Abstract Microglia maintain brain homeostasis by removing neuron-derived components such as myelin and cell debris. The evidence linking microglia to neurodegenerative diseases is growing; however, the precise mechanisms remain poorly understood. Herein, we report a neuroprotective role for microglia in the clearance of neuron-released α-synuclein. Neuronal α-synuclein activates microglia, which in turn engulf α-synuclein into autophagosomes for degradation via selective autophagy (termed synucleinphagy). Synucleinphagy requires the presence of microglial Toll-like receptor 4 (TLR4), which induces transcriptional upregulation of p62/SQSTM1 through the NF-κB signaling pathway. Induction of p62, an autophagy receptor, is necessary for the formation of α-synuclein/ubiquitin-positive puncta that are degraded by autophagy. Finally, disruption of microglial autophagy in mice expressing human α-synuclein promotes the accumulation of misfolded α-synuclein and causes midbrain dopaminergic neuron degeneration. Our study thus identifies a neuroprotective function of microglia in the clearance of α-synuclein via TLR4-NF-κB-p62 mediated synucleinphagy.

Abstract Parkinson’s disease (PD) is a common and complex neurodegenerative disorder. Loss of neuromelanin-containing dopaminergic (DA) neurons in the substantia nigra (SN) is a hallmark of PD neuropathology; the etiology of PD remains unclear. Single-cell (-nucleus) RNA sequencing (sc or snRNAseq) has significantly advanced our understanding of neurodegenerative diseases including Alzheimer’s, but limited progress has been made in PD. Here we generated by far the largest snRNAseq data of high-quality 315,867 nuclei from the human SN including 9 healthy controls and 23 idiopathic PD cases across different Braak stages. Clustering analysis identified major brain cell types including DA neurons, excitatory neurons, inhibitory neurons, glial cells, endothelial, pericytes, fibroblast and T-cells in the human SN. By combining immunostaining and validating against the datasets from independent cohorts, we identified three molecularly distinct subtypes of DA-related neurons, including a RIT2 -enriched population, in human aged SN. All DA neuron subtypes degenerated in PD, whereas the composition of non-neuronal cell clusters including major glial types showed little change. Our study delineated cell-type-specific PD-linked gene expression in the SN and their alterations in PD. Examination of cell-type-based transcriptomic changes suggests the complexity and diversity of molecular mechanisms of PD. Analysis of the remaining DA neurons of the three subtypes from PD demonstrated alterations of common gene sets associated with neuroprotection. Our findings highlight the heterogeneity of DA neurons in the human SN and suggest molecular basis for vulnerability and resilience of human DA neurons in PD. Our cohort thus provides a valuable resource for dissecting detailed mechanisms of DA neuron degeneration and identifying new neuroprotective strategies for PD.

Microglia maintain brain homeostasis by removing neuron-derived components such as myelin and cell debris. The evidence linking microglia to neurodegenerative diseases is growing, however, the precise mechanisms remain poorly understood. Herein we report a neuroprotective role for microglia in the clearance of neuron-released α-synuclein. Neuronal α-synuclein activates microglia, which in turn engulf α-synuclein into autophagosomes for degradation via selective autophagy (termed Synucleinphagy). Synucleinphagy is initiated by the interaction of α-synuclein with Toll-like receptor 4 (TLR4), which induces transcriptional upregulation of p62/SQSTM1 through the NF-κB signaling pathway without causing TLR4 endocytosis. Induction of p62, an autophagy receptor, is necessary for the formation of α-synuclein/ubiquitin-positive puncta that are degraded by autophagy. Finally, disruption of microglial autophagy in mice expressing human α-synuclein promotes the accumulation of misfolded α-synuclein and causes midbrain dopaminergic neuron degeneration. Our study thus identifies a novel neuroprotective function of microglia in the clearance of α-synuclein via TLR4-NF-κB-p62 mediated Synucleinphagy.

Leucine-rich repeat kinase 2 (LRRK2) phosphorylates a subset of RAB GTPases, and the phosphorylation levels are elevated by Parkinson's disease (PD)-linked mutations of LRRK2. However, the precise function of the specific RAB GTPase targeted by LRRK2 signaling in the brain remains to be elucidated. Here, we identify RAB12 as a robust LRRK2 substrate in the mouse brains through phosphoproteomics profiling and solve the structure of RAB12-LRRK2 protein complex through Cryo-EM analysis. Mechanistically, RAB12 cooperates with LRRK2 to inhibit primary ciliogenesis and regulate centrosome homeostasis in astrocytes through enhancing the phosphorylation of RAB10 and recruiting Rab interacting lysosomal protein like 1 (RILPL1), while the functions of RAB12 require a direct interaction with LRRK2 and LRRK2 kinase activity. Furthermore, the ciliary deficits and centrosome alteration caused by the PD-linked LRRK2-G2019S mutation are prevented by the deletion of