Ubiquitin-positive, tau- and α-synuclein–negative inclusions are hallmarks of frontotemporal lobar degeneration with ubiquitin-positive inclusions and amyotrophic lateral sclerosis. Although the identity of the ubiquitinated protein specific to either disorder was unknown, we showed that TDP-43 is the major disease protein in both disorders. Pathologic TDP-43 was hyper-phosphorylated, ubiquitinated, and cleaved to generate C-terminal fragments and was recovered only from affected central nervous system regions, including hippocampus, neocortex, and spinal cord. TDP-43 represents the common pathologic substrate linking these neurodegenerative disorders.

Phenotypic heterogeneity in sporadic Creutzfeldt-Jakob disease (sCJD) is well documented, but there is not yet a systematic classification of the disease variants. In a previous study, we showed that the polymorphic codon 129 of the prion protein gene (PRNP), and two types of protease-resistant prion protein (PrP(Sc)) with distinct physicochemical properties, are major determinants of these variants. To define the full spectrum of variants, we have examined a series of 300 sCJD patients. Clinical features, PRNP genotype, and PrP(Sc) properties were determined in all subjects. In 187, we also studied neuropathological features and immunohistochemical pattern of PrP(Sc) deposition. Seventy percent of subjects showed the classic CJD phenotype, PrP(Sc) type 1, and at least one methionine allele at codon 129; 25% of cases displayed the ataxic and kuru-plaque variants, associated to PrP(Sc) type 2, and valine homozygosity or heterozygosity at codon 129, respectively. Two additional variants, which included a thalamic form of CJD and a phenotype characterized by prominent dementia and cortical pathology, were linked to PrP(Sc) type 2 and methionine homozygosity. Finally, a rare phenotype characterized by progressive dementia was linked to PrP(Sc) type 1 and valine homozygosity. The present data demonstrate the existence of six phenotypic variants of sCJD. The physicochemical properties of PrP(Sc) in conjunction with the PRNP codon 129 genotype largely determine this phenotypic variability, and allow a molecular classification of the disease variants.

Unusual Aggregates Several recent papers have revealed the unexpected genetic and pathological overlap between frontotemporal lobar degeneration (FTLD) and amyotrophic lateral sclerosis (ALS). The most common genetic cause is the GGGGCC hexanucleotide repeat expansion upstream of the C9orf72 coding region affecting about 10% of all patients. It is currently unknown how repeat expansion might lead to neurodegeneration. C9orf72 patients show two distinct types of ubiquitinated inclusions in the central nervous system, one of which was identified as phosphorylated TDP-43 protein. However, all inclusions in the cerebellum and most inclusions in the hippocampus and neocortex lack TDP-43, and the actual disease protein is unknown. Mori et al. (p. 1335 , published online 7 February; see the Perspective by Taylor ) discovered that most of these characteristic inclusions contain poly-(Gly-Ala) and, to a lesser extent, poly-(Gly-Pro) and poly-(Gly-Arg) dipeptide-repeat proteins that are generated by non-ATG–initiated translation from the expanded GGGGCC repeats in three reading frames. The findings yield mechanistic insight into the pathogenesis of FTLD/ALS with C9orf72 repeat expansions and directly link this common mutation to the characteristic pathology.

Abstract Objective Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a common, fatal motor neuron disorder with no effective treatment. Approximately 10% of cases are familial ALS (FALS), and the most common genetic abnormality is superoxide dismutase ‐ 1 ( SOD1 ) mutations. Most ALS research in the past decade has focused on the neurotoxicity of mutant SOD1, and this knowledge has directed therapeutic strategies. We recently identified TDP‐43 as the major pathological protein in sporadic ALS. In this study, we investigated TDP‐43 in a larger series of ALS cases (n = 111), including familial cases with and without SOD1 mutations. Methods Ubiquitin and TDP‐43 immunohistochemistry was performed on postmortem tissue from sporadic ALS (n = 59), ALS with SOD1 mutations (n = 15), SOD ‐ 1 –negative FALS (n = 11), and ALS with dementia (n = 26). Biochemical analysis was performed on representative cases from each group. Results All cases of sporadic ALS, ALS with dementia, and SOD1 ‐negative FALS had neuronal and glial inclusions that were immunoreactive for both ubiquitin and TDP‐43. Cases with SOD1 mutations had ubiquitin‐positive neuronal inclusions; however, no cases were immunoreactive for TDP‐43. Biochemical analysis of postmortem tissue from sporadic ALS and SOD1 ‐negative FALS demonstrated pathological forms of TDP‐43 that were absent in cases with SOD1 mutations. Interpretation These findings implicate pathological TDP‐43 in the pathogenesis of sporadic ALS. In contrast, the absence of pathological TDP‐43 in cases with SOD1 mutations implies that motor neuron degeneration in these cases may result from a different mechanism, and that cases with SOD1 mutations may not be the familial counterpart of sporadic ALS. Ann Neurol 2007;61:427–434

Aggregation of alpha-synuclein (alpha-syn) has been linked to the pathogenesis of Parkinson's disease (PD) and other neurodegenerative diseases. Increasing evidence suggests that prefibrillar oligomers and protofibrils, rather than mature fibrils of alpha-syn, are the pathogenic species in PD. Despite extensive effort on studying oligomerization of alpha-syn, no studies have compared different oligomer species directly on a single-particle level and investigated their biological effects on cells. In this study, we applied a novel highly sensitive single molecule detection system that allowed a direct comparison of different oligomer types. Furthermore, we studied biological effects of different oligomer types on cells. For this purpose, we developed new oligomerization protocols, that enabled the use of these different oligomers in cell culture. We found that all of our three aggregation protocols resulted in heterogeneous populations of oligomers. Some types of oligomers induced cell death via disruption of cellular ion homeostasis by a presumably pore-forming mechanism. Other oligomer types could directly enter the cell resulting in increased alpha-syn aggregation. Based on our results, we propose that under various physiological conditions, heterogeneous populations of oligomeric forms will coexist in an equilibrium. These different oligomer types lead directly or indirectly to cell damage. Our data indicate that inhibition of early alpha-syn aggregation events would consequently prevent all alpha-syn oligomer related toxicities. This has important implications for the development of disease-modifying drugs for the treatment of PD and other synucleinopathies.

Mutations in the alpha-synuclein (alphaSYN) gene are associated with rare cases of familial Parkinson's disease, and alphaSYN is a major component of Lewy bodies and Lewy neurites. Here we have investigated the localization of wild-type and mutant [A30P]alphaSYN as well as betaSYN at the cellular and subcellular level. Our direct comparative study demonstrates extensive synaptic colocalization of alphaSYN and betaSYN in human and mouse brain. In a sucrose gradient equilibrium centrifugation assay, a portion of betaSYN floated into lower density fractions, which also contained the synaptic vesicle marker synaptophysin. Likewise, wild-type and [A30P]alphaSYN were found in floating fractions. Subcellular fractionation of mouse brain revealed that both alphaSYN and betaSYN were present in synaptosomes. In contrast to synaptophysin, betaSYN and alphaSYN were recovered from the soluble fraction upon lysis of the synaptosomes. Synaptic colocalization of alphaSYN and betaSYN was directly visualized by confocal microscopy of double-stained human brain sections. The Parkinson's disease-associated human mutant [A30P]alphaSYN was found to colocalize with betaSYN and synaptophysin in synapses of transgenic mouse brain. However, in addition to their normal presynaptic localization, transgenic wild-type and [A30P]alphaSYN abnormally accumulated in neuronal cell bodies and neurites throughout the brain. Thus, mutant [A30P]alphaSYN does not fail to be transported to synapses, but its transgenic overexpression apparently leads to abnormal cellular accumulations.

Frontotemporal lobar degeneration (FTLD) is the second most common cause of presenile dementia. The predominant neuropathology is FTLD with TAR DNA-binding protein (TDP-43) inclusions (FTLD-TDP). FTLD-TDP is frequently familial, resulting from mutations in GRN (which encodes progranulin). We assembled an international collaboration to identify susceptibility loci for FTLD-TDP through a genome-wide association study of 515 individuals with FTLD-TDP. We found that FTLD-TDP associates with multiple SNPs mapping to a single linkage disequilibrium block on 7p21 that contains TMEM106B. Three SNPs retained genome-wide significance following Bonferroni correction (top SNP rs1990622, P = 1.08 x 10(-11); odds ratio, minor allele (C) 0.61, 95% CI 0.53-0.71). The association replicated in 89 FTLD-TDP cases (rs1990622; P = 2 x 10(-4)). TMEM106B variants may confer risk of FTLD-TDP by increasing TMEM106B expression. TMEM106B variants also contribute to genetic risk for FTLD-TDP in individuals with mutations in GRN. Our data implicate variants in TMEM106B as a strong risk factor for FTLD-TDP, suggesting an underlying pathogenic mechanism.

The amyloid precursor protein (APP) is critical in the pathogenesis of Alzheimer's disease. The question of its normal biological function in neurons, in which it is predominantly located at synapses, is still unclear. Using autaptic cultures of hippocampal neurons, we demonstrate that hippocampal neurons lacking APP show significantly enhanced amplitudes of evoked AMPA- and NMDA-receptor-mediated EPSCs. The size of the readily releasable synaptic vesicle pool was also increased in neurons lacking APP, whereas the release probability was not affected. In addition, the analysis of spontaneous miniature synaptic currents revealed an augmented frequency in neurons lacking APP, whereas the amplitude of miniature synaptic currents was not found to be altered. Together, these findings strongly indicate that lack of APP increases the number of functional synapses. This hypothesis is further supported by morphometric immunohistochemical analysis revealing an increase of synaptophysin-positive puncta per cultured APP knock-out neuron. In conclusion, lack of APP affects synapse formation and transmission in cultured hippocampal neurons.

Accumulation of hyperphosphorylated, ubiquitinated and N-terminally truncated TAR DNA-binding protein (TDP-43) is the pathological hallmark lesion in most familial and sporadic forms of FTLD-U and ALS, which can be subsumed as TDP-43 proteinopathies. In order to get more insight into the role of abnormal phosphorylation in the disease process, the identification of specific phosphorylation sites and the generation of phosphorylation-specific antibodies are mandatory. Here, we developed and characterized novel rat monoclonal antibodies (1D3 and 7A9) raised against phosphorylated S409/410 of TDP-43. These antibodies were used to study the presence of S409/410 phosphorylation by immunohistochemistry and biochemical analysis in a large series of 64 FTLD-U cases with or without motor neuron disease including familial cases with mutations in progranulin (n = 5), valosin-containing protein (n = 4) and linkage to chromosome 9p (n = 4), 18 ALS cases as well as other neurodegenerative diseases with concomitant TDP-43 pathology (n = 5). Our data demonstrate that phosphorylation of S409/410 of TDP-43 is a highly consistent feature in pathologic inclusions in the whole spectrum of sporadic and familial forms of TDP-43 proteinopathies. Physiological nuclear TDP-43 was not detectable with these mAbs by immunohistochemistry and by immunoblot analyses. While the accumulation of phosphorylated C-terminal fragments was a robust finding in the cortical brain regions of FTLD-U and ALS, usually being much more abundant than the phosphorylated full-length TDP-43 band, spinal cord samples revealed a predominance of full-length TDP-43 over C-terminal fragments. This argues for a distinct TDP-43 species composition in inclusions in cortical versus spinal cord cells. Overall, these mAbs are powerful tools for the highly specific detection of disease-associated abnormal TDP-43 species and will be extremely useful for the neuropathological routine diagnostics of TDP-43 proteinopathies and for the investigation of emerging cellular and animal models for TDP-43 proteinopathies.