Abstract Ongoing, first-in-human clinical trials illustrate the feasibility and translational potential of human pluripotent stem cell (hPSC)-based cell therapies in Parkinson’s disease (PD). However, a major unresolved challenge in the field is the extensive cell death following transplantation with <10% of grafted dopamine neurons surviving. Here, we performed a pooled CRISPR/Cas9 screen to enhance survival of postmitotic dopamine neurons in vivo . We identified p53-mediated apoptotic cell death as major contributor to dopamine neuron loss and uncovered a causal link of TNFa-NFκB signaling in limiting cell survival. As a translationally applicable strategy to purify postmitotic dopamine neurons, we performed a cell surface marker screen that enabled purification without the need for genetic reporters. Combining cell sorting with adalimumab pretreatment, a clinically approved and widely used TNFa inhibitor, enabled efficient engraftment of postmitotic dopamine neurons leading to extensive re-innervation and functional recovery in a preclinical PD mouse model. Thus, transient TNFa inhibition presents a clinically relevant strategy to enhance survival and enable engraftment of postmitotic human PSC-derived dopamine neurons in PD. Highlights In vivo CRISPR-Cas9 screen identifies p53 limiting survival of grafted human dopamine neurons. TNFα-NFκB pathway mediates p53-dependent human dopamine neuron death Cell surface marker screen to enrich human dopamine neurons for translational use. FDA approved TNF-alpha inhibitor rescues in vivo dopamine neuron survival with in vivo function.

Ongoing, early-stage clinical trials illustrate the translational potential of human pluripotent stem cell (hPSC)-based cell therapies in Parkinson's disease (PD). However, an unresolved challenge is the extensive cell death following transplantation. Here, we performed a pooled CRISPR-Cas9 screen to enhance postmitotic dopamine neuron survival in vivo. We identified p53-mediated apoptotic cell death as a major contributor to dopamine neuron loss and uncovered a causal link of tumor necrosis factor alpha (TNF-α)-nuclear factor κB (NF-κB) signaling in limiting cell survival. As a translationally relevant strategy to purify postmitotic dopamine neurons, we identified cell surface markers that enable purification without the need for genetic reporters. Combining cell sorting and treatment with adalimumab, a clinically approved TNF-α inhibitor, enabled efficient engraftment of postmitotic dopamine neurons with extensive reinnervation and functional recovery in a preclinical PD mouse model. Thus, transient TNF-α inhibition presents a clinically relevant strategy to enhance survival and enable engraftment of postmitotic hPSC-derived dopamine neurons in PD.

ABSTRACT Idiopathic Parkinson’s Disease (PD) is characterized by the loss of dopaminergic neurons in the substantia nigra pars compacta, which is associated with neuroinflammation and reactive gliosis. The underlying cause of PD and the concurrent neuroinflammation are not well understood. In this study, we utilized human and murine neuronal lines, stem cell–derived dopaminergic neurons, and mice to demonstrate that three previously identified genetic risk factors for PD, namely SATB1, MIR22HG, and GBA, are components of a single gene regulatory pathway. Our findings indicate that dysregulation of this pathway leads to the upregulation of glucocerebrosides (GluCer), which triggers a cellular senescence-like phenotype in dopaminergic neurons. Specifically, we discovered that downregulation of the transcriptional repressor SATB1 results in the derepression of the microRNA miR-22-3p, leading to decreased GBA expression and subsequent accumulation of GluCer. Furthermore, our results demonstrate that an increase in GluCer alone is sufficient to impair lysosomal and mitochondrial function, thereby inducing cellular senescence dependent on S100A9 and stress factors. Dysregulation of the SATB1-MIR22-GBA pathway, observed in both PD patients and normal aging, leads to lysosomal and mitochondrial dysfunction due to the GluCer accumulation, ultimately resulting in a cellular senescence-like phenotype in dopaminergic neurons. Therefore, our study highlights a novel pathway involving three genetic risk factors for PD and provides a potential mechanism for the senescence-induced neuroinflammation and reactive gliosis observed in both PD and normal aging.

Cellular senescence is a mechanism used by mitotic cells to prevent uncontrolled cell division. As senescent cells persist in tissues, they cause local inflammation and are harmful to surrounding cells, contributing to aging. Generally, neurodegenerative diseases, such as Parkinson's, are disorders of aging. The contribution of cellular senescence to neurodegeneration is still unclear. SATB1 is a DNA binding protein associated with Parkinson's disease. We report that SATB1 prevents cellular senescence in post-mitotic dopaminergic neurons. Loss of SATB1 causes activation of a cellular senescence transcriptional program in dopamine neurons, both in human stem cell-derived dopaminergic neurons and in mice. We observed phenotypes which are central to cellular senescence in SATB1 knockout dopamine neurons in vitro and in vivo. Moreover, we found that SATB1 directly represses expression of the pro-senescence factor, p21, in dopaminergic neurons. Our data implicate senescence of dopamine neurons as a contributing factor to the pathology of Parkinson's disease.