Matrix metalloproteinases (MMPs) are implicated in the pathogenesis of neurodegenerative diseases and stroke. However, the mechanism of MMP activation remains unclear. We report that MMP activation involves S-nitrosylation. During cerebral ischemia in vivo, MMP-9 colocalized with neuronal nitric oxide synthase. S-Nitrosylation activated MMP-9 in vitro and induced neuronal apoptosis. Mass spectrometry identified the active derivative of MMP-9, both in vitro and in vivo, as a stable sulfinic or sulfonic acid, whose formation was triggered by S-nitrosylation. These findings suggest a potential extracellular proteolysis pathway to neuronal cell death in which S-nitrosylation activates MMPs, and further oxidation results in a stable posttranslational modification with pathological activity.

HIV-1 glycoprotein gp120 induces injury and apoptosis in rodent and human neurons in vitro and in vivo and is therefore thought to contribute to HIV-associated dementia. In addition to CD4, different gp120 isolates bind to the α- or β-chemokine receptors CXCR4 and CCR5, respectively. These and other chemokine receptors are on brain macrophages/microglia, astrocytes, and neurons. Thus, apoptosis could occur via direct interaction of gp120 with neurons, indirectly via stimulation of glia to release neurotoxic factors, or via both pathways. Here we show in rat cerebrocortical cultures that recapitulate the type and proportion of cells normally found in brain, i.e., neurons, astrocytes, and macrophages/microglia, that the β-chemokines RANTES (regulated on activation, normal T cell expressed and secreted) and macrophage inflammatory protein (MIP-1β) protect neurons from gp120 SF2 -induced apoptosis. The gp120 SF2 isolate prefers binding to CXCR4 receptors, similar to the physiological α-chemokine ligands, stromal cell-derived factor (SDF)-1α/β. SDF-1α/β failed to prevent gp120 SF2 neurotoxicity, and in fact also induced neuronal apoptosis. We could completely abrogate gp120 SF2 -induced neuronal apoptosis with the tripeptide TKP, which inhibits activation of macrophages/microglia. In contrast, TKP or depletion of macrophages/microglia did not prevent SDF-1 neurotoxicity. Inhibition of p38 mitogen-activated protein kinase ameliorated both gp120 SF2 - and SDF-1-induced neuronal apoptosis. Taken together, these results suggest that gp120 SF2 and SDF-1 differ in the cell type on which they stimulate CXCR4 to induce neuronal apoptosis, but both ligands use the p38 mitogen-activated protein kinase pathway for death signaling. Moreover, gp120 SF2 -induced neuronal apoptosis depends predominantly on an indirect pathway via activation of chemokine receptors on macrophages/microglia, whereas SDF-1 may act directly on neurons or astrocytes.

In a mouse model of Huntington's disease, synaptic activation of NMDA receptors induces the formation of huntingtin-containing inclusions, rendering neurons more resistant to death in vivo and in vitro. In contrast, stimulation of extrasynaptic NMDA receptors increases neuronal vulnerability by preventing inclusion formation. Huntington's disease is caused by an expanded CAG repeat in the gene encoding huntingtin (HTT), resulting in loss of striatal and cortical neurons. Given that the gene product is widely expressed, it remains unclear why neurons are selectively targeted. Here we show the relationship between synaptic and extrasynaptic activity, inclusion formation of mutant huntingtin protein (mtHtt) and neuronal survival. Synaptic N-methyl-D-aspartate–type glutamate receptor (NMDAR) activity induces mtHtt inclusions via a T complex-1 (TCP-1) ring complex (TRiC)-dependent mechanism, rendering neurons more resistant to mtHtt-mediated cell death. In contrast, stimulation of extrasynaptic NMDARs increases the vulnerability of mtHtt-containing neurons to cell death by impairing the neuroprotective cyclic AMP response element–binding protein (CREB)–peroxisome proliferator–activated receptor-γ coactivator-1α (PGC-1α) cascade and increasing the level of the small guanine nucleotide–binding protein Rhes, which is known to sumoylate and disaggregate mtHtt. Treatment of transgenic mice expressing a yeast artificial chromosome containing 128 CAG repeats (YAC128) with low-dose memantine blocks extrasynaptic (but not synaptic) NMDARs and ameliorates neuropathological and behavioral manifestations. By contrast, high-dose memantine, which blocks both extrasynaptic and synaptic NMDAR activity, decreases neuronal inclusions and worsens these outcomes. Our findings offer a rational therapeutic approach for protecting susceptible neurons in Huntington's disease.

Abstract Infection with human immunodeficiency virus-1 (HIV-1) causes brain injury. Type I interferons (IFNα/β) are critical mediators of any anti-viral immune response and IFNβ has been implicated in the temporary control of lentiviral infection in the brain. Here we show that transgenic mice expressing HIV-1 envelope glycoprotein 120 in their central nervous system (HIVgp120tg) mount a transient IFNβ response and provide evidence that IFNβ confers neuronal protection against HIVgp120 toxicity. In cerebrocortical cell cultures, neuroprotection by IFNβ against gp120 toxicity is dependent on IFNα receptor 1 (IFNAR1) and the β-chemokine CCL4, as IFNAR1 deficiency and neutralizing antibodies against CCL4, respectively, abolish the neuroprotective effects. We find in vivo that IFNβ mRNA is significantly increased in HIVgp120tg brains at 1.5, but not 3 or 6 months of age. However, a four-week intranasal IFNβ treatment of HIVgp120tg mice starting at 3.5 months of age increases expression of CCL4 and concomitantly protects neuronal dendrites and pre-synaptic terminals in cortex and hippocampus from gp120-induced damage. Moreover, in vivo and in vitro data suggests astrocytes are a major source of IFNβ-induced CCL4. Altogether, our results suggest exogenous IFNβ as a neuroprotective factor that has potential to ameliorate in vivo HIVgp120-induced brain injury.

Viral infections remain a global public health concern and cause a severe societal and economic burden. At the organismal level, the innate immune system is essential for the detection of viruses and constitutes the first line of defense. Viral components are sensed by host pattern recognition receptors (PRRs). PRRs can be further classified based on their localization into Toll-like receptors (TLRs), C-type lectin receptors (CLR), retinoic acid-inducible gene-I (RIG-I)-like receptors (RLRs), NOD-like receptors (NLRs) and cytosolic DNA sensors (CDS). TLR and RLR signaling results in production of type I interferons (IFNα and -β) and pro-inflammatory cytokines in a cell-specific manner, whereas NLR signaling leads to the production of interleukin-1 family proteins. On the other hand, CLRs are capable of sensing glycans present in viral pathogens, which can induce phagocytic, endocytic, antimicrobial, and pro- inflammatory responses. Peripheral immune sensing of viruses and the ensuing cytokine response can significantly affect the central nervous system (CNS). But viruses can also directly enter the CNS via a multitude of routes, such as the nasal epithelium, along nerve fibers connecting to the periphery and as cargo of infiltrating infected cells passing through the blood brain barrier, triggering innate immune sensing and cytokine responses directly in the CNS. Here, we review mechanisms of viral immune sensing and currently recognized consequences for the CNS of innate immune responses to viruses.

People living with HIV (PLWH) continue to develop HIV-associated neurocognitive disorders despite combination anti-retroviral therapy. Lipocalin-2 (LCN2) is an acute phase protein that has been implicated in neurodegeneration and is upregulated in a transgenic mouse model of HIV-associated brain injury. Here we show that LCN2 is significantly upregulated in neocortex of a subset of HIV-infected individuals with brain pathology and correlates with viral load in CSF and pro-viral DNA in neocortex. However, the question if LCN2 contributes to HIV-associated neurotoxicity or is part of a protective host response required further investigation. We found that the knockout of LCN2 in transgenic mice expressing HIVgp120 in the brain (HIVgp120tg) abrogates behavioral impairment, ameliorates neuronal damage, and reduces microglial activation in association with an increase of the neuroprotective CCR5 ligand CCL4. In vitro experiments show that LCN2 neurotoxicity also depends on microglia and p38 MAPK activity. Genetic ablation of CCR5 in LCN2-deficient HIVgp120tg mice restores neuropathology, suggesting that LCN2 overrides neuroprotection mediated by CCR5 and its chemokine ligands. RNA expression of 168 genes involved in neurotransmission reveals that neuronal injury and protection are each associated with genotype- and sex-specific patterns affecting common neural gene networks. In conclusion, our study identifies LCN2 as a novel factor in HIV-associated brain injury involving CCR5, p38 MAPK and microglia. Furthermore, the mechanistic interaction between LCN2 and CCR5 may serve as a diagnostic and therapeutic target in HIV patients at risk of developing brain pathology and neurocognitive impairment.

Abstract Background HIV-1 infection remains a major public health concern despite effective combination antiretroviral therapy (cART). The virus enters the central nervous system (CNS) early in infection and continues to cause HIV-associated neurocognitive disorders (HAND). The pathogenic mechanisms of HIV-associated brain injury remain incompletely understood. Since HIV-1 activates the type I interferon system, which signals via interferon-α receptor (IFNAR) 1 and 2, this study investigated the potential role of IFNAR1 in HIV-induced neurotoxicity. Methods We cross-bred HIVgp120-transgenic (tg) and IFNAR1 knockout (IFNAR1KO) mice. At 11–14 months of age, we performed a behavioral assessment and subsequently analyzed neuropathological alterations using deconvolution and quantitative immunofluorescence microscopy, quantitative RT-PCR, and bioinformatics. Western blotting of brain lysates and an in vitro neurotoxicity assay were employed for analysis of cellular signaling pathways. Results We show that IFNAR1KO results in partial, sex-dependent protection from neuronal injury and behavioral deficits in a transgenic model of HIV-induced brain injury. The IFNAR1KO rescues spatial memory and ameliorates loss of presynaptic terminals preferentially in female HIVgp120tg mice. Similarly, expression of genes involved in neurotransmission reveals sex-dependent effects of IFNAR1KO and HIVgp120. In contrast, IFNAR1-deficiency, independent of sex, limits damage to neuronal dendrites, microgliosis, and activation of p38 MAPK and restores ERK activity in the HIVgp120tg brain. In vitro, inhibition of p38 MAPK abrogates neurotoxicity caused similarly by blockade of ERK kinase and HIVgp120. Conclusion Our findings indicate that IFNAR1 plays a pivotal role in both sex-dependent and independent processes of neuronal injury and behavioral impairment triggered by HIV-1.

Abstract Counting cells is a cornerstone of tracking disease progression in neuroscience. A common approach for this process is having trained researchers individually select and count cells within an image, which is not only difficult to standardize but also very time-consuming. While tools exist to automatically count cells in images, the accuracy and accessibility of such tools can be improved. Thus, we introduce a novel tool ACCT: Automatic Cell Counting with Trainable Weka Segmentation which allows for flexible automatic cell counting via object segmentation after user-driven training. ACCT is demonstrated with a comparative analysis of publicly available images of neurons and an in-house dataset of immunofluorescence-stained microglia cells. For comparison, both datasets were manually counted to demonstrate the applicability of ACCT as an accessible means to automatically quantify cells in a precise manner without the need for computing clusters or advanced data preparation.

Human immunodeficiency virus-1 (HIV-1) infects the central nervous system (CNS) and causes HIV-associated neurocognitive disorders (HAND) in about half of the population living with the virus despite combination anti-retroviral therapy (cART). HIV-1 activates the innate immune system, including the production of type 1 interferons (IFNs) α and β. Transgenic mice expressing HIV-1 envelope glycoprotein gp120 (HIVgp120tg) in the CNS develop memory impairment and share key neuropathological features and differential CNS gene expression with HIV patients, including the induction of IFN-stimulated genes (ISG). Here we show that knocking out IFNβ (IFNβKO) in HIVgp120tg and non-tg control mice impairs recognition and spatial memory, but does not affect anxiety-like behavior, locomotion, or vision. The neuropathology of HIVgp120tg is only moderately affected by the KO of IFNβ but in a sex-dependent fashion. Notably, in cerebral cortex of IFNβKO animals presynaptic terminals are reduced in males while neuronal dendrites are reduced in females. The IFNβKO results in the hippocampal CA1 region of both male and female HIVgp120tg mice in an ameliorated loss of neuronal presynaptic terminals but no protection of neuronal dendrites. Only female IFNβ-deficient HIVgp120tg mice display diminished microglial activation in cortex and hippocampus and increased astrocytosis in hippocampus compared to their IFNβ-expressing counterparts. RNA expression for some immune genes and ISGs is also affected in a sex-dependent way. The IFNβKO abrogates or diminishes the induction of MX1, DDX58, IRF7 and IRF9 in HIVgp120tg brains of both sexes. Expression analysis of neurotransmission related genes reveals an influence of IFNβ on multiple components with more pronounced changes in IFNβKO females. In contrast, the effects of IFNβKO on MAPK activities are independent of sex with pronounced reduction of active ERK1/2 but also of active p38 in the HIVgp120tg brain. In summary, our findings show that the absence of IFNβ impairs memory dependent behavior and modulates neuropathology in HIVgp120tg brains, indicating that its absence may facilitate development of HAND. Moreover, our data suggests that endogenous IFNβ plays a vital role in maintaining neuronal homeostasis and memory function.