Summary Autophagy-lysosomal impairment is an early and prominent feature of neurodegeneration. Autophagy activation reduces protein aggregates and lipid level abnormalities. We performed a high-content imaging-based screen assessing 940,000 small molecules to identify those that reduce lipid droplet numbers. Of 77 validated, structurally diverse hits, 24 increased autophagy flux reporter activity, consistent with accelerated lipid droplet clearance by lipophagy. Of these, we show that CCT020312 activates autophagy independently of mammalian target of rapamycin (mTOR) inhibition, to avoid immunosuppression. CCT020312 reduced insoluble phosphorylated tau levels and tau-mediated neuronal stress vulnerability, as well as reducing intracellular Aβ levels within directly induced neurons bearing epigenetic marks of aging derived from Alzheimer’s patient fibroblasts. Moreover, CCT020312 cleared mutant prion protein aggregates and normalized trafficking deficiencies in axons of a cellular model of familial prion disease. Autophagy is widely considered a promising strategy to attenuate neurodegeneration, and here we introduce a strategy to discover new pharmacology.

Abstract Activity-regulated cytoskeleton-associated protein (Arc) is an immediate-early gene product that support neuroplastic changes important for cognitive function and memory formation. As a protein with homology to the retroviral Gag protein, a particular characteristic of Arc is its capacity to self-assemble into virus-like capsids that can package mRNAs and transfer those transcripts to other cells. Although a lot has been uncovered about the contributions of Arc to neuron biology and behavior, very little is known about how different functions of Arc are coordinately regulated both temporally and spatially in neurons. The answer to this question we hypothesized must involve the occurrence of different protein post-translational modifications acting to confer specificity. In this study, we used mass spectrometry and sequence prediction strategies to map novel Arc phosphorylation sites. Our approach led us to recognize serine 67 (S67) and threonine 278 (T278) as residues that can be modified by TNIK, which is a kinase abundantly expressed in neurons that shares many functional overlaps with Arc and has, along with its interacting proteins such as the NMDA receptor, been implicated as a risk factor for psychiatric disorders. Furthermore, characterization of each residue using site-directed mutagenesis to create S67 and T278 mutant variants revealed that TNIK action at those amino acids can strongly influence Arc’s subcellular distribution and self-assembly as capsids. Together, our findings reveal an unsuspected connection between Arc and TNIK. Better understanding of the interplay between these two proteins in neuronal cells could lead to new insights about apparition and progression of psychiatric disorders.

Abstract Tauopathies are a class of neurodegenerative diseases characterized by the progressive misfolding and accumulation of pathological tau protein in focal regions of the brain, leading to insidious neurodegeneration. Abnormalities in cholesterol metabolism and homeostasis have also been implicated in various neurodegenerative diseases. However, the connection between cholesterol dysregulation and tau pathology remains largely unknown. To model and measure the impact of cholesterol dysregulation on tau, we utilized a combination of in vitro and ex vivo tau aggregation assays using an engineered tau biosensor cell line and human induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived neuronal cultures from an individual harboring an autosomal dominant P301L tau mutation and from a healthy control. We demonstrate that excess cholesterol esters lead to an increased rate of tau aggregation in vitro and an increase in seed-dependent insoluble tau aggregates detected in the biosensor line. We observed a strong correlation between cholesterol ester concentration and the presence of high-molecular-weight, oligomeric tau species. Importantly, in tauopathy patient iPSC-derived neurons harboring a P301L tau mutation with endogenous forms of misfolded tau, we show that acute dysregulation of cholesterol homeostasis through acute exposure to human plasma-purified cholesterol esters formed by the linkage of fatty acids to the hydroxyl group of cholesterol leads to the rapid accumulation of phosphorylated tau. Conversely, treatment with the same cholesterol esters pool did not lead to subsequent accumulation of phosphorylated tau in control iPSC-derived neurons. Finally, treatment with a heterobifunctional, small-molecule degrader designed to selectively engage and catalyze the ubiquitination and proteasomal degradation of aberrant tau species prevented cholesterol ester-induced aggregation of tau in the biosensor cell line in a Cereblon E3 ligase-dependent manner. Degrader treatment also restored the resiliency of tauopathy patient-derived neurons towards cholesterol ester-induced tau aggregation phenotypes. Taken together, our study supports a key role of cholesterol dysregulation in tau aggregation. Moreover, it provides further pre-clinical validation of the therapeutic strategy of targeted protein degradation with heterobifunctional tau degraders for blocking tau seeding.