To elucidate the pathogenic mechanisms in Huntington's disease (HD) elicited by expression of full-length human mutant huntingtin (fl-mhtt), a bacterial artificial chromosome (BAC)-mediated transgenic mouse model (BACHD) was developed expressing fl-mhtt with 97 glutamine repeats under the control of endogenous htt regulatory machinery on the BAC. BACHD mice exhibit progressive motor deficits, neuronal synaptic dysfunction, and late-onset selective neuropathology, which includes significant cortical and striatal atrophy and striatal dark neuron degeneration. Power analyses reveal the robustness of the behavioral and neuropathological phenotypes, suggesting BACHD as a suitable fl-mhtt mouse model for preclinical studies. Additional analyses of BACHD mice provide novel insights into how mhtt may elicit neuropathogenesis. First, unlike previous fl-mhtt mouse models, BACHD mice reveal that the slowly progressive and selective pathogenic process in HD mouse brains can occur without early and diffuse nuclear accumulation of aggregated mhtt (i.e., as detected by immunostaining with the EM48 antibody). Instead, a relatively steady-state level of predominantly full-length mhtt and a small amount of mhtt N-terminal fragments are sufficient to elicit the disease process. Second, the polyglutamine repeat within fl-mhtt in BACHD mice is encoded by a mixed CAA-CAG repeat, which is stable in both the germline and somatic tissues including the cortex and striatum at the onset of neuropathology. Therefore, our results suggest that somatic repeat instability does not play a necessary role in selective neuropathogenesis in BACHD mice. In summary, the BACHD model constitutes a novel and robust in vivo paradigm for the investigation of HD pathogenesis and treatment.

Hintiryan, Foster et al. present an online mouse cortico-striatal projectome describing projections from the entire cortex to dorsal striatum. Computational neuroanatomic analysis of these projections identified 29 distinct striatal domains. This connectomics approach was applied to characterize circuit-specific cortico-striatal connectopathies in a mouse model of Huntington disease and in monoamine oxidase (MAO) A/B knockout mice. Different cortical areas are organized into distinct intracortical subnetworks. The manner in which descending pathways from the entire cortex interact subcortically as a network remains unclear. We developed an open-access comprehensive mesoscale mouse cortico-striatal projectome: a detailed connectivity projection map from the entire cerebral cortex to the dorsal striatum or caudoputamen (CP) in rodents. On the basis of these projections, we used new computational neuroanatomical tools to identify 29 distinct functional striatal domains. Furthermore, we characterized different cortico-striatal networks and how they reconfigure across the rostral–caudal extent of the CP. The workflow was also applied to select cortico-striatal connections in two different mouse models of disconnection syndromes to demonstrate its utility for characterizing circuitry-specific connectopathies. Together, our results provide the structural basis for studying the functional diversity of the dorsal striatum and disruptions of cortico-basal ganglia networks across a broad range of disorders.

To gain insight into how mutant huntingtin (mHtt) CAG repeat length modifies Huntington's disease (HD) pathogenesis, we profiled mRNA in over 600 brain and peripheral tissue samples from HD knock-in mice with increasing CAG repeat lengths. We found repeat length-dependent transcriptional signatures to be prominent in the striatum, less so in cortex, and minimal in the liver. Coexpression network analyses revealed 13 striatal and 5 cortical modules that correlated highly with CAG length and age, and that were preserved in HD models and sometimes in patients. Top striatal modules implicated mHtt CAG length and age in graded impairment in the expression of identity genes for striatal medium spiny neurons and in dysregulation of cyclic AMP signaling, cell death and protocadherin genes. We used proteomics to confirm 790 genes and 5 striatal modules with CAG length-dependent dysregulation at the protein level, and validated 22 striatal module genes as modifiers of mHtt toxicities in vivo.

Huntington's disease is a neurodegenerative disease caused by the accumulation of mutant htt protein. Now, two groups led by Dimitri Krainc and Wenzhen Duan report that mutant htt binds and inactivates the deacetylase enzyme SIRT1 and that SIRT1 overexpression is protective in Huntington's disease mouse models. Huntington's disease is a fatal neurodegenerative disorder caused by an expanded polyglutamine repeat in huntingtin (HTT) protein. We previously showed that calorie restriction ameliorated Huntington's disease pathogenesis and slowed disease progression in mice that model Huntington's disease (Huntington's disease mice)1. We now report that overexpression of sirtuin 1 (Sirt1), a mediator of the beneficial metabolic effects of calorie restriction, protects neurons against mutant HTT toxicity, whereas reduction of Sirt1 exacerbates mutant HTT toxicity. Overexpression of Sirt1 improves motor function, reduces brain atrophy and attenuates mutant-HTT–mediated metabolic abnormalities in Huntington's disease mice. Further mechanistic studies suggested that Sirt1 prevents the mutant-HTT–induced decline in brain-derived neurotrophic factor (BDNF) concentrations and the signaling of its receptor, TrkB, and restores dopamine- and cAMP-regulated phosphoprotein, 32 kDa (DARPP32) concentrations in the striatum. Sirt1 deacetylase activity is required for Sirt1-mediated neuroprotection in Huntington's disease cell models. Notably, we show that mutant HTT interacts with Sirt1 and inhibits Sirt1 deacetylase activity, which results in hyperacetylation of Sirt1 substrates such as forkhead box O3A (Foxo3a), thereby inhibiting its pro-survival function. Overexpression of Sirt1 counteracts the mutant-HTT–induced deacetylase deficit, enhances the deacetylation of Foxo3a and facilitates cell survival. These findings show a neuroprotective role for Sirt1 in mammalian Huntington's disease models and open new avenues for the development of neuroprotective strategies in Huntington's disease.

The N-terminal 17 amino acids of huntingtin (NT17) can be phosphorylated on serines 13 and 16; however, the significance of these modifications in Huntington's disease pathogenesis remains unknown. In this study, we developed BAC transgenic mice expressing full-length mutant huntingtin (fl-mhtt) with serines 13 and 16 mutated to either aspartate (phosphomimetic or SD) or alanine (phosphoresistant or SA). Both mutant proteins preserve the essential function of huntingtin in rescuing knockout mouse phenotypes. However, fl-mhtt-induced disease pathogenesis, including motor and psychiatric-like behavioral deficits, mhtt aggregation, and selective neurodegeneration are abolished in SD but preserved in SA mice. Moreover, modification of these serines in expanded repeat huntingtin peptides modulates aggregation and amyloid fibril formation in vitro. Together, our findings demonstrate that serines 13 and 16 are critical determinants of fl-mhtt-induced disease pathogenesis in vivo, supporting the targeting of huntingtin NT17 domain and its modifications in HD therapy.

Abstract An essential step toward understanding brain function is to establish a cellular-resolution structural framework upon which multi-scale and multi-modal information spanning molecules, cells, circuits and systems can be integrated and interpreted. Here, through a collaborative effort from the Brain Initiative Cell Census Network (BICCN), we derive a comprehensive cell type-based description of one brain structure - the primary motor cortex upper limb area (MOp-ul) of the mouse. Applying state-of-the-art labeling, imaging, computational, and neuroinformatics tools, we delineated the MOp-ul within the Mouse Brain 3D Common Coordinate Framework (CCF). We defined over two dozen MOp-ul projection neuron (PN) types by their anterograde targets; the spatial distribution of their somata defines 11 cortical sublayers, a significant refinement of the classic notion of cortical laminar organization. We further combine multiple complementary tracing methods (classic tract tracing, cell type-based anterograde, retrograde, and transsynaptic viral tracing, high-throughput BARseq, and complete single cell reconstruction) to systematically chart cell type-based MOp input-output streams. As PNs link distant brain regions at synapses as well as host cellular gene expression, our construction of a PN type resolution MOp-ul wiring diagram will facilitate an integrated analysis of motor control circuitry across the molecular, cellular, and systems levels. This work further provides a roadmap towards a cellular resolution description of mammalian brain architecture.

ABSTRACT The cortico-basal ganglia-thalamic loop is one of the fundamental network motifs in the brain. Revealing its structural and functional organization is critical to understanding cognition, sensorimotor behavior, and the natural history of many neurological and neuropsychiatric diseases. Classically, the basal ganglia is conceptualized to contain three primary information output channels: motor, limbic, and associative. However, given the roughly 65 cortical areas and two dozen thalamic nuclei that feed into the dorsal striatum, a three-channel view is overly simplistic for explaining the myriad functions of the basal ganglia. Recent works from our lab and others have subdivided the dorsal striatum into numerous functional domains based on convergent and divergent inputs from the cortex and thalamus. To complete this work, we generated a comprehensive data pool of ∼700 injections placed across the striatum, external globus pallidus (GPe), substantia nigra pars reticulata (SNr), thalamic nuclei, and cortex. We identify 14 domains of SNr, 36 in the GPe, and 6 in the parafascicular and ventromedial thalamic nuclei. Subsequently, we identify 6 parallel cortico-basal ganglia-thalamic subnetworks that sequentially transduce specific subsets of cortical information with complex patterns of convergence and divergence through every elemental node of the entire cortico-basal ganglia loop. These experiments reveal multiple important novel features of the cortico-basal ganglia network motif. The prototypical sub-network structure is characterized by a highly interconnected nature, with cortical information processing through one or more striatal nodes, which send a convergent output to the SNr and a more parallelized output to the GPe; the GPe output then converges with the SNr. A domain of the thalamus receives the nigral output, and is interconnected with both the striatal domains and the cortical areas that filter into its nigral input source. This study provides conceptual advancement of our understanding of the structural and functional organization of the classic cortico-basal ganglia network.

Maximum lifespan of a species is the oldest that individuals can survive, reflecting the genetic limit of longevity in an ideal environment. Here we report methylation-based models that accurately predict maximum lifespan (r=0.89), gestational time (r=0.96), and age at sexual maturity (r=0.87), using cytosine methylation patterns collected from over 12,000 samples derived from 192 mammalian species. Our epigenetic maximum lifespan predictor corroborated the extended lifespan in growth hormone receptor knockout mice and rapamycin treated mice. Across dog breeds, epigenetic maximum lifespan correlates positively with breed lifespan but negatively with breed size. Lifespan-related cytosines are located in transcriptional regulatory regions, such as bivalent chromatin promoters and polycomb-repressed regions, which were hypomethylated in long-lived species. The epigenetic estimators of maximum lifespan and other life history traits will be useful for characterizing understudied species and for identifying interventions that extend lifespan.