ABSTRACT Microglia are central to pathogenesis in many neurological conditions. Drugs targeting colony- stimulating factor-1 receptor (CSF1R) to block microglial proliferation in preclinical disease models have shown mixed outcomes, thus the therapeutic potential of this approach remains unclear. Here, CSF1R inhibitors were evaluated in tauopathy mice using multiple dosing schemes, drug analogs, and longitudinal measurements in the brain and plasma. A sex- independent reduction in pathogenic tau was seen in several models and non-microglial gene expression patterns reverted toward a normal wild type signature. Surprisingly, despite greater drug exposure in male mice, functional rescue and extended survival was only observed in female mice. A dose-dependent upregulation of immediate early genes and neurotransmitter dysregulation were observed in the brains of male mice only, indicating that excitotoxicity may have precluded functional benefits. Drug-resilient microglia in male mice exhibited morphological and gene expression patterns consistent with increased neuroinflammatory signaling, suggesting a mechanistic basis for sex-specific excitotoxicity. These data argue that complete microglial ablation is neither required nor desirable for neuroprotection and that therapeutics targeting microglia must consider sex-dependent effects on functional outcomes.

Abstract Activation of microglia, the brain’s innate immune cells, is a prominent pathological feature in tauopathies, including Alzheimer’s disease. How microglia activation contributes to tau toxicity remains largely unknown. Here we show that nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells (NF-κB) signaling, activated by tau, drives microglial-mediated tau propagation and toxicity. Constitutive activation of microglial NF-κB exacerbated, while inactivation diminished, tau seeding and spreading in PS19 mice, consistent with the observation that NF-κB activation accelerates processing of internalized tau fibrils in primary microglia. Remarkably, inhibition of microglial NF-κB specifically also rescued tau-mediated learning and memory deficits, and restored overall transcriptomic changes while increasing tau inclusions. On a single cell level, we discovered that tau-associated disease states in microglia were diminished by NF-κB inactivation and further transformed by constitutive NF-κB activation. Our study establishes a central role for microglial NF-κB signaling in mediating tau toxicity in tauopathy.

In neurodegenerative diseases proteins fold into amyloid structures with distinct conformations (strains) that are characteristic of different diseases. However, there is a need to rapidly identify amyloid conformations in situ . Here we use machine learning on the full information available in fluorescent excitation/emission spectra of amyloid binding dyes to identify six distinct different conformational strains in vitro , as well as Aβ deposits in different transgenic mouse models. Our EMBER (excitation multiplexed bright emission recording) imaging method rapidly identifies conformational differences in Aβ and tau deposits from Down syndrome, sporadic and familial Alzheimer's disease human brain slices. EMBER has in situ identified distinct conformational strains of tau inclusions in astrocytes, oligodendrocytes, and neurons from Pick's disease. In future studies, EMBER should enable high-throughput measurements of the fidelity of strain transmission in cellular and animal neurodegenerative diseases models, time course of amyloid strain propagation, and identification of pathogenic versus benign strains.In neurodegenerative diseases proteins fold into amyloid structures with distinct conformations (strains) that are characteristic of different diseases. There is a need to rapidly identify these amyloid conformations in situ . Here we use machine learning on the full information available in fluorescent excitation/emission spectra of amyloid binding dyes to identify six distinct different conformational strains in vitro , as well as Aβ deposits in different transgenic mouse models. Our imaging method rapidly identifies conformational differences in Aβ and tau deposits from Down syndrome, sporadic and familial Alzheimer's disease human brain slices. We also identified distinct conformational strains of tau inclusions in astrocytes, oligodendrocytes, and neurons from Pick's disease. These findings will facilitate the identification of pathogenic protein aggregates to guide research and treatment of protein misfolding diseases.

ABSTRACT Mutations in a microglia-associated gene TREM2 increase the risk of Alzheimer’s disease. Currently, structural and functional studies of TREM2 mainly rely on recombinant TREM2 proteins expressed from mammalian cells. However, using this method, it is difficult to achieve site-specific labeling. Here we present the total chemical synthesis of the 116 amino-acid TREM2 ectodomain. Rigorous structural analysis ensured correct structural fold after refolding. Treating microglial cells with refolded synthetic TREM2 enhanced microglial phagocytosis, proliferation, and survival. We also prepared TREM2 constructs with defined glycosylation patterns and found that glycosylation at N79 is critical to the thermal stability of TREM2. This method will provide access to TREM2 constructs with site-specific labeling, such as fluorescent labeling, reactive chemical handles, and enrichment handles, to further advance our understanding of TREM2 in Alzheimer’s disease.

Insoluble amyloids rich in cross-β fibrils are observed in a number of neurodegenerative diseases. Depending on the clinicopathology, the amyloids can adopt distinct supramolecular assemblies, termed conformational strains. However, rapid methods to study amyloid in a conformationally specific manner are lacking. We introduce a novel computational method for de novo design of peptides that tile the surface of α-synuclein fibrils in a conformationally specific manner. Our method begins by identifying surfaces that are unique to the conformational strain of interest, which becomes a "target backbone" for the design of a peptide binder. Next, we interrogate structures in the PDB database with high geometric complementarity to the target. Then, we identify secondary structural motifs that interact with this target backbone in a favorable, highly occurring geometry. This method produces monomeric helical motifs with a favorable geometry for interaction with the strands of the underlying amyloid. Each motif is then symmetrically replicated to form a monolayer that tiles the amyloid surface. Finally, amino acid sequences of the peptide binders are computed to provide a sequence with high geometric and physicochemical complementarity to the target amyloid. This method was applied to a conformational strain of α-synuclein fibrils, resulting in a peptide with high specificity for the target relative to other amyloids formed by α-synuclein, tau, or Aβ40. This designed peptide also markedly slowed the formation of α-synuclein amyloids. Overall, this method offers a new tool for examining conformational strains of amyloid proteins.

A hallmark of age-associated neurodegenerative diseases is the aggregation of proteins. Aggregation of the protein tau defines tauopathies, which include Alzheimer's disease and frontotemporal dementia. Specific neuronal subtypes are selectively vulnerable to the accumulation of tau aggregates, and subsequent dysfunction and death. The mechanisms underlying cell type-selective vulnerability are unknown. To systematically uncover the cellular factors controlling the accumulation of tau aggregates in human neurons, we conducted a genome-wide CRISPRi-based modifier screen in iPSC-derived neurons. The screen uncovered expected pathways, including autophagy, but also unexpected pathways, including UFMylation and GPI anchor synthesis, that control tau oligomer levels. The E3 CUL5 ubiquitin ligase is a potent modifier of tau levels, and directly interacts with tau. Disruption of mitochondrial function increases tau oligomer levels and promotes proteasomal misprocessing of tau. These results reveal new principles of tau proteostasis in human neurons and pinpoint potential therapeutic targets for tauopathies.

0. ABSTRACT Amyloid beta (Aβ) is thought to play a critical role in the pathogenesis of Alzheimer’s disease (AD). Prion-like Aβ polymorphs, or “strains”, can have varying pathogenicity and may underlie the phenotypic heterogeneity of the disease. In order to develop effective AD therapies, it is critical to identify the strains of Aβ that might arise prior to the onset of clinical symptoms and understand how they may change with progressing disease. Down syndrome (DS), as the most common genetic cause of AD, presents promising opportunities to compare such features between early and advanced AD. In this work, we evaluate the neuropathology and Aβ strain profile in the post-mortem brain tissues of 210 DS, AD, and control individuals. We assayed the levels of various Aβ and tau species and used conformation-sensitive fluorescent probes to detect differences in Aβ strains among individuals and populations. We found that these cohorts have some common but also some distinct strains from one another, with the most heterogeneous populations of Aβ emerging in subjects with high levels of AD pathology. The emergence of distinct strains in DS at these later stages of disease suggests that the confluence of aging, pathology, and other DS-linked factors may favor conditions that generate strains that are unique from sAD.

Down Syndrome (DS) is a common genetic condition caused by trisomy of chromosome 21. Among the complex clinical features including musculoskeletal, neurological and cardiovascular disabilities, individuals with DS develop progressive dementia and early onset Alzheimer's Disease (AD). This is attributed to the increased gene dosage of amyloid precursor protein (APP), the formation of self-propagating Aβ and tau prion conformers, and the deposition of neurotoxic Aβ plaques and tau neurofibrillary tangles. Tau amyloid fibrils have previously been established to adopt many distinct conformations across different neurodegenerative conditions. Here we characterized 4 DS cases spanning 36 to 63 years in age by spectral confocal imaging with conformation-specific dyes and cryo-electron microscopy (cryo-EM) to determine structures of isolated tau fibrils. High-resolution structures reveal paired helical (PHF) and straight filament (SF) conformations of tau that are identical to those determined from AD. The PHFs and SFs are made of two C-shaped protofilaments with a cross-β/β-helix motif. Similar to AD, most filaments adopt the PHF form, while a minority (∼20%) form SFs. For the youngest individual with no documented dementia samples exhibited sparse tau deposits. To isolate tau for cryo-EM from this challenging sample we employed a novel "affinity grid" method involving a graphene-oxide surface derivatized with anti-tau antibodies. This improved isolation and revealed primarily tau PHFs and a minor population of SSPE type II-like filaments are present at this early age. These findings expand the similarities between AD and DS to the molecular level providing insight into their related pathologies and the potential for targeting common tau filament folds by small molecule therapeutics and diagnostics.