The mechanisms involved in prion neurotoxicity are unclear, and therapies preventing accumulation of PrPSc, the disease-associated form of prion protein (PrP), do not significantly prolong survival in mice with central nervous system prion infection. We found that depleting endogenous neuronal PrPc in mice with established neuroinvasive prion infection reversed early spongiform change and prevented neuronal loss and progression to clinical disease. This occurred despite the accumulation of extraneuronal PrPSc to levels seen in terminally ill wild-type animals. Thus, the propagation of nonneuronal PrPSc is not pathogenic, but arresting the continued conversion of PrPc to PrPSc within neurons during scrapie infection prevents prion neurotoxicity.

Accumulation of prion protein during prion replication causes persistent translational repression of global protein synthesis, which is mediated by eIF2α-P and is associated with synaptic failure and neuronal loss in prion-diseased mice; promoting translational recovery in hippocampi of prion-infected mice is neuroprotective. Despite extensive research, the mechanisms leading to neuronal loss in neurodegenerative disease are still little understood, and no treatments or promising treatment strategies exist. Using prion-diseased mice as a model, this study demonstrates that the accumulation of misfolded prion protein during prion replication causes persistent translational repression of global protein synthesis. This is mediated by eIF2α-P and is associated with synaptic failure and neuronal loss in prion-diseased mice. Promoting translational recovery in the hippocampi of prion-infected mice is neuroprotective, suggesting that a generic approach involving the fine-tuning of protein synthesis may be worth pursuing in prion diseases, and perhaps in other neurodegenerative disorders involving protein misfolding. The mechanisms leading to neuronal death in neurodegenerative disease are poorly understood. Many of these disorders, including Alzheimer’s, Parkinson’s and prion diseases, are associated with the accumulation of misfolded disease-specific proteins. The unfolded protein response is a protective cellular mechanism triggered by rising levels of misfolded proteins. One arm of this pathway results in the transient shutdown of protein translation, through phosphorylation of the α-subunit of eukaryotic translation initiation factor, eIF2. Activation of the unfolded protein response and/or increased eIF2α-P levels are seen in patients with Alzheimer’s, Parkinson’s and prion diseases1,2,3,4, but how this links to neurodegeneration is unknown. Here we show that accumulation of prion protein during prion replication causes persistent translational repression of global protein synthesis by eIF2α-P, associated with synaptic failure and neuronal loss in prion-diseased mice. Further, we show that promoting translational recovery in hippocampi of prion-infected mice is neuroprotective. Overexpression of GADD34, a specific eIF2α-P phosphatase, as well as reduction of levels of prion protein by lentivirally mediated RNA interference, reduced eIF2α-P levels. As a result, both approaches restored vital translation rates during prion disease, rescuing synaptic deficits and neuronal loss, thereby significantly increasing survival. In contrast, salubrinal, an inhibitor of eIF2α-P dephosphorylation5, increased eIF2α-P levels, exacerbating neurotoxicity and significantly reducing survival in prion-diseased mice. Given the prevalence of protein misfolding and activation of the unfolded protein response in several neurodegenerative diseases, our results suggest that manipulation of common pathways such as translational control, rather than disease-specific approaches, may lead to new therapies preventing synaptic failure and neuronal loss across the spectrum of these disorders.

During prion disease, an increase in misfolded prion protein (PrP) generated by prion replication leads to sustained overactivation of the branch of the unfolded protein response (UPR) that controls the initiation of protein synthesis. This results in persistent repression of translation, resulting in the loss of critical proteins that leads to synaptic failure and neuronal death. We have previously reported that localized genetic manipulation of this pathway rescues shutdown of translation and prevents neurodegeneration in a mouse model of prion disease, suggesting that pharmacological inhibition of this pathway might be of therapeutic benefit. We show that oral treatment with a specific inhibitor of the kinase PERK (protein kinase RNA-like endoplasmic reticulum kinase), a key mediator of this UPR pathway, prevented UPR-mediated translational repression and abrogated development of clinical prion disease in mice, with neuroprotection observed throughout the mouse brain. This was the case for animals treated both at the preclinical stage and also later in disease when behavioral signs had emerged. Critically, the compound acts downstream and independently of the primary pathogenic process of prion replication and is effective despite continuing accumulation of misfolded PrP. These data suggest that PERK, and other members of this pathway, may be new therapeutic targets for developing drugs against prion disease or other neurodegenerative diseases where the UPR has been implicated.

Prion protein (PrP) plays a crucial role in prion disease, but its physiological function remains unclear. Mice with gene deletions restricted to the coding region of PrP have only minor phenotypic deficits, but are resistant to prion disease. We generated double transgenic mice using the Cre-loxP system to examine the effects of PrP depletion on neuronal survival and function in adult brain. Cre-mediated ablation of PrP in neurons occurred after 9 weeks. We found that the mice remained healthy without evidence of neurodegeneration or other histopathological changes for up to 15 months post-knockout. However, on neurophysiological evaluation, they showed significant reduction of afterhyperpolarization potentials (AHPs) in hippocampal CA1 cells, suggesting a direct role for PrP in the modulation of neuronal excitability. These data provide new insights into PrP function. Furthermore, they show that acute depletion of PrP does not affect neuronal survival in this model, ruling out loss of PrP function as a pathogenic mechanism in prion disease and validating therapeutic approaches targeting PrP.

Abstract Widespread repression of protein synthesis rates is a key feature of Endoplasmic Reticulum (ER) stress, mediated by the ER sensor kinase PERK. While select transcripts escape this repression, global translational down-regulation impacts crucial protein levels in all cellular compartments, beyond the ER. How the cell manages this paradox is unclear. PERK has a unique cytoplasmic loop within its kinase domain that binds PERK’s target, eIF2α. We identified the mitochondrial protein, ATAD3A, as a new interactor of the loop, binding to a highly conserved region within it. During ER stress, increased interaction between ATAD3A and PERK attenuates PERK signalling to eIF2α, removing the translational block on several mitochondrial proteins. This occurs at novel context-dependent, mitochondria-ER contact sites. The interaction provides a previously unknown mechanism for fine-tuning translational repression at a local level, mitigating the impact of ER stress on mitochondria. Further, it represents a new target for selective modulation of PERK-eIF2α signalling in diseases from cancer to neurodegeneration. Graphical Abstract

Abstract Perineuronal nets (PNNs) enwrap mature neurons, playing a role in the control of plasticity and synapse dynamics. PNNs have been shown to have effects on memory formation, retention and extinction in a variety of animal models. It has been proposed that the cavities in PNNs which contain synapses can act as a memory store, which remains stable after events that cause synaptic withdrawal such as anoxia or hibernation. We examine this idea by monitoring positional memory before and after synaptic withdrawal caused by acute hibernation-like state (HLS). Animals lacking hippocampal PNNs due to enzymatic digestion by chondroitinase ABC or knockout of the PNN component aggrecan were compared with wild type controls. HLS-induced synapse withdrawal caused a memory deficit, but not to the level of naïve animals and not worsened by PNN attenuation. After HLS, animals lacking PNNs showed faster relearning. Absence of PNNs affected the restoration of inhibitory and excitatory synapses on PNN-bearing neurons. The results support a role for hippocampal PNNs in learning, but not in long-term memory storage.

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

Summary Enhanced expression of the cold-shock protein RNA binding motif 3 (RBM3) is highly neuroprotective both in vitro and in vivo . Whilst upstream signalling pathways leading to RBM3 expression have been described, the precise molecular mechanism of RBM3 induction during cooling remains elusive. To identify temperature-dependent modulators of RBM3, we performed a genome-wide CRISPR-Cas9 knockout screen using RBM3-reporter human iPSC-derived neurons. We found that RBM3 mRNA and protein levels are robustly regulated by several splicing factors, with heterogeneous nuclear ribonucleoprotein H1 (HNRNPH1) being the strongest positive regulator. Splicing analysis revealed that moderate hypothermia significantly represses the inclusion of a poison exon, which, when retained, targets the mRNA for nonsense-mediated decay. Importantly, we show that HNRNPH1 mediates this cold-dependent exon skipping via its interaction with a G-rich motif within the poison exon. Our study provides novel mechanistic insights into the regulation of RBM3 and provides further targets for neuroprotective therapeutic strategies. Graphical Abstract

Abstract Increased protein synthesis supports the rapid proliferation associated with cancer. The Rpl24 Bst mutant mouse reduces the expression of the ribosomal protein RPL24 and has been used to suppress translation and limit tumorigenesis in multiple mouse models of cancer. Here we show that Rpl24 Bst also suppresses tumorigenesis and proliferation in a model of colorectal cancer with two common patient mutations, Apc and Kras . In contrast to previous reports, Rpl24 Bst mutation has no effect on ribosomal subunit abundance but suppresses translation elongation through phosphorylation of eEF2, reducing protein synthesis by 40% in tumour cells. Ablating eEF2 phosphorylation in Rpl24 Bst mutant mice by inactivating its kinase, eEF2K, completely restores the rates of elongation and protein synthesis. Furthermore, eEF2K activity is required for the Rpl24 Bst mutant to suppress tumorigenesis. This work demonstrates that elevation of eEF2 phosphorylation is an effective means to suppress colorectal tumorigenesis with two driver mutations. This positions translation elongation as a therapeutic target in colorectal cancer, as well as other cancers where the Rpl24 Bst mutation has a tumour suppressive effect in mouse models.

Endoplasmic Reticulum (ER) stress induces repression of protein synthesis throughout the cell. Attempts to understand how localized stress leads to widespread repression have been limited by difficulties in resolving translation rates at the subcellular level. Here, using live-cell imaging of reporter mRNA translation, we unexpectedly found that during ER stress active translation at mitochondria was significantly protected. The mitochondrial protein, ATAD3A, interacted with PERK and mediated this effect on localized translation by competing for binding with PERK’s target, eIF2. PERK-ATAD3A interactions increased during ER stress, forming mitochondria-ER contact sites. Furthermore, ATAD3A binding attenuated local PERK signaling and rescued the expression of some mitochondrial proteins. Thus, PERK-ATAD3A interactions can control translational repression at a subcellular level, mitigating the impact of ER stress on the cell.