Midbrain dopaminergic (mDA) neurons are diverse in their projection targets, effect on behavior, and susceptibility to neurodegeneration. Little is known about the molecular mechanisms establishing this diversity during development. We show that the transcription factor BCL11A is expressed in a subset of mDA neurons in the developing and adult murine brain and in a subpopulation of pluripotent-stem-cell-derived human mDA neurons. By combining intersectional labeling and viral-mediated tracing, we demonstrate that Bcl11a-expressing mDA neurons form a highly specific subcircuit within the murine dopaminergic system. In the substantia nigra, the Bcl11a-expressing mDA subset is particularly vulnerable to neurodegeneration upon α-synuclein overexpression or oxidative stress. Inactivation of Bcl11a in murine mDA neurons increases this susceptibility further, alters the distribution of mDA neurons, and results in deficits in skilled motor behavior. In summary, BCL11A defines mDA subpopulations with highly distinctive characteristics and is required for establishing and maintaining their normal physiology.

Certain neuronal populations are selectively vulnerable to alpha-synuclein pathology in Parkinson's Disease, yet the reasons for this selectivity are unclear. Pathology affects neuronal populations that are anatomically connected although the contribution of neuronal connectivity remains to be quantitatively explored. Herein, we simulate the contribution of the connectome alone to the spread of arbitrary aggregates using a computational model of temporal spread within an abstract representation of the mouse mesoscale connectome. Our simulations are compared with the neuron-to-neuron spread of alpha-synuclein that has been observed with in vivo spreading experiments in rats. We find that neuronal connectivity appears to be compatible with the spreading pattern of alpha-synuclein pathology however, it may be per se insufficient to determine the anatomical pattern of protein spreading observed in experimental animals, suggesting a role of selective vulnerability of neuronal pathways to alpha-synuclein diffusion, accumulation and pathology.

Abstract Midbrain dopaminergic (mDA) neurons are diverse in their projection targets, impact on behavior and susceptibility to neurodegeneration. Little is known about the molecular mechanisms that establish this diversity in mDA neurons during development. We find that the transcription factor Bcl11a defines a subset of mDA neurons in the developing and adult murine brain. By combining intersectional labeling and viral-mediated tracing we show that Bcl11a-expressing mDA neurons form a highly specific subcircuit within the dopaminergic system. We demonstrate that Bcl11a-expressing mDA neurons in the substantia nigra (SN) are particularly vulnerable to neurodegeneration in an α-synuclein overexpression model of Parkinson’s disease. Inactivation of Bcl11a in developing mDA neurons results in anatomical changes, deficits in motor learning and a dramatic increase in the susceptibility to α-synuclein-induced degeneration in SN-mDA neurons. In summary, we identify an mDA subpopulation with highly distinctive characteristics defined by the expression of the transcription factor Bcl11a already during development.

Abstract Increasing evidence points to post-translational modifications (PTMs) as key regulators of alpha-synuclein (α-Syn) function in health and disease. However, whether these PTMs occur before or after α-Syn pathology formation and their role in regulating α-Syn toxicity remain unclear. In this study, we demonstrate that post-fibrillization nitration of α-Syn fibrils induced their fragmentation, modified their surface and dynamic properties but not their structure, and nearly abolished their seeding activity in primary neurons and in vivo . Furthermore, we show that the dynamic and surface properties of the fibrils, rather than simply their length, are important determinants of α-Syn fibril seeding activity. Altogether, our work demonstrates that post-aggregation modifications of α-Syn may provide novel approaches to target a central process that contributes to pathology formation and disease progression. Finally, our results suggest that the pattern of PTMs on pathological aggregates, rather than simply their presence, could be a key determinant of their toxicity and neurodegeneration. This calls for reconsidering current approaches relying solely on quantifying and correlating the level of pathology to assess the efficacy of novel therapies, as not all α-Syn aggregates in the brain are pathogenic.

Abstract Mutations of the glucocerebrosidase-encoding gene, GBA1 , are common risk factors for Parkinson’s disease. Although only a minority of mutation-carrying individuals develops the disease, the mechanisms of neuronal vulnerability predisposing to pathology conversion remain largely unclear. In this study, heterozygous expression of a common glucocerebrosidase variant, namely the L444P mutation, was found to exacerbate α-synuclein aggregation and spreading in a mouse model of Parkinson-like pathology targeting neurons of the medullary vagal system. These neurons are primary sites of α-synuclein lesions in Parkinson’s disease and were shown here to become more vulnerable to oxidative stress after L444P expression. Nitrative burden paralleled the enhanced formation of reactive oxygen species within vagal neurons expressing mutated glucocerebrosidase, as indicated by pronounced accumulation of nitrated α-synuclein. A causal relationship linked mutation-induced oxidative stress to enhanced α-synuclein pathology that could indeed be rescued by neuronal overexpression of the mitochondrial antioxidant enzyme superoxide dismutase 2. Further evidence supported a key involvement of mitochondria as sources of reactive oxygen species as well as targets of oxidative and nitrative damage within L444P-expressing neurons. Scavenging of oxygen species by superoxide dismutase 2 effectively counteracted deleterious nitrative reactions and prevented nitrated α-synuclein burden. Taken together, these findings support the conclusion that enhanced vulnerability to mitochondrial oxidative stress conferred by glucocerebrosidase mutations should be considered an important mechanism predisposing to Parkinson’s disease pathology, particularly in brain regions targeted by α-synuclein aggregation and involved in α-synuclein spreading.