Phosphatase and tensin homolog (PTEN)-induced putative kinase 1 ( PINK1 ) and PARK2/Parkin mutations cause autosomal recessive forms of Parkinson's disease. Upon a loss of mitochondrial membrane potential (ΔΨ m ) in human cells, cytosolic Parkin has been reported to be recruited to mitochondria, which is followed by a stimulation of mitochondrial autophagy. Here, we show that the relocation of Parkin to mitochondria induced by a collapse of ΔΨ m relies on PINK1 expression and that overexpression of WT but not of mutated PINK1 causes Parkin translocation to mitochondria, even in cells with normal ΔΨ m . We also show that once at the mitochondria, Parkin is in close proximity to PINK1, but we find no evidence that Parkin catalyzes PINK1 ubiquitination or that PINK1 phosphorylates Parkin. However, co-overexpression of Parkin and PINK1 collapses the normal tubular mitochondrial network into mitochondrial aggregates and/or large perinuclear clusters, many of which are surrounded by autophagic vacuoles. Our results suggest that Parkin, together with PINK1, modulates mitochondrial trafficking, especially to the perinuclear region, a subcellular area associated with autophagy. Thus by impairing this process, mutations in either Parkin or PINK1 may alter mitochondrial turnover which, in turn, may cause the accumulation of defective mitochondria and, ultimately, neurodegeneration in Parkinson's disease.

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.

Acupuncture is an invasive procedure commonly used to relieve pain. Acupuncture is practiced worldwide, despite difficulties in reconciling its principles with evidence-based medicine. We found that adenosine, a neuromodulator with anti-nociceptive properties, was released during acupuncture in mice and that its anti-nociceptive actions required adenosine A1 receptor expression. Direct injection of an adenosine A1 receptor agonist replicated the analgesic effect of acupuncture. Inhibition of enzymes involved in adenosine degradation potentiated the acupuncture-elicited increase in adenosine, as well as its anti-nociceptive effect. These observations indicate that adenosine mediates the effects of acupuncture and that interfering with adenosine metabolism may prolong the clinical benefit of acupuncture.

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.

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.

Abstract Accumulation of neuronal α-synuclein is a prominent feature in Parkinson’s disease. More recently, such abnormal protein aggregation has been reported to spread from cell to cell and exosomes are considered as important mediators. The focus of such research, however, has been primarily in neurons. Given the increasing recognition of the importance of non-cell autonomous-mediated neurotoxicity, it is critical to investigate the contribution of glia to α-synuclein aggregation and spread. Microglia are the primary phagocytes in the brain and have been well-documented as inducers of neuroinflammation. How and to what extent microglia and their exosomes impact α-synuclein pathology has not been well delineated. We report here that when treated with human α-synuclein preformed fibrils, exosomes containing α-synuclein released by microglia are fully capable of inducing protein aggregation in the recipient neurons. Additionally, when combined with microglial proinflammatory cytokines, these exosomes further increased protein aggregation in neurons. Inhibition of exosome synthesis in microglia reduced α-synuclein transmission. The in vivo significance of these exosomes was demonstrated by stereotaxic injection of exosomes isolated from α-synuclein preformed fibrils treated microglia into the mouse striatum. Phosphorylated α-synuclein was observed in multiple brain regions consistent with their neuronal connectivity. These animals also exhibited neurodegeneration in the nigrostriatal pathway in a time-dependent manner. Depleting microglia in vivo dramatically suppressed the transmission of α-synuclein after stereotaxic injection of preformed fibrils. Mechanistically, we report here that α-synuclein preformed fibrils impaired autophagy flux by upregulating PELI1, which in turn, resulted in degradation of LAMP2 in activated microglia. More importantly, by purifying microglia/macrophage derived exosomes in the CSF of Parkinson’s disease patients, we confirmed the presence of α-synuclein oligomer in CD11b+ exosomes, which were able to induce α-synuclein aggregation in neurons, further supporting the translational aspect of this study. Taken together, our study supports the view that microglial exosomes contribute to the progression of α-synuclein pathology and therefore, they may serve as a promising therapeutic target for Parkinson’s disease.

Adenosine is a potent anticonvulsant acting on excitatory synapses through A1 receptors. Cellular release of ATP, and its subsequent extracellular enzymatic degradation to adenosine, could provide a powerful mechanism for astrocytes to control the activity of neural networks during high-intensity activity. Despite adenosine's importance, the cellular source of adenosine remains unclear. We report here that multiple enzymes degrade extracellular ATP in brain tissue, whereas only Nt5e degrades AMP to adenosine. However, endogenous A1 receptor activation during cortical seizures in vivo or heterosynaptic depression in situ is independent of Nt5e activity, and activation of astrocytic ATP release via Ca 2+ photolysis does not trigger synaptic depression. In contrast, selective activation of postsynaptic CA1 neurons leads to release of adenosine and synaptic depression. This study shows that adenosine-mediated synaptic depression is not a consequence of astrocytic ATP release, but is instead an autonomic feedback mechanism that suppresses excitatory transmission during prolonged activity.

Mitochondrial dysfunction and synaptic damage are early pathological features of the Alzheimer's disease-affected brain. Memory impairment in Alzheimer's disease is a manifestation of brain pathologies such as accumulation of amyloid-β peptide and mitochondrial damage. The underlying pathogenic mechanisms and effective disease-modifying therapies for Alzheimer's disease remain elusive. Here, we demonstrate for the first time that decreased PTEN-induced putative kinase 1 (PINK1) expression is associated with Alzheimer's disease pathology. Restoring neuronal PINK1 function strikingly reduces amyloid-β levels, amyloid-associated pathology, oxidative stress, as well as mitochondrial and synaptic dysfunction. In contrast, PINK1-deficient mAPP mice augmented cerebral amyloid-β accumulation, mitochondrial abnormalities, impairments in learning and memory, as well as synaptic plasticity at an earlier age than mAPP mice. Notably, gene therapy-mediated PINK1 overexpression promotes the clearance of damaged mitochondria by augmenting autophagy signalling via activation of autophagy receptors (OPTN and NDP52), thereby alleviating amyloid-β-induced loss of synapses and cognitive decline in Alzheimer's disease mice. Loss of PINK1 activity or blockade of PINK1-mediated signalling (OPTN or NDP52) fails to reverse amyloid-β-induced detrimental effects. Our findings highlight a novel mechanism by which PINK1-dependent signalling promotes the rescue of amyloid pathology and amyloid-β-mediated mitochondrial and synaptic dysfunctions in a manner requiring activation of autophagy receptor OPTN or NDP52. Thus, activation of PINK1 may represent a new therapeutic avenue for combating Alzheimer's disease.