Brain tumors are among the most lethal and devastating cancers. Their study is limited by genetic heterogeneity and the incompleteness of available laboratory models. Three-dimensional organoid culture models offer innovative possibilities for the modeling of human disease. Here we establish a 3D in vitro model called a neoplastic cerebral organoid (neoCOR), in which we recapitulate brain tumorigenesis by introducing oncogenic mutations in cerebral organoids via transposon- and CRISPR-Cas9-mediated mutagenesis. By screening clinically relevant mutations identified in cancer genome projects, we defined mutation combinations that result in glioblastoma-like and central nervous system primitive neuroectodermal tumor (CNS-PNET)-like neoplasms. We demonstrate that neoCORs are suitable for use in investigations of aspects of tumor biology such as invasiveness, and for evaluation of drug effects in the context of specific DNA aberrations. NeoCORs will provide a valuable complement to the current basic and preclinical models used to study brain tumor biology.

Abstract Dopa-responsive dystonia (DRD) and Parkinson’s disease (PD) are movement disorders caused by the dysfunction of nigrostriatal dopaminergic neurons. Identifying druggable pathways and biomarkers for guiding therapies is crucial due to the debilitating nature of these disorders. Recent genetic studies have identified variants of GTP cyclohydrolase-1 (GCH1), the rate-limiting enzyme in tetrahydrobiopterin (BH4) synthesis, as causative for these movement disorders. Here, we show that genetic and pharmacological inhibition of BH4 synthesis in mice and human midbrain-like organoids accurately recapitulates motor, behavioral and biochemical characteristics of these human diseases, with severity of the phenotype correlating with extent of BH4 deficiency. We also show that BH4 deficiency increases sensitivities to several PD-related stressors in mice and PD human cells, resulting in worse behavioral and physiological outcomes. Conversely, genetic and pharmacological augmentation of BH4 protects mice from genetically- and chemically induced PD-related stressors. Importantly, increasing BH4 levels also protects primary cells from PD-affected individuals and human midbrain-like organoids (hMLOs) from these stressors. Mechanistically, BH4 not only serves as an essential cofactor for dopamine synthesis, but also independently regulates tyrosine hydroxylase levels, protects against ferroptosis, scavenges mitochondrial ROS, maintains neuronal excitability and promotes mitochondrial ATP production, thereby enhancing mitochondrial fitness and cellular respiration in multiple preclinical PD animal models, human dopaminergic midbrain-like organoids and primary cells from PD-affected individuals. Our findings pinpoint the BH4 pathway as a key metabolic program at the intersection of multiple protective mechanisms for the health and function of midbrain dopaminergic neurons, identifying it as a potential therapeutic target for PD.

Abstract Muscle degeneration is the most prevalent cause for frailty and dependency in inherited diseases and ageing, affecting hundreds of millions of people. Elucidation of pathophysiological mechanisms, as well as effective treatments for muscle diseases represents an important goal in improving human health. Here, we show that phosphatidylethanolamine cytidyltransferase (PCYT2/ECT), the critical enzyme of the Kennedy branch of phosphatidylethanolamine (PE) synthesis pathway, has an essential role in muscle health. Human genetic deficiency in PCYT2 causes a severe disease with failure to thrive and progressive muscle weakness. Pcyt2 mutant zebrafish recapitulate the patient phenotypes, indicating that the role of PCYT2/PE in muscle is evolutionary conserved. Muscle specific Pcyt2 knockout mice exhibited failure to thrive, impaired muscle development, progressive muscle weakness, muscle loss, accelerated ageing, and reduced lifespan. Mechanistically, Pcyt2 deficiency affects mitochondrial bioenergetics and physicochemical properties of the myofiber membrane lipid bilayer, in particular under exercise strain. We also show that PCYT2 activity declines in the aging muscles of humans and mice. AAV-based delivery of PCYT2 rescued muscle weakness in Pcyt2 knock-out mice and, importantly, improved muscle strength in old mice, offering a novel therapeutic avenue for rare disease patients and muscle aging. Thus, PCYT2 plays a fundamental, specific, and conserved role in vertebrate muscle health, linking PCYT2 and PCYT2 synthesized PE lipids to severe muscle dystrophy, exercise intolerance and aging.

Abstract Fine-tuning of neural connectivity is important for cerebral functions and brain evolution. Protocadherins provide barcodes for neuronal identity as well as synapse formation and expansion of protocadherin cluster genes has been linked to advanced cognitive functions. The tightly controlled stochastic and combinatorial expression of the different protocadherin isoforms in individual neurons provides the molecular basis for neuronal diversity, neuronal network complexity and function of the vertebrate brain. How protocadherins are epigenetically controlled has not yet been fully elucidated. Here we show that the HUSH (human silencing hub) complex containing H3K9me3 binding protein M-phase phosphoprotein 8 (MPP8) and Microrchidia CW-type zinc finger protein 2 (MORC2), critically controls the fidelity of protocadherin expression. MPP8 and MORC2A are highly expressed in the murine brain and exclusively found in neurons. Genetic inactivation of Mphosph8 (coding for MPP8) or Morc2a in the nervous system of mice leads to increased brain size, altered brain architecture, and behavioral changes. Mechanistically, MPP8 and MORC2A precisely and selectively suppress the repetitive-like protocadherin gene cluster on mouse chromosome 18 in a H3K9me3-dependent manner, thereby affecting synapse formation. Moreover, we demonstrate that individual MPHOSPH8- or MORC2-deficient neurons in human cerebral organoids express increased numbers of clustered protocadherin isoforms. Our data identify the HUSH complex, previously linked to silencing of repetitive transposable elements, as a key epigenetic regulator of protocadherin expression in the nervous system and thereby brain development and neuronal individuality in mice and humans.

Abstract The Linear Ubiquitin Assembly Complex (LUBAC), composed of HOIP, HOIL-1L and SHARPIN, promotes Tumor Necrosis Factor (TNF)-dependent NF-κB signaling in diverse cell types. HOIL-1L contains an Npl4 Zinc Finger (NZF) domain that specifically recognizes linear ubiquitin chains, but its physiological role in vivo has remained unclear. Here, we demonstrate that the HOIL-1L NZF domain has important regulatory functions in inflammation and immune responses in mice. We generated knockin mice ( Hoil-1l T20;A;R208A/T201A;R208A ) expressing a HOIL-1L NZF mutant, and observed attenuated responses to TNF- and LPS-induced shock, including prolonged survival, stabilized body temperature, reduced cytokine production and liver damage markers. Cells derived from the HOIL-1L knockin mice show reduced TNF-dependent NF-κB activation and incomplete recruitment of HOIL-1L into TNF Receptor (TNFR) Complex I. We further show that the HOIL-1L-NZF domain cooperates with SHARPIN to prevent TNFR-dependent skin inflammation. Collectively, our data suggest that linear ubiquitin-chain binding by HOIL-1L regulates immune responses and inflammation in vivo .

HOIP, the catalytic component of the Linear Ubiquitin chain Assembly Complex (LUBAC), is a critical regulator of inflammation. However, how HOIP itself is regulated to control inflammatory responses is unclear. Here, we discover that site-specific ubiquitination of K784 within HOIP promotes Tumour Necrosis Factor (TNF)-induced inflammatory signalling by controlling TNF Receptor complex I (TNFR1) formation. A HOIP K784R mutant is catalytically active but shows reduced induction of an NF-kB reporter relative to wild type HOIP. HOIP K784 is evolutionarily conserved, equivalent to HOIP K778 in mice. We generated HoipK778R/K778R knockin mice, which show no overt developmental phenotypes; however, in response to TNF, HoipK778R/K778R mouse embryonic fibroblasts display suppressed NF-kB activation and increased sensitivity to apoptosis. On the other hand, HOIP K778R enhances the TNF-induced formation of TNFR complex II, and an interaction between TNFR complex II and LUBAC. Loss of the LUBAC component SHARPIN leads to embryonic lethality in HoipK778R/K778R mice, which is rescued by knockout of TNFR1. We propose that site-specific ubiquitination of HOIP regulates a LUBAC-dependent switch between survival and apoptosis in TNF-signalling.