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 Here we show that deleting NMNAT2 from cortical glutamatergic neurons (NMNAT2 cKO) results in progressive axonal loss, neuroinflammation, small hippocampi and enlarged ventricles. Interestingly, dramatic neuroinflammation responses were observed around the long-range axonal tracts of NMNAT2 cKO cortical neurons. In addition to the neurodegenerative-like phenotype, we also found the absence of whisker-representation patterns “barrels” in the primary somatosensory cortex of NMNAT2 cKO mice. These observations suggest that NMNAT2 is required in developing cortical circuits and in maintaining the health of cortical neurons. Unbiased transcriptomic analysis suggests that NMNAT2 loss in cortical neurons after axonal outgrowth phase upregulates mitochondria function while greatly reducing synaptogenesis pathways. Complete loss of Sarm1 function in NMNAT2 cKO mice restores barrel map formation and axonal integrity and abolishes the inflammatory response. Interestingly, reducing Sarm1 function in NMNAT2 cKO mice by deleting only one copy of Sarm1 restores barrel map formation but did not diminish the neurodegenerative-like phenotype. Only complete loss of Sarm1 prevents neurodegeneration and inflammatory responses.

Abstract Amyotrophic lateral sclerosis-frontotemporal dementia (ALS-FTD) is a progressive and ultimately fatal disease spectrum characterised by 43-kDa TAR DNA-binding protein (TDP-43) pathology. Current disease modifying drugs have modest effects and novel therapies are sorely needed. We previously showed that deletion of glycogen synthase kinase-3 (GSK3) suppresses TDP-43-mediated motor neuron degeneration in Drosophila. Here, we investigated the potential of GSK3 inhibition to ameliorate TDP43-mediated toxicity in mammalian neurons. Expression of TDP-43 was found to both activate GSK3 and promote caspase mediated cleavage of TDP-43. Inhibition of GSK3 reduced the abundance of full-length and cleaved TDP-43 in rodent neurons expressing wild-type or disease-associated mutant TDP-43 and also ameliorated neurotoxicity. Our results suggest that TDP-43 turnover is promoted by GSK3 inhibition in a caspase-dependent manner, and that targeting GSK3 activity could have therapeutic value.

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 Background Bioenergetic maladaptations and axonopathy are often found in the early stages of neurodegeneration. Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD), an essential cofactor for energy metabolism, is mainly synthesized by Nicotinamide mononucleotide adenylyl transferase 2 (NMNAT2) in CNS neurons. NMNAT2 mRNA levels are reduced in the brains of Alzheimer’s, Parkinson’s and Huntington’s disease. Here we addressed whether NMNAT2 is required for axonal health of cortical glutamatergic neurons, whose far-projecting axons are vulnerable to neurodegenerative conditions. We also tested if NMNAT2 maintains axonal health by ensuring proper axonal ATP levels for axonal transport, a critical function of axons. Methods We generated mouse and cultured neuron models to determine the impact of NMNAT2 loss from cortical glutamatergic neurons on axonal transport, energetic metabolism, and morphological integrity. In addition, we determined if exogenous NAD supplementation or inhibiting NAD hydrolase sterile alpha and TIR motif-containing protein 1 (SARM1) prevented axonal deficits caused by NMNAT2 loss. Our study used a combination of genetic, molecular biology, immunohistochemistry, biochemistry, fluorescent time-lapse imaging, live imaging with optical sensors, and anti-sense oligos application. Results We provide in vivo evidence that NMNAT2 in cortical glutamatergic neurons is required for axonal survival. Using in vivo and in vitro studies we demonstrate that NMNAT2 protects axons by ensuring the proper NAD-redox potential in distal axons of cortical neurons to support glycolysis on vesicular cargos, thus ensuring “onboard” ATP production fueling axonal transport. Exogenous NAD + supplementation to NMNAT2 KO cortical neurons restores glycolysis and resumes fast axonal transport. Finally, we demonstrate both in vitro and in vivo that reducing the activity of SARM1, an NAD degradation enzyme, can reduce axonal transport deficits and suppress axon degeneration in NMNAT2 KO neurons. Conclusion NMNAT2 ensures axonal health by maintaining NAD redox potential in distal axons to ensure efficient vesicular glycolysis required for fast axonal transport.

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.

We identified a homozygous missense mutation in the gene encoding NAD synthesizing enzyme NMNAT2 in two siblings with childhood onset polyneuropathy with erythromelalgia. No additional homozygotes for this rare allele, which leads to amino acid substitution T94M, were present among the unaffected relatives tested or in the 60,000 exomes of the ExAC database. For axons to survive, axonal NMNAT2 activity has to be maintained above a threshold level but the T94M mutation confers a partial loss of function both in the ability of NMNAT2 to support axon survival and in its enzymatic properties. Electrophysiological tests and histological analysis of sural nerve biopsies in the patients were consistent with loss of distal sensory and motor axons. Thus, it is likely that NMNAT2 mutation causes this pain and axon loss phenotype making this the first disorder associated with mutation of a key regulator of Wallerian-like axon degeneration in humans. This supports indications from numerous animal studies that the Wallerian degeneration pathway is important in human disease and raises important questions about which other human phenotypes could be linked to this gene.

Background: Systemic inflammation, such as occurs during sepsis, bone fracture, infections or post-operative trauma, has been linked to synapse loss and cognitive decline in human patients and animal models. Organotypic hippocampal slice cultures (OHSCs) represent an underused tool in neuroinflammation; retaining much of the neuronal architecture, synaptic connections and diversity of cell types present in the hippocampus in vivo whilst providing convenient access to manipulate and sample the culture medium and observe cellular reactions as in other in vitro methods. Here we report the development of an OHSC model of synaptic disruption after aseptic inflammation and investigate the underlying mechanism. Methods: OHSCs were generated from P6-P9 C57BL/6, the APP transgenic TgCRND8 model, or wild-type littermate mice according to the interface method. Aseptic inflammation was induced via addition of lipopolysaccharide (LPS) and cultures were analysed for changes in synaptic proteins via western blot. qPCR and ELISA analysis of the slice tissue and culture medium respectively determined changes in gene expression and protein secretion. Microglia were selectively depleted using the toxin clodronate and the effect of IL1β was assessed using a specific neutralising monoclonal antibody. Results: Addition of LPS caused a loss of the presynaptic protein synaptophysin via a mechanism dependent on microglia and involving IL1β. Washout of LPS via medium exchange allows for partial recovery of synaptic protein levels after 2 weeks. TgCRND8 OHSCs do not show alterations in IL1β expression at a timepoint where they exhibit spontaneous synaptophysin loss, and LPS does not alter levels of APP or Aβ in wild-type OHSCs. This indicates that although synaptophysin loss is seen in both systems, there is likely to be distinct underlying pathogenic mechanisms between the neuroinflammatory and amyloid models. Conclusions: We report the development of an OHSC model of LPS-induced synaptophysin loss and demonstrate a key role for microglia and involvement of IL1β. We propose that distinct molecular mechanisms lead to synaptophysin protein loss in LPS- exposed versus TgCRND8 OHSCs and provide a new experimental paradigm for assessing chronic changes in synaptic proteins, and synaptic plasticity, following acute inflammatory insults.

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 .