Accumulation of prion protein during prion replication causes persistent translational repression of global protein synthesis, which is mediated by eIF2α-P and is associated with synaptic failure and neuronal loss in prion-diseased mice; promoting translational recovery in hippocampi of prion-infected mice is neuroprotective. Despite extensive research, the mechanisms leading to neuronal loss in neurodegenerative disease are still little understood, and no treatments or promising treatment strategies exist. Using prion-diseased mice as a model, this study demonstrates that the accumulation of misfolded prion protein during prion replication causes persistent translational repression of global protein synthesis. This is mediated by eIF2α-P and is associated with synaptic failure and neuronal loss in prion-diseased mice. Promoting translational recovery in the hippocampi of prion-infected mice is neuroprotective, suggesting that a generic approach involving the fine-tuning of protein synthesis may be worth pursuing in prion diseases, and perhaps in other neurodegenerative disorders involving protein misfolding. The mechanisms leading to neuronal death in neurodegenerative disease are poorly understood. Many of these disorders, including Alzheimer’s, Parkinson’s and prion diseases, are associated with the accumulation of misfolded disease-specific proteins. The unfolded protein response is a protective cellular mechanism triggered by rising levels of misfolded proteins. One arm of this pathway results in the transient shutdown of protein translation, through phosphorylation of the α-subunit of eukaryotic translation initiation factor, eIF2. Activation of the unfolded protein response and/or increased eIF2α-P levels are seen in patients with Alzheimer’s, Parkinson’s and prion diseases1,2,3,4, but how this links to neurodegeneration is unknown. Here we show that accumulation of prion protein during prion replication causes persistent translational repression of global protein synthesis by eIF2α-P, associated with synaptic failure and neuronal loss in prion-diseased mice. Further, we show that promoting translational recovery in hippocampi of prion-infected mice is neuroprotective. Overexpression of GADD34, a specific eIF2α-P phosphatase, as well as reduction of levels of prion protein by lentivirally mediated RNA interference, reduced eIF2α-P levels. As a result, both approaches restored vital translation rates during prion disease, rescuing synaptic deficits and neuronal loss, thereby significantly increasing survival. In contrast, salubrinal, an inhibitor of eIF2α-P dephosphorylation5, increased eIF2α-P levels, exacerbating neurotoxicity and significantly reducing survival in prion-diseased mice. Given the prevalence of protein misfolding and activation of the unfolded protein response in several neurodegenerative diseases, our results suggest that manipulation of common pathways such as translational control, rather than disease-specific approaches, may lead to new therapies preventing synaptic failure and neuronal loss across the spectrum of these disorders.

During prion disease, an increase in misfolded prion protein (PrP) generated by prion replication leads to sustained overactivation of the branch of the unfolded protein response (UPR) that controls the initiation of protein synthesis. This results in persistent repression of translation, resulting in the loss of critical proteins that leads to synaptic failure and neuronal death. We have previously reported that localized genetic manipulation of this pathway rescues shutdown of translation and prevents neurodegeneration in a mouse model of prion disease, suggesting that pharmacological inhibition of this pathway might be of therapeutic benefit. We show that oral treatment with a specific inhibitor of the kinase PERK (protein kinase RNA-like endoplasmic reticulum kinase), a key mediator of this UPR pathway, prevented UPR-mediated translational repression and abrogated development of clinical prion disease in mice, with neuroprotection observed throughout the mouse brain. This was the case for animals treated both at the preclinical stage and also later in disease when behavioral signs had emerged. Critically, the compound acts downstream and independently of the primary pathogenic process of prion replication and is effective despite continuing accumulation of misfolded PrP. These data suggest that PERK, and other members of this pathway, may be new therapeutic targets for developing drugs against prion disease or other neurodegenerative diseases where the UPR has been implicated.

Abstract Activation of the PERK branch of the unfolded protein response (UPR) in response to protein misfolding within the endoplasmic reticulum (ER) results in the transient repression of protein synthesis, mediated by the phosphorylation of the alpha subunit of eukaryotic initiation factor 2 (eIF2 α ). This is part of a wider integrated physiological response to maintain proteostasis in the face of ER stress, the dysregulation of which is increasingly associated with a wide range of diseases, particularly neurodegenerative disorders. In prion-diseased mice, persistently high levels of eIF2 α cause sustained translational repression leading to catastrophic reduction of critical proteins, resulting in synaptic failure and neuronal loss. We previously showed that restoration of global protein synthesis using the PERK inhibitor GSK2606414 was profoundly neuroprotective, preventing clinical disease in prion-infected mice. However, this occured at the cost of toxicity to secretory tissue, where UPR activation is essential to healthy functioning. Here we show that pharmacological modulation of eIF2 α -P-mediated translational inhibition can be achieved to produce neuroprotection without pancreatic toxicity. We found that treatment with the small molecule ISRIB, which restores translation downstream of eIF2 α , conferred neuroprotection in prion-diseased mice without adverse effects on the pancreas. Critically, ISRIB treatment resulted in only partial restoration of global translation rates, as compared with the complete restoration of protein synthesis seen with GSK2606414. ISRIB likely provides sufficient rates of protein synthesis for neuronal survival, while allowing some residual protective UPR function in secretory tissue. Thus, fine-tuning the extent of UPR inhibition and subsequent translational de-repression uncouples neuroprotective effects from pancreatic toxicity. The data support the pursuit of this approach to develop new treatments for a range of neurodegenerative disorders that are currently incurable.

See Mercado and Hetz (doi:10.1093/brain/awx107) for a scientific commentary on this article. Signalling through the PERK/eIF2α-P branch of the unfolded protein response plays a critical role in controlling protein synthesis rates in cells. This pathway is overactivated in brains of patients with Alzheimer’s disease and related disorders and has recently emerged as a promising therapeutic target for these currently untreatable conditions. Thus, in mouse models of neurodegenerative disease, prolonged overactivation of PERK/eIF2α-P signalling causes sustained attenuation of protein synthesis, leading to memory impairment and neuronal loss. Re-establishing translation rates by inhibition of eIF2α-P activity, genetically or pharmacologically, restores memory and prevents neurodegeneration and extends survival. However, the experimental compounds used preclinically are unsuitable for use in humans, due to associated toxicity or poor pharmacokinetic properties. To discover compounds that have anti-eIF2α-P activity suitable for clinical use, we performed phenotypic screens on a NINDS small molecule library of 1040 drugs. We identified two compounds, trazodone hydrochloride and dibenzoylmethane, which reversed eIF2α-P-mediated translational attenuation in vitro and in vivo. Both drugs were markedly neuroprotective in two mouse models of neurodegeneration, using clinically relevant doses over a prolonged period of time, without systemic toxicity. Thus, in prion-diseased mice, both trazodone and dibenzoylmethane treatment restored memory deficits, abrogated development of neurological signs, prevented neurodegeneration and significantly prolonged survival. In tauopathy-frontotemporal dementia mice, both drugs were neuroprotective, rescued memory deficits and reduced hippocampal atrophy. Further, trazodone reduced p-tau burden. These compounds therefore represent potential new disease-modifying treatments for dementia. Trazodone in particular, a licensed drug, should now be tested in clinical trials in patients.

The PERK-eIF2α branch of the Unfolded Protein Response (UPR) mediates the transient shutdown of translation in response to rising levels of misfolded proteins in the endoplasmic reticulum. PERK and eIF2α activation are increasingly recognised in postmortem analyses of patients with neurodegenerative disorders, including Alzheimer's disease, the tauopathies and prion disorders. These are all characterised by the accumulation of misfolded disease-specific proteins in the brain in association with specific patterns of neuronal loss, but the role of UPR activation in their pathogenesis is unclear. In prion-diseased mice, overactivation of PERK-P/eIF2α-P signalling results in the sustained reduction in global protein synthesis, leading to synaptic failure, neuronal loss and clinical disease. Critically, restoring vital neuronal protein synthesis rates by inhibiting the PERK-eIF2α pathway, both genetically and pharmacologically, prevents prion neurodegeneration downstream of misfolded prion protein accumulation. Here we show that PERK-eIF2α-mediated translational failure is a key process leading to neuronal loss in a mouse model of frontotemporal dementia, where the misfolded protein is a form of mutant tau. rTg4510 mice, which overexpress the P301L tau mutation, show dysregulated PERK signalling and sustained repression of protein synthesis by 6 months of age, associated with onset of neurodegeneration. Treatment with the PERK inhibitor, GSK2606414, from this time point in mutant tau-expressing mice restores protein synthesis rates, protecting against further neuronal loss, reducing brain atrophy and abrogating the appearance of clinical signs. Further, we show that PERK-eIF2α activation also contributes to the pathological phosphorylation of tau in rTg4510 mice, and that levels of phospho-tau are lowered by PERK inhibitor treatment, providing a second mechanism of protection. The data support UPR-mediated translational failure as a generic pathogenic mechanism in protein-misfolding disorders, including tauopathies, that can be successfully targeted for prevention of neurodegeneration.