ABSTRACT Gliomas are highly malignant brain tumors with poor prognosis and short survival. NAD + has been shown to impact multiple processes that are dysregulated in cancer; however, anti-cancer therapies targeting NAD + synthesis have been unsuccessful due to insufficient mechanistic understanding. Here we adapted a Drosophila glial neoplasia model and discovered the genetic requirement for NAD + synthase nicotinamide mononucleotide adenylyltransferase (NMNAT) in glioma progression in vivo and in human glioma cells. Overexpressing enzymatically active NMNAT significantly promotes glial neoplasia growth and reduces animal viability. Mechanistic analysis suggests that NMNAT interferes with DNA damage-p53-caspase-3 apoptosis signaling pathway by enhancing NAD + -dependent posttranslational modifications (PTMs) poly(ADP-ribosyl)ation (PARylation) and deacetylation of p53. Interestingly, NMNAT forms a complex with p53 and PTM enzyme PARP1 to facilitate PARylation. As PARylation and deacetylation reduce p53 pro-apoptotic activity, our results demonstrate that NMNAT promotes glioma progression through regulating p53 post-translational modifications. Our findings reveal a novel tumorigenic mechanism involving protein complex formation of p53 with NAD + synthetic enzyme NMNAT and NAD + -dependent PTM enzymes that regulates glioma growth.

The three nicotinamide mononucleotide adenylyltransferase (NMNAT) family members synthesize the electron carrier nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) and are essential for cellular metabolism. In mammalian axons, NMNAT activity appears to be required for axon survival and is predominantly provided by NMNAT2. NMNAT2 has recently been shown to also function as a chaperone to aid in the refolding of misfolded proteins. Nmnat2 deficiency in mice, or in its ortholog dNmnat in Drosophila, results in axon outgrowth and survival defects. Peripheral nerve axons in NMNAT2-deficient mice fail to extend and innervate targets, and skeletal muscle is severely underdeveloped. In addition, removing NMNAT2 from established axons initiates axon death by Wallerian degeneration. We report here on two stillborn siblings with fetal akinesia deformation sequence (FADS), severely reduced skeletal muscle mass and hydrops fetalis. Clinical exome sequencing identified compound heterozygous NMNAT2 variant alleles in both cases. Both protein variants are incapable of supporting axon survival in mouse primary neuron cultures when overexpressed. In vitro assays demonstrate altered protein stability and/or defects in NAD+ synthesis and chaperone functions. Thus, both patient NMNAT2 alleles are null or severely hypo-morphic. These data indicate a previously unknown role for NMNAT2 in human neurological development and provide the first direct molecular evidence to support the involvement of Wallerian degeneration in a human axonal disorder.

Abstract Amyloid aggregation of phosphorylated Tau (pTau) into neurofibrillary tangles is closely associated with Alzheimer’s disease (AD). Several molecular chaperones have been reported to bind Tau and impede its pathological aggregation. Recent findings of elevated levels of Hsp27 in the brains of patients with AD suggested its important role in pTau pathology. However, the molecular mechanism of Hsp27 in pTau aggregation remains poorly understood. Here, we show that Hsp27 partially co-localizes with pTau tangles in the brains of patients with AD. Notably, phosphorylation of Tau by microtubule affinity regulating kinase 2 (MARK2), dramatically enhances the binding affinity of Hsp27 to Tau. Moreover, Hsp27 efficiently prevents pTau fibrillation in vitro and mitigates neuropathology of pTau aggregation in a Drosophila tauopathy model. Further mechanistic study reveals that Hsp27 employs its N-terminal domain to directly interact with multiple phosphorylation sites of pTau for specific binding. Our work provides the structural basis for the specific recognition of Hsp27 to pathogenic pTau, and highlights the important role of Hsp27 in preventing abnormal aggregation and pathology of pTau in AD.

ABSTRACT Tauopathy, including Alzheimer Disease (AD), is characterized by Tau protein accumulation and autophagy dysregulation. Emerging evidence connects polyamine metabolism with the autophagy pathway, however the role of polyamines in Tauopathy remains unclear. In the present study we investigated the role of spermine synthase (SMS) in autophagy regulation and tau protein processing in Drosophila and human cellular models of Tauopathy. Our previous study showed that Drosophila spermine synthase ( dSms ) deficiency impairs lysosomal function and blocks autophagy flux. Interestingly, partial loss-of-function of SMS in heterozygous dSms flies extends lifespan and improves the climbing performance of flies with human Tau (hTau) overexpression. Mechanistic analysis showed that heterozygous loss-of-function mutation of dSms reduces hTau protein accumulation through enhancing autophagic flux. Measurement of polyamine levels detected a mild elevation of spermidine in flies with heterozygous loss of dSms . SMS knock-down in human neuronal or glial cells also upregulates autophagic flux and reduces Tau protein accumulation. Proteomics analysis of postmortem brain tissue from AD patients showed a significant albeit modest elevation of SMS protein level in AD-relevant brain regions compared to that of control brains consistently across several datasets. Taken together, our study uncovers a correlation between SMS protein level and AD pathogenesis and reveals that SMS reduction upregulates autophagy, promotes Tau clearance, and reduces Tau protein accumulation. These findings provide a new potential therapeutic target of Tauopathy.

Abstract While RNA secondary structures are critical to regulate alternative splicing of long-range pre-mRNA, the factors that modulate RNA structure and interfere with the recognition of the splice sites are largely unknown. Previously, we identified a small, non-coding microRNA that sufficiently affects stable stem structure formation of Nmnat pre-mRNA to regulate the outcomes of alternative splicing. However, the fundamental question remains whether such microRNA-mediated interference with RNA secondary structures is a global molecular mechanism for regulating mRNA splicing. We designed and refined a bioinformatic pipeline to predict candidate microRNAs that potentially interfere with pre-mRNA stem-loop structures, and experimentally verified splicing predictions of three different long-range pre-mRNAs in the Drosophila model system. Specifically, we observed that microRNAs can either disrupt or stabilize stem-loop structures to influence splicing outcomes. Our study suggests that MicroRNA-Mediated Obstruction of Stem-loop Alternative Splicing (MIMOSAS) is a novel regulatory mechanism for the transcriptome-wide regulation of alternative splicing, increases the repertoire of microRNA function and further indicates cellular complexity of post-transcriptional regulation. One-Sentence Summary MicroRNA-Mediated Obstruction of Stem-loop Alternative Splicing (MIMOSAS) is a novel regulatory mechanism for the transcriptome-wide regulation of alternative splicing.