ABSTRACT The human genome contains numerous duplicated regions, such as parent-pseudogene pairs, causing sequencing reads to align equally well to either gene. The extent to which this ambiguity complicates transcriptomic analyses is currently unknown. This is concerning as many parent genes have been linked to disease, including GBA1, causally linked to both Parkinson’s and Gaucher disease. We find that most of the short sequencing reads that map to GBA1 , also map to its pseudogene, GBAP1 . Using long-read RNA-sequencing in human brain, where all reads mapped uniquely, we demonstrate significant differences in expression compared to short-read data. We identify novel transcripts from both GBA1 and GBAP1 , including protein-coding transcripts that are translated in vitro and detected in proteomic data, but that lack GCase activity. By combining long-read with single-nuclear RNA-sequencing to analyse brain-relevant cell types we demonstrate that transcript expression varies by brain region with cell-type-selectivity. Taken together, these results suggest a non-lysosomal function for both GBA1 and GBAP1 in brain. Finally, we demonstrate that inaccuracies in annotation are widespread among parent genes, with implications for many human diseases.

Mutations in GBA1 cause Gaucher disease and are the most important genetic risk factor for Parkinson’s disease. However, analysis of transcription at this locus is complicated by its highly homologous pseudogene, GBAP1 . We show that >50% of short RNA-sequencing reads mapping to GBA1 also map to GBAP1 . Thus, we used long-read RNA sequencing in the human brain, which allowed us to accurately quantify expression from both GBA1 and GBAP1 . We discovered significant differences in expression compared to short-read data and identify currently unannotated transcripts of both GBA1 and GBAP1 . These included protein-coding transcripts from both genes that were translated in human brain, but without the known lysosomal function—yet accounting for almost a third of transcription. Analyzing brain-specific cell types using long-read and single-nucleus RNA sequencing revealed region-specific variations in transcript expression. Overall, these findings suggest nonlysosomal roles for GBA1 and GBAP1 with implications for our understanding of the role of GBA1 in health and disease.

Abstract Neuronal insulin resistance is linked to the pathogenesis of Parkinson’s disease through unclear, but potentially targetable, mechanisms. We delineated neuronal and glial mechanisms of insulin resistance and glucagon-like 1 peptide (GLP-1) receptor agonism in human iPSC models of synucleinopathy, and corroborated our findings in patient samples from a Phase 2 trial of a GLP-1R agonist in Parkinson’s ( NCT01971242 ). Human iPSC models of synucleinopathy exhibit neuronal insulin resistance and dysfunctional insulin signalling, which is associated with inhibition of the neuroprotective Akt pathways, and increased expression of the MAPK-associated p38 and JNK stress pathways. Ultimately, this imbalance is associated with cellular stress, impaired proteostasis, accumulation of α-synuclein, and neuronal loss. The GLP-1R agonist exenatide led to restoration of insulin signalling, associated with restoration of Akt signalling and suppression of the MAPK pathways in neurons. GLP-1R agonism reverses the neuronal toxicity associated with the synucleinopathy, through reduction of oxidative stress, improved mitochondrial and lysosomal function, reduced aggregation of α-synuclein, and enhanced neuronal viability. GLP-1R agonism further suppresses synuclein induced inflammatory states in glia, leading to neuroprotection through non cell autonomous effects. In the exenatide-PD2 clinical trial, exenatide treatment was associated with clinical improvement in individuals with higher baseline MAPK expression (and thus insulin resistance). Exenatide treatment led to a reduction of α-synuclein aggregates, and a reduction in inflammatory cytokine IL-6. Taken together, our patient platform defines the mechanisms of GLP-1R action in neurons and astrocytes, identifies the population likely to benefit from GLP-1R agonism, and highlights the utility of GLP-1R agonism as a disease modifying strategy in synucleinopathies.

Abstract Aggregation of α-Synuclein (α-Syn) drives Parkinson’s disease, although the initial stages of self-assembly and structural conversion have not been captured inside neurons. We track the intracellular conformational states of α-Syn utilizing a single-molecule FRET biosensor, and show that α-Syn converts from its monomeric state to form two distinct oligomeric states in neurons in a concentration dependent, and sequence specific manner. 3D FRET-CLEM reveals the structural organization, and location of aggregation hotspots inside the cell. Notably multiple intracellular seeding events occur preferentially on membrane surfaces, especially mitochondrial membranes. The mitochondrial lipid, cardiolipin triggers rapid oligomerization of A53T α-Syn, and cardiolipin is sequestered within aggregating lipid-protein complexes. Mitochondrial aggregates impair complex I activity and increase mitochondrial ROS generation, which accelerates the oligomerization of A53T α-Syn, and ultimately causes permeabilization of mitochondrial membranes, and cell death. Patient iPSC derived neurons harboring A53T mutations exhibit accelerated oligomerization that is dependent on mitochondrial ROS, early mitochondrial permeabilization and neuronal death. Our study highlights a mechanism of de novo oligomerization at the mitochondria and its induction of neuronal toxicity.

Abstract Mutations in the SNCA gene cause autosomal dominant Parkinson’s disease (PD), with progressive loss of dopaminergic neurons in the substantia nigra, and accumulation of aggregates of α-synuclein. However, the sequence of molecular events that proceed from the SNCA mutation during development, to its end stage pathology is unknown. Utilising human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) with SNCA mutations, we resolved the temporal sequence of pathophysiological events that occur during neuronal differentiation in order to discover the early, and likely causative, events in synucleinopathies. We adapted a small molecule-based protocol that generates highly enriched midbrain dopaminergic (mDA) neurons (>80%). We characterised their molecular identity using single-cell RNA sequencing and their functional identity through the synthesis and secretion of dopamine, the ability to generate action potentials, and form functional synapses and networks. RNA velocity analyses confirmed the developmental transcriptomic trajectory of midbrain neural precursors into mDA neurons using our approach, and identified key driver genes in mDA neuronal development. To characterise the synucleinopathy, we adopted super-resolution methods to determine the number, size and structure of aggregates in SNCA -mutant mDA neurons. At one week of differentiation, prior to maturation to mDA neurons of molecular and functional identity, we demonstrate the formation of small aggregates; specifically, β-sheet rich oligomeric aggregates, in SNCA -mutant midbrain immature neurons. The aggregation progresses over time to accumulate phosphorylated aggregates, and later fibrillar aggregates. When the midbrain neurons were functional, we observed evidence of impaired physiological calcium signalling, with raised basal calcium, and impairments in cytosolic and mitochondrial calcium efflux. Once midbrain identity fully developed, SNCA -mutant neurons exhibited bioenergetic impairments, mitochondrial dysfunction and oxidative stress. During the maturation of mDA neurons, upregulation of mitophagy and autophagy occured, and ultimately these multiple cellular stresses lead to an increase in cell death by six weeks post-differentiation. Our differentiation paradigm generates an efficient model for studying disease mechanisms in PD, and highlights that protein misfolding to generate intraneuronal oligomers is one of the earliest critical events driving disease in human neurons, rather than a late-stage hallmark of the disease.