Previous genome-wide association studies (GWAS), conducted by our group and others, have identified loci that harbor risk variants for neurodegenerative diseases, including Alzheimer's disease (AD). Human disease variants are enriched for polymorphisms that affect gene expression, including some that are known to associate with expression changes in the brain. Postulating that many variants confer risk to neurodegenerative disease via transcriptional regulatory mechanisms, we have analyzed gene expression levels in the brain tissue of subjects with AD and related diseases. Herein, we describe our collective datasets comprised of GWAS data from 2,099 subjects; microarray gene expression data from 773 brain samples, 186 of which also have RNAseq; and an independent cohort of 556 brain samples with RNAseq. We expect that these datasets, which are available to all qualified researchers, will enable investigators to explore and identify transcriptional mechanisms contributing to neurodegenerative diseases.

To investigate the top late-onset Alzheimer disease (LOAD) risk loci detected or confirmed by the International Genomics of Alzheimer's Project for association with brain gene expression levels to identify variants that influence Alzheimer disease (AD) risk through gene expression regulation.Expression levels from the cerebellum (CER) and temporal cortex (TCX) were obtained using Illumina whole-genome cDNA-mediated annealing, selection, extension, and ligation assay (WG-DASL) for ∼400 autopsied patients (∼200 with AD and ∼200 with non-AD pathologies). We tested 12 significant LOAD genome-wide association study (GWAS) index single nucleotide polymorphisms (SNPs) for cis association with levels of 34 genes within ±100 kb. We also evaluated brain levels of 14 LOAD GWAS candidate genes for association with 1,899 cis-SNPs. Significant associations were validated in a subset of TCX samples using next-generation RNA sequencing (RNAseq).We identified strong associations of brain CR1, HLA-DRB1, and PILRB levels with LOAD GWAS index SNPs. We also detected other strong cis-SNPs for LOAD candidate genes MEF2C, ZCWPW1, and SLC24A4. MEF2C and SLC24A4, but not ZCWPW1 cis-SNPs, also associate with LOAD risk, independent of the index SNPs. The TCX expression associations could be validated with RNAseq for CR1, HLA-DRB1, ZCWPW1, and SLC24A4.Our results suggest that some LOAD GWAS variants mark brain regulatory loci, nominate genes under regulation by LOAD risk variants, and annotate these variants for their brain regulatory effects.

Abstract Introduction We hypothesized that common Alzheimer's disease (AD)‐associated variants within the triggering receptor expressed on myeloid ( TREM ) gene cluster influence disease through gene expression. Methods Expression microarrays on temporal cortex and cerebellum from ∼400 neuropathologically diagnosed subjects and two independent RNAseq replication cohorts were used for expression quantitative trait locus analysis. Results A variant within a DNase hypersensitive site 5′ of TREM2 , rs9357347‐C, associates with reduced AD risk and increased TREML1 and TREM2 levels (uncorrected P = 6.3 × 10 −3 and 4.6 × 10 −2 , respectively). Meta‐analysis on expression quantitative trait locus results from three independent data sets ( n = 1006) confirmed these associations (uncorrected P = 3.4 × 10 −2 and 3.5 × 10 −3 , Bonferroni‐corrected P = 6.7 × 10 −2 and 7.1 × 10 −3 , respectively). Discussion Our findings point to rs9357347 as a functional regulatory variant that contributes to a protective effect observed at the TREM locus in the International Genomics of Alzheimer's Project genome‐wide association study meta‐analysis and suggest concomitant increase in TREML1 and TREM2 brain levels as a potential mechanism for protection from AD.

Abstract Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal lobar degeneration (FTLD) are two devastating and fatal neurodegenerative conditions. While distinct, they share many clinical, genetic, and pathological characteristics 1 , and both show selective vulnerability of layer 5b extratelencephalic-projecting cortical populations, including Betz cells in ALS 2,3 and von Economo neurons (VENs) in FTLD 4,5 . Here, we report the first high resolution single-cell atlas of the human primary motor cortex (MCX) and its transcriptional alterations in ALS and FTLD across ~380,000 nuclei from 64 individuals, including 17 control samples and 47 sporadic and C9orf72 -associated ALS and FTLD patient samples. We identify 46 transcriptionally distinct cellular subtypes including two Betz-cell subtypes, and we observe a previously unappreciated molecular similarity between Betz cells and VENs of the prefrontal cortex (PFC) and frontal insula. Many of the dysregulated genes and pathways are shared across excitatory neurons, including stress response, ribosome function, oxidative phosphorylation, synaptic vesicle cycle, endoplasmic reticulum protein processing, and autophagy. Betz cells and SCN4B + long-range projecting L3/L5 cells are the most transcriptionally affected in both ALS and FTLD. Lastly, we find that the VEN/Betz cell-enriched transcription factor, POU3F1, has altered subcellular localization, co-localizes with TDP-43 aggregates, and may represent a cell type-specific vulnerability factor in the Betz cells of ALS and FTLD patient tissues.

A hallmark pathological feature of neurodegenerative diseases amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD) is the depletion of RNA-binding protein TDP-43 from the nucleus of neurons in the brain and spinal cord. A major function of TDP-43 is as a repressor of cryptic exon inclusion during RNA splicing. Single nucleotide polymorphisms (SNPs) in UNC13A are among the strongest genome-wide association study (GWAS) hits associated with FTD/ALS in humans, but how those variants increase risk for disease is unknown. Here we show that TDP-43 represses a cryptic exon splicing event in UNC13A . Loss of TDP-43 from the nucleus in human brain, neuronal cell lines, and iPSC-derived motor neurons resulted in the inclusion of a cryptic exon in UNC13A mRNA and reduced UNC13A protein expression. Remarkably, the top variants associated with FTD/ALS risk in humans are located in the cryptic exon harboring intron itself and we show that they increase UNC13A cryptic exon splicing in the face of TDP-43 dysfunction. Together, our data provide a direct functional link between one of the strongest genetic risk factors for FTD/ALS ( UNC13A genetic variants) and loss of TDP-43 function.

Abstract EGCG, the most abundant favanol in green tea, is one of the few natural compounds known to inhibit amyloid fibril formation of proteins associated with neurodegeneration, and to disaggregate amyloid fibrils. Little is known of the mechanism of molecular action of EGCG, or how it or other small molecules interact with amyloid fibrils. Here we present a 3.9 Å resolution cryoEM structure that reveals the site of EGCG binding to Alzheimer’s disease (AD) brain-derived tau fibrils. The structure suggests that EGCG disaggregates fibrils of AD-tau by wedging into a cleft that is at the interface of two protofilaments of the paired helical filament, and by causing charge repulsions between tau layers of the fibril. In support of this, we observe separation of the protofilaments that EGCG wedges between, and accompanying displacement of the adjacent β-helix domain. By resolving the site of EGCG binding, our structure defines a pharmacophore-like cleft in the AD-tau fibril that will be of use for the discovery of surrogate compounds with more desirable drug-like properties.

Abstract Misfolding and aggregation of tau protein is implicated in many neurodegenerative diseases that are typified by the presence of large, filamentous tau inclusions. The aggregation of tau in human brain is disease-specific with characteristic filaments defining the neuropathology. An understanding of how identical tau isoforms aggregate into disparate filament morphologies in phenotypically distinct tau-related diseases remains elusive. Here, we determine the structure of a brain-derived twisted tau filament in progressive supranuclear palsy and compare it to a dissimilar tau fold found in corticobasal degeneration. While the tau filament core in both diseases is comprised of residues 274 to 380, molecular-level polymorphism exists. Potential origins of the molecular polymorphism, such as noncovalent cofactor binding, are identified and predicted to modulate tau filament structures in the brain.

Abstract Blood-brain barrier (BBB) dysfunction is well-known in Alzheimer’s disease (AD), but the precise molecular changes contributing to its pathophysiology are unclear. To understand the transcriptional changes in brain vascular cells, we performed single nucleus RNA sequencing (snRNAseq) of temporal cortex tissue in 24 AD and control brains resulting in 79,751 nuclei, 4,604 of which formed three distinct vascular clusters characterized as activated pericytes, endothelia and resting pericytes. We identified differentially expressed genes (DEGs) and their enriched pathways in these clusters and detected the most transcriptional changes within activated pericytes. Using our data and a knowledge-based predictive algorithm, we discovered and prioritized molecular interactions between vascular and astrocyte clusters, the main cell types of the gliovascular unit (GVU) of the BBB. Vascular targets predicted to interact with astrocytic ligands have biological functions in signalling, angiogenesis, amyloid ß metabolism and cytoskeletal structure. Top astrocytic and vascular interacting molecules include both novel and known AD risk genes such as APOE , APP and ECE1 . Our findings provide information on transcriptional changes in predicted vascular-astrocytic partners at the GVU, bringing insights to the molecular mechanisms of BBB breakdown in AD. Graphical Abstract Pericytes (yellow), endothelia (salmon) and astrocytes (purple) that form the gliovascular unit (GVU) at the blood brain barrier (BBB) were interrogated for their differentially expressed genes (DEG) and vascular cell (pericyte or endothelia) to astrocyte interactions using single nucleus RNA sequencing (RNAseq) transcriptome obtained from brains of Alzheimer’s disease (AD) patients and controls. We identified many upregulated (red) or downregulated (blue) DEGs in AD brains in these cell types. These genes have known biological functions in amyloid ß (Aß) clearance, immune modulation, astrogliosis and neuronal death. Novel predicted interactions were identified between vascular cells and astrocytic DEGs. Collectively, our findings highlight the vast transcriptome changes that occur at the GVU and provide mechanistic insights into BBB dysfunction in AD. This figure was created with Biorender.com.

Abstract Our understanding of the biological changes in the brain associated with Alzheimer’s disease (AD) pathology and cognitive impairment remains incomplete. To increase our understanding of these changes, we analyzed dorsolateral prefrontal cortex of control, asymptomatic AD, and AD brains from four different centers by label-free quantitative mass spectrometry and weighted protein co-expression analysis to obtain a consensus protein co-expression network of AD brain. This network consisted of 13 protein co-expression modules. Six of these modules correlated with amyloid-β plaque burden, tau neurofibrillary tangle burden, cognitive function, and clinical functional status, and were altered in asymptomatic AD, AD, or in both disease states. These six modules reflected synaptic, mitochondrial, sugar metabolism, extracellular matrix, cytoskeletal, and RNA binding/splicing biological functions. The identified protein network modules were preserved in a community-based cohort analyzed by a different quantitative mass spectrometry approach. They were also preserved in temporal lobe and precuneus brain regions. Some of the modules were influenced by aging, and showed changes in other neurodegenerative diseases such as frontotemporal dementia and corticobasal degeneration. The module most strongly associated with AD pathology and cognitive impairment was the sugar metabolism module. This module was enriched in AD genetic risk factors, and was also highly enriched in microglia and astrocyte protein markers associated with an anti-inflammatory state, suggesting that the biological functions it represents serve a protective role in AD. Proteins from the sugar metabolism module were increased in cerebrospinal fluid from asymptomatic AD and AD cases, highlighting their potential as biomarkers of the altered brain network. In this study of >2000 brains and nearly 400 cerebrospinal fluid samples by quantitative proteomics, we identify proteins and biological processes in AD brain that may serve as therapeutic targets and fluid biomarkers for the disease.

Abstract The genetic basis of Lewy body dementia (LBD) is not well understood. Here, we performed whole-genome sequencing in large cohorts of LBD cases and neurologically healthy controls to study the genetic architecture of this understudied form of dementia and to generate a resource for the scientific community. Genome-wide association analysis identified five independent risk loci, whereas genome-wide gene-aggregation tests implicated mutations in the gene GBA . Genetic risk scores demonstrate that LBD shares risk profiles and pathways with Alzheimer’s and Parkinson’s disease, providing a deeper molecular understanding of the complex genetic architecture of this age-related neurodegenerative condition.