Growing evidence suggests that phosphoinositides play an important role in membrane traffic. A polyphosphoinositide phosphatase, synaptojanin 1, was identified as a major presynaptic protein associated with endocytic coated intermediates. We report here that synaptojanin 1–deficient mice exhibit neurological defects and die shortly after birth. In neurons of mutant animals, PI(4,5)P2 levels are increased, and clathrin-coated vesicles accumulate in the cytomatrix-rich area that surrounds the synaptic vesicle cluster in nerve endings. In cell-free assays, reduced phosphoinositide phosphatase activity correlated with increased association of clathrin coats with liposomes. Intracellular recording in hippocampal slices revealed enhanced synaptic depression during prolonged high-frequency stimulation followed by delayed recovery. These results provide genetic evidence for a crucial role of phosphoinositide metabolism in synaptic vesicle recycling.

Lipids are key regulators of brain function and have been increasingly implicated in neurodegenerative disorders including Alzheimer disease (AD). Here, a systems-based approach was employed to determine the lipidome of brain tissues affected by AD. Specifically, we used liquid chromatography-mass spectrometry to profile extracts from the prefrontal cortex, entorhinal cortex, and cerebellum of late-onset AD (LOAD) patients, as well as the forebrain of three transgenic familial AD (FAD) mouse models. Although the cerebellum lacked major alterations in lipid composition, we found an elevation of a signaling pool of diacylglycerol as well as sphingolipids in the prefrontal cortex of AD patients. Furthermore, the diseased entorhinal cortex showed specific enrichment of lysobisphosphatidic acid, sphingomyelin, the ganglioside GM3, and cholesterol esters, all of which suggest common pathogenic mechanisms associated with endolysosomal storage disorders. Importantly, a significant increase in cholesterol esters and GM3 was recapitulated in the transgenic FAD models, suggesting that these mice are relevant tools to study aberrant lipid metabolism of endolysosomal dysfunction associated with AD. Finally, genetic ablation of phospholipase D(2), which rescues the synaptic and behavioral deficits of an FAD mouse model, fully normalizes GM3 levels. These data thus unmask a cross-talk between the metabolism of phosphatidic acid, the product of phospholipase D(2), and gangliosides, and point to a central role of ganglioside anomalies in AD pathogenesis. Overall, our study highlights the hypothesis generating potential of lipidomics and identifies novel region-specific lipid anomalies potentially linked to AD pathogenesis.

Summary

 Recent genome-wide association studies have linked common variants in the human genome to Parkinson's disease (PD) risk. Here we show that the consequences of variants at 2 such loci, PARK16 and LRRK2, are highly interrelated, both in terms of their broad impacts on human brain transcriptomes of unaffected carriers, and in terms of their associations with PD risk. Deficiency of the PARK16 locus gene RAB7L1 in primary rodent neurons, or of a RAB7L1 ortholog in Drosophila dopamine neurons, recapitulated degeneration observed with expression of a familial PD mutant form of LRRK2, whereas RAB7L1 overexpression rescued the LRRK2 mutant phenotypes. PD-associated defects in RAB7L1 or LRRK2 led to endolysosomal and Golgi apparatus sorting defects and deficiency of the VPS35 component of the retromer complex. Expression of wild-type VPS35, but not a familial PD-associated mutant form, rescued these defects. Taken together, these studies implicate retromer and lysosomal pathway alterations in PD risk.

The accumulation of Tau into aggregates is associated with key pathological events in frontotemporal lobe degeneration (FTD-Tau) and Alzheimer disease (AD). Recent data have shown that misfolded Tau can be internalized by cells in vitro (Frost, B., Jacks, R. L., and Diamond, M. I. (2009) J. Biol. Chem. 284, 12845–12852) and propagate pathology in vivo (Clavaguera, F., Bolmont, T., Crowther, R. A., Abramowski, D., Frank, S., Probst, A., Fraser, G., Stalder, A. K., Beibel, M., Staufenbiel, M., Jucker, M., Goedert, M., and Tolnay, M. (2009) Nat. Cell Biol. 11, 909–913; Lasagna-Reeves, C. A., Castillo-Carranza, D. L., Sengupta, U., Guerrero-Munoz, M. J., Kiritoshi, T., Neugebauer, V., Jackson, G. R., and Kayed, R. (2012) Sci. Rep. 2, 700). Here we show that recombinant Tau misfolds into low molecular weight (LMW) aggregates prior to assembly into fibrils, and both extracellular LMW Tau aggregates and short fibrils, but not monomers, long fibrils, nor long filaments purified from brain extract are taken up by neurons. Remarkably, misfolded Tau can be internalized at the somatodendritic compartment, or the axon terminals and it can be transported anterogradely, retrogradely, and can enhance tauopathy in vivo. The internalized Tau aggregates co-localize with dextran, a bulk-endocytosis marker, and with the endolysosomal compartments. Our findings demonstrate that exogenous Tau can be taken up by cells, uptake depends on both the conformation and size of the Tau aggregates and once inside cells, Tau can be transported. These data provide support for observations that tauopathy can spread trans-synaptically in vivo, via cell-to-cell transfer.Background: Exogenous, misfolded Tau can be internalized, but details of the mechanism are unknown.Results: Small misfolded Tau species are internalized through endocytosis, anterogradely and retrogradely transported.Conclusion: Tau uptake is dependent on conformation and size of aggregates, and regulated through endocytosis.Significance: Understanding the mechanism by which pathological Tau is internalized provides a foundation for therapeutic approaches targeting uptake and propagation of tauopathy. The accumulation of Tau into aggregates is associated with key pathological events in frontotemporal lobe degeneration (FTD-Tau) and Alzheimer disease (AD). Recent data have shown that misfolded Tau can be internalized by cells in vitro (Frost, B., Jacks, R. L., and Diamond, M. I. (2009) J. Biol. Chem. 284, 12845–12852) and propagate pathology in vivo (Clavaguera, F., Bolmont, T., Crowther, R. A., Abramowski, D., Frank, S., Probst, A., Fraser, G., Stalder, A. K., Beibel, M., Staufenbiel, M., Jucker, M., Goedert, M., and Tolnay, M. (2009) Nat. Cell Biol. 11, 909–913; Lasagna-Reeves, C. A., Castillo-Carranza, D. L., Sengupta, U., Guerrero-Munoz, M. J., Kiritoshi, T., Neugebauer, V., Jackson, G. R., and Kayed, R. (2012) Sci. Rep. 2, 700). Here we show that recombinant Tau misfolds into low molecular weight (LMW) aggregates prior to assembly into fibrils, and both extracellular LMW Tau aggregates and short fibrils, but not monomers, long fibrils, nor long filaments purified from brain extract are taken up by neurons. Remarkably, misfolded Tau can be internalized at the somatodendritic compartment, or the axon terminals and it can be transported anterogradely, retrogradely, and can enhance tauopathy in vivo. The internalized Tau aggregates co-localize with dextran, a bulk-endocytosis marker, and with the endolysosomal compartments. Our findings demonstrate that exogenous Tau can be taken up by cells, uptake depends on both the conformation and size of the Tau aggregates and once inside cells, Tau can be transported. These data provide support for observations that tauopathy can spread trans-synaptically in vivo, via cell-to-cell transfer. Background: Exogenous, misfolded Tau can be internalized, but details of the mechanism are unknown. Results: Small misfolded Tau species are internalized through endocytosis, anterogradely and retrogradely transported. Conclusion: Tau uptake is dependent on conformation and size of aggregates, and regulated through endocytosis. Significance: Understanding the mechanism by which pathological Tau is internalized provides a foundation for therapeutic approaches targeting uptake and propagation of tauopathy.

Loss-of-function (LOF) variants of TREM2, an immune receptor expressed in microglia, increase Alzheimer's disease risk. TREM2 senses lipids and mediates myelin phagocytosis, but its role in microglial lipid metabolism is unknown. Combining chronic demyelination paradigms and cell sorting with RNA sequencing and lipidomics, we find that wild-type microglia acquire a disease-associated transcriptional state, while TREM2-deficient microglia remain largely homeostatic, leading to neuronal damage. TREM2-deficient microglia phagocytose myelin debris but fail to clear myelin cholesterol, resulting in cholesteryl ester (CE) accumulation. CE increase is also observed in APOE-deficient glial cells, reflecting impaired brain cholesterol transport. This finding replicates in myelin-treated TREM2-deficient murine macrophages and human iPSC-derived microglia, where it is rescued by an ACAT1 inhibitor and LXR agonist. Our studies identify TREM2 as a key transcriptional regulator of cholesterol transport and metabolism under conditions of chronic myelin phagocytic activity, as TREM2 LOF causes pathogenic lipid accumulation in microglia.

This study aimed to elucidate the genetic causes underlying early-onset Parkinsonism (EOP) in a consanguineous Iranian family. To attain this, homozygosity mapping and whole-exome sequencing were performed. As a result, a homozygous mutation (c.773G>A; p.Arg258Gln) lying within the NH2-terminal Sac1-like inositol phosphatase domain of polyphosphoinositide phosphatase synaptojanin 1 (SYNJ1), which has been implicated in the regulation of endocytic traffic at synapses, was identified as the disease-segregating mutation. This mutation impaired the phosphatase activity of SYNJ1 against its Sac1 domain substrates in vitro. We concluded that the SYNJ1 mutation identified here is responsible for the EOP phenotype seen in our patients probably due to deficiencies in its phosphatase activity and consequent impairment of its synaptic functions. Our finding not only opens new avenues of investigation in the synaptic dysfunction mechanisms associated with Parkinsonism, but also suggests phosphoinositide metabolism as a novel therapeutic target for Parkinsonism.

The ability of extracellular vesicles (EVs) to regulate a broad range of cellular processes has recently been exploited for the treatment of diseases. For example, EVs secreted by therapeutic cells injected into infarcted hearts can induce recovery through the delivery of cell-specific microRNAs. However, retention of the EVs and the therapeutic effects are short-lived. Here, we show that an engineered hydrogel patch capable of slowly releasing EVs secreted from cardiomyocytes (CMs) derived from induced pluripotent stem cells reduced arrhythmic burden, promoted ejection-fraction recovery, decreased CM apoptosis 24 h after infarction, and reduced infarct size and cell hypertrophy 4 weeks post-infarction when implanted onto infarcted rat hearts. We also show that EVs are enriched with cardiac-specific microRNAs known to modulate CM-specific processes. The extended delivery of EVs secreted from induced-pluripotent-stem-cell-derived CMs into the heart may help us to treat heart injury and to understand heart recovery. A hydrogel patch for the sustained delivery of extracellular vesicles from cardiomyocytes derived from induced pluripotent stem cells improves tissue regeneration in infarcted rat hearts.

Abstract Lysosomal dysfunction is a hallmark of Parkinson’s disease (PD), and variants in several PD-associated genes, including LRRK2 , perturb lysosomal homeostasis. Based on this, LRRK2 kinase inhibition is being explored as a therapeutic approach for the treatment of PD. LRRK2 inhibitors reduce levels of BMP, an endolysosomal lipid involved in glycosphingolipid (GSL) catabolism, in urine from preclinical models and clinical subjects, however, the mechanisms by which LRRK2 regulates BMP and the functional significance of this change to disease are undefined. We establish that LRRK2 regulates secretion of BMP- and GSL-containing vesicles from kidney into urine and modulates BMP and GSL levels in the brain. BMP accumulates within lysosomes as a secondary response to LRRK2’s effects on the activity of glucocerebrosidase (GCase), a PD-linked enzyme involved in GSL catabolism. Alterations in BMP and GCase substrate turnover are observed in CSF from LRRK2-PD patients, highlighting the relevance of LRRK2-dependent lysosomal dysfunction in disease.