Abstract Overexpression of the longevity gene Klotho prolongs lifespan, while its knockout shortens lifespan and impairs cognition via perturbation of myelination and synapse formation. However, comprehensive analysis of Klotho knockout effects on mammalian brain transcriptomics is lacking. Here, we report that Klotho knockout alters the levels of aging- and cognition related mRNAs, long non-coding RNAs, microRNAs and tRNA fragments. These include altered neuronal and glial regulators in murine models of aging and Alzheimer’s disease and in human Alzheimer’s disease post-mortem brains. We further demonstrate interaction of the knockout-elevated tRNA fragments with the spliceosome, possibly affecting RNA processing. Last, we present cell type-specific short RNA-seq datasets from FACS-sorted neurons and microglia of live human brain tissue demonstrating in-depth cell-type association of Klotho knockout-perturbed microRNAs. Together, our findings reveal multiple RNA transcripts in both neurons and glia from murine and human brain that are perturbed in Klotho deficiency and are aging- and neurodegeneration-related.

Abstract Transfer RNA fragments (tRFs) have recently been shown to be an important family of small regulatory RNAs with diverse functions. Recent reports have revealed modified tRF blood levels in a number of nervous system conditions including epilepsy, ischemic stroke and neurodegenerative diseases, but little is known about tRF levels in the cerebrospinal fluid (CSF). To address this issue, we studied age, sex and Parkinson’s disease (PD) distributions of tRFs in the CSF and blood data of PD patients and healthy controls from the NIH and the PPMI small RNA-seq datasets. The higher levels of long tRFs were found in the CSF than in the blood. Furthermore, the CSF showed pronounced age-associated declines of the level of 3’-tRFs and i-tRFs and more pronounced differences between the sexes. Blood showed moderate elevation of 3’-tFs levels with age. In addition, different distinct sets of tRFs segregated PD patients from controls in the CSF and in the blood. Finally, we found enrichment of tRFs predicted to target cholinergic mRNAs (Cholino-tRFs) in the mitochondrial originated tRFs, raising the possibility that the neurodegeneration-related mitochondrial impairment may lead to deregulation of cholinergic tone. Our findings suggest that CSF expressed tRFs are not a mirror of blood tRFs but rather potentially reflect the cerebral changes. Further, both CSF and blood present modified levels of tRFs in a sex-, age-and disease-related manner, calling for including this important subset of small RNA regulators to future studies.

Non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) involves hepatic accumulation of intracellular lipid droplets via incompletely understood processes. Here, we report distinct and cooperative NAFLD roles of LysTTT-5'tRF transfer RNA fragments and microRNA miR-194-5p. Unlike lean animals, dietary-induced NAFLD mice showed hepatic co-declined LysTTT-5'tRF and miR-194-5p levels, restored following hepatic steatosis-suppressing miR-132 antisense oligonucleotide treatment. Moreover, exposing human-derived Hep G2 cells to oleic acid for 7 days co-suppressed miR-194-5p and LysTTT-5'tRF levels while increasing lipid accumulation. Importantly, transfecting fattened cells with a synthetic LysTTT-5'tRF mimic elevated the metabolic regulator beta-Klotho mRNA levels while declining triglyceride amounts by 30% within 24 hours. In contradistinction, antisense suppression of miR-194-5p induced accumulation of its novel target, the NAFLD-implicated lipid droplet-coating PLIN2 protein. Further, two out of 15 steatosis-alleviating screened drug repurposing compounds, Danazol and Latanoprost elevated miR-194-5p or LysTTT-5'tRF levels. The different yet complementary roles of miR-194-5p and LysTTT-5'tRF offer new insights into the complex roles of small non-coding RNAs and the multiple pathways involved in NAFLD pathogenesis.

Introductory paragraph Overexpression of the longevity gene Klotho prolongs, while its knockout shortens lifespan and impairs cognition via altered fibroblast growth factor signaling that perturbs myelination and synapse formation; however, comprehensive analysis of Klotho’s knockout consequences on mammalian brain transcriptomics is lacking. Here, we report the altered levels under Klotho knockout of 1059 long RNAs, 27 microRNAs (miRs) and 6 tRNA fragments (tRFs), reflecting effects upon aging and cognition. Perturbed transcripts included key neuronal and glial pathway regulators that are notably changed in murine models of aging and Alzheimer’s Disease (AD) and in corresponding human post-mortem brain tissue. To seek cell type distributions of the affected short RNAs, we isolated and FACS-sorted neurons and microglia from live human brain tissue, yielding detailed cell type-specific short RNA-seq datasets. Together, our findings revealed multiple Klotho deficiency-perturbed aging- and neurodegeneration-related long and short RNA transcripts in both neurons and glia from murine and human brain.

Females with Alzheimer's disease (AD) suffer accelerated dementia and loss of cholinergic neurons compared to males, but the underlying mechanisms are unknown. Seeking causal contributors to both these phenomena, we pursued changes in tRNA fragments (tRFs) targeting cholinergic transcripts (CholinotRFs).We analyzed small RNA-sequencing data from the nucleus accumbens (NAc) brain region which is enriched in cholinergic neurons, compared to hypothalamic or cortical tissues from AD brains; and explored small RNA expression in neuronal cell lines undergoing cholinergic differentiation.NAc CholinotRFs of mitochondrial genome origin showed reduced levels that correlated with elevations in their predicted cholinergic-associated mRNA targets. Single cell RNA seq from AD temporal cortices showed altered sex-specific levels of cholinergic transcripts in diverse cell types; inversely, human-originated neuroblastoma cells under cholinergic differentiation presented sex-specific CholinotRF elevations.Our findings support CholinotRFs contributions to cholinergic regulation, predicting their involvement in AD sex-specific cholinergic loss and dementia.