Inability to form new memories is an early clinical sign of Alzheimer’s disease (AD). There is ample evidence that the amyloid-β (Aβ) peptide plays a key role in the pathogenesis of this disorder. Soluble, bio-derived oligomers of Aβ are proposed as the key mediators of synaptic and cognitive dysfunction, but more tractable models of Aβ−mediated cognitive impairment are needed. Here we report that, in mice, acute intracerebroventricular injections of synthetic Aβ 1–42 oligomers impaired consolidation of the long-term recognition memory, whereas mature Aβ 1–42 fibrils and freshly dissolved peptide did not. The deficit induced by oligomers was reversible and was prevented by an anti-Aβ antibody. It has been suggested that the cellular prion protein (PrP C ) mediates the impairment of synaptic plasticity induced by Aβ. We confirmed that Aβ 1–42 oligomers interact with PrP C , with nanomolar affinity. However, PrP-expressing and PrP knock-out mice were equally susceptible to this impairment. These data suggest that Aβ 1–42 oligomers are responsible for cognitive impairment in AD and that PrP C is not required.

β-Amyloid precursor protein (APP) mutations cause familial Alzheimer's disease with nearly complete penetrance. We found an APP mutation [alanine-673→valine-673 (A673V)] that causes disease only in the homozygous state, whereas heterozygous carriers were unaffected, consistent with a recessive Mendelian trait of inheritance. The A673V mutation affected APP processing, resulting in enhanced β-amyloid (Aβ) production and formation of amyloid fibrils in vitro. Co-incubation of mutated and wild-type peptides conferred instability on Aβ aggregates and inhibited amyloidogenesis and neurotoxicity. The highly amyloidogenic effect of the A673V mutation in the homozygous state and its anti-amyloidogenic effect in the heterozygous state account for the autosomal recessive pattern of inheritance and have implications for genetic screening and the potential treatment of Alzheimer's disease.

ABSTRACT Parkinson’s disease (PD) is a common incurable neurodegenerative disease. The identification of genetic variants via genome-wide association studies (GWAS) has considerably advanced our understanding of the PD genetic risk. Understanding the functional significance of the risk loci is now a critical step towards translating these genetic advances into an enhanced biological understanding of the disease. Impaired mitophagy is a key causative pathway in familial PD, but its relevance to idiopathic PD is unclear. We used a mitophagy screening assay to evaluate the functional significance of risk genes identified through GWAS. We identified two new regulators of PINK1-mitophagy, KAT8 and KANSL1, previously shown to modulate lysine acetylation. We show that KAT8 and KANSL1 modulate PINK1 gene expression and subsequent PINK1-mitophagy. These findings suggest PINK1-mitophagy is a contributing factor to idiopathic PD. KANSL1 is located on chromosome 17q21 where the risk associated gene has long been considered to be MAPT . While our data does not exclude a possible association between the MAPT gene and PD, it provides strong evidence that KANSL1 plays a crucial role in the disease. Finally, these results enrich our understanding of physiological events regulating mitophagy and establish a novel pathway for drug targeting in neurodegeneration.

Abstract Mutations in LRRK2 are the most common genetic cause of Parkinson’s disease. Despite substantial research efforts, the physiological and pathological role of this multidomain protein remains poorly defined. In this study, we used a systematic approach to construct the general protein-protein interactome around LRRK2, which was then differentiated into 15 tissue-specific interactomes taking into consideration the differential expression patterns and the co-expression behaviours of the LRRK2 interactors in different healthy tissues. The LRRK2 interactors exhibited distinct expression features in the brain as compared to the peripheral tissues analysed. Moreover, a high degree of similarity was found for the LRRK2 interactors in putamen, caudate and nucleus accumbens , thus defining a potential LRRK2 functional cluster within the striatum . We also explored the functions highlighted by the “core LRRK2 interactors” within each tissue and illustrated how the LRRK2 interactomes can be used as a tool to trace the relationship between LRRK2 and specific interactors of interest, here exemplified with a study focused on the LRRK2 interactors belonging to the Rab protein family.

Abstract Mutations in SPG11 , encoding spatacsin, constitute the major cause of autosomal recessive Hereditary Spastic Paraplegia (HSP) with thinning of the corpus callosum. Previous studies showed that spatacsin orchestrates cellular traffic events through the formation of a coat-like complex and its loss of function results in lysosomal and axonal transport impairments. However, the upstream mechanisms that regulate spatacsin trafficking are unknown. Here, using proteomics and CRISPR/Cas9-mediated tagging of endogenous spatacsin, we identified a subset of 14-3-3 proteins as physiological interactors of spatacsin. The interaction is modulated by Protein Kinase A (PKA)-dependent phosphorylation of spatacsin at Ser1955, which initiates spatacsin trafficking from the plasma membrane to the intracellular space. Our study provides novel insight in understanding spatacsin physio-pathological roles with mechanistic dissection of its associated pathways.

Abstract Parkinson’s disease (PD) is a multisystemic disorder that manifests through motor and non-motor symptoms. Motor dysfunction is the most debilitating and it is caused by the degeneration of dopamine-producing neurons in the substantia nigra pars compacta (SNpc). A body of evidence indicates that synapse demise precedes by years neuronal death. Still, early synaptic dysfunctions in PD are poorly deciphered. Here we combined literature metanalysis, proteomics and phosphoproteomics with biochemical, imaging and electrophysiological measurements in neurons, brains and synaptosomes from knockout and knockin mouse models, as well as human iPSC-derived neurons associated with the PD-kinase LRRK2. We show that phosphorylation of LRRK2 at Ser935, which controls LRRK2 subcellular localization, rapidly increases upon brain-derived neurotrophic factor (BDNF) stimulation of differentiated SH-SY5Y cells and primary mouse neurons. Affinity-purification coupled with mass spectrometry (AP-MS/MS) analysis revealed that LRRK2 interactome is significantly reshaped upon BDNF stimulation, with an interconnected network of actin cytoskeleton-associated proteins increasing their binding to LRRK2. Accordingly, LRRK2 knockout neurons exhibit decreased TrkB signaling and fail to induce BDNF-dependent spinogenesis. In vivo , one-month old Lrrk2 knockout mice display defects in spine maturation, a phenotype that disappears with age. In human iPSC-derived cortical neurons, BDNF increases the frequency of miniature excitatory post-synaptic currents (mEPSC) in wild-type but not in the presence of LRRK2 knockout, functionally supporting a distinctive role of LRRK2 in BDNF-synaptic signaling. Finally, Lrrk2 G2019S PD mutant synaptosomes display differentially phosphorylated proteins enriched in categories related to postsynaptic structural organization. Taken together, our study discloses a critical function of LRRK2 in BDNF-dependent synaptic processes and identifies the postsynaptic actin cytoskeleton as a convergent site of LRRK2 pathophysiological activity.

Abstract Haloperidol is used to manage psychotic symptoms in several neurological disorders through mechanisms that involve antagonism of dopamine D2 receptors that are highly expressed in the striatum. Significant side effects of haloperidol, known as extrapyramidal symptoms, lead to motor deficits similar to those seen in Parkinson’s disease and present a major challenge in clinical settings. The underlying molecular mechanisms responsible for these side effects remain poorly understood. Parkinson’s disease-associated LRRK2 kinase has an important role in striatal physiology and a known link to dopamine D2 receptor signaling. Here, we systematically explore convergent signaling of haloperidol and LRRK2 through pharmacological or genetic inhibition of LRRK2 kinase, as well as knock-in mouse models expressing pathogenic mutant LRRK2 with increased kinase activity. Behavioral assays show that LRRK2 kinase inhibition ameliorates haloperidol-induced motor changes in mice. A combination of electrophysiological and anatomical approaches reveals that LRRK2 kinase inhibition interferes with haloperidol-induced changes, specifically in striatal neurons of the indirect pathway. Proteomic studies and targeted intracellular pathway analyses demonstrate that haloperidol induces a similar pattern of intracellular signaling as increased LRRK2 kinase activity. Our study suggests that LRRK2 kinase plays a key role in striatal dopamine D2 receptor signaling underlying the undesirable motor side effects of haloperidol. This work opens up new therapeutic avenues for dopamine-related disorders, such as psychosis, also furthering our understanding of Parkinson’s disease pathophysiology. Summary Chen et al. demonstrate that haloperidol mediated changes in the striatal indirect pathway neurons and circuits are linked to Parkinson’s disease associated LRRK2. Inhibiting LRRK2 kinase activity ameliorates the motoric side effects of haloperidol, suggesting a potential approach to alleviating the unwanted side effects of antipsychotics.

Abstract Whilst the majority of PD cases are sporadic, much of our understanding of the pathophysiological basis of disease can be traced back to the study of rare, monogenic forms of disease. In the past decade, the availability of Genome-Wide Association Studies (GWAS) has facilitated a shift in focus, toward identifying common risk variants conferring increased risk of developing PD across the population. A recent mitophagy screening assay of GWAS candidates has functionally implicated the non-specific lethal (NSL) complex in the regulation of PINK1-mitophagy. Here, a bioinformatics approach has been taken to investigate the proteome of the NSL complex, to unpick its relevance to PD progression. The mitochondrial NSL interactome has been built, mining 3 separate repositories: PINOT, HIPPIE and MIST, for curated, literature-derived protein-protein interaction (PPI) data. We built; i) the ‘mitochondrial’ interactome, applying gene-set enrichment analysis (GSEA) to explore the relevance of the NSL mitochondrial interactome to PD and, ii) the PD-oriented interactome to uncover biological pathways underpinning the NSL /PD association. In this study, we find the mitochondrial NSL interactome to be significantly enriched for the protein products of PD associated genes, including the Mendelian PD genes LRRK2 and VPS35 . Additionally, the PD associated interactome is enriched for mitochondrial processes; “mitochondrial cell death ”, “mitochondrial protein localisation” , “ membrane protein localisation” and “mitochondrial transport” . Our data points to NSL complex members OGT and WDR5 as key drivers of this increased PD association. These findings strengthen a role for mitochondrial quality control in both familial and sporadic disease.

Abstract The Hereditary Spastic Paraplegias are a group of neurodegenerative diseases characterized by spasticity and weakness in the lower body. Despite the identification of causative mutations in over 70 genes, the molecular aetiology remains unclear. Due to the combination of genetic diversity and variable clinical presentation, the Hereditary Spastic Paraplegias are a strong candidate for protein-protein interaction network analysis as a tool to understand disease mechanism(s) and to aid functional stratification of phenotypes. In this study, experimentally validated human protein-protein interactions were used to create a protein-protein interaction network based on the causative Hereditary Spastic Paraplegia genes. Network evaluation as a combination of both topological analysis and functional annotation led to the identification of core proteins in putative shared biological processes such as intracellular transport and vesicle trafficking. The application of machine learning techniques suggested a functional dichotomy linked with distinct sets of clinical presentations, suggesting there is scope to further classify conditions currently described under the same umbrella term of Hereditary Spastic Paraplegias based on specific molecular mechanisms of disease.

Mutations in the LRRK2 gene are an important genetic cause for familial Parkinsons Disease (LRRK2-PD) and clinical trials are ongoing to evaluate the benefits associated with the therapeutical reduction of LRRK2 kinase activity. In this study, we aimed at modelling the molecular milieu surrounding LRRK2 and describe the changes that occur during disease with the aim of contrasting and comparing sporadic PD and LRRK2-PD. We analysed the molecular expression profiles (whole blood mRNA) of LRRK2s protein interactors in the sporadic vs familial PD conditions and found interesting differences between the 2 scenarios. Our results showed that LRRK2 interactors not only presented different alterations in expression levels in sporadic and familial PD while compared to controls; they also exhibited distinct co-expression behaviours in the 2 PD conditions. These results suggest that, albeit being classified as the same disease based on clinical features, LRRK2-PD and sporadic PD show significant differences from a molecular perspective.