The trophoblast cell lineage is essential for the survival of the mammalian embryo in utero. This lineage is specified before implantation into the uterus and is restricted to form the fetal portion of the placenta. A culture of mouse blastocysts or early postimplantation trophoblasts in the presence of fibroblast growth factor 4 (FGF4) permitted the isolation of permanent trophoblast stem cell lines. These cell lines differentiated to other trophoblast subtypes in vitro in the absence of FGF4 and exclusively contributed to the trophoblast lineage in vivo in chimeras.

Pluripotent embryonic stem (ES) cells must select between alternative fates of self-replication and lineage commitment during continuous proliferation. Here, we delineate the role of autocrine production of fibroblast growth factor 4 (Fgf4) and associated activation of the Erk1/2 (Mapk3/1) signalling cascade. Fgf4 is the major stimulus activating Erk in mouse ES cells. Interference with FGF or Erk activity using chemical inhibitors or genetic ablations does not impede propagation of undifferentiated ES cells. Instead,such manipulations restrict the ability of ES cells to commit to differentiation. ES cells lacking Fgf4 or treated with FGF receptor inhibitors resist neural and mesodermal induction, and are refractory to BMP-induced non-neural differentiation. Lineage commitment potential of Fgf4-null cells is restored by provision of FGF protein. Thus, FGF enables rather than antagonises the differentiation activity of BMP. The key downstream role of Erk signalling is revealed by examination of Erk2-null ES cells,which fail to undergo either neural or mesodermal differentiation in adherent culture, and retain expression of pluripotency markers Oct4, Nanog and Rex1. These findings establish that Fgf4 stimulation of Erk1/2 is an autoinductive stimulus for naïve ES cells to exit the self-renewal programme. We propose that the Erk cascade directs transition to a state that is responsive to inductive cues for germ layer segregation. Consideration of Erk signalling as a primary trigger that potentiates lineage commitment provides a context for reconciling disparate views on the contribution of FGF and BMP pathways during germ layer specification in vertebrate embryos.

A major barrier to research on Parkinson's disease is inaccessibility of diseased tissue for study. One solution is to derive induced pluripotent stem cells from patients and differentiate them into neurons affected by disease. Triplication of SNCA, encoding α-synuclein, causes a fully penetrant, aggressive form of Parkinson's disease with dementia. α-Synuclein dysfunction is the critical pathogenic event in Parkinson's disease, multiple system atrophy and dementia with Lewy bodies. Here we produce multiple induced pluripotent stem cell lines from an SNCA triplication patient and an unaffected first-degree relative. When these cells are differentiated into midbrain dopaminergic neurons, those from the patient produce double the amount of α-synuclein protein as neurons from the unaffected relative, precisely recapitulating the cause of Parkinson's disease in these individuals. This model represents a new experimental system to identify compounds that reduce levels of α-synuclein, and to investigate the mechanistic basis of neurodegeneration caused by α-synuclein dysfunction. Pluripotent stem cells can be generated from the somatic cells of humans and are a useful model to study disease. Here, pluripotent stem cells are made from a patient with familial Parkinson's disease, and the resulting neurons exhibit elevated levels of α-synuclein, recapitulating the molecular features of the patient's disease.

Protein aggregation causes α-synuclein to switch from its physiological role to a pathological toxic gain of function. Under physiological conditions, monomeric α-synuclein improves ATP synthase efficiency. Here, we report that aggregation of monomers generates beta sheet-rich oligomers that localise to the mitochondria in close proximity to several mitochondrial proteins including ATP synthase. Oligomeric α-synuclein impairs complex I-dependent respiration. Oligomers induce selective oxidation of the ATP synthase beta subunit and mitochondrial lipid peroxidation. These oxidation events increase the probability of permeability transition pore (PTP) opening, triggering mitochondrial swelling, and ultimately cell death. Notably, inhibition of oligomer-induced oxidation prevents the pathological induction of PTP. Inducible pluripotent stem cells (iPSC)-derived neurons bearing SNCA triplication, generate α-synuclein aggregates that interact with the ATP synthase and induce PTP opening, leading to neuronal death. This study shows how the transition of α-synuclein from its monomeric to oligomeric structure alters its functional consequences in Parkinson's disease.

The extra-embryonic endoderm lineage plays a major role in the nutritive support of the embryo and is required for several inductive events, such as anterior patterning and blood island formation. Blastocyst-derived embryonic stem (ES) and trophoblast stem (TS) cell lines provide good models with which to study the development of the epiblast and trophoblast lineages,respectively. We describe the derivation and characterization of cell lines that are representative of the third lineage of the blastocyst –extra-embryonic endoderm. Extra-embryonic endoderm (XEN) cell lines can be reproducibly derived from mouse blastocysts and passaged without any evidence of senescence. XEN cells express markers typical of extra-embryonic endoderm derivatives, but not those of the epiblast or trophoblast. Chimeras generated by injection of XEN cells into blastocysts showed exclusive contribution to extra-embryonic endoderm cell types. We used female XEN cells to investigate the mechanism of X chromosome inactivation in this lineage. We observed paternally imprinted X-inactivation, consistent with observations in vivo. Based on gene expression analysis, chimera studies and imprinted X-inactivation, XEN cell lines are representative of extra-embryonic endoderm and provide a new cell culture model of an early mammalian lineage.

Analysis of ALS patient iPSC-derived motor neurons indicates that Src/c-Abl inhibitors may have potential for treating ALS.

Abstract The protein alpha-synuclein (asyn) is predominantly expressed in neurons and is associated with neurodegenerative diseases like Parkinson’s disease (PD); yet, a functional role for asyn in neurons is not clearly established. We have previously shown that asyn expression is up-regulated following viral infection in neurons and is critical for host immune responses to RNA virus infections. Here, we investigate the mechanisms underlying asyn-dependent immune responses to RNA virus infection in the brain. Using asyn knock-out (KO) mice and human neuronal models, we show that asyn is required for expression of the full repertoire of interferon-stimulated genes (ISGs) in neurons following acute RNA virus infection. Furthermore, treatment of asyn KO human neurons with poly I:C or type I interferon also fail to induce expression of the full complement of ISGs suggesting that asyn plays an important role in modulating neuronal innate immune responses. In brain tissue, asyn-dependent ISG expression is independent of microglia activation and supports activation of infiltrating lymphocytes following viral challenge. We also show that virus infections lead to accumulation of phosphorylated S129 asyn in human and non-human primate neuronal tissues. In a model of pS129 asyn pathology, we found that infection with West Nile virus increases microglia activation but does not significantly alter pS129 asyn pathology in the mouse model. Taken together, our results establish asyn as a novel, neuron-specific modulator of innate immunity by a mechanism that promotes interferon-stimulated gene expression and links responses to virus infection with formation of phosphorylated S129-asyn in neuronal tissue.

SNCA, the first gene associated with Parkinson′s disease, encodes the α-synuclein (α-syn) protein, the predominant component within pathological inclusions termed Lewy bodies (LBs). The presence of LBs is one of the classical hallmarks found in the brain of patients with Parkinson′s disease, and LBs have also been observed in patients with other synucleinopathies. However, the study of α-syn pathology in cells has relied largely on two-dimensional culture models, which typically lack the cellular diversity and complex spatial environment found in the brain. Here, to address this gap, we use 3D midbrain organoids (hMOs), differentiated from human induced pluripotent stem cells derived from patients carrying a triplication of the SNCA gene and from CRISPR/Cas9 corrected isogenic control iPSCs. These hMOs recapitulate key features of α-syn pathology observed in the brains of patients with synucleinopathies. In particular, we find that SNCA triplication hMOs express elevated levels of α-syn and exhibit an age-dependent increase in α-syn aggregation, manifested by the presence of both oligomeric and phosphorylated forms of α-syn. These phosphorylated α-syn aggregates were found in both neurons and glial cells and their time-dependent accumulation correlated with a selective reduction in dopaminergic neuron numbers. Thus, hMOs from patients carrying SNCA gene multiplication can reliably model key pathological features of Parkinson′s disease and provide a powerful system to study the pathogenesis of synucleinopathies.

ABSTRACT Many proteins that self-assemble into amyloid and amyloid-like fibres can adopt polymorphic forms. These forms have been observed both in vitro and in vivo and can arise through variations in the steric-zipper interactions between β-sheets, variations in the arrangements between protofilaments, and differences in the number of protofilaments that make up a given fibre class. Different polymorphs which arise from the same precursor molecule not only exhibit different levels of toxicity, but importantly can contribute to different disease conditions. In this work, we show that in the presence of 1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phospho-L-serine, a highly abundant lipid in the plasma membrane of neurons, the aggregation of α-synuclein is markedly accelerated and yields a diversity of polymorphic forms under identical experimental conditions. This morphological diversity includes thin and curly amyloid fibrils, helical and twisted ribbons, nanotubes and flat sheets. TEM analysis of fibrils sampled from the early stage of the growth phase shows the presence of helical and twisted ribbons, indicating that these morphological variants form at the early stages of aggregation. Total internal reflection fluorescence microscopy (TIRFM) indicated the presence of lipids collocated with the mature fibrils. This finding has important implication as the presence of α-synuclein with co-localized high lipid content has been reported in Lewy bodies, the pathological hallmark of Parkinson’s disease and other synucleinopathies. Thus, the present study demonstrates that an interface, such as that provided by a lipid membrane, can not only modulate the kinetics of α-synuclein amyloid aggregation but also plays an important role in the formation of morphological variants by incorporating lipid molecules in the process of amyloid fibril formation.

Abstract Point mutations in the SNCA gene, encoding α-synuclein (αSyn), are a known cause of familial Parkinson’s disease. The G51D mutation causes early onset neurodegeneration with complex pathology. We used CRISPR/Cas9 in rats to introduce the G51D mutation into the endogenous Snca gene. Co-localisation immunostaining studies with synaptic proteins showed that αSyn G51D protein is no longer efficiently localised to synapses. Furthermore, biochemical isolation of synaptosomes from rat cortex demonstrated a significant depletion of αSyn in Snca G51D/+ and Snca G51D/G51D rats. Unbiased proteomic investigation of the cortex identified significant synaptic dysregulation in Snca G51D/G51D animals. Finally, we compared the propensity for Lewy-like pathology of Snca +/+ and Snca G51D/G51D rats by stereotaxically delivering αSyn pre-formed fibrils (PFFs) into the pre-frontal cortex. At an early time-point, 6 weeks post-injection, we observed discrete Lewy-like structures positive for phosphoserine-129-αSyn (pS129-αSyn) only in Snca G51D/G51D brains. At 26 weeks post-injection of PFFs Snca G51D/G51D brains exhibited intense, discrete pS129-αSyn-positive structures, while Snca +/+ brains exhibited diffuse pS129-αSyn immunostaining. Quantification of discrete pS129-αSyn-positive structures revealed the striatum of Snca G51D/G51D rats had significantly more Lewy-like pathology than Snca +/+ rats. In summary, this novel Snca G51D rat model exhibits molecular characteristics of early synaptic dysfunction and is primed for αSyn pathology.