ABSTRACT Patients with densely innervated tumors do poorly as compared to those with sparsely innervated disease. Why some tumors heavily recruit nerves while others do not, remains unknown as does the functional contribution of tumor-infiltrating nerves to cancer. Moreover, while patients receive chemotherapeutic treatment, whether these drugs affect nerve recruitment has not been tested. Using a murine model of ovarian cancer, we show that tumor-infiltrating sensory nerves potentiate tumor growth, decrease survival, and contribute to treatment resistance. Furthermore, matched patient samples show significantly increased tumor innervation following chemotherapy. In vitro analysis of tumor-released extracellular vesicles (sEVs) shows they harbor neurite outgrowth activity. These data suggest that chemotherapy may alter sEV cargo, endowing it with robust nerve recruiting capacity.

ABSTRACT As neurons establish extensive connections throughout the central nervous system, the transport of cargo along the microtubule network of the axon is crucial for differentiation and homeostasis. Specifically, building blocks such as membrane and cytoskeletal components, organelles, transmembrane receptors, adhesion molecules, and peptide neurotransmitters all require proper transport to the presynaptic compartment. Here, we identify a novel complex regulating vesicular endoplasmic reticulum transport in neurites, composed of C LN6: an ER-associated protein of relatively unknown function implicated in CLN6-Batten disease; C RMP2: a tubulin binding protein important in regulating neurite microtubule dynamics; and K LC4: a classic transport motor protein. We show that this “CCK” complex allows ER-derived vesicles to migrate to the distal end of the axon, aiding in proper neurite outgrowth and arborization. In the absence of CLN6, the CCK complex does not function effectively, leading to reduced vesicular transport, stunted neurite outgrowth, and deficits in CRMP2 binding to other protein partners. Treatment with a CRMP2 modulating compound, lanthionine ketimine ester, partially restores these deficits in CLN6-deficient mouse neurons, indicating that stabilization of CRMP2 interacting partners may prove beneficial in lieu of complete restoration of the CCK complex. Taken together, these findings reveal a novel mechanism of ER-derived vesicle transport in the axon and provide new insights into therapeutic targets for neurodegenerative disease.

ABSTRACT SEC24 is mainly involved in cargo sorting during COPII vesicle assembly. There are four SEC24 paralogs (A to D) in mammals, which are classified into two subgroups (SEC24A/B and SEC24C/D). Pathological mutations in SEC24D cause osteogenesis imperfecta with craniofacial dysplasia in humans. sec24d mutant fish also recapitulate the phenotypes. Consistent with the skeletal phenotypes, the secretion of collagen was severely defective in mutant fish, emphasizing the importance of SEC24D in collagen secretion. However, SEC24D patient-derived fibroblasts show only a mild secretion phenotype, suggesting tissue-specificity in the secretion process. Using Sec24d KO mice and cultured cells, we show that SEC24A and SEC24B also contribute to ER export of procollagen. In contrast, fibronectin 1 requires either SEC24C or SEC24D for ER export. On the basis of our results, we propose that procollagen interacts with multiple SEC24 paralogs for efficient export from the ER, and that this is the basis for tissue-specific phenotypes resulting from SEC24 paralog deficiency.

Abstract Cognitive or motor impairment is common among individuals with neurofibromatosis type 1 (NF1), an autosomal dominant tumor‐predisposition disorder. As many as 70% of children with NF1 report difficulties with spatial/working memory, attention, executive function, and fine motor movements. In contrast to the utilization of various Nf1 mouse models, here we employ an NF1 +/ex42del miniswine model to evaluate the mechanisms and characteristics of these presentations, taking advantage of a large animal species more like human anatomy and physiology. The prefrontal lobe, anterior cingulate, and hippocampus from NF1 +/ex42del and wild‐type miniswine were examined longitudinally, revealing abnormalities in mature oligodendrocytes and astrocytes, and microglial activation over time. Imbalances in GABA: Glutamate ratios and GAD67 expression were observed in the hippocampus and motor cortex, supporting the role of disruption in inhibitory neurotransmission in NF1 cognitive impairment and motor dysfunction. Moreover, NF1 +/ex42del miniswine demonstrated slower and shorter steps, indicative of a balance‐preserving response commonly observed in NF1 patients, and progressive memory and learning impairments. Collectively, our findings affirm the effectiveness of NF1 +/ex42del miniswine as a valuable resource for assessing cognitive and motor impairments associated with NF1, investigating the involvement of specific neural circuits and glia in these processes, and evaluating potential therapeutic interventions.

Abstract Batten disease is unique among lysosomal storage disorders for the early and profound manifestation in the central nervous system, but little is known regarding potential neuron-specific roles for the disease-associated proteins. We demonstrate substantial overlap in the protein interactomes of three transmembrane Batten proteins (CLN3, CLN6, and CLN8), and that their absence leads to synaptic depletion of key partners (i.e. SNAREs and tethers) and aberrant synaptic SNARE dynamics in vivo , demonstrating a novel shared etiology.

Abstract While research has accelerated the development of new treatments for pediatric neurodegenerative disorders, the ability to demonstrate the long-term efficacy of these therapies has been hindered by the lack of convincing, noninvasive methods for tracking disease progression both in animal models and in human clinical trials. Here, we unveil a new translational platform for tracking disease progression in an animal model of a pediatric neurodegenerative disorder, CLN6-Batten disease. Instead of looking at a handful of parameters or a single “needle in a haystack”, we embrace the idea that disease progression, in mice and patients alike, is a diverse phenomenon best characterized by a combination of relevant biomarkers. Thus, we employed a multi-modal quantitative approach where 144 parameters were longitudinally monitored to allow for individual variability. We use a range of noninvasive neuroimaging modalities and kinematic gait analysis, all methods that parallel those commonly used in the clinic, followed by a powerful statistical platform to identify key progressive anatomical and metabolic changes that correlate strongly with the progression of pathological and behavioral deficits. This innovative, highly sensitive platform can be used as a powerful tool for preclinical studies on neurodegenerative diseases, and provides proof-of-principle for use as a potentially translatable tool for clinicians in the future. One Sentence Summary Principal component analysis identifies a set of clinically relevant parameters able to measure progression of Batten disease in a mouse model.

Abstract CLN8 disease is a rare form of neuronal ceroid lipofuscinosis caused by biallelic mutations in the CLN8 gene, which encodes a transmembrane endoplasmic reticulum protein involved in trafficking of lysosomal enzymes. CLN8 disease patients present with myoclonus, tonic-clonic seizures, and progressive declines in cognitive and motor function, with many cases resulting in premature death early in life. There are currently no treatments that can cure the disease or substantially slow disease progression. Using a mouse model of CLN8 disease, we tested the safety and efficacy of an intracerebroventricularly (ICV)-delivered self-complementary AAV9 (scAAV9) gene therapy vector driving expression of human CLN8 . A single neonatal injection was safe and well-tolerated, resulting in robust transgene expression throughout the brain and spinal cord from 4 to 24 months, reducing histopathological and behavioral hallmarks of the disease and completely restoring lifespan from 10 months in untreated animals to beyond 24 months of age in treated animals. These results demonstrate, by far, the most successful rescue reported in an animal model of CLN8 disease, and supports gene therapy as a promising therapeutic strategy for this disorder.

Abstract Innate lymphoid cells (ILCs) are rare tissue-resident “helper” lymphocytes that do not express diversified antigen receptors. Type 3 ILCs (ILC3s) are an important class of these cells enriched in the respiratory and intestinal mucosa, where they regulate inflammation and mucosal homeostasis. To gain insight into the cis-regulatory circuitries underlying ILC3 function, we used high-resolution Capture Hi-C to profile promoter-anchored chromosomal contacts in human primary ILC3s. Combining significant interaction detection with the Activity-By-Contact approach adapted to Capture Hi-C, we reveal a multitude of contacts between promoters and distal regulatory elements and obtain evidence for distinct regulatory wiring of alternative promoters. We find that promoter-interacting regions in ILC3s are enriched for genetic variants associated with multiple immune diseases. Focusing on Crohn’s disease (CD), in which ILC3s are established mediators, we devised a Bayesian approach that incorporates multivariate fine-mapping to link CD-associated genetic variants with putative target genes. We identify known and previously unimplicated genes in conferring genetic risk of CD through activity in ILC3s. This includes the C LN3 gene that is mutated in most cases of the neurodegenerative disorder Batten disease. Using Cln3 mutant mice, we show that CLN3 is a putative negative regulator of IL-17 production in an inflammatory subset of ILC3s. This finding suggests a functional role for CLN3 in ILC3 biology, with mechanistic implications for Crohn’s and Batten diseases.

Genetically modified porcine disease models are becoming increasingly important for studying molecular, physiological and pathological characteristics of human disorders. Given their limited history, there remains a great need for proven reagents in swine tissue. To provide a resource for neurological models of disease, we validated antibodies by immunohistochemistry for use in examining central nervous system (CNS) markers. To validate these tools in a relevant model, we utilized a recently developed miniswine model of neurofibromatosis type 1 (NF1). NF1 is a tumor predisposition disorder, presenting with different type of tumors. Additionally, neurological associated symptomologies may include chronic pain, cognitive impairment, and behavioral abnormalities, making this miniswine model an ideal candidate for validating CNS-relevant antibodies. We validate antibodies implicated in glial inflammation (CD68), oligodendrocyte development (NG2, O4, Olig2, and myelin PLP), and neuron differentiation and neurotransmission (doublecortin, GAD67, and tyrosine hydroxylase) by examining cellular localization and brain region specificity. Additionally, we confirm the utility of anti-GFAP, anti-Iba1, and anti-MBP antibodies, previously validated in swine, by testing their immunoreactivity across multiple brain regions in mutant NF1 samples. These validated immunostaining protocols for CNS markers provide a useful resource, furthering the utility of the genetically modified miniswine for translational and clinical applications.

Abstract Lysosomal storage disorders (LSDs) are a genetically and clinically diverse group of diseases characterized by lysosomal dysfunction. Batten disease is a family of severe LSDs primarily impacting the central nervous system. Here we show that AF38469, a small molecule inhibitor of sortilin, improves lysosomal and glial pathology across multiple LSD models. Live-cell imaging and comparative transcriptomics demonstrates that the transcription factor EB (TFEB), an upstream regulator of lysosomal biogenesis, is activated upon treatment with AF38469. Utilizing CLN2 and CLN3 Batten disease mouse models, we performed a short-term efficacy study and show that treatment with AF38469 prevents the accumulation of lysosomal storage material and the development of neuroinflammation, key disease associated pathologies. Tremor phenotypes, an early behavioral phenotype in the CLN2 disease model, were also completely rescued. These findings reveal sortilin inhibition as a novel and highly efficacious therapeutic modality for the treatment of multiple forms of Batten disease.