Microglia are brain-resident macrophages that contribute to central nervous system (CNS) development, maturation, and preservation. Here, we examine the consequences of permanent microglial deficiencies on brain aging using the Csf1r

Abstract Prion diseases are transmissible, neurodegenerative disorders associated with misfolding of the prion protein. Previous studies show that reduction of microglia accelerates CNS prion disease and increases the accumulation of prions in the brain, suggesting that microglia provide neuroprotection by phagocytosing and destroying prions. In Csf1r ΔFIRE mice, the deletion of an enhancer within Csf1r specifically blocks microglia development, however, their brains develop normally and show none of the deficits reported in other microglia-deficient models. Csf1r ΔFIRE mice were used as a refined model in which to study the impact of microglia-deficiency on CNS prion disease. Although Csf1r ΔFIRE mice succumbed to CNS prion disease much earlier than wild-type mice, the accumulation of prions in their brains was reduced. Instead, astrocytes displayed earlier, non-polarized reactive activation with enhanced synaptic pruning and unfolded protein responses. Our data suggest that rather than simply phagocytosing and destroying prions, the microglia instead provide host-protection during CNS prion disease and restrict the harmful activities of reactive astrocytes. Main points CNS prion disease is accelerated in mice completely lacking microglia. The rate of prion accumulation in the brain was unaltered in absence of microglia. Microglia provide host-protection during CNS prion disease independent of prion clearance.

Abstract Amino acid substitutions in the kinase domain of the human CSF1R protein are associated with autosomal dominant adult-onset leukoencephalopathy with axonal spheroids and pigmented glia (ALSP). To model the human disease, we created a disease-associated mutation (Glu631Lys; E631K) in the mouse Csf1r locus. Previous analysis demonstrated that heterozygous mutation ( Csf1r E631K/+ ) had a dominant inhibitory effect on CSF1R signaling in vitro and in vivo but did not recapitulate the pathology of the human disease. We speculated that leukoencephalopathy in humans requires an environmental trigger and/or epistatic interaction with common neurodegenerative disease-associated alleles. Here we examine the impact of heterozygous Csf1r mutation on microglial phenotype, normal postnatal brain development, age-related changes in gene expression and on two distinct pathologies in which microgliosis is a prominent feature, prion disease and experimental autoimmune encephalitis (EAE). The heterozygous Csf1r E631K/+ mutation reduced microglial abundance and the expression of microglial-associated transcripts relative to wild-type controls at 12 weeks and 43 weeks of age but had no selective effect on homeostatic markers such as P2ry12 . An epistatic interaction was demonstrated between Csf1r E631K/+ and Cxc3r1 EGFP/+ genotypes leading to dysregulated microglial and neuronal gene expression in both hippocampus and striatum. Heterozygous Csf1r E631K mutation reduced the microgliosis associated with both diseases. There was no significant impact on disease severity or progression in prion disease. In EAE, induced expression of inflammation-associated transcripts in the hippocampus and striatum was suppressed in parallel with microglia-specific transcripts, but spinal cord demyelination was exacerbated. The results support a dominant-negative model of CSF1R-associated leukoencephalopathy and likely contributions of an environmental trigger and/or genetic background to neuropathology.

Prion diseases are fatal, infectious, neurodegenerative disorders resulting from accumulation of misfolded cellular prion protein in the brain. Early pathological changes during CNS prion disease also include reactive astrocyte activation with increased CD44 expression, microgliosis, as well as loss of dendritic spines and synapses. CD44 is a multifunctional cell surface adhesion and signalling molecule which is considered to play roles in astrocyte morphology and the maintenance of dendritic spine integrity and synaptic plasticity. However, the role of CD44 in prion disease was unknown. Here we used mice deficient in CD44 to determine the role of CD44 during prion disease. We show that CD44-deficient mice displayed no difference in their response to CNS prion infection when compared to wild type mice. Furthermore, the reactive astrocyte activation and microgliosis that accompanies CNS prion infection was unimpaired in the absence of CD44. Together, our data show that although CD44 expression is upregulated in reactive astrocytes during CNS prion disease, it is dispensable for astrocyte and microglial activation and the development of prion neuropathogenesis.