Mutations in PINK1 and parkin highlight the mitochondrial axis of Parkinson’s disease (PD) pathogenesis. PINK1/parkin regulation of the transcriptional repressor PARIS bears direct relevance to dopamine neuron survival through augmentation of PGC-1α–dependent mitochondrial biogenesis. Notably, knockout of PARIS attenuates dopaminergic neurodegeneration in mouse models, indicating that interventions that prevent dopaminergic accumulation of PARIS could have therapeutic potential in PD. To this end, we have identified the deubiquitinase cylindromatosis (CYLD) to be a regulator of PARIS protein stability and proteasomal degradation via the PINK1/parkin pathway. Knockdown of CYLD in multiple models of PINK1 or parkin inactivation attenuates PARIS accumulation by modulating its ubiquitination levels and relieving its repressive effect on PGC-1α to promote mitochondrial biogenesis. Together, our studies identify CYLD as a negative regulator of dopamine neuron survival, and inhibition of CYLD may potentially be beneficial in PD by lowering PARIS levels and promoting mitochondrial biogenesis.

Extracellular vesicles (EVs) are released from different cell types in the central nervous system (CNS) and play roles in regulating physiological and pathological functions. Although brain-derived EVs (bdEVs) have been successfully collected from brain tissue, there is not yet a "bdEV atlas" of EVs from different brain regions. To address this gap, we separated EVs from eight anatomical brain regions of a single individual and subsequently characterized them by count, size, morphology, and protein and RNA content. The greatest particle yield was from cerebellum, while the fewest particles were recovered from the orbitofrontal, postcentral gyrus, and thalamus regions. EV surface phenotyping indicated that CD81 and CD9 were more abundant than CD63 for all regions. Cell-enriched surface markers varied between brain regions. For example, putative neuronal markers NCAM, CD271, and NRCAM were more abundant in medulla, cerebellum, and occipital regions, respectively. These findings, while restricted to tissues from a single individual, suggest that additional studies are merited to lend more insight into the links between EV heterogeneity and function in the CNS.

ABSTRACT Extracellular vesicles (EVs) are produced by all cell types and are found in all tissues and biofluids. EV proteins, nucleic acids, and lipids are a “nano-snapshot” of the parent cell that may be used for novel diagnostics of various diseases, including neurodegenerative disorders. Currently, diagnosis of the most common neurodegenerative movement disorder, Parkinson’s disease (PD), relies on manifestations of late-stage progression, which may furthermore associate with other neurodegenerative diseases such as progressive supranuclear palsy (PSP). Here, we profiled surface markers and other protein contents of brain-derived extracellular vesicles (bd-EVs) from PD (n= 24), PSP (n=25) and control (n=24). bdEVs displayed tetraspanins and certain microglia, astrocyte, and neuron markers, while quantitative proteomics revealed enrichment of several proteins in PD vs. control and/or PSP, including clathrin heavy chain 1 and 14-3-3 protein gamma. This characterization of EVs in the source tissue provides insights into local dynamics as well as biomarker candidates for investigation in peripheral fluids.

Expansion of an intronic (GGGGCC)n repeat within the C9ORF72 gene is the most common genetic cause of both frontotemporal dementia (FTD) and amyotrophic lateral sclerosis (ALS) (C9-FTD/ALS), characterized with aberrant repeat RNA foci and noncanonical translation-produced dipeptide repeat (DPR) protein inclusions. Here, we elucidate that the (GGGGCC)n repeat RNA co-localizes with nuclear speckles and alters their phase separation properties and granule dynamics. Moreover, the essential nuclear speckle scaffold protein SRRM2 is sequestered into the poly-GR cytoplasmic inclusions in the C9-FTD/ALS mouse model and patient postmortem tissues, exacerbating the nuclear speckle dysfunction. Impaired nuclear speckle integrity induces global exon skipping and intron retention in human iPSC-derived neurons and causes neuronal toxicity. Similar alternative splicing changes can be found in C9-FTD/ALS patient postmortem tissues. This work identified novel molecular mechanisms of global RNA splicing defects caused by impaired nuclear speckle function in C9-FTD/ALS and revealed novel potential biomarkers or therapeutic targets.

Abstract Asymptomatic Alzheimer’s disease (AsymAD) describes the status of subjects with preserved cognition but with identifiable Alzheimer’s disease (AD) brain pathology (i.e. Aβ-amyloid deposits, neuritic plaques, and neurofibrillary tangles) at autopsy. In this study, we investigated the postmortem brains of a cohort of AsymAD cases to gain insight into the underlying mechanisms of resilience to AD pathology and cognitive decline. Our results showed that AsymAD cases exhibit an enrichment of core plaques and decreased filamentous plaque accumulation, as well as an increase in microglia surrounding this last type. In AsymAD cases we found less pathological tau aggregation in dystrophic neurites compared to AD and tau seeding activity comparable to healthy control subjects. We used spatial transcriptomics to further characterize the plaque niche and found autophagy, endocytosis, and phagocytosis within the top upregulated pathways in the AsymAD plaque niche, but not in AD. Furthermore, we found ARP2, an actin-based motility protein crucial to initiate the formation of new actin filaments, increased within microglia in the proximity of amyloid plaques in AsymAD. Our findings support that the amyloid-plaque microenvironment in AsymAD cases is characterized by microglia with highly efficient actin-based cell motility mechanisms and decreased tau seeding compared to AD. These two mechanisms can potentially provide protection against the toxic cascade initiated by Aβ that preserves brain health and slows down the progression of AD pathology.

Pathologic α-syn destabilizes the TSC 1 and 2 complex leading to mTORC1 activation, enhanced protein translation and neurodegeneration in PD. Abstract: Pathological α-synuclein (α-syn) plays an important role in the pathogenesis of α-synucleinopathies such as Parkinson’s disease (PD). Disruption of protein homeostasis is thought be central to PD pathogenesis, however the molecular mechanism of this deregulation is poorly understood. Here we report that pathologic α-syn binds to tuberous sclerosis protein (TSC) 2 and destabilizes the TSC1-TSC2 complex leading to activation of the mechanistic target of rapamycin (mTOR) complex 1 (mTORC1) and enhanced mRNA translation. Dopamine neuron loss, behavioral deficits and aberrant biochemical signaling in the α-syn preformed fibril (PFF) and Drosophila α-syn transgenic models of pathologic α-syn induced degeneration were attenuated by genetic and pharmacologic inhibition of mTOR and protein translation. Our findings establish a potential molecular mechanism by which pathologic α-syn activates mTORC1 leading to enhanced protein translation and concomitant neurodegeneration in PD.

Motivation: Important physical parameter, relaxometric constant$$$\;{D_r}$$$, linking magnetic susceptibility to induced transverse relaxation acceleration (i.e.,$$$\;{R2'}$$$) has not yet been fully understood in brain. Goal(s): To investigate underlying mechanisms affecting relaxometric constant in brain using temperature-dependent relaxometry and susceptibility and explore a better field-strength correction for ultra-high-field MRI. Approach: 3T and 7T R2*/R2'/quantitative-susceptibility maps were acquired from a post-mortem brain at different temperatures and analyzed based on the physical model. Results: In human brain, effects of temperature-dependent water susceptibility, water diffusion, and field strength on Dr were observed, and a field-strength correction coefficient was calculated, generating consistent chi-separation maps at both 3T and 7T. Impact: A better understanding of relaxometric constant in brain can provide better insight on effects of susceptibility sources (e.g., iron and myelin), on MR relaxometry, improving quantification accuracy of those biological substances using MRI.

Motivation: While high-resolution quantitative susceptibility mapping (QSM) reveals unprecedented anatomical cytoarchitectures, delineation of certain substructures may be limited in regions containing both iron and myelin. Goal(s): To demonstrate iron and myelin-specific anatomy inside human brain using sub-millimeter susceptibility source-separation (chi-separation). Approach: Sub-millimeter multi-orientation QSM and chi-separation were obtained on postmortem human hemibrain at 7T. Capabilities of QSM, χpara and χdia contrasts for delineating neuroanatomy were compared. Results: While iron-rich substructures like line of Gennari can be readily identified in QSM, χdia helps reveal small fibers including striatal tracts, perforant pathway and fibers in cortical/subthalamic area. Impact: Sub-millimeter susceptibility source separation images can delineate neuroanatomical substructures in the human brain with increasing specificity to iron or myelin related cytoarchitecture.

Motivation: High-resolution ex vivo susceptibility tensor imaging (STI) shows promise in visualizing detailed microstructural neuroanatomy related to tissue magnetic susceptibility contrast but is usually challenging with large human brain samples. Goal(s): This work aimed to demonstrate a feasible protocol for STI on postmortem human hemibrain using a 7T human MR scanner. Approach: De-identified human brain samples of the left hemisphere were collected, prepared, and scanned with a 3D multi-echo gradient echo sequence with 0.5 mm isotropic resolution. Results: Multi-orientation quantitative susceptibility mapping and STI with a maximum of 12 orientations were obtained. Myelinated fibers and iron deposition in cortical substructures were visualized. Impact: The proposed ex vivo MRI protocol is expected to be helpful to researchers interested in STI. The ex vivo STI acquired through this protocol may provide anatomical references for in vivo STI studies.

Summary Pathological aggregation of α-Synuclein (α-Syn) and neuroinflammation are closely linked to Parkinson’s disease (PD). However, the specific regulators of the neuroinflammation caused by pathological α-syn remain obscure. In this study, we show that NOD2/RIPK2 signaling is a crucial regulator of neuroinflammation in PD. Pathological α-syn binds to NOD2, causing self-oligomerization and complex formation with RIPK2, leading to RIPK2 ubiquitination and activation of MAPK and NF-kB. Notably, this NOD2/RIPK2 signaling is particularly active in microglia of human PD brains and the α-Syn preformed fibril (α-Syn PFF) mouse model. Depleting NOD2 or RIPK2 reduces neuroinflammation and protects against dopamine neuron degeneration in a pathologic α-Syn mouse model by blocking the formation of neurotoxic reactive astrocytes caused by microglia activation. The discovery of NOD2/RIPK2 signaling as a key regulator of neuroinflammation in PD provides a new understanding of α-Syn-driven neuroinflammation and neurodegeneration in PD and a potential new therapeutic strategy. Graphical Abstract In brief Pathological α-Synuclein (α-Syn) binds to the microglial NOD2 protein, which in turn triggers NOD2/RIPK2 complex and RIPK2 phosphorylation/ubiquitination. This process activates the NF-kB/MAPK pathways, ultimately leading to neurotoxic reactive astrocyte-induced dopaminergic neurodegeneration. Depletion of RIPK2 (RIPK2 KO) or NOD2 (NOD2) protects dopamine neurons in a mouse model of Parkinson’s disease (PD). These findings provide insights into α-Syn-driven neuroinflammation and offer potential therapeutic strategies for PD. Highlights NOD2/RIPK2 signaling is identified as a crucial regulator of neuroinflammation in PD. NOD2/RIPK2 signaling is highly active in microglia in human PD brains and α-Syn PFF mouse models. Pathological α-Syn binds to NOD2, triggering self-oligomerization and RIPK2 complex formation, leading to MAPK and NF-kB activation Genetic depletion of NOD2 or RIPK2 reduces neuroinflammation and protects dopamine neurons by blocking the formation of neurotoxic reactive astrocytes.