Neurofibrillary tangles (NFTs) are the most common intraneuronal inclusion in the brains of patients with neurodegenerative diseases and have been implicated in mediating neuronal death and cognitive deficits. Here, we found that mice expressing a repressible human tau variant developed progressive age-related NFTs, neuronal loss, and behavioral impairments. After the suppression of transgenic tau, memory function recovered, and neuron numbers stabilized, but to our surprise, NFTs continued to accumulate. Thus, NFTs are not sufficient to cause cognitive decline or neuronal death in this model of tauopathy.

Tau is the major constituent of neurofibrillary tangles in Alzheimer's disease (AD), but the mechanism underlying tau-associated neural damage remains unclear. Here, we show that tau can directly interact with nucleoporins of the nuclear pore complex (NPC) and affect their structural and functional integrity. Pathological tau impairs nuclear import and export in tau-overexpressing transgenic mice and in human AD brain tissue. Furthermore, the nucleoporin Nup98 accumulates in the cell bodies of some tangle-bearing neurons and can facilitate tau aggregation in vitro. These data support the hypothesis that tau can directly interact with NPC components, leading to their mislocalization and consequent disruption of NPC function. This raises the possibility that NPC dysfunction contributes to tau-induced neurotoxicity in AD and tauopathies.

Evidence suggests that aberrant RNA processing contributes to amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Using RNA sequencing, Prudencio et al. assessed the extent of transcriptome defects in C9orf72-associated (c9ALS) and sporadic ALS (sALS) brains. They report extensive defects in expression, alternative splicing and alternative polyadenylation that are significantly distinct between individuals with c9ALS and sALS. Increasing evidence suggests that defective RNA processing contributes to the development of amyotrophic lateral sclerosis (ALS). This may be especially true for ALS caused by a repeat expansion in C9orf72 (c9ALS), in which the accumulation of RNA foci and dipeptide-repeat proteins are expected to modify RNA metabolism. We report extensive alternative splicing (AS) and alternative polyadenylation (APA) defects in the cerebellum of c9ALS subjects (8,224 AS and 1,437 APA), including changes in ALS-associated genes (for example, ATXN2 and FUS), and in subjects with sporadic ALS (sALS; 2,229 AS and 716 APA). Furthermore, heterogeneous nuclear ribonucleoprotein H (hnRNPH) and other RNA-binding proteins are predicted to be potential regulators of cassette exon AS events in both c9ALS and sALS. Co-expression and gene-association network analyses of gene expression and AS data revealed divergent pathways associated with c9ALS and sALS.

Tau aggregation into insoluble filaments is the defining pathological hallmark of tauopathies. However, it is not known what controls the formation and templated seeding of strain-specific structures associated with individual tauopathies. Here, we use cryo-electron microscopy (cryo-EM) to determine the structures of tau filaments from corticobasal degeneration (CBD) human brain tissue. Cryo-EM and mass spectrometry of tau filaments from CBD reveal that this conformer is heavily decorated with posttranslational modifications (PTMs), enabling us to map PTMs directly onto the structures. By comparing the structures and PTMs of tau filaments from CBD and Alzheimer’s disease, it is found that ubiquitination of tau can mediate inter-protofilament interfaces. We propose a structure-based model in which cross-talk between PTMs influences tau filament structure, contributing to the structural diversity of tauopathy strains. Our approach establishes a framework for further elucidating the relationship between the structures of polymorphic fibrils, including their PTMs, and neurodegenerative disease.

The occurrence of repeat-associated non-ATG (RAN) translation, an atypical form of translation of expanded repeats that results in the synthesis of homopolymeric expansion proteins, is becoming more widely appreciated among microsatellite expansion disorders. Such disorders include amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal dementia caused by a hexanucleotide repeat expansion in the C9ORF72 gene (c9FTD/ALS). We and others have recently shown that this bidirectionally transcribed repeat is RAN translated, and the “c9RAN proteins” thusly produced form neuronal inclusions throughout the central nervous system of c9FTD/ALS patients. Nonetheless, the potential contribution of c9RAN proteins to disease pathogenesis remains poorly understood. In the present study, we demonstrate that poly(GA) c9RAN proteins are neurotoxic and may be implicated in the neurodegenerative processes of c9FTD/ALS. Specifically, we show that expression of poly(GA) proteins in cultured cells and primary neurons leads to the formation of soluble and insoluble high molecular weight species, as well as inclusions composed of filaments similar to those observed in c9FTD/ALS brain tissues. The expression of poly(GA) proteins is accompanied by caspase-3 activation, impaired neurite outgrowth, inhibition of proteasome activity, and evidence of endoplasmic reticulum (ER) stress. Of importance, ER stress inhibitors, salubrinal and TUDCA, provide protection against poly(GA)-induced toxicity. Taken together, our data provide compelling evidence towards establishing RAN translation as a pathogenic mechanism of c9FTD/ALS, and suggest that targeting the ER using small molecules may be a promising therapeutic approach for these devastating diseases.

Frontotemporal lobar degeneration with TAR DNA-binding protein 43 inclusions (FTLD-TDP) is the most common pathology associated with frontotemporal dementia (FTD). Repeat expansions in chromosome 9 open reading frame 72 (C9ORF72) and mutations in progranulin (GRN) are the major known genetic causes of FTLD-TDP; however, the genetic etiology in the majority of FTLD-TDP remains unexplained. In this study, we performed whole-genome sequencing in 104 pathologically confirmed FTLD-TDP patients from the Mayo Clinic brain bank negative for C9ORF72 and GRN mutations and report on the contribution of rare single nucleotide and copy number variants in 21 known neurodegenerative disease genes. Interestingly, we identified 5 patients (4.8 %) with variants in optineurin (OPTN) and TANK-binding kinase 1 (TBK1) that are predicted to be highly pathogenic, including two double mutants. Case A was a compound heterozygote for mutations in OPTN, carrying the p.Q235* nonsense and p.A481V missense mutation in trans, while case B carried a deletion of OPTN exons 13-15 (p.Gly538Glufs*27) and a loss-of-function mutation (p.Arg117*) in TBK1. Cases C–E carried heterozygous missense mutations in TBK1, including the p.Glu696Lys mutation which was previously reported in two amyotrophic lateral sclerosis (ALS) patients and is located in the OPTN binding domain. Quantitative mRNA expression and protein analysis in cerebellar tissue showed a striking reduction of OPTN and/or TBK1 expression in 4 out of 5 patients supporting pathogenicity in these specific patients and suggesting a loss-of-function disease mechanism. Importantly, neuropathologic examination showed FTLD-TDP type A in the absence of motor neuron disease in 3 pathogenic mutation carriers. In conclusion, we highlight TBK1 as an important cause of pure FTLD-TDP, identify the first OPTN mutations in FTLD-TDP, and suggest a potential oligogenic basis for at least a subset of FTLD-TDP patients. Our data further add to the growing body of evidence linking ALS and FTD and suggest a key role for the OPTN/TBK1 pathway in these diseases.

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.

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 The hemizygous R47H variant of TREM2 , a microglia-specific gene in the brain, increases risk for late-onset Alzheimer’s disease (AD). In this study, we identified a subpopulation of microglia with disease-enhancing proinflammatory signatures associated with the R47H mutation in human AD brains and tauopathy mouse brains. Using transcriptomic analysis at the single-nuclei level from AD patients with the R47H or the common variant (CV )-TREM2 with matched sex, pathology and APOE status, we found that the R47H mutation was associated with cell type- and sex-specific transcriptional changes in human AD brains, with microglia exhibiting the most robust alterations. Further characterization revealed that R47H-associated microglial subpopulations had enhanced inflammatory signatures including hyperactivation of Akt, one of the signaling pathways downstream of TREM2. In a newly-generated tauopathy knock-in mouse model expressing one allele of human TREM2 ( hTREM2) with either the R47H mutation or CV, R47H induced and exacerbated tau-mediated spatial memory deficits in female mice. Single-cell transcriptomic analysis of microglia from these mice also revealed transcriptomic changes induced by R47H that had significant overlaps with R47H microglia in human AD brains, including robust increases in proinflammatory cytokines, activation of Syk-Akt-signaling, and elevation of a subset of disease-associated microglial signatures. Strikingly, pharmacological Akt inhibition largely reversed the enhanced inflammatory signatures induced by R47H in primary microglia treated with tau fibrils. By unraveling the disease-enhancing properties of the R47H mutation in mouse and human, our findings shed light on an immune-linked AD subtype and provide new directions for modulating microglial immune responses to treat AD.