Abstract Astrocyte activation is a common feature of neurodegenerative diseases. However, the ways in which dying neurons influence the activity of astrocytes is poorly understood. RIPK3 signaling has recently been described as a key regulator of neuroinflammation, but whether this kinase mediates astrocytic responsiveness to neuronal death has not yet been studied. Here, we used the MPTP model of Parkinson’s disease to show that activation of astrocytic RIPK3 drives dopaminergic cell death and axon damage. Transcriptomic profiling revealed that astrocytic RIPK3 promoted gene expression associated with neuroinflammation and movement disorders, and this coincided with significant engagement of DAMP signaling. Using human cell culture systems, we show that factors released from dying neurons signal through RAGE to induce RIPK3-dependent astrocyte activation. These findings highlight a mechanism of neuron-glia crosstalk in which neuronal death perpetuates further neurodegeneration by engaging inflammatory astrocyte activation via RIPK3.

RNA has been classically known to play central roles in biology, including maintaining telomeres, protein synthesis, and in sex chromosome compensation in certain species. At the center of these important biological systems are noncoding RNAs. While thousands of long noncoding RNAs (lncRNAs) have been identified in mammalian genomes, attributing RNA-based roles to lncRNA loci requires an assessment of whether the observed effect could be due to DNA regulatory elements, the act of transcription, or the lncRNA transcript. Here, we use the syntenically conserved lncRNA locus, Functional intergenic repeating RNA element (Firre), that is located on the X chromosome as a model to discriminate between DNA- and RNA-mediated effects in vivo. To this end, we generated genetically defined loss-of-function, gain-of-function, and rescue mouse models for Firre and provide genetic evidence that the Firre locus produces a trans-acting RNA. We report that: (i) Firre mutant mice have cell-specific defects during hematopoiesis and changes in gene expression that can be rescued by induction of Firre RNA from a transgene in the Firre knockout background, (ii) mice overexpressing Firre from a transgene exhibit increased levels of pro-inflammatory cytokines and impaired survival upon exposure to lipopolysaccharide, and (iii) deletion of the Firre locus did not result in changes in local gene expression on the X chromosome in 9 different biological contexts, suggesting that Firre does not function by cis-acting RNA or DNA elements. Together, our results provide genetic evidence that the Firre locus produces a trans-acting lncRNA that has physiological roles in hematopoiesis and immune function.

Several long noncoding RNAs (lncRNAs) have been shown to function as central components of molecular machines that play fundamental roles in biology. While the number of annotated lncRNAs in mammalian genomes has greatly expanded, their functions remain largely uncharacterized. This is compounded by the fact that identifying lncRNA loci that have robust and reproducible phenotypes when mutated has been a challenge. We previously generated a cohort of 20 lncRNA loci knockout mice. Here, we extend our initial study and provide a more detailed analysis of the highly conserved lncRNA locus, Taurine Upregulated Gene 1 (Tug1). We report that Tug1 knockout male mice are sterile with complete penetrance due to a low sperm count and abnormal sperm morphology. Having identified a lncRNA loci with a robust phenotype, we wanted to determine which, if any, potential elements contained in the Tug1 genomic region (DNA, RNA, protein, or the act of transcription) have activity. Using engineered mouse models and cell-based assays, we provide evidence that the Tug1 locus harbors three distinct regulatory activities - two noncoding and one coding: (i) a cis DNA repressor that regulates many neighboring genes, (ii) a lncRNA that can regulate genes by a trans-based function, and finally (iii) Tug1 encodes an evolutionary conserved peptide that when overexpressed impacts mitochondrial membrane potential. Our results reveal an essential role for the Tug1 locus in male fertility and uncover three distinct regulatory activities in the Tug1 locus, thus highlighting the complexity present at lncRNA loci.

Abstract Parkinson’s disease (PD) is a neurodegenerative disorder characterized by death of midbrain dopamine neurons. The pathogenesis of PD is poorly understood, though misfolded and/or aggregated forms of the protein α-synuclein have been implicated in several neurodegenerative disease processes, including neuroinflammation and astrocyte activation. Astrocytes in the midbrain play complex roles during PD, initiating both harmful and protective processes that vary over the course of disease. However, despite their significant regulatory roles during neurodegeneration, the cellular and molecular mechanisms that promote pathogenic astrocyte activity remain mysterious. Here, we show that α-synuclein preformed fibrils (PFFs) induce pathogenic activation of human midbrain astrocytes, marked by inflammatory transcriptional responses, downregulation of phagocytic function, and conferral of neurotoxic activity. These effects required the necroptotic kinases RIPK1 and RIPK3, but were independent of MLKL and necroptosis. Instead, both transcriptional and functional markers of astrocyte activation occurred via RIPK-dependent activation of NF-κB signaling. Our study identifies a previously unknown function for α-synuclein in promoting neurotoxic astrocyte activation, as well as new cell death-independent roles for RIP kinase signaling in the regulation of glial cell biology and neuroinflammation. Together, these findings highlight previously unappreciated molecular mechanisms of pathologic astrocyte activation and neuronal cell death with implications for Parkinsonian neurodegeneration.

Innate immune signaling in the central nervous system (CNS) exhibits many remarkable specializations that vary across cell types and CNS regions. In the setting of neuroinvasive flavivirus infection, neurons employ the immunologic kinase receptor-interacting kinase 3 (RIPK3) to promote an antiviral transcriptional program, independently of the traditional function of this enzyme in promoting necroptotic cell death. However, while recent work has established roles for neuronal RIPK3 signaling in controlling mosquito-borne flavivirus infections, including West Nile virus and Zika virus, functions for RIPK3 signaling in the CNS during tick-borne flavivirus infection have not yet been explored. Here, we use a model of Langat virus (LGTV) encephalitis to show that RIPK3 signaling is specifically required in neurons of the cerebellum to control LGTV replication and restrict disease pathogenesis. This effect did not require the necroptotic executioner molecule mixed lineage kinase domain like protein (MLKL), a finding similar to previous observations in models of mosquito-borne flavivirus infection. However, control of LGTV infection required a unique, region-specific dependence on RIPK3 to promote expression of key antiviral interferon-stimulated genes (ISG) in the cerebellum. This RIPK3-mediated potentiation of ISG expression was associated with robust cell-intrinsic restriction of LGTV replication in cerebellar granule cell neurons. These findings further illuminate the complex roles of RIPK3 signaling in the coordination of neuroimmune responses to viral infection, as well as provide new insight into the mechanisms of region-specific innate immune signaling in the CNS.

Abstract Zika virus (ZIKV) is an emerging flavivirus of global concern. ZIKV infection of the central nervous system has been linked to a variety of clinical syndromes, including microcephaly in fetuses and rare but serious neurologic disease in adults. However, the potential for ZIKV to influence brain physiology and host behavior following recovery from apparently mild or subclinical infection is less well understood. Furthermore, though deficits in cognitive function are well-documented following recovery from neuroinvasive viral infection, the potential impact of ZIKV on other host behavioral domains has not been thoroughly explored. In our study, we performed transcriptomic profiling of primary neuron cultures following ZIKV infection, which revealed altered expression of key genes associated with major psychiatric disorders, such as bipolar disorder and schizophrenia. Gene ontology enrichment analysis also revealed significant changes in gene expression associated with fundamental neurobiological processes, including neuronal development, neurotransmission, and others. These alterations to neurologic gene expression were also observed in the brain in vivo using an immunocompetent mouse model of ZIKV infection. Mechanistic studies identified TNF-α signaling via TNFR1 as a major regulatory mechanism controlling ZIKV-induced changes to neurologic gene expression. Our studies reveal that cell-intrinsic innate immune responses to ZIKV infection profoundly shape neuronal transcriptional profiles, highlighting the need to further explore associations between ZIKV infection and disordered host behavioral states.