1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP) damages the nigrostriatal dopaminergic pathway as seen in Parkinson's disease (PD), a common neurodegenerative disorder with no effective protective treatment. Consistent with a role of glial cells in PD neurodegeneration, here we show that minocycline, an approved tetracycline derivative that inhibits microglial activation independently of its antimicrobial properties, mitigates both the demise of nigrostriatal dopaminergic neurons and the formation of nitrotyrosine produced by MPTP. In addition, we show that minocycline not only prevents MPTP-induced activation of microglia but also the formation of mature interleukin-1beta and the activation of NADPH-oxidase and inducible nitric oxide synthase (iNOS), three key microglial-derived cytotoxic mediators. Previously, we demonstrated that ablation of iNOS attenuates MPTP-induced neurotoxicity. Now, we demonstrate that iNOS is not the only microglial-related culprit implicated in MPTP-induced toxicity because mutant iNOS-deficient mice treated with minocycline are more resistant to this neurotoxin than iNOS-deficient mice not treated with minocycline. This study demonstrates that microglial-related inflammatory events play a significant role in the MPTP neurotoxic process and suggests that minocycline may be a valuable neuroprotective agent for the treatment of PD.

Mounting evidence suggests a role for autophagy dysregulation in Parkinson's disease (PD). The bulk degradation of cytoplasmic proteins (including α-synuclein) and organelles (such as mitochondria) is mediated by macroautophagy, which involves the sequestration of cytosolic components into autophagosomes (AP) and its delivery to lysosomes. Accumulation of AP occurs in postmortem brain samples from PD patients, which has been widely attributed to an induction of autophagy. However, the cause and pathogenic significance of these changes remain unknown. Here we found in the 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine mouse model of PD that AP accumulation and dopaminergic cell death are preceded by a marked decrease in the amount of lysosomes within dopaminergic neurons. Lysosomal depletion was secondary to the abnormal permeabilization of lysosomal membranes induced by increased mitochondrial-derived reactive oxygen species. Lysosomal permeabilization resulted in a defective clearance and subsequent accumulation of undegraded AP and contributed directly to neurodegeneration by the ectopic release of lysosomal proteases into the cytosol. Lysosomal breakdown and AP accumulation also occurred in PD brain samples, where Lewy bodies were strongly immunoreactive for AP markers. Induction of lysosomal biogenesis by genetic or pharmacological activation of lysosomal transcription factor EB restored lysosomal levels, increased AP clearance and attenuated 1-methyl-4-phenylpyridinium-induced cell death. Similarly, the autophagy-enhancer compound rapamycin attenuated PD-related dopaminergic neurodegeneration, both in vitro and in vivo , by restoring lysosomal levels. Our results indicate that AP accumulation in PD results from defective lysosomal-mediated AP clearance secondary to lysosomal depletion. Restoration of lysosomal levels and function may thus represent a novel neuroprotective strategy in PD.

Parkinson's disease (PD) is a neurodegenerative disorder of uncertain pathogenesis characterized by the loss of the nigrostriatal dopaminergic neurons, which can be modeled by the neurotoxin 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP). Increased expression of cyclooxygenase type 2 (COX-2) and production of prostaglandin E(2) have been implicated in neurodegeneration in several pathological settings. Here we show that COX-2, the rate-limiting enzyme in prostaglandin E(2) synthesis, is up-regulated in brain dopaminergic neurons of both PD and MPTP mice. COX-2 induction occurs through a JNKc-Jun-dependent mechanism after MPTP administration. We demonstrate that targeting COX-2 does not protect against MPTP-induced dopaminergic neurodegeneration by mitigating inflammation. Instead, we provide evidence that COX-2 inhibition prevents the formation of the oxidant species dopamine-quinone, which has been implicated in the pathogenesis of PD. This study supports a critical role for COX-2 in both the pathogenesis and selectivity of the PD neurodegenerative process. Because of the safety record of the COX-2 inhibitors, and their ability to penetrate the blood-brain barrier, these drugs may be therapies for PD.

Parkinson's disease (PD) is a neurodegenerative disorder of uncertain pathogenesis characterized by a loss of substantia nigra pars compacta (SNpc) dopaminergic (DA) neurons, and can be modeled by the neurotoxin 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP). Both inflammatory processes and oxidative stress may contribute to MPTP- and PD-related neurodegeneration. However, whether inflammation may cause oxidative damage in MPTP and PD is unknown. Here we show that NADPH-oxidase, the main reactive oxygen species (ROS)-producing enzyme during inflammation, is up-regulated in SNpc of human PD and MPTP mice. These changes coincide with the local production of ROS, microglial activation, and DA neuronal loss seen after MPTP injections. Mutant mice defective in NADPH-oxidase exhibit less SNpc DA neuronal loss and protein oxidation than their WT littermates after MPTP injections. We show that extracellular ROS are a main determinant in inflammation-mediated DA neurotoxicity in the MPTP model of PD. This study supports a critical role for NADPH-oxidase in the pathogenesis of PD and suggests that targeting this enzyme or enhancing extracellular antioxidants may provide novel therapies for PD.

Parkinson's disease (PD) is most commonly a sporadic illness, and is characterized by degeneration of substantia nigra dopamine (DA) neurons and abnormal cytoplasmic aggregates of α-synuclein. Rarely, PD may be caused by missense mutations in α-synuclein. MPTP, a neurotoxin that inhibits mitochondrial complex I, is a prototype for an environmental cause of PD because it produces a pattern of DA neurodegeneration that closely resembles the neuropathology of PD. Here we show that α-synuclein null mice display striking resistance to MPTP-induced degeneration of DA neurons and DA release, and this resistance appears to result from an inability of the toxin to inhibit complex I. Contrary to predictions from in vitro data, this resistance is not due to abnormalities of the DA transporter, which appears to function normally in α-synuclein null mice. Our results suggest that some genetic and environmental factors that increase susceptibility to PD may interact with a common molecular pathway, and represent the first demonstration that normal α-synuclein function may be important to DA neuron viability.

Mounting evidence suggests that α-synuclein, a major protein component of Lewy bodies (LB), may be responsible for initiating and spreading the pathological process in Parkinson disease (PD). Supporting this concept, intracerebral inoculation of synthetic recombinant α-synuclein fibrils can trigger α-synuclein pathology in mice. However, it remains uncertain whether the pathogenic effects of recombinant synthetic α-synuclein may apply to PD-linked pathological α-synuclein and occur in species closer to humans.Nigral LB-enriched fractions containing pathological α-synuclein were purified from postmortem PD brains by sucrose gradient fractionation and subsequently inoculated into the substantia nigra or striatum of wild-type mice and macaque monkeys. Control animals received non-LB fractions containing soluble α-synuclein derived from the same nigral PD tissue.In both mice and monkeys, intranigral or intrastriatal inoculations of PD-derived LB extracts resulted in progressive nigrostriatal neurodegeneration starting at striatal dopaminergic terminals. No neurodegeneration was observed in animals receiving non-LB fractions from the same patients. In LB-injected animals, exogenous human α-synuclein was quickly internalized within host neurons and triggered the pathological conversion of endogenous α-synuclein. At the onset of LB-induced degeneration, host pathological α-synuclein diffusely accumulated within nigral neurons and anatomically interconnected regions, both anterogradely and retrogradely. LB-induced pathogenic effects required both human α-synuclein present in LB extracts and host expression of α-synuclein.α-Synuclein species contained in PD-derived LB are pathogenic and have the capacity to initiate a PD-like pathological process, including intracellular and presynaptic accumulations of pathological α-synuclein in different brain areas and slowly progressive axon-initiated dopaminergic nigrostriatal neurodegeneration.

Abstract Induced pluripotent stem cells (iPSC) offer an unprecedented opportunity to model human disease in relevant cell types, but it is unclear whether they could successfully model age‐related diseases such as Parkinson's disease (PD). Here, we generated iPSC lines from seven patients with idiopathic PD (ID‐PD), four patients with familial PD associated to the G2019S mutation in the Leucine‐Rich Repeat Kinase 2 ( LRRK2 ) gene (LRRK2‐PD) and four age‐ and sex‐matched healthy individuals (Ctrl). Over long‐time culture, dopaminergic neurons (DAn) differentiated from either ID‐PD‐ or LRRK2‐PD‐iPSC showed morphological alterations, including reduced numbers of neurites and neurite arborization, as well as accumulation of autophagic vacuoles, which were not evident in DAn differentiated from Ctrl‐iPSC. Further induction of autophagy and/or inhibition of lysosomal proteolysis greatly exacerbated the DAn morphological alterations, indicating autophagic compromise in DAn from ID‐PD‐ and LRRK2‐PD‐iPSC, which we demonstrate occurs at the level of autophagosome clearance. Our study provides an iPSC‐based in vitro model that captures the patients' genetic complexity and allows investigation of the pathogenesis of both sporadic and familial PD cases in a disease‐relevant cell type.

Parkinson's disease (PD) is a neurodegenerative disorder characterized by loss of dopamine-containing neurons, but the molecular pathways underlying its pathogenesis remain uncertain. Here, we show that by eliminating c-Jun N-terminal kinases (JNKs) we can prevent neurodegeneration and improve motor function in an animal model of PD. First, we found that c-Jun is activated in dopaminergic neurons from PD patients and in the 1-methyl-4-phenyl-1,2,4,6-tetrahydropyridine (MPTP) mouse model of PD. Examination of various JNK-deficient mice shows that both JNK2 and JNK3, but not JNK1, are required for MPTP-induced c-Jun activation and dopaminergic cell demise. Furthermore, we have identified cyclooxygenase (COX) 2 as a molecular target of JNK activation and demonstrated that COX-2 is indispensable for MPTP-induced dopaminergic cell death. Our data revealed that JNK2- and JNK3-induced COX-2 may be a principle pathway responsible for neurodegeneration in PD.

Parkinson disease (PD) is a neurodegenerative disorder characterized by a loss of the nigrostriatal dopaminergic neurons accompanied by a deficit in mitochondrial respiration. 1-Methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP) is a neurotoxin that causes dopaminergic neurodegeneration and a mitochondrial deficit reminiscent of PD. Here we show that the infusion of the ketone body D-β-hydroxybutyrate (DβHB) in mice confers partial protection against dopaminergic neurodegeneration and motor deficits induced by MPTP. These effects appear to be mediated by a complex II–dependent mechanism that leads to improved mitochondrial respiration and ATP production. Because of the safety record of ketone bodies in the treatment of epilepsy and their ability to penetrate the blood-brain barrier, DβHB may be a novel neuroprotective therapy for PD.