Abstract Progressive supranuclear palsy (PSP) is a neurodegenerative disorder whose molecular complexity at a single cell level has not been evaluated. Here we analyzed 45,559 high quality nuclei from the subthalamic nucleus and associated basal ganglia regions from post-mortem human PSP brains with varying degrees of tau pathology compared to controls ( n =3 per group). We identified novel astrocyte-oligodendrocyte hybrid cell populations that overexpress neurotropic factors in conjunction with suppression of the unfolded protein response pathway. Notably, trajectory analysis identified subpopulations of hybrid cells with distinct astrocytic, oligodendrocytic and hybrid molecular states that change from a neuroprotective hybrid cell to an astrocytic cell with impaired homeostatic function in PSP. Our single nucleus transcriptomic data provides insights into the cell-type-specific contributions to the disease for investigating the molecular and cellular basis of PSP.

SUMMARY Frontotemporal dementia (FTD) due to MAPT mutation causes pathological accumulation of tau and glutamatergic cortical neuronal death by unknown mechanisms. We used human induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived cerebral organoids expressing tau-V337M and isogenic corrected controls to discover early alterations due to the mutation that precede neurodegeneration. At 2 months, mutant organoids show upregulated expression of MAPT , and glutamatergic signaling pathways and regulators including the RNA-binding protein ELAVL4 . Over the following 4 months, mutant organoids accumulate splicing changes, disruption of autophagy function and build-up of tau and P-tau S396. By 6 months, tau-V337M organoids show specific loss of glutamatergic neurons of layers affected in patients. Mutant neurons are susceptible to glutamate toxicity which was rescued pharmacologically by treatment with the PIKFYVE kinase inhibitor apilimod. Our results demonstrate a sequence of events that precede cell death, revealing molecular pathways associated with glutamate signaling as potential targets for therapeutic intervention in FTD.

Abstract Multiple drugs to treat traumatic brain injury (TBI) have failed clinical trials. Most drugs lose efficacy as the time interval increases between injury and treatment onset. Insufficient therapeutic time window is a major reason underlying failure in clinical trials. Few drugs have been developed with therapeutic time windows sufficiently long enough to treat TBI because little is known about which brain functions can be targeted if therapy is delayed hours to days after injury. We identified multiple injury parameters that are improved by first initiating treatment with the drug combination minocycline (MINO) plus N-acetylcysteine (NAC) at 72 hours after injury (MN72) in a mouse closed head injury (CHI) experimental TBI model. CHI produces spatial memory deficits resulting in impaired performance on Barnes maze, hippocampal neuronal loss, and bilateral damage to hippocampal neurons, dendrites, spines and synapses. MN72 treatment restores Barnes maze acquisition and retention, protects against hippocampal neuronal loss, limits damage to dendrites, spines and synapses, and accelerates recovery of microtubule associated protein 2 (MAP2) expression, a key protein in maintaining proper dendritic architecture and synapse density. These data show that in addition to the structural integrity of the dendritic arbor, spine and synapse density can be successfully targeted with drugs first dosed days after injury. Retention of substantial drug efficacy even when first dosed 72 hours after injury makes MINO plus NAC a promising candidate to treat clinical TBI.

Progressive supranuclear palsy (PSP) is a sporadic neurodegenerative tauopathy variably affecting brainstem and cortical structures and characterized by tau inclusions in neurons and glia. The precise mechanism whereby these protein aggregates lead to cell death remains unclear. To investigate the contribution of these different cellular abnormalities to PSP pathogenesis, we performed single-nucleus RNA sequencing and analyzed 45,559 high quality nuclei targeting the subthalamic nucleus and adjacent structures from human post-mortem PSP brains with varying degrees of pathology compared to controls. Cell-type specific differential expression and pathway analysis identified both common and discrete changes in numerous pathways previously implicated in PSP and other neurodegenerative disorders. This included EIF2 signaling, an adaptive pathway activated in response to diverse stressors, which was the top activated pathway in vulnerable cell types. Using immunohistochemistry, we found that activated eIF2α was positively correlated with tau pathology burden in vulnerable brain regions. Multiplex immunofluorescence localized activated eIF2α positivity to hyperphosphorylated tau (p-tau) positive neurons and ALDH1L1-positive astrocytes, supporting the increased transcriptomic EIF2 activation observed in these vulnerable cell types. In conclusion, these data provide insights into cell-type-specific pathological changes in PSP and support the hypothesis that failure of adaptive stress pathways play a mechanistic role in the pathogenesis and progression of PSP.

SUMMARY Accumulation of advanced glycation end products (AGEs) on biopolymers accompany cellular aging and drives poorly understood disease processes. Here, we studied how AGEs contribute to development of early on-set Parkinson’s Disease (PD) caused by loss-of-function of DJ1, a protein deglycase. In induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived midbrain organoid models deficient for DJ1 activity, we find that lysosomal proteolysis is impaired, causing AGEs to accumulate, α-synuclein (α-syn) phosphorylation to increase, and proteins to aggregate. These processes are at least partly driven by astrocytes, as DJ1 loss reduces their capacity to provide metabolic support and triggers acquisition of a pro-inflammatory phenotype. Consistently, in co-cultures, we find that DJ1-expressing astrocytes are able to reverse the proteolysis deficits of DJ1 knockout midbrain neurons. In conclusion, astrocytes’ capacity to clear toxic damaged proteins is critical to preserve neuronal function and their dysfunction contributes to the neurodegeneration observed in PD.

Abstract Primary age-related tauopathy (PART) is a neurodegenerative tauopathy with features distinct from but also overlapping with Alzheimer disease (AD). While both exhibit Alzheimer-type temporal lobe neurofibrillary degeneration alongside amnestic cognitive impairment, PART develops independently of amyloid-β (Aβ) deposition in plaques. The pathogenesis of PART is unknown, but evidence suggests it is associated with genes that promote tau pathology as well as others that protect from Aβ toxicity. Here, we performed a genetic association study in an autopsy cohort of individuals with PART ( n =647) using Braak neurofibrillary tangle stage as a quantitative trait adjusting for sex, age, genotyping platform, and principal components. We found significant associations with some candidate loci associated with AD and progressive supranuclear palsy, a primary tauopathy ( SLC24A4, MS4A6A, HS3ST1, MAPT and EIF2AK3 ). Genome-wide association analysis revealed a novel significant association with a single nucleotide polymorphism on chromosome 4 (rs56405341) in a locus containing three genes, including JADE1 which was significantly upregulated in tangle-bearing neurons by single-soma RNA-seq. Immunohistochemical studies using antisera targeting JADE1 protein revealed localization within tau aggregates in autopsy brain from tauopathies containing isoforms with four microtubule-binding domain repeats (4R) and mixed 3R/4R, but not with 3R exclusively. Co-immunoprecipitation revealed a direct and specific binding of JADE1 protein to tau containing four (4R) and no N-terminal inserts (0N4R) in post-mortem human PART brain tissue. Finally, knockdown of the Drosophila JADE1 homolog rhinoceros (rno) enhanced tau-induced toxicity and apoptosis in vivo in a humanized 0N4R mutant tau knock-in model as quantified by rough eye phenotype and terminal deoxynucleotidyl transferase dUTP nick end-labeling (TUNEL) in the fly brain. Together, these findings indicate that PART has a genetic architecture that partially overlaps with AD and other tauopathies and suggests a novel role for JADE1 as a mediator of neurofibrillary degeneration.

ABSTRACT Understanding regulation of MAPT splicing is important to the etiology of many nerurodegenerative diseases, including Alzheimer disease (AD) and progressive supranuclear palsy (PSP), in which different tau isoforms accumulate in pathologic inclusions. MAPT , the gene encoding the tau protein, undergoes complex alternative pre-mRNA splicing to generate six isoforms. Tauopathies can be categorized by the presence of tau aggregates containing either 3 (3R) or 4 (4R) microtubule binding domain repeats (determined by inclusion/exclusion of exon 10), but the role of the N terminal domain of the protein, determined by inclusion/exclusion of exons 2 and 3 has been less well studied. Using an unbiased correlational screen in human brain tissue, we observed coordination of MAPT exons 2 and 10 splicing. Expression of exon 2 splicing regulators and subsequently exon 2 inclusion are differentially disrupted in PSP and AD brain, resulting in the accumulation of 1N4R isoforms in PSP and 0N isoforms in AD temporal cortex. Furthermore, we identified different N-terminal isoforms of tau present in neurofibrillary tangles, dystrophic neurites and tufted astrocytes, indicating a role for differential N-terminal splicing in the development of disparate tau neuropathologies. We conclude that N-terminal splicing and combinatorial regulation with exon 10 inclusion/exclusion is likely to be important to our understanding of tauopathies.