Unlike SARS-CoV-1 and MERS-CoV, infection with SARS-CoV-2, the viral pathogen responsible for COVID-19, is often associated with neurologic symptoms that range from mild to severe, yet increasing evidence argues the virus does not exhibit extensive neuroinvasive properties. We demonstrate SARS-CoV-2 can infect and replicate in human iPSC-derived neurons and that infection shows limited anti-viral and inflammatory responses but increased activation of EIF2 signaling following infection as determined by RNA sequencing. Intranasal infection of K18 human ACE2 transgenic mice (K18-hACE2) with SARS-CoV-2 resulted in lung pathology associated with viral replication and immune cell infiltration. In addition, ∼50% of infected mice exhibited CNS infection characterized by wide-spread viral replication in neurons accompanied by increased expression of chemokine ( Cxcl9, Cxcl10, Ccl2, Ccl5 and Ccl19 ) and cytokine ( Ifn-λ and Tnf-α ) transcripts associated with microgliosis and a neuroinflammatory response consisting primarily of monocytes/macrophages. Microglia depletion via administration of colony-stimulating factor 1 receptor inhibitor, PLX5622, in SARS-CoV-2 infected mice did not affect survival or viral replication but did result in dampened expression of proinflammatory cytokine/chemokine transcripts and a reduction in monocyte/macrophage infiltration. These results argue that microglia are dispensable in terms of controlling SARS-CoV-2 replication in in the K18-hACE2 model but do contribute to an inflammatory response through expression of pro-inflammatory genes. Collectively, these findings contribute to previous work demonstrating the ability of SARS-CoV-2 to infect neurons as well as emphasizing the potential use of the K18-hACE2 model to study immunological and neuropathological aspects related to SARS-CoV-2-induced neurologic disease.Understanding the immunological mechanisms contributing to both host defense and disease following viral infection of the CNS is of critical importance given the increasing number of viruses that are capable of infecting and replicating within the nervous system. With this in mind, the present study was undertaken to evaluate the role of microglia in aiding in host defense following experimental infection of the central nervous system (CNS) of K18-hACE2 with SARS-CoV-2, the causative agent of COVID-19. Neurologic symptoms that range in severity are common in COVID-19 patients and understanding immune responses that contribute to restricting neurologic disease can provide important insight into better understanding consequences associated with SARS-CoV-2 infection of the CNS.

Abstract Lipid changes in the brain have been implicated in many neurodegenerative diseases including Alzheimer’s Disease (AD), Parkinson’s disease and Amyotrophic Lateral Sclerosis. To facilitate comparative lipidomic research across brain-diseases we established a data commons named the Neurolipid Atlas, that we have pre-populated with novel human, mouse and isogenic induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived lipidomics data for different brain diseases. We show that iPSC-derived neurons, microglia and astrocytes display distinct lipid profiles that recapitulate in vivo lipotypes. Leveraging multiple datasets, we show that the AD risk gene ApoE4 drives cholesterol ester (CE) accumulation in human astrocytes recapitulating CE accumulation measured in the human AD brain. Multi-omic interrogation of iPSC-derived astrocytes revealed that cholesterol plays a major role in astrocyte interferon-dependent pathways such as the immunoproteasome and major histocompatibility complex (MHC) class I antigen presentation. We show that through enhanced cholesterol esterification ApoE4 suppresses immune activation of astrocytes. Our novel data commons, available at neurolipidatlas.com, provides a user-friendly tool and knowledge base for a better understanding of lipid dyshomeostasis in neurodegenerative diseases.

Huntington's disease (HD) is a neurodegenerative disorder caused by a CAG repeat expansion in the first exon of the HTT gene encoding huntingtin. Prior reports have established a correlation between CAG expanded HTT and altered gene expression. However, the mechanisms leading to disruption of RNA processing in HD remain unclear. Here, our analysis of the reported HTT protein interactome identifies interactions with known RNA-binding proteins (RBPs). Total, long-read sequencing and targeted RASL-seq of RNAs from cortex and striatum of the HD mouse model R6/2 reveals increased exon skipping which is confirmed in Q150 and Q175 knock-in mice and in HD human brain. We identify the RBP TDP-43 and the N6-methyladenosine (m6A) writer protein methyltransferase 3 (METTL3) to be upstream regulators of exon skipping in HD. Along with this novel mechanistic insight, we observe decreased nuclear localization of TDP-43 and cytoplasmic accumulation of phosphorylated TDP-43 in HD mice and human brain. In addition, TDP-43 co-localizes with HTT in human HD brain forming novel nuclear aggregate-like bodies distinct from mutant HTT inclusions or previously observed TDP-43 pathologies. Binding of TDP-43 onto RNAs encoding HD-associated differentially expressed and aberrantly spliced genes is decreased. Finally, m6A RNA modification is reduced on RNAs abnormally expressed in striatum from HD R6/2 mouse brain, including at clustered sites adjacent to TDP-43 binding sites. Our evidence supports TDP-43 loss of function coupled with altered m6A modification as a novel mechanism underlying alternative splicing/unannotated exon usage in HD and highlights the critical nature of TDP-43 function across multiple neurodegenerative diseases.

Abstract The complexity of affected brain regions and cell types is a challenge for Huntington’s disease (HD) treatment. Here we used single nucleus RNA sequencing (snRNAseq) to investigate mechanism of pathology in the cortex and striatum from R6/2 mice at 8 and 12w and in three regions of human HD post-mortem tissue. We identified cell type-specific and cell agnostic signatures and found changes suggesting oligodendrocytes (OLs) and oligodendrocyte precursors (OPCs) were arrested in intermediate maturation states. OL-lineage regulators OLIG1 and OLIG2 were negatively correlated with CAG length in human OPCs, and ATACseq analysis of HD mouse NeuN-negative cells showed decreased accessibility of sites regulated by OL maturation genes. Glucose and lipid metabolism were implicated in abnormal cell maturation and PRKCE and Thiamine Pyrophosphokinase 1 were identified as central genes. High dose thiamine/biotin treatment of R6/1 HD mice to target thiamine metabolism not only restored OL maturation, but also rescued pathology in neurons. These findings reveal insights into HD OL pathology that spans multiple brain regions and link OL maturation deficits to abnormal thiamine metabolism.

Understanding the normal function of the Huntingtin (HTT) protein is of significance in the design and implementation of therapeutic strategies for Huntington’s disease (HD). Expansion of the CAG repeat in the HTT gene, encoding an expanded polyglutamine (polyQ) repeat within the HTT protein, causes HD and may compromise HTT’s normal activity contributing to HD pathology. Here, we investigated the previously defined role of HTT in autophagy specifically through studying HTT’s association with ubiquitin. We find that HTT interacts directly with ubiquitin in vitro. Tandem affinity purification was used to identify ubiquitinated and ubiquitin-associated proteins that copurify with a HTT N-terminal fragment under basal conditions. Copurification is enhanced by HTT polyQ expansion and reduced by mimicking HTT serine 421 phosphorylation. The identified HTT-interacting proteins include RNA-binding proteins (RBPs) involved in mRNA translation, proteins enriched in stress granules, the nuclear proteome, the defective ribosomal products (DRiPs) proteome and the brain-derived autophagosomal proteome. To determine whether the proteins interacting with HTT are autophagic targets, HTT knockout (KO) cells and immunoprecipitation of lysosomes were used to investigate autophagy in the absence of HTT. HTT KO was associated with reduced abundance of mitochondrial proteins in the lysosome, indicating a potential compromise in basal mitophagy, and increased lysosomal abundance of RBPs which may result from compensatory up-regulation of starvation-induced macroautophagy. We suggest HTT is critical for appropriate basal clearance of mitochondrial proteins and RBPs, hence reduced HTT proteostatic function with mutation may contribute to the neuropathology of HD.

Abstract Huntington’s Disease (HD) is caused by an expanded CAG repeat in the huntingtin gene, yielding a Huntingtin protein with an expanded polyglutamine tract. Patient-derived induced pluripotent stem cells (iPSCs) can help understand disease; however, defining pathological biomarkers is challenging. Here, we used cryogenic electron tomography to visualize neurites in HD patient iPSC-derived neurons with varying CAG repeats, and primary cortical neurons from BACHD, deltaN17-BACHD, and wild-type mice. In HD models, we discovered mitochondria with enlarged granules and distorted cristae, and thin sheet aggregates in double membrane-bound organelles. We used artificial intelligence to quantify mitochondrial granules, and proteomics to show differential protein content in HD mitochondria. Knockdown of Protein Inhibitor of Activated STAT1 ameliorated aberrant phenotypes in iPSC-neurons and reduced phenotypes in BACHD neurons. We show that integrated ultrastructural and proteomic approaches may uncover early HD phenotypes to accelerate diagnostics and the development of targeted therapeutics for HD.

Summary Huntington’s disease (HD) is a neurodegenerative disease caused by an expanded CAG repeat within the Huntingtin ( HTT ) gene having dysregulated cellular homeostasis in the central nervous system, particularly in the striatum and cortex. Astrocytes establish and maintain neuronal functions through the secretion of soluble factors and physical interactions with other neurovascular unit cell types. Under pathological conditions, astrocytes can become reactive, causing cell state transitions that affect brain function. To investigate transitions between cellular states in unaffected and HD astrocytes at high resolution, single-nuclei RNA-sequencing (snRNA-seq) was performed on human HD patient induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived astrocytes and on striatal and cortical tissue from a rapidly progressing HD mouse model (R6/2). Analysis of HD human and mouse astrocytes revealed both models have alterations in morphology, glutamate uptake, and dysregulation of astrocyte identity and maturation, whereas dysregulated actin-mediated signaling was unique to human iPSC-derived astrocytes. Representative proteins showed altered levels by Western. In both species, HD transcriptional changes reveal potential astrocyte maturation deficits that were potentially driven by astrogliogenesis transcription factors, including ATF3 and NFIA. When perturbed in a drosophila model of HD, knockdown of NFIA in glia rescued the climbing deficit. These data further support the hypothesis that mutant HTT induces dysregulated astrocyte cell states resulting in dysfunctional astrocytic properties, suggests that some of these states are cell autonomous and maybe unique to human HD, and implicate ATF3 and maturation deficits in HD pathogenesis.