Cell-to-cell propagation of α-synuclein (α-syn) aggregates is thought to contribute to the pathogenesis of Parkinson's disease (PD) and underlie the spread of α-syn neuropathology. Increased pro-inflammatory cytokine levels and activated microglia are present in PD and activated microglia can promote α-syn aggregation. However, it is unclear how microglia influence α-syn cell-to-cell transfer. We developed a clinically relevant mouse model to monitor α-syn prion-like propagation between cells; we transplanted wild-type mouse embryonic midbrain neurons into a mouse striatum overexpressing human α-syn (huα-syn) following adeno-associated viral injection into the substantia nigra. In this system, we depleted or activated microglial cells and determined the effects on the transfer of huα-syn from host nigrostriatal neurons into the implanted dopaminergic neurons, using the presence of huα-syn within the grafted cells as a readout. First, we compared α-syn cell-to-cell transfer between host mice with a normal number of microglia to mice in which we had pharmacologically ablated 80% of the microglia from the grafted striatum. With fewer host microglia, we observed increased accumulation of huα-syn in grafted dopaminergic neurons. Second, we assessed the transfer of α-syn into grafted neurons in the context of microglia activated by one of two stimuli, lipopolysaccharide (LPS) or interleukin-4 (IL-4). LPS exposure led to a strong activation of microglial cells (as determined by microglia morphology, cytokine production and an upregulation in genes involved in the inflammatory response in the LPS-injected mice by RNA sequencing analysis). LPS-injected mice had significantly higher amounts of huα-syn in grafted neurons. In contrast, injection of IL-4 did not change the proportion of grafted dopamine neurons that contained huα-syn relative to controls. As expected, RNA sequencing analysis on striatal tissue revealed differential gene expression between LPS and IL-4-injected mice; with the genes upregulated in tissue from mice injected with LPS including several of those involved in an inflammatory response. The absence or the hyperstimulation of microglia affected α-syn transfer in the brain. Our results suggest that under resting, non-inflammatory conditions, microglia modulate the transfer of α-syn. Pharmacological regulation of neuroinflammation could represent a future avenue for limiting the spread of PD neuropathology.

Abstract Genome-wide association studies (GWAS) have uncovered thousands of single nucleotide polymorphisms (SNPs) that are associated with Parkinson’s disease (PD) risk. The functions of most of these SNPs, including the cell type they influence, and how they affect PD etiology remain largely unknown. To identify functional SNPs, we aligned PD risk SNPs within active regulatory regions of DNA in microglia, a cell type implicated in PD development. Out of 6,749 ‘SNPs of interest’ from the most recent PD GWAS metanalysis, 73 were located in open regulatory chromatin as determined by both ATAC-seq and H3K27ac ChIP-seq. We highlight a subset of SNPs that are favorable candidates for further mechanistic studies. These SNPs are located in regulatory DNA at the SLC50A1, SNCA, BAG3, FBXL19, SETD1A , and NUCKS1 loci. A network analysis of the genes with risk SNPs in their promoters, implicated substance transport, involving autophagy and lysosomal genes. Our study provides a more focused set of risk SNPs and their associated risk genes as candidates for further follow-up studies, which will help identify mechanisms in microglia that increase the risk for PD.

SUMMARY One of the most significant Parkinson’s disease (PD) risk variants, rs356182, is located at the PD-associated locus near the alpha-synuclein encoding gene, SNCA . SNCA -proximal variants, including rs356182, are thought to function in PD via allele-specific regulatory effects on SNCA expression. However, this interpretation discounts the complex activity of genetic enhancers and possible nonconical effects of alpha-synuclein. Here we investigate a novel risk mechanism for rs356182. We use CRISPR-Cas9 in LUHMES cells, a model for dopaminergic neurons, to generate precise hemizygous lesions at rs356182. The PD-protective (A/-), PD-risk (G/-), and WT (A/G) strains are differentiated into dopaminergic neurons then compared transcriptionally and morphologically. We observe effects not typically ascribed to SNCA ; hundreds of differentially expressed genes associated with neuronal differentiation and axonogenesis. Together, the data implicate a risk mechanism for rs356182 in which the risk-allele (G) is associated with abnormal neuronal differentiation. We speculate the disease-relevant effect originates as a diminished population of DA neurons leading to the predisposition for PD later in life.

Abstract Parkinson’s Disease (PD) develops unilaterally, which may be related to brain hemispheric differences in gene expression. Here we measured bulk RNA-seq levels in neuronal nuclei obtained from prefrontal cortex postmortem brain samples from males and females with PD and from healthy controls. Left and right hemispheres from each brain were related the side of symptom onset and compared. We employed two a priori approaches; first we identified genes differentially expressed between PD and controls and between left vs right PD brain hemispheres. Second, we examined the presence of, and correlates to, variable asymmetry seen in candidate PD differentially expressed genes. We found large variation among individuals with PD, and PD stratification by gene expression similarity was required for patterns of genetic asymmetry to emerge. For a subset of PD brains, hemispherical variation of CCT and BEX gene levels correlated with the side of PD symptom onset.