Abstract Axonal transport ensures long-range delivery of essential cargoes between proximal and distal compartments of neurons, and is needed for neuronal development, function, and survival. Deficits in axonal transport have been detected at pre-symptomatic stages in mouse models of amyotrophic lateral sclerosis (ALS), suggesting that impairments are fundamental for disease pathogenesis. However, the precise mechanisms responsible for the transport deficits and whether they preferentially affect α-motor neuron (MN) subtypes remain unresolved. Here, we report that stimulation of wild-type neurons with brain-derived neurotrophic factor (BDNF) enhances trafficking of signalling endosomes specifically in fast MNs (FMNs). In early symptomatic SOD1 G93A mice, FMNs display selective impairment of axonal transport and develop an insensitivity to BDNF stimulation, with pathology upregulating classical non-pro-survival receptors in muscles and sciatic nerves. Altogether, these data indicate that cell- and non-cell autonomous BDNF signalling is impaired in vulnerable SOD1 G93A MNs, thus identifying a new key deficit in ALS amenable for future therapeutic interventions.

Abstract Dominant, missense mutations in the widely and constitutively expressed GARS1 gene cause a peripheral neuropathy that usually begins in adolescence and principally impacts the upper limbs. Caused by a toxic gain-of-function in the encoded glycyl-tRNA synthetase (GlyRS) enzyme, the neuropathology appears to be independent of the canonical role of GlyRS in aminoacylation. Patients display progressive, life-long weakness and wasting of muscles in hands followed by feet, with frequently associated deficits in sensation. When dysfunction is observed in motor and sensory nerves, there is a diagnosis of Charcot-Marie-Tooth disease type 2D (CMT2D), or distal hereditary motor neuropathy type V if the symptoms are purely motor. The cause of this varied sensory involvement remains unresolved, as are the pathomechanisms underlying the selective neurodegeneration characteristic of the disease. We have previously identified in CMT2D mice that neuropathy-causing Gars mutations perturb sensory neuron fate and permit mutant GlyRS to aberrantly interact with neurotrophin receptors (Trks). Here, we extend this work by interrogating further the anatomy and function of the CMT2D sensory nervous system in mutant Gars mice, obtaining several key results: 1) sensory pathology is restricted to neurons innervating the hindlimbs; 2) perturbation of sensory development is not common in mouse models of neuromuscular disease; 3) in vitro axonal transport of signalling endosomes is not impaired in afferent neurons of all CMT2D mouse models; and 4) Gars expression is selectively elevated in a subset of sensory neurons and linked to sensory developmental defects. These findings highlight the importance of comparative neurological assessment in mouse models of disease and shed light on key proposed neuropathogenic mechanisms in GARS1 -linked neuropathy.

Abstract Charcot-Marie-Tooth disease (CMT) is a genetic peripheral neuropathy caused by mutations in many functionally diverse genes. The aminoacyl-tRNA synthetase (ARS) enzymes, which transfer amino acids to partner tRNAs for protein synthesis, represent the largest protein family genetically linked to CMT aetiology, suggesting pathomechanistic commonalities. Dominant intermediate CMT type C (DI-CMTC) is caused by YARS1 mutations driving a toxic gain-of-function in the encoded tyrosyl-tRNA synthetase (TyrRS), which is mediated by exposure of consensus neomorphic surfaces through conformational changes of the mutant protein. In this study, we first showed that human DI-CMTC-causing TyrRS E196K mis-interacts with the extracellular domain of the BDNF receptor TrkB, an aberrant association we have previously characterised for several mutant glycyl-tRNA synthetases linked to CMT type 2D (CMT2D). We then performed temporal neuromuscular assessments of Yars E196K mice modelling DI-CMT. We determined that Yars E196K homozygotes display a selective, age-dependent impairment in in vivo axonal transport of neurotrophin-containing signalling endosomes, phenocopying CMT2D mice. This impairment is replicated by injection of recombinant TyrRS E196K , but not TyrRS WT , into muscles of wild-type mice. Augmenting BDNF in DI-CMTC muscles, through injection of recombinant protein or muscle-specific gene therapy, resulted in complete axonal transport correction. Therefore, this work identifies a non-cell autonomous pathomechanism common to ARS-related neuropathies, and highlights the potential of boosting BDNF levels in muscles as a therapeutic strategy.

Abstract Dominantly inherited, missense mutations in the widely expressed housekeeping gene, GARS1 , cause Charcot-Marie-Tooth type 2D (CMT2D), a peripheral neuropathy characterised by muscle weakness and wasting in limb extremities. Mice modelling CMT2D display early and selective neuromuscular junction (NMJ) pathology, epitomised by disturbed maturation and neurotransmission, leading to denervation. Indeed, the NMJ disruption has been reported in several different muscles; however, a systematic comparison of neuromuscular synapses from distinct body locations has yet to be performed. We therefore analysed NMJ development and degeneration across five different wholemount muscles to identify key synaptic features contributing to the distinct pattern of neurodegeneration in CMT2D mice. Denervation was found to occur along a distal-to-proximal gradient, providing a cellular explanation for the greater weakness observed in mutant Gars hindlimbs compared to forelimbs. Nonetheless, muscles from similar locations and innervated by axons of equivalent length showed significant differences in neuropathology, suggestive of additional factors impacting on site-specific neuromuscular degeneration. Defective NMJ development preceded and associated with degeneration, but was not linked to a delay of wild-type NMJ maturation processes. Correlation analyses indicate that muscle fibre type nor synaptic architecture explain the differential denervation of CMT2D NMJs, rather it is the extent of post-natal synaptic growth that predisposes to neurodegeneration. Together, this work improves our understanding of the mechanisms driving synaptic vulnerability in CMT2D and hints at pertinent pathogenic pathways.

It remains a mystery how dominantly inherited mutations in the housekeeping gene GARS, which encodes glycyl-tRNA synthetase (GlyRS), mediate selective peripheral nerve toxicity resulting in the currently incurable Charcot-Marie-Tooth disease type 2D (CMT2D). A recent study identified the transmembrane receptor protein neuropilin 1 (Nrp1) as a substrate for aberrant extracellular binding of mutant GlyRS. Formation of the Nrp1/mutant GlyRS complex antagonises the interaction of Nrp1 with one of its main natural ligands, vascular endothelial growth factor-A (VEGF-A), contributing to neurodegeneration. Reduced binding of Nrp1 to VEGF-A is known to disrupt blood vessel development and growth. We therefore analysed capillary architecture at early and later symptomatic time points in CMT2D mouse muscles, retina, and sciatic nerve, as well as in embryonic hindbrain. Assessing capillary diameter, density, and branching, we observed no differences between wild-type and mutant animals from embryonic development to three months, spanning the duration over which numerous sensory and neuromuscular phenotypes manifest. This work indicates that mutant GlyRS-mediated disruption of Nrp1/VEGF-A signalling is permissive to capillary maturation and maintenance in CMT2D mice.

Abstract The neuromuscular junction (NMJ) is the peripheral synapse formed between a motor neuron axon terminal and a muscle fibre. NMJs are thought to be the primary site of peripheral pathology in many neuromuscular diseases, but innervation/denervation status is often assessed qualitatively with poor systematic criteria across studies, and separately from 3D morphological structure. Here, we describe the development of ‘NMJ-Analyser’, to comprehensively screen the morphology of NMJs and their corresponding innervation status automatically. NMJ-Analyser generates 29 biologically relevant features to quantitatively define healthy and aberrant neuromuscular synapses and applies machine learning to diagnose NMJ degeneration. We validated this framework in longitudinal analyses of wildtype mice, as well as in four different neuromuscular disease models: three for amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and one for peripheral neuropathy. We showed that structural changes at the NMJ initially occur in the nerve terminal of mutant TDP43 and FUS ALS models. Using a machine learning algorithm, healthy and aberrant neuromuscular synapses are identified with 95% accuracy, with 88% sensitivity and 97% specificity. Our results validate NMJ-Analyser as a robust platform for systematic and structural screening of NMJs, and pave the way for transferrable, and cross-comparison and high-throughput studies in neuromuscular diseases.

Axonal degeneration underlies neuromuscular disorders and neuropathies. Dysregulation of neurotrophic factors, such as brain-derived neurotrophic factor (BDNF), in the peripheral nervous system has long been established to exacerbate axonopathy. However, the molecular programs controlled by BDNF that facilitate axonal regeneration and transport are not well-understood. Here, we unravel the transcriptomic and phosphorylation landscape shaped by BDNF in human iPSC-derived motor neurons. Using SLAM-Seq, we reveal BDNF stimulation increases global transcription rate in motor neurons and governs gene regulatory networks that converge with those engaged during axonal repair/outgrowth. Phosphoproteomic analyses demonstrate that BDNF remodels the phosphorylation landscape of cytoskeletal-binding proteins, especially of structural microtubule-associated proteins. Importantly, the localized axonal-specific activation of ERK1/2 is necessary for BDNF to enhance axonal transport of neurotrophin-containing signaling endosomes and to potentiate axonal regeneration after axotomy. Collectively, this work unveils a novel molecular paradigm that positions BDNF as a core regulator of transcriptional and phosphorylation programs driving axonal regeneration and transport in human motor neurons.

Abstract Viral vector technologies based on adeno-associated virus (AAV) have demonstrated promising ability to deliver genetic cargo to a range of organs in vivo, with several novel candidates showing clinical efficacy in human trials over the past decade. However, naturally occurring AAV serotypes are limited in their ability to target skeletal muscle, an important gene therapy target for many neuromuscular disorders. This means that high doses of AAV are often required to achieve therapeutically effective doses in muscle. To overcome this, novel AAV vector capsids have been engineered by inserting targeting peptides into the AAV9 capsid variable region VIII (VRIII) to achieve greater muscle transduction efficiency. Here we describe investigation of a newly reported capsid, called MyoAAV1A combined with clinically validated muscle-specific promoters. We profiled the efficiency of in vivo delivery to murine skeletal muscle and found that the optimal combination of MyoAAV1A capsid with MHCK7 promoter maintains transgene expression in skeletal muscle, and reduces expression in off-target tissues, particularly the liver. This highlights a promising capsid-promoter combination to progress in further preclinical research for skeletal muscle gene therapy. Graphical abstract

The neuromuscular junction (NMJ) is the highly specialised peripheral synapse formed between lower motor neuron terminals and muscle fibres. Post-synaptic acetylcholine receptors (AChRs), which are found in high density in the muscle membrane, bind to acetylcholine released into the synaptic cleft of the NMJ, ultimately facilitating the conversion of motor action potentials to muscle contractions. NMJs have been studied for many years as a general model for synapse formation, development and function, and are known to be early sites of pathological changes in many neuromuscular diseases. However, information is limited on the diversity of NMJs in different muscles, whether muscle fibre type impacts NMJ morphology and growth, and the relevance of these parameters to neuropathology. Here, this crucial gap was addressed using a robust and standardised semi-automated workflow called NMJ-morph to quantify features of pre- and post-synaptic NMJ architecture in an unbiased manner. Five wholemount muscles from wild-type mice were dissected and compared at immature (post-natal day, P7) and early adult (P31-32) timepoints. Post-synaptic AChR morphology was found to be more variable between muscles than that of the motor neuron terminal and there were greater differences in the developing NMJ than at the mature synapse. Post-synaptic architecture, but not neuronal morphology or post-natal synapse growth, correlates with fibre type and is largely independent of muscle fibre diameter. Counter to previous observations, this study indicates that smaller NMJs tend to innervate muscles with higher proportions of fast twitch fibres and that NMJ growth rate is not conserved across all muscles. Furthermore, healthy pre- and post-synaptic NMJ morphological parameters were collected for five anatomically and functionally distinct mouse muscles, generating reference data that will be useful for the future assessment of neuromuscular disease models.

Abstract Efficient long-range axonal transport is essential for maintaining neuronal function, and perturbations in this process underlie severe neurological diseases. We have previously demonstrated that signalling endosomes are transported in vivo at comparable speeds across motor neurons (MNs) innervating different hindlimb muscles, as well as between forelimb and hindlimb peripheral nerves. In contrast, axonal transport is faster in MNs compared to sensory neurons innervating the same muscle. Found periodically across the myelin sheath, Nodes of Ranvier (NoR) are short uncovered axonal domains that facilitate action potential propagation. Currently, it remains unresolved how the distinct molecular structures of the NoR impact axonal transport dynamics. Here, using intravital time-lapse microscopy of sciatic nerves in live, anaesthetised mice, we assessed diverse organelle dynamics at the NoR. We first observed that axonal morphologies were similar between fast and slow MNs, and found that signalling endosomes and mitochondria accumulate on the distal side of the NoR in both motor neuron subtypes. Assessment of axonal transport of signalling endosomes and mitochondria revealed a decrease in velocity and increase in pausing as the organelles transit through the NoR, followed by an increase in speed in the adjacent intranodal region. Collectively, this study has established axonal transport dynamics of two independent organelles at the NoR in vivo , and has relevance for several pathologies affecting peripheral nerves and the NoR, such as peripheral neuropathy, motor neuron diseases, and/or multiple sclerosis.