Osteoarthritis, the breakdown of cartilage in synovial joints, has long been viewed as the result of 'wear and tear', but this report shows that dysregulation of the complement system has an active role in the pathogenesis of this disease. Osteoarthritis, characterized by the breakdown of articular cartilage in synovial joints, has long been viewed as the result of 'wear and tear'1. Although low-grade inflammation is detected in osteoarthritis, its role is unclear2,3,4. Here we identify a central role for the inflammatory complement system in the pathogenesis of osteoarthritis. Through proteomic and transcriptomic analyses of synovial fluids and membranes from individuals with osteoarthritis, we find that expression and activation of complement is abnormally high in human osteoarthritic joints. Using mice genetically deficient in complement component 5 (C5), C6 or the complement regulatory protein CD59a, we show that complement, specifically, the membrane attack complex (MAC)-mediated arm of complement, is crucial to the development of arthritis in three different mouse models of osteoarthritis. Pharmacological modulation of complement in wild-type mice confirmed the results obtained with genetically deficient mice. Expression of inflammatory and degradative molecules was lower in chondrocytes from destabilized joints from C5-deficient mice than C5-sufficient mice, and MAC induced production of these molecules in cultured chondrocytes. Further, MAC colocalized with matrix metalloprotease 13 (MMP13) and with activated extracellular signal-regulated kinase (ERK) around chondrocytes in human osteoarthritic cartilage. Our findings indicate that dysregulation of complement in synovial joints has a key role in the pathogenesis of osteoarthritis.

Tauopathies, including frontotemporal dementia (FTD) and Alzheimer's disease (AD), are neurodegenerative diseases in which tau fibrils accumulate. Recent evidence supports soluble tau species as the major toxic species. How soluble tau accumulates and causes neurodegeneration remains unclear. Here we identify tau acetylation at Lys174 (K174) as an early change in AD brains and a critical determinant in tau homeostasis and toxicity in mice. The acetyl-mimicking mutant K174Q slows tau turnover and induces cognitive deficits in vivo. Acetyltransferase p300-induced tau acetylation is inhibited by salsalate and salicylate, which enhance tau turnover and reduce tau levels. In the PS19 transgenic mouse model of FTD, administration of salsalate after disease onset inhibited p300 activity, lowered levels of total tau and tau acetylated at K174, rescued tau-induced memory deficits and prevented hippocampal atrophy. The tau-lowering and protective effects of salsalate were diminished in neurons expressing K174Q tau. Targeting tau acetylation could be a new therapeutic strategy against human tauopathies.

The decline of cognitive function has emerged as one of the greatest health threats of old age. Age-related cognitive decline is caused by an impacted neuronal circuitry, yet the molecular mechanisms responsible are unknown. C1q, the initiating protein of the classical complement cascade and powerful effector of the peripheral immune response, mediates synapse elimination in the developing CNS. Here we show that C1q protein levels dramatically increase in the normal aging mouse and human brain, by as much as 300-fold. This increase was predominantly localized in close proximity to synapses and occurred earliest and most dramatically in certain regions of the brain, including some but not all regions known to be selectively vulnerable in neurodegenerative diseases, i.e., the hippocampus, substantia nigra, and piriform cortex. C1q-deficient mice exhibited enhanced synaptic plasticity in the adult and reorganization of the circuitry in the aging hippocampal dentate gyrus. Moreover, aged C1q-deficient mice exhibited significantly less cognitive and memory decline in certain hippocampus-dependent behavior tests compared with their wild-type littermates. Unlike in the developing CNS, the complement cascade effector C3 was only present at very low levels in the adult and aging brain. In addition, the aging-dependent effect of C1q on the hippocampal circuitry was independent of C3 and unaccompanied by detectable synapse loss, providing evidence for a novel, complement- and synapse elimination-independent role for C1q in CNS aging.

Multiple independent mutations in neuroligin genes were identified in patients with familial autism, including the R451C substitution in neuroligin-3 (NL3). Previous studies showed that NL3 R451C knock-in mice exhibited modestly impaired social behaviors, enhanced water maze learning abilities, and increased synaptic inhibition in the somatosensory cortex, and they suggested that the behavioral changes in these mice may be caused by a general shift of synaptic transmission to inhibition. Here, we confirm that NL3 R451C mutant mice behaviorally exhibit social interaction deficits and electrophysiologically display increased synaptic inhibition in the somatosensory cortex. Unexpectedly, however, we find that the NL3 R451C mutation produced a strikingly different phenotype in the hippocampus. Specifically, in the hippocampal CA1 region, the NL3 R451C mutation caused an ∼1.5-fold increase in AMPA receptor-mediated excitatory synaptic transmission, dramatically altered the kinetics of NMDA receptor-mediated synaptic responses, induced an approximately twofold up-regulation of NMDA receptors containing NR2B subunits, and enhanced long-term potentiation almost twofold. NL3 KO mice did not exhibit any of these changes. Quantitative light microscopy and EM revealed that the NL3 R451C mutation increased dendritic branching and altered the structure of synapses in the stratum radiatum of the hippocampus. Thus, in NL3 R451C mutant mice, a single point mutation in a synaptic cell adhesion molecule causes context-dependent changes in synaptic transmission; these changes are consistent with the broad impact of this mutation on murine and human behaviors, suggesting that NL3 controls excitatory and inhibitory synapse properties in a region- and circuit-specific manner.

Huntington’s disease (HD) is the result of expression of a mutated Huntingtin protein (mtHtt), and is associated with a variety of cellular dysfunctions including excessive mitochondrial fission. Here, we tested whether inhibition of excessive mitochondrial fission prevents mtHtt-induced pathology. We developed a selective inhibitor (P110-TAT) of the mitochondrial fission protein dynamin-related protein 1 (DRP1). We found that P110-TAT inhibited mtHtt-induced excessive mitochondrial fragmentation, improved mitochondrial function, and increased cell viability in HD cell culture models. P110-TAT treatment of fibroblasts from patients with HD and patients with HD with iPS cell–derived neurons reduced mitochondrial fragmentation and corrected mitochondrial dysfunction. P110-TAT treatment also reduced the extent of neurite shortening and cell death in iPS cell–derived neurons in patients with HD. Moreover, treatment of HD transgenic mice with P110-TAT reduced mitochondrial dysfunction, motor deficits, neuropathology, and mortality. We found that p53, a stress gene involved in HD pathogenesis, binds to DRP1 and mediates DRP1-induced mitochondrial and neuronal damage. Furthermore, P110-TAT treatment suppressed mtHtt-induced association of p53 with mitochondria in multiple HD models. These data indicate that inhibition of DRP1-dependent excessive mitochondrial fission with a P110-TAT–like inhibitor may prevent or slow the progression of HD.

Abstract Self-organizing neural organoids represent a promising in vitro platform with which to model human development and disease 1–5 . However, organoids lack the connectivity that exists in vivo, which limits maturation and makes integration with other circuits that control behaviour impossible. Here we show that human stem cell-derived cortical organoids transplanted into the somatosensory cortex of newborn athymic rats develop mature cell types that integrate into sensory and motivation-related circuits. MRI reveals post-transplantation organoid growth across multiple stem cell lines and animals, whereas single-nucleus profiling shows progression of corticogenesis and the emergence of activity-dependent transcriptional programs. Indeed, transplanted cortical neurons display more complex morphological, synaptic and intrinsic membrane properties than their in vitro counterparts, which enables the discovery of defects in neurons derived from individuals with Timothy syndrome. Anatomical and functional tracings show that transplanted organoids receive thalamocortical and corticocortical inputs, and in vivo recordings of neural activity demonstrate that these inputs can produce sensory responses in human cells. Finally, cortical organoids extend axons throughout the rat brain and their optogenetic activation can drive reward-seeking behaviour. Thus, transplanted human cortical neurons mature and engage host circuits that control behaviour. We anticipate that this approach will be useful for detecting circuit-level phenotypes in patient-derived cells that cannot otherwise be uncovered.

Cell transplantation offers a novel therapeutic strategy for stroke; however, how transplanted cells function in vivo is poorly understood. We show for the first time that after subacute transplantation into the ischemic brain of human central nervous system stem cells grown as neurospheres (hCNS-SCns), the stem cell-secreted factor, human vascular endothelial growth factor (hVEGF), is necessary for cell-induced functional recovery. We correlate this functional recovery to hVEGF-induced effects on the host brain including multiple facets of vascular repair and its unexpected suppression of the inflammatory response. We found that transplanted hCNS-SCns affected multiple parameters in the brain with different kinetics: early improvement in blood-brain barrier integrity and suppression of inflammation was followed by a delayed spatiotemporal regulated increase in neovascularization. These events coincided with a bimodal pattern of functional recovery, with, an early recovery independent of neovascularization, and a delayed hVEGF-dependent recovery coincident with neovascularization. Therefore, cell transplantation therapy offers an exciting multimodal strategy for brain repair in stroke and potentially other disorders with a vascular or inflammatory component.

A deletion on human chromosome 16p11.2 is associated with autism spectrum disorders. We deleted the syntenic region on mouse chromosome 7F3. MRI and high-throughput single-cell transcriptomics revealed anatomical and cellular abnormalities, particularly in cortex and striatum of juvenile mutant mice (16p11(+/-)). We found elevated numbers of striatal medium spiny neurons (MSNs) expressing the dopamine D2 receptor (Drd2(+)) and fewer dopamine-sensitive (Drd1(+)) neurons in deep layers of cortex. Electrophysiological recordings of Drd2(+) MSN revealed synaptic defects, suggesting abnormal basal ganglia circuitry function in 16p11(+/-) mice. This is further supported by behavioral experiments showing hyperactivity, circling, and deficits in movement control. Strikingly, 16p11(+/-) mice showed a complete lack of habituation reminiscent of what is observed in some autistic individuals. Our findings unveil a fundamental role of genes affected by the 16p11.2 deletion in establishing the basal ganglia circuitry and provide insights in the pathophysiology of autism.