Huntington's disease (HD) is one of an increasing number of human neurodegenerative disorders caused by a CAG/polyglutamine-repeat expansion. The mutation occurs in a gene of unknown function that is expressed in a wide range of tissues. The molecular mechanism responsible for the delayed onset, selective pattern of neuropathology, and cell death observed in HD has not been described. We have observed that mice transgenic for exon 1 of the human HD gene carrying (CAG)115 to (CAG)156 repeat expansions develop pronounced neuronal intranuclear inclusions, containing the proteins huntingtin and ubiquitin, prior to developing a neurological phenotype. The appearance in transgenic mice of these inclusions, followed by characteristic morphological change within neuronal nuclei, is strikingly similar to nuclear abnormalities observed in biopsy material from HD patients.

Abstract

 The mechanism by which an elongated polyglutamine sequence causes neurodegeneration in Huntington's disease (HD) is unknown. In this study, we show that the proteolytic cleavage of a GST-huntingtin fusion protein leads to the formation of insoluble high molecular weight protein aggregates only when the polyglutamine expansion is in the pathogenic range. Electron micrographs of these aggregates revealed a fibrillar or ribbon-like morphology, reminiscent of scrapie prions and β-amyloid fibrils in Alzheimer's disease. Subcellular fractionation and ultrastructural techniques showed the in vivo presence of these structures in the brains of mice transgenic for the HD mutation. Our in vitro model will aid in an eventual understanding of the molecular pathology of HD and the development of preventative strategies.

The radical response of peripheral nerves to injury (Wallerian degeneration) is the cornerstone of nerve repair. We show that activation of the transcription factor c-Jun in Schwann cells is a global regulator of Wallerian degeneration. c-Jun governs major aspects of the injury response, determines the expression of trophic factors, adhesion molecules, the formation of regeneration tracks and myelin clearance and controls the distinctive regenerative potential of peripheral nerves. A key function of c-Jun is the activation of a repair program in Schwann cells and the creation of a cell specialized to support regeneration. We show that absence of c-Jun results in the formation of a dysfunctional repair cell, striking failure of functional recovery, and neuronal death. We conclude that a single glial transcription factor is essential for restoration of damaged nerves, acting to control the transdifferentiation of myelin and Remak Schwann cells to dedicated repair cells in damaged tissue.

Huntington's disease (HD) is a fatal inherited neurodegenerative disorder characterized by personality changes, motor impairment, and subcortical dementia. HD is one of a number of diseases caused by expression of an expanded polyglutamine repeat. We have developed several lines of mice that are transgenic for exon 1 of the HD gene containing an expanded CAG sequence. These mice exhibit a defined neurological phenotype along with neuronal changes that are pathognomonic for the disease. We have previously observed the appearance of neuronal intranuclear inclusions, but did not find evidence for neurodegeneration. In this study, we report that all lines of these mice develop a late onset neurodegeneration within the anterior cingulate cortex, dorsal striatum, and of the Purkinje neurons of the cerebellum. Dying neurons characteristically exhibit neuronal intranuclear inclusions, condensation of both the cytoplasm and nucleus, and ruffling of the plasma membrane while maintaining ultrastructural preservation of cellular organelles. These cells do not develop blebbing of the nucleus or cytoplasm, apoptotic bodies, or fragmentation of DNA. Neuronal death occurs over a period of weeks not hours. We also find degenerating cells of similar appearance within these same regions in brains of patients who had died with HD. We therefore suggest that the mechanism of neuronal cell death in both HD and a transgenic mouse model of HD is neither by apoptosis nor by necrosis.

Although the role of Notch signaling in CNS glial development is well established, its participation in peripheral glial development is still unclear. This paper shows that Notch signaling regulates the differentiation of Schwann cell precursors and the proliferation of Schwann cells, and acts as a break on myelination of peripheral nerves. Notch signaling is central to vertebrate development, and analysis of Notch has provided important insights into pathogenetic mechanisms in the CNS and many other tissues. However, surprisingly little is known about the role of Notch in the development and pathology of Schwann cells and peripheral nerves. Using transgenic mice and cell cultures, we found that Notch has complex and extensive regulatory functions in Schwann cells. Notch promoted the generation of Schwann cells from Schwann cell precursors and regulated the size of the Schwann cell pool by controlling proliferation. Notch inhibited myelination, establishing that myelination is subject to negative transcriptional regulation that opposes forward drives such as Krox20. Notably, in the adult, Notch dysregulation resulted in demyelination; this finding identifies a signaling pathway that induces myelin breakdown in vivo. These findings are relevant for understanding the molecular mechanisms that control Schwann cell plasticity and underlie nerve pathology, including demyelinating neuropathies and tumorigenesis.

ABSTRACT After nerve injury, myelin and Remak Schwann cells reprogram to repair cells specialized for regeneration. Normally providing strong regenerative support, these cells fail in aging animals, and during the chronic denervation that results from the slow growth of axons. This impairs axonal regeneration and causes a significant clinical problem. In mice, we find that repair cells express reduced c-Jun protein as the regenerative support provided by these cells declines in aging animals and during chronic denervation. In both cases, genetically restoring Schwann cell c-Jun levels restores regeneration to that in controls. We identify potential gene candidates mediating this effect and implicate Shh in the control of Schwann cell c-Jun levels. This establishes that a common mechanism, reduced c-Jun in Schwann cells, regulates the success and failure of nerve repair both during aging and chronic denervation. This provides a molecular framework for addressing important clinical problems, and suggests molecular pathways that can be targeted to promote repair in the PNS.

A population of >6 million people worldwide at high risk of Alzheimer's disease (AD) are those with Down Syndrome (DS, caused by trisomy 21 (T21)), 70% of whom develop dementia during lifetime, caused by an extra copy of β-amyloid-(Aβ)-precursor-protein gene. We report AD-like pathology in cerebral organoids grown in vitro from non-invasively sampled strands of hair from 71% of DS donors. The pathology consisted of extracellular diffuse and fibrillar Aβ deposits, hyperphosphorylated/pathologically conformed Tau, and premature neuronal loss. Presence/absence of AD-like pathology was donor-specific (reproducible between individual organoids/iPSC lines/experiments). Pathology could be triggered in pathology-negative T21 organoids by CRISPR/Cas9-mediated elimination of the third copy of chromosome-21-gene BACE2, but prevented by combined chemical β and γ-secretase inhibition. We found that T21-organoids secrete increased proportions of Aβ-preventing (Aβ1-19) and Aβ degradation products (Aβ1-20 and Aβ1-34). We show these profiles mirror in cerebrospinal fluid of people with DS. We demonstrate that this protective mechanism is mediated by BACE2-trisomy and cross-inhibited by clinically trialled BACE1-inhibitors. Combined, our data prove the physiological role of BACE2 as a dose-sensitive AD-suppressor gene, potentially explaining the dementia delay in ~30% of people with DS. We also show that DS cerebral organoids could be explored as pre-morbid AD-risk population detector and a system for hypothesis-free drug screens as well as identification of natural suppressor genes for neurodegenerative diseases.

Nemaline myopathy (NM) is a genetically heterogeneous skeletal muscle disorder caused by mutations predominately affecting contractile filaments, in particular thin filament structure and/or regulation. The underlying cellular pathophysiology of this disease remains largely unclear. Here, we report novel pathological defects in skeletal muscle fibres of mice and patients with NM, including disrupted nuclear envelope, altered chromatin arrangement, and disorganisation of the cortical cytoskeleton. We demonstrate that such nuclear defects are caused by impairment of muscle fibre contractility, and that cytoskeletal organisation determines nuclear morphology. Our results overlap with findings in diseases caused by mutations in nuclear envelope or cytoskeletal proteins. Given the important role of nuclear shape and envelope in regulating gene expression, and the cytoskeleton in maintaining muscle fibre integrity, our findings are likely to underlie some of the hallmarks of NM, which include broad transcriptional alterations, arrested muscle fibre growth, contractile filament disarray and altered mechanical properties.

Abstract SARM1 is a central regulator of programmed axon death and is required to initiate axon self-destruction after traumatic and toxic insults to the nervous system. Abnormal activation of this axon degeneration pathway is increasingly recognized as a contributor to human neurological disease and SARM1 knockdown or inhibition has become an attractive therapeutic strategy to preserve axon loss in a variety of disorders of the peripheral and central nervous system. Despite this, it remains unknown whether Sarm1 /SARM1 is present in myelinating glia and whether it plays a role in myelination in the PNS or CNS. It is important to answer these questions to understand whether future therapies inhibiting SARM1 function may have unintended deleterious impacts on myelination. Here we show that Sarm1 mRNA is present in oligodendrocytes in zebrafish but only detectable at low levels in Schwann cells in both zebrafish and mice. We find SARM1 protein is readily detectable in murine oligodendrocytes in vitro and in vivo and activation of endogenous SARM1 in oligodendrocytes induces cell death. In contrast, SARM1 protein is not detectable in Schwann cells and satellite glia in the adult murine nervous system. Cultured Schwann cells contain negligible functional SARM1 and are insensitive to specific SARM1 activators. Using zebrafish and mouse Sarm1 mutants, we show that SARM1 is not required for initiation of myelination nor myelin sheath maintenance by oligodendrocytes and Schwann cells. Thus, strategies to inhibit SARM1 function in the nervous system to treat neurological disease are unlikely to perturb myelination in humans. Main Points SARM1 protein is detectable in oligodendrocytes but not in Schwann cells Oligodendrocytes but not Schwann cells die in response to endogenous SARM1 activation CNS nor PNS myelination, in zebrafish and mice, is hindered by loss of sarm1/Sarm1