ABSTRACT The process of amyloid fibril formation remains one of the primary targets for developing diagnostics and treatments for several neurodegenerative diseases (NDDs). Amyloid-forming proteins such α-Synuclein and Tau, which are implicated in the pathogenesis of Alzheimer’s and Parkinson’s disease, can form different types of fibril structure, or strains, that exhibit distinct structures, toxic properties, seeding activities, and pathology spreading patterns in the brain. Therefore, understanding the molecular and structural determinants contributing to the formation of different amyloid strains or their distinct features could open new avenues for developing disease-specific diagnostics and therapies. In this work, we report that O-GlcNAc modification of α-Synuclein monomers results in the formation of amyloid fibril with distinct core structure, as revealed by Cryo-EM, and diminished seeding activity in seeding-based neuronal and rodent models of Parkinson’s disease. Although the mechanisms underpinning the seeding neutralization activity of the O-GlcNAc modified fibrils remain unclear, our in vitro mechanistic studies indicate that heat shock proteins interactions with O-GlcNAc fibril inhibit their seeding activity, suggesting that the O-GlcNAc modification may alter the interactome of the α-Synuclein fibrils in ways that lead to reduce seeding activity in vivo. Our results show that post-translational modifications, such as O-GlcNAc modification, of α-Synuclein are key determinants of α-Synuclein amyloid strains and pathogenicity. These findings have significant implications for how we investigate and target amyloids in the brain and could possibly explain the lack of correlation between amyloid burden and neurodegeneration or cognitive decline in some subtypes of NDDs.

Abstract Background Poly (ADP-ribose) (PAR) is a negatively charged polymer that is biosynthesized by Poly (ADP-ribose) Polymerase-1 (PARP-1) and regulates various cellular processes. Alpha-synuclein (αSyn) is an intrinsically disordered protein (IDP) that has been directly implicated with driving the onset and progression of Parkinson’s disease (PD). The mechanisms by which αSyn elicits its neurotoxic effects remain unclear. Recent findings indicate that one of the key processes driving PD pathology are oligomeric species of αSyn. Furthermore, it is well established that the main components of Lewy bodies (LBs) and Lewy neurites (LNs) in PD patients are aggregated hyperphosphorylated (S129) forms of αSyn (pαSyn). Methods We used biochemical and immunofluorescence-based assays to explore if PARP-1 enzymatic product (PAR) drives the conversion of monomeric αSyn into aggregated assemblies. We performed quantitative measurements using in situ proximity ligation assays (PLA) on a transgenic murine model of α-synucleinopathy (M83-SNCA*A53T) and post-mortem PD/PDD patient samples to characterize PAR-pαSyn interactions. Additionally, we used bioinformatic approaches and site-directed mutagenesis to identify PAR-binding regions on fibrillar αSyn. Results Our studies show that elevated intracellular levels of PAR promote the transition of αSyn into higher molecular weight forms. We report that PAR-pαSyn interactions are predominant in pathological states. Moreover, we confirm that the interactions between PAR and αSyn involve electrostatic forces between negatively charged PAR and lysine residues on the N-terminal region of αSyn. Conclusions PAR plays a critical role in the early stages of monomeric αSyn aggregation, thereby attributing to PD pathogenesis. Based on our results, we report that PAR seeds monomeric αSyn aggregation and directly interacts with phosphorylated αSyn in conditions that are pathologically relevant to PD.

The aggregation of alpha-synuclein (aSyn) represents a neuropathological hallmark observed in a group of neurodegenerative disorders collectively known as synucleinopathies. Despite their shared characteristics, these disorders manifest diverse clinical and pathological phenotypes. The mechanism underlying this heterogeneity is thought to be due to the diversity in the aSyn strains present across the diseases. In this perspective, we will explore recent findings on aSyn strains and discuss recent discoveries about Lewy bodies' composition. We further discuss the current hypothesis for aSyn spreading and emphasize the emerging biomarker field demonstrating promising results. A comprehension of these mechanisms holds substantial promise for future clinical applications. This understanding can pave the way for the development of personalized medicine strategies, specifically targeting the unique underlying causes of each synucleinopathy. Such advancements can revolutionize therapeutic approaches and significantly contribute to more effective interventions in the intricate landscape of neurodegenerative disorders.

ABSTRACT Tau pathology is a diagnostic feature of Alzheimer’s disease (AD) but is also a prominent feature of Parkinson’s disease (PD), including genetic forms of PD with mutations in leucine-rich repeat kinase 2 ( LRRK2 ). In both diseases, tau pathology is progressive and correlates with cognitive decline. Neuropathological staging studies in humans and mouse models have suggested that tau spreads through the brain, but it is unclear how neuroanatomical connections, spatial proximity, and regional vulnerability contribute to pathology spread. Further, it is unknown how mutations in the LRRK2 gene may modulate susceptibility to tau pathology’s initiation or spread. In this study, we used seed-based models of tauopathy to capture spatiotemporal patterns of pathology in mice. Following the injection of AD brain-derived tau into the brains of non-transgenic mice, tau pathology spreads progressively through the brain in a spatiotemporal pattern that is well-explained by anatomical connectivity. We validated and compared network models based on diffusion along anatomical connections to predict tau spread, estimate regional vulnerability to tau pathology, and investigate gene expression patterns related to regional vulnerability. We further investigated tau pathology spread in mice harboring a mutation in LRRK2 and found that while tau pathology spread is still constrained by anatomical connectivity, it spreads preferentially in a retrograde direction to regions that are otherwise resilient in wildtype mice. This study provides a quantitative demonstration that tau pathology spreads along anatomical connections, explores the kinetics of this spread, and provides a platform for investigating the effect of genetic risk factors and treatments on the progression of tauopathies.

Intraneuronal inclusions composed of tau protein are found in Alzheimer's disease (AD) and other tauopathies. Tau normally binds microtubules (MTs), and its disengagement from MTs and misfolding in AD is thought to result in MT abnormalities. We previously identified triazolopyrimidine-containing MT-stabilizing compounds that provided benefit in AD mouse models and herein describe the characterization and efficacy testing of an optimized candidate, CNDR-51997.

ABSTRACT INTRODUCTION Limbic predominant age related TDP-43 encephalopathy (LATE) is a recently characterized brain disease that mimics Alzheimer’s disease (AD) clinically. To date, LATE is difficult to diagnose antemortem using clinical information or biomarkers. Recent studies suggest concentrations of exosomal protein cargo derived from neuronal and glial cells may serve as useful diagnostic biomarkers for AD and other neurodegenerative diseases. METHODS TDP-43 was evaluated in neuronal (NDE), astrocyte (ADE), and microglial derived exosomes (MDE). Exosome preparations were isolated from the plasma of research subjects with autopsy-confirmed diagnoses, including many with LATE. Quantified TDP-43 concentrations were compared to cohort that included healthy controls, mild cognitively impairment (MCI), and AD dementia with diagnoses other than LATE. RESULTS TDP-43 was significantly elevated in plasma ADEs derived from autopsy confirmed LATE-NC subjects, with or without comorbid AD pathology. Measurable levels of TDP-43 were also detected in exosome depleted plasma; however, TDP-43 levels were not significantly different between persons with and without eventual autopsy confirmed LATE-NC. No correlation was observed between exosomal TDP-43 levels with cognition-based variables, sex, and APOE carrier status. DISCUSSION Blood-based exosomes, specifically measuring TDP-43 accumulation in ADEs, may serve as a powerful diagnostic tool to rapidly identify subjects who are currently living with LATE-NC.

Abstract Single-nuclei RNA-Seq is being widely employed to investigate cell types, especially of human brain and other frozen samples. In contrast to single-cell approaches, however, the majority of single-nuclei RNA counts originate from partially processed RNA leading to intronic cDNAs, thus hindering the investigation of complete isoforms. Here, using microfluidics, PCR-based artifact removal, target enrichment, and long-read sequencing, we developed single-nuclei isoform RNA-sequencing (‘SnISOr-Seq’), and applied it to the analysis of human adult frontal cortex samples. We found that exons associated with autism exhibit coordinated and more cell-type specific inclusion than exons associated with schizophrenia or ALS. We discovered two distinct modes of combination patterns: first, those distinguishing cell types in the human brain. These are enriched in combinations of TSS-exon, exon-polyA site, and distant (non-adjacent) exon pairs. Second, those with all isoform combinations found within one neural cell type, which are enriched in adjacent exon pairs. Furthermore, adjacent exon pairs are predominantly mutually associated, while distant pairs are frequently mutually exclusive. Finally, we observed that human-specific exons are as tightly coordinated as conserved exons, pointing to an efficient evolutionary mechanism underpinning coordination. SnISOr-Seq opens the door to single-nuclei long-read isoform analysis in the human brain, and in any frozen, archived or hard-to-dissociate sample.

Brain genetics is an active research area. The degree to which genetic variants impact variations in brain structure and function remains largely unknown. We examined the heritability of regional brain volumes (p ~ 100) captured by single-nucleotide polymorphisms (SNPs) in UK Biobank (n ~ 9000). We found that regional brain volumes are highly heritable in this study population. We observed omni-genic impact across the genome as well as enrichment of SNPs in active chromatin regions. Principal components derived from regional volume data are also highly heritable, but the amount of variance in brain volume explained by the component did not seem to be related to its heritability. Heritability estimates vary substantially across large-scale functional networks and brain regions. The variation in heritability across regions was not related to measurement reliability. Heritability estimates exhibit a symmetric pattern across left and right hemispheres and are consistent in females and males. Our main findings in UK Biobank are consistent with those in Alzheimers Disease Neuroimaging Initiative (n ~ 1100), Philadelphia Neurodevelopmental Cohort (n ~ 600), and Pediatric Imaging, Neurocognition, and Genetics (n ~ 500) datasets, with more stable estimates in UK Biobank.

Mutations in leucine-rich repeat kinase 2 (LRRK2) are the most common cause of familial Parkinson's disease (PD). These mutations elevate LRRK2 kinase activity, making LRRK2 kinase inhibitors an attractive therapeutic target. LRRK2 kinase activity has been consistently linked to specific cell signaling pathways, mostly related to organelle trafficking and homeostasis, but its relationship to PD pathogenesis has been more difficult to define. LRRK2-PD patients consistently present with loss of dopaminergic neurons in the substantia nigra but show variable development of Lewy body or tau tangle pathology. Animal models carrying LRRK2 mutations do not develop robust PD-related phenotypes spontaneously, hampering the assessment of LRRK2 inhibitors' efficacy against disease processes. We hypothesized that mutations in LRRK2 may not be directly related to a single disease pathway, but instead may elevate susceptibility to multiple disease processes, depending on the disease trigger. To test this hypothesis, we have previously evaluated progression of alpha-synuclein and tau pathologies following injection of proteopathic seeds. We demonstrated that transgenic mice overexpressing mutant LRRK2 show alterations in the brain-wide progression of pathology, especially at older ages. Here, we assess tau pathology progression in relation to long-term LRRK2 kinase inhibition. Wildtype or LRRK2-G2019S knock-in mice were injected with tau fibrils and treated with control diet or diet containing LRRK2 kinase inhibitor MLi-2 targeting the IC50 or IC90 of LRRK2 for 3 to 6 months. Mice were evaluated for tau pathology by brain-wide quantitative pathology in 665 brain regions and subsequent linear diffusion modeling of progression. Consistent with our previous work, we found systemic alterations in the progression of tau pathology in LRRK2-G2019S mice that were most pronounced at 6 months. Importantly, LRRK2 kinase inhibition reversed these effects in LRRK2G2019S mice, but had minimal effect in wildtype mice, suggesting that LRRK2 kinase inhibition is likely to reverse specific disease processes in G2019S mutation carriers, but additional work may be necessary to determine the potential effect in non-carriers. This work supports a protective role of LRRK2 kinase inhibition in G2019S carriers and provides a rational workflow for systematic evaluation of brain-wide phenotypes in therapeutic development.

ABSTRACT Epigenetic mechanisms, including histone acetylation, are pivotal for learning and memory, with a role in neuronal function in Alzheimer’s disease and Related Dementia (ADRD). Acetyl-CoA synthetase 2 (ACSS2), an enzyme that generates acetyl-CoA, is central to histone acetylation and gene regulation, particularly in neurons, due to their unique metabolic demands and postmitotic state. ACSS2 can be recruited to the nucleus and chromatin, locally supplying acetyl-CoA to directly fuel histone acetyltransferase enzymes and key neuronal gene expression. This regulatory mechanism may be a promising target for therapeutic intervention in neurodegenerative diseases. Previously we showed that systemic ACSS2 deletion in mice, although largely normal in physiology, is greatly impaired in memory. Here we investigated whether increasing ACSS2 levels could protect neurons against disease and age-associated cognitive decline. Given the role of tau in ADRD, we used primary hippocampal neurons that mimic the sporadic development of tau pathology and the P301S transgenic mouse model for tau-induced memory decline. Our results show that ACSS2 upregulation mitigates tau-induced transcriptional alterations, enhances neuronal resilience against tau pathology, improves long-term potentiation, and ameliorates memory deficits. Expanding upon these findings, we reveal that increasing histone acetylation through ACSS2 upregulation improves age-associated memory decline. These findings indicate that increasing ACSS2 is highly effective in countering age- and tau-induced transcriptome changes, preserving elevated levels of synaptic genes, and safeguarding synaptic integrity. We thus highlight ACSS2 as a key player in the epigenetic regulation of cognitive aging and ADRD, providing a foundation for targeted therapeutics to enhance brain resilience and function. Summary ACSS2 upregulation protects neurons from disease and age-related decline by enhancing synaptic and longevity gene expression.