Most of the mammalian genome is transcribed. This generates a vast repertoire of transcripts that includes protein-coding messenger RNAs, long non-coding RNAs (lncRNAs) and repetitive sequences, such as SINEs (short interspersed nuclear elements). A large percentage of ncRNAs are nuclear-enriched with unknown function. Antisense lncRNAs may form sense-antisense pairs by pairing with a protein-coding gene on the opposite strand to regulate epigenetic silencing, transcription and mRNA stability. Here we identify a nuclear-enriched lncRNA antisense to mouse ubiquitin carboxy-terminal hydrolase L1 (Uchl1), a gene involved in brain function and neurodegenerative diseases. Antisense Uchl1 increases UCHL1 protein synthesis at a post-transcriptional level, hereby identifying a new functional class of lncRNAs. Antisense Uchl1 activity depends on the presence of a 5' overlapping sequence and an embedded inverted SINEB2 element. These features are shared by other natural antisense transcripts and can confer regulatory activity to an artificial antisense to green fluorescent protein. Antisense Uchl1 function is under the control of stress signalling pathways, as mTORC1 inhibition by rapamycin causes an increase in UCHL1 protein that is associated to the shuttling of antisense Uchl1 RNA from the nucleus to the cytoplasm. Antisense Uchl1 RNA is then required for the association of the overlapping sense protein-coding mRNA to active polysomes for translation. These data reveal another layer of gene expression control at the post-transcriptional level.

Immunizing transgenic PDAPP mice, which overexpress mutant APP and develop beta-amyloid deposition resembling plaques in Alzheimer's disease (AD), results in a decrease of amyloid burden when compared with non-treated transgenic animals. Immunization with amyloid-beta peptide has been initiated in a randomised pilot study in AD. Yet a minority of patients developed a neurological complication consistent with meningoencephalitis and one patient died; the trial has been stopped. Neuropathological examination in that patient showed meningoencephalitis, and focal atypically low numbers of diffuse and neuritic plaques but not of vascular amyloid, nor regression of tau pathology in neurofibrillary tangles and neuropil threads. The present neuropathological study reports the second case of meningoencephalitis following immunization with amyloid-beta peptide in AD, and has been directed toward exploring mechanisms underlying decreased tau pathology in relation with amyloid deposit regression, and possible molecular bases involved in the inflammatory response following immunization. Inflammatory infiltrates were composed of CD8+, CD4+, CD3+, CD5+ and, rarely, CD7+ lymphocytes, whereas B lymphocytes and T cytotoxic cells CD16, CD57, TIA and graenzyme were negative. Characteristic neuropathological findings were focal depletion of diffuse and neuritic plaques, but not of amyloid angiopathy, and the presence of small numbers of extremely dense (collapsed) plaques surrounded by active microglia, and multinucleated giant cells filled with dense Abeta42 and Abeta40, in addition to severe small cerebral blood vessel disease and multiple cortical hemorrhages. Reduced amyloid burden was accompanied by low amyloid-associated oxidative stress responses (reduced superoxide dismutase-1: SOD-1 expression) and by local inhibition of the stress-activated protein kinase/c-Jun N-terminal kinase (SAPK/JNK) and p38 kinase which are involved in tau phosphorylation. These results support the amyloid cascade of tau phosphorylation in AD regarding phosphorylation of tau dependent on beta-amyloid deposition in neuritic plaques, but not of tau in neurofibrillary tangles and threads. Furthermore, amyloid reduction was accompanied by increased expression of the PA28a/beta inductor, and of LMP7, LMP2 and MECL1 subunits of the immunoproteasome in microglial and inflammatory cells surrounding collapsed plaques, and in multinucleated giant cells. Immunoproteasome subunit expression was accompanied by local presentation of MHC class I molecules. Release of antigenic peptides derived from beta-amyloid processing may enhance T-cell inflammatory responses accounting for the meningoencephalitis following amyloid-beta peptide immunization.

Frontotemporal lobar degeneration (FTLD) is the second most common cause of presenile dementia. The predominant neuropathology is FTLD with TAR DNA-binding protein (TDP-43) inclusions (FTLD-TDP). FTLD-TDP is frequently familial, resulting from mutations in GRN (which encodes progranulin). We assembled an international collaboration to identify susceptibility loci for FTLD-TDP through a genome-wide association study of 515 individuals with FTLD-TDP. We found that FTLD-TDP associates with multiple SNPs mapping to a single linkage disequilibrium block on 7p21 that contains TMEM106B. Three SNPs retained genome-wide significance following Bonferroni correction (top SNP rs1990622, P = 1.08 x 10(-11); odds ratio, minor allele (C) 0.61, 95% CI 0.53-0.71). The association replicated in 89 FTLD-TDP cases (rs1990622; P = 2 x 10(-4)). TMEM106B variants may confer risk of FTLD-TDP by increasing TMEM106B expression. TMEM106B variants also contribute to genetic risk for FTLD-TDP in individuals with mutations in GRN. Our data implicate variants in TMEM106B as a strong risk factor for FTLD-TDP, suggesting an underlying pathogenic mechanism.

To investigate chaperone-mediated autophagy in the pathogenesis of Parkinson disease (PD).Postmortem observational study.University Department of Clinical Neuroscience, Institute of Neurology, University College London.Postmortem samples from 7 PD, 6 Alzheimer disease (AD), and 8 control brains.Lysosomal-associated membrane protein 2A (LAMP2A) and heat shock cognate 70 (hsc70) protein levels were compared in the substantia nigra pars compacta and amygdala of PD, AD, and control brain samples. To provide insight into the turnover of α-synuclein, degradation pathways for this protein were studied in a dopaminergic cell line.The expression levels of the chaperone-mediated autophagy proteins LAMP2A and hsc70 were significantly reduced in the substantia nigra pars compacta and amygdala of PD brains compared with age-matched AD and control brain samples. Lewy bodies in these regions contained autophagy-related proteins. We demonstrated that decreased LAMP2A levels in dopaminergic cell lines reduced chaperone-mediated autophagy activity and increased the half-life of α-synuclein.These findings suggest that there is reduced chaperone-mediated autophagy activity in the PD brain, provide evidence for the role of autophagy in PD pathogenesis and Lewy body formation, and suggest that this pathway may be a suitable therapeutic target in PD.

MicroRNAs (miRNAs) are post-transcriptional gene expression regulators, playing key roles in neuronal development, plasticity and disease. Parkinson's disease (PD) is the second most common neurodegenerative disorder, characterized by the presence of protein inclusions or Lewy bodies and a progressive loss of dopaminergic neurons in the midbrain. Here, we have evaluated miRNA expression deregulation in PD brain samples. MiRNA expression profiling revealed decreased expression of miR-34b and miR-34c in brain areas with variable neuropathological affectation at clinical (motor) stages (Braak stages 4 and 5) of the disease, including the amygdala, frontal cortex, substantia nigra and cerebellum. Furthermore, misregulation of miR-34b/c was detected in pre-motor stages (stages 1–3) of the disease, and thus in cases that did not receive any PD-related treatment during life. Depletion of miR-34b or miR-34c in differentiated SH-SY5Y dopaminergic neuronal cells resulted in a moderate reduction in cell viability that was accompanied by altered mitochondrial function and dynamics, oxidative stress and reduction in total cellular adenosin triphosphate content. MiR-34b/c downregulation was coupled to a decrease in the expression of DJ1 and Parkin, two proteins associated to familial forms of PD that also have a role in idiopathic cases. Accordingly, DJ1 and Parkin expression was reduced in PD brain samples displaying strong miR-34b/c downregulation. We propose that early deregulation of miR-34b/c in PD triggers downstream transcriptome alterations underlying mitochondrial dysfunction and oxidative stress, which ultimately compromise cell viability. A better understanding of the cellular pathways controlling and/or controlled by miR-34b/c should allow identification of targets for development of therapeutic approaches.

It has been recognized that molecular classifications will form the basis for neuropathological diagnostic work in the future. Consequently, in order to reach a diagnosis of Alzheimer's disease (AD), the presence of hyperphosphorylated tau (HP-tau) and beta-amyloid protein in brain tissue must be unequivocal. In addition, the stepwise progression of pathology needs to be assessed. This paper deals exclusively with the regional assessment of AD-related HP-tau pathology. The objective was to provide straightforward instructions to aid in the assessment of AD-related immunohistochemically (IHC) detected HP-tau pathology and to test the concordance of assessments made by 25 independent evaluators. The assessment of progression in 7-microm-thick sections was based on assessment of IHC labeled HP-tau immunoreactive neuropil threads (NTs). Our results indicate that good agreement can be reached when the lesions are substantial, i.e., the lesions have reached isocortical structures (stage V-VI absolute agreement 91%), whereas when only mild subtle lesions were present the agreement was poorer (I-II absolute agreement 50%). Thus, in a research setting when the extent of lesions is mild, it is strongly recommended that the assessment of lesions should be carried out by at least two independent observers.

Most of the studies characterizing DNA methylation patterns have been restricted to particular genomic loci in a limited number of human samples and pathological conditions. Herein, we present a compromise between an extremely comprehensive study of a human sample population with an intermediate level of resolution of CpGs at the genomic level. We obtained a DNA methylation fingerprint of 1628 human samples in which we interrogated 1505 CpG sites. The DNA methylation patterns revealed show this epigenetic mark to be critical in tissue-type definition and stemness, particularly around transcription start sites that are not within a CpG island. For disease, the generated DNA methylation fingerprints show that, during tumorigenesis, human cancer cells underwent a progressive gain of promoter CpG-island hypermethylation and a loss of CpG methylation in non-CpG-island promoters. Although transformed cells are those in which DNA methylation disruption is more obvious, we observed that other common human diseases, such as neurological and autoimmune disorders, had their own distinct DNA methylation profiles. Most importantly, we provide proof of principle that the DNA methylation fingerprints obtained might be useful for translational purposes by showing that we are able to identify the tumor type origin of cancers of unknown primary origin (CUPs). Thus, the DNA methylation patterns identified across the largest spectrum of samples, tissues, and diseases reported to date constitute a baseline for developing higher-resolution DNA methylation maps and provide important clues concerning the contribution of CpG methylation to tissue identity and its changes in the most prevalent human diseases.

The occurrence of endoplasmic reticulum (ER) stress in the sporadic form of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is unknown, despite it has been recently documented in experimental models of the familial form. Here we show that spinal cord from patients with sporadic ALS showed signs of ER stress, such as increased levels of ER chaperones such as protein-disulfide isomerase, and increased phosphorylation of eukaryotic initiation factor 2α (eIF2α). Among the potential causes of such ER stress proteasomal impairment was confirmed in the same samples by demonstrating increased ubiquitin immunoreactivity and increased protein lipoxidative (125%), glycoxidative (55%) and direct oxidative damage (62%) over control values, as evidenced by mass-spectrometry and immunological methods. We found that protein oxidative damage was strongly associated to ALS-specific changes in fatty acid concentrations, specifically of n-3 series (as docosahexaenoic acid), and in the amount of mitochondrial components as respiratory complexes I and III, suggesting a mitochondrial dysfunction leading to increased free radical production. Oxidative stress was also evidenced in frontal cortex, suggesting that this region is affected early in ALS. As those events were partially reproduced by threohydroxyaspartate exposure in organotypic spinal cord cultures, we concluded that changes in fatty acid composition, mitochondrial function and proteasome activity, which may be driven by excitotoxicity, lead to oxidative stress and finally contribute to ER stress in sporadic ALS.

Lipid rafts are cholesterol- and sphingomyelin-enriched microdomains that provide a highly saturated and viscous physico-chemical microenvironment to promote protein-lipid and protein-protein interactions. We purified lipid rafts from human frontal cortex from normal, early motor stages of Parkinson’s disease (PD) and incidental Parkinson’s disease (iPD) subjects and analyzed their lipid composition. We observed that lipid rafts from PD and iPD cortices exhibit dramatic reductions in their contents of n-3 and n-6 long-chain polyunsaturated fatty acids, especially docosahexaenoic acid (22:6-n3) and arachidonic acid (20:4n-6). Also, saturated fatty acids (16:0 and 18:0) were significantly higher than in control brains. Paralleling these findings, unsaturation and peroxidability indices were considerably reduced in PD and iPD lipid rafts. Lipid classes were also affected in PD and iPD lipid rafts. Thus, phosphatidylserine and phosphatidylinositol were increased in PD and iPD, whereas cerebrosides and sulfatides and plasmalogen levels were considerably diminished. Our data pinpoint a dramatic increase in lipid raft order due to the aberrant biochemical structure in PD and iPD and indicate that these abnormalities of lipid rafts in the frontal cortex occur at early stages of PD pathology. The findings correlate with abnormal lipid raft signaling and cognitive decline observed during the development of these neurodegenerative disorders.

ABSTRACT Intracellular inclusions accompanying neurodegeneration are histopathologically and ultrastructurally heterogeneous but the significance of this heterogeneity is unclear. iPSC models, while promising for disease modeling, do not form inclusions in a reasonable timeframe and suffer from limited tractability. Here, we developed an iPSC toolbox utilizing piggyBac-based or targeted transgenes to rapidly induce CNS cells with concomitant expression of aggregation-prone proteins. This system is amenable to screening and longitudinal tracking at single-cell and single-inclusion resolution. For proof-of-principle, cortical neuron α-synuclein “inclusionopathy” models were engineered to form inclusions through exogenous seeding or α-synuclein mutation. These models recapitulated known fibril- and lipid-rich inclusion subtypes, uncovering dynamic interactions between them, and refined the classification of inclusions in postmortem brain. Genetic-modifier and protein-interaction screens pinpointed proteins like RhoA whose sequestration into specific inclusion subtypes is likely to be toxic. This iPSC platform should enhance our understanding of proteinaceous pathologies in neurodegeneration and facilitate therapeutics development.