Pathological accumulation of aggregated α-synuclein (aSYN) is a common feature of Parkinson's disease (PD). However, the mechanisms by which intracellular aSYN pathology contributes to dysfunction and degeneration of neurons in the brain are still unclear. A potentially relevant target of aSYN is the mitochondrion. To test this hypothesis, genetic and physiological methods were used to monitor mitochondrial function in substantia nigra pars compacta (SNc) dopaminergic and pedunculopontine nucleus (PPN) cholinergic neurons after stereotaxic injection of aSYN pre-formed fibrils (PFFs) into the mouse brain.aSYN PPFs were stereotaxically injected into the SNc or PPN of mice. Twelve weeks later, mice were studied using a combination of approaches, including immunocytochemical analysis, cell- type specific transcriptomic profiling, electron microscopy, electrophysiology and two-photon-laser- scanning microscopy of genetically encoded sensors for bioenergetic and redox status.In addition to inducing a significant neuronal loss, SNc injection of PFFs induced the formation of intracellular, phosphorylated aSYN aggregates selectively in dopaminergic neurons. In these neurons, PFF-exposure decreased mitochondrial gene expression, reduced the number of mitochondria, increased oxidant stress, and profoundly disrupted mitochondrial adenosine triphosphate production. Consistent with an aSYN-induced bioenergetic deficit, the autonomous spiking of dopaminergic neurons slowed or stopped. PFFs also up-regulated lysosomal gene expression and increased lysosomal abundance, leading to the formation of Lewy-like inclusions. Similar changes were observed in PPN cholinergic neurons following aSYN PFF exposure.Taken together, our findings suggest that disruption of mitochondrial function, and the subsequent bioenergetic deficit, is a proximal step in the cascade of events induced by aSYN pathology leading to dysfunction and degeneration of neurons at-risk in PD.

Abstract Aim There is an unmet need for compounds that detect alpha-synuclein (αSyn) and 4-repeat tau, which are critical in many neurodegenerative diseases for diagnostic and therapeutic purposes. Here, we aim to develop an efficient surface plasmon resonance (SPR)-based method to facilitate the characterization of small molecule ligands/compounds to these fibrils. Methods SPR measurements were conducted to characterize the binding properties of fluorescent ligands/compounds towards recombinant Aβ 42 , K18 4-repeat/full-length tau and αSyn fibrils. In silico modelling was performed to examine the binding pockets of ligands on αSyn fibrils. Immunofluorescence staining with fluorescence ligands and specific antibodies on postmortem brain tissue slices from patients with Parkinson’s disease and disease mouse models was performed. Results We optimized the protocol for immobilizing Aβ 42 , K18 tau, full-length tau and αSyn fibrils in a controlled aggregation state on SPR sensor chips. The results from the analysis of binding kinetics suggested the presence of at least two binding sites for all fibrils, including luminescent conjugated oligothiophenes (HS-169, HS-84, h-FTAA and q-FTAA), pyridine derivative PBB5, nonfluorescent methylene blue and lansoprazole. In silico modelling studies for αSyn (6H6B) showed four binding sites with preference to S4. Immunofluorescence staining validated the detection of pS129-positive αSyn in brain tissue from Parkinson’s disease patients, αSyn PFF-injected mice, 6E10-positive Aβ in arcAβ mice, and AT-8/AT-100-positive in tau pR5 tau mice, respectively. Conclusions SPR measurements of ligands and small molecules binding to Aβ 42 , 4R and full-length tau and αSyn fibrils suggest the existence of multiple binding sites. This approach may provide efficient characterization of compound binding properties towards these fibrils important in neurodegenerative diseases.