Abstract The Dominantly Inherited Alzheimer Network (DIAN) Observational Study is an international collaboration studying autosomal dominant Alzheimer disease (ADAD). This rare form of Alzheimer disease (AD) is caused by mutations in the presenilin 1 (PSEN1) , presenilin 2 (PSEN2) , or amyloid precursor protein ( APP ) genes. As individuals from these families have a 50% chance of inheriting the familial mutation, this provides researchers with a well-matched cohort of carriers vs non-carriers for case-control studies. An important trait of ADAD is that the age at symptom onset is highly predictable and consistent for each specific mutation, allowing researchers to estimate an individual’s point in their disease time course prior to symptom onset. Although ADAD represents only a small proportion (approximately 0.1%) of all AD cases, studying this form of AD allows researchers to investigate preclinical AD and the progression of changes that occur within the brain prior to AD symptom onset. Furthermore, the young age at symptom onset (typically 30-60 years) means age-related comorbidities are much less prevalent than in sporadic AD, thereby allowing AD pathophysiology to be studied independent of these confounds. A major goal of the DIAN Observational Study is to create a global resource for AD researchers. To that end, the current manuscript provides an overview of the DIAN magnetic resonance imaging (MRI) and positron emission tomography (PET) protocols and highlights the key imaging results of this study to date.

Neuro-inflammation signaling has been identified as an important hallmark of Alzheimer's disease (AD) in addition to amyloid β plaques (Aβ) and neurofibrillary tangles (NFTs). However, our knowledge of neuro-inflammation is very limited; and the core signaling pathways associated with neuro-inflammation are missing. From a novel perspective, i.e., investigating weakly activated molecular signals (rather than the strongly activated molecular signals), in this study, we uncovered the core neuro-inflammation signaling pathways in AD. Our novel hypothesis is that weakly activated neuro-inflammation signaling pathways can cause neuro-degeneration in a chronic process; whereas, strongly activated neuro-inflammation often cause acute disease progression like in COVID-19. Using the two large-scale genomics datasets, i.e., Mayo Clinic (77 control and 81 AD samples) and RosMap (97 control and 260 AD samples), our analysis identified 7 categories of signaling pathways implicated on AD and related to virus infection: immune response, x-core signaling, apoptosis, lipid dysfunctional, biosynthesis and metabolism, and mineral absorption signaling pathways. More interestingly, most of genes in the virus infection, immune response and x-core signaling pathways, are associated with inflammation molecular functions. Specifically, the x-core signaling pathways were defined as a group of 9 signaling proteins: MAPK, Rap1, NF-kappa B, HIF-1, PI3K-Akt, Wnt, TGF-beta, Hippo and TNF, which indicated the core neuro-inflammation signaling pathways responding to the low-level and weakly activated inflammation and hypoxia, and leading to the chronic neuro-degeneration. The core neuro-inflammation signaling pathways can be used as novel therapeutic targets for effective AD treatment and prevention.

Abstract The risk of Alzheimer’s disease (AD) in women is about 2 times greater than in men. The estrogen hypothesis is being accepted as the essential sex factor causing the sex difference in AD. Also, the recent meta-analysis using large-scale medical records data indicated estrogen replacement therapy. However, the underlying molecular targets and mechanisms explaining this sex difference in AD disease development remain unclear. In this study, we identified that estrogen treatment can strongly inhibition of neuro-inflammation signaling targets, using the systems pharmacology model; and identified ESR1/ESR2 (the receptors of estrogen) are topologically close to the neuroinflammation biomarker genes using signaling network analysis. Moreover, the estrogen level in women decreased to an extremely lower level than in men after age 55. Pooling together the multiple pieces of evidence, it is concluded that the loss of estrogen unleashing neuro-inflammation increases the women’s risk of Alzheimer’s disease. These analysis results provide novel supporting evidence explaining the potential mechanism of the anti-neuroinflammation role of estrogen causing the sex difference of AD. Medications boosting the direct downstream signaling of ESR1/ESR2, or inhibiting upstream signaling targets of neuroinflammation, like JAK2 inhibitors, on the signaling network can be potentially effective or synergistic combined with estrogen for AD prevention and treatment.

Summary Cerebral cortical-enriched organoids derived from human pluripotent stem cells (hPSCs) are valuable models for studying neurodevelopment, disease mechanisms, and therapeutic development. However, recognized limitations include the high variability of organoids across hPSC donor lines and experimental replicates. We report a 96-slitwell method for efficient, scalable, reproducible cortical organoid production. When hPSCs were cultured with controlled-release FGF2 and an SB431542 concentration appropriate for their TGFBR1 / ALK5 expression level, organoid cortical patterning and reproducibility were significantly improved. Well-patterned organoids included 16 neuronal and glial subtypes by single cell RNA sequencing (scRNA-seq), frequent neural progenitor rosettes and robust BCL11B+ and TBR1+ deep layer cortical neurons at 2 months by immunohistochemistry. In contrast, poorly-patterned organoids contain mesendoderm-related cells, identifiable by negative QC markers including COL1A2 . Using this improved protocol, we demonstrate increased sensitivity to study the impact of different MAPT mutations from patients with frontotemporal dementia (FTD), revealing early changes in key metabolic pathways.

SUMMARY Frontotemporal dementia (FTD) due to MAPT mutation causes pathological accumulation of tau and glutamatergic cortical neuronal death by unknown mechanisms. We used human induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived cerebral organoids expressing tau-V337M and isogenic corrected controls to discover early alterations due to the mutation that precede neurodegeneration. At 2 months, mutant organoids show upregulated expression of MAPT , and glutamatergic signaling pathways and regulators including the RNA-binding protein ELAVL4 . Over the following 4 months, mutant organoids accumulate splicing changes, disruption of autophagy function and build-up of tau and P-tau S396. By 6 months, tau-V337M organoids show specific loss of glutamatergic neurons of layers affected in patients. Mutant neurons are susceptible to glutamate toxicity which was rescued pharmacologically by treatment with the PIKFYVE kinase inhibitor apilimod. Our results demonstrate a sequence of events that precede cell death, revealing molecular pathways associated with glutamate signaling as potential targets for therapeutic intervention in FTD.

Circular RNAs (circRNAs), covalently closed RNA molecules that form due to back-splicing of RNA transcripts, have recently been implicated in Alzheimer's disease and related tauopathies. circRNAs are regulated by N6-methyladenosine (m6A) RNA methylation, can serve as "sponges" for proteins and RNAs, and can be translated into protein via a cap-independent mechanism. Mechanisms underlying circRNA dysregulation in tauopathies and causal relationships between circRNA and neurodegeneration are currently unknown. In the current study, we aimed to determine whether pathogenic forms of tau drive circRNA dysregulation and whether such dysregulation causally mediates neurodegeneration. We identify circRNAs that are differentially expressed in the brain of a Drosophila model of tauopathy and in induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived neurons carrying a tau mutation associated with autosomal dominant tauopathy. We leverage Drosophila to discover that depletion of circular forms of muscleblind (circMbl), a circRNA that is particularly abundant in brains of tau transgenic Drosophila, significantly suppresses tau neurotoxicity, suggesting that tau-induced circMbl elevation is neurotoxic. We detect a general elevation of m6A RNA methylation and circRNA methylation in tau transgenic Drosophila and find that tau-induced m6A methylation is a mechanistic driver of circMbl formation. Interestingly, we find that circRNA and m6A RNA accumulate within nuclear envelope invaginations of tau transgenic Drosophila and in iPSC-derived cerebral organoid models of tauopathy. Taken together, our studies add critical new insight into the mechanisms underlying circRNA dysregulation in tauopathy and identify m6A-modified circRNA as a causal factor contributing to neurodegeneration. These findings add to a growing literature implicating pathogenic forms of tau as drivers of altered RNA metabolism.

ABSTRACT Increased neuronal excitability contributes to amyloid-β (Aβ) production and aggregation in the Alzheimer’s disease (AD) brain. Previous work from our lab demonstrated that hyperglycemia, or elevated blood glucose levels, increased brain excitability and Aβ release potentially through inward rectifying, ATP-sensitive potassium (K ATP ) channels. K ATP channels are present on several different cell types and help to maintain excitatory thresholds throughout the brain. K ATP channels are sensitive to changes in the metabolic environment, which are coupled to changes in cellular excitability. Therefore, we hypothesized that neuronal K ATP channels are necessary for the hyperglycemic-dependent increases in extracellular Aβ and eliminating K ATP channel activity will uncouple the relationship between metabolism, excitability, and Aβ pathology. First, we demonstrate that Kir6.2/ KCNJ11 , the pore forming subunits, and SUR1/ ABCC8 , the sulfonylurea receptors, are predominantly expressed on excitatory and inhibitory neurons in the human brain and that cortical expression of KCNJ11 and ABCC8 change with AD pathology in humans and rodent models. Next, we crossed APP/PS1 mice with Kir6.2 -/- mice, which lack neuronal K ATP channel activity, to define the relationship between K ATP channels, Aβ, and hyperglycemia. Using in vivo microdialysis and hyperglycemic clamps, we explored how acute elevations in peripheral blood glucose levels impacted hippocampal interstitial fluid (ISF) glucose, lactate, and Aβ levels in APP/PS1 mice with or without K ATP channels. Kir6.2+/+, APP/PS1 mice and Kir6.2-/-, APP/PS1 mice were exposed to a high sucrose diet for 6 months to determine the effects of chronic hyperglycemia on Aβ deposition. We found that elevations in blood glucose levels correlate with increased ISF Aβ, amyloidogenic processing of amyloid precursor protein (APP), and amyloid plaque pathology in APP/PS mice with intact K ATP channels. However, neither acute hyperglycemia nor chronic sucrose overconsumption raised ISF Aβ or increased Aβ plaque burden in APP/PS1 mice lacking Kir6.2-K ATP channel activity. Mechanistic studies demonstrate ISF glucose not only correlates with ISF Aβ but also ISF lactate. Without K ATP channel activity, ISF lactate does not increase during hyperglycemia, which correlates with decreased monocarboxylate transporter 4 (MCT4) expression, a lactate transporter responsible for astrocytic lactate release. This suggests that K ATP channel activity regulates ISF lactate during hyperglycemia, which is important for Aβ release and aggregation. These studies identify a new role for Kir6.2-K ATP channels in Alzheimer’s disease pathology and suggest that pharmacological antagonism of Kir6.2-K ATP channels holds therapeutic promise in reducing Aβ pathology, especially in diabetic and prediabetic patients.

ABSTRACT Importance Identifying individuals at risk for developing Alzheimer’s disease (AD) is of utmost importance. Although genetic studies have identified APOE and other AD associated single nucleotide polymorphisms (SNPs), genetic information has not been integrated into an epidemiological framework for personalized risk prediction. Objective To develop, replicate and validate a novel polygenic hazard score for predicting age-specific risk for AD. Setting Multi-center, multi-cohort genetic and clinical data. Participants We assessed genetic data from 17,008 AD patients and 37,154 controls from the International Genetics of Alzheimer’s Project (IGAP), and 6,409 AD patients and 9,386 older controls from Phase 1 Alzheimer’s Disease Genetics Consortium (ADGC). As independent replication and validation cohorts, we also evaluated genetic, neuroimaging, neuropathologic, CSF and clinical data from ADGC Phase 2, National Institute of Aging Alzheimer’s Disease Center (NIA ADC) and Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative (ADNI) (total n = 20,680) Main Outcome(s) and Measure(s) Use the IGAP cohort to first identify AD associated SNPs (at p < 10 -5 ). Next, integrate these AD associated SNPs into a Cox proportional hazards model using ADGC phase 1 genetic data, providing a polygenic hazard score (PHS) for each participant. Combine population based incidence rates, and genotype-derived PHS for each individual to derive estimates of instantaneous risk for developing AD, based on genotype and age. Finally, assess replication and validation of PHS in independent cohorts. Results Individuals in the highest PHS quantiles developed AD at a considerably lower age and had the highest yearly AD incidence rate. Among APOE ε3/3 individuals, PHS modified expected age of AD onset by more than 10 years between the lowest and highest deciles. In independent cohorts, PHS strongly predicted empirical age of AD onset (p = 1.1 x 10 -26 ), longitudinal progression from normal aging to AD (p = 1.54 x 10 -10 ) and associated with markers of AD neurodegeneration. Conclusions We developed, replicated and validated a clinically usable PHS for quantifying individual differences in age-specific risk of AD. Beyond APOE , polygenic architecture plays an important role in modifying AD risk. Precise quantification of AD genetic risk will be useful for early diagnosis and therapeutic strategies.

Neurodegenerative diseases likely share common underlying pathobiology. Although prior work has identified susceptibility loci associated with various dementias, few, if any, studies have systematically evaluated shared genetic risk across several neurodegenerative diseases. Using genome-wide association data from large studies (total n = 82,337 cases and controls), we utilized a previously validated approach to identify genetic overlap and reveal common pathways between progressive supranuclear palsy (PSP), frontotemporal dementia (FTD), Parkinson's disease (PD) and Alzheimer's disease (AD). In addition to the MAPT H1 haplotype, we identified a variant near the chemokine receptor CXCR4 that was jointly associated with increased risk for PSP and PD. Using bioinformatics tools, we found strong physical interactions between CXCR4 and four microglia related genes, namely CXCL12, TLR2, RALB and CCR5. Evaluating gene expression from post-mortem brain tissue, we found that expression of CXCR4 and microglial genes functionally related to CXCR4 was dysregulated across a number of neurodegenerative diseases. Furthermore, in a mouse model of tauopathy, expression of CXCR4 and functionally associated genes was significantly altered in regions of the mouse brain that accumulate neurofibrillary tangles most robustly. Beyond MAPT, we show dysregulation of CXCR4 expression in PSP, PD, and FTD brains, and mouse models of tau pathology. Our multi-modal findings suggest that abnormal signaling across a network of microglial genes may contribute to neurodegeneration and may have potential implications for clinical trials targeting immune dysfunction in patients with neurodegenerative diseases.

Identifying asymptomatic older individuals at elevated risk for developing Alzheimer's disease (AD) is of clinical importance. Among 1,081 asymptomatic older adults, a recently validated polygenic hazard score (PHS) significantly predicted time to AD dementia and steeper longitudinal cognitive decline, even after controlling for APOE e4 carrier status. Older individuals in the highest PHS percentiles showed the highest AD incidence rates. PHS predicted longitudinal clinical decline among older individuals with moderate to high CERAD (amyloid) and Braak (tau) scores at autopsy, even among APOE e4 non-carriers. Beyond APOE, PHS may help identify asymptomatic individuals at highest risk for developing Alzheimer's neurodegeneration.