Cell signalling mechanisms are central to neuronal activity and their dysregulation may lead to neurodegenerative processes and associated cognitive decline. So far, a major effort has been directed toward the dissection of disease specific pathways with the still unmet promise to develop precision medicine strategies. With a different approach, here we show that a selective genetic potentiation of neuronal ERK signalling prevents cell death in vitro and in vivo in the mouse brain while ERK attenuation does the opposite. This neuroprotective effect can also be induced pharmacologically by a cell permeable peptide mimicking the loss of ERK1 MAP kinase, leading to a selective enhancement of ERK2 mediated nuclear cell signalling. The drug treatment prevents neurodegeneration in mouse models of Huntington's (HD), Alzheimer's (AD), and Parkinson's disease (PD). Importantly, the selective potentiation of ERK2 signalling facilitates both structural and synaptic plasticity, enhances cognition in healthy mice and rescues mild cognitive impairments in both models of AD and HD. Altogether, our observation truly represents a remarkable example of a shared molecular mechanism across multiple neurodegenerative disorders and a potentially valuable therapeutic target for neuro-enhancement.

The beneficial effects of Neural Precursor Cell (NPC) transplantation in several neurological disorders are well established and they are generally mediated by the secretion of immunomodulatory and neurotrophic molecules. We therefore investigated whether Rett syndrome (RTT), that represents the first cause of severe intellectual disability in girls, might benefit from an NPC-based therapy. Using in vitro co-cultures, we demonstrate that, by sensing the pathological context, NPC-secreted factors induce the recovery of morphological and synaptic defects typical of Mecp2 deficient neurons. In vivo, we prove that intracerebral transplantation of NPCs in RTT mice significantly ameliorates neurological functions. To uncover the molecular mechanisms underpinning the mediated benefic effects, we analysed the transcriptional profile of the cerebellum of transplanted animals, disclosing the possible involvement of the Interferon γ (IFNγ) pathway. Accordingly, we report the capacity of IFNγ to rescue synaptic defects, as well as motor and cognitive alterations in Mecp2 deficient models, thereby suggesting this molecular pathway as a potential therapeutic target for RTT.

Rett syndrome (RTT) is an incurable neurodevelopmental disorder caused by mutations in the gene encoding for methyl-CpG binding-protein 2 (MeCP2). Gene therapy for this disease presents inherent hurdles since MECP2 is expressed throughout the brain and its duplication leads to severe neurological conditions as well. However, the recent introduction of AAV- PHP.eB, an engineered capsid with an unprecedented efficiency in crossing the blood-brain barrier upon intravenous injection, has provided an invaluable vehicle for gene transfer in the mouse nervous system. Herein, we use AAV-PHP.eB to deliver an instability-prone Mecp2 (iMecp2) transgene cassette which, increasing RNA destabilization and inefficient protein translation of the viral Mecp2 transgene, limits supraphysiological Mecp2 protein levels in transduced neural tissues. Intravenous injections of the PHP.eB-iMecp2 virus in symptomatic male and female Mecp2 mutant mice significantly ameliorated the disease progression with improved locomotor activity, coordination, lifespan and normalization of altered gene expression and mTOR signaling. Remarkably, PHP.eB-iMecp2 administration did not result in severe toxicity effects either in female Mecp2 mutant or in wild-type animals. In contrast, we observed a strong immune response to the transgene in treated male Mecp2 mutant mice that was overcome by immunosuppression. Overall, PHP.eB-mediated delivery of the iMecp2 cassette provided widespread and efficient gene transfer maintaining physiological Mecp2 protein levels in the brain. This combination defines a novel viral system with significant therapeutic efficacy and increased safety which can contribute to overcome the hurdles that are delaying clinical applications of gene therapy for RTT.