NAD metabolism regulates diverse biological processes, including ageing, circadian rhythm and axon survival. Axons depend on the activity of the central enzyme in NAD biosynthesis, nicotinamide mononucleotide adenylyltransferase 2 (NMNAT2), for their maintenance and degenerate rapidly when this activity is lost. However, whether axon survival is regulated by the supply of NAD or by another action of this enzyme remains unclear. Here we show that the nucleotide precursor of NAD, nicotinamide mononucleotide (NMN), accumulates after nerve injury and promotes axon degeneration. Inhibitors of NMN-synthesising enzyme NAMPT confer robust morphological and functional protection of injured axons and synapses despite lowering NAD. Exogenous NMN abolishes this protection, suggesting that NMN accumulation within axons after NMNAT2 degradation could promote degeneration. Ectopic expression of NMN deamidase, a bacterial NMN-scavenging enzyme, prolongs survival of injured axons, providing genetic evidence to support such a mechanism. NMN rises prior to degeneration and both the NAMPT inhibitor FK866 and the axon protective protein WldS prevent this rise. These data indicate that the mechanism by which NMNAT and the related WldS protein promote axon survival is by limiting NMN accumulation. They indicate a novel physiological function for NMN in mammals and reveal an unexpected link between new strategies for cancer chemotherapy and the treatment of axonopathies.

Abstract Axon loss underlies symptom onset and progression in many neurodegenerative disorders. Axon degeneration in injury and disease is promoted by activation of the nicotinamide adenine dinucleotide (NAD)-consuming enzyme SARM1 (sterile alpha and TIR motif-containing protein 1). Here, we report vacor mononucleotide (VMN), a metabolite of the pesticide and neurotoxin vacor, as the most potent yet SARM1 activator. Removal of SARM1 shows complete rescue from vacor-induced neuron and axon death in vitro and in vivo . We present the crystal structure of VMN bound to the Drosophila SARM1 regulatory armadillo-repeat domain, thus facilitating drug development to prevent SARM1 activation in human disease. This study indicates the likely mechanism of action of vacor as a pesticide and lethal neurotoxin in humans, provides important new tools for drug discovery, and further demonstrates that SARM1 removal can permanently block programmed axon death specifically induced by toxicity as well as genetic mutation.

ABSTRACT SARM1 is an NAD glycohydrolase and TLR adapter with an essential, prodegenerative role in programmed axon death (Wallerian degeneration). It has low basal NADase activity that becomes strongly activated by NAD precursor NMN. Very high levels of NAD oppose this activation, competing for the same allosteric site on SARM1’s regulatory ARM domain. Injury or diseases that deplete axons of NMNAT2, an essential enzyme converting NMN to NAD, cause SARM1 activation. The resulting NAD degradation by SARM1, combined with loss of NAD synthesis by NMNAT2, causes rapid depletion of axonal NAD. This NAD loss is widely assumed to mediate axon death and is consequently a key focus for therapeutic strategies for axonopathies. However, like other NAD(P) glycohydrolases, SARM1 has additional enzyme activities whose contributions, consequences and regulation need to be fully understood. Here, we compare the multiple actions and regulation of recombinant human SARM1 with those of two other NAD(P) glycohydrolases, human CD38 and Aplysia californica ADP ribosyl cyclase. We find that SARM1 has the highest transglycosidation (base exchange) activity of these enzymes at neutral pH and with some bases this dominates NAD(P) hydrolysis and cyclisation. Moreover, like its NADase and NADPase reactions, SARM1-mediated base exchange at neutral pH is activated by increases in the NMN:NAD ratio, which we show for the first time can act in the presence of physiological levels of both metabolites. We establish that SARM1 base exchange is the most likely physiological source of calcium mobilizing agent NaADP, and potentially of other NAD(P) analogues, which could contribute to axon and cell death. We also identify regulatory effects of free pyridine bases, of NADP and of nicotinic acid riboside (NaR) on SARM1 that represent further therapeutic opportunities. These data will help to pinpoint which of the multiple functions of SARM1 is responsible for axon degeneration and how it can be optimally targeted to block axon degeneration in disease.

Abstract Maintenance of NAD pools is critical for neuronal survival. The capacity to maintain NAD pools declines in neurodegenerative disease. We identify that low NMNAT2, the critical neuronal NAD producing enzyme, drives retinal susceptibility to neurodegenerative insults. As proof of concept, gene therapy over-expressing full length human NMNAT2 is neuroprotective. To pharmacologically target NMNAT2, we identify that epigallocatechin gallate (EGCG) can drive NAD production in neurons through an NMNAT2 and NMN dependent mechanism. We confirm this by pharmacological and genetic inhibition of the NAD-salvage pathway. EGCG is neuroprotective in rodent (mixed sex) and human models of retinal neurodegeneration. As EGCG has poor drug-like qualities, we use it as a tool compound to generate novel small molecules which drive neuronal NAD production and provide neuroprotection. This class of NMNAT2 targeted small molecules could have an important therapeutic impact for neurodegenerative disease following further drug development.

Abstract SARM1 is a key regulator of a conserved program of axon degeneration increasingly linked to human neurodegenerative diseases. Pathological SARM1 activation causes rapid NAD consumption, disrupting cellular homeostasis and leading to axon degeneration. In this study, we develop antisense oligonucleotides targeting human SARM1, demonstrating robust neuroprotection against morphological, metabolic, and mitochondrial impairment in human iPSC-derived dopamine neurons induced by the lethal neurotoxin vacor, a potent SARM1 activator. Furthermore, our findings reveal that axon fragmentation can be prevented, and mitochondrial dysfunction reversed using the NAD precursor nicotinamide, a form of vitamin B 3 , even after SARM1 activation has occurred, when neurons are already unhealthy. This research identifies ASOs as a promising therapeutic strategy to block SARM1, and provides an extensive characterisation and further mechanistic insights that demonstrate the reversibility of SARM1 toxicity in human neurons. It also identifies the SARM1 activator vacor as a specific and reversible neuroablative agent in human neurons.

Abstract Nicotinamide mononucleotide adenylyltransferase 2 (NMNAT2) is an endogenous axon survival factor that maintains axon health by blocking activation of the downstream pro-degenerative protein SARM1 (sterile alpha and TIR motif containing protein 1). While complete absence of NMNAT2 in mice results in extensive axon truncation and perinatal lethality, the removal of SARM1 completely rescues these phenotypes. Reduced levels of NMNAT2 can be compatible with life, however they compromise axon development and survival. Mice born expressing sub-heterozygous levels of NMNAT2 remain overtly normal into old age but develop axonal defects in vivo and in vitro as well as behavioural phenotypes. Therefore, it is important to examine the effects of constitutively low NMNAT2 expression on SARM1 activation and disease susceptibility. Here we demonstrate that chronically low NMNAT2 levels reduce prenatal viability in mice in a SARM1-dependent manner and lead to sub-lethal SARM1 activation in morphologically intact axons of superior cervical ganglion (SCG) primary cultures. This is characterised by a depletion in NAD(P) and compromised neurite outgrowth. We also show that chronically low NMNAT2 expression reverses the NAD-enhancing effect of nicotinamide riboside (NR) in axons in a SARM1-dependent manner. These data indicate that low NMNAT2 levels can trigger sub-lethal SARM1 activation which is detectable at the molecular level and could predispose to human axonal disorders.

Abstract Axon degeneration contributes to the disruption of neuronal circuit function in diseased and injured nervous systems. Severed axons degenerate following the activation of an evolutionarily conserved signaling pathway, which culminates in the activation of SARM1 in mammals to execute the pathological depletion of the metabolite NAD + . SARM1 NADase activity is activated by the NAD + precursor nicotinamide mononucleotide (NMN). In mammals, keeping NMN levels low potently preserves axons after injury, however, it remains unclear whether NMN is also a key mediator of axon degeneration, and dSarm activation, in flies. Here, we demonstrate that lowering NMN levels in Drosophila through the expression of a newly generated prokaryotic NMN-Deamidase (NMN-D) preserves severed axons for months and keeps them circuit-integrated for weeks. NMN-D alters the NAD + metabolic flux by lowering NMN, while NAD + remains unchanged in vivo . Increased NMN synthesis, by the expression of mouse nicotinamide phosphoribosyltransferase (mNAMPT), leads to faster axon degeneration after injury. We also show that NMN-induced activation of dSarm mediates axon degeneration in vivo . Finally, NMN-D delays neurodegeneration caused by loss of the sole NMN-consuming and NAD + -synthesizing enzyme dNmnat. Our results reveal a critical role for NMN in neurodegeneration in the fly, which extends beyond axonal injury. The potent neuroprotection by reducing NMN levels is similar or even stronger than the interference with other essential mediators of axon degeneration in Drosophila .

Abstract SARM1 is a central regulator of programmed axon death and is required to initiate axon self-destruction after traumatic and toxic insults to the nervous system. Abnormal activation of this axon degeneration pathway is increasingly recognized as a contributor to human neurological disease and SARM1 knockdown or inhibition has become an attractive therapeutic strategy to preserve axon loss in a variety of disorders of the peripheral and central nervous system. Despite this, it remains unknown whether Sarm1 /SARM1 is present in myelinating glia and whether it plays a role in myelination in the PNS or CNS. It is important to answer these questions to understand whether future therapies inhibiting SARM1 function may have unintended deleterious impacts on myelination. Here we show that Sarm1 mRNA is present in oligodendrocytes in zebrafish but only detectable at low levels in Schwann cells in both zebrafish and mice. We find SARM1 protein is readily detectable in murine oligodendrocytes in vitro and in vivo and activation of endogenous SARM1 in oligodendrocytes induces cell death. In contrast, SARM1 protein is not detectable in Schwann cells and satellite glia in the adult murine nervous system. Cultured Schwann cells contain negligible functional SARM1 and are insensitive to specific SARM1 activators. Using zebrafish and mouse Sarm1 mutants, we show that SARM1 is not required for initiation of myelination nor myelin sheath maintenance by oligodendrocytes and Schwann cells. Thus, strategies to inhibit SARM1 function in the nervous system to treat neurological disease are unlikely to perturb myelination in humans. Main Points SARM1 protein is detectable in oligodendrocytes but not in Schwann cells Oligodendrocytes but not Schwann cells die in response to endogenous SARM1 activation CNS nor PNS myelination, in zebrafish and mice, is hindered by loss of sarm1/Sarm1

Abstract Myelinating Schwann cell (SC)– dorsal root ganglion (DRG) neuron cocultures have been an important technique over the last four decades in understanding cell-cell signalling and interactions during peripheral nervous system (PNS) myelination, injury, and regeneration. While methods using rat SCs and rat DRG neurons are commonplace, there are no established protocols in the field describing the use of mouse SCs with mouse DRG neurons in dissociated myelinating cocultures. There is a great need for such a protocol as this would allow the use of cells from many different transgenic mouse lines. Here we describe a protocol to coculture dissociated mouse SCs and DRG neurons and induce robust myelination. Use of microfluidic chambers permits fluidic isolation for drug treatments, allows cultures to be axotomised to study injury responses, and cells can readily be transfected with lentiviruses to permit live imaging. We used this model to quantify the rate of degeneration after traumatic axotomy in the presence and absence of myelinating SCs and axon aligned SCs that were not induced to myelinate. We find that SCs, irrespective of myelination status, are axo-protective and delay axon degeneration early on. At later time points after injury, we use live imaging of cocultures to show that once axonal degeneration has commenced SCs break up, ingest, and clear axonal debris. Summary statement A novel compartmentalised dissociated mouse myelinating SC-DRG coculture system reveals distinct axo-protective and axo-destructive phases of Schwann cells on axon integrity after trauma.