Abstract Human microglia play a pivotal role in neurological diseases, but few targeted therapies that directly modulate microglial state or function exist due to an incomplete understanding of microglial heterogeneity. We use single-cell RNA sequencing to profile live human microglia from autopsies or surgical resections across diverse neurological diseases and central nervous system regions. We observe a central divide between oxidative and heterocyclic metabolism and identify subsets associated with antigen presentation, motility, and proliferation. Specific subsets are enriched in susceptibility genes for neurodegenerative diseases or the disease-associated microglial signature. We validate subtypes in situ with an RNAscope-immunofluorescence pipeline and leverage our dataset as a classification resource, finding that iPSC model systems recapitulate substantial in vivo heterogeneity. Finally, we identify and validate candidates for chemically inducing subtype-specific states in vitro , showing that Camptothecin downregulates the transcriptional signature of disease-enriched subsets and upregulates a signature previously shown to be depleted in Alzheimer’s.

Alzheimer's disease (AD) is a complex neurodegenerative disease defined by the presence of amyloid-beta (Aβ) plaques and tau neurofibrillary tangles, and driven by dysproteostatis, inflammation, metabolic dysfunction, and oxidative injury, eventually leading to synapse loss and cell death. Synapse loss correlates with cognitive impairment and may occur independently of the extent of AD pathology. To understand how synaptic composition is changed in relation to AD neuropathology and cognition, highly sensitive multiplexed liquid chromatography mass-spectrometry was used to quantify biochemically enriched synaptic proteins from the parietal association cortex of 100 subjects with contrasting AD pathology and cognitive performance. Functional analysis showed preservation of synaptic signaling, ion transport, and mitochondrial proteins in normal aged and "resilient" (cognitively unimpaired with AD pathology) individuals. Compared to these individuals, those with cognitive impairment showed significant metabolic differences and increased immune- and inflammatory-related proteins, establishing the synapse as a potential integration point for multiple AD pathophysiologies.

The relationship between amyloidosis and vasculature in cognitive impairment and Alzheimer's disease (AD) pathogenesis is increasingly acknowledged. We conducted a quantitative and topographic assessment of retinal perivascular amyloid plaque (AP) distribution in individuals with both normal and impaired cognition. Using a retrospective dataset of scanning laser ophthalmoscopy fluorescence images from twenty-eight subjects with varying cognitive states, we developed a novel image processing method to examine retinal peri-arteriolar and peri-venular curcumin-positive AP burden. We further correlated retinal perivascular amyloidosis with neuroimaging measures and neurocognitive scores. Our study unveiled that peri-arteriolar AP counts surpassed peri-venular counts throughout the entire cohort (P < 0.0001), irrespective of the primary, secondary, or tertiary vascular branch location, with a notable increase among cognitively impaired individuals. Moreover, secondary branch peri-venular AP count was elevated in the cognitively impaired (P < 0.01). Significantly, peri-venular AP count, particularly in secondary and tertiary venules, exhibited a strong correlation with clinical dementia rating, Montreal cognitive assessment score, hippocampal volume, and white matter hyperintensity count. In conclusion, our exploratory analysis detected greater peri-arteriolar versus peri-venular amyloidosis and a marked elevation of amyloid deposition in secondary branch peri-venular regions among cognitively impaired subjects. These findings underscore the potential feasibility of retinal perivascular amyloid imaging in predicting cognitive decline and AD progression. Larger longitudinal studies encompassing diverse populations and AD-biomarker confirmation are warranted to delineate the temporal-spatial dynamics of retinal perivascular amyloid deposition in cognitive impairment and the AD continuum.

This study identifies and quantifies diverse pathological tau isoforms in the retina of both early and advanced-stage Alzheimer's disease (AD) and determines their relationship with disease status.A case-control study was conducted to investigate the accumulation of retinal neurofibrillary tangles (NFTs), paired helical filament (PHF)-tau, oligomeric tau (oligo-tau), hyperphosphorylated tau (p-tau), and citrullinated tau (Cit-tau) in relation to the respective brain pathology and cognitive dysfunction in mild cognitively impaired (MCI) and AD dementia patients versus normal cognition (NC) controls.Eyes and brains from donors diagnosed with AD, MCI (due to AD), and NC were collected (n=75 in total), along with clinical and neuropathological data. Brain and retinal cross-sections-in predefined superior-temporal and inferior-temporal (ST/IT) subregions-were subjected to histopathology analysis or Nanostring GeoMx digital spatial profiling.Retinal burden of NFTs (pretangles and mature tangles), PHF-tau, p-tau, oligo-tau, and Cit-tau was assessed in MCI and AD versus NC retinas. Pairwise correlations revealed associations between retinal and brain parameters and cognitive status.Increased retinal NFTs (1.8-fold, p=0.0494), PHF-tau (2.3-fold, p<0.0001), oligo-tau (9.1-fold, p<0.0001), CitR 209 -tau (4.3-fold, p<0.0001), pSer202/Thr205-tau (AT8; 4.1-fold, p<0.0001), and pSer396-tau (2.8-fold, p=0.0015) were detected in AD patients. Retinas from MCI patients showed significant increases in NFTs (2.0-fold, p=0.0444), CitR 209 -tau (3.5-fold, p=0.0201), pSer396-tau (2.6-fold, p=0.0409), and, moreover, oligo-tau (5.8-fold, p=0.0045). Nanostring GeoMx quantification demonstrated upregulated retinal p-tau levels in MCI patients at phosphorylation sites of Ser214 (2.3-fold, p=0.0060), Ser396 (1.8-fold, p=0.0052), Ser404 (2.4-fold, p=0.0018), and Thr231 (3.3-fold, p=0.0028). Strong correlations were found between retinal tau forms to paired-brain pathology and cognitive status: a) retinal oligo-tau vs. Braak stage (r=0.60, P=0.0002), b) retinal PHF-tau vs. ABC average score (r=0.64, P=0.0043), c) retinal pSer396-tau vs. brain NFTs (r=0.68, P<0.0001), and d) retinal pSer202/Thr205-tau vs. MMSE scores (r= -0.77, P=0.0089).This study reveals increases in immature and mature retinal tau isoforms in MCI and AD patients, highlighting their relationship with brain pathology and cognition. The data provide strong incentive to further explore retinal tauopathy markers that may be useful for early detection and monitoring of AD staging through noninvasive retinal imaging.

Abstract Changes in high-affinity nicotinic acetylcholine receptors are intricately connected to neuropathology in Alzheimer’s Disease (AD). Protective and cognitive-enhancing roles for the nicotinic α5 subunit have been identified, but this gene has not been closely examined in the context of human aging and dementia. Therefore, we investigate the nicotinic α5 gene CHRNA5 and the impact of relevant single nucleotide polymorphisms (SNPs) in prefrontal cortex from 922 individuals with matched genotypic and post-mortem RNA sequencing in the Religious Orders Study and Memory and Aging Project (ROS/MAP). We find that a genotype robustly linked to increased expression of CHRNA5 (rs1979905A2) predicts significantly reduced cortical β-amyloid load. Intriguingly, co-expression analysis suggests CHRNA5 has a distinct cellular expression profile compared to other nicotinic receptor genes. Consistent with this prediction, single nucleus RNA sequencing from 22 individuals reveals CHRNA5 expression is disproportionately-elevated in chandelier neurons, a distinct subtype of inhibitory neuron known for its role in excitatory/inhibitory (E/I) balance. We show that chandelier neurons are enriched in amyloid-binding proteins compared to basket cells, the other major subtype of PVALB-positive interneurons. Consistent with the hypothesis that nicotinic receptors in chandelier cells normally protect against β-amyloid, cell-type proportion analysis from 549 individuals reveals these neurons show amyloid-associated vulnerability only in individuals with impaired function/trafficking of nicotinic α5-containing receptors due to homozygosity of the missense CHRNA5 SNP (rs16969968A2). Taken together, these findings suggest that CHRNA5 and its nicotinic α5 subunit exert a neuroprotective role in aging and Alzheimer’s disease centered on chandelier interneurons.

Abstract This study investigates various pathological tau isoforms in the retina of individuals with early and advanced Alzheimer’s disease (AD), exploring their connection with disease status. Retinal cross-sections from predefined superior-temporal and inferior-temporal subregions and corresponding brains from neuropathologically confirmed AD patients with a clinical diagnosis of either mild cognitive impairment (MCI) or dementia ( n = 45) were compared with retinas from age- and sex-matched individuals with normal cognition ( n = 30) and non-AD dementia ( n = 4). Retinal tau isoforms, including tau tangles, paired helical filament of tau (PHF-tau), oligomeric-tau (Oligo-tau), hyperphosphorylated-tau (p-tau), and citrullinated-tau (Cit-tau), were stereologically analyzed by immunohistochemistry and Nanostring GeoMx digital spatial profiling, and correlated with clinical and neuropathological outcomes. Our data indicated significant increases in various AD-related pretangle tau isoforms, especially p-tau (AT8, 2.9-fold, pS396-tau, 2.6-fold), Cit-tau at arginine residue 209 (CitR 209 -tau; 4.1-fold), and Oligo-tau (T22 + , 9.2-fold), as well as pretangle and mature tau tangle forms like MC-1-positive (1.8-fold) and PHF-tau (2.3-fold), in AD compared to control retinas. MCI retinas also exhibited substantial increases in Oligo-tau (5.2-fold), CitR 209 -tau (3.5-fold), and pS396-tau (2.2-fold). Nanostring GeoMx analysis confirmed elevated retinal p-tau at epitopes: Ser214 (2.3-fold), Ser396 (2.6-fold), Ser404 (2.4-fold), and Thr231 (1.8-fold), particularly in MCI patients. Strong associations were found between retinal tau isoforms versus brain pathology and cognitive status: a) retinal Oligo-tau vs. Braak stage, neurofibrillary tangles (NFTs), and CDR cognitive scores ( ρ = 0.63–0.71), b) retinal PHF-tau vs. neuropil threads (NTs) and ABC scores ( ρ = 0.69–0.71), and c) retinal pS396-tau vs. NTs, NFTs, and ABC scores ( ρ = 0.67–0.74). Notably, retinal Oligo-tau strongly correlated with retinal Aβ 42 and arterial Aβ 40 forms ( r = 0.76–0.86). Overall, this study identifies and quantifies diverse retinal tau isoforms in MCI and AD patients, underscoring their link to brain pathology and cognition. These findings advocate for further exploration of retinal tauopathy biomarkers to facilitate AD detection and monitoring via noninvasive retinal imaging.

Abstract Ethnicity impacts Alzheimer’s disease risk, especially among Caribbean-Hispanics. We report the first RNA-sequencing analysis of brain tissue from 45 Alzheimer’s disease and control Caribbean-Hispanics. Data were compared with two independent samples of non-Hispanic Caucasians (total n=729). By identifying and characterizing those genes with ancestry- and region-specific expression patterns in Alzheimer’s disease, we reveal molecular insights that may help explain epidemiological disparities in this understudied aging population.

The fact that only symptomatic therapies of small effect are available for Alzheimer's disease (AD) today highlights the need for new therapeutic targets with which to prevent a major contributor to aging-related cognitive decline. Here, we report the construction and validation of a molecular network of the aging human frontal cortex. Using RNA sequence data from 478 individuals, we first identify the role of modules of coexpressed genes, and then confirm them in independent AD datasets. Then, we prioritize influential genes in AD-related modules and test our predictions in human model systems. We functionally validate two putative regulator genes in human astrocytes: INPPL1 and PLXNB1, whose activity in AD may be related to semaphorin signalling and type II diabetes, which have both been implicated in AD. This arc of network identification followed by statistical and experimental validation provides specific new targets for therapeutic development and illustrates a network approach to a complex disease.

Identifying genes that modify symptoms of Alzheimer's disease (AD) will provide novel therapeutic strategies to prevent, cure or delay AD. To discover genetic modifiers of AD, we combined a mouse model of AD with a genetically diverse reference panel to generate F1 mice harboring identical high-risk human AD mutations but which differ across the remainder of their genome. We first show that genetic variation profoundly modifies the impact of causal human AD mutations and validate this panel as an AD model by demonstrating a high degree of phenotypic, transcriptomic, and genetic overlap with human AD. Genetic mapping was used to identify candidate modifiers of cognitive deficits and amyloid pathology, and viral-mediated knockdown was used to functionally validate Trpc3 as a modifier of AD. Overall, work here introduces a humanized mouse population as an innovative and reproducible resource for the study of AD and identifies Trpc3 as a novel therapeutic target.

We initiated the systematic profiling of the dorsolateral prefrontal cortex obtained from a subset of autopsied individuals enrolled in the Religious Orders Study (ROS) or the Rush Memory and Aging Project (MAP), which are jointly designed and belong to a very few prospective studies of aging and dementia with detailed, longitudinal cognitive phenotyping during life and a quantitative, structured neuropathologic examination after death for >3,322 subjects. Here, we outline the first generation of data including genome-wide genotypes (n=2,090), whole genome sequencing (n=1,179), DNA methylation (n=740), chromatin immunoprecipitation with sequencing using an anti-Histone 3 Lysine 9 acetylation (H3K9Ac) antibody (n=712), RNA sequencing (n=638), and miRNA profile (n=702). Generation of other omic data including ATACseq, proteomic and metabolomics profiles is ongoing. Thanks to its prospective design and recruitment of older, non-demented individuals, these data can be repurposed to investigate a large number of syndromic and quantitative neuroscience phenotypes. The many subjects that are cognitively non-impaired at death also offer insights into the biology of the human brain in older non-impaired individuals.