Dementia with Lewy bodies (DLB) and Parkinson's Disease (PD) are common causes of motor and cognitive deficits and are associated with the abnormal accumulation of alpha-synuclein (α-syn). This study investigated whether passive immunization with a novel monoclonal α-syn antibody (9E4) against the C-terminus (CT) of α-syn was able to cross into the CNS and ameliorate the deficits associated with α-syn accumulation. In this study we demonstrate that 9E4 was effective at reducing behavioral deficits in the water maze, moreover, immunization with 9E4 reduced the accumulation of calpain-cleaved α-syn in axons and synapses and the associated neurodegenerative deficits. In vivo studies demonstrated that 9E4 traffics into the CNS, binds to cells that display α-syn accumulation and promotes α-syn clearance via the lysosomal pathway. These results suggest that passive immunization with monoclonal antibodies against the CT of α-syn may be of therapeutic relevance in patients with PD and DLB.

Abstract

 We characterized β-synuclein, the non-amyloidogenic homolog of α-synuclein, as an inhibitor of aggregation of α-synuclein, a molecule implicated in Parkinson's disease. For this, doubly transgenic mice expressing human (h) α- and β-synuclein were generated. In doubly transgenic mice, β-synuclein ameliorated motor deficits, neurodegenerative alterations, and neuronal α-synuclein accumulation seen in hα-synuclein transgenic mice. Similarly, cell lines transfected with β-synuclein were resistant to α-synuclein accumulation. hα-synuclein was coimmunoprecipitated with hβ-synuclein in the brains of doubly transgenic mice and in the double-transfected cell lines. Our results raise the possibility that β-synuclein might be a natural negative regulator of α-synuclein aggregation and that a similar class of endogenous factors might regulate the aggregation state of other molecules involved in neurodegeneration. Such an anti-amyloidogenic property of β-synuclein might also provide a novel strategy for the treatment of neurodegenerative disorders.

Parkinson's disease (PD) and dementia with Lewy bodies (DLB) are common neurodegenerative disorders of the aging population, characterized by progressive and abnormal accumulation of α-synuclein (α-syn). Recent studies have shown that C-terminus (CT) truncation and propagation of α-syn play a role in the pathogenesis of PD/DLB. Therefore, we explored the effect of passive immunization against the CT of α-syn in the mThy1-α-syn transgenic (tg) mouse model, which resembles the striato-nigral and motor deficits of PD. Mice were immunized with the new monoclonal antibodies 1H7, 5C1, or 5D12, all directed against the CT of α-syn. CT α-syn antibodies attenuated synaptic and axonal pathology, reduced the accumulation of CT-truncated α-syn (CT-α-syn) in axons, rescued the loss of tyrosine hydroxylase fibers in striatum, and improved motor and memory deficits. Among them, 1H7 and 5C1 were most effective at decreasing levels of CT-α-syn and higher-molecular-weight aggregates. Furthermore, in vitro studies showed that preincubation of recombinant α-syn with 1H7 and 5C1 prevented CT cleavage of α-syn. In a cell-based system, CT antibodies reduced cell-to-cell propagation of full-length α-syn, but not of the CT-α-syn that lacked the 118-126 aa recognition site needed for antibody binding. Furthermore, the results obtained after lentiviral expression of α-syn suggest that antibodies might be blocking the extracellular truncation of α-syn by calpain-1. Together, these results demonstrate that antibodies against the CT of α-syn reduce levels of CT-truncated fragments of the protein and its propagation, thus ameliorating PD-like pathology and improving behavioral and motor functions in a mouse model of this disease.

In Parkinson's disease and dementia with Lewy bodies, α-synuclein aggregates to form oligomers and fibrils; however, the precise nature of the toxic α-synuclein species remains unclear. A number of synthetic α-synuclein mutations were recently created (E57K and E35K) that produce species of α-synuclein that preferentially form oligomers and increase α-synuclein-mediated toxicity. We have shown that acute lentiviral expression of α-synuclein E57K leads to the degeneration of dopaminergic neurons; however, the effects of chronic expression of oligomer-prone α-synuclein in synapses throughout the brain have not been investigated. Such a study could provide insight into the possible mechanism(s) through which accumulation of α-synuclein oligomers in the synapse leads to neurodegeneration. For this purpose, we compared the patterns of neurodegeneration and synaptic damage between a newly generated mThy-1 α-synuclein E57K transgenic mouse model that is prone to forming oligomers and the mThy-1 α-synuclein wild-type mouse model (Line 61), which accumulates various forms of α-synuclein. Three lines of α-synuclein E57K (Lines 9, 16 and 54) were generated and compared with the wild-type. The α-synuclein E57K Lines 9 and 16 were higher expressings of α-synuclein, similar to α-synuclein wild-type Line 61, and Line 54 was a low expressing of α-synuclein compared to Line 61. By immunoblot analysis, the higher-expressing α-synuclein E57K transgenic mice showed abundant oligomeric, but not fibrillar, α-synuclein whereas lower-expressing mice accumulated monomeric α-synuclein. Monomers, oligomers, and fibrils were present in α-synuclein wild-type Line 61. Immunohistochemical and ultrastructural analyses demonstrated that α-synuclein accumulated in the synapses but not in the neuronal cells bodies, which was different from the α-synuclein wild-type Line 61, which accumulates α-synuclein in the soma. Compared to non-transgenic and lower-expressing mice, the higher-expressing α-synuclein E57K mice displayed synaptic and dendritic loss, reduced levels of synapsin 1 and synaptic vesicles, and behavioural deficits. Similar alterations, but to a lesser extent, were seen in the α-synuclein wild-type mice. Moreover, although the oligomer-prone α-synuclein mice displayed neurodegeneration in the frontal cortex and hippocampus, the α-synuclein wild-type only displayed neuronal loss in the hippocampus. These results support the hypothesis that accumulating oligomeric α-synuclein may mediate early synaptic pathology in Parkinson's disease and dementia with Lewy bodies by disrupting synaptic vesicles. This oligomer-prone model might be useful for evaluating therapies directed at oligomer reduction.

Proteins implicated in neurodegenerative conditions such as Alzheimer's disease (AD) and Dementia with Lewy Bodies (DLB) have been identified in bodily fluids encased in extracellular vesicles called exosomes. Whether exosomes found in DLB patients can transmit pathology is not clear. In this study, exosomes were successfully harvested through ultracentrifugation from brain tissue from DLB and AD patients as well as non-diseased brain tissue. Exosomes extracted from brains diagnosed with either AD or DLB contained aggregate-prone proteins. Furthermore, injection of brain-derived exosomes from DLB patients into the brains of wild type mice induced α-synuclein (α-syn) aggregation. As assessed through immunofluorescent double labeling, α-syn aggregation was observed in MAP2+, Rab5+ neurons. Using a neuronal cell line, we also identified intracellular α-syn aggregation mediated by exosomes is dependent on recipient cell endocytosis. Together, these data suggest that exosomes from DLB patients are sufficient for seeding and propagating α-syn aggregation in vivo.