An impairment of energy metabolism may underlie slow excitotoxic neuronal death in neurodegenerative diseases. We therefore examined the effects of intrastriatal, subacute systemic, or chronic systemic administration of the mitochondrial toxin 3-nitropropionic acid (3-NP) in rats. Following intrastriatal injection 3-NP produced dose-dependent striatal lesions. Neurochemical and histologic evaluation showed that markers of both spiny projection neurons (GABA, substance P, calbindin) and aspiny interneurons (somatostatin, neuropeptide Y, NADPH-diaphorase) were equally affected. Subacute systemic administration of 3-NP produced age-dependent bilateral striatal lesions with a similar neurochemical profile. However, in contrast to the intrastriatal injections, striatal dopaminergic afferent projections were spared. Both freeze-clamp measurements and chemical shift magnetic resonance spectroscopy showed that 3-NP impairs energy metabolism in the striatum in vivo. Microdialysis showed no increase in extracellular glutamate concentrations after systemic administration of 3-NP. The lesions produced by intrastriatal injection or systemic administration of 3-NP were blocked by prior decortication. However, the NMDA antagonist MK-801 did not block the effects of intrastriatal 3-NP, consistent with a non-NMDA excitotoxic mechanism. In contrast to subacute systemic administration of 3-NP, chronic (1 month) administration produced lesions confined to the striatum in which there was relative sparing of NADPH-diaphorase interneurons, consistent with an NMDA excitotoxic process. Chronic administration showed growth-related proliferative changes in dendrites of spiny neurons similar to changes in Huntington's disease (HD). These results are consistent with in vitro studies showing that mild metabolic compromise can selectively activate NMDA receptors while more severe compromise activates both NMDA and non-NMDA receptors. Chronic administration of 3-NP over 1 month produces selective striatal lesions that replicate many of the characteristic histologic and neurochemical features of HD.

Although the gene defect responsible for Huntington disease (HD) has recently been identified, the pathogenesis of the disease remains obscure. One potential mechanism is that the gene defect may lead to an impairment of energy metabolism followed by slow excitotoxic neuronal injury. In the present study we examined whether chronic administration of 3-nitropropionic acid (3-NP), an irreversible inhibitor of succinate dehydrogenase, can replicate the neuropathologic and clinical features of HD in nonhuman primates. After 3-6 weeks of 3-NP administration, apomorphine treatment induced a significant increase in motor activity as compared with saline-treated controls. Animals showed both choreiform movements, as well as foot and limb dystonia, which are characteristic of HD. More prolonged 3-NP treatment in two additional primates resulted in spontaneous dystonia and dyskinesia accompanied by lesions in the caudate and putamen seen by magnetic resonance imaging. Histologic evaluation showed that there was a depletion of calbindin neurons, astrogliosis, sparing of NADPH-diaphorase neurons, and growth-related proliferative changes in dendrites of spiny neurons similar to changes in HD. The striosomal organization of the striatum and the nucleus accumbens were spared. These findings show that chronic administration of 3-NP to nonhuman primates can replicate many of the characteristic motor and histologic features of HD, further strengthening the possibility that a subtle impairment of energy metabolism may play a role in its pathogenesis.

Abstract: The mechanisms of delayed onset and cell death in Huntington's disease (HD) are unknown. One possibility is that a genetic defect in energy metabolism may result in slow excitotoxic neuronal death. Therefore, we examined the effects of age on striatal lesions produced by local administration of the mitochondrial toxin 3‐nitropropionic acid in rats. In vivo chemical shift magnetic resonance imaging showed marked increases in striatal lactate concentrations that significantly correlated with increasing age. Histologic and neurochemical studies showed a striking age dependence of the lesions, with 4‐ and 12‐month‐old animals being much more susceptible than 1‐month‐old animals. Continuous systemic administration of low doses of 3‐nitropropionic acid for 1 month resulted in striatal lesions showing growth‐related changes in dendrites of striatal spiny neurons using the Golgi technique. These results show that a known mitochondrial toxin can produce selective axon‐sparing striatal lesions showing both the age dependence and striatal spiny neuron dendritic changes that characterize HD.

Huntington's disease (HD) is a neurodegenerative disorder previously thought to be of primary neuronal origin, despite ubiquitous expression of mutant huntingtin (mHtt). We tested the hypothesis that mHtt expressed in astrocytes may contribute to the pathogenesis of HD. To better understand the contribution of astrocytes in HD in vivo , we developed a novel mouse model using lentiviral vectors that results in selective expression of mHtt into striatal astrocytes. Astrocytes expressing mHtt developed a progressive phenotype of reactive astrocytes that was characterized by a marked decreased expression of both glutamate transporters, GLAST and GLT-1, and of glutamate uptake. These effects were associated with neuronal dysfunction, as observed by a reduction in DARPP-32 and NR2B expression. Parallel studies in brain samples from HD subjects revealed early glial fibrillary acidic protein expression in striatal astrocytes from Grade 0 HD cases. Astrogliosis was associated with morphological changes that increased with severity of disease, from Grades 0 through 4 and was more prominent in the putamen. Combined immunofluorescence showed co-localization of mHtt in astrocytes in all striatal HD specimens, inclusive of Grade 0 HD. Consistent with the findings from experimental mice, there was a significant grade-dependent decrease in striatal GLT-1 expression from HD subjects. These findings suggest that the presence of mHtt in astrocytes alters glial glutamate transport capacity early in the disease process and may contribute to HD pathogenesis.

Astrocyte reactivity is a hallmark of neurodegenerative diseases (ND), but its effects on disease outcomes remain highly debated. Elucidation of the signaling cascades inducing reactivity in astrocytes during ND would help characterize the function of these cells and identify novel molecular targets to modulate disease progression. The Janus kinase/signal transducer and activator of transcription 3 (JAK/STAT3) pathway is associated with reactive astrocytes in models of acute injury, but it is unknown whether this pathway is directly responsible for astrocyte reactivity in progressive pathological conditions such as ND. In this study, we examined whether the JAK/STAT3 pathway promotes astrocyte reactivity in several animal models of ND. The JAK/STAT3 pathway was activated in reactive astrocytes in two transgenic mouse models of Alzheimer's disease and in a mouse and a nonhuman primate lentiviral vector-based model of Huntington's disease (HD). To determine whether this cascade was instrumental for astrocyte reactivity, we used a lentiviral vector that specifically targets astrocytes in vivo to overexpress the endogenous inhibitor of the JAK/STAT3 pathway [suppressor of cytokine signaling 3 (SOCS3)]. SOCS3 significantly inhibited this pathway in astrocytes, prevented astrocyte reactivity, and decreased microglial activation in models of both diseases. Inhibition of the JAK/STAT3 pathway within reactive astrocytes also increased the number of huntingtin aggregates, a neuropathological hallmark of HD, but did not influence neuronal death. Our data demonstrate that the JAK/STAT3 pathway is a common mediator of astrocyte reactivity that is highly conserved between disease states, species, and brain regions. This universal signaling cascade represents a potent target to study the role of reactive astrocytes in ND.

Tau is a microtubule-associated protein that aggregates in neurodegenerative disorders known as tauopathies. Recently, studies have suggested that Tau may be secreted and play a role in neural network signalling. However, once deregulated, secreted Tau may also participate in the spreading of Tau pathology in hierarchical pathways of neurodegeneration. The mechanisms underlying neuron-to-neuron Tau transfer are still unknown; given the known role of extra-cellular vesicles in cell-to-cell communication, we wondered whether these vesicles could carry secreted Tau. We found, among vesicles, that Tau is predominately secreted in ectosomes, which are plasma membrane-originating vesicles, and when it accumulates, the exosomal pathway is activated.

Abstract Huntington’s disease is a fatal neurodegenerative disease characterized by striatal neurodegeneration, aggregation of mutant Huntingtin and the presence of reactive astrocytes. Astrocytes are important partners for neurons and engage in a specific reactive response in Huntington’s disease that involves morphological, molecular and functional changes. How reactive astrocytes contribute to Huntington’s disease is still an open question, especially because their reactive state is poorly reproduced in experimental mouse models. Here, we show that the JAK2-STAT3 pathway, a central cascade controlling astrocyte reactive response, is activated in the putamen of Huntington’s disease patients. Selective activation of this cascade in astrocytes through viral gene transfer reduces the number and size of mutant Huntingtin aggregates in neurons and improves neuronal defects in two complementary mouse models of Huntington’s disease. It also reduces striatal atrophy and increases glutamate levels, two central clinical outcomes measured by non-invasive magnetic resonance imaging. Moreover, astrocyte-specific transcriptomic analysis shows that activation of the JAK2-STAT3 pathway in astrocytes coordinates a transcriptional program that increases their intrinsic proteolytic capacity, through the lysosomal and ubiquitin-proteasome degradation systems. This pathway also enhances their production and exosomal release of the co-chaperone DNAJB1, which contributes to mutant Huntingtin clearance in neurons. Together, our results show that the JAK2-STAT3 pathway controls a beneficial proteostasis response in reactive astrocytes in Huntington’s disease, which involves bi-directional signalling with neurons to reduce mutant Huntingtin aggregation, eventually improving disease outcomes.

Abstract Pathogenesis of the inherited neurodegenerative disorder Huntington’s Disease (HD) is complex and progressive, with a long presymptomatic phase in which subtle changes occur in the brain of gene carriers up to 15 years before the onset of symptoms. Thus, there is a need of early, functional biomarker to better understand disease progression and to evaluate treatment efficacy far from onset. In particular, recent studies have shown that white matter may be affected early in HD. In this study, we scanned longitudinally Ki140CAG mice with structural MRI, Diffusion Tensor Imaging (DTI), Chemical Exchange Saturation Transfer of glutamate (gluCEST) and Magnetization Transfer (MT) imaging, in order to assess white matter integrity over the life of this very progressive mouse model. Our results show early defects of diffusion properties in the anterior part of the corpus callosum, preceding gluCEST defects in the same region (−10.8% at 8 months, −19% at 12 months) that spread to adjacent regions. At 12 months, frontal (−7.3%) and piriform (−16.7%) cortices showed reduced gluCEST, as well as the pallidum (−21.0%). MT imaging showed reduced signal in the septum (−21.7%) at 12 months. Cortical and striatal atrophy then appear at 18 months. Vulnerability of the striatum and motor cortex, combined with alterations of anterior corpus callosum, seems to point out the pivotal role of white matter, in the pathogenesis of HD and the pertinence of gluCEST and DTI as biomarkers in HD. Highlights – A knock-in mouse model of Huntington’s disease is longitudinally characterized – A multimodal MRI protocol is performed to identify biomarkers of the disease – The white matter plays a pivotal role in the pathogenesis of the disease – The cortico-striatal pathway seems particularly vulnerable in Huntington’s disease