ABSTRACT Ordered assembly of the tau protein into filaments characterizes multiple neurodegenerative diseases, which are called tauopathies. We previously reported that by electron cryo-microscopy (cryo-EM), tau filament structures from Alzheimer’s disease (1,2), chronic traumatic encephalopathy (CTE) (3), Pick’s disease (4) and corticobasal degeneration (CBD) (5) are distinct. Here we show that the structures of tau filaments from typical and atypical progressive supranuclear palsy (PSP), the most common tauopathy after Alzheimer’s disease, define a previously unknown, three-layered fold. Moreover, the tau filament structures from globular glial tauopathy (GGT, Types I and II) are similar to those from PSP. The tau filament fold of argyrophilic grain disease (AGD) differs from the above and resembles the four-layered CBD fold. The majority of tau filaments from aging-related tau astrogliopathy (ARTAG) also have the AGD fold. Surprisingly, tau protofilament structures from inherited cases with mutations +3/+16 in intron 10 of MAPT , the microtubule-associated protein tau gene, are identical to those from AGD, suggesting that a relative overproduction of four-repeat tau can give rise to the AGD fold. Finally, tau filament structures from cases of familial British dementia (FBD) and familial Danish dementia (FDD) are the same as those from Alzheimer’s disease and primary age-related tauopathy (PART). These structures provide the basis for a classification of tauopathies that also allows identification of new entities, as we show here for a case diagnosed as PSP, but with abundant spherical 4R tau inclusions in limbic and other brain areas. The structures of the tau fold of this new disease (Limbic-predominant Neuronal inclusion body 4R Tauopathy, LNT) were intermediate between those of GGT and PSP.

Parkinson’s disease (PD) is the most common movement disorder, with resting tremor, rigidity, bradykinesia and postural instability being major symptoms (1). Neuropathologically, it is characterised by the presence of abundant filamentous inclusions of α-synuclein in the form of Lewy bodies and Lewy neurites in some brain cells, including dopaminergic nerve cells of the substantia nigra (2). PD is increasingly recognised as a multisystem disorder, with cognitive decline being one of its most common non-motor symptoms. Many patients with PD develop dementia more than 10 years after diagnosis (3). PD dementia (PDD) is clinically and neuropathologically similar to dementia with Lewy bodies (DLB), which is diagnosed when cognitive impairment precedes parkinsonian motor signs or begins within one year from their onset (4). In PDD, cognitive impairment develops in the setting of well-established PD. Besides PD and DLB, multiple system atrophy (MSA) is the third major synucleinopathy (5). It is characterised by the presence of abundant filamentous α-synuclein inclusions in brain cells, especially oligodendrocytes (Papp-Lantos bodies). We previously reported the electron cryo-microscopy (cryo-EM) structures of two types of α-synuclein filaments extracted from the brains of individuals with MSA (6). Each filament type is made of two different protofilaments. Here we report that the cryo-EM structures of α-synuclein filaments from the brains of individuals with PD, PDD and DLB are made of a single protofilament (Lewy fold) that is markedly different from the protofilaments of MSA. These findings establish the existence of distinct molecular conformers of assembled α-synuclein in neurodegenerative disease.

Summary Many age-dependent neurodegenerative diseases, like Alzheimer’s and Parkinson’s, are characterised by abundant inclusions of amyloid filaments. Filamentous inclusions of the proteins tau, amyloid-β (Aβ), α-synuclein and TDP-43 are the most common. Here, we used electron cryo-microscopy (cryo-EM) structure determination to show that residues 120-254 of the lysosomal type II transmembrane protein 106B (TMEM106B) also form amyloid filaments in the human brain. We solved cryo-EM structures of TMEM106B filaments from the brains of 22 individuals with neurodegenerative conditions, including sporadic and inherited tauopathies, Aβ-amyloidoses, synucleinopathies and TDP-43opathies, as well as from the brains of two neurologically normal individuals. We observed three different TMEM106B folds, with no clear relationship between folds and diseases. The presence of TMEM106B filaments correlated with that of a 29 kDa sarkosyl-insoluble fragment of the protein on Western blots. The presence of TMEM106B filaments in the brains of older, but not younger, neurologically normal individuals indicates that they form in an age-dependent manner.

Multi-targeting antibiotics, i.e. single compounds capable to inhibit two or more bacterial targets offer a promising therapeutic strategy, but information on resistance evolution against such drugs is scarce. Gepotidacin is an antibiotic candidate that selectively inhibits both bacterial DNA gyrase and topoisomerase IV. In a susceptible organism, Klebsiella pneumoniae, a combination of two specific mutations in these target proteins provide an over 2000-fold increment in resistance, while individually none of these mutations affect resistance significantly. Alarmingly, gepotidacin-resistant strains are found to be as virulent as the wild-type K. pneumoniae strain in a murine model, and extensive cross-resistance was demonstrated between gepotidacin and ciprofloxacin, a fluoroquinolone antibiotic widely employed in clinical practice. This suggests that numerous fluoroquinolone-resistant pathogenic isolates carry mutations which would promote the evolution of clinically significant resistance against gepotidacin in the future. We conclude that prolonged antibiotic usage could select for mutations that serve as stepping-stones towards resistance against antimicrobial compounds still under development. More generally, our research indicates that even balanced multi-targeting antibiotics are prone to resistance evolution.

Recent large-scale genetic studies have allowed for the first glimpse of the effects of common genetic variability in dementia with Lewy bodies (DLB), identifying risk variants with appreciable effect sizes. However, it is currently well established that a substantial portion of the genetic heritable component of complex traits is not captured by genome-wide significant SNPs. To overcome this issue, we have estimated the proportion of phenotypic variance explained by genetic variability (SNP heritability) in DLB using a method that is unbiased by allele frequency or linkage disequilibrium properties of the underlying variants. This shows that the heritability of DLB is nearly twice as high as previous estimates based on common variants only (31% vs 59.9%). We also determine the amount of phenotypic variance in DLB that can be explained by recent polygenic risk scores from either Parkinson's disease (PD) or Alzheimer's disease (AD), and show that, despite being highly significant, they explain a low amount of variance. Additionally, to identify pleiotropic events that might improve our understanding of the disease, we performed genetic correlation analyses of DLB with over 200 diseases and biomedically relevant traits. Our data shows that DLB has a positive correlation with education phenotypes, which is opposite to what occurs in AD. Overall, our data suggests that novel genetic risk factors for DLB should be identified by larger GWAS and these are likely to be independent from known AD and PD risk variants.

Abstract Brown-Vialetto-Van Laere syndrome (BVVLS) represents a phenotypic spectrum of motor, sensory, and cranial nerve neuropathy, often with ataxia, optic atrophy and respiratory problems leading to ventilator-dependence. Loss-of-function mutations in two riboflavin transporter (RFVT) genes, SLC52A2 and SLC52A3, have recently been linked to BVVLS. However, the genetic frequency, neuropathology and downstream consequences of RFVT mutations have previously been undefined. By screening a large cohort of 132 patients with early-onset severe sensory, motor and cranial nerve neuropathy we confirmed the strong genetic link between RFVT mutations and BVVLS, identifying twenty-two pathogenic mutations in SLC52A2 and SLC52A3, fourteen of which were novel. Brain and spinal cord neuropathological examination of two cases with SLC52A3 mutations showed classical symmetrical brainstem lesions resembling pathology seen in mitochondrial disease, including severe neuronal loss in the lower cranial nerve nuclei, anterior horns and corresponding nerves, atrophy of the spinothalamic and spinocerebellar tracts and posterior column-medial lemniscus pathways. Mitochondrial dysfunction has previously been implicated in an array of neurodegenerative disorders. Since riboflavin metabolites are critical components of the mitochondrial electron transport chain (ETC), we hypothesized that reduced riboflavin transport would result in impaired mitochondrial activity, and confirmed this using in vitro and in vivo models. ETC complex I and complex II activity were decreased in SLC52A2 patient fibroblasts, while global knockdown of the single Drosophila RFVT homologue revealed reduced levels of riboflavin, downstream metabolites, and ETC complex I activity. RFVT knockdown in Drosophila also resulted in severely impaired locomotor activity and reduced lifespan, mirroring patient pathology, and these phenotypes could be partially rescued using a novel esterified derivative of riboflavin. Our findings indicate mitochondrial dysfunction as a downstream consequence of RFVT gene defects in BVVLS and validate riboflavin esters as a potential therapeutic strategy.

Abstract Objective The basis for clinical variation related to underlying Progressive Supranuclear Palsy (PSP) pathology is unknown. We performed a genome wide association study (GWAS) to identify genetic determinants of PSP phenotype. Methods Two independent pathological and clinically diagnosed PSP cohorts were genotyped and phenotyped to create Richardson’s syndrome (RS) and non-RS groups. We carried out separate logistic regression GWAS to compare RS and non-RS groups and then combined datasets to carry out a whole cohort analysis (RS=367, non-RS=130). We validated our findings in a third cohort by referring to data from 100 deeply phenotyped cases from a recent GWAS. We assessed the expression/co-expression patterns of our identified genes and used our data to carry out gene-based association testing. Results Our lead single nucleotide polymorphism (SNP), rs564309, showed an association signal in both cohorts, reaching genome wide significance in our whole cohort analysis – OR 5.5 (3.2-10.0), p-value 1.7×10 −9 . rs564309 is an intronic variant of the tripartite motif-containing protein 11 ( TRIM11 ) gene, a component of the ubiquitin proteasome system (UPS). In our third cohort, minor allele frequencies of surrogate SNPs in high linkage disequilibrium with rs564309 replicated our findings. Gene based association testing confirmed an association signal at TRIM11 . We found that TRIM11 is predominantly expressed neuronally, in the cerebellum and basal ganglia. Interpretation Our study suggests that the TRIM11 locus is a genetic modifier of PSP phenotype and potentially adds further evidence for the UPS having a key role in tau pathology, therefore representing a target for disease modifying therapies.

Mutations in ITM2B cause familial British, Danish, Chinese and Korean dementias. In familial British dementia (FBD) a mutation in the stop codon of the ITM2B gene (also known as BRI2 ) causes a C-terminal cleavage fragment of the ITM2B/BRI2 protein to be extended by 11 amino acids. This fragment, termed amyloid-Bri (ABri), is highly insoluble and forms extracellular plaques in the brain. ABri plaques are accompanied by tau pathology, neuronal cell death and progressive dementia, with striking parallels to the aetiology and pathogenesis of Alzheimer's disease. The molecular mechanisms underpinning FBD are ill-defined. Using patient-derived induced pluripotent stem cells, we show that expression of ITM2B/BRI2 is 34-fold higher in microglia than neurons, and 15-fold higher in microglia compared with astrocytes. This cell-specific enrichment is supported by expression data from both mouse and human brain tissue. ITM2B/BRI2 protein levels are higher in iPSC-microglia compared with neurons and astrocytes. Consequently, the ABri peptide was detected in patient iPSC-derived microglial lysates and conditioned media but was undetectable in patient-derived neurons and control microglia. Pathological examination of post-mortem tissue support ABri expression in microglia that are in proximity to pre-amyloid deposits. Finally, gene co-expression analysis supports a role for ITM2B/BRI2 in disease-associated microglial responses. These data demonstrate that microglia are the major contributors to the production of amyloid forming peptides in FBD, potentially acting as instigators of neurodegeneration. Additionally, these data also suggest ITM2B/BRI2 may be part of a microglial response to disease, motivating further investigations of its role in microglial activation. This has implications for our understanding of the role of microglia and the innate immune response in the pathogenesis of FBD and other neurodegenerative dementias including Alzheimer's disease.

The genetic basis of variation in the rate of disease progression of primary tauopathies has not been determined. In two independent progressive supranuclear palsy cohorts, we show that common variation at the LRRK2 locus determines survival from motor symptom onset to death, possibly through regulation of gene expression. This links together genetic risk in alpha-synuclein and tau disorders, and suggests that modulation of proteostasis and neuro-inflammation by LRRK2 inhibitors may have a therapeutic role across disorders.