Abstract The abnormal assembly of TAR DNA-binding protein 43 (TDP-43) in neuronal and glial cells characterizes nearly all cases of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and around half of cases of frontotemporal lobar degeneration (FTLD) 1,2 . A causal role for TDP-43 assembly in neurodegeneration is evidenced by dominantly inherited missense mutations in TARDBP , the gene encoding TDP-43, that promote assembly and give rise to ALS and FTLD 3–7 . At least four types (A–D) of FTLD with TDP-43 pathology (FTLD-TDP) are defined by distinct brain distributions of assembled TDP-43 and are associated with different clinical presentations of frontotemporal dementia 8 . We previously showed, using cryo-electron microscopy, that TDP-43 assembles into amyloid filaments in ALS and type B FTLD-TDP 9 . However, the structures of assembled TDP-43 in FTLD without ALS remained unknown. Here we report the cryo-electron microscopy structures of assembled TDP-43 from the brains of three individuals with the most common type of FTLD-TDP, type A. TDP-43 formed amyloid filaments with a new fold that was the same across individuals, indicating that this fold may characterize type A FTLD-TDP. The fold resembles a chevron badge and is unlike the double-spiral-shaped fold of ALS and type B FTLD-TDP, establishing that distinct filament folds of TDP-43 characterize different neurodegenerative conditions. The structures, in combination with mass spectrometry, led to the identification of two new post-translational modifications of assembled TDP-43, citrullination and monomethylation of R293, and indicate that they may facilitate filament formation and observed structural variation in individual filaments. The structures of TDP-43 filaments from type A FTLD-TDP will guide mechanistic studies of TDP-43 assembly, as well as the development of diagnostic and therapeutic compounds for TDP-43 proteinopathies.

ABSTRACT Ordered assembly of the tau protein into filaments characterizes multiple neurodegenerative diseases, which are called tauopathies. We previously reported that by electron cryo-microscopy (cryo-EM), tau filament structures from Alzheimer’s disease (1,2), chronic traumatic encephalopathy (CTE) (3), Pick’s disease (4) and corticobasal degeneration (CBD) (5) are distinct. Here we show that the structures of tau filaments from typical and atypical progressive supranuclear palsy (PSP), the most common tauopathy after Alzheimer’s disease, define a previously unknown, three-layered fold. Moreover, the tau filament structures from globular glial tauopathy (GGT, Types I and II) are similar to those from PSP. The tau filament fold of argyrophilic grain disease (AGD) differs from the above and resembles the four-layered CBD fold. The majority of tau filaments from aging-related tau astrogliopathy (ARTAG) also have the AGD fold. Surprisingly, tau protofilament structures from inherited cases with mutations +3/+16 in intron 10 of MAPT , the microtubule-associated protein tau gene, are identical to those from AGD, suggesting that a relative overproduction of four-repeat tau can give rise to the AGD fold. Finally, tau filament structures from cases of familial British dementia (FBD) and familial Danish dementia (FDD) are the same as those from Alzheimer’s disease and primary age-related tauopathy (PART). These structures provide the basis for a classification of tauopathies that also allows identification of new entities, as we show here for a case diagnosed as PSP, but with abundant spherical 4R tau inclusions in limbic and other brain areas. The structures of the tau fold of this new disease (Limbic-predominant Neuronal inclusion body 4R Tauopathy, LNT) were intermediate between those of GGT and PSP.

SUMMARY Deposition of α-synuclein fibrils is implicated in Parkinson’s disease (PD) and dementia with Lewy bodies (DLB), while in vivo detection of α-synuclein pathologies in these illnesses has been challenging. Here, we have developed a small-molecule ligand, C05-05, for visualizing α-synuclein deposits in the brains of living subjects. In vivo optical and positron emission tomography (PET) imaging of mouse and marmoset models demonstrated that C05-05 captured a dynamic propagation of fibrillogenesis along neural pathways followed by disruptions of these structures. High-affinity binding of 18 F-C05-05 to α-synuclein aggregates in human brain tissues was also proven by in vitro assays. Notably, PET-detectable 18 F-C05-05 signals were intensified in the midbrains of PD and DLB patients as compared to healthy controls, providing the first demonstration of visualizing α-synuclein pathologies in these illnesses. Collectively, we propose a new imaging technology offering neuropathology-based translational assessments of PD and allied disorders towards diagnostic and therapeutic research and development.

Parkinson’s disease (PD) is the most common movement disorder, with resting tremor, rigidity, bradykinesia and postural instability being major symptoms (1). Neuropathologically, it is characterised by the presence of abundant filamentous inclusions of α-synuclein in the form of Lewy bodies and Lewy neurites in some brain cells, including dopaminergic nerve cells of the substantia nigra (2). PD is increasingly recognised as a multisystem disorder, with cognitive decline being one of its most common non-motor symptoms. Many patients with PD develop dementia more than 10 years after diagnosis (3). PD dementia (PDD) is clinically and neuropathologically similar to dementia with Lewy bodies (DLB), which is diagnosed when cognitive impairment precedes parkinsonian motor signs or begins within one year from their onset (4). In PDD, cognitive impairment develops in the setting of well-established PD. Besides PD and DLB, multiple system atrophy (MSA) is the third major synucleinopathy (5). It is characterised by the presence of abundant filamentous α-synuclein inclusions in brain cells, especially oligodendrocytes (Papp-Lantos bodies). We previously reported the electron cryo-microscopy (cryo-EM) structures of two types of α-synuclein filaments extracted from the brains of individuals with MSA (6). Each filament type is made of two different protofilaments. Here we report that the cryo-EM structures of α-synuclein filaments from the brains of individuals with PD, PDD and DLB are made of a single protofilament (Lewy fold) that is markedly different from the protofilaments of MSA. These findings establish the existence of distinct molecular conformers of assembled α-synuclein in neurodegenerative disease.

ABSTRACT There are currently no disease altering drugs available for Tauopathies such as Alzheimer’s disease, which alone is predicted to affect ~88 million people worldwide by 2050. As Tau aggregation underpins its toxicity, aggregation inhibitors are likely to have disease-modifying potential. Guided by in-silico mutagenesis studies, we developed a potent retro-inverso peptide inhibitor of Tau aggregation, RI-AG03 [Ac-rrrrrrrrGpkyk(ac)iqvGr-NH 2 ], based on the 306 VQIVYK 311 hotspot. Aggregation of recombinant Tau was reduced by >90% with equimolar RI-AG03 and no fibrils were observed by EM. When added during the growth phase, RI-AG03 blocked seeded aggregation. Fluorescein-tagged RI-AG03 efficiently penetrated HEK-293 cells over 24 hours and was non-toxic at doses up to 30 μM. In transgenic Drosophila , RI-AG03 significantly improves neurodegenerative and behavioural phenotypes caused by expression of human Tau. Collectively this shows that RI-AG03 can effectively reduce Tau aggregation in vitro and block aggregation-dependent phenotypes in vivo , raising possibilities for exploring its translational potential.

Summary Many age-dependent neurodegenerative diseases, like Alzheimer’s and Parkinson’s, are characterised by abundant inclusions of amyloid filaments. Filamentous inclusions of the proteins tau, amyloid-β (Aβ), α-synuclein and TDP-43 are the most common. Here, we used electron cryo-microscopy (cryo-EM) structure determination to show that residues 120-254 of the lysosomal type II transmembrane protein 106B (TMEM106B) also form amyloid filaments in the human brain. We solved cryo-EM structures of TMEM106B filaments from the brains of 22 individuals with neurodegenerative conditions, including sporadic and inherited tauopathies, Aβ-amyloidoses, synucleinopathies and TDP-43opathies, as well as from the brains of two neurologically normal individuals. We observed three different TMEM106B folds, with no clear relationship between folds and diseases. The presence of TMEM106B filaments correlated with that of a 29 kDa sarkosyl-insoluble fragment of the protein on Western blots. The presence of TMEM106B filaments in the brains of older, but not younger, neurologically normal individuals indicates that they form in an age-dependent manner.

Deposition of α-synuclein fibrils is implicated in Parkinson's disease (PD) and dementia with Lewy bodies (DLB), while in vivo detection of α-synuclein pathologies in these illnesses has been challenging. Here, we have developed a small-molecule ligand, C05-05, for visualizing α-synuclein deposits in the brains of living subjects. In vivo optical and positron emission tomography (PET) imaging of mouse and marmoset models demonstrated that C05-05 captured a dynamic propagation of fibrillogenesis along neural pathways, followed by disruptions of these structures. High-affinity binding of 18F-C05-05 to α-synuclein aggregates in human brain tissues was also proven by in vitro assays. Notably, PET-detectable 18F-C05-05 signals were intensified in the midbrains of PD and DLB patients as compared with healthy controls, providing the first demonstration of visualizing α-synuclein pathologies in these illnesses. Collectively, we propose a new imaging technology offering neuropathology-based translational assessments of PD and allied disorders toward diagnostic and therapeutic research and development.

Abstract The propagation of conformational strains by templated seeding is central to the prion concept. Seeded assembly of α-synuclein into filaments is believed to underlie the prion-like spreading of protein inclusions in a number of human neurodegenerative diseases, including Parkinson's disease, dementia with Lewy bodies (DLB) and multiple system atrophy (MSA). We previously determined the atomic structures of α-synuclein filaments from the putamen of five individuals with MSA. Here, we used filament preparations from three of these brains for the in vitro seeded assembly of recombinant human α-synuclein. We find that the structures of the seeded assemblies differ from those of the seeds, suggesting that additional, as yet unknown, factors play a role in the propagation of pathology. Identification of these factors will be essential for understanding the prion-like spreading of α-synuclein proteinopathies.

Abnormal α-synuclein aggregation has been implicated in several diseases and is known to spread in a prion-like manner. There is a relationship between protein aggregate structure (strain) and clinical phenotype in prion diseases, however, whether differences in the strains of α-synuclein aggregates account for the different pathologies remained unclear. Here, we generated two types of α-synuclein fibrils from identical monomer and investigated their seeding and propagation ability in mice and primary-cultured neurons. One α-synuclein fibril induced marked accumulation of phosphorylated α-synuclein and ubiquitinated protein aggregates, while the other did not, indicating the formation of α-synuclein two strains. Notably, the former α-synuclein strain inhibited proteasome activity and co-precipitated with 26S proteasome complex. Further examination indicated that structural differences in the C-terminal region of α-synuclein strains lead to different effects on proteasome activity. These results provide a possible molecular mechanism to account for the different pathologies induced by different α-synuclein strains.

The roles played by oligodendrocyte (OL) lineage cells, the largest glial population in the adult CNS, in the pathogenesis of Alzheimer's disease (AD) remain elusive. Here, we show a newly developed culture method for adult OL progenitor cells (aOPCs) and identify novel plexin-B3-expressing (plexin-B3+) aOPCs as potential amyloid β peptides (Aβ)-secreting cells. Fibroblast growth factor 2 (FGF2) promotes the survival and proliferation of aOPCs in a serum-free defined medium. Although the whole expression profiles of the expanded aOPCs closely resemble those of in vivo OPCs, we found a subpopulation (up to 5%) of plexin-B3+/olig2+ aOPCs in the cultures growing in FGF2. FGF2 withdrawal decreased NG2+, but increased plexin-B3+ aOPCs with increased APP expression, Aβ1-40, -42 secretions and Aβ1-42/total Aβ ratios in association with cored senile plaque-like morphological changes. In vivo, plexin-B3+ aOPCs are distributed throughout the adult brain, although less densely so than NG2+ aOPCs. Spreading depolarization, a type of brain injury, induced unique delayed cortical plexin-B3+ aOPC gliosis in the ipsilateral, but not in the contralateral, remote cortex. In AD brains, virtually all senile plaques in the cortex were immunostained with plexin-B3 antibodies and the levels of cortical plexin-B3 expression increased significantly in the Salcosyl-soluble fractions. These findings suggest that plexin-B3+ aOPCs play important roles in the pathogenesis of AD most likely as a natural Aβ source.