Summary α-Synuclein (α-Syn) aggregation is a hallmark of devastating neurodegenerative disorders including Parkinson’s disease (PD) and multiple systems atrophy (MSA) 1,2 . α-Syn aggregates spread throughout the brain during disease progression 2 , suggesting mechanisms of intercellular seeding. Formation of α-Syn amyloid fibrils is observed in vitro 3,4 and fibrillar α-Syn has been purified from patient brains 5,6 , but recent reports questioned whether disease-relevant α-Syn aggregates are fibrillar in structure 7-9 . Here we use cryo-electron tomography (cryo-ET) to image neuronal Lewy body-like α-Syn inclusions in situ at molecular resolution. We show that the inclusions consist of α-Syn fibrils crisscrossing a variety of cellular organelles such as the endoplasmic reticulum (ER), mitochondria and autophagic structures, without interacting with membranes directly. Neuronal inclusions seeded by recombinant or MSA patient-derived α-Syn aggregates have overall similar architecture, although MSA-seeded fibrils show higher structural flexibility. Using gold-labeled seeds we find that aggregate nucleation is predominantly mediated by α-Syn oligomers, with fibrils growing unidirectionally from the seed. Our results conclusively demonstrate that neuronal α-Syn inclusions contain α-Syn fibrils intermixed with cellular membranes, and illuminate the mechanism of aggregate nucleation.

Abstract Spreading of aggregate pathology across brain regions acts as a driver of disease progression in Tau-related neurodegeneration, including Alzheimer’s disease (AD) and frontotemporal dementia. Aggregate seeds released from affected cells are internalized by naïve cells and induce the prion-like templating of soluble Tau into neurotoxic aggregates. Here we show in a cellular model system and in neurons that Clusterin, an abundant extracellular chaperone, strongly enhances Tau aggregate seeding. Upon interaction with Tau aggregates, Clusterin stabilizes highly potent, soluble seed species. Tau/Clusterin complexes enter recipient cells via endocytosis and compromise the endolysosomal compartment, allowing transfer to the cytosol where they propagate aggregation of endogenous Tau. Thus, upregulation of Clusterin, as observed in AD patients, may enhance Tau seeding and possibly accelerate the spreading of Tau pathology.

Early characterization of the immunostimulatory potential of therapeutic antisense oligonucleotides (ASOs) is crucial. At present, little is known about the toll-like receptor 9 (TLR9)-mediated immunostimulatory potential of third-generation locked nucleic acid (LNA)-modified ASOs. In this study, we have systematically investigated the TLR9-activating potential of LNA-modified oligonucleotides using different mouse and human cell culture systems. Although it has been reported that LNA modifications as well as cytosine methylation of 5'-cytosine-phosphate-guanine-3' (CpG) motifs can reduce TLR9 stimulation by phosphorothioate (PTO)-modified oligonucleotides, we identified CpG-containing LNA gapmers with substantial TLR9-stimulatory activity. We further identified immunostimulatory LNA gapmers without CpG motifs. Unexpectedly, methylation of cytosines only within the CpG motif did not necessarily reduce but could even increase TLR9 activation. In contrast, systematic methylation of all cytosines reduced or even abrogated TLR9 activation in most cases. Context dependently, the introduction of LNA-modifications into the flanks could either increase or decrease TLR9 stimulation. Overall, our results indicate that TLR9-dependent immunostimulatory potential is an individual feature of an oligonucleotide and needs to be investigated on a case-by-case basis.

The autophagy-lysosomal pathway is impaired in many neurodegenerative diseases characterized by protein aggregation, but the link between aggregation and lysosomal dysfunction remains poorly understood. Here, we use artificial amyloid-like β-sheet proteins (β proteins) to investigate the gain-of-function effects of protein aggregation in primary neurons. We show that β proteins form fibrillar aggregates and cause neurotoxicity. Cryo-electron tomography reveals lysosomal alterations reminiscent of lysosomal storage disorders. Mass spectrometry-based analysis of the β protein interactome shows that β proteins sequester AP-3μ1, a subunit of the AP-3 adaptor complex involved in protein trafficking to lysosomal organelles. Importantly, restoring AP-3μ1 expression ameliorates neurotoxicity caused by β proteins. Our results point to lysosomes as particularly vulnerable organelles in neurodegenerative diseases, and emphasize the role of toxic gain-of-function of protein aggregates in lysosomal defects.