ABSTRACT Mammalian prion diseases are fatal and transmissible neurological conditions caused by the propagation of prions, self-replicating multimeric assemblies of misfolded forms of host cellular prion protein (PrP). The most common human form of the disease, sporadic Creutzfeldt-Jakob disease (sCJD), typically presents as a rapidly progressive dementia and has no effective treatments. Prion diseases are transmissible to laboratory rodents affording unprecedented opportunities to understand neurodegeneration in its evolving stages. Murine models are especially useful in prion research as they develop bona fide prion disease and recapitulate all biochemical and neuropathological hallmarks of human prion disease. Despite extensive studies investigating the changes in transcriptional profiles in prion diseases the mechanisms by which prion diseases induce cellular toxicity, including changes in gene expression profiles are yet to be fully characterized. This is at least in part because confounding effects related to brain cellular heterogeneity have not been resolved. Here, we took advantage of the recent developments in single-cell technologies and performed an unbiased whole-transcriptome single-nucleus transcriptomic analysis in prion disease.

Abstract Sporadic Creutzfeldt-Jakob disease (sCJD), the most common human prion disease, is thought to occur when the cellular prion protein (PrP C ) spontaneously misfolds and assembles into prion fibrils, culminating in fatal neurodegeneration. In a genome-wide association study of sCJD, we recently identified risk variants in and around the gene STX6 , with evidence to suggest a causal increase of STX6 expression in disease-relevant brain regions. STX6 encodes syntaxin-6, a SNARE protein primarily involved in early endosome to trans -Golgi network retrograde transport. Here we developed and characterised a mouse model with genetic depletion of Stx6 and investigated a causal role of Stx6 expression in mouse prion disease through a classical prion transmission study, assessing the impact of homozygous and heterozygous syntaxin-6 knockout on disease incubation periods and prion-related neuropathology. Following inoculation with RML prions, incubation periods in Stx6 -/- and Stx6 +/- mice differed by 12 days relative to wildtype. Similarly, in Stx6 -/- mice, disease incubation periods following inoculation with ME7 prions also differed by 12 days. Histopathological analysis revealed a modest increase in astrogliosis in ME7-inoculated Stx6 -/- animals and a variable effect of Stx6 expression on microglia activation, however no differences in neuronal loss, spongiform change or PrP deposition were observed at endpoint. Importantly, Stx6 -/- mice are viable and fertile with no gross impairments on a range of neurological, biochemical, histological and skeletal structure tests. Our results provide some support for a pathological role of Stx6 expression in prion disease, which warrants further investigation in the context of prion disease but also other neurodegenerative diseases considering syntaxin-6 appears to have pleiotropic risk effects in progressive supranuclear palsy and Alzheimer’s disease. Author Summary Sporadic Creutzfeldt-Jakob disease (sCJD), the most common human prion disease, is an invariably fatal disease with no established disease-modifying treatments. The identification of STX6 as a proposed risk gene for sCJD motivated the generation of a new mouse knockout model, in which we found no grossly deleterious phenotypes. A transmission study in Stx6 -/- , Stx6 +/- and Stx6 +/+ mice challenged with two prion strains showed reduced syntaxin-6 expression is associated with a modest prolongation of prion disease incubation periods, supporting a pathological role of Stx6 expression in prion disease pathogenesis. Syntaxin-6 appears to have pleiotropic risk effects across multiple neurodegenerative diseases including progressive supranuclear palsy and Alzheimer’s disease. Thus, this work supports further exploration of the STX6 susceptibility mechanism, which likely has relevance across multiple neurodegenerative diseases.

Abstract Alzheimer’s disease (AD) is defined by the accumulation of neurofibrillary tangles containing hyperphosphorylated Tau and plaques containing Amyloid-β (Aβ). The aggregation of these two proteins is considered central to the disease. The lack of animal models that can recapitulate Aβ and tau pathologies without overexpressing these proteins has hindered AD research. Accelerating pathology by inoculating Aβ and tau seeds has helped to understand their prion-like propagation in the brain. Previous studies failed to characterise both Aβ and tau pathologies in vivo upon inoculating AD brain homogenates. Here we present a longitudinal and systematic study; we inoculated the App NL-F/NL-F knockin mice, which express humanised Aβ and murine wild-type tau, with extracts from diseased human brains to analyse the contribution of Aβ and tau assemblies to AD pathogenesis. We found that mice inoculated with AD brain extracts evinced early and prominent amyloid deposition, while those injected with control brain extracts or vehicle did not. Parenchymal and vascular amyloid accumulated in the same brain regions affected in control-inoculated App NL-F/NL-F mice. However, the extent of vascular amyloid far exceeded that seen in App NL-F/NL-F mice injected with control brain extracts, and parenchymal deposits extended to a previously untargeted brain region – the cerebellum. An end-point titration of an AD brain homogenate in App NL-F/NL-F mice demonstrated that human Aβ seeds can be titrated in a prion-like fashion, which is useful for sample comparison, diagnostic and risk studies. Notably, the inoculation of App NL-F/NL-F mice with AD brain homogenate induced intense tau phosphorylation, and provides more detailed context for the inoculation of App NL-F/NL-F mice with human samples to study temporal and mechanistic relationships between Aβ and tau pathology, vascular amyloid deposition and bioactivity of Aβ seeds.