Abstract Objective Degeneration of chronically demyelinated axons is a major cause of irreversible neurological disability in multiple sclerosis (MS) patients. Development of neuroprotective therapies will require elucidation of the molecular mechanisms by which neurons and axons degenerate. Methods We report ultrastructural changes that support Ca2+‐mediated destruction of chronically demyelinated axons in MS patients. We compared expression levels of 33,000 characterized genes in postmortem motor cortex from six control and six MS brains matched for age, sex, and postmortem interval. As reduced energy production is a major contributor to Ca2+‐mediated axonal degeneration, we focused on changes in oxidative phosphorylation and inhibitory neurotransmission. Results Compared with controls, 488 transcripts were decreased and 67 were increased ( p < 0.05, 1.5‐fold) in the MS cortex. Twenty‐six nuclear‐encoded mitochondrial genes and the functional activities of mitochondrial respiratory chain complexes I and III were decreased in the MS motor cortex. Reduced mitochondrial gene expression was specific for neurons. In addition, pre‐synaptic and postsynaptic components of GABAergic neurotransmission and the density of inhibitory interneuron processes also were decreased in the MS cortex. Interpretation Our data supports a mechanism whereby reduced ATP production in demyelinated segments of upper motor neuron axons impacts ion homeostasis, induces Ca2+‐mediated axonal degeneration, and contributes to progressive neurological disability in MS patients. Ann Neurol 2006

Abstract Glial cells, including astrocytes, microglia, and oligodendrocytes, are brain cells that support and dynamically interact with neurons and each other. These intercellular dynamics undergo changes during stress and disease states. In response to most forms of stress, astrocytes will undergo some variation of activation, meaning upregulation in certain proteins expressed and secreted and either upregulations or downregulations to various constitutive and normal functions. While types of activation are many and contingent on the particular disturbance that triggers these changes, there are two main overarching categories that have been delineated thus far: A1 and A2. Named in the convention of microglial activation subtypes, and with the acknowledgement that the types are not completely distinct or completely comprehensive, the A1 subtype is generically associated with toxic and pro-inflammatory factors, and the A2 phenotype is broadly associated with anti-inflammatory and neurogenic factors. The present study served to measure and document dynamic changes in these subtypes at multiple timepoints using an established experimental model of cuprizone toxic demyelination. The authors found increases in proteins associated with both cell types at different timepoints, with protein increases in the A1 marker C3d and the A2 marker Emp1 in the cortex at one week and protein increases in Emp1 in the corpus callosum at three days and four weeks. There were also increases in Emp1 staining specifically colocalized with astrocyte staining in the corpus callosum at the same timepoints as the protein increases, and in the cortex weeks later at four weeks. C3d colocalization with astrocytes also increased most at four weeks. This indicates simultaneous increases of both types of activation as well as the likely existence of astrocytes expressing both markers. The authors also found the increase in two A1 associated proteins (TNF alpha and C3d) did not show a linear relationship in line with findings from other research and indicating a more complex relationship between cuprizone toxicity and astrocyte activation. The increases in TNF alpha and IFN gamma did not occur at timepoints preceding increases in C3d and Emp1, showing that other factors also precipitate the subtypes associated (A1 for C3d and A2 for Emp1). These findings add to the body of research showing the specific early timepoints at which A1 and A2 markers are most increased during the course of cuprizone treatment, including the fact that these increases can be non-linear in the case of Emp1. This provides additional information on optimal times for targeted interventions during the cuprizone model.

We have reported that D,L-thiol esters, including D-cysteine ethyl ester (D-CYSee), are effective at overcoming opioid-induced respiratory depression (OIRD) in rats. Our on-going studies reveal that co-injections of D-CYSee with multi-day morphine injections markedly diminish spontaneous withdrawal that usually occurs after cessation of multiple injections of morphine in rats. Chronically administered opioids are known (1) to alter cellular redox status, thus inducing an oxidative state, and (2) for an overall decrease in DNA methylation, therefore resulting in the transcriptional activation of previously silenced long interspersed elements (LINE-1) retrotransposon genes. The first objective of the present study was to determine whether D-CYSee and the one carbon metabolism with the methyl donor, betaine, would maintain redox control and normal DNA methylation levels in human neuroblastoma cell cultures (SH-SY5Y) under overnight challenge with morphine (100 nM). The second objective was to determine whether D-CYSee and/or betaine could diminish the degree of physical dependence to morphine in male Sprague Dawley rats. Our data showed that overnight treatment with morphine reduced cellular GSH levels, induced mitochondrial damage, decreased global DNA methylation, and increased LINE-1 mRNA expression. These adverse effects by morphine, which diminished the reducing capacity and compromised the maintenance of the membrane potential of SH-SY5Y cells, was prevented by concurrent application of D-CYSee (100 µM) or betaine (300 µM). Furthermore, our data demonstrated that co-injections of D-CYSee (250 μmol/kg, IV) and to a lesser extent, betaine (250 μmol/kg, IV), markedly diminished the development of physical dependence induced by multi-day morphine injections (escalating daily doses of 10-30 mg/kg, IV), as assessed by the lesser number of withdrawal phenomena elicited by the injection of the opioid receptor antagonist, naloxone (1.5 mg/kg, IV). These findings provide evidence that D-CYSee and betaine prevent the appearance of redox alterations and epigenetic signatures commonly seen in neural cells involved in opioid physical dependence/addiction, and lessen development of physical dependence to morphine.

RNA oxidation has been implicated in neurodegeneration, but the underlying mechanism for such effects is unclear. Recently, we demonstrated extensive RNA oxidation within the neurons in multiple sclerosis (MS) brain. In this report we identified selectively oxidized mRNAs in neuronal cells that pertained to neuropathological pathways. N-acetyl aspartate transferase 8 like (NAT8L) mRNA is one such transcript, whose translated product enzymatically synthesizes N-acetyl aspartic acid (NAA), a neuronal metabolite important for myelin synthesis. We reasoned that impediment of translation of an oxidized NAT8L mRNA will result in reduction in its cognate protein, thus lowering NAA level. This assertion is directly supported by our studies on a model cellular system, an MS animal model and postmortem human MS brain. Reduced NAA level in the brain hampers myelin integrity making neuronal axons more susceptible to damage, which contributes in MS neurodegeneration. Overall, this work provides a framework for mechanistic understanding of the link between RNA oxidation and neurodegenerative diseases.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

ABSTRACT Promoting oligodendrocyte differentiation represents a promising option for remyelination therapy for treating the demyelinating disease multiple sclerosis (MS). The Wnt effector TCF7l2 was upregulated in MS lesions and had been proposed to inhibit oligodendrocyte differentiation. Recent data suggest the opposite yet underlying mechanisms remain elusive. Here we unravel a previously unappreciated function of TCF7l2 in controlling autocrine bone morphogenetic protein (BMP4)-mediated signaling. Disrupting TCF7l2 results in oligodendroglial-specific BMP4 upregulation and canonical BMP4 signaling activation in vivo . Mechanistically, TCF7l2 binds to Bmp4 gene regulatory element and directly represses its transcriptional activity. Functionally, enforced TCF7l2 expression promotes oligodendrocyte differentiation by reducing autocrine BMP4 secretion and dampening BMP4 signaling. Importantly, compound genetic disruption demonstrates that oligodendroglial-specific BMP4 deletion rescues arrested oligodendrocyte differentiation elicited by TCF7l2 disruption in vivo . Collectively, our study reveals a novel connection between TCF7l2 and BMP4 in oligodendroglial lineage and provides new insights into augmenting TCF7l2 for promoting remyelination in demyelinating disorders such as MS. Significance Statement Incomplete or failed myelin repairs, primarily resulting from the arrested differentiation of myelin-forming oligodendrocytes from oligodendroglial progenitor cells, is one of the major reasons for neurological progression in people affected by multiple sclerosis (MS). Using in vitro culture systems and in vivo animal models, this study unraveled a previously unrecognized autocrine regulation of BMP4-mediated signaling by the Wnt effector TCF7l2. We showed for the first time that TCF7l2 promotes oligodendroglial differentiation by repressing BMP4-mediated activity, which is dysregulated in MS lesions. Our study suggests that elevating TCF7l2 expression may be possible in overcoming arrested oligodendroglial differentiation as observed in MS patients.