Summary Prion infections cause conformational changes of PrP C and lead to progressive neurological impairment. Here we show that toxic, prion-mimetic ligands induce an intramolecular R208-H140 hydrogen bond (“H-latch”) altering the flexibility of the α2-α3 and β2-α2 loops of PrP C . Expression of a PrP 2Cys mutant mimicking the H-latch was constitutively toxic, whereas a PrP R207A mutant unable to form the H-latch conferred resistance to prion infection. High-affinity ligands that prevented H-latch induction repressed prion-related neurodegeneration in organotypic cerebellar cultures. We then selected phage-displayed ligands binding wild-type PrP C , but not PrP 2Cys . These binders depopulated H-latched conformers and conferred protection against prion toxicity. Finally, brain-specific expression of an antibody rationally designed to prevent H-latch formation, prolonged the life of prion-infected mice despite unhampered prion propagation, confirming that the H-latch is causally linked to prion neurotoxicity.

Although prion infections cause cognitive impairment and neuronal death, transcriptional and translational profiling shows progressive derangement within glia but surprisingly little changes within neurons. Here we expressed PrP C selectively in neurons, astrocytes or oligodendrocytes of mice. After prion infection, both astrocyte and neuron-restricted PrP C expression led to copious brain accumulation of PrP Sc . As expected, neuron-restricted expression was associated with typical prion disease. However, mice with astrocyte-restricted PrP C expression experienced a normal life span, did not develop clinical disease, and did not show astro- or microgliosis. Besides confirming that PrP Sc is innocuous to PrP C -deficient neurons, these results show that astrocyte-born PrP Sc does not activate the extreme neuroinflammation that accompanies the onset of prion disease and precedes any molecular changes of neurons. This points to a nonautonomous mechanism by which prion-infected neurons instruct astrocytes and microglia to acquire a specific cellular state that, in turn, drives neural dysfunction.

Abstract The adhesion G-protein coupled receptor Adgrg6 (formerly Gpr126) is instrumental in the development, maintenance and repair of peripheral nervous system myelin. The prion protein (PrP) is a potent activator of Adgrg6 and could be used as a potential therapeutic agent in treating peripheral demyelinating and dysmyelinating diseases. We designed a dimeric Fc-fusion protein comprising the myelinotrophic domain of PrP (FT 2 Fc), which activated Adgrg6 in vitro and exhibited favorable pharmacokinetic properties for in vivo treatment of peripheral neuropathies. While chronic FT 2 Fc treatment elicited specific transcriptomic changes in the sciatic nerves of PrP knockout mice, no amelioration of the peripheral demyelinating neuropathy was detected. Instead, RNA sequencing of sciatic nerves revealed downregulation of cytoskeletal and sarcomere genes, akin to the gene expression changes seen in myopathic skeletal muscle of PrP overexpressing mice. These results call for caution when devising myelinotrophic therapies based on PrP-derived Adgrg6 ligands. While our treatment approach was not successful, Adgrg6 remains an attractive therapeutic target to be addressed in other disease models or by using different biologically active Adgrg6 ligands. Summary blurb A dimeric prion protein ligand activates Adgrg6 but fails to induce pro-myelination signaling upon chronic treatment in a mouse model of peripheral demyelination.

Prion immunotherapy may hold great potential, but antibodies against certain PrP epitopes can be neurotoxic. Here we identified >6000 PrP-binding antibodies in a synthetic human Fab phage display library, 49 of which we characterized in detail. Antibodies directed against the flexible tail of PrP conferred neuroprotection against infectious prions. We then mined published repertoires of circulating B cells from healthy humans and found antibodies similar to the protective phage-derived antibodies. When expressed recombinantly, these antibodies exhibited anti-PrP reactivity. Furthermore, we surveyed 48718 samples from 37894 hospital patients for the presence of anti-PrP IgGs, and found 21 high-titer individuals. The clinical files of these individuals did not reveal any enrichment of specific pathologies, suggesting that anti-PrP autoimmunity is innocuous. The existence of protective anti-prion antibodies in unbiased human immunological repertoires, combined with the reported lack of such antibodies in carriers of disease-associated PRNP mutations, suggests a link to the low incidence of spontaneous prion diseases in human populations.

Abstract Mammalian models are essential for brain aging research. However, the long lifespan and limited amenability to genetic and pharmacological perturbations have hindered the use of mammals for dissecting aging-regulatory molecular networks and discovering new anti-aging interventions. To circumvent these limitations, we developed an ex vivo model system that faithfully mimics the aging process of the mammalian brain using cultured mouse brain slices. Genome-wide gene expression analyses showed that brain slices spontaneously upregulated senescence-associated genes over time and reproduced many of the transcriptional characteristics of aged brains. Treatment with rapamycin, a classical anti-aging compound, largely abolished the time-dependent transcriptional changes in brain slices. Using this model system, we discovered that prions drastically accelerated the development of age-related molecular signatures and the pace of brain aging. We confirmed this finding in mouse models and human victims of Creutzfeldt-Jakob disease. These data establish a novel, eminently tractable mammalian model of brain aging, and uncover a surprising acceleration of brain aging in prion diseases.