Summary

 The LRRK2 mutation G2019S is the most common genetic cause of Parkinson's disease (PD). To better understand the link between mutant LRRK2 and PD pathology, we derived induced pluripotent stem cells from PD patients harboring LRRK2 G2019S and then specifically corrected the mutant LRRK2 allele. We demonstrate that gene correction resulted in phenotypic rescue in differentiated neurons and uncovered expression changes associated with LRRK2 G2019S. We found that LRRK2 G2019S induced dysregulation of CPNE8, MAP7, UHRF2, ANXA1, and CADPS2. Knockdown experiments demonstrated that four of these genes contribute to dopaminergic neurodegeneration. LRRK2 G2019S induced increased extracellular-signal-regulated kinase 1/2 (ERK) phosphorylation. Transcriptional dysregulation of CADPS2, CPNE8, and UHRF2 was dependent on ERK activity. We show that multiple PD-associated phenotypes were ameliorated by inhibition of ERK. Therefore, our results provide mechanistic insight into the pathogenesis induced by mutant LRRK2 and pointers for the development of potential new therapeutics.

Abstract Understanding the molecular mechanisms underlying frontotemporal dementia (FTD) is essential for the development of successful therapies. Systematic studies on human post-mortem brain tissue of patients with genetic subtypes of FTD are currently lacking. The Risk and Modyfing Factors of Frontotemporal Dementia (RiMod-FTD) consortium therefore has generated a multi-omics dataset for genetic subtypes of FTD to identify common and distinct molecular mechanisms disturbed in disease. Here, we present multi-omics datasets generated from the frontal lobe of post-mortem human brain tissue from patients with mutations in MAPT, GRN and C9orf72 and healthy controls. This data resource consists of four datasets generated with different technologies to capture the transcriptome by RNA-seq, and small RNA-seq, and supplemented this date with CAGE-seq, and methylation profiling. We show concrete examples on how to use the resulting data and confirm current knowledge about FTD and identify new processes for further investigation. This extensive multi-omics dataset holds great value to reveal new research avenues for this devastating disease.

The cellular prion protein PrP C is necessary for prion replication, and its reduction greatly increases life expectancy in animal models of prion infection. Hence the factors controlling the levels of PrP C may represent therapeutic targets against human prion diseases. Here we performed an arrayed whole-transcriptome RNA interference screen to identify modulators of PrP C expression. We cultured human U251-MG glioblas-toma cells in the presence of 64752 unique siRNAs targeting 21584 annotated human genes, and measured PrP C using a one-pot fluorescence-resonance energy transfer immunoassay in 51128 individual microplate wells. This screen yielded 743 candidate regulators of PrP C . When downregulated, 563 of these candidates reduced and 180 enhanced PrPC expression. Recursive candidate attrition through multiple secondary screens yielded 54 novel regulators of PrP C , 9 of which were confirmed by CRISPR interference as robust regulators of PrP C biosynthesis and degradation. The phenotypes of 6 of the 9 candidates were in-verted in response to transcriptional activation using CRISPRa. The RNA-binding post-transcriptional repressor Pumilio-1 was identified as a potent limiter of PrP C expression through the degradation of PRNP mRNA. Because of its hypothesis-free design, this comprehensive genetic-perturbation screen delivers an unbiased landscape of the genes regulating PrP C levels in cells, most of which were unanticipated, and some of which may be amenable to pharmacological targeting in the context of antiprion therapies.

Abstract C9orf72 hexanucleotide repeat expansion (HRE) is a major genetic cause of amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal dementia. The role of microglia in these C9orf72 HRE-associated diseases is understudied. To elucidate effects of C9orf72 HRE on microglia, we have characterized human induced pluripotent stem cell-derived microglia (iMG) from behavioral variant frontotemporal dementia (bvFTD) patients carrying the C9orf72 HRE. C9orf72 HRE iMG were compared to iMG from healthy controls and sporadic bvFTD patients. The phenotypes of iMG were analyzed using bulk RNA sequencing, biochemical and immunofluorescence analyses, and live cell imaging. C9orf72 HRE-carrying iMG showed nuclear RNA foci and poly-GP dipeptide repeat proteins but no decreased C9orf72 mRNA or protein expression. TDP-43 pathology was absent from all bvFTD iMG. As compared to healthy control iMG, quantitative immunofluorescence analyses indicated that all bvFTD iMG had reduced number, size, and intensity of LAMP2-A-positive vesicles. C9orf72 HRE-carrying iMG additionally showed decreased number, size, and intensity of p62/SQSTM1-positive vesicles. These changes were accompanied by increased phagocytic activity of the C9orf72 HRE-carrying iMG. Serum starvation increased phagocytic activity also in the iMG of sporadic bvFTD patients. RNA sequencing revealed that iMG of C9orf72 HRE-carrying bvFTD patients as compared to the iMG of sporadic bvFTD patients showed differential gene expression in pathways related to RNA and protein regulation and mitochondrial metabolism. Our data suggest potential alterations in the autophagosomal/lysosomal pathways in bvFTD patient iMG, which are further reinforced by the C9orf72 HRE and functionally manifest as increased phagocytic activity.

Abstract Despite extensive research, the contribution of the LRRK2 p.G2019S mutation to Parkinson’s disease (PD) remains unclear. Recent findings indicate oligodendrocytes (ODCs) and their progenitors are vulnerable in PD pathogenesis. Notably, oligodendrocyte precursor cells (OPCs) exhibit high endogenous expression of LRRK2 . We induced PD patient-iPSCs with the LRRK2 p.G2019S mutation into oligodendroglial lineages and performed single-cell RNA sequencing. Cell type composition analysis revealed an increase in OPCs, proliferating OPCs and ciliated ependymal cells in LRRK2 lines, all of which are characterized by LRRK2 expression. Differential expression analysis revealed transcriptomic changes in several pathways, including down-regulation of genes related to myelin assembly in ODCs, semaphorin-plexin pathway in OPCs, and cilium movement in proliferating OPCs. Cell-cell communication analysis identified significant alterations in several signaling pathways including a deactivation of PSAP signaling and an activation of MIF signaling in LRRK2 lines. Additionally, we observed an overall increase in SEMA6 signaling communication in LRRK2 cell lines; however, OPCs derived from these LRRK2 lines specifically lost SEMA6 signaling due to a down-regulation of SEMA6A and PLXNA2 . Pseudotemporal trajectory analysis revealed that SHH had significantly altered expression along the pseudotime, accompanied by higher expression levels in LRRK2 lines. These findings highlight the need for a deep exploration of the complex interactions among semaphorin-plexin, sonic hedgehog and cilium pathways in PD. We envision that our work will serve as a valuable resource for uncovering potential targets in PD.

Abstract The microtubule associated protein tau (MAPT) chromosome 17q21.31 locus lies within a region of high linkage disequilibrium (LD) conferring two extended haplotypes commonly referred to as H1 and H2. The major haplotype, H1 has been genetically associated with an increased risk for multiple neurodegenerative disorders, including Progressive Supranuclear Palsy (PSP), Corticobasal Degeneration (CBD), APOE ε4-negative Alzheimer’s disease (AD) and Parkinson’s disease (PD). The mechanism causing this increased risk is largely unknown. Here, we investigated the role of Mild Chronic Oxidative Stress (MCOS) in neurogenin 2 ( NGN2 ) induced neurons (iNeurons) derived from iPS (induced pluripotent stem cells) from carriers of both haplotypes. We identified that iNeurons of the H1 homozygous haplotype showed an increased susceptibility to MCOS compared to homozygous H2 carriers, leading to cell death through ferroptosis. We performed a cellular screen in H1 iNeurons using a FDA-approved Drug Library and identified candidate molecules that rescued the increased susceptibility to MCOS and prevented ferroptosis in H1 iNeurons. Highlights Mild Chronic Oxidative Stress induces neurotoxicity via ferroptosis on iNGN2 neurons Axonal degeneration, disordered microtubules, blebs precede neurotoxicity MAPT-17q21.3 locus H1/H1, risk allele for NDD is more vulnerable to MCOS FDA-approved drugs reverse MCOS induced ferroptosis on H1/H1 risk allele Abstract Figure

Abstract Frontotemporal dementia (FTD) is the second most common cause of dementia in patients under 65 years, characterized by diverse clinical symptoms, neuropathologies, and genetic background. Synaptic dysfunction is suggested to play a major role in FTD pathogenesis. Disturbances in the synaptic function can also be associated with the C9orf72 repeat expansion (C9-HRE), the most common genetic mutation causing FTD. C9-HRE leads to distinct pathological hallmarks, such as C9orf72 haploinsufficiency and development of toxic RNA foci and dipeptide repeat proteins (DPRs). FTD patient brains, including those carrying the C9-HRE, are also characterized by neuropathologies involving accumulation of TDP-43 and p62/SQSTM1 proteins. This study utilized induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived cortical neurons from C9-HRE-carrying or sporadic FTD patients and healthy control individuals. We report that the iPSC neurons derived from C9-HRE carriers developed typical C9-HRE-associated hallmarks, including RNA foci and DPR accumulation. All FTD neurons demonstrated increased TDP-43 nucleus-to-cytosolic shuttling and p62/SQSTM1 accumulation, and changes in nuclear size and morphology. In addition, the FTD neurons displayed reduced number and altered morphologies of dendritic spines and significantly altered synaptic function indicated by a decreased response to stimulation with GABA. These structural and functional synaptic disturbances were accompanied by upregulated gene expression in the FTD neurons related to synaptic function, including synaptic signaling, glutamatergic transmission, and pre- and postsynaptic membrane, as compared to control neurons. Pathways involved in DNA repair were significantly downregulated in FTD neurons. Only one gene, NUPR2, potentially involved in DNA damage response, was differentially expressed between the sporadic and C9-HRE-carrying FTD neurons. Our results show that the iPSC neurons from FTD patients recapitulate pathological changes of the FTD brain and strongly support the hypothesis of synaptic dysfunction as a crucial contributor to disease pathogenesis in FTD.

Abstract Arrayed CRISPR libraries extend the scope of gene-perturbation screens but require large numbers of efficacious sgRNA-expressing vectors. Using a newly invented liquid-phase plasmid cloning methodology, we constructed genome-wide arrayed libraries for human gene ablation (19,936 plasmids), activation, and epigenetic silencing (22,442 plasmids). At least 76% of each plasmid preparation encoded an intact array of 4 non-overlapping sgRNAs designed to tolerate most human DNA polymorphisms. We achieved perturbation efficacies of 75-99%, 76-92% and up to 10,000x in deletion, silencing and activation experiments, respectively. Upon conversion into massively parallel lentiviral vectors, an arrayed activation screen of 1,634 human transcription factors yielded 11 novel regulators of the cellular prion protein PrP C . Furthermore, a screen using a pooled version of the ablation library identified 5 novel modifiers of autophagy that went undetected with either of two 1sgRNA libraries. The CRISPR libraries described here represent a powerful resource for the targeted perturbation of human protein-coding genes.

Mutations in the GBA gene, which encodes the lysosomal enzyme β-glucocerebrosidase (GCase), are the most prevalent genetic susceptibility factor for Parkinson's disease (PD). However, only approximately 20% of carriers develop the disease, suggesting the presence of genetic modifiers influencing the risk of developing PD in the presence of GBA mutations. Here we screened 1,634 human transcription factors (TFs) for their effect on GCase activity in cell lysates of the human glioblastoma line LN-229, into which we introduced the pathogenic GBA L444P variant via adenine base editing. Using a novel arrayed CRISPR activation library, we uncovered 11 TFs as regulators of GCase activity. Among these, activation of MITF and TFEC increased lysosomal GCase activity in live cells, while activation of ONECUT2 and USF2 decreased it. Conversely, ablating USF2 increased GBA mRNA and led to enhanced levels of GCase protein and activity. While MITF, TFEC, and USF2 affected GBA transcription, ONECUT2 was found to control GCase trafficking by modulating the guanine exchange factors PLEKHG4 and PLEKHG4B. Hence, our study provides a systematic approach to identifying modulators of GCase activity, expands the transcriptional landscape of GBA regulation, and deepens our understanding of the mechanisms involved in influencing GCase activity.