Understanding the molecular mechanism of glaucoma and development of neuroprotectants are significantly hindered by the lack of a reliable animal model that accurately recapitulates human glaucoma. Here we sought to develop a mouse model for the secondary glaucoma that is often observed in humans after silicone oil (SO) blocks the pupil or migrates into the anterior chamber following vitreoretinal surgery. We observed similar intraocular pressure (IOP) elevation after intracameral injection into mouse eyes of SO, and removing the SO allows the IOP level to quickly return to normal. This simple, inducible and reversible mouse model showed dynamic changes of visual function that correlate with progressive RGC loss and axon degeneration. We also used a single AAV vector for the first time to co-express miRNA-based shRNA and a neuroprotective transgene and further validated this model as an effective in vivo means to test neuroprotective therapies by targeting neuronal endoplasmic reticulum stress.

Abstract Optineurin (OPTN) mutations are linked to amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and normal tension glaucoma (NTG), but a relevant animal model is lacking, and the molecular mechanisms underlying neurodegeneration are unknown. We found that OPTN C-terminus truncation (OPTNΔC) causes late-onset neurodegeneration of retinal ganglion cells (RGCs), optic nerve (ON), and spinal cord motor neurons, preceded by a striking decrease of axonal mitochondria. Surprisingly, we discover that OPTN directly interacts with both microtubules and the mitochondrial transport complex TRAK1/KIF5B, stabilizing them for proper anterograde axonal mitochondrial transport, in a C- terminus dependent manner. Encouragingly, overexpressing OPTN/TRAK1/KIF5B reverses not only OPTN truncation-induced, but also ocular hypertension-induced neurodegeneration, and promotes striking ON regeneration. Therefore, in addition to generating new animal models for NTG and ALS, our results establish OPTN as a novel facilitator of the microtubule-dependent mitochondrial transport necessary for adequate axonal mitochondria delivery, and its loss as the likely molecular mechanism of neurodegeneration.

The elegant functions of the brain are facilitated by sophisticated connections between neurons, the architecture of which is frequently characterized by one nucleus connecting to multiple targets via projection neurons. Delineating the sub-nucleus fine architecture of projection neurons in a certain nucleus could greatly facilitate its circuit, computational, and functional resolution. Here, we developed multi-fluorescent rabies virus to delineate the fine organization of corticothalamic projection neuron subsets in the primary visual cortex (V1). By simultaneously labeling multiple distinct subsets of corticothalamic projection neurons in V1 from their target nuclei in thalamus (dLGN, LP, LD), we observed that V1-dLGN corticothalamic neurons were densely concentrated in layer VI, except for several sparsely scattered neurons in layer V, while V1-LP and V1-LD corticothalamic neurons were localized to both layers V and VI. Meanwhile, we observed a fraction of V1 corticothalamic neurons targeting multiple thalamic nuclei, which was further confirmed by fMOST whole-brain imaging. We further conceptually proposed an upgraded sub-nucleus tracing system with higher throughput (21 subsets) for more complex architectural tracing. The multi-fluorescent RV tracing tool can be extensively applied to resolve architecture of projection neuron subsets, with a strong potential to delineate the computational and functional organization of these nuclei.

Loss-of-function mutations in both alleles of the human insulin receptor gene (INSR) cause extreme insulin resistance (IR) and usually death in childhood, with few therapeutic options. Bivalent anti-receptor antibodies can elicit insulin-like signaling by mutant INSR in cultured cells, but whether this translates into meaningful metabolic benefits in vivo, where dynamics of insulin signaling and receptor recycling are more complex, is unknown. To address this we adopted a strategy to model human insulin receptoropathy in mice, using Cre recombinase delivered by adeno-associated virus to knock out endogenous hepatic Insr acutely in floxed Insr mice (L-IRKO+GFP), before adenovirus-mediated add-back of wild-type (WT) or mutant human INSR. Two murine anti-INSR monoclonal antibodies, previously shown to be surrogate agonists for mutant INSR, were then tested by intraperitoneal injections. As expected, L-IRKO+GFP mice showed glucose intolerance and severe hyperinsulinemia, and this was fully corrected by add-back of WT but neither D734A nor S350L mutant INSR. Antibody injection improved glucose tolerance in D734A INSR-expressing mice and reduced hyperinsulinemia in both S350L and D734A INSR-expressing animals, and did not cause hypoglycemia in WT INSR-expressing mice. Antibody treatment also downregulated both wild-type and mutant INSR protein, attenuating its beneficial metabolic effects. Anti-INSR antibodies thus improve IR in an acute model of insulin receptoropathy, but these findings imply a narrow therapeutic window determined by competing effects of antibodies to stimulate receptors and induce their downregulation.