Abstract In response to injury, neurons activate a program of organized axon self-destruction initiated by the NAD + hydrolase SARM1. In healthy neurons SARM1 is autoinhibited, but single amino acid changes can abolish autoinhibition leading to constitutively-active SARM1 enzymes that promote degeneration when expressed in cultured neurons. To investigate whether naturally-occurring human variants might similarly disrupt SARM1 autoinhibition and potentially contribute to risk for neurodegenerative disease, we assayed the enzymatic activity of 29 rare SARM1 alleles identified among 8,507 amyotrophic lateral sclerosis (ALS) patients. Ten missense variants or small in-frame deletions exhibit constitutive NADase activity, including more than half of those that are unique to the ALS patients or that occur in multiple patients. Expression of these constitutively active ALS-associated SARM1 alleles in cultured dorsal root ganglion (DRG) neurons is pro-degenerative and cytotoxic. Intrathecal injection of an AAV expressing the common SARM1 reference allele is innocuous to mice, but a construct harboring SARM1 V184G , the constitutively active variant found most frequently in the ALS patients, causes axon loss, motor dysfunction, and sustained neuroinflammation. These results implicate rare hypermorphic SARM1 alleles as candidate genetic risk factors for ALS and other neurodegenerative conditions.

SUMMARY SARM1 is an inducible TIR-domain NAD + hydrolase that mediates pathological axon degeneration. SARM1 is activated by an increased ratio of NMN to NAD + , which competes for binding to an allosteric activating site. When NMN binds, the TIR domain is released from autoinhibition, activating its NAD + hydrolase activity. The discovery of this allosteric activating site led us to hypothesize that other NAD + -related metabolites might also activate SARM1. Here we show that the nicotinamide analogue 3-acetylpyridine (3-AP), first identified as a neurotoxin in the 1940s, is converted to 3-APMN which activates SARM1 and induces SARM1-dependent NAD + depletion, axon degeneration and neuronal death. Systemic treatment with 3-AP causes rapid SARM1-dependent death, while local application to peripheral nerve induces SARM1-dependent axon degeneration. We also identify a related pyridine derivative, 2-aminopyridine, as another SARM1-dependent neurotoxin. These findings identify SARM1 as a candidate mediator of environmental neurotoxicity, and furthermore, suggest that SARM1 agonists could be developed into selective agents for neurolytic therapy.

Summary TDP-43 mediates proper Stathmin-2 (STMN2) mRNA splicing, and STMN2 protein is reduced in the spinal cord of most ALS patients. To test the hypothesis that STMN2 loss contributes to ALS pathogenesis, we generated constitutive and conditional STMN2 knockout mice. Constitutive STMN2 loss results in early-onset sensory and motor neuropathy featuring impaired motor behavior and dramatic distal neuromuscular junction (NMJ) denervation of fast-fatigable motor units, which are selectively vulnerable in ALS, without axon or motoneuron degeneration. Selective excision of STMN2 in motoneurons leads to similar NMJ pathology. STMN2 KO heterozygous mice, which better model the partial loss of STMN2 protein found in ALS patients, display a slowly progressive, motor-selective neuropathy with functional deficits and NMJ denervation. Thus, our findings strongly support the hypothesis that STMN2 reduction due to TDP-43 pathology contributes to ALS pathogenesis.

Abstract Schwann cells (SCs) myelinate and provide trophic support to axons in the peripheral nervous system (PNS) and disruption of SC cellular metabolism leads to demyelination and axon degeneration, both symptoms of peripheral neuropathies. The lactate shuttle hypothesis proposes that glycolytic support cells supply lactate to adjacent axons to sustain their high metabolic demands, a process that requires the interconversion of lactate and pyruvate via lactate dehydrogenase (LDH) in both SCs and neurons. To test this hypothesis in the PNS, we selectively knocked out the genes for both LDH enzymes, LDHA and LDHB, in motor neurons (MNs), sensory neurons (SNs), or SCs. Interestingly, motor axons and their synapses progressively degenerate when LDH is deleted from either MNs or SCs; however, defects in sensory axons or their terminals were not observed when LDH was excised from either SNs or SCs. Deletion of LDH in SCs also leads to a decrease in total ATP levels in peripheral nerves despite a marked accumulation of pyruvate and glycolytic intermediates, consistent with the failure of pyruvate to lactate conversion in SCs leading to energetic deficits in axons. These results support a model in which motor axons are more dependent on SC-derived lactate than are sensory axons, a specific dependency that suggests LDH and lactate shuttling influence the course of motor-dominated neuropathies such as ALS.

ABSTRACT Axon loss contributes to many common neurodegenerative disorders. In healthy axons, the axon survival factor NMNAT2 inhibits SARM1, the central executioner of programmed axon degeneration. We identified two rare NMNAT2 missense variants in two brothers afflicted with a progressive neuropathy syndrome. The polymorphisms result in amino acid substitutions, V98M and R232Q, which reduce NMNAT2 NAD + -synthetase activity. We generated a mouse model of the human syndrome and found that Nmnat2 V98M / Nmnat2 R232Q compound-heterozygous CRISPR mice survive to adulthood but develop progressive motor dysfunction, peripheral axon loss, and macrophage infiltration. These disease phenotypes are all SARM1-dependent. Remarkably, macrophage depletion therapy blocks and reverses neuropathic phenotypes in Nmnat2 V98M/R232Q mice, identifying a SARM1-dependent neuroimmune mechanism as a key driver of disease pathogenesis. These findings demonstrate that SARM1 induces an inflammatory neuropathy and highlight the potential of immune therapy to treat this rare syndrome and other neurodegenerative conditions associated with NMNAT2 loss and SARM1 activation.

Abstract SARM1 is an inducible NAD + hydrolase that is the central executioner of pathological axon loss. Recently, we elucidated the molecular mechanism of SARM1 activation, demonstrating that SARM1 is a metabolic sensor regulated by the levels of NAD + and its precursor, nicotinamide mononucleotide (NMN), via their competitive binding to an allosteric site within the SARM1 N-terminal ARM domain. In healthy neurons with abundant NAD + , binding of NAD + blocks access of NMN to this allosteric site. However, with injury or disease the levels of the NAD + biosynthetic enzyme NMNAT2 drop, increasing the NMN/ NAD + ratio and thereby promoting NMN binding to the SARM1 allosteric site, which in turn induces a conformational change activating the SARM1 NAD + hydrolase. Hence, NAD + metabolites both regulate the activation of SARM1 and, in turn, are regulated by the SARM1 NAD + hydrolase. This dual upstream and downstream role for NAD + metabolites in SARM1 function has hindered mechanistic understanding of axoprotective mechanisms that manipulate the NAD + metabolome. Here we reevaluate two methods that potently block axon degeneration via modulation of NAD + related metabolites, 1) the administration of the NMN biosynthesis inhibitor FK866 in conjunction with the NAD + precursor nicotinic acid riboside (NaR) and 2) the neuronal expression of the bacterial enzyme NMN deamidase. We find that these approaches not only lead to a decrease in the levels of the SARM1 activator NMN, but also an increase in the levels of the NAD + precursor nicotinic acid mononucleotide (NaMN). We show that NaMN inhibits SARM1 activation, and demonstrate that this NaMN-mediated inhibition is important for the long-term axon protection induced by these treatments. Analysis of the NaMN-ARM domain co-crystal structure shows that NaMN competes with NMN for binding to the SARM1 allosteric site and promotes the open, autoinhibited configuration of SARM1 ARM domain. Together, these results demonstrate that the SARM1 allosteric pocket can bind a diverse set of metabolites including NMN, NAD + , and NaMN to monitor cellular NAD + homeostasis and regulate SARM1 NAD + hydrolase activity. The relative promiscuity of the allosteric site may enable the development of potent pharmacological inhibitors of SARM1 activation for the treatment of neurodegenerative disorders. Highlights NaMN binds to SARM1 N-terminal allosteric site and inhibits SARM1 NAD+ hydrolase NaMN inhibits SARM1 activation by stabilizing its open, inactive structure NMN deamidase promotes strong axonal protection by reducing NMN and increasing NaMN

Abstract Most human genetic variation is classified as VUS - variants of uncertain significance. While advances in genome editing have allowed innovation in pooled screening platforms, many screens deal with relatively simple readouts (viability, fluorescence) and cannot identify the complex cellular phenotypes that underlie most human diseases. In this paper, we present a generalizable functional genomics platform that combines high-content imaging, machine learning, and microraft isolation in a new method termed “Raft-Seq”. We highlight the efficacy of our platform by showing its ability to distinguish pathogenic point mutations of the mitochondrial regulator MFN2 , even when the cellular phenotype is subtle. We also show that our platform achieves its efficacy using multiple cellular features, which can be configured on-the-fly. Raft-Seq enables a new way to perform pooled screening on sets of mutations in biologically relevant cells, with the ability to physically capture any cell with a perturbed phenotype and expand it clonally, directly from the primary screen. Graphical Abstract Here, we address the need to evaluate the impact of numerous genetic variants. This manuscript depicts the methods of using machine learning on a biologically relevant phenotype to predict specific point mutations, followed by physically capturing those mutated cells.

Abstract Leber congenital amaurosis type 9 is an autosomal recessive retinopathy caused by mutations of the NAD + synthesis enzyme NMNAT1. Despite the ubiquitous expression of NMNAT1, patients do not manifest pathologies other than retinal degeneration. Here we demonstrate that widespread NMNAT1 depletion in adult mice mirrors the human pathology, with selective loss of photoreceptors highlighting the exquisite vulnerability of these cells to NMNAT1 loss. Conditional deletion demonstrates that NMNAT1 is required within the photoreceptor. Mechanistically, loss of NMNAT1 activates the NADase SARM1, the central executioner of axon degeneration, to trigger photoreceptor death and vision loss. Hence, the essential function of NMNAT1 in photoreceptors is to inhibit SARM1, highlighting an unexpected shared mechanism between axonal degeneration and photoreceptor neurodegeneration. These results define a novel SARM1-dependent photoreceptor cell death pathway and identifies SARM1 as a therapeutic candidate for retinopathies.

Abstract Charcot-Marie-Tooth disease (CMT) type 2A is an axonal neuropathy caused by mutations in the mitofusin 2 ( MFN2 ) gene. MFN2 mutations result in profound mitochondrial abnormalities, but the mechanism underlying axonal pathology is unknown. SARM1, the central executioner of axon degeneration, can induce neuropathy and is activated by dysfunctional mitochondria. We tested the role of SARM1 in a rat model carrying a dominant CMT2A mutation ( Mfn2 H361Y ) that exhibits progressive dying-back axonal degeneration, NMJ abnormalities, muscle atrophy, and mitochondrial abnormalities, all hallmarks of the human disease. We generated Sarm1 knockout and Mfn2 H361Y , Sarm1 double mutant rats and find that deletion of SARM1 rescues axonal, synaptic, and muscle phenotypes, demonstrating that SARM1 induces much of the neuropathology in this model. Despite the presence of mutant Mfn2 protein in these double mutant rats, loss of SARM1 also dramatically suppressed many mitochondrial defects, including the number, size, and cristae density defects of synaptic mitochondria. This surprising finding indicates that dysfunctional mitochondria activate SARM1, and activated SARM1 feeds back on mitochondria to exacerbate mitochondrial pathology. As such, this work identifies SARM1 inhibition as an exciting therapeutic candidate for the treatment of CMT2A and other neurodegenerative diseases with prominent mitochondrial pathology.

Abstract SARM1 is an inducible NAD + hydrolase that triggers axon loss and neuronal cell death in the injured and diseased nervous system. While SARM1 activation and enzyme function are well defined, the cellular events downstream of SARM1 activity but prior to axonal demise are much less well understood. Defects in calcium, mitochondria, ATP, and membrane homeostasis occur in injured axons, but the relationships among these events have been difficult to disentangle because prior studies analyzed large collections of axons in which cellular events occur asynchronously. Here we used live imaging with single axon resolution to investigate the cellular events downstream of SARM1 activity. Our studies support a model in which SARM1 NADase activity leads to an ordered sequence of events from loss of cellular ATP, to defects in mitochondrial movement and depolarization, followed by calcium influx, externalization of phosphatidylserine, and loss of membrane permeability prior to catastrophic axonal self-destruction.