Microglia are increasingly implicated in brain pathology, particularly neurodegenerative disease, with many genes implicated in Alzheimer's, Parkinson's, and motor neuron disease expressed in microglia. There is, therefore, a need for authentic, efficient in vitro models to study human microglial pathological mechanisms. Microglia originate from the yolk sac as MYB-independent macrophages, migrating into the developing brain to complete differentiation. Here, we recapitulate microglial ontogeny by highly efficient differentiation of embryonic MYB-independent iPSC-derived macrophages then co-culture them with iPSC-derived cortical neurons. Co-cultures retain neuronal maturity and functionality for many weeks. Co-culture microglia express key microglia-specific markers and neurodegenerative disease-relevant genes, develop highly dynamic ramifications, and are phagocytic. Upon activation they become more ameboid, releasing multiple microglia-relevant cytokines. Importantly, co-culture microglia downregulate pathogen-response pathways, upregulate homeostatic function pathways, and promote a more anti-inflammatory and pro-remodeling cytokine response than corresponding monocultures, demonstrating that co-cultures are preferable for modeling authentic microglial physiology.

Abstract We have developed a novel real‐time quaking‐induced conversion RT ‐Qu IC ‐based assay to detect alpha‐synuclein aggregation in brain and cerebrospinal fluid from dementia with Lewy bodies and Parkinson's disease patients. This assay can detect alpha‐synuclein aggregation in Dementia with Lewy bodies and Parkinson's disease cerebrospinal fluid with sensitivities of 92% and 95%, respectively, and with an overall specificity of 100% when compared to Alzheimer and control cerebrospinal fluid. Patients with neuropathologically confirmed tauopathies (progressive supranuclear palsy; corticobasal degeneration) gave negative results. These results suggest that RT ‐QuiC analysis of cerebrospinal fluid is potentially useful for the early clinical assessment of patients with alpha‐synucleinopathies.

Leucine rich repeat kinase 2 ( LRRK2 ) mutations are the most common genetic cause of Parkinson's disease (PD) although LRRK2 function remains unclear. We report a new role for LRRK2 in regulating autophagy and describe the recruitment of LRRK2 to the endosomal–autophagic pathway and specific membrane subdomains. Using a novel human genomic reporter cellular model, we found LRRK2 to locate to membrane microdomains such as the neck of caveolae, microvilli/filopodia and intraluminal vesicles of multivesicular bodies (MVBs). In human brain and in cultured human cells LRRK2 was present in cytoplasmic puncta corresponding to MVBs and autophagic vacuoles (AVs). Expression of the common R1441C mutation from a genomic DNA construct caused impaired autophagic balance evident by the accumulation of MVBs and large AVs containing incompletely degraded material and increased levels of p62. Furthermore, the R1441C mutation induced the formation of skein-like abnormal MVBs. Conversely, LRRK2 siRNA knockdown increased autophagic activity and prevented cell death caused by inhibition of autophagy in starvation conditions. The work necessitated developing a new, more efficient recombineering strategy, which we termed Sequential insertion of Target with ovErlapping Primers (STEP) to seamlessly fuse the green fluorescent protein-derivative YPet to the human LRRK2 protein in the LRRK2 genomic locus carried by a bacterial artificial chromosome. Taken together our data demonstrate the functional involvement of LRRK2 in the endosomal–autophagic pathway and the recruitment to specific membrane microdomains in a physiological human gene expression model suggesting a novel function for this important PD-related protein.

Left–right asymmetrical brain function underlies much of human cognition, behavior and emotion. Abnormalities of cerebral asymmetry are associated with schizophrenia and other neuropsychiatric disorders. The molecular, developmental and evolutionary origins of human brain asymmetry are unknown. We found significant association of a haplotype upstream of the gene LRRTM1 (Leucine-rich repeat transmembrane neuronal 1) with a quantitative measure of human handedness in a set of dyslexic siblings, when the haplotype was inherited paternally (P=0.00002). While we were unable to find this effect in an epidemiological set of twin-based sibships, we did find that the same haplotype is overtransmitted paternally to individuals with schizophrenia/schizoaffective disorder in a study of 1002 affected families (P=0.0014). We then found direct confirmatory evidence that LRRTM1 is an imprinted gene in humans that shows a variable pattern of maternal downregulation. We also showed that LRRTM1 is expressed during the development of specific forebrain structures, and thus could influence neuronal differentiation and connectivity. This is the first potential genetic influence on human handedness to be identified, and the first putative genetic effect on variability in human brain asymmetry. LRRTM1 is a candidate gene for involvement in several common neurodevelopmental disorders, and may have played a role in human cognitive and behavioral evolution.

Friedreich ataxia (FRDA) and Fragile X syndrome (FXS) are among 40 diseases associated with expansion of repeated sequences (TREDs). Although their molecular pathology is not well understood, formation of repressive chromatin and unusual DNA structures over repeat regions were proposed to play a role. Our study now shows that RNA/DNA hybrids (R-loops) form in patient cells on expanded repeats of endogenous FXN and FMR1 genes, associated with FRDA and FXS. These transcription-dependent R-loops are stable, co-localise with repressive H3K9me2 chromatin mark and impede RNA Polymerase II transcription in patient cells. We investigated the interplay between repressive chromatin marks and R-loops on the FXN gene. We show that decrease in repressive H3K9me2 chromatin mark has no effect on R-loop levels. Importantly, increasing R-loop levels by treatment with DNA topoisomerase inhibitor camptothecin leads to up-regulation of repressive chromatin marks, resulting in FXN transcriptional silencing. This provides a direct molecular link between R-loops and the pathology of TREDs, suggesting that R-loops act as an initial trigger to promote FXN and FMR1 silencing. Thus R-loops represent a common feature of nucleotide expansion disorders and provide a new target for therapeutic interventions.

Heterozygous mutations in the glucocerebrosidase gene (GBA) represent the strongest common genetic risk factor for Parkinson's disease (PD), the second most common neurodegenerative disorder. However, the molecular mechanisms underlying this association are still poorly understood. Here, we have analyzed ten independent induced pluripotent stem cell (iPSC) lines from three controls and three unrelated PD patients heterozygous for the GBA-N370S mutation, and identified relevant disease mechanisms. After differentiation into dopaminergic neurons, we observed misprocessing of mutant glucocerebrosidase protein in the ER, associated with activation of ER stress and abnormal cellular lipid profiles. Furthermore, we observed autophagic perturbations and an enlargement of the lysosomal compartment specifically in dopamine neurons. Finally, we found increased extracellular α-synuclein in patient-derived neuronal culture medium, which was not associated with exosomes. Overall, ER stress, autophagic/lysosomal perturbations, and elevated extracellular α-synuclein likely represent critical early cellular phenotypes of PD, which might offer multiple therapeutic targets.

Significance Elevated expression of the presynaptic protein α-synuclein underlies familial and sporadic Parkinson disease (PD). However, our understanding of how increases in α-synuclein levels drive the sequence of events leading to PD is incomplete. Here, we apply a multidisciplinary longitudinal analysis to a new α-synuclein transgenic mouse model. We show that early-stage decreases in dopamine release and vesicle reclustering precede late-stage changes in neuronal firing properties, measured by in vivo recordings from vulnerable neurons. Accumulated deficits in dopamine neurotransmission and altered neuronal firing are associated with cell death and motor abnormalities, in the absence of protein aggregation in the substantia nigra. These findings have important implications for developing therapies.

Amyloid β (Aβ) and tau protein are both implicated in memory impairment, mild cognitive impairment (MCI), and early Alzheimer's disease (AD), but whether and how they interact is unknown. Consequently, we asked whether tau protein is required for the robust phenomenon of Aβ-induced impairment of hippocampal long-term potentiation (LTP), a widely accepted cellular model of memory. We used wild-type mice and mice with a genetic knock-out of tau protein and recorded field potentials in an acute slice preparation. We demonstrate that the absence of tau protein prevents Aβ-induced impairment of LTP. Moreover, we show that Aβ increases tau phosphorylation and that a specific inhibitor of the tau kinase glycogen synthase kinase 3 blocks the increased tau phosphorylation induced by Aβ and prevents Aβ-induced impairment of LTP in wild-type mice. Together, these findings show that tau protein is required for Aβ to impair synaptic plasticity in the hippocampus and suggest that the Aβ-induced impairment of LTP is mediated by tau phosphorylation. We conclude that preventing the interaction between Aβ and tau could be a promising strategy for treating cognitive impairment in MCI and early AD.

Abstract

Background

 Identifying factors influencing phenotypic heterogeneity in Parkinson's Disease is crucial for understanding variability in disease severity and progression. Age and gender are two most basic epidemiological characteristics, yet their effect on expression of PD symptoms is not fully defined. We aimed to delineate effects of age and gender on the phenotype in an incident cohort of PD patients and healthy controls from the Oxford Parkinson Disease Centre (OPDC). 

Methods

 Clinical features, including demographic and medical characteristics and non-motor and motor symptoms, were analyzed in a group of PD patients within 3 years of diagnosis and a group of healthy controls from the OPDC cohort. Disease features were stratified according to age and compared between genders, controlling for effects of common covariates. 

Results

 490 PD patients and 176 healthy controls were analyzed. Stratification by age showed increased disease severity with age on motor scales. Some non-motor features showed similar trend, including cognition and autonomic features. Comparison across genders highlighted a pattern of increased severity and greater symptom symmetricality in the face, neck and arms in men with women having more postural problems. Amongst the non-motor symptoms, men had more cognitive impairment, greater rate of REM behavior disorder (RBD), more orthostatic hypotension and sexual dysfunction. 

Conclusions

 Age in PD is a strong factor contributing to disease severity even after controlling for the effect of disease duration. Gender-related motor phenotype can be defined by a vertical split into more symmetrical upper-body disease in men and disease dominated by postural symptoms in women.

Oligomeric forms of alpha-synuclein are emerging as key mediators of pathogenesis in Parkinson’s disease. Our understanding of the exact contribution of alpha-synuclein oligomers to disease is limited by the lack of a technique for their specific detection. We describe a novel method, the alpha-synuclein proximity ligation assay, which specifically recognizes alpha-synuclein oligomers. In a blinded study with post-mortem brain tissue from patients with Parkinson’s disease (n = 8, age range 73–92 years, four males and four females) and age- and sex-matched controls (n = 8), we show that the alpha-synuclein proximity ligation assay reveals previously unrecognized pathology in the form of extensive diffuse deposition of alpha-synuclein oligomers. These oligomers are often localized, in the absence of Lewy bodies, to neuroanatomical regions mildly affected in Parkinson’s disease. Diffuse alpha-synuclein proximity ligation assay signal is significantly more abundant in patients compared to controls in regions including the cingulate cortex (1.6-fold increase) and the reticular formation of the medulla (6.5-fold increase). In addition, the alpha-synuclein proximity ligation assay labels very early perikaryal aggregates in morphologically intact neurons that may precede the development of classical Parkinson’s disease lesions, such as pale bodies or Lewy bodies. Furthermore, the alpha-synuclein proximity ligation assay preferentially detects early-stage, loosely compacted lesions such as pale bodies in patient tissue, whereas Lewy bodies, considered heavily compacted late lesions are only very exceptionally stained. The alpha-synuclein proximity ligation assay preferentially labels alpha-synuclein oligomers produced in vitro compared to monomers and fibrils, while stained oligomers in human brain display a distinct intermediate proteinase K resistance, suggesting the detection of a conformer that is different from both physiological, presynaptic alpha-synuclein (proteinase K-sensitive) and highly aggregated alpha-synuclein within Lewy bodies (proteinase K-resistant). These disease-associated conformers represent previously undetected Parkinson’s disease pathology uncovered by the alpha-synuclein proximity ligation assay. Detection of Parkinson’s disease pathology is currently limited to lesions that occur late in the disease process. Roberts et al. present a new method for the direct detection of alpha-synuclein oligomers – the alpha-synuclein proximity ligation assay – and reveal previously unrecognised early-stage pathology in Parkinson’s disease post-mortem tissue.