Parkinson's disease, the most common age-related movement disorder, is a progressive neurodegenerative disease with unclear etiology. Key neuropathological hallmarks are Lewy bodies and Lewy neurites: neuronal inclusions immunopositive for the protein α-synuclein. In-depth ultrastructural analysis of Lewy pathology is crucial to understanding pathogenesis of this disease. Using correlative light and electron microscopy and tomography on postmortem human brain tissue from Parkinson's disease brain donors, we identified α-synuclein immunopositive Lewy pathology and show a crowded environment of membranes therein, including vesicular structures and dysmorphic organelles. Filaments interspersed between the membranes and organelles were identifiable in many but not all α-synuclein inclusions. Crowding of organellar components was confirmed by stimulated emission depletion (STED)-based super-resolution microscopy, and high lipid content within α-synuclein immunopositive inclusions was corroborated by confocal imaging, Fourier-transform coherent anti-Stokes Raman scattering infrared imaging and lipidomics. Applying such correlative high-resolution imaging and biophysical approaches, we discovered an aggregated protein-lipid compartmentalization not previously described in the Parkinsons' disease brain.

Abstract Transcription factor EB is a master regulator of genes involved in the maintenance of autophagic and lysosomal homeostasis, processes which have been implicated in the pathogenesis of GBA -related and sporadic Parkinson’s disease (PD) and dementia with Lewy bodies (DLB). TFEB activation at the lysosomal level results in its translocation from the cytosol to the nucleus. Here, we aimed at investigating whether TFEB subcellular localization is altered in post-mortem human brain of aged individuals with either prodromal PD/DLB (incidental Lewy body disease, iLBD, N=3), GBA -related PD/DLB (N=9) or sPD/DLB (N=9), compared to control subjects (N=12). We scanned nigral dopaminergic neurons using high-resolution confocal and stimulated emission depletion (STED) microscopy and semi-quantitatively scored the observed TFEB subcellular localization patterns. In line with previous studies, we observed reduced nuclear TFEB immunoreactivity in PD/DLB patients compared to controls, both sporadic and GBA -related cases, as well as in iLBD cases. Nuclear depletion of TFEB was more pronounced in neurons with Ser129-phosphorylated (pSer129) aSyn cytopathology and in cases carrying pathogenic GBA variants. Interestingly, we further observed previously unidentified TFEB-immunopositive somatic clusters in human brain dopaminergic neurons and in human embryonic stem cell (hESC)-derived neurons, which localized at the Golgi apparatus. The TFEB clustering was more frequently observed and more severe in iLBD, sPD/DLB and GBA -PD/DLB compared to controls, particularly in pSer129 aSyn-positive neurons but also in neurons without apparent cytopathology. Notably, increased frequency of cytoplasmic TFEB clusters in aSyn-negative cells correlated with reduced total GBA enzymatic activity and higher Braak LB stage. In the studied patient population, altered TFEB distribution was accompanied by a reduction in overall mRNA expression levels of selected CLEAR genes, indicating a possible early dysfunction of lysosomal regulation. Overall, these findings suggest the early cytoplasmic TFEB retention and accumulation at the Golgi prior pSer129 aSyn accumulation in incidental, GBA -related and sporadic PD/DLB and indicate TFEB as potential as early therapeutic target for synucleinopathies

The molecular mechanisms underlying the caudal-to-rostral progression of Lewy body pathology in Parkinson’s disease (PD) remain poorly understood. Here, we aimed to unravel transcriptomic signatures across brain regions involved in Braak Lewy body stages in non-neurological controls and PD donors. Using human postmortem brain datasets of non-neurological adults from the Allen Human Brain Atlas, we identified expression patterns related to PD progression, including genes found in PD genome-wide associations studies: SNCA , ZNF184 , BAP1 , SH3GL2 , ELOVL7 , and SCARB2 . We confirmed these patterns in two datasets of non-neurological subjects (Genotype-Tissue Expression project and UK Brain Expression Consortium) and found altered patterns in two datasets of PD patients. Additionally, co-expression analysis across vulnerable regions identified two modules associated with dopamine synthesis, the motor and immune system, blood-oxygen transport, and contained microglial and endothelial cell markers, respectively. Alterations in genes underlying these region-specific functions may contribute to the selective regional vulnerability in PD brains.

Parkinson's disease, the most common age-related movement disorder, is a progressive neurodegenerative disease with unclear etiology. Key neuropathological hallmarks are Lewy bodies and Lewy neurites, which are neuronal inclusions that are immunopositive for the protein alpha-synuclein. In-depth ultrastructural analysis of this Lewy pathology is crucial to understanding pathogenesis and progression of the disease. Using correlative light and electron microscopy/tomography on brain tissue from five Parkinson's disease brain donors, we identified alpha-synuclein immunopositive Lewy pathology and could show that the majority of these features including Lewy bodies and Lewy neurites primarily consists of a crowded membranous medley of vesicular structures and dysmorphic organelles. Only a small fraction of observed Lewy bodies contained predominant proteinaceous filaments, as previously described. The crowding of organellar components was confirmed by STED-based super-resolution microscopy, and high lipid content within the alpha-synuclein immunopositive inclusions was corroborated by confocal imaging, CARS/FTIR imaging and lipidomics. Applying this correlative high-resolution imaging and biophysical approach, we discovered in the postmortem brain of Parkinson's patients a subcellular protein-lipid compartmentalization not previously described in Lewy pathology.