Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disease that is familial in 10% of cases. We have identified a missense mutation in the gene encoding fused in sarcoma (FUS) in a British kindred, linked to ALS6. In a survey of 197 familial ALS index cases, we identified two further missense mutations in eight families. Postmortem analysis of three cases with FUS mutations showed FUS-immunoreactive cytoplasmic inclusions and predominantly lower motor neuron degeneration. Cellular expression studies revealed aberrant localization of mutant FUS protein. FUS is involved in the regulation of transcription and RNA splicing and transport, and it has functional homology to another ALS gene, TARDBP , which suggests that a common mechanism may underlie motor neuron degeneration.

TDP-43 is a RNA-binding protein that forms inclusion bodies in ALS. The authors show that TDP-43 preferentially binds long clusters of UG-rich sequences and that TDP-43 binding on pre-mRNAs influences alternative splicing. Many alternative mRNA isoforms regulated by TDP-43 encode proteins that regulate neuronal development or are implicated in neurological diseases. TDP-43 is a predominantly nuclear RNA-binding protein that forms inclusion bodies in frontotemporal lobar degeneration (FTLD) and amyotrophic lateral sclerosis (ALS). The mRNA targets of TDP-43 in the human brain and its role in RNA processing are largely unknown. Using individual nucleotide-resolution ultraviolet cross-linking and immunoprecipitation (iCLIP), we found that TDP-43 preferentially bound long clusters of UG-rich sequences in vivo. Analysis of RNA binding by TDP-43 in brains from subjects with FTLD revealed that the greatest increases in binding were to the MALAT1 and NEAT1 noncoding RNAs. We also found that binding of TDP-43 to pre-mRNAs influenced alternative splicing in a similar position-dependent manner to Nova proteins. In addition, we identified unusually long clusters of TDP-43 binding at deep intronic positions downstream of silenced exons. A substantial proportion of alternative mRNA isoforms regulated by TDP-43 encode proteins that regulate neuronal development or have been implicated in neurological diseases, highlighting the importance of TDP-43 for the regulation of splicing in the brain.

Microglia take control Changes in the activity of microglia, the primary immune cells of the central nervous system, are linked with major human diseases, including stroke, epilepsy, psychiatric disorders, and neurodegeneration. Cserép et al. identified a specialized morphofunctional communication site between microglial processes and neuronal cell bodies in the mouse and the human brain (see the Perspective by Nimmerjahn). These junctions are formed at specific areas of the neuronal somatic membranes and possess a distinctive nanoarchitecture and specialized molecular composition linked to mitochondrial signaling. The junctions appear to provide a major site for microglia-neuron communication and may help to mediate the neuroprotective effects of microglia after acute brain injury. Science , this issue p. 528 ; see also p. 510

Abstract COVID-19 is associated with diverse neurological abnormalities, which predict poor outcome in patients. However, the mechanisms whereby infection-induced inflammation could affect complex neuropathologies in COVID-19 are unclear. We hypothesized that microglia, the resident immune cells of brain, are centrally involved in this process. To study this, we developed an autopsy platform allowing the integration of molecular anatomy-, protein- and mRNA data sets in post-mortem mirror blocks of brain and peripheral organ samples from COVID-19 cases. Nanoscale microscopy, single-cell RNA sequencing and analysis of inflammatory and metabolic signatures revealed distinct mechanisms of microglial dysfunction associated with cerebral SARS-CoV-2 infection. We observed focal loss of microglial P2Y12R at sites of virus-associated vascular inflammation together with dysregulated microglia-vascular-astrocyte interactions, Cx3Cr1-fractalkine axis deficits and mitochondrial failure in severely affected medullary autonomic nuclei and other brain areas. Microglial dysfunction occurs at sites of excessive synapse- and myelin phagocytosis and loss of glutamatergic terminals. While central and systemic viral load is strongly linked in individual patients, the regionally heterogenous microglial reactivity in the brain correlated with the extent of central and systemic inflammation related to IL-1 / IL-6 via virus-sensing pattern recognition receptors (PRRs) and inflammasome activation pathways. Thus, SARS-CoV-2-induced central and systemic inflammation might lead to a primarily glio-vascular failure in the brain, which could be a common contributor to diverse COVID-19-related neuropathologies.

Abstract Widespread cortical accumulation of misfolded pathological tau proteins (ptau) in the form of paired helical filaments is a major hallmark of Alzheimer’s disease. Subcellular localization of ptau at various stages of disease progression is likely to be informative of the cellular mechanisms involving its spread. Here, we found that the density of ptau within several distinct rostral thalamic nuclei in post-mortem human tissue ( n = 25 cases) increased with the disease stage, with the anterodorsal nucleus (ADn) consistently being the most affected. In the ADn, ptau-positive elements were present already in the pre-cortical (Braak 0) stage. Tau pathology preferentially affected the calretinin-expressing subpopulation of glutamatergic neurons in the ADn. At the subcellular level, we detected ptau immunoreactivity in ADn cell bodies, dendrites, and in a specialized type of presynaptic terminal that expresses vesicular glutamate transporter 2 (vGLUT2) and likely originates from the mammillary body. The ptau-containing terminals displayed signs of degeneration, including endosomal/lysosomal organelles. In contrast, corticothalamic axon terminals lacked ptau. The data demonstrate the involvement of a specific cell population in ADn at the onset of the disease. The presence of ptau in subcortical glutamatergic presynaptic terminals supports hypotheses about the transsynaptic spread of tau selectively affecting specialized axonal pathways.

Abstract As the most prescribed psychotropic drugs in current medical practice, antidepressant drugs (ADs) of the selective serotonin reuptake inhibitor (SSRI) class represent prime candidates for drug repurposing. The mechanisms underlying their mode of action, however, remain unclear. Here, we show that common SSRIs and selected representatives of other AD classes bidirectionally regulate fluid-phase uptake at therapeutic concentrations and below. We further characterize membrane trafficking induced by a canonical SSRI fluvoxamine to show that it involves enhancement of clathrin-mediated endocytosis, endosomal system, and exocytosis. RNA sequencing analysis showed few fluvoxamine-associated differences, consistent with the effect being independent of gene expression. Fluvoxamine-induced increase in membrane trafficking boosted transcytosis in cell-based blood-brain barrier models, while a single injection of fluvoxamine was sufficient to enable brain accumulation of a fluid-phase fluorescent tracer in vivo. These findings reveal modulation of membrane trafficking by ADs as a possible cellular mechanism of action and indicate their clinical repositioning potential for regulating drug delivery to the brain.

Microglia are the main immune cells in the brain with emerging roles in brain homeostasis and neurological diseases, while mechanisms underlying microglia-neuron communication remain elusive. Here, we identify a novel site of interaction between neuronal cell bodies and microglial processes in mouse and human brain. Somatic microglia-neuron junctions possess specialized nanoarchitecture optimized for purinergic signaling. Activity of neuronal mitochondria is linked with microglial junction formation, which is rapidly induced in response to neuronal activation and blocked by inhibition of P2Y12-receptors (P2Y12R). Brain injury-induced changes at somatic junctions trigger P2Y12R-dependent microglial neuroprotection, regulating neuronal calcium load and functional connectivity. Collectively, our results suggest that microglial processes at these junctions are in ideal position to monitor and protect neuronal functions in both the healthy and injured brain.

Abstract Parkinson’s disease (PD) is a chronic, progressive neurodegenerative condition; characterized with the degeneration of the nigrostriatal dopaminergic pathway and neuroinflammation. During PD progression, microglia, the resident immune cells in the central nervous system (CNS) display altered activity, but their role in maintaining PD development has remained unclear to date. The purinergic P2Y12 receptor (P2Y12R), which is exclusively expressed on the microglia in the CNS has been shown to regulate microglial activity and responses; however, the function of the P2Y12R in PD is unknown. Here we show that while pharmacological or genetic targeting of P2Y12R previous to disease onset augments acute mortality, these interventions protect against neurodegenerative cell loss and the development of neuroinflammation in vivo. Pharmacological inhibition of receptors during disease development reverses the symptoms of PD and halts disease progression. We found that P2Y12R regulate ROCK and p38 MAPK activity and control cytokine production. Understanding protective and detrimental P2Y12 receptor-mediated actions in the CNS may reveal novel approaches to control neuroinflammation and modify disease progression in PD.