Summary A growing list of Alzheimer’s disease (AD) genetic risk factors is being identified, but the contribution of these genetic mutations to disease remains largely unknown. Accumulating data support a role of lipid dysregulation and excessive ROS in the etiology of AD. Here, we identified cell-specific roles for eight AD risk-associated genes in ROS-induced glial lipid droplet (LD) formation. We demonstrate that ROS-induced glial LD formation requires two ABCA transporters ( ABCA1 and ABCA7 ) in neurons, the APOE receptor ( LRP1 ), endocytic genes ( PICALM , CD2AP , and AP2A2 ) in glia, and retromer genes ( VPS26 and VPS35 ) in both neurons and glia. Moreover, ROS strongly enhances Aβ42-toxicity in flies and Aβ42-plaque formation in mice. Finally, an ABCA1-activating peptide restores glial LD formation in the APOE4-associated loss of LD. This study places AD risk factors in a neuron-to-glia lipid transfer pathway with a critical role in protecting neurons from ROS-induced toxicity.

Summary Individuals with autism spectrum disorders (ASD) exhibit an increased burden of de novo variants in a broadening range of genes. We functionally tested the effects of ASD missense variants using Drosophila through ‘humanization’ rescue and overexpression-based strategies. We studied 79 ASD variants in 74 genes identified in the Simons Simplex Collection and found 38% of them caused functional alterations. Moreover, we identified GLRA2 as the cause of a spectrum of neurodevelopmental phenotypes beyond ASD in eight previously undiagnosed subjects. Functional characterization of variants in ASD candidate genes point to conserved neurobiological mechanisms and facilitates gene discovery for rare neurodevelopmental diseases.

Abstract Parkinson’s disease (PD) is characterized by accumulation of α -synuclein and the loss of dopaminergic neurons. Mutations which cause an increase in the kinase activity of Leucine-Rich-Repeat Kinase-2 (LRRK2) are a major inherited cause of PD. Research continues to determine which targets LRRK2 phosphorylates to cause disease. Polymorphisms in the locus of ELAVL4, an RNA-binding protein are a risk-factor for Parkinson’s disease and an ELAV family member was identified in Drosophila as required for pathology instigated by human mutant LRRK2. We discovered that three neuronal ELAVs including ELAVL4 (also known as HuD) are phosphorylated by LRRK2. This controls binding of neuronal ELAVs to mRNA and their post- transcriptional regulation of mRNA abundance and splicing in neuronal cell lines and the mouse midbrain. LRRK2 G2019S functionally inhibits neuronal ELAVs effects on mRNA abundance, while enhancing their effects on mRNA splicing. The combination of LRRK2 G2019S and ELAVL4 -/- causes accumulation of LRRK2 and α -synuclein, loss of dopaminergic neurons and motor deficits. Targets of neuronal ELAVs are also selectively misregulated in cells and tissues of PD patients. Together, this suggests that misregulation of neuronal ELAVs, triggered by LRRK2 mutations may contribute to the characteristic pathology of Parkinson’s disease. Brief Summary LRRK2, a kinase linked to Parkinson’s disease, phosphorylates the neuronal ELAV RNA-binding proteins to aggravate key hallmarks of Parkinson’s disease including accumulation of α -synuclein and motor deficits in mice.

Abstract TM2 domain containing (TM2D) proteins are conserved in metazoans and encoded by three separate genes in each species. Rare variants in TM2D3 are associated with Alzheimer’s disease (AD) and its fly ortholog almondex is required for embryonic Notch signaling. However, the functions of this gene family remain elusive. We knocked-out all three TM2D genes ( almondex, CG11103/amaretto , CG10795/biscotti ) in Drosophila and found that they share the same maternal-effect neurogenic defect. Triple null animals are not phenotypically worse than single nulls, suggesting these genes function together. Overexpression of the most conserved region of the TM2D proteins acts as a potent inhibitor of Notch signaling at the γ-secretase cleavage step. Lastly, Almondex is detected in the brain and its loss causes shortened lifespan accompanied by progressive electrophysiological defects. The functional links between all three TM2D genes are likely to be evolutionarily conserved, suggesting that this entire gene family may be involved in AD.

Abstract In most eukaryotic cells fatty acid synthesis occurs in the cytoplasm as well as in mitochondria. However, the relative contribution of mitochondrial fatty acid synthesis (mtFAS) to the cellular lipidome of metazoans is ill-defined. Hence, we studied the function of the fly Mitochondria enoyl CoA reductase (Mecr), the enzyme required for the last step of mtFAS. Loss of mecr causes lethality while neuronal loss leads to progressive neurological defects. We observe an elevated level of ceramides, a defect in Fe-S cluster biogenesis and increased iron levels in mecr mutants. Reducing the levels of either iron or ceramide suppresses the neurodegenerative phenotypes indicating that increased ceramides and iron metabolism are interrelated and play an important role in the pathogenesis. Mutations in human MECR cause pediatric-onset neurodegeneration and patient-derived fibroblasts display similar elevated ceramide levels and impaired iron homeostasis. In summary, this study shows an as-yet-unidentified role of mecr/MECR in ceramide and iron metabolism providing a mechanistic link between mtFAS and neurodegeneration.

Summary Thioredoxin-related transmembrane proteins (TMX) of the endoplasmic reticulum (ER) have emerged as key regulators of ER membrane properties. Within the ER lumen, TMX proteins and other ER redox enzymes determine oxidative conditions, which control the formation of ER-mitochondria membrane contacts (ERMCS) and determine their function. ERMCS exhibit cytoplasmic redox nanodomains, derived from ER and mitochondrial reactive oxygen species (ROS), whose mechanistic regulation is uncharacterized. Our research has identified the ER protein TMX2, which uses its unique cytosolic thioredoxin domain to prevent cytosolic sulfenylation of mitochondrial outer membrane proteins such as TOM70 through a functional interaction with peroxiredoxin-1 (PRDX1). By doing so, TMX2 interferes with the TOM70 ERMCS tethering function and reduces mitochondrial Ca 2+ flux and metabolism. Recently, TMX2 mutations have been identified to cause a neurodevelopmental disorder with microcephaly, cortical malformations, and spasticity (NEDMCMS). Using TMX2-mutated NEDMCMS patient cells, we demonstrate that compromising TMX2 through mutation reproduces mitochondrial defects. In a fly in vivo model, TMX2 knockdown manifests predominantly in glial cells. Our results therefore provide important mechanistic insight into NEDMCMS and mechanistically link TMX2-mediated control of ERMCS to brain development and function. Graphical Abstract The transmembrane thioredoxin-related TMX2 prevents TOM70 sulfenylation at ERMCS, thus maintaining normal mitochondria metabolism in wild-type cells. TMX2 knockout leads to TOM70 sulfenylation and tight ERMCS formation. This then increases ROS production, unbalances mitochondrial lipids, and relatively shifts OXPHOS electron supply to complex II.

The Interferon Regulatory Factor 2 Binding Protein Like (IRF2BPL) gene encodes a member of the IRF2BP family of transcriptional regulators. Currently the biological function of this gene is obscure, and the gene has not been associated with a Mendelian disease. Here we describe seven individuals affected with neurological symptoms who carry damaging heterozygous variants in IRF2BPL. Five cases carrying nonsense variants in IRF2BPL resulting in a premature stop codon display severe neurodevelopmental regression, hypotonia, progressive ataxia, seizures, and a lack of coordination. Two additional individuals, both with missense variants, display global developmental delay and seizures and a relatively milder phenotype than those with nonsense alleles. The bioinformatics signature for IRF2BPL based on population genomics is consistent with a gene that is intolerant to variation. We show that the IRF2BPL ortholog in the fruit fly, called pits (protein interacting with Ttk69 and Sin3A), is broadly expressed including the nervous system. Complete loss of pits is lethal early in development, whereas partial knock-down with RNA interference in neurons leads to neurodegeneration, revealing requirement for this gene in proper neuronal function and maintenance. The nonsense variants in IRF2BPL identified in patients behave as severe loss-of-function alleles in this model organism, while ectopic expression of the missense variants leads to a range of phenotypes. Taken together, IRF2BPL and pits are required in the nervous system in humans and flies, and their loss leads to a range of neurological phenotypes in both species.