The microbiome-gut-brain axis has been proposed as a pathogenic path in Parkinson's disease (PD). Dietary driven dysbiosis and reduced gut barrier function could facilitate the interaction of toxic external or internal factors with the enteric nervous system, where PD could start. Amyloid bacterial protein such as curli can act as seed to corrupt enteric alpha-synuclein and lead to its aggregation. Misfolded alpha-synuclein can propagate to and throughout the brain. Here, we aimed at understanding if fibre deprivation and amyloidogenic protein curli could, individually or together, exacerbate the phenotype in both enteric and central nervous systems of a transgenic mouse overexpressing wild-type human alpha-synuclein. We analysed the gut microbiome, motor behaviour, gastrointestinal and brain pathologies in these mice. Our findings show that external interventions, akin to unhealthy life habits in humans, can exacerbate PD-like pathologies in mice. We believe that our results shed light on how lifestyle affects PD progression.

Abstract A key process of neurodegeneration in Parkinson’s disease (PD) is the transneuronal spreading of α-synuclein. Alpha-synuclein is a presynaptic protein that is implicated in the pathogenesis of PD and other synucleinopathies, where it forms, upon intracellular aggregation, pathological inclusions. Other hallmarks of PD include neurodegeneration and microgliosis in susceptible brain regions. Whether it is primarily transneuronal spreading of α-synuclein particles, inclusion formation, or other mechanisms, such as inflammation, that cause neurodegeneration in PD is unclear. We used spreading/aggregation of α-synuclein induced by intracerebral injection of α-synuclein preformed fibrils into the mouse brain to address this question. We performed quantitative histological analysis for α-synuclein inclusions, neurodegeneration, and microgliosis in different brain regions, and a gene expression profiling of the ventral midbrain, at two different timepoints after disease induction. We observed significant neurodegeneration and microgliosis in brain regions not only with, but also without α-synuclein inclusions. We also observed prominent microgliosis in injured brain regions that did not correlate with neurodegeneration nor with inclusion load. In longitudinal gene expression profiling experiments, we observed early and unique alterations linked to microglial mediated inflammation that preceded neurodegeneration, indicating an active role of microglia in inducing neurodegeneration. Our observations indicate that α-synuclein inclusion formation is not the major driver in the early phases of PD-like neurodegeneration, but that diffusible, oligomeric α-synuclein species, which induce unusual microglial reactivity, play a key role in this process. Our findings uncover new features of α-synuclein induced pathologies, in particular microgliosis, and point to the necessity of a broader view of the process of “prion-like spreading” of that protein.

Understanding Parkinson's disease (PD) in particular in its earliest phases is important for diagnosis and treatment. However, human brain samples are collected post-mortem, reflecting mainly end stage disease. Because brain samples of mouse models can be collected at any stage of the disease process, they are useful to investigate PD progression. Here, we compare ventral midbrain transcriptomics profiles from α-synuclein transgenic mice with a progressive, early PD-like striatum neurodegeneration across different ages using pathway, gene set and network analysis methods. Our study uncovers statistically significant altered genes across ages and between genotypes with known, suspected or unknown function in PD pathogenesis and key pathways associated with disease progression. Among those are genotype-dependent alterations associated with synaptic plasticity, neurotransmission, as well as mitochondria-related genes and dysregulation of lipid metabolism. Age-dependent changes were among others observed in neuronal and synaptic activity, calcium homeostasis, and membrane receptor signaling pathways, many of which linked to G-protein coupled receptors. Most importantly, most changes occurred before neurodegeneration was detected in this model, which points to a sequence of gene expression events that may be relevant for disease initiation and progression. It is tempting to speculate that molecular changes similar to those changes observed in our model happen in midbrain dopaminergic neurons before they start to degenerate. In other words, we believe we have uncovered molecular changes that accompany the progression from preclinical to early PD.