Abstract Mouse models have been instrumental in understanding genetic determinants of aging and its crucial role in neurodegenerative diseases. However, few studies have analyzed the evolution of the mouse brain over time at baseline. Furthermore, mouse brain studies are commonly conducted on the C57BL/6 strain, limiting the analysis to a specific genetic background. In Parkinson’s disease, the gradual demise of nigral dopaminergic neurons mainly contributes to the motor symptoms. Interestingly, a decline of the dopaminergic neuron function and integrity is also a characteristic of physiological aging in some species. Age-related nigro-striatal features have never been studied in mice of different genetic backgrounds. In this study, we analyze the morphological features in the striatum of three common mouse strains, C57BL/6J, A/J, and DBA/2J at 3-, 9- and 15 months of age. By measuring dopaminergic markers, we uncover age-related changes that differ between strains and evolve dynamically over time. Overall, our results highlight the importance of considering background strain and age when studying the murine nigro-striatal circuit in health and disease. Highlights Study of the integrity of the nigro-striatal circuit in C57BL/6J, A/J, and DBA/2J at different ages Age related evolution of essential features of nigral dopaminergic neurons differ between strains Consider background strain and age is crutial to study the nigrostriatal circuit in health and disease

Abstract Background Dopaminergic neurons in the midbrain are of particular interest due to their role in diseases such as Parkinson’s disease and schizophrenia. Genetic variation between individuals can affect the integrity and function of dopaminergic neurons but the DNA variants and molecular cascades modulating dopaminergic neurons and other cells types of ventral midbrain remain poorly defined. Three genetically diverse inbred mouse strains — C57BL/6J, A/J, and DBA/2J — differ significantly in their genomes (~7 million variants), motor and cognitive behavior, and susceptibility to neurotoxins. Results To further dissect the underlying molecular networks responsible for these variable phenotypes, we generated RNA-seq and ChIP-seq data from ventral midbrains of the 3 mouse strains. We defined 1000–1200 transcripts that are differentially expressed among them. These widespread differences may be due to altered activity or expression of upstream transcription factors. Interestingly, transcription factors were significantly underrepresented among the differentially expressed genes, and only one TF, Pttg1 , showed significant differences among all strains. The changes in Pttg1 expression were accompanied by consistent alterations in histone H3 lysine 4 trimethylation at Pttg1 transcription start site. The ventral midbrain transcriptome of three-month-old C57BL/6J congenic Pttg1 -/- mutants was only modestly altered, but shifted towards that of A/J and DBA/2J in nine-month-old mice. Principle component analysis identified the genes underlying the transcriptome shift and deconvolution of these bulk RNA-seq changes using midbrain single cell RNA-seq data suggested that the changes were occurring in several different cell types, including neurons, oligodendrocytes, and astrocytes. Conclusion Taken together, our results show that Pttg1 contributes to gene regulatory variation between mouse strains and influences mouse midbrain transcriptome during aging.

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.

Abstract The features of dopaminergic neurons (DAns) of nigrostriatal circuitry are orchestrated by a multitude of yet unknown factors, many of them genetic. Genetic variation between individuals at baseline can lead to differential susceptibility to and severity of diseases. As decline of DAns, a characteristic of Parkinson’s disease, heralds a significant decrease in dopamine level, measuring dopamine can reflect the integrity of DAns. To identify novel genetic regulators of the integrity of DAns, we used the Collaborative Cross (CC) mouse strains as model system to search for quantitative trait loci (QTLs) related to dopamine levels in the dorsal striatum. The dopamine levels in dorsal striatum varied greatly in the eight CC founder strains, and the differences were inheritable in 32 derived CC strains. QTL mapping in these CC strains identified a QTL associated with dopamine level on chromosome X containing 393 genes. RNA-seq analysis of the ventral midbrain of two of the founder strains with large striatal dopamine difference (C57BL/6J and A/J) revealed 24 differentially expressed genes within the QTL. The protein-coding gene with the highest expression difference was Col4a6 , which exhibited a 9-fold reduction in A/J compared to C57BL/6J, consistent with decreased dopamine levels in A/J. Publicly available single cell RNA-seq data from developing human midbrain suggests that Col4a6 is highly expressed in radial glia-like cells and neuronal progenitors, indicating possible involvement in neurogenesis. Interestingly, the lowered dopamine levels were accompanied by reduced striatal axonal branching of striatal DAns in A/J compared to C57BL/6J. Because Col4a6 is known to control axogenesis in non-mammal model organisms, we hypothesize that different dopamine levels in mouse dorsal striatum are due to differences in axogenesis induced by varying COL4A6 levels during neural development.