Summary Prion infections cause conformational changes of PrP C and lead to progressive neurological impairment. Here we show that toxic, prion-mimetic ligands induce an intramolecular R208-H140 hydrogen bond (“H-latch”) altering the flexibility of the α2-α3 and β2-α2 loops of PrP C . Expression of a PrP 2Cys mutant mimicking the H-latch was constitutively toxic, whereas a PrP R207A mutant unable to form the H-latch conferred resistance to prion infection. High-affinity ligands that prevented H-latch induction repressed prion-related neurodegeneration in organotypic cerebellar cultures. We then selected phage-displayed ligands binding wild-type PrP C , but not PrP 2Cys . These binders depopulated H-latched conformers and conferred protection against prion toxicity. Finally, brain-specific expression of an antibody rationally designed to prevent H-latch formation, prolonged the life of prion-infected mice despite unhampered prion propagation, confirming that the H-latch is causally linked to prion neurotoxicity.

Brain-matter vacuolation is a defining trait of all prion diseases, yet its cause is unknown. Here we report that prion infection and prion-mimetic antibodies deplete the phosphatidylinositol kinase PIKfyve in mouse brains, cultured cells, organotypic brain slices, and in brains of Creutzfeldt-Jakob Disease victims. We found that PIKfyve, an inositol kinase involved endolysosomal maturation, is acylated by zDHHC9 and zDHHC21, whose juxtavesicular topology is disturbed by prion infection, resulting in PIKfyve deacylation and destabilization. A protracted unfolded protein response (UPR), typical of prion diseases, also induced PIKfyve deacylation and degradation. Conversely, UPR antagonists restored PIKfyve levels in prion-infected cells. Overexpression of zDHHC9 and zDHHC21, administration of the antiprion polythiophene LIN5044, or supplementation with the PIKfyve reaction product PI(3,5)P 2 , suppressed prion-induced vacuolation. Thus, PIKfyve emerges as a central mediator of vacuolation and neurotoxicity in prion diseases.

Abstract A defining characteristic of mammalian prions is their capacity for self-sustained propagation. Theoretical considerations and experimental evidence suggest that prion propagation is modulated by cell-autonomous and non-autonomous modifiers. Using a novel quantitative phospholipase protection assay (QUIPPER) for high-throughput prion measurements, we performed an arrayed genome-wide RNA interference (RNAi) screen aimed at detecting modifiers of prion propagation. We exposed prion-infected cells in high-density microplates to 35’364 ternary pools of 52’746 siRNAs targeting 17’582 genes representing the mouse protein-coding transcriptome. We identified 1191 modulators of prion propagation. While 1151 of these modified the expression of both the pathological prion protein, PrP Sc , and its cellular counterpart PrP C , 40 genes affected selectively PrP Sc . Of the latter, 20 genes augmented prion production when suppressed. A prominent limiter of prion propagation was the heterogeneous nuclear ribonucleoprotein Hnrnpk. Psammaplysene A (PSA), which binds Hnrnpk, reduced prion levels in cultured cells and protected them from cytotoxicity. PSA also reduced prion levels in infected cerebellar organotypic slices and alleviated locomotor deficits in prion-infected Drosophila melanogaster expressing ovine PrP C . Hence, genome-wide QUIPPER-based perturbations can discover actionable cellular pathways involved in prion propagation. Finally, the unexpected identification of a prioncontrolling ribonucleoprotein suggests a role for RNA in the generation of infectious prions.

Prion immunotherapy may hold great potential, but antibodies against certain PrP epitopes can be neurotoxic. Here we identified >6000 PrP-binding antibodies in a synthetic human Fab phage display library, 49 of which we characterized in detail. Antibodies directed against the flexible tail of PrP conferred neuroprotection against infectious prions. We then mined published repertoires of circulating B cells from healthy humans and found antibodies similar to the protective phage-derived antibodies. When expressed recombinantly, these antibodies exhibited anti-PrP reactivity. Furthermore, we surveyed 48718 samples from 37894 hospital patients for the presence of anti-PrP IgGs, and found 21 high-titer individuals. The clinical files of these individuals did not reveal any enrichment of specific pathologies, suggesting that anti-PrP autoimmunity is innocuous. The existence of protective anti-prion antibodies in unbiased human immunological repertoires, combined with the reported lack of such antibodies in carriers of disease-associated PRNP mutations, suggests a link to the low incidence of spontaneous prion diseases in human populations.

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.

Summary Neuropathological and experimental evidence suggests that the cell-to-cell transfer of a-synuclein has an important role in the pathogenesis of Parkinson’s disease (PD). However, the mechanism underlying this phenomenon is not fully understood. We undertook an siRNA, genome-wide high throughput screen to identify genes regulating the cell-to-cell transfer of a-synuclein. We transiently transfected HEK cells stably overexpressing a-synuclein with a construct encoding GFP-2a-aSynuclein-RFP. The cells expressing a-synuclein-RFP through transfection were double positive for GFP and RFP fluorescence, whereas the cells receiving it through transfer were positive only for RFP fluorescence. The amount of a-synuclein transfer was quantified by high content microscopy. A series of unbiased screens confirmed the involvement of 38 genes in the regulation of a-synuclein-RFP transfer. One of those hits was ITGA8 , a candidate gene recently identified through a large PD genome wide association study (GWAS). Weighted gene co-expression network analysis (WGCNA) and weighted protein-protein network interaction analysis (WPPNIA) showed that the hits clustered in networks that included known PD Mendelian and GWAS risk genes more frequently than expected than random chance. Given the genetic overlap between a-synuclein transfer and PD, those findings provide supporting evidence for the importance of the cell-to-cell transfer of a-synuclein in the pathogenesis of PD, and expand our understanding of the mechanism of a-synuclein spread.

Abstract ASC-containing inflammasomes form specks, extracellular aggregates which enhance the aggregation of Aβ amyloid in Alzheimer’s disease. This raises the question whether ASC participates to additional aggregation proteinopathies. Here we show that ASC controls the extent of inflammation-associated AA amyloidosis, a systemic disease caused by the aggregation of the acute-phase reactant serum amyloid A (SAA). Using superresolution microscopy, we found that ASC colocalized tightly with SAA in human AA amyloidosis. Purified recombinant ASC specks accelerated SAA fibril formation in vitro . Mass spectrometry after limited proteolysis showed that ASC interacts with SAA via its pyrin domain. In a murine model of inflammation-associated AA amyloidosis, splenic AA amyloid load was conspicuously decreased in Pycard tm1Vmd/tm1Vmd mice which lack ASC. This reduction was not a consequence of enhanced amyloid phagocytosis, as SAA stimulation increased phagocytic activity in Pycard +/+ , but not in Pycard -/- macrophages. Treatment with anti-ASC antibodies decreased the amyloid loads in wild-type mice suffering from AA amyloidosis. The prevalence of natural anti-ASC IgG (-logEC 50 ≥ 2) in 19,334 hospital patients was <0.01%, suggesting that anti-ASC antibody treatment modalities would not be confounded by natural autoimmunity. Higher anti-ASC titers did not correlate with any specific disease, suggesting that anti-ASC immunotherapy may be well-tolerated. These findings expand the role played by ASC to extraneural proteinopathies of humans and experimental animals and suggest that anti-ASC immunotherapy may contribute to resolving such diseases.