Brain aging is associated with diminished circadian clock output and decreased expression of the core clock proteins, which regulate many aspects of cellular biochemistry and metabolism. The genes encoding clock proteins are expressed throughout the brain, though it is unknown whether these proteins modulate brain homeostasis. We observed that deletion of circadian clock transcriptional activators aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator–like (Bmal1) alone, or circadian locomotor output cycles kaput (Clock) in combination with neuronal PAS domain protein 2 (Npas2), induced severe age-dependent astrogliosis in the cortex and hippocampus. Mice lacking the clock gene repressors period circadian clock 1 (Per1) and period circadian clock 2 (Per2) had no observed astrogliosis. Bmal1 deletion caused the degeneration of synaptic terminals and impaired cortical functional connectivity, as well as neuronal oxidative damage and impaired expression of several redox defense genes. Targeted deletion of Bmal1 in neurons and glia caused similar neuropathology, despite the retention of intact circadian behavioral and sleep-wake rhythms. Reduction of Bmal1 expression promoted neuronal death in primary cultures and in mice treated with a chemical inducer of oxidative injury and striatal neurodegeneration. Our findings indicate that BMAL1 in a complex with CLOCK or NPAS2 regulates cerebral redox homeostasis and connects impaired clock gene function to neurodegeneration.

Abstract Human genetics have defined a new autism-associated syndrome caused by loss-of-function mutations in MYT1L , a transcription factor known for enabling fibroblast-to-neuron conversions. However, how MYT1L mutation causes autism, ADHD, intellectual disability, obesity, and brain anomalies is unknown. Here, we develop a mouse model of this syndrome. Physically, Myt1l haploinsufficiency causes obesity, white-matter thinning, and microcephaly in the mice, mimicking clinical phenotypes. During brain development we discovered disrupted gene expression, mediated in part by loss of Myt1l gene target activation, and identified precocious neuronal differentiation as the mechanism for microcephaly. In contrast, in adults we discovered that mutation results in failure of transcriptional and chromatin maturation, echoed in disruptions in baseline physiological properties of neurons. This results in behavioral anomalies including hyperactivity, muscle weakness and fatigue, and social alterations with more severe phenotypes in males. Overall, our findings provide insight into the mechanistic underpinnings of this disorder and enable future preclinical studies.

Abstract Recombinant human alpha- N -acetylglucosaminidase-insulin-like growth factor-2 (rhNAGLU-IGF2) is an investigational enzyme replacement therapy for Sanfilippo B, a lysosomal storage disease. Because recombinant human NAGLU (rhNAGLU) is poorly mannose 6-phosphorylated, we generated a fusion protein of NAGLU with IGF2 to permit its binding to the cation-independent mannose 6-phosphate receptor. We previously administered rhNAGLU-IGF2 intracerebroventricularly to Sanfilippo B mice, and demonstrated therapeutic restoration of NAGLU, normalization of lysosomal storage, and improvement in markers of neurodegeneration and inflammation. Here, we studied repeated intracerebroventricular rhNAGLU-IGF2 delivery in both murine and canine Sanfilippo B to determine potential effects on their behavioral phenotypes and survival. Treated mice showed improvement in disease markers such as heparan sulfate glycosaminoglycans, beta-hexosaminidase, microglial activation, and lysosomal-associated membrane protein-1. Sanfilippo B mice treated with rhNAGLU-IGF2 displayed partial normalization of their stretch attend postures, a defined fear pose in mice (p<0.001). We found an improved rotarod performance in Sanfilippo B mice treated with rhNAGLU-IGF2 compared to vehicle-treated Sanfilippo B mice (p=0.002). We also found a 61% increase in survival in Sanfilippo B mice treated with rhNAGLU-IGF2 (mean 53w, median 48w) compared to vehicle-treated Sanfilippo B mice (mean 33w, median 37w; p<0.001). In canine Sanfilippo B, we found that rhNAGLU-IGF2 administered into cerebrospinal fluid normalized HS and beta-hexosaminidase activity in gray and white matter brain regions. Proteomic analysis of cerebral cortex showed restoration of protein expression levels in pathways relevant to cognitive, synaptic, and lysosomal functions. These data suggest that treatment with rhNAGLU-IGF2 may improve the phenotype of Sanfilippo B disease.

Abstract Cannabidiol (CBD) has gained attention as a therapeutic agent and is purported to have immunomodulatory, neuroprotective, and anti-seizure effects. Here, we determined the effects of chronic CBD administration in a mouse model of CLN1 disease ( Cln1 -/- ) that simultaneously exhibits neuroinflammation, neurodegeneration, and spontaneous seizures. Proteomic analysis showed that putative CBD receptors are expressed at similar levels in the brains of Cln1 -/- mice compared to normal animals. Cln1 -/- mice received an oral dose (100mg/kg/day) of CBD for six months and were evaluated for changes in pathological markers of disease and seizures. Chronic cannabidiol administration was well-tolerated, high levels of CBD were detected in the brain, and markers of astrocytosis and microgliosis were reduced. However, CBD had no apparent effect on seizure frequency or neuron survival. These data are consistent with CBD having immunomodulatory effects. It is possible that a higher dose of CBD could also reduce neurodegeneration and seizure frequency.

Abstract Aims CLN2 disease is a fatal inherited childhood neurodegenerative disorder. Although a disease-modifying therapy now exists, a fundamental lack of understanding of disease pathogenesis has hampered development of more effective therapies. To better understand the cellular pathophysiology of CLN2 disease, we investigated the nature and progression of neuropathological and neurological changes in the recently generated Cln2 R207X mouse. Methods We have detailed microglial activation, astrogliosis, cytokine and chemokine expression, and neuron loss across the forebrain and spinal cords of Cln2 R207X mice, along with quantitative gait analysis. We also performed long-term electroencephalography (EEG) recordings to characterize seizure activity, a clinically-relevant phenotype yet to be defined in any CLN2 disease model. Results Histology revealed early localized microglial activation months before neuron loss in the thalamocortical system and spinal cord, which was accompanied by astrogliosis. These pathological changes were more pronounced and occurred in the cortex before the thalamus or spinal cord. There were early-onset and progressive changes in the expression of specific chemokines and cytokines including IL-33, IP-10, and MIP-1α. Gait analysis revealed impaired performance only at disease end stage. EEG recordings revealed robust and progressive epileptiform activity from disease mid-stage including spontaneous seizures, which were accompanied by a profound loss of cortical GABAergic interneurons. Conclusions Our data reveal novel phenotypes in Cln2 R207X mice that differ markedly in their timing and progression through the CNS from other NCL mouse models. Our findings provide new insights on CLN2 disease pathogenesis and clinically-relevant readouts for future therapeutic studies.