SUMMARY Neurodegeneration is a protracted process involving progressive changes in myriad cell types that ultimately result in neuronal death. Changes in vulnerable neuronal populations are highly influenced by concomitant changes in surrounding cells, complicating experimental approaches to interrogate the simultaneous events that underlie neurodegeneration. To dissect how individual cell types within a heterogeneous tissue contribute to the pathogenesis and progression of a neurodegenerative disorder, we performed longitudinal single-nucleus RNA sequencing of the mouse and human spinocerebellar ataxia type 1 (SCA1) cerebellum, establishing continuous dynamic trajectories of each population. Furthermore, we defined the precise transcriptional changes that precede loss of Purkinje cells and identified early oligodendroglial impairments that can profoundly impact cerebellar function. Finally, we applied a deep learning method to accurately predict disease state and identify drivers of disease. Together, this work uncovers new roles for diverse cerebellar cell types in SCA1 and provides a generalizable analysis framework for studying neurodegeneration.

ABSTRACT Objective Binge eating is a heritable quantitative trait associated with eating disorders ( ED ) and refers to the rapid consumption of a large quantity of energy-dense food that is associated with loss of control, anxiety, and depression. Binge Eating Disorder is the most common ED in adults in the US; however, the genetic basis is unknown. We previously identified robust mouse inbred strain differences between C57BL/6J and DBA/2J in binge-like eating ( BLE ) of sweetened palatable food (PF ) in an intermittent access, conditioned place preference paradigm. Methods To map the genetic basis of BLE, we phenotyped and genotyped 128 C57BL/6J x DBA/2J-F2 mice. Results We identified a quantitative trait locus ( QTL ) on chromosome 13 influencing progressive changes in body weight across training days (LOD = 5.5; 26-39 cM). We also identified two sex-combined QTLs influencing PF intake on chromosome 5 (LOD = 5.6; 1.5-LOD interval = 21-28 cM) and 6 (LOD = 5.3; 1.5-LOD interval = 50-59 cM). Furthermore, sex-specific analyses revealed that the chromosome 6 locus was driven by males (1.5-LOD interval: 52-59 cM) and identified a female-selective QTL for BLE on chromosome 18 (LOD = 4.1; 1.5-LOD interval: 23-35 cM). Systems genetic analysis of the chromosome 6 locus for BLE using GeneNetwork legacy trait datasets from BXD recombinant inbred strains identified Adipor2 and Plxnd1 as two positional, functional, biological candidate genes. Discussion We identified genetic loci influencing BLE. Future studies will phenotype BXD recombinant inbred strains to fine map loci and support candidate gene nomination and validation.

ABSTRACT Opioid Use Disorder (OUD) and opioid-related deaths remain a major public health concern in the United States. Both environmental and genetic factors influence risk for OUD. We previously identified Hnrnph1 as a quantitative trait gene underlying the stimulant, rewarding, and reinforcing properties of methamphetamine. Prior work demonstrates that hnRNP H1, the RNA-binding protein encoded by Hnrnph1, post-transcriptionally regulates Oprm1 (mu opioid receptor gene) – the primary molecular target for the therapeutic and addictive properties of opioids. Because genetic variants can exert pleiotropic effects on behaviors induced by multiple drugs of abuse, in the current study, we tested the hypothesis that Hnrnph1 mutants would show reduced behavioral sensitivity to the mu opioid receptor agonist fentanyl. Hnrnph1 mutants showed reduced sensitivity to fentanyl-induced locomotor activity, along with a female-specific reduction in, and a male-specific induction of, locomotor sensitization following three, daily injections (0.2 mg/kg, i.p.). Hnrnph1 mutants also required a higher dose of fentanyl to exhibit opioid reward as measured via conditioned place preference. Male Hnrnph1 mutants showed reduced fentanyl reinforcement. Hnrnph1 mutants also showed reduced sucrose motivation, suggesting a reward deficit. No genotypic differences were observed in baseline thermal nociception, fentanyl-induced antinociception, physical or negative affective signs of opioid dependence, or in sensorimotor gating. In the context of our prior work, these findings suggest that Hnrnph1 dysfunction exerts a selective role in reducing the addiction liability to drugs of abuse (opioids and psychostimulants), which could provide new biological pathways to improve their therapeutic profiles.

RNA binding proteins are a diverse class of proteins that regulate all aspects of RNA metabolism. Accumulating studies indicate that heterogeneous nuclear ribonucleoproteins are associated with cellular adaptations in response to drugs of abuse. We recently mapped and validated heterogeneous nuclear ribonucleoprotein H1 (Hnrnph1) as a quantitative trait gene underlying differential behavioral sensitivity to methamphetamine. The molecular mechanisms by which hnRNP H1 alters methamphetamine behaviors are unknown but could involve pre- and/or post-synaptic changes in protein localization and function. Methamphetamine initiates post-synaptic D1 dopamine receptor signaling indirectly by binding to pre-synaptic dopamine transporters and vesicular monoamine transporters of midbrain dopaminergic neurons which triggers revers e transport and accumulation of dopamine at the synapse. Here, we examined changes in neuronal localization of hnRNP H in primary rat cortical neurons that express dopamine receptors that can be modulated by the D1 or D2 dopamine receptor agonists SKF38393 and (-)-Quinpirole HCl, respectively. Basal immunostaining of hnRNP H was localized primarily to the nucleus. D1 dopamine receptor activation induced an increase in hnRNP H nuclear immunostaining as detected by immunocytochemistry with a C-domain directed antibody containing epitope near the glycine-rich domain but not with an N-domain specific antibody. Although there was no change in hnRNP H protein in the nucleus or cytoplasm, there was a decrease in Hnrnph1 transcript following D1 receptor stimulation. Taken together, these results suggest that D1 receptor activation increases availability of the hnRNP H C-terminal epitope, which could potentially reflect changes in protein-protein interactions. Thus, D1 receptor signaling could represent a key molecular post-synaptic event linking Hnrnph1 polymorphisms to drug-induced behavior.

Individual variation in the addiction liability of amphetamines has a heritable genetic component. We previously identified Hnrnph1 (heterogeneous nuclear ribonucleoprotein H1) as a quantitative trait gene underlying decreased methamphetamine-induced locomotor activity in mice. Here, mice (both male and female) with a heterozygous mutation in the first coding exon of Hnrnph1 (H1+/-) showed reduced methamphetamine reinforcement and intake and dose-dependent changes in methamphetamine reward as measured via conditioned place preference. Furthermore, H1+/- mice showed a robust decrease in methamphetamine-induced dopamine release in the nucleus accumbens with no change in baseline extracellular dopamine, striatal whole tissue dopamine, dopamine transporter protein, or dopamine uptake. Immunohistochemical and immunoblot staining of midbrain dopaminergic neurons and their forebrain projections for tyrosine hydroxylase did not reveal any major changes in staining intensity, cell number, or in the number of forebrain puncta. Surprisingly, there was a two-fold increase in hnRNP H protein in the striatal synaptosome of H1+/- mice with no change in whole tissue levels. To gain insight into the molecular mechanisms linking increased synaptic hnRNP H with decreased methamphetamine-induced dopamine release and behaviors, synaptosomal proteomic analysis identified an increased baseline abundance of several mitochondrial complex I and V proteins that rapidly decreased at 30 min post-methamphetamine administration in H1+/- mice. In contrast, the much lower level of basal synaptosomal mitochondrial proteins in wild-type mice showed a rapid increase in response to methamphetamine. We conclude that H1+/- decreases methamphetamine–induced dopamine release, reward, and reinforcement and induces dynamic changes in basal and methamphetamine-induced synaptic mitochondrial function.SIGNIFICANCE STATEMENT Methamphetamine dependence is a significant public health concern with no FDA-approved treatment. We discovered a role for the RNA binding protein hnRNP H in methamphetamine reward and reinforcement. Hnrnph1 mutation also blunted methamphetamine-induced dopamine release in the nucleus accumbens – a key neurochemical event contributing to methamphetamine addiction liability. Finally, Hnrnph1 mutants showed a marked increase in basal level of synaptosomal hnRNP H and mitochondrial proteins that decreased in response to methamphetamine whereas wild-type mice showed a methamphetamine-induced increase in synaptosomal mitochondrial proteins. Thus, we identified a potential role for hnRNP H in basal and dynamic mitochondrial function that informs methamphetamine-induced cellular adaptations associated with reduced addiction liability.

ABSTRACT Opioid use disorder is heritable, yet its genetic etiology is largely unknown. Analysis of addiction model traits in rodents (e.g., opioid behavioral sensitivity and withdrawal) can facilitate genetic and mechanistic discovery. C57BL/6J and C57BL/6NJ substrains have extremely limited genetic diversity, yet can show reliable phenotypic diversity which together, can facilitate gene discovery. The C57BL/6NJ substrain was less sensitive to oxycodone (OXY)-induced locomotor activity compared to the C57BL/6J substrain. Quantitative trait locus (QTL) mapping in an F2 cross identified a distal chromosome 1 QTL explaining 7-12% of the variance in OXY locomotor sensitivity and anxiety-like withdrawal in the elevated plus maze. We identified a second QTL for withdrawal on chromosome 5 near the candidate gene Gabra2 (alpha-2 subunit of GABA-A receptor) explaining 9% of the variance. Next, we generated recombinant lines from an F2 founder spanning the distal chromosome 1 locus (163-181 Mb), captured the QTL for OXY sensitivity and withdrawal, and fine-mapped a 2.45-Mb region (170.16-172.61 Mb). There were five striatal cis-eQTL transcripts in this region (Pcp4l1, Ncstn, Atp1a2, Kcnj9, Igsf9), two of which were confirmed at the protein level (KCNJ9, ATP1A2). Kcnj9, a.k.a., GIRK3, codes for a potassium channel that is a major effector of mu opioid receptor signaling. Atp1a2 codes for a subunit of a Na+/K+ ATPase enzyme that regulates neuronal excitability and shows adaptations following chronic opioid administration. To summarize, we identified genetic sources of opioid behavioral differences in C57BL/6 substrains, two of the most widely and often interchangeably used substrains in opioid addiction research.

Binge eating (BE) is a heritable symptom of eating disorders associated with anxiety, depression, malnutrition, and obesity. Genetic analysis of BE could facilitate therapeutic discovery. We used an intermittent, limited access BE paradigm involving sweetened palatable food (PF) to examine genetic differences in BE, conditioned food reward, and compulsive-like eating between C57BL/6J (B6J) and DBA/2J (D2J) inbred mouse strains. D2J mice showed a robust escalation in intake and conditioned place preference for the PF-paired side. D2J mice also showed a unique style of compulsive-like eating in the light/dark conflict test where they rapidly hoarded and consumed PF in the preferred unlit environment. BE and compulsive-like eating exhibited narrow-sense heritability estimates between 56 and 73 percent. To gain insight into the genetic basis, we phenotyped and genotyped a small cohort of 133 B6J x D2J-F2 mice at the peak location of three quantitative trait loci (QTL) previously identified in F2 mice for sweet taste (chromosome 4: 156 Mb), bitter taste (chromosome 6: 133 Mb) and behavioral sensitivity to drugs of abuse (chromosome 11: 50 Mb). The D2J allele on chromosome 6 was associated with greater PF intake on training days and greater compulsive-like PF intake, but only in males, suggesting that decreased bitter taste may increase BE in males. The D2J allele on chromosome 11 was associated with an increase in final PF intake and slope of escalation across days. Future studies employing larger crosses and genetic reference panels comprising B6J and D2J alleles will identify causal genes and neurobiological mechanisms.

Abstract Spinocerebellar ataxia type 1 (SCA1) is a dominantly inherited neurodegenerative disease characterized by progressive ataxia and degeneration of specific neuronal populations, including Purkinje cells (PCs) in the cerebellum. Previous studies have demonstrated a critical role for various evolutionarily conserved signaling pathways in cerebellar patterning, such as the Wnt-β-catenin pathway; however, the roles of these pathways in adult cerebellar function and cerebellar neurodegeneration are largely unknown. In this study, we found that Wnt-β-catenin activity was progressively enhanced in multiple cell types in the adult SCA1 mouse cerebellum, and that activation of this signaling occurs in an ataxin-1 polyglutamine (polyQ) expansion-dependent manner. Genetic manipulation of the Wnt-β-catenin signaling pathway in specific cerebellar cell populations revealed that activation of Wnt-β-catenin signaling in PCs alone was not sufficient to induce SCA1-like phenotypes, while its activation in astrocytes including Bergmann glia (BG) resulted in gliosis and disrupted BG localization, which was replicated in SCA1 mouse models. Our studies identify a novel mechanism in which polyQ-expanded ataxin-1 positively regulates Wnt-β-catenin signaling, and demonstrate that different cell types have distinct responses to the enhanced Wnt-β-catenin signaling in the SCA1 cerebellum, underscoring an important role of BG in SCA1 pathogenesis. Significance statement The mechanisms underlying the degeneration of specific cellular populations in various neurodegenerative disorders remain unknown. Here, we show that the polyQ expansion of ataxin-1 activates the Wnt-β-catenin signaling pathway in various cell types, including Purkinje cells and Bergmann glia, in the cerebellum of SCA1 mouse models. We used conditional mouse genetics to activate and silence this pathway in different cell types and found elevated activity of this signaling pathway impacted Bergmann glia and Purkinje cell populations differently. This study highlights the important role of Wnt-β-catenin signaling pathway in glial cell types for SCA1 pathogenesis.

We previously identified a 210 kb region on chromosome 11 (50.37-50.58 Mb, mm10) containing two protein-coding genes ( Hnrnph1 , Rufy1 ) that was necessary for reduced methamphetamine-induced locomotor activity in C57BL/6J congenic mice harboring DBA/2J polymorphisms. Gene editing of a small deletion in the first coding exon supported Hnrnph1 as a quantitative trait gene. We have since shown that Hnrnph1 mutants also exhibit reduced methamphetamine-induced reward, reinforcement, and dopamine release. However, the quantitative trait variants (QTVs) that modulate Hnrnph1 function at the molecular level are not known. Nine single nucleotide polymorphisms and seven indels distinguish C57BL/6J from DBA/2J within Hnrnph1 , including four variants within the 5′ untranslated region (UTR). Here, we show that a 114 kb introgressed region containing Hnrnph1 and Rufy1 was sufficient to cause a decrease in MA-induced locomotor activity. Gene-level transcriptome analysis of striatal tissue from 114 kb congenics versus Hnrnph1 mutants identified a nearly perfect correlation of fold-change in expression for those differentially expressed genes that were common to both mouse lines, indicating functionally similar effects on the transcriptome and behavior. Exon-level analysis (including noncoding exons) revealed decreased 5′ UTR usage of Hnrnph1 and immunoblot analysis identified a corresponding decrease in hnRNP H protein in 114 kb congenic mice. Molecular cloning of the Hnrnph1 5′ UTR containing all four variants (but none of them individually) upstream of a reporter induced a decrease in reporter signal in both HEK293 and N2a cells, thus identifying a set of QTVs underlying molecular regulation of Hnrnph1 .### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Protein aggregation is a hallmark of many neurodegenerative disorders, including amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Although mutations in TARDBP, encoding TDP-43, account for less than 1% of all ALS cases, TDP-43-positive aggregates are present in nearly all ALS patients, including patients with sporadic ALS (sALS) or carrying other familial ALS (fALS)-causing mutations. Interestingly, TDP-43 inclusions are also present in subsets of patients with frontotemporal dementia, Alzheimer's disease, and Parkinson's disease; therefore, methods of activating intracellular protein quality control machinery capable of clearing toxic cytoplasmic TDP-43 species may alleviate disease-related phenotypes. Here, we identify a novel function of Nemo-like kinase (Nlk) as a negative regulator of lysosome biogenesis. Genetic or pharmacological reduction of Nlk increased lysosome formation and improved clearance of aggregated TDP-43. Furthermore, Nlk reduction ameliorated pathological, behavioral, and lifespan deficits in two distinct mouse models of TDP-43 proteinopathy. Because many toxic proteins can be cleared along the autophagy-lysosome axis, targeted reduction of Nlk represents a viable approach to therapy development for multiple neurodegenerative disorders.### Competing Interest StatementThe authors declare competing financial interests: A.S., F.R., and P.J. are employed by Ionis Pharmaceuticals, a for-profit company that develops ASO technologies. The other authors declare no competing financial interest.