ABSTRACT Inflammatory reactive astrocytes lose homeostatic functions and can be neurotoxic, potentially contributing to neurodegenerative diseases. However, the underlying cell biological mechanisms are not fully understood. Here, we demonstrate that lysosomes are remodeled and alkalinized in inflammatory reactive astrocytes, and that lysosome exocytosis drives astrocyte-mediated neurotoxicity. CRISPRi screens uncover mTOR as a regulator of neurotoxic lysosome exocytosis. These results pinpoint lysosome remodeling and exocytosis in inflammatory reactive astrocytes as a potential therapeutic target.

ABSTRACT Lysosomes are important sites for macromolecular degradation, defined by an acidic lumenal pH of ∼4.5. To better understand lysosomal pH, we designed a novel, genetically encoded, fluorescent protein (FP) based pH biosensor called FIRE-pHLy ( F luorescence Indicator RE porting pH in Ly sosomes). This biosensor was targeted to lysosomes with lysosomal-associated membrane protein 1 (LAMP1) and reported lumenal pH between 3.5 and 6.0 with monomeric teal fluorescent protein 1 (mTFP1), a bright cyan pH sensitive FP variant with a pKa of 4.3. Ratiometric quantification was enabled with cytosolically oriented mCherry using high-content quantitative imaging. We expressed FIRE-pHLy in several cellular models and quantified the alkalinizing response to bafilomycin A1, a specific V-ATPase inhibitor. In summary, we have engineered FIRE-pHLy, a specific, robust and versatile lysosomal pH biosensor that has broad applications for investigating pH dynamics in aging and lysosome-related diseases, as well as in lysosome-based drug discovery.

Abstract Activation of microglia, the brain’s innate immune cells, is a prominent pathological feature in tauopathies, including Alzheimer’s disease. How microglia activation contributes to tau toxicity remains largely unknown. Here we show that nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells (NF-κB) signaling, activated by tau, drives microglial-mediated tau propagation and toxicity. Constitutive activation of microglial NF-κB exacerbated, while inactivation diminished, tau seeding and spreading in PS19 mice, consistent with the observation that NF-κB activation accelerates processing of internalized tau fibrils in primary microglia. Remarkably, inhibition of microglial NF-κB specifically also rescued tau-mediated learning and memory deficits, and restored overall transcriptomic changes while increasing tau inclusions. On a single cell level, we discovered that tau-associated disease states in microglia were diminished by NF-κB inactivation and further transformed by constitutive NF-κB activation. Our study establishes a central role for microglial NF-κB signaling in mediating tau toxicity in tauopathy.

Abstract Leucine-rich repeat kinase 2 (LRRK2) variants associated with Parkinson’s disease (PD) and Crohn’s disease lead to increased phosphorylation of its Rab substrates. While it has been recently shown that perturbations in cellular homeostasis including lysosomal damage and stress can increase LRRK2 activity and localization to lysosomes, the molecular mechanisms by which LRRK2 activity is regulated have remained poorly defined. We performed a targeted siRNA screen to identify regulators of LRRK2 activity and identified Rab12 as a novel modulator of LRRK2-dependent phosphorylation of one of its substrates, Rab10. Using a combination of imaging and immunopurification methods to isolate lysosomes, we demonstrated that Rab12 is actively recruited to damaged lysosomes and leads to a local and LRRK2-dependent increase in Rab10 phosphorylation. PD-linked variants, including LRRK2 R1441G and VPS35 D620N, lead to increased recruitment of LRRK2 to the lysosome and a local elevation in lysosomal levels of pT73 Rab10. Together, these data suggest a conserved mechanism by which Rab12, in response to damage or expression of PD-associated variants, promotes the recruitment of LRRK2 and phosphorylation of its Rab substrate(s) at the lysosome.

Abstract Mitochondria undergo dynamic morphological changes depending on cellular cues, stress, genetic factors, or disease. The structural complexity and disease-relevance of mitochondria have stimulated efforts to generate image analysis tools for describing mitochondrial morphology for therapeutic development. Using high-content analysis, we measured multiple morphological parameters and employed unbiased feature clustering to identify the most robust pair of texture metrics that described mitochondrial state. Here, we introduce a novel image analysis pipeline to enable rapid and accurate profiling of mitochondrial morphology in various cell types and pharmacological perturbations. We applied a high-content adapted implementation of our tool, MitoProfilerHC, to quantify mitochondrial morphology changes in i) a mammalian cell dose response study and ii) compartment-specific drug effects in primary neurons. Next, we expanded the usability of our pipeline by using napari, a Python-powered image analysis tool, to build an open-source version of MitoProfiler and validated its performance and applicability. In conclusion, we introduce MitoProfiler as both a high-content-based and an open-source method to accurately quantify mitochondrial morphology in cells, which we anticipate to greatly facilitate mechanistic discoveries in mitochondrial biology and disease.