Neurodegenerative tauopathies characterized by hyperphosphorylated tau include frontotemporal dementia and Parkinsonism linked to chromosome 17 (FTDP-17) and Alzheimer's disease (AD). Reducing tau levels improves cognitive function in mouse models of AD and FTDP-17, but the mechanisms regulating the turnover of pathogenic tau are unknown. We found that tau is acetylated and that tau acetylation prevents degradation of phosphorylated tau (p-tau). We generated two antibodies specific for acetylated tau and showed that tau acetylation is elevated in patients at early and moderate Braak stages of tauopathy. Histone acetyltransferase p300 was involved in tau acetylation and the class III protein deacetylase SIRT1 in deacetylation. Deleting SIRT1 enhanced levels of acetylated-tau and pathogenic forms of p-tau, probably by blocking proteasome-mediated degradation. Inhibiting p300 with a small molecule promoted tau deacetylation and eliminated p-tau associated with tauopathy. Modulating tau acetylation could be a new therapeutic strategy to reduce tau-mediated neurodegeneration.

Accumulating evidence suggests that neurodegeneration induced by pathogenic proteins depends on contributions from surrounding glia. Here we demonstrate that NF-κB signaling in microglia is critically involved in neuronal death induced by amyloid-β (Aβ) peptides, which are widely presumed to cause Alzheimer disease. Constitutive inhibition of NF-κB signaling in microglia by expression of the nondegradable IκBα superrepressor blocked neurotoxicity, indicating a pivotal role for microglial NF-κB signaling in mediating Aβ toxicity. Stimulation of microglia with Aβ increased acetylation of RelA/p65 at lysine 310, which regulates the NF-κB pathway. Overexpression of SIRT1 deacetylase and the addition of the SIRT1 agonist resveratrol markedly reduced NF-κB signaling stimulated by Aβ and had strong neuroprotective effects. Our results support a glial loop hypothesis by demonstrating a critical role for microglial NF-κB signaling in Aβ-dependent neurodegeneration. They also implicate SIRT1 in this pathway and highlight the therapeutic potential of resveratrol and other sirtuin-activating compounds in Alzheimer disease.

Tauopathies, including frontotemporal dementia (FTD) and Alzheimer's disease (AD), are neurodegenerative diseases in which tau fibrils accumulate. Recent evidence supports soluble tau species as the major toxic species. How soluble tau accumulates and causes neurodegeneration remains unclear. Here we identify tau acetylation at Lys174 (K174) as an early change in AD brains and a critical determinant in tau homeostasis and toxicity in mice. The acetyl-mimicking mutant K174Q slows tau turnover and induces cognitive deficits in vivo. Acetyltransferase p300-induced tau acetylation is inhibited by salsalate and salicylate, which enhance tau turnover and reduce tau levels. In the PS19 transgenic mouse model of FTD, administration of salsalate after disease onset inhibited p300 activity, lowered levels of total tau and tau acetylated at K174, rescued tau-induced memory deficits and prevented hippocampal atrophy. The tau-lowering and protective effects of salsalate were diminished in neurons expressing K174Q tau. Targeting tau acetylation could be a new therapeutic strategy against human tauopathies.

Alzheimer's disease (AD) may result from the accumulation of amyloid-β (Aβ) peptides in the brain. The cysteine protease cathepsin B (CatB) is associated with amyloid plaques in AD brains and has been suspected to increase Aβ production. Here, we demonstrate that CatB actually reduces levels of Aβ peptides, especially the aggregation-prone species Aβ1-42, through proteolytic cleavage. Genetic inactivation of CatB in mice with neuronal expression of familial AD-mutant human amyloid precursor protein (hAPP) increased the relative abundance of Aβ1-42, worsening plaque deposition and other AD-related pathologies. Lentivirus-mediated expression of CatB in aged hAPP mice reduced preexisting amyloid deposits, even thioflavin S-positive plaques. Under cell-free conditions, CatB effectively cleaved Aβ1-42, generating C-terminally truncated Aβ peptides that are less amyloidogenic. Thus, CatB likely fulfills antiamyloidogenic and neuroprotective functions. Insufficient CatB activity might promote AD; increasing CatB activity could counteract the neuropathology of this disease.

The contribution of fatty acids to Alzheimer's disease pathogenesis is unclear. The authors identify an increase in arachadonic acid and its metabolites in a mouse model for Alzheimer's disease and show that amyloid-beta (Aβ) affects phosphorylation of an isoform of phospholipase A2 (GIVA-PLA2). Inhibiting activation of GIVA-PLA2 protected against Aβ-induced toxicity and prevented some Aβ-induced deficits in learning and memory. Neuronal expression of familial Alzheimer's disease–mutant human amyloid precursor protein (hAPP) and hAPP-derived amyloid-β (Aβ) peptides causes synaptic dysfunction, inflammation and abnormal cerebrovascular tone in transgenic mice. Fatty acids may be involved in these processes, but their contribution to Alzheimer's disease pathogenesis is uncertain. We used a lipidomics approach to generate a broad profile of fatty acids in brain tissues of hAPP-expressing mice and found an increase in arachidonic acid and its metabolites, suggesting increased activity of the group IV isoform of phospholipase A2 (GIVA-PLA2). The levels of activated GIVA-PLA2 in the hippocampus were increased in individuals with Alzheimer's disease and in hAPP mice. Aβ caused a dose-dependent increase in GIVA-PLA2 phosphorylation in neuronal cultures. Inhibition of GIVA-PLA2 diminished Aβ-induced neurotoxicity. Genetic ablation or reduction of GIVA-PLA2 protected hAPP mice against Aβ-dependent deficits in learning and memory, behavioral alterations and premature mortality. Inhibition of GIVA-PLA2 may be beneficial in the treatment and prevention of Alzheimer's disease.

Abstract Accurate modeling of human neuronal cell biology has been a long‐standing challenge. However, methods to differentiate human induced pluripotent stem cells (iPSCs) to neurons have recently provided experimentally tractable cell models. Numerous methods that use small molecules to direct iPSCs into neuronal lineages have arisen in recent years. Unfortunately, these methods entail numerous challenges, including poor efficiency, variable cell type heterogeneity, and lengthy, expensive differentiation procedures. We recently developed a new method to generate stable transgenic lines of human iPSCs with doxycycline‐inducible transcription factors at safe‐harbor loci. Using a simple two‐step protocol, these lines can be inducibly differentiated into either cortical (i 3 Neurons) or lower motor neurons (i 3 LMN) in a rapid, efficient, and scalable manner (Wang et al., 2017). In this manuscript, we describe a set of protocols to assist investigators in the culture and genetic engineering of iPSC lines to enable transcription factor–mediated differentiation of iPSCs into i 3 Neurons or i 3 LMNs, and we present neuronal culture conditions for various experimental applications. © 2018 by John Wiley & Sons, Inc.

Lowering total tau levels is an attractive therapeutic strategy for Alzheimer's disease and other tauopathies. High-throughput screening in neurons derived from human induced pluripotent stem cells (iPSCs) is a powerful tool to identify tau-targeted therapeutics. However, such screens have been hampered by heterogeneous neuronal production, high cost and low yield, and multi-step differentiation procedures. We engineered an isogenic iPSC line that harbors an inducible neurogenin 2 transgene, a transcription factor that rapidly converts iPSCs to neurons, integrated at the AAVS1 locus. Using a simplified two-step protocol, we differentiated these iPSCs into cortical glutamatergic neurons with minimal well-to-well variability. We developed a robust high-content screening assay to identify tau-lowering compounds in LOPAC and identified adrenergic receptors agonists as a class of compounds that reduce endogenous human tau. These techniques enable the use of human neurons for high-throughput screening of drugs to treat neurodegenerative disease.

Progranulin (PGRN) is a widely expressed secreted protein that is linked to inflammation. In humans, PGRN haploinsufficiency is a major inherited cause of frontotemporal dementia (FTD), but how PGRN deficiency causes neurodegeneration is unknown. Here we show that loss of PGRN results in increased neuron loss in response to injury in the CNS. When exposed acutely to 1-methyl-4-(2′-methylphenyl)-1,2,3,6-tetrahydrophine (MPTP), mice lacking PGRN (Grn–/–) showed more neuron loss and increased microgliosis compared with wild-type mice. The exacerbated neuron loss was due not to selective vulnerability of Grn–/– neurons to MPTP, but rather to an increased microglial inflammatory response. Consistent with this, conditional mutants lacking PGRN in microglia exhibited MPTP-induced phenotypes similar to Grn–/– mice. Selective depletion of PGRN from microglia in mixed cortical cultures resulted in increased death of wild-type neurons in the absence of injury. Furthermore, Grn–/– microglia treated with LPS/IFN-γ exhibited an amplified inflammatory response, and conditioned media from these microglia promoted death of cultured neurons. Our results indicate that PGRN deficiency leads to dysregulated microglial activation and thereby contributes to increased neuron loss with injury. These findings suggest that PGRN deficiency may cause increased neuron loss in other forms of CNS injury accompanied by neuroinflammation.

Aberrant microglial activation has been proposed to contribute to the cognitive decline in Alzheimer disease (AD), but the underlying molecular mechanisms remain enigmatic. Fractalkine signaling, a pathway mediating the communication between microglia and neurons, is deficient in AD brains and down-regulated by amyloid-β. Although fractalkine receptor (CX3CR1) on microglia was found to regulate plaque load, no functional effects have been reported. Our study demonstrates that CX3CR1 deficiency worsens the AD-related neuronal and behavioral deficits. The effects were associated with cytokine production but not with plaque deposition. Ablation of CX3CR1 in mice overexpressing human amyloid precursor protein enhanced Tau pathology and exacerbated the depletion of calbindin in the dentate gyrus. The levels of calbindin in the dentate gyrus correlated negatively with those of tumor necrosis factor α and interleukin 6, suggesting neurotoxic effects of inflammatory factors. Functionally, removing CX3CR1 in human amyloid precursor protein mice worsened the memory retention in passive avoidance and novel object recognition tests, and their memory loss in the novel object recognition test is associated with high levels of interleukin 6. Our findings identify CX3CR1 as a key microglial pathway in protecting against AD-related cognitive deficits that are associated with aberrant microglial activation and elevated inflammatory cytokines.

Aging is the predominant risk factor for neurodegenerative diseases. One key phenotype as the brain ages is an aberrant innate immune response characterized by proinflammation. However, the molecular mechanisms underlying aging-associated proinflammation are poorly defined. Whether chronic inflammation plays a causal role in cognitive decline in aging and neurodegeneration has not been established. Here we report a mechanistic link between chronic inflammation and aging microglia and a causal role of aging microglia in neurodegenerative cognitive deficits. We showed that SIRT1 is reduced with the aging of microglia and that microglial SIRT1 deficiency has a causative role in aging- or tau-mediated memory deficits via IL-1β upregulation in mice. Interestingly, the selective activation of IL-1β transcription by SIRT1 deficiency is likely mediated through hypomethylating the specific CpG sites on IL-1β proximal promoter. In humans, hypomethylation of IL-1β is strongly associated with chronological age and with elevated IL-1β transcription. Our findings reveal a novel epigenetic mechanism in aging microglia that contributes to cognitive deficits in aging and neurodegenerative diseases.