proteintech

Cat# 11802-1-AP; RRID: AB_2207530

Alexa Flour

TM

488 goat anti-rabbit IgG (H + L)

Invitrogen

Cat# A11008; RRID: AB_143165

Alexa Flour

TM

633

goat anti-mouse IgG (H + L)

Invitrogen

Cat# A21050; RRID: AB_2535718

FITC–conjugated donkey Anti-rabbit IgG(H + L)

Proteintech

Cat# SA00003-8; RRID: AB_2890899

Cy3 donkey anti-goat IgG (H + L)

Servicebio

Cat# GB21404; RRID: AB_2868507

Cy3 goat anti-rat IgG (H + L)

Servicebio

Cat# GB21302; RRID: AB_2936331

Chemicals, peptides, and recombinant proteins

NDGA

Sigma

74540

LPS

Sigma

I4524

ATP

Sigma

A8937

Poly-L-lysine

Sigma

P2636

Tamoxifen

Sigma

T5648

DMEM

Invitrogen

11965092

glucose-free DMEM

Invitrogen

11966025

DMEM/F-12

Invitrogen

11330032

MitoSOX

Yeasen

40778ES50

MCSF

Novoprotein

CB34

Lipofectamine 2000

Invitrogen

11668019

Hoechst 33342

Beyotime

C1025

DMSO

Sigma

D8418

H

2

O

2

Sigma

88597

Critical commercial assays

LDH Cytotoxicity Assay Kit

Beyotime

C0017

FastPure Cell/Tissue DNA Isolation Mini Kit

Vazyme Biotech Co.,Ltd

DC112

BCA protein assay

Beyotime

P0012

Human IL-1 beta ELISA Kit

RD

VAL101

CD11b (Microglia) MicroBead

Miltenyi

130-093-636

ATP assay kits

Beyotime

S0027

(

Continued on next page

)

Please cite this article in press as: Guan et al., Microglial CMPK2 promotes neuroinflammation and brain injury after ischemic stroke, Cell Reports Med-
icine (2024), https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101522

e1

Cell Reports Medicine

5

, 101522, May 21, 2024

Article

ll

OPEN ACCESS

mmc2-html.html
background image

RESOURCE AVAILABILITY

Lead contact

Further information and requests for resources and reagents should be direct to and will be fulfilled by the lead contact, Tao Pang
(

tpang@cpu.edu.cn

).

Materials availability

This study did not generate new unique reagents.

Data and code availability

d

All data reported in this paper will be shared by the

lead contact

upon request. This paper does not report original code.

d

Any additional information required to reanalyze the data reported in this paper is available from the

lead contact

upon request.

EXPERIMENTAL MODEL AND SUBJECT DETAILS

Human sample collection and processing

This investigation recruited 31 patients with acute ischemic stroke and 21 age-matched healthy subjects from September 2021 to
September 2023. This study was approved by the Ethics Committee of the Second Affiliated Hospital of Nanjing Medical University
with written informed consent from ischemic stroke patients or age-matched healthy subjects (Ethics approval number:
2019-KY116). The investigation was accomplished according to the guidelines of the Helsinki Declaration. Firstly, the patients
were confirmed with symptoms of acute ischemic stroke based on clinical manifestations and then

66

diagnosed using magnetic

resonance imaging (MRI) with diffusion-weighted imaging (DWI). Then, the blood samples from all patients were collected before
any therapeutic medication. Approximately 4–5 mL of peripheral blood samples were obtained in EDTA-K

2

anticoagulant tubes,

lysed in TRIzol regents, and then stored in a

80

C refrigerator. Ischemic stroke patients and healthy control subjects with the

following characteristics were excluded from this study: (1) having other intracranial diseases; (2) having an autoimmune disorder,
acute or chronic infectious diseases, hematologic disorders, or a history of surgical surgery in the past year; (3) taking hormones
or immunosuppressants within the past 6 months. As previously reported,

66

,

67

peripheral blood mononuclear cells (PBMC) were

sorted using the PBMC isolation kit (Famacs, Nanjing, China) in line with the manufacturer’s instructions, the

purity

of

which was

above

90

% for monocytes as determined by flow cytometry. The patient parameters including age, gender, comorbidity, stroke loca-

tion, collection of blood after stroke (hours/days) were listed in

Table S2

.

Animals

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice were obtained from the Shanghai Nanfang Research Center for Model Organisms. Wide-type (WT) C57BL/6J

mice were obtained from the

Slake Company

(Shanghai, China)

.

All the animal procedures were approved by Animal Ethics Commit-

tee of China Pharmaceutical University (No. 2021-01-020) and carried out in accordance with the requirements of the National Insti-
tutes of Health for the care and use of experimental animals.

Isolation of primary mouse cortical neurons, astrocytes and microglia

Primary mouse cortical neurons, astrocytes, and microglia were isolated according to previous literature.

8

,

68

Primary mouse cortical

neurons were isolated from

pregnant mice

at embryonic

day

(E) 15-E16.

68

In brief, the brain cortices tissue of fetal mice was removed

and placed in Hanks balanced salt

solution (HBSS

). Then, the brain tissue was minced into 2 mm-wide pieces and subsequently

immersed in 2 mg/mL papain solution at 37

C for 30 min. After digestion, the dissociated neurons were cultivated in Neurobasal me-

dium supplemented with 2%

B27

and 1% Gluta

MAX

in an incubator at 37

C with 5% CO

2

until the cells grew mature at 7–9 days.

Microglia and astrocytes were obtained from the

mixed glial

population with different attachment methods.

69

Briefly, the

neonatal

Continued

REAGENT or RESOURCE

SOURCE

IDENTIFIER

Experimental models: Organisms/strains

CX

3

CR1-Cre

ERT2

Shanghai Model Organisms Center

NM-KI-200157

Oligonucleotides

Primer used, see

Table S1

Sangon Biotech

N/A

Software and algorithms

ImageJ

NIH

N/A

Prism

GraphPad

N/A

IMARIS 9.6.2

Bitplane

N/A

Please cite this article in press as: Guan et al., Microglial CMPK2 promotes neuroinflammation and brain injury after ischemic stroke, Cell Reports Med-
icine (2024), https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101522

Cell Reports Medicine

5

, 101522, May 21, 2024

e2

Article

ll

OPEN ACCESS

mmc2-html.html
background image

mice

(postnatal day

1

-

2

) were

disinfected with 75%

alcohol, and then the cerebral cortex tissue was carefully removed. After gently

dissecting the attached

meninges and

blood

vessels, the minced cerebral tissue pieces were immersed in 0.25% trypsin solution

at

37

C for 6–10 min

before terminating digestion with

6 mL

DMEM-F12

medium supplemented with 10% FBS. Afterward, the disso-

ciated

mixed glial

population was cultivated in

DMEM-F12

supplemented with 10% FBS. When

mixed glial cells

were grown

to 90–

100

% cell

density at 10 days,

the microglia were harvested from the

T75

culture flask after shaking at

180

3

rpm

for 2

h. Next, the

astrocytes adherent to the T75

culture flask

were digested with 0.25% trypsin solution and cultured in

12-well

plates (Jet Biofil,

Guangzhou)

for

the subsequent experiments

.

METHOD DETAILS

Quantitative real-time PCR (qRT-PCR)

The total RNA was extracted with TRIzol reagents (Vazyme Biotech Co., Ltd, China). Then, one microgram of mRNA was reverse-
transcribed into cDNA according to the instruction of cDNA Synthesis Kit (Vazyme Biotech Co., Ltd, China). Subsequently, the first
strand cDNA was then applied as a template for PCR amplification with

gene-

s

pecific primers

using SYBR Green reagent (Vazyme

Biotech Co., Ltd, China) on ABI StepOnePlus sequence detection system. The final gene expression was normalized to 18S

r

RNA.

The primers applied in the study are displayed in

Table S1

.

Western blotting analysis

The Western blotting analysis was conducted as we previously described.

70–74

First, the total protein was extracted using RIRA buffer

and then the protein concentrations were determined using the BCA kit (Thermo). After mixing with Laemmli sample buffer, the pro-
tein samples were separated electrophoretically and then wet-transferred onto 0.22

m

m PVDF membranes (Millipore). After blocking

with 5% non-fat dry milk in the Tris-buffered saline (TBS) (pH 7.4) containing 0.1% Tween 20 at room temperature for 2 h, the protein
membranes were sequentially immersed with the primary antibody at 4

C overnight and secondary antibody at room temperature for

1 h. Finally, the membranes were quantified using Quantity One gel image analysis system with enhanced chemiluminescence detec-
tion reagents. All unprocessed Western blotting images were displayed in

Figures S7

and

S8

.

CMPK2 protein and antibody production

Full length of CMPK2 cDNA was amplified and cloned into the Nco I and Hind III sites on a pET-28a(+) vector with 6

3

His tag. Sub-

cequently, the recombinant plasmids were transformed into BL21(DE3) bateria and the expression of CMPK2 protein was induced by
addition of 0.5 mmol/L IPTG. Then, CMPK2 protein purification was carried out with Ni-IDA-Sepharose CL-6B affinity chromatog-
raphy column (Sangon Biotech, Shanghai). To prepare CMPK2 antibody, aa 135–265 of CMPK2 was amplified and cloned into
pET-28a-SUMO vector. After expression and purification, CMPK2 aa135-265 (1.5 mg/mL) was injected into rabbits, following by
screening with ELISA and immunoblots. Lastly, the antisera were collected and affinity-purified for further experiments.

Establishment of focal cerebral ischemia/reperfusion model

The mouse tMCAO model is a well-established model to form focal cerebral ischemia, according to previous literature.

66

,

75

In short,

mice are anesthetized in an animal anesthesia chamber containing 3% isoflurane and then maintained under anesthesia at 2% iso-
flurane. During the surgery, the mouse body temperature was held at 37

±

0.5

C with the heating pad. First, after bluntly separating

the neck muscle, the common carotid artery (CCA), external carotid artery (ECA), and internal carotid artery (ICA) of the mouse were
gently isolated without excessive wounding. Then, the silicone-coated monofilament (1800A, Jialing Biotechnology, China) was
introduced from ECA and extended to the anterior cerebral artery to block the opening of MCA. Afterward, the arterial blood flow
was occluded to maintain the cerebral ischemia for about 1 h, and the silicone-coated monofilament was subsequently extracted
to restore cerebral blood flow. During the surgery, laser speckle flow imaging was used to monitor cerebral cortical blood flow.
When cerebral blood flow was dropped below 70%, as assessed by Laser Speckle Imaging analysis system (RWD Biotechnology,
China), the tMCAO model was considered to be successfully established. As for the Sham group, the mice were exposed to the same
operation without inserting silicone-coated monofilament for 1 h.

To explore the effects of NDGA in short-term neurological deficits in the mouse ischemic stroke model, a total of 60 mice were

randomly divided into four groups: sham group, tMCAO plus vehicle group, tMCAO plus NDGA (5 mg/kg or 20 mg/kg) group at 3
h, 6 h, 24 h, and 48 h. In the mice subjected to tMCAO model, 10 mice were excluded from the analysis for unsuccessful operation
(

n

= 1) or hemorrhagic transformation (

n

= 3), and 6 mice died intraoperatively (

n

= 2) or postoperatively (

n

= 4). To explore the effects of

NDGA and CMPK2 knockdown in short-term neurological deficits in the mouse ischemic stroke model, a total of 148

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice were randomly divided into six groups: sham plus AAV-shCon, sham plus AAV-shCMPK2, tMCAO plus AAV-shCon, tMCAO
plus AAV-shCMPK2, tMCAO plus AAV-shCon plus NDGA (20 mg/kg), tMCAO plus AAV-shCMPK2 plus NDGA (20 mg/kg). In the

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice subjected to tMCAO model, 24 mice were excluded from the analysis for unsuccessful operation (

n

= 3) or hem-

orrhagic transformation (

n

= 6), and 15 mice died intraoperatively (

n

= 3) or postoperatively (

n

= 12). To explore the effects of NDGA in

long-term neurological deficits in the mouse ischemic stroke model, a total of 84 mice were randomly divided into three groups: sham
group, tMCAO plus vehicle group, tMCAO plus NDGA (20 mg/kg) group at 3 h, 6 h, 1 day, 2 days, 3 days, 4 days, 5 days, 6 days, and

Please cite this article in press as: Guan et al., Microglial CMPK2 promotes neuroinflammation and brain injury after ischemic stroke, Cell Reports Med-
icine (2024), https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101522

e3

Cell Reports Medicine

5

, 101522, May 21, 2024

Article

ll

OPEN ACCESS

mmc2-html.html
background image

7 days. In the mice subjected to tMCAO model, 15 mice were excluded from the analysis for unsuccessful operation (

n

= 3), or hem-

orrhagic transformation (

n

= 3), and 9 mice died intraoperatively (

n

= 2) or postoperatively overnight (

n

= 7).

Assessment of cerebral infarct volume and neurological function

2, 3, 5-triphenyltetrazolium chloride (TTC, TCI, Japan) staining was applied to measure cerebral infarct volume. In brief, the mice were
sacrificed under deep isoflurane anesthesia. Then, brains were gently dissociated and cut into five coronal brain slices (1–2 mm thick)
and subsequently incubated with 2% TTC solution at 37

C for 10 min. Finally, the coronal brain slices were photographed using cam-

era, and the infarct volumes were determined with ImageJ software. The cerebral infarct volume (with correction for brain oedema)
(%) was evaluated as follows: (the contralateral hemisphere minus the non-infarct area of the ipsilateral hemisphere)/(the contralat-
eral hemisphere

3

2)

3

100%.

In this study, Longa’s test was used to determine short-term neurological deficits in the mouse ischemic stroke model.

66

,

75

More-

over, long-term neurological performances were evaluated in mice of each group by the modified neurological severity score (mNSS),
foot-fault test, wire-hanging test, and rotarod test at 1, 3, 5, 7, 14, 21 and 28 days after tMCAO as previously demonstrated.

66

,

75

All

the behavioral tests were conducted

in a double-blind

manner.

Immunofluorescence staining

The immunofluorescence staining was conducted as we previously described.

76

Briefly, the dissociated brains were fixed in 4% para-

formaldehyde solution for 24 h and then sequentially dehydrated in 15% and 30% sucrose solutions at 4

C for 2–3 days until sunk. Next,

the frozen mouse brain tissue was sliced into 16

m

m or 40

m

m coronal slices using the Leica cryostat microtome. As for immunofluo-

rescence staining, the frozen mouse coronal slices and cells were fixed with 4% formaldehyde and then washed 3 times with phos-
phate-buffered saline (PBS) (pH 7.4) solution for 5 min. Afterward, the slices were immersed in PBS solution with 10% normal goat
serum or donkey serum for 1 h at room temperature to avoid non-specific staining. Next, the slices were sequentially incubated with
the primary antibodies at 4

C overnight and secondary antibodies at room temperature for 1 h. And the cell nuclei were counterstained

with Hoechst 33342. Finally, the immunofluorescence imaging was acquired and visualized using FV3000 microscope (Olympus,
Japan). As for immunofluorescence staining in PBMCs, the experiments were performed at about 1–2 h after blood collection.

Adult mouse microglial isolation and flow cytometry examination

Mouse microglia from adult mouse brains were isolated using the CD11b (Microglia) MicroBeads Kit (Miltenyi Biotec) following the
manufacturer’s instructions.

77

,

78

Then, the isolated microglia were blocked with rat anti-mouse CD16/32 for 20 min to avoid non-spe-

cific staining. Afterward, the cells were sequentially incubated with FVS780 and fluorochrome-conjugated primary antibodies against
CD11b

+

or CD45

+

in the dark. Finally, the samples were examined with the CytoFLEX flow cytometer (Beckman, USA).

Oxygen-glucose deprivation (OGD) treatment

To mimic the ischemic state for microglia, astrocytes, and neurons, the OGD model was established

in vitro

as previously re-

ported.

8

,

79

Briefly, the primary mouse microglia, astrocytes, or cortical neurons were replaced with DMEM medium without glucose

and FBS (Gibco, USA) in the hypoxia chamber (Billups-Rothenberg Inc, USA) for the indicated time at 37

C with 95% N

2

and 5% CO

2

for the following experiments.

Stereotaxic surgery

For stereotaxic surgery, the head of mouse was placed in the stereotactic frame (RWD Life Science, Shenzhen, China) in a prone
position under 2% isoflurane. Then, 1

m

L of rAAV-CMV-DIO-mCherry-Loxp-shRNA (Scramble)-WPRE-polyA (5

3

10

12

viral ge-

nomes/

m

L) viruses or rAAV-CMV-DIO-mCherry-Loxp-shRNA (CMPK2)-WPRE-polyA (5

3

10

12

viral genomes/

m

L) viruses using

AAV-MG1.2 vectors were injected into the target site (0.5 mm anterior to the bregma, 2.0 mm lateral (right) to the sagittal suture,
and 1.0 mm from the surface of the skull) of

CX

3

CR1

Cre/ERT2

at a rate of 0.05

m

L/min with a 30-gauge needle for 20 min using a micro-

syringe pump (RWD Life Science, Shenzhen, China).

31

,

80–82

After injecting the

Cre

-dependent virus, the microsyringe remained in

position for 10 min before being removed. Subsequently, the mice were held on the heating pad to recuperate from the anesthesia.
After 14 days post stereotaxic surgery, the

CX

3

CR1

Cre/ERT2

mice were injected intraperitoneally with 75 mg/kg tamoxifen (Sigma,

USA) per day for consecutive 5 days to induce

Cre

recombinase expression.

31

,

80

The AAV transfection area accounted for approx-

imately 19.25

±

3.26% of the total infarct area and 43.68

±

5.13% of the cerebral cortex infarct area.

83

,

84

In vivo

mouse brain magnetic resonance imaging (MRI) scanning

To assess the degree of ischemic stroke in the mice, MRI scanning was conducted at day 14 with the Bruker BioSpec 7.0-T/20-cm
MRI scanner (Bruker, Germany).

66

,

75

First, the mice were anesthetized and placed on the experimental bench in a prone position, with

the head fixed at the center of radiofrequency (RF) body transmit coil. Then, the MRI images were obtained using the T2 Star
sequence setting: (repetition time (TR) = 3000 ms, echo time (TE) = 45 ms, slice thickness of 0.50 mm, flip angle (FA) = 135

,

20 mm

3

20 mm in-plane resolution, and 512

3

256 matrix). The cerebral infarct volume (with correction for brain oedema) (%)

was evaluated as follows: (the contralateral hemisphere minus the non-infarct area of the ipsilateral hemisphere)/(the contralateral
hemisphere

3

2)

3

100%.

Please cite this article in press as: Guan et al., Microglial CMPK2 promotes neuroinflammation and brain injury after ischemic stroke, Cell Reports Med-
icine (2024), https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101522

Cell Reports Medicine

5

, 101522, May 21, 2024

e4

Article

ll

OPEN ACCESS

mmc2-html.html
background image

Three-dimensional (3D) reconstruction

The 40

m

m brain slices were sequentially incubated with anti-Iba1 primary antibody at 4

C overnight and Alexa Fluor 488-conjugated

secondary antibody at room temperature for 1 h. After staining the cell nuclei with Hoechst 33342, 1024

3

1024-pixel resolution im-

ages were captured using FV3000 with 1.0

m

m steps in the Z-direction, followed by 3D reconstructions with IMARIS 9.0 software

(Bitplane).

31

,

85

Finally, the process lengths and total branch points were semi-automatically quantified using Imaris software.

LPS-primed NLRP3 inflammasome model in primary mouse microglia cells and human primary monocytes

As previously described, priming the cells with LPS followed by ATP stimulation is an established model to induce the NLRP3 inflam-
masome activation.

41–43

After seeding on 24-well plates overnight, primary mouse microglia and human primary monocytes were

simultaneously treated with ultrapure LPS (100 ng/mL) for 6 h and NDGA at the indicated concentrations, and then stimulated
with ATP (3 mM) for 30 min. Eventually, cell lysates and supernatants were collected for further experiments.

Cell transfection

To investigate the effects of target CMPK2 or 5-LOX in cells, primary mouse microglia were transfected with

Cmpk2

siRNA (si-

Cmpk2

),

5-Lox

siRNA (si-

5-Lox

) or negative siRNA using Lipofectamine 2000 reagent (Invitrogen, USA) for 48 h following the guide-

lines of manufacturer. The sequences of si-

Cmpk2

: GGCUUCUGAAAUAGCUAAATT; si-

5-Lox

: CCCGAGAUAUCCAGUUUGATT.

Analysis of lactate dehydrogenase (LDH) release

The contents of LDH in cell culture supernatant after priming with LPS followed by ATP stimulation or OGD treatment were deter-
mined using

LDH

kit (Beyotime Biotechnology, China) under the manufacturer’s guidelines. All samples and standards were as-

sessed in triplicate.

Edu staining experiment

To detect newly synthesized mtDNA, EdU detection was conducted using Click-iT EdU Cell Proliferation Kit with Alexa Fluor 488
(Beyotime, China

according to the previous reports.

25

Finally, immunofluorescence imaging was acquired and visualized using

FV3000 microscope.

Measurement of total mtDNA

After washing the microglia twice with sterile PBS solution, the microglia were collected to extract the total mtDNA using the FastPure
Cell DNA Isolation Mini Kit (Vazyme Biotech Co.,Ltd, China) following the manufacturers’ advisement. Then, the mtDNA contents
were assessed by qPCR amplification with gene-specific primers.

25

The final mtDNA expression was normalized to nuclear DNA en-

coding

Tert

. The gene-specific primers for the mtDNA applied in the study are displayed in

Table S1

.

Enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) for IL-1

b

cytokine

The concentrations of IL-1

b

cytokine in cell culture supernatant were determined using the human or mouse IL-1

b

ELISA kit (RD, USA)

in accordance with the manufacturer’s guidelines. All samples and standards were assessed in triplicate.

In vitro

CMPK2 kinase assay and compounds screening

The CMPK2 kinase assay was performed with 3180 compounds. The compound libraries were obtained from Selleck (L1300, L3800,
L8000) and all compounds were dissolved in DMSO at the equivalent concentration. Inhibition of CMPK2 kinase activity was deter-
mined using an ADP-Glo Kinase Assay Kit (Promega, USA).

86

Briefly, recombinant human CMPK2 kinase (2

m

g/reaction) was mixed

with the test compounds in the kinase assay buffer (5 mM MgCl

2

, 25 mM HEPES pH 7.2, 50 mM Tris-HCl pH 7.6–8.0, 5

m

M ATP,

100

m

M CMP). To explore the effects of NDGA on CMPK2 enzymatic activity, different concentrations of NDGA were incubated

with the CMPK2 kinase in the kinase assay buffer. Lastly, the kinase detection regent was added to determine the luminescence un-
der the Paradigm detection platform (Beckman).

Surface plasmon resonance (SPR) assay

In order to investigate whether NDGA binds with CMPK2 protein directly, the SPR binding experiment was carried out using a Biacore
8K instrument (GE Healthcare).

76

,

86

,

87

Recombinant CMPK2 kinase (50

m

g) was immobilized on the CM5 chip, followed by injection of

NDGA at different concentrations at a flow rate of 30

m

L/min for 350 s. Finally, the binding curves and affinity data were recorded and

assessed using Biacore Insight evaluation software.

QUANTIFICATION AND STATISTICAL ANALYSIS

Data are displayed as mean

±

SD and analyzed by using the software GraphPad Prism 7.0. Depending on the dataset, statistical

analysis was carried out using unpaired Student’s t test, non-parametric Mann-Whitney test, log rank (Mantel-Cox) test, One-way
ANOVA with Bonferroni’s corrections, or two-way ANOVA with Bonferroni’s corrections with or without repeated measurements,
respectively. Differences are recognized statistically significant at

p

< 0.05.

Please cite this article in press as: Guan et al., Microglial CMPK2 promotes neuroinflammation and brain injury after ischemic stroke, Cell Reports Med-
icine (2024), https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101522

e5

Cell Reports Medicine

5

, 101522, May 21, 2024

Article

ll

OPEN ACCESS

mmc2-html.html
background image

Cell Reports Medicine, Volume

5

Supplemental information

Microglial CMPK2 promotes neuroin

ammation

and brain injury after ischemic stroke

Xin Guan, Sitong Zhu, Jinqian Song, Kui Liu, Mei Liu, Luyang Xie, Yifang Wang, Jin
Wu, Xiaojun Xu, and Tao Pang

mmc2-html.html
background image

 

Supplemental information 

Microglial CMPK2 promotes neuroinflammation and brain 

injury after ischemic stroke 

Authors

 

Xin Guan,

1,5

 Sitong Zhu,

1,5

 Jinqian Song,

1

 Kui Liu,

1

 Mei Liu,

2

 Luyang Xie,

1

 Yifang Wang,

2

 Jin 

Wu,

2,*

 Xiaojun Xu,

3,*

 and Tao Pang

1,4,6,*

 

 

Affiliations

   

1

 State Key Laboratory of Natural Medicines, New drug screening center, Key Laboratory of Drug 

Quality Control and Pharmacovigilance (Ministry of Education), China Pharmaceutical University, 

10 

Nanjing 210009, P.R. China. 

11 

2

 Department of Neurology, The Second Affiliated Hospital of Nanjing Medical University, Nanjing 

12 

210011, P.R. China. 

13 

3

 Department of Pharmacy, The Fourth Affiliated Hospital, Zhejiang University School of Medicine, 

14 

Center for Innovative Traditional Chinese Medicine Target and New Drug Research, International 

15 

Institutes of Medicine, Zhejiang University, Yiwu, Zhejiang Province 322000, P.R. China. 

16 

4

 State Key Laboratory of Pharmaceutical Biotechnology, Nanjing University, Nanjing 210023, P.R. 

17 

China. 

18 

5

 These authors contributed equally 

19 

6

 Lead contact 

20 

 

21 

*

Correspondence: tpang@cpu.edu.cn (T.P.); xiaojunxu@zju.edu.cn (X.X.); wujin@njmu.edu.cn (J.W.) 

22 

mmc2-html.html
background image

 

Supplemental Table, supplementary figure titles and legends

 

23 

 

24 

Table S1. Sequences of primers for PCR. Related to STAR Methods. 

25 

Gene 

Sense (5

′–

3

Anti-sense (3

′–

5

Primers for mouse genes 

CMPK2

 

GGCAATTATCTCGT GGCTTC 

GTAGCTATGGCGTAGGTGGC 

5-LOX

 

ACTACATCTACCTCAGCCTCATT 

GGTGACATCGTAGGAGTCCAC 

18S 

r

RNA 

CTTTGGTCGCTCGCTCCTC 

CTGACCGGGTTGGTTTTGAT 

D-loop

 

AATCTACCATCCTCCGTGAAACC 

TCAGTTTAGCTACCCCCAAGTTTAA 

CYTB 

GCTTTCCACTTCATCTTACCATTTA 

TGTTGGGTTGTTTGATCCTG 

COX-1

 

GCCCCAGATATAGCATTCCC 

GTTCATCCTGTTCCTGCTCC 

Tert 

CTAGCT CATGTGTCAAGACCCTCTT 

GCCAGCACGTTTCTCTCGTT 

Primers for human genes 

CMPK2

 

CCAGGTTGTTGCCATCGAAG 

CAAGAGGGTGGTGACTTTAAGAGGG 

18S 

r

RNA 

CTTTGGTCGCTCGCTCCTC 

CTGACCGGGTTGGTTTTGAT 

COX-1 

CCCAATCTCTACCAGCATC

 

GGCTCATAGTATAGCTGGAG

 

CYTB 

GCC TGC CTG ATC CTC CAA AT 

AAG GTA GCG GAT GAT TCA GCC 

TERT 

CTAGCTCATGTGTCAAGACCCTCTT 

GCCAGC ACGTTTCTCTCGTT 

D-LOOP 

CTAAATAGCCCACACGTTCC 

TAGGATGAGGCAGGAATCAA 

 

26 

 

27 

 

28 

 

29 

 

30 

 

31 

 

32 

 

33 

mmc2-html.html
background image

 

Table S2. Patient characteristics. Related to STAR Methods. 

34 

Patient 
no. 

Age  Gender  Comorbidity 

Stroke location 

Collection 
of 

blood 

after stroke 

 

Infarct 
size  (cm 

3

73 

Hypertension 

Right basal ganglia 

5 h 

 

3.18 
 

69 

Hypertension 

Right

 

lateral

 

ventricles

 

8 h 

 

5.06 
 

37 

Hypertension, 
hepatic dysfunct
ion 

Right basal ganglia 

3 h 

 

3.46 
 

85 

Hypertension, 
aortic 

valve 

calcification 

Right

 

lateral

 

ventricles

 

6 h 

 

/

 

73 

Fatty 

liver, 

hypertension, 
thyroid nodule 

Left

 

lateral

 

ventricles

 

4 h 

 

1.66 
 

53 

Hyperlipidemia, 
hypertension 

Corpus 

callosum, 

left

 

lateral

 

ventricle 

6 h 

 

18.35 
 

67 

Left 

internal 

carotid 

artery 

occlusion, 
vertebral

 

artery 

Right

 

lateral

 

ventricles

 

11 h 

 

55.75 
 

74 

Hypertension, 
cerebral  vessel 
stenosis 

Right

 

basal ganglia 

7 h 

 

33.93 

 

45 

Hypertension, 
atherosclerosis 

Left basal ganglia 

5 h 

 

10.56 

10 

73 

Atrial 
fibrillation, 
hypertension 

Right

 

basal  ganglia,

 

right  temporal  frontal 
parietal region

 

7 h 

 

/

 

 

 

 

mmc2-html.html
background image

 

Continued

 

11 

72 

Atrial 
fibrillation, 
hypertension 

Right basal ganglia 

5 h 

 

26.84 

12 

85 

Atrial 
fibrillation, 
hypertension 

Basal ganglia 

6 h 

 

/

 

13 

95 

Cardiac valvular 
disease, 

atrial 

fibrillation 

Right basal ganglia 

9 h 

 

194.08 
 

14 

74 

Hypertension, 
cardiac  valvular 
disease 

Right  basal  ganglia, 
parahippocampal 
gyrus 

2 h 

 

10.77 

15 

65 

Left

 

atrial

 

myxoma 

Right

 

lateral

 

ventricle

 

2 h 

 

4.70 
 

16 

52 

Hypertension 

Left  frontal,  temporal, 
and  occipital  lobes, 
basal ganglia 

 

2 h 

 

9.32 
 

17 

74 

Type 2 diabetes 
mellitus, 
coronary

 

atheros

clerosis 

Right basal ganglia 

8 h 

 

/

 

18 

65 

Hypertension, 
type 
2 diabetes

 

mellit

us 

Left basal ganglia 

7 h 

 

/

 

19 

61 

Hypertension, 
type 

diabetes

 

mellit

us 

Right

 

lateral

 

ventricle

 

6 h 

 

/

 

20 

69 

Hypertension, 
hepatic dysfunct
ion 

Left basal ganglia 

3 h 

 

7.42 
 
 
 

 

21 

68 

Coronary

 

athero

sclerosis

,

 

hypertension, 
fatty liver 

Right basal ganglia 

2 h 

 

2.63 
 

mmc2-html.html
background image

 

Continued

 

 

 

22 

55 

Cardiac valvular 
disease 

Left 

frontal lobe,

 

left

 

lateral parietal 

3 h 

 

7.34 
 

23 

82 

Atrial fibrillatio

Basal ganglia 

5 h 

 

94.75 

24 

76 

Atrial fibrillatio
n, hypertension 

Left occipitoparietal lo
be 

3 h 

 

2.27 

25 

58 

Hypertension 

Basal ganglia 

9 h 

 

/

 

26 

67 

Type 
2 diabetes

 

mellit

us,

 

fatty liver 

Left

 

lateral parietal, 

basal ganglia 

6 h 

 

/

 

27 

40 

Hypertension, 
type 
2 diabetes mellit
us 

Left basal ganglia 

6 h 

 

/

 

28 

49 

Hypertension, 
type 
2

 

diabetes

 

mellit

us 

Right

 

lateral

 

ventricle

 

7 h 

 

/

 

29 

41 

Hypertension, 
hyperlipidemia 

Right

 

frontal

 

lobe

 

12 h 

 

/

 

30 

71 

Hypertension, 
arteriolosclerosi

Right basal ganglia 

5 h 

 

7.93 
 

31 

74 

Aortic  sclerosis, 
cardiac  valvular 
disease 

Right

 

frontal

 

lobe, 

basal ganglia 

7 h 

 

117.79 
 

Note: 

M, male; F, female; /, the person cannot be calculated for the precise ischemic volume for only 

35 

having paper version of magnetic resonance imaging (MRI) which indicated symptoms of acute 

36 

ischemic stroke. 

37 

mmc2-html.html
background image

 

 

38 

 

39 

Figure S1. Changes of mtDNA levels in the peripheral blood of stroke patients. Related to Figure 

40 

1.

 (A) The 

COX-1

CYTB

D-LOOP

 expressions were detected by PCR and normalized 

41 

to 

TERT

 (nuclear DNA) in the peripheral blood of Control subjects and stroke patients. 

n

 = 5. Results 

42 

are represented as means ± SD.

 

(B and C)

 

Representative immunofluorescence images and 

43 

quantification of 8-OHdG

+

 cells stained with CD11b

+

 in the peripheral blood of the control subjects or 

44 

ischemic patients. Scale bar: 20 μm. 

n

 = 6.

 

Results are represented as means ± SD.

 

*

P

 < 0.05, 

**

P

 < 

45 

0.01, 

***

P

 < 0.001 

vs.

 Control subjects. 

46 

 

47 

mmc2-html.html
background image

 

 

48 

Figure S2.

 

CMPK2 expression in the peri-infarct region over time post cerebral ischemia.

 

Related 

49 

to Figure 2.

 (A and B) Western blotting images and quantification for CMPK2 protein expression in 

50 

the peri-infarct region of sham-operated rats and ischemic rats at 3 h, 12 h, 1 d, 3 d and 7 d following 

51 

mmc2-html.html
background image

 

operation. 

n

 = 6. (C and D) Representative immunofluorescence images of neurons or astrocytes 

52 

stained with CMPK2 which were used for quantitative analysis of CMPK2

+

 NeuN

+

 cells or CMPK2

+

 

53 

GFAP

+

 cells in the peri-infarct region of the ischemic mice as shown in Figure 2D. Scale bar: 50 μm. 

n

 

54 

= 6. (E and F) Representative

 

flow cytometry plots of gating strategy for CD11b

+

CD45

55 

microglia/macrophages population in the brain of ischemic mice. (G to J) Western blotting images and 

56 

quantification for CMPK2 expression in primary mouse cortical neurons or astrocytes exposed to OGD 

57 

conditions for 0, 2, 4, 6, 9, or 12 h. 

n

 = 4. Results are represented as means ± SD.

 

Results are 

58 

represented as means ± SD; 

*

P

 < 0.05, 

***

P

 < 0.001 

vs.

 sham group. 

59 

 

60 

 

61 

 

62 

mmc2-html.html
background image

 

 

63 

Figure S3.

 

Validation of 

Cre

 recombination-dependent virus targeted therapy in the 

64 

different brain cell types. Related to Figure 3.

 (A-C) Representative immunofluorescence images 

65 

and quantification of mCherry

+

 cells stained with Iba1, GFAP or NeuN. Scale bar: 50 μm.

 

n

 = 6. (D) 

66 

mmc2-html.html
background image

10 

 

Quantification of CMPK2 protein expression levels in microglia/macrophages

 

isolated from the sham-

67 

operated brains of AAV-shCon or AAV-shCMPK2 

CX

3

CR1

Cre/ERT2

 with CD11b

+

 magnetic beads. 

n

 = 6. 

68 

(E) Western blotting images and quantification of the CMPK2 protein expression levels in 

69 

microglia/macrophages

 

isolated from the ischemic brains of AAV-shCon or AAV-shCMPK2 

70 

CX

3

CR1

Cre/ERT2

 with CD11b

+

 magnetic beads. 

n

 = 6. (F and G) Representative immunofluorescence 

71 

images of microglia stained with CMPK2 and quantitative analysis of CMPK2

+

 Iba1

+

 cells in the peri-

72 

infarct region of the 

CX

3

CR1

Cre/ERT2

 mice after AAV-shRNA (Scramble) or AAV-shRNA (CMPK2) 

73 

microinjection. Scale bar: 50 μm. 

n

 = 6. Results are represented as means ± SD. 

***

P

 < 0.001 

vs.

 sham 

74 

plus AAV-shCon group; 

###

P

 < 0.001 

vs.

 tMCAO plus AAV-shCon group.

 

(H) Western blotting images 

75 

and quantification were performed to detect CMPK2 protein expression in primary mouse microglia 

76 

cells from 

CX

3

CR1

Cre/ERT2

 mice at postnatal day 1-3 with or without stimulation with MCSF (10 ng/mL) 

77 

for 48 h. 

n

 = 6. Results are represented as means ± SD.

 

***

P

 < 0.001 

vs.

 AAV-shCon group; 

###

P

 < 0.001 

78 

vs.

 MCSF plus AAV-shCon group.

 

 

79 

 

80 

mmc2-html.html
background image

11 

 

 

81 

Figure S4. CMPK2 knockdown does not impact microglia proliferation 

in vivo

 and

 in vitro

82 

Related to Figure 5.

 (A) Representative immunofluorescence images and quantification of Ki67

+

 cells 

83 

stained with Iba1. Scale bar: 50 μm. 

n

 = 6. Results are represented as means ± SD. 

***

P

 < 0.001 

vs.

 

84 

sham plus AAV-shCon group. (B) Representative immunofluorescence images of primary microglia 

85 

mmc2-html.html
background image

12 

 

cells by EdU labeling after stimulation with mouse recombinant MCSF (10 ng/ml) for 48 h. Scale bar: 

86 

20 μm. 

n

 = 5. Results are represented as means ± SD. 

***

P

 < 0.001 

vs.

 CN plus NC siRNA group.

 

 

87 

 

88 

 

89 

 

90 

Figure S5. CMPK2 silencing inhibits NLRP3 inflammasome activation in LPS-primed microglia 

91 

cells followed by ATP stimulation. Related to Figure 5.

 (A and B) Western blotting images and 

92 

quantification were performed to detect CMPK2 protein expression in primary mouse microglia cells 

93 

mmc2-html.html
background image

13 

 

after stimulation with LPS (100 ng/mL) for the indicated time. 

n

 = 4. (C) The qRT-PCR was performed 

94 

to detect 

Cmpk2

 gene expression in primary mouse microglia cells after stimulation with LPS (100 

95 

ng/mL) for the indicated time. 

n

 = 3. (D and E) The protein expression of CMPK2 in primary mouse 

96 

microglia transfected with NC siRNA or CMPK2 siRNA for 48 h. Results are expressed as means 

 

97 

SD. One-way ANOVA with Bonferroni’s corrections. 

n

 = 6. 

***

P

 < 0.001 

vs.

 the NC siRNA group. (F 

98 

and G) The protein expression of CMPK2 with or without LPS stimulation in primary mouse microglia 

99 

transfected with NC siRNA or CMPK2 siRNA. 

n

 = 4. (H, I) The protein expressions of cleaved 

100 

caspase-1, mature IL-1

, and N-GSDMD in the culture supernatant of microglia transfected with NC 

101 

siRNA or CMPK2 siRNA, and then primed with LPS (100 ng/mL) for 6 h, followed by stimulation 

102 

with ATP (3 mM) for 30 min. 

n

 = 4. (J) The level of IL-1

 protein was assessed in the supernatant of 

103 

microglia transfected with NC siRNA or CMPK2 siRNA after LPS plus ATP stimulation as determined 

104 

by ELISA kit. 

n

 = 4. (K, L) LDH release was determined in the supernatant of microglia transfected 

105 

with NC siRNA or CMPK2 siRNA after LPS plus ATP stimulation or OGD model

. n

 = 4 or 5. Results 

106 

are represented as means ± SD. 

***

P

 < 0.001 

vs. 

CN plus NC siRNA group;

 ###

P

 < 0.001 

vs.

 LPS + ATP 

107 

plus NC siRNA group or OGD plus NC siRNA group. 

108 

 

109 

mmc2-html.html
background image

14 

 

 

110 

Figure S6.

 

The effects of CMPK2 silencing on Ox-mtDNA formation in primary mouse microglia 

111 

mmc2-html.html
background image

15 

 

cells

 in vitro

. Related to Figure 5. 

(A-C) The 

Cox-1

CYTB

D-loop

 expressions were detected by PCR 

112 

and normalized to 

Tert

 (nuclear DNA) in primary mouse microglia cells after stimulation with LPS 

113 

(100 ng/mL). 

n

 = 3. Results are represented as means ± SD. (D-G) Representative immunofluorescence 

114 

images and quantification of newly

 

synthesized

 

DNA visualized by EdU labeling in primary mouse 

115 

microglia cells subjected to LPS (100 ng/mL) stimulation or OGD condition for 6 h. Scale bar: 5 μm. 

n

 

116 

= 6. Results are represented as means ± SD. 

***

P

 < 0.001 

vs.

 CN plus NC siRNA group;

 ###

P

 < 0.001 

vs.

 

117 

LPS or OGD plus NC siRNA group. (H-K) Representative immunofluorescence images and 

118 

quantification of microglia stained with 8-OHdG after subjected to LPS plus ATP stimulation or OGD 

119 

condition. Scale bar: 20 μm. 

n

 = 4. Results are represented as means ± SD. 

***

P

 < 0.001 

vs.

 CN plus 

120 

NC siRNA group;

 ###

P

 < 0.001 

vs.

 LPS + ATP or OGD plus NC siRNA group. 

121 

mmc2-html.html
background image

16 

 

 

122 

Figure S7. The effects of CMPK2 knockdown on the mitochondrial functions of primary 

123 

microglial cells followed by LPS plus ATP stimulation. Related to Figure 5.

 (A) ATP levels were 

124 

detected in the LPS-primed microglial cells with or without CMPK2 knockdown in the presence of 

125 

ATP. 

n

 = 4. (B and C) Western blotting images and quantification were performed to detect PGC-1

 

126 

mmc2-html.html
background image

17 

 

and NRF1 protein expression in primary mouse microglia cells with or without CMPK2 knockdown. 

n

 

127 

= 6. (D and E) Representative immunofluorescence images and quantification of mitochondrial 

128 

morphology visualized by TOMM20 antibodies in primary mouse microglia cells with or without 

129 

CMPK2 knockdown. Scale bar: 20 μm. 

n

 = 4. Results are represented as means ± SD. 

***

P

 < 0.001 

vs.

 

130 

CN plus NC siRNA p;

 ###

P

 < 0.001 

vs.

 LPS + ATP plus NC siRNA group. 

131 

mmc2-html.html
background image

18 

 

 

132 

 

133 

Figure S8. The effects of CMPK2 knockdown on NLRP3 inflammasome activation are not relied 

134 

on ROS generation in microglial cells. Related to Figure 5.

 (A and B) Representative 

135 

mmc2-html.html
background image

19 

 

immunofluorescence images and quantitative analysis of cellular ROS level visualized by Mito-SOX (2 

136 

μM) staining in primary mouse microglia cells subjected to LPS plus ATP condition for 6 h. Scale bar: 

137 

20 μm. 

n

 = 4. Results are represented as means ± SD. 

***

P

 < 0.001 

vs. 

CN plus NC siRNA group. (C 

138 

and D) The protein expressions of cleaved caspase-1, mature IL-1

, and N-GSDMD in the culture 

139 

supernatant of LPS-primed microglial cell that were pretreated with 1 mM H

2

O

for 6 h in the presence 

140 

of ATP. 

n

 = 4. Results are represented as means ± SD. 

***

P

 < 0.001 

vs. 

CN plus NC siRNA group;

 ###

P

 

141 

< 0.001 

vs.

 LPS + ATP plus NC siRNA group,

 $$$

 P

 < 0.001 

vs.

 LPS + ATP plus NC siRNA group,

 &&&

P

 

142 

< 0.001 

vs.

 LPS +ATP+H

2

O

plus NC siRNA group. (E and F) The microglial cells were 

143 

immunofluorescently stained with 8-OHdG and ASC after stimulation with LPS plus ATP condition 

144 

with or without CMPK2 knockdown. Scale bar: 5 μm. 

n

 = 4. Results are represented as means ± SD. 

145 

***

P

 < 0.001 

vs. 

CN plus NC siRNA group;

 ###

P

 < 0.001 

vs.

 LPS + ATP plus NC siRNA group. 

146 

 

147 

mmc2-html.html
background image

20 

 

 

148 

Figure S9. The effects of CMPK2 inhibitor NDGA on Ox-mtDNA formation and NLRP3 

149 

inflammasome activation in primary mouse microglia.

 

Related to Figure 6.

 

(A) The quantification 

150 

for

 

cleaved caspase-1, N-GSDMD, and mature IL-1β in the culture supernatant in microglia with or 

151 

without NDGA treatment after LPS plus ATP stimulation. 

n

 = 4. Results are represented as means ± 

152 

SD. 

***

< 0.001 

vs.

 CN group;

 ###

P

 < 0.001 

vs.

 LPS plus ATP group. (B) The ratio of cell numbers with 

153 

newly

 

synthesized DNA visualized by EdU labeling in primary mouse microglia cells with or without 

154 

NDGA treatment after LPS stimulation, as determined by immunofluorescence staining. 

n

 = 6. Results 

155 

are represented as means ± SD. (C) Quantitative analysis of the

 

immunofluorescence

 

images for 8-

156 

OHdG in primary mouse microglia cells with or without NDGA treatment after LPS plus ATP 

157 

mmc2-html.html
background image

21 

 

stimulation. 

n

 = 4. Results are represented as means ± SD. 

***

P

 < 0.001 

vs.

 CN group;

 ###

P

 < 0.001 

vs.

 

158 

LPS plus ATP group. (D and E) Representative immunofluorescence images and quantitative analysis 

159 

of newly

 

synthesized DNA visualized by EdU labeling in primary mouse microglia cells subjected to 

160 

OGD condition for 6 h. Scale bar: 5 μm. 

n

 = 6. Results are represented as means ± SD. (F and G) 

161 

Representative immunofluorescence images and quantitative analysis of microglia stained with 8-

162 

OHdG in primary mouse microglia cells subjected to OGD condition for 6 h. Scale bar: 20 μm. 

n

 = 4. 

163 

Results are represented as means ± SD. 

***

P

 < 0.001 

vs.

 CN group;

 ###

P

 < 0.001 

vs.

 OGD group. 

 

164 

 

165 

 

166 

 

167 

 

168 

Figure S10. The effects of CMPK2 inhibitor NDGA on the mitochondrial functions of primary 

169 

microglial cells followed by LPS plus ATP stimulation. Related to Figure 6.

 (A) ATP levels were 

170 

mmc2-html.html
background image

22 

 

detected in the microglial cells with or without NDGA treatment after LPS plus ATP stimulation. 

n

 = 4. 

171 

(B and C) Western blotting images and quantification were performed to detect PGC-1

 and NRF1 

172 

protein expression in primary mouse microglia cells with or without NDGA treatment after LPS plus 

173 

ATP stimulation. 

n

 = 6. (D and E) Representative immunofluorescence images and quantification of 

174 

mitochondrial morphology visualized by TOMM20 antibodies in primary mouse microglia cells with 

175 

or without NDGA treatment. Scale bar: 20 μm. 

n

 = 4. Results are represented as means ± SD. 

***

P

 < 

176 

0.001 

vs.

 CN group;

 ###

P

 < 0.001 

vs.

 LPS + ATP group. 

177 

 

178 

 

179 

mmc2-html.html
background image

23 

 

 

180 

Figure S11. CMPK2 is involved in the NDGA inhibition of NLRP3 inflammasome activation in 

181 

microglia. Related to Figure 6. 

(A) The gene expression of 

5-Lox

 in primary mouse microglia cells 

182 

transfected with NC siRNA or 5-LOX siRNA for 48 h. Results are expressed as means 

 SD. 

n

 = 4. 

**

P

 

183 

< 0.01 

vs.

 the NC siRNA group. (B and C) The protein expression and the quantification of cleaved 

184 

mmc2-html.html
background image

24 

 

caspase-1, N-GSDMD, and mature IL-1β in the culture supernatant in microglia transfected with NC 

185 

siRNA or 5-LOX siRNA, and then incubated with LPS with or without NDGA treatment, followed by 

186 

stimulation with ATP. 

n

 = 4. Results are represented as means ± SD. 

***

P

 < 0.001 

vs.

 CN plus NC 

187 

siRNA group;

 ###

P

 < 0.001 

vs.

 LPS+ATP plus NC siRNA group;

 $$$

P

 < 0.001 

vs.

 LPS+ATP plus 5-LOX 

188 

siRNA group. (D and E) The protein expression of cleaved caspase-1, N-GSDMD, and mature IL-1β in 

189 

the culture supernatant in microglia transfected with NC siRNA or CMPK2 siRNA, and then incubated 

190 

with LPS with or without NDGA treatment, followed by stimulation with ATP. 

n

 = 4. Results are 

191 

represented as means ± SD. 

***

P

 < 0.001 

vs.

 LPS+ATP plus NC siRNA group. (F and G) The protein 

192 

expressions of cleaved caspase-1, mature IL-1

, and N-GSDMD in the culture supernatant of LPS-

193 

primed microglial cells with or without NDGA administration that were pretreated with 1 mM H

2

O

2

 for 

194 

6 h in the presence of ATP. 

n

 = 4. Results are represented as means ± SD. 

***

P

 < 0.001 

vs. 

CN group;

 

195 

###

P

 < 0.001 

vs.

 LPS + ATP group,

 $$$

 P

 < 0.001 

vs.

 LPS + ATP group,

 &&&

P

 < 0.001 

vs.

 LPS + ATP + 

196 

H

2

O

group. 

197 

 

198 

mmc2-html.html
background image

25 

 

 

199 

Figure S12.

 

The effects of CMPK2 inhibitor NDGA in the 

in vivo

 mouse tMCAO model.

 

Related 

200 

to Figure 7.

 (A-C) Schematic diagram of tMCAO stroke model in mice. (D and E) Regional cerebral 

201 

blood flow was examined both in the tMCAO plus vehicle group and tMCAO plus NDGA group by the 

202 

Laser Speckle Imaging system (LSCI) before and after ischemia operation, and post reperfusion in the 

203 

mmc2-html.html
background image

26 

 

ischemic mice. 

n

 = 4. Results are expressed as means 

 SD. (F-H) Representative images of TTC 

204 

staining and Longa test analysis of the AAV-shCon or AAV-shCMPK2

 CX

3

CR1

Cre/ERT2

 mice with or 

205 

without NDGA administration in the male mice at 72 h after tMCAO, as assessed by TTC staining and 

206 

Longa test. 

n

 = 6. Results are expressed as means 

 SD. 

***

P

 < 0.001 

vs.

 tMCAO plus AAV-shCon 

207 

group. 

208 

 

209 

 

210 

Figure S13. The CMPK2 inhibitor NDGA suppresses Ox-mtDNA formation and NLRP3 

211 

inflammasome activation in microglia 

in vivo

.

 

Related to Figure 7.

 (A to C) NDGA enhanced 

212 

process length and the number of branches of microglia in mice at 3 days after ischemia as assessed by 

213 

Imaris-based 3D reconstruction with Iba1. Scale bar, 15 µm. 

n

 = 10. (D and E) Representative 

214 

mmc2-html.html
background image

27 

 

immunofluorescence images of microglia staining with 8-OHdG and quantitative analysis of 8-OHdG

215 

Iba1

+

 cells in the peri-infarct region of the ischemic mice. Scale bar: 50 μm. 

n

 = 6. Results are 

216 

represented as means ± SD. (F and G) NDGA reduced the protein expressions of cleaved caspase-1, N-

217 

GSDMD and mature IL-1β in the peri-infarct region of ischemic mice at 3 days following operation as 

218 

determined by Western blotting. 

n

 = 6. Results are represented as means ± SD. 

***

P

 < 0.001 

vs.

 sham 

219 

group;

 ###

P

 < 0.001 

vs.

 tMCAO plus vehicle group. 

220 

 

221 

 

222 

Figure S14. The CMPK2 inhibitor NDGA blocks NLRP3 inflammasome activation and Ox-

223 

mtDNA production in PBMC from patients with ischemic stroke.

 

Related to Figure 7.

 (A) NDGA 

224 

mmc2-html.html
background image

28 

 

significantly reduced the release of IL-1

 in PBMC isolated from stroke patients. The PBMC were 

225 

simultaneously incubated with 100 ng/mL LPS and 10 µM NDGA or the same volume of DMSO for 6 

226 

h followed by exposure to 3 mM ATP for 30 min. 

n

 = 17. Results are represented as means ± SD. 

***

P

 < 

227 

0.001 

vs.

 LPS plus ATP group. (B) The correlation

 

analysis was performed between 

CMPK2

 transcript 

228 

levels in blood and inhibition rate of NDGA on IL-1

 in monocytes of ischemic stroke patients. 

n

 = 17. 

229 

(C) NDGA markedly reduced the release of IL-1

 in monocytes isolated from healthy subjects. The 

230 

monocytes were simultaneously incubated with 100 ng/mL LPS and 10 µM NDGA or the same volume 

231 

of DMSO for 6 h followed by exposure to 3 mM ATP for 30 min. 

n

 = 12. (D and E) NDGA reduced 8-

232 

OHdG expression in PBMC isolated from stroke patients after priming with LPS followed by ATP 

233 

stimulation as determined by immunofluorescence staining. Scale bar: 20 μm. 

n

 = 6. Results are 

234 

represented as means ± SD. 

***

P

 < 0.001 

vs.

 CN group;

 ###

P

 < 0.001 

vs.

 LPS plus ATP group.

 

 

235 

 

236