Objective: The aim of this study was to search for genes/variants that modify the effect of LRRK2 mutations in terms of penetrance and age-at-onset of Parkinson's disease. Methods: We performed the first genome-wide association study of penetrance and age-at-onset of Parkinson's disease in LRRK2 mutation carriers (776 cases and 1,103 non-cases at their last evaluation). Cox proportional hazard models and linear mixed models were used to identify modifiers of penetrance and age-at-onset of LRRK2 mutations, respectively. We also investigated whether a polygenic risk score derived from a published genome-wide association study of Parkinson's disease was able to explain variability in penetrance and age-at-onset in LRRK2 mutation carriers. Results: A variant located in the intronic region of CORO1C on chromosome 12 (rs77395454; P-value=2.5E-08, beta=1.27, SE=0.23, risk allele: C) met genome-wide significance for the penetrance model. A region on chromosome 3, within a previously reported linkage peak for Parkinson's disease susceptibility, showed suggestive associations in both models (penetrance top variant: P-value=1.1E-07; age-at-onset top variant: P-value=9.3E-07). A polygenic risk score derived from publicly available Parkinson's disease summary statistics was a significant predictor of penetrance, but not of age-at-onset. Interpretation: This study suggests that variants within or near CORO1C may modify the penetrance of LRRK2 mutations. In addition, common Parkinson's disease associated variants collectively increase the penetrance of LRRK2 mutations.

The understanding of how different cell types contribute to amyotrophic lateral sclerosis (ALS) pathogenesis is limited. Here we generated a single-nucleus transcriptomic and epigenomic atlas of the frontal cortex of ALS cases with C9orf72 (C9) hexanucleotide repeat expansions and sporadic ALS (sALS). Our findings reveal shared pathways in C9-ALS and sALS, characterized by synaptic dysfunction in excitatory neurons and a disease-associated state in microglia. The disease subtypes diverge with loss of astrocyte homeostasis in C9-ALS, and a more substantial disturbance of inhibitory neurons in sALS. Leveraging high depth 3'-end sequencing, we found a widespread switch towards distal polyadenylation (PA) site usage across ALS subtypes relative to controls. To explore this differential alternative PA (APA), we developed APA-Net, a deep neural network model that uses transcript sequence and expression levels of RNA-binding proteins (RBPs) to predict cell-type specific APA usage and RBP interactions likely to regulate APA across disease subtypes.

Abstract Several in vitro and in vivo findings have consistently shown that α-synuclein derived from multiple system atrophy (MSA) subjects has more seeding capacity than Parkinson’s disease-derived α-synuclein. However, reliable detection of α-synuclein derived from MSA using seeded amplification assays, such as the Real-Time Quaking-induced Conversion, has remained challenging. Here we demonstrate that the interaction of the Thioflavin T dye with α-synuclein from MSA and Parkinson’s disease patients can be modulated by the type of salt, pH, and ionic strength used to generate strain-specific reaction buffers. Employing this novel approach, we have generated a streamlined Real-Time Quaking-induced Conversion assay capable of categorizing MSA brains according to their α-synuclein seeding behavior, and to unravel a previously unrecognized heterogeneity in seeding activity between different brain regions of a given individual that goes beyond immunohistochemical observations and provide a framework for future molecular subtyping of MSA.

Abstract Progressive Supranuclear palsy (PSP) is a 4-repeat (4-R) tauopathy. We hypothesized that the molecular diversity of tau could explain the heterogeneity seen in PSP disease progression. To test this hypothesis, we performed an extensive biochemical characterisation of the high molecular weight tau species (HMW-Tau) in 20 different brain regions of 25 PSP patients. We found a correlation between the HMW-Tau species and tau seeding capacity in the primary motor cortex, where we confirmed that an elevated 4R-Tau seeding activity correlates with a shorter disease duration. To identify factors that contribute to these differences, we performed proteomic and spatial transcriptomic analysis that revealed key mechanistic pathways, in particular those involving the immune system, that defined patients demonstrating high and low tau seeding capacity. These observations suggest that differences in the tau seeding activity may contribute to the considerable heterogeneity seen in disease progression of patients suffering from PSP.

Abstract The molecular mechanisms underlying L-dihydroxyphenylalanine (LDOPA) induced dyskinesia in Parkinson’s disease are poorly understood. Here we employ two transgenic mouse lines, combining translating ribosomal affinity purification (TRAP) with bacterial artificial chromosome expression (Bac), to selectively isolate RNA from either DRD1A expressing striatonigral, or DRD2 expressing striatopallidal medium spiny neurons (MSNs) of the direct and indirect pathways respectively, to study changes in translational gene expression following repeated LDOPA treatment. 6-OHDA lesioned DRD1A and DRD2 BacTRAP mice were treated with either saline or LDOPA bi-daily for 21 days over which time they developed abnormal involuntary movements reminiscent of dyskinesia. On day 22, all animals received LDOPA 40 minutes prior to sacrifice. The striatum of the lesioned hemisphere was dissected and subject to TRAP. Extracted ribosomal RNA was amplified, purified and gene expression was quantified using microarray. 195 significantly varying transcripts were identified among the 4 treatment groups. Pathway analysis revealed an overrepresentation of calcium signaling and long-term potentiation in the DRD1A expressing MSNs of the direct pathway, with significant involvement of long-term depression in the DRD2 expressing MSNs of the indirect pathway following chronic treatment with LDOPA. Several MAPK associated genes ( NR4A1 , GADD45G , STMN1 , FOS and DUSP1 ) differentiated the direct and indirect pathways following both acute and chronic LDOPA treatment. However, the MAPK pathway activator PAK1 was downregulated in the indirect pathway and upregulated in the direct pathway, strongly suggesting a role for PAK1 in regulating the opposing effects of LDOPA on these two pathways in dyskinesia. Future studies will assess the potential of targeting these genes and pathways to prevent the development of LDOPA-induced dyskinesia.

Abstract Failures in mitophagy, a process by which damaged mitochondria are cleared, results in neurodegeneration, while enhancing mitophagy promotes the survival of dopaminergic neurons. Using an artificial intelligence platform, we employed a natural language processing approach to evaluate the semantic similarity of candidate molecules to a set of well-established mitophagy enhancers. Top candidates were screened in a cell-based mitochondrial clearance assay. Probucol, a lipid-lowering drug, was validated across several orthogonal mitophagy assays. In vivo , probucol improved survival, locomotor function and dopaminergic neuron loss in zebrafish and fly models of mitochondrial damage. Probucol functioned independently of PINK1/Parkin but its effects on mitophagy and in vivo depended on ABCA1, which negatively regulated mitophagy following mitochondrial damage. Autophagosome and lysosomal markers were elevated by probucol treatment in addition to increased contact between lipid droplets and mitochondria. Conversely, lipid droplet expansion, which occurs following mitochondrial damage was suppressed by probucol and probucol-mediated mitophagy enhancement required lipid droplets. Probucol-mediated lipid droplet dynamics changes may prime the cell for a more efficient mitophagic response to mitochondrial damage.