Brain aging is associated with diminished circadian clock output and decreased expression of the core clock proteins, which regulate many aspects of cellular biochemistry and metabolism. The genes encoding clock proteins are expressed throughout the brain, though it is unknown whether these proteins modulate brain homeostasis. We observed that deletion of circadian clock transcriptional activators aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator–like (Bmal1) alone, or circadian locomotor output cycles kaput (Clock) in combination with neuronal PAS domain protein 2 (Npas2), induced severe age-dependent astrogliosis in the cortex and hippocampus. Mice lacking the clock gene repressors period circadian clock 1 (Per1) and period circadian clock 2 (Per2) had no observed astrogliosis. Bmal1 deletion caused the degeneration of synaptic terminals and impaired cortical functional connectivity, as well as neuronal oxidative damage and impaired expression of several redox defense genes. Targeted deletion of Bmal1 in neurons and glia caused similar neuropathology, despite the retention of intact circadian behavioral and sleep-wake rhythms. Reduction of Bmal1 expression promoted neuronal death in primary cultures and in mice treated with a chemical inducer of oxidative injury and striatal neurodegeneration. Our findings indicate that BMAL1 in a complex with CLOCK or NPAS2 regulates cerebral redox homeostasis and connects impaired clock gene function to neurodegeneration.

To advance the understanding of KCNQ2 encephalopathy genotype-phenotype relationships and to begin to assess the potential of selective KCNQ channel openers as targeted treatments.We retrospectively studied 23 patients with KCNQ2 encephalopathy, including 11 treated with ezogabine (EZO). We analyzed the genotype-phenotype relationships in these and 70 previously described patients.The mean seizure onset age was 1.8 ± 1.6 (SD) days. Of the 20 EEGs obtained within a week of birth, 11 showed burst suppression. When new seizure types appeared in infancy (15 patients), the most common were epileptic spasms (n = 8). At last follow-up, seizures persisted in 9 patients. Development was delayed in all, severely in 14. The KCNQ2 variants identified introduced amino acid missense changes or, in one instance, a single residue deletion. They were clustered in 4 protein subdomains predicted to poison tetrameric channel functions. EZO use (assessed by the treating physicians and parents) was associated with improvement in seizures and/or development in 3 of the 4 treated before 6 months of age, and 2 of the 7 treated later; no serious side effects were observed.KCNQ2 variants cause neonatal-onset epileptic encephalopathy of widely varying severity. Pathogenic variants in epileptic encephalopathy are clustered in "hot spots" known to be critical for channel activity. For variants causing KCNQ2 channel loss of function, EZO appeared well tolerated and potentially beneficial against refractory seizures when started early. Larger, prospective studies are needed to enable better definition of prognostic categories and more robust testing of novel interventions.This study provides Class IV evidence that EZO is effective for refractory seizures in patients with epilepsy due to KCNQ2 encephalopathy.

Abstract Biallelic variants in TBC1-domain containing kinase ( TBCK ) cause intellectual disability in children. It remains unclear how variants in TBCK lead to a neurodevelopmental disorder and what biological factors modulate the variability of clinical severity. Previous studies showed increased autophagosomes in patients sharing the truncating (p.R126X) Boricua homozygous TBCK variant, who exhibit a severe and progressive neurodegenerative phenotype. Since defects in mitophagy are linked to neurodegenerative disorders, we tested whether mitophagy and mitochondrial function are altered in TBCK -/- fibroblasts. Our data shows significant accumulation of mitophagosomes, reduced mitochondrial respiratory capacity, and mtDNA depletion. Furthermore, mitochondrial dysfunction correlates with the severity of the neurological phenotype. Since effective mitophagy and degradation of mitophagosomes ultimately depends on successful lysosomal degradation, we also tested lysosomal function. Our data shows that lysosomal proteolytic function is significantly reduced in TBCK -/- fibroblasts. Moreover, acidifying lysosomal nanoparticles rescue the mitochondrial respiratory defects, suggesting that impaired mitochondrial quality control secondary to lysosomal dysfunction, may play an important role in the pathogenicity of this rare neurodevelopmental disorder and predict the degree of disease progression and neurodegeneration.

Infantile encephalopathies are a group of clinically and biologically heterogeneous disorders for which the genetic basis remains largely unknown. Here, we report a previously unrecognized syndromic neonatal encephalopathy characterized by profound developmental disability, severe hypotonia, seizures, diminished respiratory drive requiring mechanical ventilation, brain atrophy, corpus callosum dysgenesis, cerebellar vermis hypoplasia, and facial dysmorphism. Biallelic inactivating mutations in TBCK (TBC1 domain-containing kinase) were independently identified by Whole-Exome Sequencing (WES) as the cause of this condition in four unrelated families. Matching these families was facilitated by sharing phenotypic profiles and WES data in a recently released web-based tool (Geno2MP) that links phenotypic information to rare variants in families with Mendelian traits. TBCK is a putative GTPase-activating protein (GAP) for small GTPases of the Rab family and has been shown to control cell growth and proliferation, actin cytoskeleton dynamics, and mTOR signaling. Two of the three mutations are predicted to truncate the protein (c.376C>T [p.Arg126*] and c.1363A>T [p.Lys455*]), and loss of the major TBCK isoform was confirmed in primary fibroblasts from one affected individual. The third mutation, c.1532G>A [p.Arg511His], alters a conserved residue within the TBC1 domain. Structural analysis implicates Arg511 as a required residue for Rab-GAP function, and in silico homology modeling predicts impaired GAP function in the corresponding mutant. These results suggest loss of Rab-GAP activity is the underlying mechanism of disease. In contrast to other disorders caused by dysregulated mTOR signaling associated with focal or global brain overgrowth, impaired TBCK function results in progressive loss of brain volume.

Abstract Metabolic dysregulation is one of the most common causes of pediatric neurodegenerative disorders. However, how the disruption of ubiquitous and essential metabolic pathways predominantly affect neural tissue remains unclear. Here we use mouse models of AMPD2 deficiency to study cellular and molecular mechanisms that lead to selective neuronal vulnerability to purine metabolism imbalance. We show that AMPD deficiency in mice primarily leads to hippocampal dentate gyrus degeneration despite causing a generalized reduction of brain GTP levels. Remarkably, we found that neurodegeneration resistant regions accumulate micron sized filaments of IMPDH2, the rate limiting enzyme in GTP synthesis. In contrast, IMPDH2 filaments are barely detectable in the hippocampal dentate gyrus, which shows a progressive neuroinflammation and neurodegeneration. Furthermore, using a human AMPD2 deficient neural cell culture model, we show that blocking IMPDH2 polymerization with a dominant negative IMPDH2 variant, impairs AMPD2 deficient neural progenitor growth. Together, our findings suggest that IMPDH2 polymerization prevents detrimental GTP deprivation in neurons with available GTP precursor molecules, providing resistance to neurodegeneration. Our findings open the possibility of exploring the involvement of IMPDH2 assembly as a therapeutic intervention for neurodegeneration.