The neuromuscular junction (NMJ) plays a fundamental role in transferring information from lower motor neuron to skeletal muscle to generate movement. It is also an experimentally accessible model synapse routinely studied in animal models to explore fundamental aspects of synaptic form and function. Here, we combined morphological techniques, super-resolution imaging, and proteomic profiling to reveal the detailed cellular and molecular architecture of the human NMJ. Human NMJs were significantly smaller, less complex, and more fragmented than mouse NMJs. In contrast to mice, human NMJs were also remarkably stable across the entire adult lifespan, showing no signs of age-related degeneration or remodeling. Super-resolution imaging and proteomic profiling revealed distinctive distribution of active zone proteins and differential expression of core synaptic proteins and molecular pathways at the human NMJ. Taken together, these findings reveal human-specific cellular and molecular features of the NMJ that distinguish them from comparable synapses in other mammalian species.

Abstract Background & aims Spinal muscular atrophy (SMA) is an inherited neuromuscular disorder leading to paralysis and death in children. SMA patients are more susceptible to dyslipidemia as well as liver steatosis, features reproduced in SMA mouse models. As current pre-clinical models of NAFLD are invariably imperfect and generally take a long time to develop, the rapid development of liver steatosis in SMA mice provides a means to identify molecular markers of non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD). Here, we investigated whether Smn 2B/- mice, a model of severe SMA, display typical features of NAFLD/non-alcoholic steatohepatitis (NASH). Methods Biochemical, histological, electron microscopy, proteomic, and high-resolution respirometry were used. Results The Smn 2B/- mice develop steatohepatitis early in life. The consequent liver damage arises from mitochondrial reactive oxygen species production and results in impaired hepatic function including alterations in protein output, complement, coagulation, iron homeostasis, and IGF-1 metabolism. The steatohepatitis is reversible by AAV9-SMN gene therapy. The NAFLD phenotype is likely due to non-esterified fatty acid (NEFA) overload from peripheral lipolysis, subsequent to hyperglucagonemia compounded by reduced muscle use. Mitochondrial β-oxidation contributed to hepatic damage as we observed enhanced hepatic mitochondrial β-oxidation and reactive oxygen species production. Hepatic mitochondrial content, however, was decreased. In contrast to typical NAFLD/NASH, the Smn 2B/- mice lose weight due to their neurological condition, develop hypoglycemia and do not develop hepatic fibrosis. Conclusion The Smn 2B/- mice represent a good model of microvesicular steatohepatitis. Like other models, it is not representative of the complete NAFLD/NASH spectrum. Nevertheless, it offers a reliable, low-cost, early onset model that is not dependent on diet to identify molecular players in NAFLD pathogenesis and can serve as one of the very few models of microvesicular steatohepatitis for both adult and pediatric populations.

Abstract Age is the main risk factor for the development of neurodegenerative diseases. In the aged brain, axonal degeneration is an early pathological event, preceding neuronal dysfunction, and cognitive disabilities in humans, primates, rodents, and invertebrates. Necroptosis mediates degeneration of injured axons, but whether necroptosis triggers neurodegeneration and cognitive impairment along aging is unknown. Here we show that the loss of the necroptotic effector Mlkl was sufficient to delay age-associated axonal degeneration and neuroinflammation, protecting against decreased synaptic transmission and memory decline in aged mice. Moreover, short-term pharmacologic inhibition of necroptosis in aged mice reverted structural and functional hippocampal impairment, both at the electrophysiological and behavioral level. Finally, a quantitative proteomic analysis revealed that necroptosis inhibition leads to an overall improvement of the aged hippocampal proteome, including a subclass of molecular biofunctions associated with brain rejuvenation, such as long-term potentiation and synaptic plasticity. Our results demonstrate that necroptosis contributes to the age-dependent brain degeneration, disturbing hippocampal neuronal connectivity, and cognitive function. Therefore, necroptosis inhibition constitutes a potential geroprotective strategy to treat age-related disabilities associated with memory impairment and cognitive decline.

Abstract Point mutations in the SNCA gene, encoding α-synuclein (αSyn), are a known cause of familial Parkinson’s disease. The G51D mutation causes early onset neurodegeneration with complex pathology. We used CRISPR/Cas9 in rats to introduce the G51D mutation into the endogenous Snca gene. Co-localisation immunostaining studies with synaptic proteins showed that αSyn G51D protein is no longer efficiently localised to synapses. Furthermore, biochemical isolation of synaptosomes from rat cortex demonstrated a significant depletion of αSyn in Snca G51D/+ and Snca G51D/G51D rats. Unbiased proteomic investigation of the cortex identified significant synaptic dysregulation in Snca G51D/G51D animals. Finally, we compared the propensity for Lewy-like pathology of Snca +/+ and Snca G51D/G51D rats by stereotaxically delivering αSyn pre-formed fibrils (PFFs) into the pre-frontal cortex. At an early time-point, 6 weeks post-injection, we observed discrete Lewy-like structures positive for phosphoserine-129-αSyn (pS129-αSyn) only in Snca G51D/G51D brains. At 26 weeks post-injection of PFFs Snca G51D/G51D brains exhibited intense, discrete pS129-αSyn-positive structures, while Snca +/+ brains exhibited diffuse pS129-αSyn immunostaining. Quantification of discrete pS129-αSyn-positive structures revealed the striatum of Snca G51D/G51D rats had significantly more Lewy-like pathology than Snca +/+ rats. In summary, this novel Snca G51D rat model exhibits molecular characteristics of early synaptic dysfunction and is primed for αSyn pathology.

The Integrated Stress Response (ISR) is a corrective physiological program to restore cellular homeostasis that is based on the attenuation of global protein synthesis and a resource-enhancing transcriptional programme. GCN2 is the oldest of four kinases that are activated by diverse cellular stresses to trigger the ISR and acts as the primary responder to amino acid shortage and ribosome collisions. Here, using a broad multi-omic approach, we uncover an ISR-independent role of GCN2. GCN2 inhibition or depletion in the absence of discernible stress causes excessive protein synthesis and ribosome biogenesis, perturbs the cellular translatome, and results in a dynamic and broad loss of metabolic homeostasis. Cancer cells that rely on GCN2 to keep protein synthesis in check under conditions of full nutrient availability depend on GCN2 for survival and unrestricted tumour growth. Our observations define an ISR-independent role of GCN2 in regulating the cellular proteome and translatome and suggest new avenues for cancer therapies based on unleashing excessive mRNA translation.

RNA-binding proteins (RBPs) are pivotal for the viral lifecycle, mediating key host-virus interactions that promote or repress virus infection. While these interactions have been largely studied in the vertebrate host, no comprehensive analyses of protein-RNA interactions occurring in cells derived from the infected vector have been done to date, particularly for ticks. Here we systematically identify the responses of the RNA-binding proteome (RBPome) to infection with a prototype bunyavirus (Uukuniemi virus; rUUKV) in tick cells and discovered changes in RNA-binding activity for 283 proteins. In an orthogonal approach, we analysed the interactions of the viral ribonucleoprotein by immunoprecipitation of UUKV nucleocapsid (NCAP) in infected cells. We found that tick cell derived RBPs are regulated by UUKV and associate with N complexes, suggesting a functional connection with infection. We confirmed experimentally that these RBPs impact UUKV infection, with TOP3B showing a putative effect on viral particle production. Our data thus reveals the first protein-RNA interaction map determined in infected tick cells.

Degeneration of synapses in Alzheimer's disease (AD) strongly correlates with cognitive decline, and synaptic pathology contributes to disease pathophysiology. We recently discovered that the strongest genetic risk factor for sporadic AD, apolipoprotein E epsilon 4 (APOE4), exacerbates synapse loss and synaptic accumulation of oligomeric amyloid beta in human AD brain. To begin to understand the molecular cascades involved in synapse loss in AD and how this is mediated by APOE, and to generate a resource of knowledge of changes in the synaptic proteome in AD, we conducted a proteomic screen and systematic in-silico analysis of synaptoneurosome preparations from temporal and occipital cortices of human AD and control subjects with known APOE gene status. Our analysis identified over 5,500 proteins in human synaptoneurosomes and highlighted disease, brain region, and APOE-associated changes in multiple molecular pathways including a decreased abundance in AD of proteins important for synaptic and mitochondrial function and an increased abundance of proteins involved in neuroimmune interactions and intracellular signaling.