ABSTRACT Alpha-synuclein (SNCA) aggregates are pathological hallmarks of synucleinopathies, neurodegenerative disorders including Parkinson’s Disease (PD) and Lewy Body Dementia (LBD). Functional networks are not yet well-characterized for SNCA by CNS cell type. We investigated cell-specific differences in SNCA expression using Allen Brain Database single-nucleus RNA-seq data from human Middle Temporal Gyrus (MTG, 15,928 nuclei) and Anterior Cingulate Cortex (ACC, 7,258 nuclei). Weighted gene co-expression analysis (WGCNA) and hierarchical clustering identified a conserved SNCA co-expression module. Module genes were highly conserved (p < 10 −10 ) and most highly expressed in excitatory neurons versus inhibitory neurons and other glial cells. SNCA co-expression module genes from ACC and MTG regions were then used to construct a protein-protein interaction (PPI) network, with SNCA empirically top hub. Genes in the SNCA PPI network were compared with genes nearest single nucleotide polymorphisms linked with PD risk in genome-wide association studies. 16 genes in our PPI network are nearest genes to PD risk loci (p < 0.0006) and 55 genes map within 100kb. Selected SNCA PPI network genes nearest PD risk loci were disrupted by CRISPR knock out gene editing for validation of network functional significance; disruption of STK39, GBA, and MBNL2 resulted in significantly elevated intracellular SNCA expression.

Abstract Iron dysregulation has been implicated in multiple neurodegenerative diseases, including Parkinson’s Disease (PD), Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS), and Multiple Sclerosis (MS). One prominent feature of affected brain regions are iron-loaded microglia, but how iron overload influences microglia physiology and disease response is poorly understood. Here we show that microglia are highly susceptible to ferroptosis, an iron-dependent form of cell death. In a tri-culture of human iPSC-derived neurons, astrocytes, and microglia, under ferroptosis-inducing conditions, microglia undergo a drastic shift in cell state, with increased ferritin levels, disrupted glutathione homeostasis, and altered cytokine signaling. Similar ferroptosis-associated signature (FAS) microglia were uncovered in PD, and the signature was also found in a large cohort of PD patient blood samples, raising the possibility that ferroptosis can be identified clinically. We performed a genome-wide CRISPR screen which revealed a novel regulator of ferroptosis, the vesicle trafficking gene SEC24B. A small molecule screen also nominated several candidates which blocked ferroptosis, some of which are already in clinical use. These data suggest that ferroptosis sits at the interface of cell death and inflammation, and inhibition of this process in microglia and other brain cells may provide new ways for treating neurodegenerative disease.