While peripheral immune access to the central nervous system (CNS) is restricted and tightly controlled, the CNS is capable of dynamic immune and inflammatory responses to a variety of insults. Infections, trauma, stroke, toxins and other stimuli are capable of producing an immediate and short lived activation of the innate immune system within the CNS. This acute neuroinflammatory response includes activation of the resident immune cells (microglia) resulting in a phagocytic phenotype and the release of inflammatory mediators such as cytokines and chemokines. While an acute insult may trigger oxidative and nitrosative stress, it is typically short-lived and unlikely to be detrimental to long-term neuronal survival. In contrast, chronic neuroinflammation is a long-standing and often self-perpetuating neuroinflammatory response that persists long after an initial injury or insult. Chronic neuroinflammation includes not only long-standing activation of microglia and subsequent sustained release of inflammatory mediators, but also the resulting increased oxidative and nitrosative stress. The sustained release of inflammatory mediators works to perpetuate the inflammatory cycle, activating additional microglia, promoting their proliferation, and resulting in further release of inflammatory factors. Neurodegenerative CNS disorders, including multiple sclerosis (MS), Alzheimer's disease (AD), Parkinson's disease (PD), Huntington's disease (HD), amyotrophic lateral sclerosis (ALS), tauopathies, and age-related macular degeneration (ARMD), are associated with chronic neuroinflammation and elevated levels of several cytokines. Here we review the hallmarks of acute and chronic inflammatory responses in the CNS, the reasons why microglial activation represents a convergence point for diverse stimuli that may promote or compromise neuronal survival, and the epidemiologic, pharmacologic and genetic evidence implicating neuroinflammation in the pathophysiology of several neurodegenerative diseases.

The glial cell line–derived neurotrophic factor (GDNF) ligands (GDNF, Neurturin [NTN], and Persephin [PSP]) signal through a multicomponent receptor system composed of a high-affinity binding component (GFRα1–GFRα4) and a common signaling component (RET). Here, we report the identification of Artemin, a novel member of the GDNF family, and demonstrate that it is the ligand for the former orphan receptor GFRα3–RET. Artemin is a survival factor for sensory and sympathetic neurons in culture, and its expression pattern suggests that it also influences these neurons in vivo. Artemin can also activate the GFRα1–RET complex and supports the survival of dopaminergic midbrain neurons in culture, indicating that like GDNF (GFRα1–RET) and NTN (GFRα2–RET), Artemin has a preferred receptor (GFRα3–RET) but that alternative receptor interactions also occur.

A novel neurotrophic factor named Persephin that is ∼40% identical to glial cell line–derived neurotrophic factor (GDNF) and neurturin (NTN) has been identified using degenerate PCR. Persephin, like GDNF and NTN, promotes the survival of ventral midbrain dopaminergic neurons in culture and prevents their degeneration after 6-hydroxydopamine treatment in vivo. Persephin also supports the survival of motor neurons in culture and in vivo after sciatic nerve axotomy and, like GDNF, promotes ureteric bud branching. However, in contrast to GDNF and NTN, persephin does not support any of the peripheral neurons that were examined. Fibroblasts transfected with Ret and one of the coreceptors GFRα-1 or GFRα-2 do not respond to persephin, suggesting that persephin utilizes additional, or different, receptor components than GDNF and NTN.

Parkinson disease (PD) is a progressive neurodegenerative disease that affects peripheral organs as well as the central nervous system and involves a fundamental role of neuroinflammation in its pathophysiology. Neurohistological and neuroimaging studies support the presence of ongoing and end-stage neuroinflammatory processes in PD. Moreover, numerous studies of peripheral blood and cerebrospinal fluid from patients with PD suggest alterations in markers of inflammation and immune cell populations that could initiate or exacerbate neuroinflammation and perpetuate the neurodegenerative process. A number of disease genes and risk factors have been identified as modulators of immune function in PD and evidence is mounting for a role of viral or bacterial exposure, pesticides and alterations in gut microbiota in disease pathogenesis. This has led to the hypothesis that complex gene-by-environment interactions combine with an ageing immune system to create the 'perfect storm' that enables the development and progression of PD. We discuss the evidence for this hypothesis and opportunities to harness the emerging immunological knowledge from patients with PD to create better preclinical models with the long-term goal of enabling earlier identification of at-risk individuals to prevent, delay and more effectively treat the disease.

Abstract The state of the intestinal environment can have profound effects on the activity of the central nervous system through the physiological contributions of the microbiota, regulation of intestinal barrier function, and altered activity of peripheral neurons. The common language employed for much of the gut-brain communication is the modulation of immune activity. Chronic proinflammatory immune activity is increasingly being recognized as a fundamental element of neurodegenerative disorders, and in Parkinson’s disease, inflammation in the intestine appears particularly relevant in pathogenesis. We review the evidence that intestinal dysfunction is present in Parkinson’s disease and that it may reflect the earliest manifestations of Parkinson’s disease pathology, and we link these findings to dysregulated immune activity. Based on this, we present a model for Parkinson’s disease pathogenesis in which the disorder originates in the intestine and progresses with inflammation as its underlying mechanism. More in-depth investigations into the physiological mechanisms underlying peripheral pre-motor symptoms in Parkinson’s disease are expected to lead to the development of novel diagnostic and therapeutic measures that can slow or limit progression of the disease to more advanced stages involving debilitating motor and cognitive symptoms.

Abstract Repeat expansions in the C9orf72 gene are the most common genetic cause of amyotrophic lateral sclerosis and familial frontotemporal dementia (ALS/FTD). To identify molecular defects that take place in the dorsolateral frontal cortex of patients with C9orf72 ALS/FTD, we compared healthy controls with C9orf72 ALS/FTD donor samples staged based on the levels of cortical phosphorylated TAR DNA binding protein (pTDP-43), a neuropathological hallmark of disease progression. We identified distinct molecular changes in different cell types that take place during disease progression. These alterations include downregulation of nuclear and mitochondrial ribosomal protein genes in early disease stages that become upregulated as the disease progresses. High ratios of premature oligodendrocytes expressing low levels of genes encoding major myelin protein components are characteristic of late disease stages and may represent a unique signature of C9orf72 ALS/FTD. Microglia with increased reactivity and astrocyte specific transcriptome changes in genes involved in glucose/glycogen metabolism are also associated with disease progression. Late stages of C9orf72 ALS/FTD correlate with sequential changes in the regulatory landscape of several genes in glial cells, namely MBP/MAG/MOG in oligodendrocytes, CD83/IRF8 in microglia, and GLUT1/GYS2/AGL in astrocytes. Only layer 2-3 cortical projection neurons with high expression of CUX2/LAMP5 are significantly reduced in C9orf72 ALS/FTD patients with respect to controls. Our findings reveal previously unknown progressive functional changes in cortical cells of C9orf72 ALS/FTD patients that shed light on the mechanisms underlying the pathology of this disease.

ABSTRACT Progranulin is a holoprotein that is critical for successful aging, and insufficient levels of progranulin are associated with increased risk for developing age-related neurodegenerative diseases like AD, PD, and FTD. Symptoms can vary widely, but a uniting feature among these different neurodegenerative diseases is prodromal peripheral immune cell phenotypes. However, there remains considerable gaps in the understanding of the function(s) of progranulin in immune cells, and recent work has identified a novel target candidate called GPNMB. We addressed this gap by investigating the peritoneal macrophages of 5-6-month-old Grn KO mice, and we discovered that GPNMB is actively increased as a result of insufficient progranulin and that MITF, a transcription factor, is also dysregulated in progranulin-deficient macrophages. These findings highlight the importance of early-stage disease mechanism(s) in peripheral cell populations that may lead to viable treatment strategies to delay disease progression at an early, prodromal timepoint and extend therapeutic windows.

Abstract The gut and brain are increasingly linked in human disease, with neuropsychiatric conditions classically attributed to the brain showing an involvement of the intestine and inflammatory bowel diseases (IBDs) displaying an ever-expanding list of neurological comorbidities. To identify molecular systems that underpin this gut-brain connection and thus discover therapeutic targets, experimental models of gut dysfunction must be evaluated for brain effects. In the present study, we examine disturbances along the gut-brain axis in a widely used murine model of colitis, the dextran sodium sulfate (DSS) model, using high-throughput transcriptomics and an unbiased network analysis strategy coupled with standard biochemical outcome measures to achieve a comprehensive approach to identify key disease processes in both colon and brain. We examine the reproducibility of colitis induction with this model and its resulting genetic programs during different phases of disease, finding that DSS-induced colitis is largely reproducible with a few site-specific molecular features. We focus on the circulating immune system as the intermediary between the gut and brain, which exhibits an activation of pro-inflammatory innate immunity during colitis. Our unbiased transcriptomics analysis provides supporting evidence for immune activation in the brain during colitis, suggests that myelination may be a process vulnerable to increased intestinal permeability, and identifies a possible role for oxidative stress and brain oxygenation. Overall, we provide a comprehensive evaluation of multiple systems in a prevalent experimental model of intestinal permeability, which will inform future studies using this model and others, assist in the identification of druggable targets in the gut-brain axis, and contribute to our understanding of the concomitance of intestinal and neuropsychiatric dysfunction.

Abstract Parkinson’s disease (PD) is characterized by a decades-long prodrome, consisting of a collection of non-motor symptoms that emerges prior to the motor manifestation of the disease. Of these non-motor symptoms, gastrointestinal dysfunction and deficits attributed to central norepinephrine (NE) loss, including mood changes and sleep disturbances, are frequent in the PD population and emerge early in the disease. Evidence is mounting that injury and inflammation in the gut and locus coeruleus (LC), respectively, underlie these symptoms, and the injury of these systems is central to the progression of PD. In this study, we generate a novel two-hit mouse model that captures both features, using dextran sulfate sodium (DSS) to induce gut inflammation and N-(2-chloroethyl)-N-ethyl-2-bromobenzylamine (DSP-4) to lesion the LC. We first confirmed the specificity of DSP-4 for central NE using neurochemical methods and fluorescence light-sheet microscopy of cleared tissue, and established that DSS-induced outcomes in the periphery, including weight loss, gross indices of gut injury and systemic inflammation, the loss of tight junction proteins in the colonic epithelium, and markers of colonic inflammation, were unaffected with DSP-4 pre-administration. We then measured alterations in neuroimmune gene expression in the ventral midbrain in response to DSS treatment alone as well as the extent to which prior LC injury modified this response. In this two-hit model we observed that DSS-induced colitis activates the expression of key cytokines and chemokines in the ventral midbrain only in the presence of LC injury and the typical DSS-associated neuroimmune is blunted by pre-LC lesioning with DSP-4. In all, this study supports the growing appreciation for the LC as neuroprotective against inflammation-induced brain injury and draws attention to the potential for NEergic interventions to exert disease-modifying effects under conditions where peripheral inflammation may compromise ventral midbrain dopaminergic neurons and increase the risk for development of PD.

ABSTRACT Genome-wide association studies have identified a protective mutation in the phospholipase C gamma 2 ( PLCG2 ) gene which confers protection against Alzheimer’s disease (AD)-associated cognitive decline. Therefore, PLCG2, which is primarily expressed in immune cells, has become a target of interest for potential therapeutic intervention. The protective allele, known as P522R , has been shown to be hyper-morphic in microglia, increasing phagocytosis of amyloid-beta (Aβ), and increasing the release of inflammatory cytokines. However, the effect of this protective mutation on peripheral tissue-resident macrophages, and the extent to which sex modifies this effect, has yet to be assessed. Herein, we show that peripheral macrophages from wild-type (WT) female and male mice harbor intrinsic differences, with macrophages from females exhibiting less phagocytosis and lysosomal protease activity, as well as a more pro-inflammatory phenotype upon stimulation compared to those from male mice. Furthermore, we demonstrate that the P522R mutation does indeed alter peripheral macrophage function in a sex-dependent manner, with more prominent effects seen in females, including pushing macrophages from females toward an M2 protective phenotype that more closely resembles macrophages from males. These results suggest that the P522R mutation may be partially conferring protection against protein aggregation via activation of peripheral immune cell function and underscore the importance of considering sex as a biological variable when assessing the viability of potential immune system-targeted therapies.