Abstract Aβ peptides derived from the amyloid precursor protein (APP) have been strongly implicated in the pathogenesis of Alzheimer’s disease. However, the normal function of APP and the importance of that role in neurodegenerative disease is less clear. We recovered the Drosophila ortholog of APP, Appl, in an unbiased forward genetic screen for neurodegeneration mutants. We performed comprehensive single cell transcriptional and proteomic studies of Appl mutant flies to investigate Appl function in the aging brain. We found an unexpected role for Appl in control of multiple cellular pathways, including translation, mitochondrial function, nucleic acid and lipid metabolism, cellular signaling and proteostasis. We mechanistically defined a role for Appl in regulating autophagy through TGFβ signaling and documented the broader relevance of our findings using mouse genetic, human iPSC and in vivo tauopathy models. Our results demonstrate a conserved role for APP in controlling age-dependent proteostasis with plausible relevance to Alzheimer’s disease.

The chromosomes in the oocytes of many animals appear to promote bipolar spindle assembly. In oocytes, spindle assembly requires the chromosome passenger complex (CPC), which consists of INCENP, Borealin, Survivin and Aurora B. To determine what recruits the CPC to the chromosomes and its role in spindle assembly, we developed a strategy to manipulate the function and localization of INCENP, which is critical for recruiting the Aurora B kinase. We found that an interaction between Borealin and the chromatin is crucial for the recruitment of the CPC to the chromosomes and is sufficient to build kinetochores and recruit spindle microtubules. We also found that HP1 moves from the chromosomes to the spindle microtubules along with the CPC. We propose that the interaction with HP1 promotes the movement of the CPC from the chromosomes to the microtubules. In addition, within the central spindle, rather than at the centromeres, the CPC and HP1 are required for homologous chromosome bi-orientation.

Abstract Missense mutations in the gene encoding the microtubule-associated protein tau cause autosomal dominant forms of frontotemporal dementia. Multiple models of frontotemporal dementia based on transgenic expression of human tau in experimental model organisms, including Drosophila , have been described. These models replicate key features of the human disease, but do not faithfully recreate the genetic context of the human disorder. Here we use CRISPR-Cas mediated gene editing to model frontotemporal dementia caused by the tau P301L mutation by creating the orthologous mutation, P251L, in the endogenous Drosophila tau gene. Flies heterozygous or homozygous for tau P251L display age-dependent neurodegeneration, metabolic defects and accumulate DNA damage in affected neurons. To understand the molecular events promoting neuronal dysfunction and death in knock-in flies we performed single-cell RNA sequencing on approximately 130,000 cells from brains of tau P251L mutant and control flies. We found that expression of disease-associated mutant tau altered gene expression cell autonomously in all neuronal cell types identified and non-cell autonomously in glial cells. Cell signaling pathways, including glial-neuronal signaling, were broadly dysregulated as were brain region and cell-type specific protein interaction networks and gene regulatory programs. In summary, we present here a genetic model of tauopathy, which faithfully recapitulates the genetic context and phenotypic features of the human disease and use the results of comprehensive single cell sequencing analysis to outline pathways of neurotoxicity and highlight the role of non-cell autonomous changes in glia.

Giant Axonal Neuropathy (GAN) is a neurodegenerative disease caused by loss-of-function mutations in the

Abstract Giant Axonal Neuropathy (GAN) is a pediatric neurodegenerative disease caused by KLHL16 mutations. KLHL16 encodes gigaxonin, a regulator of intermediate filament (IF) protein turnover. Previous neuropathological studies and our own examination of postmortem GAN brain tissue in the current study revealed astrocyte involvement in GAN. To study the underlying mechanisms, we reprogrammed skin fibroblasts from seven GAN patients carrying different KLHL16 mutations to iPSCs. Isogenic controls with restored IF phenotypes were derived via CRISPR/Cas9 editing of one patient carrying a homozygous missense mutation (G332R). Neural progenitor cells (NPCs), astrocytes, and brain organoids were generated through directed differentiation. All GAN iPSC lines were deficient for gigaxonin, which was restored in the isogenic control. GAN iPSCs displayed patient-specific increased vimentin expression, while GAN NPCs had decreased nestin expression compared to isogenic control. The most striking phenotypes were observed in GAN iPSC-astrocytes and brain organoids, which exhibited dense perinuclear IF accumulations and abnormal nuclear morphology. GAN patient cells with large perinuclear vimentin aggregates accumulated nuclear KLHL16 mRNA. In over-expression studies, GFAP oligomerization and perinuclear aggregation were potentiated in the presence of vimentin. As an early effector of KLHL16 mutations, vimentin may serve as a potential therapeutic target in GAN.