Summary Neurodegenerative diseases are increasingly prevalent in the aging population, yet currently no disease-modifying treatments are available. Increasing the expression of the cold-shock protein, RBM3, through therapeutic hypothermia is remarkably neuroprotective, but cooling poses a health risk itself, strongly limiting its clinical application. Selective upregulation of RBM3 at normothermia thus holds immense therapeutic potential. Here we identify a poison exon within the RBM3 gene that is solely responsible for cold-induced RBM3 expression. Genetic removal or ASO-mediated manipulation of this exon yields high RBM3 levels independent of cooling. Notably, a single administration of ASO to exclude the poison exon, using FDA-approved chemistry, results in long-lasting increase of RBM3 expression in mouse brains. In prion-diseased mice, this treatment leads to remarkable neuroprotection, with prevention of neuronal loss and spongiosis despite high levels of prion protein. RBM3-inducing ASOs could thus broadly deliver protection in humans in conditions ranging from acute brain injury to Alzheimer’s disease. One sentence summary Inducing cold shock protein RBM3 by modulating its alternative splicing at normothermia is neuroprotective in vivo

Abstract The unfolded protein response (UPR) is rapidly gaining momentum as a therapeutic target for protein misfolding neurodegenerative diseases, in which its overactivation results in sustained translational repression leading to synapse loss and neurodegeneration. In mouse models of these disorders, from Alzheimer’s to prion disease, modulation of the pathway - including by the licensed drug, trazodone - restores global protein synthesis rates with profound neuroprotective effects. However, the precise nature of the translational impairment, in particular the specific proteins affected in disease, and their response to therapeutic UPR modulation are poorly understood. We used non-canonical amino acid tagging (NCAT) to measure de novo protein synthesis in the brains of prion-diseased mice with and without trazodone treatment, in both whole hippocampus and cell-specifically. During disease the predominant translatome changes occur in synaptic, cytoskeletal and mitochondrial proteins in both hippocampal neurons and astrocytes. Remarkably, trazodone treatment for just two weeks largely restored the whole disease translatome in the hippocampus to that of healthy, uninfected mice, predominantly with recovery of proteins involved in synaptic and mitochondrial function. In parallel, trazodone treatment restored the disease-associated decline in synapses and mitochondria and their function to wildtype levels. In conclusion, this study increases our understanding of how translational repression contributes to neurodegeneration through synaptic and mitochondrial toxicity via depletion of key proteins essential for their function. Further, it provides new insights into the neuroprotective mechanisms of trazodone through reversal of this toxicity, relevant for the treatment of neurodegenerative diseases via translational modulation.

Animal models are essential for assessing the preclinical efficacy of candidate drugs, but animal data often fails to replicate in human clinical trials. This translational gulf is due in part to the use of models that do not accurately replicate human disease processes and phenotyping strategies that do not capture sensitive, disease-relevant measures. To address these challenges with the aim of validating candidate neuroprotective drugs, we combined a mouse prion (RML scrapie) model that recapitulates the key common features of human neurodegenerative disease including bona fide neuronal loss, with unbiased and machine learning-assisted behavioural phenotyping. We found that this approach measured subtle, stereotyped, and progressive changes in motor behaviour over the disease time course that correlated with the earliest detectable histopathological changes in the mouse brain. To validate the utility of this model system, we tested whether the anti-diabetic drug pioglitazone could slow prion disease progression. Pioglitazone crosses the blood-brain-barrier and has been shown to reduce neurodegenerative disease severity in other mouse models. We found that in addition to significantly slowing the emergence of early-stage clinical signs of neurodegeneration, pioglitazone significantly improved motor coordination throughout the disease time course and reduced neuronal endoplasmic reticulum stress. Together, these findings suggest that pioglitazone could have neuroprotective properties in humans, confirm the utility of the scrapie mouse model of neurodegeneration, and provide generalisable experimental and analysis methods for the generation of data-rich behavioural data to accelerate and improve preclinical validation.

ABSTRACT Dementia is a largely untreatable syndrome that is epidemiologically associated with metabolic diseases such as type 2 diabetes (T2D) and obesity. Drugs used to treat T2D such as metformin are inexpensive, safely given to millions of people, and have also been reported to slow neurodegeneration. We hypothesised that the neuroprotective benefits of metformin might extend to metabolically healthy individuals and tested this hypothesis in a mouse prion model that recapitulates key features of human neurodegenerative disease, including synaptic loss and motor impairment. These features and the time course of this model (24 weeks) allows the effects of metabolic risk factors and metformin to be tested and potentially generalised to other forms of neurodegenerative disease. Mice fed a high fat diet (HFD) developed high adiposity with impaired glucose and insulin homeostasis, similar to the effects of chronic obesity seen in humans whereas mice on matched control diet (CD) remain metabolically healthy. Chronic treatment with metformin in HFD-fed mice significantly increased survival and health span relative to vehicle-treated mice. Mice fed a HFD also had a modestly extended health span relative to mice fed CD, as measured by development of motor signs of prion disease. Metformin also significantly extended health span in metabolically healthy CD-fed mice. Using targeted mass spectrometry, we found that metformin reached deep brain structures at likely functional concentrations, raising the intriguing possibility that it may exert its neuroprotective effects directly on the brain. Together, these data broadly support the premise of repurposing metformin for neuroprotection, even in metabolically healthy individuals.